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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle. Die Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle kann Restwasserstoffgas in einem Brennstoffzellensystem ansaugen und in einfacher Weise das angesaugte Wasserstoffgas derart entfernen, dass ein Feuer, eine Explosion und dergleichen verhindern werden, die aufgrund von Restwasserstoff in dem Brennstoffzellensystem während der Instandhaltung eines Brennstoffzellenfahrzeugs entstehen können.
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HINTERGRUND
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Ein Brennstoffzellensystem, das in einem Brennstoffzellenfahrzeug eingebaut ist, umfasst ein Wasserstoffzuführsystem, welches Wasserstoff als Treibstoff zu einem Treibstoffzellenstapel zuführt, ein Luftzufuhrsystem, welches Sauerstoff in der Luft als ein Oxidans zuführt, welches für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist. In dem Brennstoffzellenstapel (hier nachfolgend als ”Stapel” bezeichnet), in welchem eine Vielzahl von Einzelzellen gestapelt und zum Generieren von Elektrizität durch die elektrochemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff verbunden sind, werden Wärme- und Wassermanagementsysteme zum Steuern einer Betriebstemperatur des Stapels und Entfernen einer Wärme der elektrochemischen Reaktion des Brennstoffzellenstapels und dergleichen bereitgestellt.
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Das Brennstoffzellensystem führt einen Vorgang zur Generierung von Elektrizität unter Verwendung von Wasserstoff und Luft oder Sauerstoff aus, der in der chemischen Reaktionsressource Luft enthalten ist. Gasförmiger Wasserstoff kann innerhalb des Brennstoffzellensystems aufgrund von Diffusion von Wasserstoff während eines Spülvorgangs zum Entfernen von Verunreinigungen innerhalb einer Anode des Stapels oder durch eine Membranelektrodenanordnung des Stapels in der Betriebsphase des Brennstoffzellensystems verbleiben.
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Der Wasserstoff kann während einer allgemeinen Betriebsphase verdünnt nach außen treten, aber hochkonzentrierter Wasserstoff kann lokal innerhalb des Brennstoffzellensystems existieren. Beispielsweise verbleibt Wasserstoff nach dem Beenden eines Betriebes des Brennstoffzellensystems in einer Wasserstoffspülleitung, einem Verdünner, wie durch eine dicke durchgezogene Linie in 8 gezeigt, und dergleichen zusätzlich zu der Anode des Stapels. Weiterhin kann sich der Wasserstoff innerhalb der Anode des Stapels zu der Kathode aufgrund eines Wasserstoffspülprozesses oder eines Wasserstoff-Diffusionsphänomens, wie durch die gepunktete Linie in 8 gezeigt, bewegen, uns zwar derart, dass der Wasserstoff auch in der Kathode des Stapels, einem Luftansaugrohr und dergleichen vorliegen kann, wie durch eine dünne durchgezogene Linie in 8 gezeigt.
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Der innerhalb des Brennstoffzellensystems verbleibende Wasserstoff verursacht unter normalen Betriebs- und Abschaltbedingungen des Brennstoffzellensystems keinerlei Probleme, kann aber ein Feuer verursachen, wenn ein statisches elektrisches Feld, Gerüst oder dergleichen während eines Zerlegungsprozesses des Systems im Zuge eines Instandhaltungs- oder Reparaturservices entsteht.
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Insbesondere wenn die Instandhaltungsarbeiten an dem Brennstoffzellenfahrzeug in einem Zustand durchgeführt werden, in welchem der Restwasserstoff innerhalb des Brennstoffzellensystem vorliegt, kann sich der Wasserstoff aufgrund eines Funkens, einer Flamme oder dergleichen, die durch die statische Elektrizität und dergleichen, welche häufig während Instandhaltungsarbeiten auftreten können, verursacht werden, derart entzünden oder explodieren, dass Schaden an dem Fahrzeug und eine Verletzung bei einem Mechaniker verursacht werden können.
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Dementsprechend sollte die Instandhaltungsarbeit in Bezug auf Sicherheit nach Entfernen des Restwasserstoffs innerhalb des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden.
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Gewöhnlich kann die Zündung von Wasserstoff innerhalb eines Bereiches erfolgen, in welchem die Wasserstoffkonzentration in der Luft zwischen etwa 4 bis etwa 75% beträgt. Wenn die Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems durch Saugen von Luft in den Stapel und gleichzeitiges Austretens des Restwasserstoffgases des Stapels nach außen auf weniger als etwa 4% reduzierbar ist, kann ein Feuer oder eine Explosion während eines Instandhaltungsprozesses des Brennstoffzellensystems verhindert werden.
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Nachstehend werden verschiedene Methoden zum Entfernen von Restwasserstoff in einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik wie folgt beschrieben.
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Ein Gasdiffusionsverfahren wurde eingesetzt, wobei gewartet wurde, bis sich eine Wasserstoffgaskonzentration von gleich oder kleiner als eine Zündbedingung (4% bis 75%) reduziert. Hierbei wurde Wasserstoff der sich innerhalb des Brennstoffzellensystems befindet nach außen diffundiert. Allerdings erfordert dieses Verfahren abhängig von den Bedingungen erheblich Zeit und ist deshalb zur Durchführung einer Instandhaltung nicht geeignet.
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Alternativ kann ein Verfahren zum Durchführen einer Wasserstoffspülung durch Injizieren von Luft in das Brennstoffzellensystem und den Stapel eingesetzt werden. Jedoch kann dieses Verfahren eine Degradation hinsichtlich Stapelleistung, aufgrund des Einleitens von in der Hochdruckluft enthaltenem Öl, beispielsweise Schmierstoff von einem Luftkompressor und dergleichen in den Stapel, verursachen und kann folglich eine teure Einrichtung erfordern aufgrund der Installation von einem teuren Luftfilter bei einem Automobil-Service-Center oder einem Brennstoffzellensystem-Service-Center, periodischen Wechsel des Luftfilters und dergleichen.
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Zusätzlich wurde ein Verfahren zum Durchführen einer Wasserstoffspülung durch Einführen von Luft oder Stickstoff und inertem Gas in dem Brennstoffzellensystem und den Stapel von der Außenseite eingesetzt. Jedoch erfordert dieses Verfahren eine separate teure Gaseinrichtung, beispielsweise Gasbombe und Regler, und kann einen Benutzungsaufwand zum zusätzlichen Akquirieren einer Erlaubnis zur Handhabung von Gas, eine Gasbenutzungsauthentifizierung und dergleichen zur Durchführung des Prozesses erfordern, und somit kann die Instandhaltung nicht durchgeführt werden, wenn die Austauschkosten der Gasbombe periodisch erforderlich und ein Gas unzureichend ist.
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Darüber hinaus kann der Restwasserstoff durch ein Verfahren zum Absaugen eines Gases innerhalb des Brennstoffzellensystems und des Stapels durch Verwendung einer Vakuumpumpe entfernt werden, hierbei dürfte eine teure Vakuumpumpe erforderlich sein, so dass die Kosten ansteigen können. Insbesondere kann die Vakuumpumpe durch Verwendung von Elektrizität betrieben werden, und dies kann ein Feuer oder eine Explosion während des Verfahrens zum Absaugen von Gas einschließlich des Restwasserstoffs verursachen. Zusätzlich kann die Vakuumpumpe, die eine Explosionsschutzfunktion umfasst, hohe Kosten verursachen, und somit kann die Vakuumpumpe nicht einfach verwendet und in dem Service-Center angeordnet werden.
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Die obige Information, die in diesem Hintergrund Abschnitt offengelegt ist, ist nur zum besseren Verständnis des Hintergrundes der Erfindung offenbart, und kann somit Informationen enthalten, welche nicht den Stand der Technik bilden, der hierzulande einem Fachmann bereits bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung kann technische Lösungen zu den oben beschriebenen technischen Schwierigkeiten im Stand der Technik bereitstellen. Demgemäß ist eine Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Die Vorrichtung kann als eine einfache Ejektorstruktur hergestellt sein, in welcher ein Ansatzrohr, eine Venturi und ein Diffusor sequenziell miteinander kombiniert sind, das Ansatzrohr und die Venturi kombiniert sind und dergleichen, um komprimierte Luft als einen Fahrstrom oder ersten Strom zu nutzen und Gas innerhalb einer Brennstoffzellensystems als ein Ansaugstrom oder zweiten Strom zu verwenden, wodurch der Restwasserstoff auf einfache Weise entfernt wird.
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In einem Aspekt umfasst eine Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle: ein Vortriebsrohr konfiguriert zur Druckreduzierung während eines Erhöhens einer Fahrstromgeschwindigkeit bereitgestellt von einer Fahrstrombezugsquelle; und ein Ansaugrohr, das mit einer Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs fest verbunden ist, wobei ein Ansaugstrom mit dem Restwasserstoff eines Brennstoffzellensystems durch Nutzen von Energie des Fahrstroms zu dem Vortriebsrohr leitbar ist.
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Insbesondere kann ein Innendurchmesserbereich des Vortriebsrohrs mit einer Venturi, dessen Durchmesser sich graduell reduziert und dann konstant ist, bereitgestellt sein. Alternativ kann der Innendurchmesserbereich des Vortriebsrohrs in einer Struktur ausgeformt sein, in welcher eine Venturi, deren Durchmesser sich graduell reduziert und schließlich konstant ist und ein Diffusor, dessen Durchmesser graduell größer wird, parallel auf der gleichen Achse angeordnet sind.
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Die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs kann ferner mit einem Ansatzrohr zum Injizieren des Fahrstroms von der Fahrstrombezugsquelle in das Vortriebsrohr verbunden sein, und eine Eintrittsöffnung des Ansatzrohrs kann mit einem ringförmigen elastischen Teil eingepresst sein, in welches eine Luftpistolenspitze zum Aufrechterhalten eines luftdichten Zustands eingeführt ist. Alternativ kann die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs mit einer Fahrstromzuführöffnung ausgestattet sein, in welche die Luftpistolenspitze direkt einführbar ist, und ein Innendurchmesserbereich der Fahrstromzuführöffnung kann mit einem ringförmigen elastischen Teil eingepresst sein, in welches eine Luftpistolenspitze zum Aufrechterhalten eines luftdichten Zustands einführbar ist.
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Ein distales Ende des Ansaugrohrs kann ferner fest mit einer flexiblen Leitung verbunden sein, welche mit einem Brennstoffzellensystem verbunden ist, und ein distales Ende der flexiblen Leitung kann ferner mit einem Adapter verbunden sein, welcher angebunden ist, um zu jeder Gasansaugposition des Brennstoffzellensystems zu passen.
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Die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs kann mit einer luftgefüllten Leitung mit einem Schnellanschluss zum Verbinden des Vortriebsrohrs mit der Fahrstrombezugsquelle verbunden sein, und eine gefüllte Leitung zwischen dem Schnellanschluss und der Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs kann ferner ein Ein/Aus-Ventil zum Zulassen und Abschalten eines Stroms des Fahrstroms umfassen und die gefüllte Leitung zwischen dem Ein/Aus-Ventil und der Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs kann ferner mit einem Regler oder einem Druckmessgerät zum Überprüfen eines Fließdrucks des Fahrstroms bereitgestellt sein.
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Eine Austrittsseite des Vortriebsrohrs kann ferner einen Schalldämpfer zum Reduzieren von Lärmschall, wenn der Ansaugstrom mit dem Restwasserstoff aus dem Ansaugrohr austritt, aufweisen, und zusätzlich sind das Vortriebsrohr und das Ansaugrohr, sowie der Körperbereich des Schalldämpfers von einem Gehäuse umgeben.
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Somit stellt die vorliegende Erfindung eine Vielzahl von Vorteilen bereit. Beispielsweise kann der Restwasserstoff innerhalb des Brennstoffzellensystems in einfacher Art und Weise unter Verwendung der einfachen Ejektorstruktur, in welcher das Ansatzrohr, die Venturi und der Diffusor sequenziell verbunden sind oder das Ansatzrohr und die Venturi miteinander kombiniert sind, entfernt werden. Zusätzlich können die Herstellungskosten für die Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle reduziert werden und die Vorrichtung kann durch einen Mechaniker in geeigneter Weise zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle aufgrund seiner vereinfachten Struktur in geeigneter Weise eingesetzt werden. Der Mechaniker kann in einfacher Art und Weise die Arbeit zum Entfernen von Wasserstoff durchführen, da die Vorrichtung zum Entfernen des Restwasserstoffs in einer Brennstoffzelle eine reduzierte Größe hat und dadurch zum Tragen geeignet ist. Zudem kann die Sicherheit der Instandhaltungsarbeiten ohne ein Feuerrisiko verbessert werden, da keine Elektrizität während des Instandhaltungsprozesses zum Entfernen von Wasserstoff verwendet wird. Die unter Druck stehende Luft oder das unter Druck stehende Gas/Hochdruckgas, welches in dem allgemeinen Service-Center verwendet wird, kann als Fahrstrom zum Entfernen von Wasserstoff eingesetzt werden, und somit kann auf die separate Fahrstromzuführeinrichtung verzichtet werden. Ferner kann die Stapelleitung vor Degenerierung aufgrund fremder Materialien bewahrt werden, da die fremden Materialien während des Instandhaltungsprozesses zum Entfernen von Wasserstoff nicht in das Brennstoffzellensystem eingeführt werden können.
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Ferner werden Brennstoffzellensysteme bereitgestellt, die eine Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle, wie hier offenbart, umfassen. Weiterhin werden Fahrzeuge, insbesondere Automobilfahrzeuge bereitgestellt, die eine Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle, wie hier offenbart, umfassen. Auch werden Fahrzeuge, einschließlich Automobilfahrzeuge, die ein Brennstoffzellensystem, wie hier offenbart, umfassen, bereitgestellt. Weitere Aspekte und beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden unten diskutiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme von bestimmten beispielhaften Ausführungsformen, wie in den begleitenden Figuren illustriert, beschrieben, welche nachstehend nur der Veranschaulichung dienen und somit die vorliegende Erfindung nicht beschränken, und wobei.
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1 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 eine Querschnittsansicht einer exemplarischen Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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5 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7A und 7B Querschnittsansichten einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen; und
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8 eine beispielhafte Konfiguration von einem beispielhaften Brennstoffzellensystem zeigt.
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Bezugszeichen, die in den Zeichnungen festgelegt sind, umfassen Bezug zu den folgenden Elementen, wie im Folgenden unten diskutiert:
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Ejektor
- 12
- Vortriebsrohr
- 14
- Ansaugrohr
- 16
- Venturi
- 18
- Diffusor
- 20
- Ansatzrohr
- 22
- elastisches Teil
- 24
- Luftpistolenspitze
- 26
- Fahrstromzuführloch
- 28
- flexible Leitung
- 30
- Adapter
- 32
- gefüllte Leitung
- 34
- Schnellanschluss
- 36
- Ein/Aus-Ventil
- 38
- Regler oder Druckmessgerät
- 40
- Schalldämpfer
- 42
- Gehäuse
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Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, sondern eine etwas vereinfachte Darstellung verschiedener bevorzugter Merkmale zeigen, die die Grundprinzipien der Erfindung veranschaulichen. Die speziellen Merkmale der Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart sind, einschließlich beispielsweise bestimmter Abmessungen, Ausrichtungen, Positionen und Formen, werden zum Teil durch die Vorgabe und Bedingungen der speziell angestrebten Anwendung und Verwendung bestimmt.
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In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung durchgehend auf die verschiedenen Figuren der Zeichnung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Es soll verstanden werden, dass der Begriff „Fahrzeug” oder „Fahrzeug...”; oder jeder andere ähnliche Begriff, wie er hierin verwendet wird, Motofahrzeuge allgemein, wie beispielsweise Personenkraftwagen, einschließlich Geländewagen (sports utility vehicles, SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Industriefahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, anschließbare Hybrid-Elektrofahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, die mit anderen alternativen Kraftstoffen (z. B. Kraftstoffen, die aus einer andere Quelle als Erdöl stammen) betrieben werden, einschließt.
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Soweit nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich ist, soll der Begriff „etwa” wie er hierin verwendet wird, als innerhalb eines Bereichs mit in der Wissenschaft normalen Toleranzgrenzen liegend verstanden werden, zum Beispiel als innerhalb von 2 Standardabweichungen vom Mittelwert liegend. „Etwa” kann verstanden werden als innerhalb von 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% vom angegebenen Wert liegend. Soweit es aus dem Kontext nicht anderweitig klar hervorgeht, gelten alle hierin angegebenen Zahlenwerte als um den Begriff „etwa” modifiziert.
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Der Begriff ”Service-Center”, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Platz oder eine Einrichtung, wo ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst, einen Instandhaltungsservice oder Reparaturservice erhält.
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Der Begriff ”Mechaniker”, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Person, welche Instandhaltungsarbeiten oder Reparaturarbeiten durchführt.
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Nachstehend wird im Detail Bezug auf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, deren Beispiele in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind und unten beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit den beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, ist zu verstehen, dass die vorliegende Beschreibung nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese beispielhaften Ausführungsformen zu begrenzen. Im Gegenteil beabsichtigt die Erfindung, nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen zu schützen, sondern vielmehr weitere Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsformen, welche innerhalb des Geistes und des Umfangs der Erfindung umfasst sein können, wie durch die anhängigen Ansprüche definiert, sind ebenfalls inkludiert.
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Nachstehend werden beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung kann einem Mechaniker in einfacher Art und Weise das Absaugen und Entfernen von Restwasserstoff und dergleichen in einem Brennstoffzellensystem unter Verwendung einer in geeigneter Weise tragbaren Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle ermöglichen, beispielsweise wenn ein mit einem Brennstoffzellensystem gerüstetes Brennstoffzellenfahrzeug repariert und überprüft wird.
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Erstes beispielhaftes Ausführungsbeispiel
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1 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 1 gezeigt, kann die Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer Ejektor 10 Struktur bereitgestellt sein, in welcher ein Vortriebsrohr 12 und ein Ansaugrohr 14 unter Ausbildung eines rechten Winkels (90°) integral miteinander verbunden sind.
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Eine Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 kann beispielsweise mit einer Fahrstrombezugsquelle verbunden sein, hierzu kann eine komprimierte Luftbezugsquelle, mit welcher eine Luftpistole eines Service-Centers verbunden ist, verwendet werden. Ein entsprechender Austritt kann ein Bestandteil sein, welches zum Reduzieren von Druck während des Anstiegs einer Stromgeschwindigkeit eines Fahrstroms oder ersten Stroms, welcher unter Druck stehende Luft oder unter Druck stehendes Gas, zugeführt von der Fahrstrom-Bezugsquelle, ist, mit der Außenluft kommuniziert.
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Dementsprechend kann ein Innendurchmesserbereich des Vortriebsrohrs mit einer Venturi 16 und einem Diffusor 18 parallel entlang einer Richtung, in welcher der Fahrstrom eingeführt und herausgeführt ist, bereitgestellt werden. Insbesondere kann der Innendurchmesserbereich des Vortriebsrohrs 12 mit der Venturi 16, dessen Durchmesser sich graduell reduziert und dann konstant ist, und dem Diffusor 18, dessen Durchmesser und an einem Endpunkt der Venturi 16 wiederum graduell ansteigt, bereitgesellt, und die Venturi 16 und die Venturi 18 können parallel zueinander bereitgestellt sein.
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Das Ansaugrohr 14 kann an ein Ende des Vortriebsrohrs 12 derart angeformt sein, dass ein Kommunizieren mit dem Vortriebsrohr 12 bei vertikaler Anordnung des Vortriebsrohrs 12 und ein unteres Ende desselben mit einer Position, an welcher der Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem austreten kann, gekoppelt sein kann.
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Näher beschrieben kann das Ansaugrohr 14 mit der Venturi 16 derart aufgesetzt sein, dass Kommunizieren mit einer Eintrittsöffnung der Venturi 16 des Vortriebsrohrs 12 und dem unteren Ende desselben mit einer Position verbunden sein kann, an welcher der Wasserstoff in das Brennstoffzellensystem über ein Anpassungsstück, einen Adapter und dergleichen austreten kann.
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Insbesondere kann die Position, an welcher der Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem austreten kann, mit einer Lufteintrittsöffnung und einer Luftaustrittsöffnung (oder Abgasrohr in einem Brennstoffzellenfahrzeug) eines Stapels, einer Wasserablassöffnung in dem Abgasrohr, einer Servicetür des Brennstoffzellensystems, einer Anodenspülleitung oder einer Anoden-Abflussleitung des Stapels, einer Wasserstoffverbindungsleitung der Anode, eine Verbindungsleitung einer Wasserstoffspeicherapparatur (oder einem Wasserstofftank), einem Service Port und dergleichen, vorgesehen sein.
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Zwischenzeitlich kann die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 mit einem Ansatzrohr 20, dessen Durchmesser sich konstant und dann graduell reduziert, separat verbunden oder aufgepresst sein, in welches eine Spitze des Ansatzrohrs 20 an der Eintrittsöffnung der Venturi 16 in dem Vortriebsrohr 12 angeordnet sein kann.
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Als solches kann, wenn eine Eintrittsöffnung des Ansatzrohrs 20 mit einer Fahrstrom-Zuführquelle verbunden ist und das untere Ende des Ansatzrohrs 14 mit einer Position, in welcher der Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem austreten kann, verbunden ist, der Fahrstrom, welcher unter Druck stehende Luft oder unter Druck stehendes Gas von der Fahrstrom-Bezugsquelle ist, dem Vortriebsrohr 12 zugeführt werden. Anschließend kann der Fahrstrom in das Brennstoffzellensystem durch die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 eingeführt werden und kann dann durch die Venturi 16 hindurchtreten, so dass eine Stromgeschwindigkeit des Fahrstroms ansteigen kann. Gleichzeitig kann der Druck derselben abnehmen und der Fahrstrom, welcher kontinuierlich die Venturi passiert, kann auf einfache Weise zu der Außenluft durch den Diffusor 18 diffundieren.
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Gleichzeitig nimmt der Druck des Fahrstroms ab, wenn der Fahrstrom durch die Venturi 16 hindurchtritt, der Restwasserstoff in dem Brennstoffzellensystem, der mit dem Ansaugrohr 14 verbunden ist, kann sofort in die Venturi 16 mit reduziertem Druck gesaugt werden, derart, dass der Ansaugstrom, welcher der Restwasserstoff ist, der Venturi 16 zugeführt werden kann, während er durch das Ansaugrohr 14 angezogen wird, und kann dadurch einfach zur Außenluft durch den Diffusor 18 entlang dem Fahrstrom austreten.
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Gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Ejektor 10 das Vortriebsrohr 12, welches das Ansatzrohr 20/die Venturi 16/den Diffusor 18 und das Ansaugrohr 14, welches ausgebildet ist, um mit dem Vortriebsrohr 12 zu kommunizieren, derart ausgebildet sein, um mit einem Brennstoffzellensystem verbunden zu sein. Als solches kann ein Feuer oder eine Explosion aufgrund von Wasserstoffverbrennung, welche während eines Instandhaltungsprozesses des Brennstoffzellensystems auftreten kann, in einfacher Weise durch einen Mechaniker verhindert werden, wobei das Restwasserstoffgas in dem Brennstoffzellensystem umfassend den Stapel unter Verwendung des Ejektors 10 in einfacher Weise nach außen austreten kann.
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Zweite beispielhafte Ausführungsform
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2 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff gemäß der zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die gleiche Konfiguration wie die erste beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweisen, wobei die zweite beispielhafte Ausführungsform ferner eine Einheit zum Aufrechterhalten eines luftdichten Zustands umfasst, während der Fahrstrom nur durch das Ansatzrohr 20 zugeführt wird.
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Insbesondere kann eine Eintrittsöffnung des Ansatzrohres 20 mit einem ringförmigen elastischen Teil 22 zum Aufrechterhalten eines luftdichten Zustands angepresst sein, in welchem die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 mit dem Ansatzrohr 20 separat verbunden mit oder fest angeformt ist, um den Fahrstrom von der Fahrstrom-Bezugsquelle in das Vortriebsrohr 12 zu injizieren. In diesem Fall kann ein Innendurchmesserbereich des elastischen Teils 22 mit einer Luftpistolenspitze (24) eingesetzt werden, die mit der Fahrstrombezugsquelle derart verbunden ist, dass ein luftdichter Zustand aufrechterhalten wird.
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Wenn der Fahrstrom, welcher die unter Druck stehende Luft oder das unter Druck stehende Gas ist, in das Ansatzrohr 20 durch die Luftpistolenspitze 24 in den Zustand in welcher der Innendurchmesserbereich des elastischen Teils 22 in dem Ansatzrohr 20 eingepresst ist, eingepresst mit der Luftpistolenspitze 24, welche verbunden mit der Fahrstrombezugsquelle ist, zugeführt wird, und das untere Ende des Ansaugrohrs 14 verbunden mit der Position ist, in welcher der Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem abgeführt werden kann, kann das elastische Teil 22 die Funktion zum Aufrechterhalten des luftdichten Zustands bereitstellen.
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Als solches kann der Fahrstrom aufgrund der Funktion zum Aufrechterhalten des luftdichten Zustands des elastischen Teils 22 überhaupt nicht nach außen treten und kann in einfacher Weise in die Venturi 16 des Vortriebsrohrs 12 durch das Ansatzrohr 20 einfließen, so dass die Stromgeschwindigkeit gleichmäßig ansteigen kann und gleichzeitig der Druck in dem Moment, in welchem der Fahrstrom durch die Venturi 16 tritt, gleichmäßig reduziert sein kann. Folglich kann der Restwasserstoff in dem Brennstoffzellensystem durch das Ansaugrohr 14 noch gleichmäßiger angesaugt werden.
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Dritte beispielhafte Ausführungsform
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3 zeigt eine Querschnittsansicht von einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 3 gezeigt, kann die Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gleich sein, und zwar derart, dass die Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle mit einer Ejektor-Struktur 10 bereitgestellt sein kann, in welcher das Vortriebsrohr 12 und das Ansaugrohr 14 unter Ausbildung eines rechten Winkels (90°) fest miteinander verbunden sind.
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Zusätzlich kann die Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine vereinfachte Struktur aufweisen.
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Die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 kann zu der Fahrstrom-Bezugsquelle verbunden sein, derart, dass die komprimierte Luftzuführquelle, mit welcher die Luftpistole eines Service-Centers verbunden ist, und der Ausgang derselben ein Teil sein kann, welches mit externer Luft kommuniziert um zum Reduzieren von Druck während eines Erhöhen des Fahrstroms oder ersten Stroms, welcher die unter Druck stehende Luft oder das unter Druck stehende Gas bereitgestellt von der Fahrstrom-Bezugsquelle ist, zu dienen.
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Insbesondere kann der Innendurchmesserbereich des Vortriebsrohrs 12 gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nur mit der Venturi 16 ausgebildet sein, dessen Durchmesser graduell abnimmt und dann konstant sein kann. Insbesondere kann der Innendurchmesserbereich des Vortriebsrohrs 12 nur mit der Venturi 16 ausgebildet sein, deren Durchmesser graduell abnimmt und dann konstant ist, aber das Ansatzrohr und der Diffusor gemäß der ersten beispielhaften Ausführungsform nicht verwendet werden dürfen.
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In diesem Fall kann die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 mit der Fahrstromzuführöffnung 26 ausgebildet sein, in welche die Luftpistolenspitze 24 direkt eingeführt ist und der Innendurchmesserbereich der Fahrstromzuführöffnung 26 mit dem ringförmigen elastischen Teil 22, in welchem die Luftpistolenspitze 24 zum Aufrechterhalten des luftdichten Zustands eingeführt ist, eingepresst ist.
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Das Ansaugrohr 14 kann mit der Venturi 16 derart aufgepresst sein, dass Kommunizieren mit der Eintrittsöffnung der Venturi 16 in dem Vortriebsrohr 12 und dem unteren Ende derselben an einer Position verbunden sein kann, an welcher der Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem entweichen kann.
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Demgemäß, wenn der Fahrstrom, welcher die unter Druck gesetzte Luft das oder unter Druck gesetztes Gas bezogen von der Fahrstrom-Bezugsquelle ist, in die Venturi 16 des Vortriebsrohrs 12 durch die Luftpistolenspitze 24 in dem Zustand, in welchem der Innendurchmesserbereich des elastischen Teils 22 mit der Luftpistolenspritze 24 eingepresst ist, die mit der Fahrstrom-Bezugsquelle verbunden ist, eingeführt wird und das untere Ende des Ansaugrohrs 14 an der Position, in welcher der Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem entweichen kann, verbunden ist, kann das elastische Teil 22 die Funktion zum Aufrechterhalten des luftdichten Zustands bereitstellen.
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Anschließend kann die Stromgeschwindigkeit ansteigen und gleichzeitig kann der Druck in dem Moment reduziert sein, in dem der Fahrstrom durch die Venturi 16 des Vortriebsrohrs 12 hindurchtritt, und der Fahrstrom, der kontinuierlich durch die Venturi hindurchtritt, kann in einfacher Weise zu der Außenluft austreten.
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Gleichzeitig kann, wenn der Druck des Fahrstroms reduziert ist, wenn der Fahrstrom durch die Venturi 16 tritt, der Restwasserstoff in dem Brennstoffzellensystem, der mit dem Ansaugrohr 14 verbunden ist, unverzüglich in die Venturi 16 mit dem reduzierten Druck eingesaugt werden, derart, dass ein Ansaugstrom, welcher der Restwasserstoff ist, zu der Venturi 16 eingegeben sein kann, als ob er durch das Ansaugrohr 14 angesogen wird, und dadurch kann der Restwasserstoff in einfacher Weise zu der Außenluft entlang mit dem Fahrstrom austreten.
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Gemäß der dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der vereinfachte Ejektor 10 das Vortriebsrohr 12 umfassend die Venturi 16 und das Ansaugrohr 18 umfassen, welches ausgebildet ist, um mit dem Vortriebsrohr 12 zu kommunizieren, so dass dieses mit dem Brennstoffzellensystem verbunden ist. Als solches kann ein Feuer oder eine Explosion aufgrund Wasserstoffentzündung während eines Instandhaltungsprozesses des Brennstoffzellensystems in einfacher Weise durch verhindert werden, und zwar durch mechanisch einfaches Austreten des Restwasserstoffgases in dem Brennstoffzellensystem umfassend den Stapel nach außen.
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Vierte beispielhafte Ausführungsform
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4 ist eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die vierte beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann den Ejektor der ersten bis dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen, kann jedoch ferner eine Einheit zum Verbinden des Ansaugrohrs 14 zu der Position umfassen, an welcher der Restwasserstoff in dem Brennstoffzellensystem ausgetreten ist, und die Einheit kann zu dem unteren Ende des Ansaugrohrs 14 verbunden sein.
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Wie oben beschrieben, kann die Position, an welcher der Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem austreten kann, mit der Lufteintrittsöffnung und der Luftaustrittsöffnung (oder Abgasrohr in dem Brennstoffzellenfahrzeug) des Stapels, der Wasseraustrittsöffnung in dem Abgasrohr, der Service-Tür des Brennstoffzellensystems, dem Anodenspülrohr oder dem Anoden-Drain-Rohr des Stapels, das Wasserstoffverbindungsrohr der Anode, dem Verbindungsrohr des Wasserstofflagerapparats (oder Wasserstofftanks), der Service-Tür, und dergleichen.
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Da ein Abstand zum direkten Verbinden des Ansaugrohrs 14 zu der Position, an welcher der Wasserstoff austreten kann, wesentlich sein kann oder die Störung mit Peripherieteilen und dergleichen existieren kann, kann eine Einheit zum einfachen Verbinden des Ansaugrohrs 14 zu der Position, an welcher der Restwasserstoff in dem Brennstoffzellensystem entweicht, zusätzlich mit dem unteren Ende des Ansaugrohrs 14 verbunden sein.
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Insbesondere kann das untere Ende des Ansaugrohrs 14 integral mit einer flexiblen Leitung 28 verbunden sein, die zu dem Brennstoffzellensystem mittels eines Connectors und dergleichen verbunden ist, und ein Distalende der flexiblen Leitung 28 kann zu dem Anpassteil oder dem Adapter 30 verbunden sein, der so befestigt ist, dass er zu jeder Gasansaugposition des Brennstoffzellensystems passt (siehe Unteranspruch 9).
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Demgemäß kann die Mechanik die flexible Leitung 28, die mit dem unteren Ende des Ansaugrohrs 14 zum Erweitern zu der Position verbunden ist, an welcher der Restwasserstoff in dem Brennstoffzellensystem entweicht, ausweiten und gleichzeitig den Adapter 30 an der Position, an welcher der Restwasserstoff des Brennstoffzellensystems entweicht, befestigt, derart, dass das Ansaugrohr 14 in einfacher Weise mit jeder Position, an welcher der Restwasserstoff abgeführt wird, verbunden ist und dann die Arbeit zum Entfernen des Restwasserstoffs in einfacher Weise durchgeführt werden kann.
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Fünfte beispielhafte Ausführungsform und sechste beispielhafte Ausführungsform
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5 bzw. 6 zeigen Querschnittsansichten beispielhafter Vorrichtungen zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer fünften und sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die fünfte beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann gleich sein zu der ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei diese ferner eine luftgefüllte Leitung 32 zwischen dem Schnellanschluss 34 und der Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 umfasst, in der fünften Ausführungsform kann ferner ein Ein/Aus-Ventil 36 zum Zuführen und Abschalten des Stroms des Fahrstroms in dem Zustand bereitgestellt sein, in welchem die Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 mit einem ersten Ende der luftgefüllten Leitung 32 verbunden ist und ein zweites Ende der luftgefüllten Leitung 32 mit einem Schnellanschluss 34 befestigt ist, um die luftgefüllte Leitung zu der Fahrstrom-Bezugsquelle zu verbinden.
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Als das Ein/Aus-Ventil 36 kann irgendein Ventil, welches den Fluss eines Fluids erlaubt oder zuschließt, wie beispielsweise ein Ballventil, Nadelventil, ein Checkventil oder eine Solenoidventil, ohne Begrenzung eingesetzt bzw. verwendet werden.
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Demgemäß kann, wenn der Benutzer temporär die Arbeit zum Entfernen des Restwasserstoffs anhält, wenn der Fahrstrom von der Fahrstrom-Bezugsquelle zu der Eintrittsöffnung des Vertriebsrohrs 12 kontinuierlich zugeführt wird, die Arbeit durch eine simple Operation zum Schließen der Ein/Aus-Ventil 36 gestoppt werden. Ebenso kann, wenn die Arbeit startet, die Arbeit durch eine einfache Operation des Öffnens der Ein/Aus-Ventils 36 erneut gestartet werden.
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Gemäß der sechsten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die luftgefüllte Leitung 32 zwischen dem Ein/Aus-Ventil 36 und der Eintrittsöffnung des Vortriebsrohrs 12 ferner einen Regler oder ein Druckmessgerät 38 zum Überprüfen des Fließdrucks des Fahrstroms aufweisen.
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Demzufolge, wenn der Ejektor 10 gemäß der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Berücksichtigung, dass Aufblasbereiche von Fahrstrom-Bezugsquelle von verschiedenen Service-Centern unterschiedlich sind, kann der tatsächliche Zuführdruck des Fahrstroms durch den Regler oder das Druckmessgerät 38 derart überprüft werden, dass im Falle, dass das Gehäuse, in welchem das ausreichende Saugen zum Entfernen des Restwasserstoffs, aufgrund des im Wesentlichen reduzierten Fahrstrom-Zuführdrucks der Fahrstrom-Bezugsquelle von einem bestimmten Service-Center, nicht machbar ist, früher verhindert werden kann.
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Siebte beispielhafte Ausführungsform
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7A bzw. 7B zeigen eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff in einer Brennstoffzelle gemäß einer siebten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die siebte beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beugt der Baufähigkeit hinsichtlich einer Degradierung aufgrund des Austrittslärms des Gases vor, wie etwa Fahrstrom und Restwasserstoff, welches durch den Ausgang des Vortriebsrohrs 12, welches im Wesentlichen während dem Entfernen des Wasserstoffs laut sein kann, ferner kann der Austritt des Vortriebsrohrs 12 mit einem Schalldämpfer 40 zum Reduzieren des Austrittslärms bereitgestellt sein.
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Der Ausgang des Vortriebsrohrs 12 kann mit dem separaten Schalldämpfer 40 zum Reduzieren von Lärm zum Zeitpunkt des Austritts eines Gemisches des Ansaugstroms und des Fahrstroms, welche den Restwasserstoff umfassen, von dem Ansaugrohr 14 vorgesehen sein, wie in 7B gezeigt.
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Insbesondere kann zusätzlich zu dem Vortriebsrohr 12 und dem Ansaugrohr 14 ein Körperbereich des Schalldämpfers 40 mit einem separaten schallabsorbierenden Gehäuse 42 umschlossen sein, derart, dass zusätzlich zu dem Vortriebsrohr 12 und dem Ansaugrohr 14 der Körperbereich des Schalldämpfers 40 in das Gehäuse 42 eingeführt ist.
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Weiter kann der Körperbereich des Schalldämpfers 40 zusätzlich zu dem Vortriebsrohr 12 und dem Ansaugrohr 14 mit einem schallabsorbierenden Material umschlossen sein, und dann kann der Schalldämpfer 40 in das Gehäuse offen zum Außenbereich durch Poren eingeführt sein.
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Somit kann der Austrittslärm des Gases (Fahrstrom und Restwasserstoff), das durch den Ausgang des Vortriebsrohrs 12 austritt, durch den Schalldämpfer 40 zum Zeitpunkt des Entfernens des Restwasserstoffs reduziert sein und kann gleichzeitig durch das Lärmblockierungsgehäuse 42 derart blockiert sein, dass die Arbeitsumgebung für den Mechaniker innerhalb des Arbeitsplatzes verbessert sein kann.
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Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Fahrstrom-Zuführleistung und die Ansaugstrom-Ansaugleistung zum Entfernen von Restwasserstoff in dem Brennstoffzellensystem unter der Bedingung gesteuert werden, dass eine Wasserstoffkonzentration von etwa 4% oder weniger im Durchschnitt oder bei einem Maximum von ungefähr 8% oder weniger aufrechterhalten wird, was durch ein Verfahren zum Steuern eines Verhältnisses zwischen dem Fahrstrom und dem Ansaugstrom bei zunehmender Fahrstrommenge mit zunehmendem Durchmesser des Ansatzrohrs, Reduzieren der Ansaugstrommenge oder dergleichen erreichbar sein kann.
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Das Verhältnis zwischen dem Fahrstrom und dem Ansaugstrom kann für jede Restwasserstoffkonzentration und jedes Brennstoffzellensystem variieren, wenn der Start des Brennstoffzellenfahrzeugs stoppt, und wenn das Verhältnis derselben erfüllt ist, kann das Austrittsgas, das den Restwasserstoff umfasst, direkt an dem Service-Center austreten, wobei der Arbeitskomfort außerordentlich ansteigt.
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Andererseits kann, wenn die Wasserstoffkonzentration im Durchschnitt größer als ungefähr 4% oder bei einem Maximum von ungefähr 8% ist, das Austrittsgas nicht direkt innerhalb des Service-Centers austreten, aber das Austrittsgas kann zu der Außenluft durch Verbinden des Ausgangs des Vortriebsrohrs oder des flexiblen Kanals zu dem Ausgang zu einem Ventilationssystem, das in dem Service-Center einbegriffen ist, austreten.
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Wenn die Vorrichtung zum Entfernen von Restwasserstoff gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wenn ein Durchgang, durch welchen Luft oder Gas zu einer anderen Seite eingeführt wird, wie etwa der Kathodenstapel in dem Brennstoffzellensystem, geöffnet ist und dadurch Außenluft oder Gas durch ihn hindurch eingeführt wird, kann die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellensystem schneller reduziert werden.
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Weiter kann, wenn separate Luft nicht in das Brennstoffzellensystem eingeführt wird, die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffzellensystem durch eine Methode zum zeitweisen Stoppen der Injektion des Fahrstroms, Einführen von Außenluft in das Brennstoffzellensystem durch Rückfluss der Außenluft, die mit dem Inneren des Vortriebsrohrs und dem Ansaugrohr kommuniziert, und dann wieder wiederholtes Injizieren des Fahrstroms, zusätzlich weiter verringert werden.
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Die Erfindung wurde im Detail unter Bezugnahme zu den beispielhaften Ausführungsformen beschrieben. Jedoch versteht es sich für Fachleute von selbst, dass Änderungen in diesen Ausführungsformen durchgeführt werden können, ohne von den Prinzipien und dem Kerngedanken der Erfindung, dem Umfang, welcher in den abhängigen Ansprüchen definiert ist, und ihren Äquivalenten abzuweichen.
