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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Die ungeprüfte japanische Patentanmeldung
JP 2008-016420A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das mit einem Injektor ausgestattet ist. In diesem Brennstoffzellensystem wird einem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff mittels eines Injektors von einem Wasserstofftank zugeführt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Aufgrund einer Positionsbeziehung zwischen einem Wasserstoffauslass des Injektors und einem Wasserstoffzufuhranschluss des Brennstoffzellenstapels bleibt erzeugtes Wasser bzw. Produktwasser in einer Strömungsleitung stehen, sodass die Strömungsleitung blockiert wird, oder das Produktwasser fließt in einigen Fällen vom Brennstoffzellenstapel in den Injektor zurück. Stehendes oder rückwärtsfließendes Produktwasser kann zu einer Verschlechterung der Stromerzeugungsleistung oder einem Gefrieren führen. Daher besteht Bedarf an der Schaffung einer Technologie, die ein Zurückfließen von Produktwasser zum Injektor oder das Stehenbleiben von Produktwasser verhindern kann.
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Die vorliegende Erfindung kann gemäß den vorliegenden Aspekten ausgeführt werden.
- (1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst: einen Brennstoffzellenstapel mit einem Wasserstoffzufuhranschluss, in welchen Wasserstoff strömt; einen Wasserstoffzufuhrströmungsweg, der mit dem Wasserstoffzufuhranschluss verbunden ist; einen Injektor, der mit dem Wasserstoffzufuhrströmungsweg verbunden ist, um dem Brennstoffzellenstapel durch den Wasserstoffzufuhrströmungsweg Wasserstoff zuzuführen; wobei ein Wasserstoffauslass des Injektors, der mit dem Wasserstoffzufuhrströmungsweg verbunden ist, in Schwerkraftrichtung weiter oben als der Wasserstoffzufuhranschluss des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts ist es möglich, da der Wasserstoffauslass des Injektors weiter oben als der Wasserstoffzufuhranschluss des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, ein Zurückfließen des Produktwassers zum Injektor oder das Stehenbleiben des Produktwassers in dem Wasserstoffzufuhrströmungsweg zu verhindern.
- (2) Bei dem Brennstoffzellensystem des vorstehend beschriebenen Aspekts kann der Injektor in Schwerkraftrichtung weiter oben angeordnet sein als der Brennstoffzellenstapel. Gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts ist, wenn das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug installiert wird, der Injektor an einer oberen Stelle des Motorraums angeordnet, um dadurch ein Einsinken des Injektors in Wasser zu verhindern. Es ist somit möglich, die wasserdichten Eigenschaften des Injektors zu verbessern.
- (3) Bei dem Brennstoffzellensystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Wasserstoffauslass an einer Stelle angeordnet sein, die in Schwerkraftrichtung tiefer als oder auf der gleichen Höhe liegt wie ein Wasserstoffeinlass des Injektors. Gemäß diesem Brennstoffzellensystem ist es möglich, selbst es in dem Rohr des Wasserstoffzufuhrströmungswegs, das mit dem Injektor verbunden ist, zu Kondensation kommt, zu verhindern, dass Kondenswasser in Richtung zum Injektor tropft.
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Die vorliegende Erfindung kann in verschiedener Art und Weise ausgeführt werden, beispielsweise kann die vorliegende Erfindung durch einen Aspekt eines Stromgenerators mit dem Brennstoffzellensystem oder einen Aspekt eines Fahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem etc. ausgeführt werden.
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Figurenliste
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
- 1 eine erläuternde Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems zeigt; und
- 2 eine erläuternde Darstellung, die eine Positionsbeziehung zwischen einem Brennstoffzellenstapel und einem Injektor zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 ist eine erläuternde Darstellung, die einen schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 10, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20, eine Wasserstoffpumpe 30, einen Wasserstoffzirkulationsströmungsweg 40 sowie einen Injektor 50. Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform ist beispielsweise in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, wird mit Wasserstoffgas vom Injektor 50 versorgt, und erzeugt elektrische Leistung bzw. Strom durch die Versorgung mit Luft von einem Luftzufuhrsystem (nicht dargestellt). Nachfolgend wird, in einer Wasserstoffzufuhrleitung 11, eine Leitung, die weiter stromaufwärts als der Injektor 50 liegt, als Wasserstoffzufuhrleitung 11a bezeichnet, und eine Leitung, die weiter stromabwärts als der Injektor 50 liegt, wird als Wasserstoffzufuhrleitung 11b bezeichnet. Der Brennstoffzellenstapel 10 umfasst einen Wasserstoffzufuhranschluss 10in, der mit der Wasserstoffzufuhrleitung 11b verbunden ist, und einen Wasserstoffauslassanschluss 10out, der Wasserstoffabgas in eine erste Wasserstoffleitung 12 austrägt. Die Wasserstoffzufuhrleitung 11b wird auch als Wasserstoffzufuhrströmungsweg bezeichnet.
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Der Injektor 50 ist ein An-Aus-Ventil vom elektromagnetisch angesteuerten Typ, dessen Ventilkörper elektromagnetisch abhängig von einer Steuerzeitspanne oder einem Ventilöffnungszeitpunkt, die durch eine Steuereinheit (nicht dargestellt) definiert werden, angetrieben wird. Der Injektor 50 umfasst einen Wasserstoffeinlass 50in, in den Wasserstoff von einem Wasserstofftank (nicht dargestellt) durch die Wasserstoffzufuhrleitung 11a strömt, sowie einen Wasserstoffauslass 50out, aus dem Wasserstoff zur Wasserstoffzufuhrleitung 11b ausgetragen wird.
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Die Wasserstoffzufuhrleitung 11b ist derart angeordnet, dass sie teilweise vom Wasserstoffauslass 50out in Richtung zum Wasserstoffzufuhranschluss 10in in vertikale Richtung oder die nach unten weisende Richtung geneigt ist. Die Wasserstoffzufuhrleitung 11b ist derart ausgestaltet, dass kein Teil unter dem Wasserstoffzufuhranschluss 10in liegt.
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Der Wasserstoffzirkulationsströmungsweg 40 ist mit dem Wasserstoffzufuhranschluss 10 und dem Wasserstoffauslassanschluss 10out des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden, und besteht aus der ersten Wasserstoffleitung 12, der zweiten Wasserstoffleitung 13 sowie einer dritten Wasserstoffleitung 14. Der Wasserstoffzirkulationsströmungsweg 40 ist ein Strömungsweg, der zum Zirkulieren von Wasserstoffabgas des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Brennstoffzellenstapel 10 verwendet wird. Der Wasserstoffzirkulationsströmungsweg 40 hat den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20 sowie eine Wasserstoffpumpe 30, die Mechanismen darstellen, welche die Umwälzung des Wasserstoffs in Form von Umwälzsystem-Hilfsmaschinen unterstützen.
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Die erste Wasserstoffleitung 12 ist eine Leitung, welche den Wasserstoffauslassanschluss 10out des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20 verbindet. Die erste Wasserstoffleitung 12 leitet das Wasserstoffgas, das bei der Stromerzeugungsreaktion nicht verwendet wurde, sowie wie Wasserstoffabgas, das Verunreinigungen wie Stickstoffgas und Produktwasser enthält, zum Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20.
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Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20 ist zwischen der ersten Wasserstoffleitung 12 und der zweiten Wasserstoffleitung 13 des Wasserstoffzirkulationsströmungswegs 40 angeschlossen. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 22 umfasst einen Gas-Flüssigkeits-Einlass 20in, mit dem die erste Wasserstoffleitung 12 verbunden ist, und in den das Wasserstoffabgas fließt, sowie einen Gas-Flüssigkeits-Auslass 20out, mit dem die zweite Wasserstoffleitung 13 verbunden ist, wobei der Gas-Flüssigkeits-Auslass 20out den Wasserstoff austrägt. Der Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20 trennt das Produktwasser vom Wasserstoffabgas, das vom Wasserstoffauslassanschluss 10out des Brennstoffzellenstapels 10 einströmt, und speichert das Produktwasser darin. Ein Auslass-Entlüftungs-Ventil 21 ist an einem unteren Teil des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 20 angeordnet.
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Das Auslass-Entlüftungs-Ventil 21 ist ein elektromagnetisches Ventil, das in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20 gespeichertes Produktwasser ablässt und Wasserstoffabgas aus dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20 austrägt. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 ist das Auslass-Entlüftungs-Ventil 21 normalerweise geschlossen, und es ist derart ausgestaltet, dass es ansprechend an ein Steuersignal von der (nicht dargestellten) Steuereinheit öffnet und schließt. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Auslass-Entlüftungs-Ventil 21 mit einer Wasserstoffabgasleitung 22 verbunden, um das Produktwasser sowie das Wasserstoffabgas, die durch das Auslass-Entlüftungs-Ventil 21 ausgetragen werden, durch die Wasserstoffabgasleitung 22 nach Außen auszutragen.
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Die zweite Wasserstoffleitung 13 ist eine Leitung, welche den Gas-Flüssigkeits-Auslass 20out des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 20 mit der Wasserstoffpumpe 30 verbindet. Die zweite Wasserstoffleitung 13 leitet Wasserstoffgas, von welchem das Produktwasser durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 20 abgeschieden wurde, zur Wasserstoffpumpe 30.
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Die Wasserstoffpumpe 30 ist zwischen der zweiten Wasserstoffleitung 13 und der dritten Wasserstoffleitung 14 des Wasserstoffzirkulationsströmungswegs 40 angeschlossen. Die Wasserstoffpumpe 30 wird ansprechend auf ein Steuersignal von der (nicht dargestellten) Steuereinheit angetrieben. Die Wasserstoffpumpe 30 ist eine Pumpe, die das aus dem Wasserstoffauslassanschluss 10out des Brennstoffzellenstapels 10 strömende Wasserstoffabgas dem Wasserstoffzufuhranschluss 10in zuführt. Genauer gesagt führt die Wasserstoffpumpe 30 das Wasserstoffabgas, von welchem das Produktwasser durch den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 30 abgeschieden wurde, zur dritten Wasserstoffleitung 14. Die Wasserstoffpumpe 30 umfasst einen Pumpeneinlass 30in, in den das Wasserstoffabgas strömt, sowie einen Pumpenauslass 30out, aus dem das Wasserstoffabgas zur dritten Wasserstoffleitung 14 strömt.
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Die dritte Wasserstoffleitung 14 ist eine Leitung, die den Pumpenauslass 30out der Wasserstoffpumpe 30 mit dem Wasserstoffzufuhranschluss 10in des Brennstoffzellenstapels 10 verbindet. Die dritte Wasserstoffleitung 14 leitet das Wasserstoffabgas, das von der Wasserstoffpumpe 30 zugeführt wurde, zum Brennstoffzellenstapel 10.
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2 ist eine erläuternde Darstellung, die eine Positionsbeziehung zwischen dem Brennstoffzellstapel 10 und dem Injektor zeigt. Die untere Richtung in 2 zeigt eine untere Richtung in Schwerkraftrichtung. Die Positionen a und b zeigen die jeweiligen Positionen in Schwerkraftrichtung. Die Position a des Wasserstoffauslasses 50out des Injektors 50 liegt weiter oben als die Position b des Wasserstoffzufuhranschlusses 10in.
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In der vorliegen Ausführungsform sind die Position a sowie die Position b weiter oben angeordnet als eine Position c des Pumpenauslasses 30out und eine Position e des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders 20. Die Position b des Wasserstoffzufuhranschlusses 10in befindet sich weiter oben als eine Position d des Wasserstoffauslassanschlusses 10out.
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Gemäß dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem 100 der vorliegenden Ausführungsform ist der Wasserstoffauslass 50out des Injektors 50 weiter oben angeordnet als der Wasserstoffzufuhranschluss 10in des Brennstoffzellenstapels 10; daher ist es beispielsweise möglich, ein Zurückfließen von Produktwasser zum Injektor 50 oder das Stehenbleiben des Produktwassers in der Wasserstoffzufuhrleitung 11b in einem Fall zu verhindern, bei welchem das Fahrzeug 100 mit dem Brennstoffzellensystem 11 schräg steht oder während eines intermittierenden Betriebs der Zufuhr von Wasserstoff ohne Verwendung des Injektors 50 aber unter Verwendung der Wasserstoffpumpe 30. Somit ist es möglich, die Korrosion oder das Gefrieren des Injektors 50, die einhergehen mit dem Zurückfließen des Produktwassers, zu vermeiden.
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In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Injektor 50 vorzugsweise an einer oberen Position im Brennstoffzellstapel 10 angeordnet. Bei einer derartigen Anordnung ist, wenn das Brennstoffzellensystem 100 im Fahrzeug montiert wird, der Injektor 50 an einer oberen Position im Motorraum angeordnet, sodass es möglich ist, zu vermeiden, dass der Injektor 50 in Wasser einsinkt. Es ist demnach nicht notwendig, den gesamten Injektor 50 mit einer Abdeckung abzudecken oder zusätzlich ein Dichtungselement vorzusehen, um zu vermeiden, dass Wasser von außerhalb etc. in den Injektor gelangt. Als Ergebnis können die Herstellungskosten für das Brennstoffzellensystem 100 verringert werden.
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Zudem ist bevorzugt, die Positionsbeziehung zwischen den Wasserstoffeinlass 50in und dem Wasserstoffauslass 50out derart zu bestimmen, dass der Wasserstoffauslass 50out an einer Stelle angeordnet ist, die weiter unten als oder auf gleicher Höhe wie der Wasserstoffeinlass 50in liegt. Wenn der Wasserstoffauslass 50out nicht weiter oben als der Wasserstoffeinlass 50in befindet, ist es möglich zu verhindern, dass Kondenswasser in Richtung zum Injektor 50 tropft, selbst wenn eine Kondensation in der Wasserstoffzufuhrleitung 11b verursacht wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf vielerlei Art und Weise ausgeführt werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale der Ausführungsform, die den technischen Merkmalen der jeweiligen in der Kurzfassung beschriebenen Aspekte entsprechen, in geeigneter Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erzielen. Jedes technische Merkmal kann in geeigneter Weise weggelassen werden, solange das technische Merkmal hier nicht als Wesentlich beschrieben ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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