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QUERVERWEIS ZU VERWANDTER ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der
koreanischen Patentanmeldung mit der Nummer 10-2013-0159336 , die am 19. Dezember 2013 beim Koreanischen Patentamt eingereicht wurde, wobei deren gesamter Inhalt hierin unter Bezugnahme umfasst ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(a) Technisches Gebiet
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Eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, und genauer gesagt auf eine Wasserstoffabführeinheit für ein Brennstoffzellensystem, welche eine Wasserstoffkonzentration einer Brennstoffelektrode oberhalb eines festgelegten Schwellenwerts aufrechterhält.
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(b) Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellensystem ist ein Typ eines Energieerzeugungssystems, welches Luft und Wasserstoff einer Brennstoffzelle zuführt, um elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff durch die Brennstoffzelle zu erzeugen. Brennstoffzellensysteme können zum Erzeugen von Energie für ein Brennstoffzellenerzeugungswerk, ein Haus oder eine Fabrik, oder als eine Antriebsquelle für einen elektrischen Motor eines Fahrzeugs, Schiffes, einer Eisenbahn oder eines Flugzeugs verwendet werden.
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Im Allgemeinen umfasst ein Brennstoffzellensystem einen Stapel, in welchem Brennstoffzelleneinheiten gestapelt sind, eine Wasserstoffzuführeinheit, welche Wasserstoff den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheiten zuführt, und eine Luftzuführeinheit, welche Luft den Luftelektroden der Brennstoffzelleneinheiten zuführt. Damit eine Ionenaustauschmembran einer Membran-Elektrodenbaugruppe (MEA) reibungslos funktioniert, erfordert eine Polymerbrennstoffzelle eine angemessene Feuchtigkeitsmenge, weshalb ein effektives Brennstoffzellensystem typischerweise ebenfalls eine Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten eines Reaktantgases aufweist, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird.
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Diese Befeuchtungseinrichtung befeuchtet Luft, welche von der Luftzuführeinheit zugeführt wird, indem Feuchtigkeit einer Hochtemperaturluft zugeführt wird und feuchte Luft, welche von den Luftelektroden der Brennstoffzellen ausgestoßen wird, wiederverwendet wird. Diese feuchte Luft wird anschließend den Luftelektroden der Brennstoffzellen zugeführt. Darüber hinaus umfassen Brennstoffzellensysteme typischerweise eine Wasserstoffrückführeinheit, welche Wasserstoff, der von den Brennstoffelektroden der Brennstoffzellen ausgestoßen wird, mit Wasserstoff mischt, der von der Wasserstoffzuführeinheit zugeführt wird, um diese Mischung den Brennstoffelektroden zuzuführen.
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Dabei sammeln sich jedoch Unreinheiten, wie Stickstoff und Wasserdampf, an, die eine Wasserstoffkonzentration in den Brennstoffelektroden der Brennstoffzellen während des Betriebs des Brennstoffzellensystems verringern, wobei ein Zellenausfall in dem Brennstoffzellenstapel auftreten kann, wenn die Wasserstoffkonzentration zu sehr verringert wird.
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Um dieses Problem zu lösen, wird in dem Brennstoffzellensystem häufig ein Abführventil auf der Wasserstoffausstoßseite des Brennstoffzellenstapels vorgesehen, wobei durch periodisches Öffnen des Abführventils, um die Unreinheiten und den Wasserstoff auszustoßen, die Wasserstoffkonzentration der Brennstoffelektroden oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes aufrechterhalten wird.
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Dabei stoßen die Brennstoffelektroden die Unreinheiten und den Wasserstoff aus, wenn das Abführventil zum Spülen der Brennstoffelektroden geöffnet wird, wobei das Abführgas der Befeuchtungseinrichtung zusammen mit der Luft, die von dem Brennstoffzellenstapel ausgestoßen wird, zugeführt wird. Anschließend wird Wasserdampf in den Unreinheiten als Befeuchtungsquelle des Reaktantgases, welches für die elektrochemische Reaktion der Brennstoffzelle in der Befeuchtungseinrichtung erforderlich ist, verwendet, wobei Gase, wie Wasserstoff und Stickstoff, in die Atmosphäre durch eine Ausgabeleitung der Befeuchtungseinrichtung ausgestoßen werden.
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Beispielsweise wird ein Verdünnungseffekt von Abführwasserstoff zum Abführen des Wasserstoffs von dem System erzielt, indem Wasserstoff, welcher von der Brennstoffelektrode ausgestoßen wird, mit Luft, welche durch die Luftausstoßleitung von dem Brennstoffzellenstapel ausgestoßen wird, gemischt wird.
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Dieser Prozess verringert jedoch zum Teil die Wasserstoffkonzentration, indem Luft mit Wasserstoff aufgrund des Abführwasserstoffs, welcher in die Luftausstoßleitung des Brennstoffzellenstapels ausgestoßen wird, gemischt wird. Da der Mischeffekt des Wasserstoffs und der Luft nicht ausreichend implementiert ist, ist es schwierig, effektiv die Konzentration des Wassersstoffs zu verringern.
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Insbesondere ist die Konzentration von Wasserstoff, der in die Atmosphäre ausgestoßen wird, sehr hoch, wenn das Abführventil geöffnet wird, da eine signifikante Wasserstoffmenge umgehend innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne ausstoßen wird (im Allgemeinen innerhalb einer Sekunde). Dementsprechend kann eine Explosion auftreten, wenn eine Flammenquelle in einem Konzentrationsbereich von 4 bis 75 % vorhanden ist.
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Um solch eine Explosion zu verhindern, muss das Brennstoffzellensystem ein Verfahren zum Ausstoßen von Wasserstoff in die Atmosphäre verwenden, welcher von der Brennstoffelektrode ausgestoßen wird, bei dem eine Konzentration unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts liegt, wenn die Wasserabfuhr betrieben wird. Derzeit liegt solch ein Verfahren nicht vor.
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Die oberen Informationen, welche in diesem Hintergrundabschnitt offenbart sind, dienen lediglich zum Verständnis des Hintergrunds der Erfindung und können demnach Informationen enthalten, die nicht Stand der Technik bilden, welcher dem Fachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde durchgeführt, um eine Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, welche eine Konzentration von Wasserstoff, der in die Atmosphäre ausstoßen wird, verringert, indem eine Struktur verbessert wird, mit welcher Abführwasserstoff in eine Luftausstoßleitung eines Brennstoffzellenstapels ausgestoßen wird.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Wasserabführeinheit eines Brennstoffzellensystems mit einer Abführleitung, welche eine Luftausstoßleitung zum Verbinden eines Brennstoffzellenstapels und einer Befeuchtungseinrichtung und eine Wasserausstoßleitung zum Ausstoßen von Wasserstoff von dem Brennstoffzellenstapel verbindet, und einem Abführventil bereit, welches an der Abführleitung vorgesehen ist. Darüber hinaus kann eine Vielzahl von Abführverzweigungsöffnungen zum Ausstoßen eines Abführgases, welches von dem Brennstoffzellenstapel ausgestoßen wird, in die Luftausstoßleitung in Intervallen in einem Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung von dem Abführventil vorgesehen sein.
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Ferner können in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Verbindungsöffnungen, welche mit den Abführverzweigungsöffnungen verbunden sind, in der Luftausstoßleitung ausgeformt sein.
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Darüber hinaus kann in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung, welche sich von dem Abführventil erstreckt, ganzheitlich mit einer äußeren Fläche der Luftausstoßleitung verbunden sein. Genauer gesagt kann in einigen exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung, welcher sich von dem Abführventil erstreckt, ganzheitlich mit einer oberen Seite einer äußeren Fläche der Luftausstoßleitung verbunden sein. Darüber hinaus kann in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Ende der Abführleitung geschlossen sein.
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Ferner können in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abführverzweigungsöffnungen in der Abführleitung in Intervallen, welche voneinander durch einen vorbestimmten Abstand, oder alternativ in variablen Abständen, getrennt sind in einer Flussrichtung des Abführgases ausgebildet sein.
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Darüber hinaus können in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystem gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abführverzweigungsöffnungen in Intervallen ausgebildet sein, sodass diese voneinander in einer Flussrichtung des Abführgases derart getrennt sind, sodass Abstände zwischen jeder der Abführverzweigungsöffnungen graduell verringert werden, wenn die Abführverzweigungsöffnungen näher an einem Ende der Abführleitung angeordnet sind, wobei diese näher an einem Einlass der Abführleitung (genauer gesagt einem Einlassende davon) weiter entfernt voneinander angeordnet sind.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems mit einer Abführleitung, welche eine Luftausstoßleitung zum Verbinden eines Brennstoffzellenstapels und einer Befeuchtungseinrichtung mit einer Wasserstoffausstoßleitung zum Ausstoßen von Wasserstoff von dem Brennstoffzellenstapel verbindet, und einem Abführventil bereit, welches an der Abführleitung vorgesehen ist. Ein Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung von dem Abführventil kann innerhalb der Luftausstoßleitung angeordnet sein, wobei eine Vielzahl von Abführverzweigungsöffnungen, welche ein Abführgas in die Luftausstoßleitung ausstoßen, welches von dem Brennstoffzellenstapel ausgestoßen wird, in Intervallen in der Abführleitung ausgebildet sein kann.
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Darüber hinaus können in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Luftausstoßleitung und die Abführleitung ausgestaltet sein, eine Doppelleitungsstruktur aufzuweisen.
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Ferner kann in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Stromabwärtsabschnitt des Abführventils von dem Abführventil als ein Strömungsweg zum Führen des Abführgases in die gleiche Richtung, wie einer Flussrichtung von Luft, welche in der Luftausstoßleitung fließt, ausgebildet sein.
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Darüber hinaus kann in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung von dem Abführventil innerhalb eines Strömungsweges an einem oberen Ende der Luftausstoßleitung innerhalb der Luftausstoßleitung angeordnet sein, wobei in einigen exemplarischen Ausführungsformen der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung, welcher sich von dem Abführventil erstreckt, ganzheitlich mit der Luftausstoßleitung verbunden sein kann.
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Darüber hinaus kann in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, ein Ende der Abführleitung ein Auslassende des Abführgases und mit dem Inneren der Luftausstoßleitung verbunden sein. Hier können in einigen Ausführungsformen die Abführverzweigungsöffnungen innerhalb eines Strömungsweges entlang der unteren Fläche der Abführleitung ausgebildet sein.
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Ferner können in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Abführverzweigungsöffnungen in der Abführleitung ausgebildet sein, um voneinander mit einem vorbestimmten Abstand in einer Flussrichtung des Abführgases getrennt zu sein.
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Darüber hinaus können in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die Abführverzweigungsöffnungen in der Abführleitung in Intervallen, welche voneinander mit variablen Abständen in einer Flussrichtung des Abführgases getrennt sind, ausgebildet sein.
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Ferner können jedoch auch in der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abführverzweigungsöffnungen so ausgebildet sein, dass diese voneinander in einer Flussrichtung des Abführgases derart getrennt sind, dass Abstände zwischen Abführverzweigungsöffnungen sich graduell vergrößern, wenn die Abführverzweigungsöffnungen näher an einem Einlassende der Abführleitung von dem Auslassende davon angeordnet sind.
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Gemäß exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, effektiv die Konzentration von Abführwasserstoff zu verdünnen, ohne zusätzliche Energie zu verbrauchen, indem die Abführverzweigungsöffnungen zum Ausstoßen des Abführgases in die Luftausstoßleitung an der Abführleitung ausgebildet werden und die Entfernung jeder der Öffnungen voneinander angepasst wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Zeichnungen dienen der Beschreibung von exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, weshalb die technische Lehre der vorliegenden Erfindung nicht derart interpretiert werden sollte, dass diese durch die begleitenden Zeichnungen beschränkt wird.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems zeigt, mit dem eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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2 und 3 sind schematische Querschnittsansichten, welche eine Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
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4 ist eine Tabelle, welche eine Beziehung zwischen einer Flussrate und einer Flussgeschwindigkeit zum Beschreiben eines Betriebseffekts der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführung der vorliegenden zeigt.
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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7 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Modifikation von Abführverzweigungsöffnungen, welche an der Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden, zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in denen exemplarische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt sind, im Detail beschrieben. Wie dem Fachmann bekannt ist, können die bestehenden Ausführungsformen in verschiedenen Arten modifiziert werden, ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Nicht in Beziehung stehende Teile werden ausgelassen, um eindeutig die vorliegende Erfindung zu beschreiben, wobei im Rahmen der gesamten Beschreibung gleiche oder ähnliche Ausgestaltungselemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet werden.
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In den Zeichnungen sind Größen und Dicken von Teilen willkürlich zur Vereinfachung der Beschreibung dargestellt, weshalb die vorliegende Erfindung nicht erforderliche Weise auf die Zeichnungen beschränkt ist. Die Dicken davon sind dick darstellt, um verschiedene Abschnitte und Bereiche klar darzustellen.
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Ferner werden in der folgenden detaillierten Beschreibung die Begriffe „erster“, „zweiter“ und dergleichen, mit denen Komponenten mit der gleichen Ausgestaltung bezeichnet werden, lediglich verwendet, um eine Komponente von der anderen zu unterscheiden, was nicht bedeutet, dass diese Begriffe irgendeine Reihenfolge in der folgenden detaillierten Beschreibung darlegen.
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Im Rahmen der Beschreibung werden die Wörter „umfassen“ und verschiedene Variationen davon, wie „umfasst“ oder „umfassend“, derart verstanden, dass die genannten Elemente vorhanden sind, jedoch andere Elemente nicht ausgeschlossen sind.
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Ferner beziehen sich die Begriffe „...einheit“, „...mittel“, „...teil“, „Element“ und dergleichen, welche in der Beschreibung beschrieben werden, auf eine Einheit mit einer abschließenden Ausgestaltung, welche mindestens eine Funktion oder einen Betrieb ausführt.
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Darüber hinaus wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „fahrzeug-“ oder „fahrzeugartig“ oder ähnliche Begriffe sich auf Motorfahrzeuge im Allgemeinen beziehen, umfassend Sport-Utility-Vehicles (SUVs), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge umfassend eine Vielzahl von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm, welches ein Beispiel eines Brennstoffzellensystems zeigt, mit dem eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bezugnehmend auf 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100, mit welchem eine exemplarische Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ein Energieerzeugungssystem, welches elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidationsmittel und Brennstoff erzeugt, das beispielsweise innerhalb eines Brennstoffzellenfahrzeugs vorgesehen sein kann, welches einen elektrischen Motor verwendet, um das Fahrzeug anzutreiben und daher eine elektrische Energiequelle benötigt. In der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Brennstoff, welcher in dem Brennstoffzellensystem 100 verwendet wird, in Form von einem Wasserstoffgas (von hieran als Wasserstoff zur Vereinfachung bezeichnet) und das Oxidationsmittel als Luft beschrieben werden. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel sind jedoch nicht erforderlicher Weise darauf beschränkt und können daher jeglichen alternativen Brennstoff oder jegliches alternatives Oxidationsmittel, welches zur Verwendung in der Brennstoffzelle bekannt ist, umfassen, ohne von dem gesamten Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Dabei weist das Brennstoffzellensystem 100 einen Brennstoffzellenstapel 10, eine Luftzuführeinheit 20, eine Wasserstoffzuführeinheit 30, eine Befeuchtungseinrichtung 40 und eine Wasserstoffrezirkulationseinheit 50 auf. Insbesondere kann der Brennstoffzellenstapel 10 als eine Elektrizitätserzeugungsbaugruppe verkörpert sein, welche aus einer Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten ausgebildet ist, die jeweils Luftelektroden und Brennstoffelektroden aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel 10 erhält Wasserstoff, welcher von der Wasserstoffzuführeinheit 30 zugeführt wird, und erhält Luft, welche von der Luftzuführeinheit 20 zugeführt wird, um dazu in der Lage zu sein, elektrische Energie über eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff zu erzeugen.
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Die Luftzuführeinheit 20 kann als ein Kompressor oder ein Luftgebläse, welches durch von dieser empfangene Energie angetrieben wird, verkörpert sein und ist ausgestaltet, Luft von der Atmosphäre der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels 10 zuzuführen. Die Wasserstoffzuführeinheit 30 kann einen Wasserstofftank, welcher Wasserstoff in eine Gasphaser komprimiert, den komprimierten Wasserstoff speichert und den gespeicherten Wasserstoff der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 10 bei Bedarf zuführt, aufweisen.
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Darüber hinaus kann die Befeuchtungseinrichtung 40 in 1 eine Membranbefeuchtungseinrichtung aufweisen, welche die Luft, die von der Luftzuführeinheit 20 zugeführt wird, unter Verwendung von Luft, die von der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels 10 ausgestoßen wird, membranbefeuchtet. Die Befeuchtungseinrichtung 40 kann mit dem Brennstoffzellenstapel 10 durch eine Luftzuführleitung 11 und eine Luftausstoßleitung 12 verbunden sein.
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Die Wasserstoffrezirkulationseinheit 50 kann zum Rezirkulieren von Wasserstoff, welcher von der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 10 ausgestoßen wird, in die Brennstoffelektrode vorgesehen sein und Wasserstoff, der durch die Wasserstoffausstoßleitung 13 von dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgestoßen wird, mit Wasserstoff mischen, welcher von der Wasserstoffzuführeinheit 30 durch einen Ejektor zugeführt wird, um dazu in der Lage zu sein, die Mischung der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 10 zuzuführen.
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Eine Wasserstoffabführeinheit 70 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche mit dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 verwendet wird, ist eingerichtet, eine Konzentration des Wasserstoffs der Brennstoffelektrode oberhalb eines Schwellenwertes zu halten, indem Unreinheiten zusammen mit Wasserstoff von der Brennstoffelektrode ausgestoßen werden, wenn sich Unreinheiten, wie Stickstoff und Wasserdampf, in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 anhäufen, wobei hierdurch die Wasserstoffkonzentration verringert wird.
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Beispielsweise kann die Wasserstoffabführeinheit 70 gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Wasserstoffabführverfahren anwenden, bei dem der Wasserstoff und Unreinheiten (von hieran als „Abführgas“ der Einfachheit halber bezeichnet), welche von der Brennstoffelektrode ausgestoßen werden, mit Luft, die durch die Luftausstoßleitung 12 von dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgestoßen wird, gemischt werden, um dazu in der Lage zu sein, einen Wasserstoffverdünnungseffekt in dem Abführgas herbeizuführen.
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Die Wasserstoffabführeinheit 70 des Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche das Wasserstoffabführverfahren einsetzt, weist eine Abführleitung 71, welche die Luftausstoßleitung 12 und die Wasserstoffausstoßleitung 13, welche weiter oben beschrieben sind, verbindet, und ein Abführventil 73 auf, welches innerhalb der Abführleitung 71 entlang des Strömungsweges vorgesehen ist.
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Die Abführleitung 71 kann eine beliebige Leitung mit einem vorbestimmten inneren Durchmesser sein, wobei das Abführventil 73 ein beliebiges Ventil sein kann, welches selektiv einen Strömungsweg der Abführleitung 71 in Antwort auf ein Steuersignal einer Steuerung (nicht gezeigt in den Zeichnung) öffnen oder schließen kann.
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Die Wasserstoffabführeinheit 70 des Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Struktur auf, welche die Konzentration des Wasserstoffs, der in die Atmosphäre durch die Befeuchtungseinrichtung 40 ausgestoßen wird, verringert, indem die Abführleitung 71, durch welche das Abführgas in die Luftausstoßleitung 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ausgestoßen wird, verändert wird.
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2 eine ist schematische Querschnittsansicht, welche eine Verbindungsstruktur der Abführleitung, die in der Wasserstoffabführeinheit des Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Bezugnehmend auf 2, kann die Wasserstoffabführeinheit 70 des Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der Abführleitung 71 vorgesehen sein, in welcher eine Vielzahl von Abführverzweigungsöffnungen 81 abteilungsartig in der Abführleitung 71 stromabwärts von dem Luftventil 73 zum Ausstoßen des Abführgases, welches von dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgestoßen wird, in die Luftausstoßleitung 12 ausgebildet ist.
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Das heißt, dass die Abführverzweigungsöffnungen 81 zum Ausstoßen des Abführgases in die Luftausstoßleitung 12 in dem Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 73 entlang eines Strömungsweges des Abführgases ausgebildet sind. Hier sind Verbindungsöffnungen 15, welche mit den Abführverzweigungsöffnungen 81 verbunden sind, in der Luftausstoßleitung 12 ausgebildet, um das Abführgas in die Luftausstoßleitung 12 durch die Abführverzweigungsöffnungen 81 auszustoßen.
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Dabei sind die Abführverzweigungsöffnungen 81 entlang der Bodenfläche der Abführleitung 71 ausgeformt, wobei die Verbindungsöffnungen 15, welche mit den Abführverzweigungsöffnungen 81 korrespondieren, an der oberen Fläche der Luftausstoßleitung 12 ausgebildet sind. In der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 73 ganzheitlich mit einer äußeren oberen Fläche der Luftausstoßleitung 12, wie in 3 gezeigt, verbunden (verklebt) sein.
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In diesem Fall sind die Abführverzweigungsöffnungen 81 der Abführleitung 71 mit den Verbindungsöffnungen 15 der Luftausstoßleitung 12 verbunden. Darüber hinaus ist ein Ende der Abführleitung 71, d.h. ein Ende des Stromabwärtsabschnitts davon von dem Abführventil 73, das mit einem Einlassende der Abführleitung 71 korrespondiert, nicht geöffnet, sondern geschlossen ausgebildet.
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Der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 73 kann ganzheitlich mit einem oberen Ende der äußeren Fläche der Luftausstoßleitung 12 verbunden sein. Der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 73 kann mit der äußeren oberen Fläche der Luftausstoßleitung 12 über eine Schweißnaht verbunden sein.
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Ferner können in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Abführverzweigungsöffnungen 81, welche in dem Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 73 ausgebildet sind, in Intervallen derart angeordnet sein, dass die Abführverzweigungsöffnungen 81 voneinander mit einem bestimmten Abstand in einer Flussrichtung des Abführgases getrennt sind.
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Beispielsweise ist eine Länge der Luftausstoßleitung 12 5 m und eine Flussrate der Luft, welche entlang der Luftausstoßleitung 12 fließt, 400 Normalliter pro Minute (NLPM). Wenn eine gesamte Flussrate des Abführwasserstoffs, welcher entlang der Abführleitung 71 fließt, 130 NLPM beträgt, sind die Abführverzweigungsöffnungen 81 am Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil mit einem Abstand von 1 m ausgebildet und können das Abführgas in die Luftausstoßleitung 12 mit 23 NLPM ausstoßen.
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In diesem Fall beträgt die Wasserstoffkonzentration des Abführgases bis zu 22 %, wenn eine Abführwasserstoffmenge von 113 NLPM durch ein Abführverzweigungsloch 81 ausgestoßen wird. Die Wasserstoffkonzentration des Abführgases kann jedoch um bis zu 5,4 % verringert werden, wenn fünf Abführverzweigungsöffnungen 81 mit einem bestimmten Abstand angeordnet sind und das Abführgas durch die Abführverzweigungsöffnungen 81 ausstoßen wird.
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In der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurden die Abführverzweigungsöffnungen 81, welche in dem Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 73 ausgebildet sind, derart beschrieben, dass diese in Intervallen angeordnet sind, sodass diese voneinander mit einem bestimmen Abstand in der Flussrichtung des Abführgases getrennt sind, wobei die vorliegende Erfindung hierauf nicht beschränkt ist. Beispielsweise können die Abführverzweigungsöffnungen 81 an der Abführleitung 71 auch in Intervallen ausgebildet sein, sodass diese voneinander mit variablen Abständen in der Flussrichtung des Abführgases in Abhängigkeit der Flussrate des Abführgases und der Flussrate der ausgestoßenen Luft getrennt sind.
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Darüber hinaus wurde in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben, dass der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 71 ganzheitlich mit dem oberen Ende der äußeren Fläche der Luftausstoßleitung 12 verbunden sein kann und die Abführverzweigungsöffnungen 81 der Abführleitung 71 mit den Verbindungsöffnungen 15 der Luftausstoßleitung 12 verbunden sind.
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Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die zuvor beschriebene Beschreibung beschränkt und der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71, welcher sich von dem Abführventil 73 erstreckt, kann derart angeordnet sein, dass dieser von der oberen äußeren Fläche der Luftausstoßleitung 12 mit einem vorbestimmten Abstand getrennt ist, wobei die Abführverzweigungsöffnungen 81 der Abführleitung 71 mit den Verbindungsöffnungen 15 der Luftausstoßleitung 12 durch eine Verbindungsleitung verbunden sein können.
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Anschließend wird ein Betrieb der Wasserstoffabführeinheit 70 des Brennstoffzellensystems gemäß der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche die zuvor beschriebene Ausgestaltung aufweist, im Detail unter Bezugnahme auf die weiter oben beschriebenen Zeichnungen beschrieben.
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Als erstes wird in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 100 die Luft dem Brennstoffzellenstapel 10 durch die Luftzuführeinheit 20 zugeführt, und der Wasserstoff wird dem Brennstoffzellenstapel 10 durch die Wasserstoffzuführeinheit 30 zugeführt. Anschließend erzeugt der Brennstoffzellenstapel 10 elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff durch die Brennstoffzellen, stößt Luft mit hoher Temperatur und Feuchtigkeit von den Luftelektroden der Brennstoffzellen durch die Luftausstoßleitung 12 aus, und stößt feuchtigkeitsenthaltenden Wasserstoff durch die Wasserstoffausstoßleitung 13 von den Brennstoffelektroden der Brennstoffzellen aus.
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Dabei stoßen die Brennstoffelektroden der Brennstoffzellen den übrigbleibenden Wasserstoff nach der Reaktion aus, wobei der Wasserstoff dann zusammen mit Wasserstoff, welcher von der Wasserstoffzuführeinheit 30 zugeführt wird, durch die Wasserstoffrezirkulationseinheit 50 zu den Brennstoffelektroden rezirkuliert werden kann.
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In diesem Prozess kann Luft, welche von den Luftelektroden der Brennstoffzellen ausgestoßen wird, der Befeuchtungseinrichtung 40 durch die Luftausstoßleitung 12 zugeführt werden, wobei die Befeuchtungseinrichtung 40 Luft unter Verwendung der ausgestoßenen Luft befeuchten kann, welche von der Luftzuführeinheit 20 zugeführt wird. Diese befeuchtete Luft wird anschließend den Luftelektroden der Brennstoffzellen zugeführt.
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Auf der anderen Seite wird in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 das Abführventil 73 zum Ausführen einer Wasserstoffabfuhr, welche das Abführgas von den Brennstoffelektroden durch die Abführleitung 71 ausstößt, geöffnet, wenn Unreinheiten, wie Stickstoff und Wasserdampf, in der Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle angereichert werden, um die Konzentration des Wasserstoffs zu verringern.
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Daraufhin fließt das Abführgas durch die Abführleitung 71 und wird der Luftausstoßleitung 12 durch die Öffnungen 81 zugeführt. Das heißt, dass in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Abführgas in die Luftausstoßleitung 12 durch die Abführverzweigungsöffnungen 81 in dem Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 73 ausgestoßen werden kann.
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Dabei kann in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Abführgas, welches entlang der Abführleitung 71 strömt, in die Luftausstoßleitung 12 durch geeignetes Verteilen durch die Abführverzweigungsöffnungen 81 ausgestoßen werden, da die Abführverzweigungsöffnungen 81 in dem Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71 von dem Abführventil 73 an bestimmten Abständen ausgeformt sind.
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Beispielsweise wird im Allgemeinen die Luftausstoßleitung 12 mit einem inneren Durchmesser von etwa 50 bis 70mm und die Abführleitung 71 mit einem inneren Durchmesser von etwa 6 bis 12mm verwendet. In der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Flussgeschwindigkeiten in Abhängigkeit von Flussrate der Leitungen 12 und 71 in der Tabelle von 4 dargestellt, wenn der innere Durchmesser der Luftausstoßleitung 12 60mm und der innere Durchmesser der Abführleitung 71 10mm beträgt.
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Wie 4 dargestellt, kann in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesehen werden, dass, wenn eine Flussrate der Luft, welche entlang der Luftausstoßleitung 12 fließt, 400 NLPM und eine Totalflussrate des Wasserstoffs, welcher entlang der Abführleitung 71 fließt, 113 NLPM beträgt, eine Flussgeschwindigkeit des Wasserstoffs während der Wasserstoffabfuhr 10 Mal größer als eine Flussgeschwindigkeit der Luft ist.
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Demnach ist es in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, einen Verdünnungseffekt der Wasserstoffkonzentration zu maximieren, wenn eine Wasserstoffabfuhr durch die Abführverzweigungsöffnungen 81, welche abschnittsweise in dem Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 71, welche sich von dem Abführventil 73 erstreckt, entlang eines bestimmten Abstands davon unter Verwendung einer vergrößerten Flussgeschwindigkeit des Abführgases ausgeführt wird.
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Genauer gesagt beträgt eine Zeit, für welche die Luft durch die Luftausstoßleitung 12 fließt, etwa 2,1 Sekunden, wobei eine Zeit, für welche der Wasserstoff den gleichen Abstand zurück legt 0,21 Sekunden beträgt, wenn die Länge der Luftausstoßleitung 12 etwa 5m, die Flussrate der Luft, welche entlang der Luftausstoßleitung 12 fließt, 400 NLPM und die Totalflussrate des Abführwasserstoffs, welcher entlang der Abführleitung 71 fließt, 113 NLPM beträgt.
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Wie weiter oben beschrieben, ist es in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, die Konzentration des Wasserstoffs durch die Luft innerhalb der Luftausstoßleitung 12 auf das Äußerste zu verdünnen, indem das Abführgas in die Luftausstoßleitung 12 durch die Abführverzweigungsöffnungen 81, welche in der Abführleitung 71 ausgebildet sind, mit einer hohen Flussgeschwindigkeit auszustoßen wird.
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren exemplarischen Ausführung der vorliegenden zeigt. In der Zeichnung werden die gleichen Ausgestaltungselemente, wie jene in der zuvor erwähnten exemplarischen Ausführungsform, mit den gleichen Bezugszeichen, wie jene in der zuvor erwähnten exemplarischen Ausführungsform gekennzeichnet.
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Bezugnehmend auf 5, weist eine Wasserstoffabführeinheit 170 eines Brennstoffzellensystems gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Struktur der zuvor erwähnten exemplarischen Ausführungsform auf, und kann Abführverzweigungsöffnungen 181 aufweisen, sodass Abstände zwischen den Abführverzweigungsöffnungen graduell verringert werden, wenn diese näher an einem Ende der Abführleitung 171 von einem Einlassende davon angeordnet werden, wobei die Abführverzweigungsöffnungen separat in Intervallen voneinander in der Flussrichtung des Abführgases ausgeformt sind.
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Das heißt, dass Abführverzweigungsöffnungen 181 so ausgebildet werden können, dass Abstände zwischen Abführverzweigungsöffnungen graduell verringert werden, wenn diese näher an einem Auslass einer Luftausstoßleitung 112 als an einem Einlass davon angeordnet werden. Hier können Verbindungsöffnungen 115, welche in der Luftausstoßleitung 112 ausgebildet und mit den Abführverzweigungsöffnungen 181 verbunden sind, so angeordnet werden, dass Abstände zwischen den Verbindungsöffnungen graduell verringert werden, wenn diese näher an einem Ende der Luftausstoßleitung 112 von dem Einlassende davon angeordnet werden.
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Demnach ist es in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, die Abfuhr durchzuführen, während die Ausstoßintervalle des Abführgases von den Abführverzweigungsöffnungen 181 verändert werden, wenn die Länge der Luftausstoßleitung 112 etwa 5m, die Flussrate der Luft, welche entlang der Luftausstoßleitung 112 strömt, 400 NLPM, und die Totalflussrate des Abführwasserstoffs, welcher entlang der Abführleitung 171 fließt, 113 NLPM beträgt.
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Folglich wird in der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Wasserstoff teilweise mit der Luft gemischt, während das Abführgas durch die Luftausstoßleitung 112 hindurchgeht, da die Abführverzweigungsöffnungen 181 so ausgebildet sind, dass Abstände zwischen den Abführverzweigungsöffnungen graduell verringert werden, wenn diese näher an dem Auslass der Luftausstoßleitung 112 von dem Einlass davon angeordnet sind. Folglich ist es möglich, die Konzentration des Wasserstoffs, welcher schlussendlich ausgestoßen wird, weiter zu reduzieren, indem Spalte zwischen den Abführverzweigungsöffnungen 181 angepasst werden.
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche eine Wasserstoffabführeinheit eines Brennstoffzellensystems gemäß noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bezugnehmend auf 6, kann eine Wasserstoffabführeinheit 270 eines Brennstoffzellensystems gemäß noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Abführleitung 271 aufweisen, bei welcher ein Stromabwärtsabschnitt davon von dem Abführventil innerhalb einer Luftausstoßleitung 212 angeordnet ist, und eine Vielzahl von Verzweigungsöffnungen 281 zum Ausstoßen des Abführgases in die Luftausstoßleitung 212, welches von der Brennstoffelektrode ausgestoßen wird, separat entlang der Bodenfläche der Abführleitung 271 ausgebildet ist.
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In der exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 271 von dem Abführventil als ein Strömungsweg für das Abführgas in der gleichen Richtung wie die Flussrichtung der Luft, welche in der Luftausstoßleitung 212 fließt, fungieren, und innerhalb der Luftausstoßleitung 212 angeordnet sein. Das heißt, dass die Abführleitung 271 der Luftausstoßleitung 212 eine Doppelleitungsstruktur (genauer gesagt eine Leitung innerhalb einer Leitung) aufweisen kann.
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Hier kann der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 271 von dem Abführventil an einem oberen Flusspfadende der Luftausstoßleitung 212 innerhalb der Luftausstoßleitung 212 angeordnet sein und ganzheitlich mit einer inneren Fläche der Luftausstoßleitung 212 beispielsweise durch Verschweißen einer Schweißnaht verbunden sein.
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In diesem Fall weist ein Ende der Abführleitung 271 einen Auslass an einem offenen Ende der Leitung zum Ausstoßen des Abführgases dadurch in die Luftausstoßleitung 212 auf und ist mit dem Inneren der Luftausstoßleitung 212 verbunden, wobei die Abführverzweigungsöffnungen 281 der Abführleitung 271 in einer Bodenfläche der Abführleitung 271 ausgebildet sein können. Darüber hinaus können die Abführverzweigungsöffnungen 281 in der Abführleitung 271 separat mit einem bestimmten Abstand voneinander in einer Flussrichtung des Abführgases (genauer gesagt intervallartig) ausgebildet sein. Genauer gesagt beträgt der Grund dafür, dass ein offenendiger Auslass in dieser Ausführungsform ausgebildet ist, jenen, dass Feuchtigkeit in dem Abführgas, welches entlang der Abführleitung 271 strömt, davon abgehalten wird, im Winter zu frieren. Darüber hinaus beträgt der Grund dafür, dass der Stromabwärtsabschnitt der Abführleitung 271 von dem Abführventil an einem oberen Ende des Flusspfades innerhalb der Luftausstoßleitung 212 angeordnet ist, jenen, dass Feuchtigkeit in der Luft, welche entlang der Luftausstoßleitung 212 strömt, davon abgehalten wird, zu Korrosion in der Abführleitung 271 zu führen.
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Alternativ können, wie in 7 gezeigt, Abführverzweigungsöffnungen 281 in der Abführleitung 271 in der Flussrichtung des Abführgases in Intervallen ausgebildet sein, um voneinander so getrennt zu sein, dass Abstände zwischen den Abführverzweigungsöffnungen graduell vergrößert werden, wenn diese näher an dem Einlassende der Abführleitung 271 von dem Auslassende davon angeordnet sind.
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Dabei können Querschnittsflächen der Abführverzweigungsöffnungen 281 gemäß noch einer weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von Spezifikationen und Volumina des Brennstoffzellensystems angepasst werden.
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Beispielsweise kann ein innerer Durchmesser des Abführverzweigungsloches zu 5 ± 1mm festgelegt werden, wenn ein innerer Flusspfaddurchmesser der Abführleitung 271 etwa 10mm beträgt und eine unmittelbare Flussrate des Abführgases durch die Abführleitung 271 signifikant ist, wobei der innere Durchmesser des Abführverzweigungsloches 281 zu 3 ± 1mm festgelegt werden kann, wenn eine unmittelbare Flussrate des Abführgases durch die Abführleitung 271 gering ist.
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Andere Ausgestaltungen und Betriebseffekte der Wasserstoffabführeinheit 270 des Brennstoffzellensystems gemäß der noch weiteren exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die gleichen, wie jene in den zuvor erwähnten exemplarischen Ausführungsformen, weshalb die Beschreibungen davon hier nicht nochmals vorgesehen sind.
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Auf der anderen Seite können in den Wasserstoffabführeinheiten 70, 170 und 270 des Brennstoffzellensystems gemäß den exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche oben beschrieben wurden, die Menge von Wasserstoff, welcher während der Abfuhr abgegeben wird, in Abhängigkeit der Flussrate (Flussgeschwindigkeit) der Ausstoßluft angepasst werden, um dazu in der Lage zu sein, die Abfuhr auszuführen. Das heißt, dass in den exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Flussgeschwindigkeit der Luft und die Flussgeschwindigkeit des abgegebenen Wasserstoffs berechnet werden, um ein Abfuhrintervall anzupassen, sodass es möglich ist, die Konzentration des abgegebenen Wasserstoffs anzupassen, sodass diese einen Zielsollwert nicht überschreitet.
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Demnach ist es in den exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung möglich, effektiv die Wasserstoffkonzentration des Abführwasserstoffs ohne zusätzliches Verbrauchen von Energie zu verdünnen, wobei es möglich ist, die Konzentration des ausgegebenen Wasserstoffs unter Verwendung von bekannten Informationen hinsichtlich der Fahrzeugausgabe, beispielsweise der Flussrate/Flussgeschwindigkeit der Luft und der Konzentration/Flussrate/Flussgeschwindigkeit des abgegeben Wasserstoffs zu steuern.
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Während diese Erfindung in Verbindung damit beschrieben wurde, was derzeit als praktische exemplarische Ausführungsformen betrachtet werden, ist es dem Fachmann bekannt, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu, auch verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, welche in der Lehre und dem Umfang der begleitenden Ansprüche umfasst sind, umfassen soll.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 11
- Luftzuführleitung
- 12, 112, 212
- Luftausstoßleitung
- 13
- Wasserstoffausstoßleitung
- 15
- Verbindungsloch
- 20
- Luftzuführeinheit
- 30
- Wasserstoffzuführeinheit
- 40
- Befeuchtungseinrichtung
- 50
- Wasserstoffrezirkulationseinheit
- 70, 170, 270
- Wasserstoffabführeinheit
- 71, 171, 271
- Abführleitung
- 73, 273
- Abführventil
- 81, 181, 281
- Abführverzweigungsloch
- 100
- Brennstoffzellensystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 10-2013-0159336 [0001]
