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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Brennstoffzellensystem
zum Einbau in ein Kraftfahrzeug, wie z. B. ein Automobil, sowie
auf ein Verfahren zum Steuern eines derartigen Brennstoffzellensystems.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Es
ist bekannt, dass Brennstoffzellen unter Verwendung von Wasserstoffgas,
welches aus einem Hochdruckwasserstoffgasbehälter oder einem Behälter mit
einer Wasserstoffgas absorbierenden Legierung zugeführt wird,
elektrische Leistung bzw. elektrische Energie erzeugen. Brennstoffzellen,
die einen hohen energetischen Wirkungsgrad haben, sind zur Verwendung
als Energiequelle für
Elektrofahrzeuge und dergleichen gedacht.
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Wird
eine derartige Brennstoffzelle als Energiequelle für ein Fahrzeug
verwendet, muß am
Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem eingerichtet sein, welches nicht
nur die Brennstoffzelle sondern auch eine Wasserstoffgasversorgung,
wie z. B. einen Hochdruckwasserstoffgasbehälter oder einen Behälter mit
einer Wasserstoffgas absorbierenden Legierung, und eine Wasserstoffgasleitung
aufweist, durch die das Wasserstoffgas von der Wasserstoffgasversorgung
der Brennstoffzelle zugeführt
wird.
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Die
WO 00/63993 A1 offenbart
eine netzunabhängige
portable Stromversorgung mit einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Brennstoffzelle wird vorzugsweise mit Wasserstoff
aus einer Metallhydridkartusche versorgt.
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Die
US 5,346,778 A beschreibt
ein Belastungsmanagementsystem für
Brennstoffzellen zum Antrieb von Fahrzeugen. Bei geringer bis mittlerer Last
wird die Brennstoffzelle auf der Kathodenseite mit Luft betrieben,
während
bei Spitzenlast zusätzlich Sauerstoff
beigemischt wird.
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Die
DE 693 02 902 T2 zeigt
eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. In einer weiteren
Ausführungsform
zeigt die
DE 693 02
902 T2 eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs
9.
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Die
DE 698 00 711 T2 schließlich zeigt
einen tragbaren Brennstoffzellenapparat, der einen Wasserstoffspeichertank
enthält.
Nach dieser Druckschrift wird die von der Brennstoffzelle erzeugte
Abwärme
effizient auf den Speichertank übertragen,
um diesen aufzuheizen, wodurch Wasserstoff stabil aus dem Tank zugeführt werden
kann.
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Für den Einbau
im Fahrzeug ist das Brennstoffzellensystem daher in der Größe vorzugsweise so
kompakt wie möglich
und im Gewicht vorzugsweise so leicht wie möglich ausgeführt. Des
Weiteren ist erforderlich, dass das Brennstoffzellensystem, welches
mit einem höchst
brenn- oder entflammbaren Wasserstoffgas arbeitet, einen hohen Grad
an Sicherheit gewährleistet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu
stellen, welches zum Einbau in ein Fahrzeug ein geringes Gewicht
aufweist und in der Größe kompakt
ist, und welches einen hohen Grad an Sicherheit gewährleistet.
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Zur
Lösung
der vorstehenden und/oder weiterer Aufgaben ist gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung ein für den Einbau in ein Kraftfahrzeug
geeignetes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 vorgesehen. Wenn
der Druck des von der Wasserstoffgasspeichervorrichtung abgegebenen
Wasserstoffgases größer ist
als ein Referenzdruck, öffnet
die Steuerung das erste und zweite Ventil und schließt das dritte
Ventil, so dass das von der Wasserstoffgasspeichervorrichtung abgegebene
Wasserstoffgas durch die erste Leitung der Brennstoffzelle zugeführt und
das von der Brennstoffzelle abgegebene Wasserstoffgas durch die
zweite Leitung zur ersten Leitung zurückströmt, wobei die Pumpe das Wasserstoffgas
in Zirkulation versetzt. Ist der Druck des von der Wasserstoffgasspeichervorrichtung
abgegebenen Wasserstoffgases andererseits niedriger als der Referenzdruck,
schließt
die Steuerung das erste und zweite Ventil und öffnet das dritte Ventil und
lässt die Pumpe
Wasserstoffgas aus der Wasserstoffgasspeichervorrichtung saugen
und das Wasserstoffgas von der ersten Leitung durch die dritte Leitung
der zweiten Leitung zuführen,
so dass der Brennstoffzelle Wasserstoffgas von der zweiten Leitung
durch die erste Leitung zugeführt
wird.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines
gemäß vorstehender
Beschreibung ausgelegten Brennstoffzellensystems nach Anspruch 15
vorgesehen.
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In
dem vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem bzw. nach dem
vorstehend beschriebenen Steuerungsverfahren wird eine einzige Pumpe
dazu verwendet, während
eines normalen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems, in dem
der Wasserstoffgasdruck größer ist
als der Referenzdruckpegel, Wasserstoffgas zirkulieren zu lassen
und, wenn der Wasserstoffgasdruck niedriger ist als der Referenzdruckpegel,
wie z. B. bei der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei
einer niedrigen Temperatur, zudem Wasserstoffgas anzusaugen. Somit
wird für
die beiden Zwecke, d. h. die Zirkulation des Wasserstoffgases und
das Ansaugen des Gases aus der Speichervorrichtung, dieselbe Pumpe
verwendet mit dem Ergebnis, dass für den Einbau des Brennstoffzellensystems
in das Fahrzeug weniger Volumen benötigt wird und verglichen mit dem
Fall, in dem für
die beiden vorstehenden Zwecke unabhängige Pumpen oder andere Vorrichtungen vorgesehen
sind, das Gewicht des Systems reduziert ist.
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Durch
die Zirkulation von Wasserstoffgas mittels der Pumpe während eines
normalen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems wird der scheinbare
Durchsatz (d. h. die Menge und die Strömungsgeschwindigkeit) des der
Brennstoffzelle zugeführten
Wasserstoffgases vergrößert, was
im Hinblick auf die Wasserstoffversorgung der Brennstoffzelle von
Vorteil ist und zu einer erhöhten
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle führt. Des Weiteren werden selbst
für den
Fall, dass Verunreinigungen, wie z. B. Stickstoff, in das Wasserstoffgas
in der Brennstoffzelle eindringen, die Verunreinigungen über die
gesamte Länge
des Wasserstoffgasströmungssystems,
welches die erste und zweite Leitung umfasst, mit dem im Strömungssystem
zirkulierenden Wasserstoffgas gleichmäßig verteilt. Somit wird verhindert,
dass in der Brennstoffzelle Verunreinigungen zurückbleiben und zu einem Problem
im Hinblick auf den Energieerzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle
führen.
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Obwohl
es wenig wahrscheinlich ist, dass bei einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei
einer niedrigen Temperatur Wasserstoffgas von der Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung in der Wasserstoffgasspeichervorrichtung
abgegeben wird, ist die Pumpe in der Lage, Wasserstoffgas aus der Speichervorrichtung
zu saugen, so dass die Brennstoffzelle innerhalb eines relativ kurzen
Zeitraums ihren Betrieb in einem stationären Zustand aufnehmen kann.
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Die
vorstehend genannten ersten und zweiten Ventile könnten beispielsweise
in einem Strömungswegschaltventil
integriert sein.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der Erfindung ist ein für den Einbau in ein Kraftfahrzeug
geeignetes Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 vorgesehen.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 17
zum Steuern des gemäß der vorstehenden
Beschreibung ausgelegten Brennstoffzellensystems vorgesehen.
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Bei
der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems können Verunreinigungen, wie
z. B. Stickstoff, in den Wasserstoffgaskanälen in der Brennstoffzelle
enthalten sein. Wird lediglich zugelassen, dass Wasserstoffgas durch
die Wasserstoffgaskanäle
strömt,
dauert es lange, bis die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle den
gewünschen Spannungspegel
erreicht. Bei dem vorstehend beschriebenen On-board-Brennstoffzellensystem
oder Steuerungsverfahren wird bei einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems
daher Wasserstoffgas von der Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung
geliefert und gleichzeitig die Pumpe angetrieben, um eine verstärkte Wasserstoffgasströmung durch
geeignete Wasserstoffgaskanäle
zu induzieren oder zu erzeugen und um dadurch Verunreinigungen,
die in den Kanälen
vorhanden sind, mit dem von der Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung
gelieferten Wasserstoffgas zu mischen, um ein homogenes Gemisch
zu erhalten.
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Durch
gleichmäßiges Mischen
zurückgebliebener
Verunreinigungen, wie z. B. Stickstoff, mit dem von der Wasserstoffgasversorgungsvorrichtung
gelieferten Wasserstoffgas, wie vorstehend beschrieben, wird die
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unmittelbar auf den gewünschten
Pegel angehoben, so dass die an die Brennstoffzelle angeschlossene Last
mit der gewünschten
Energie versorgt werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Vorstehende
und/oder weitere Gegenstände,
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen, in denen zur Darstellung baugleicher Komponenten dieselben
Bezugszeichen verwendet wurden und in denen:
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1 eine
schematische Darstellung ist, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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2 ein
Querschnitt eines Beispiels für
einen Gas-Flüssigkeit-Separator
zur Verwendung im Brennstoffzellensystem von 1 ist;
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3 ein
Ablaufschema ist, das ein Beispiel für eine Steuerungsroutine veranschaulicht,
die durch eine Steuerung ausgeführt
wird, wenn das Brennstoffzellensystem von 1 in Betrieb
genommen wird;
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4 eine
schematische Darstellung ist, die den Aufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zeigt; und
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5 ein
Ablaufschema ist, das ein Beispiel für eine Steuerungsroutine zeigt,
die durch eine Steuerung ausgeführt
wird, wenn das Brennstoffzellensystem von 4 in Betrieb
genommen wird.
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AUSFÜHLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen werden einige beispielhafte
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ausführlich
beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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1 zeigt
schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform
ist in einem Kraftfahrzeug, z. B. einem Automobil, eingebaut. Das
Brennstoffzellensystem umfasst primär eine Brennstoffzelle 100,
die unter Verwendung von zugeführtem
Wasserstoffgas elektrische Leistung bzw. elektrische Energie erzeugt,
und einen Behälter 200 mit
einer Wasserstoffgas absorbierenden Legierung, aus welchem die Brennstoffzelle 100 mit
Wasserstoffgas versorgt wird.
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Die
Brennstoffzelle 100 wird mit einem Oxidationsgas (beispielsweise
Luft), welches Sauerstoff enthält,
sowie dem Wasserstoffgas, welches Wasserstoff enthält, versorgt.
Das so zugeführte
Wasserstoff- und Oxidationsgas werden an einer Wasserstoff- bzw.
Sauerstoffelektrode elektrochemischen Reaktionen unterzogen, die
nachstehend durch die Formeln (1) und (2) ausgedrückt sind,
so dass die Brennstoffzelle 100 elektrische Leistung bzw.
elektrische Energie erzeugt.
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Im
Besonderen erfolgt an der Seite der Wasserstoffelektrode die durch
die nachstehende Formel (1) ausgedrückte Reaktion, wenn die Wasserstoffelektrode
mit Wasserstoffgas versorgt wird, und an der Seite der Sauerstoffelektrode
die durch die nachstehende Formel (2) ausgedrückte Reaktion, wenn die Sauerstoffelektrode
mit Oxidationsgas versorgt wird. Die Brennstoffzelle 100 führt somit
insgesamt die durch die nachstehende Formel (3) ausgedrückte elektrochemische
Reaktion durch. H2 → 2H+ + 2e- (1) 2H+ + 2e- +
(1/2)O2 → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
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In
dem Fahrzeug, in das das Brennstoffzellensystem 100 als
eine Energiequelle eingebaut ist, wird durch die elektrische Energie,
die das Brennstoffzellensystem 100 erzeugt, ein (nicht
gezeigter) Elektromotor angetrieben. Das daraus resultierende Drehmoment
des Elektromotors wird anschließend auf
eine (nicht gezeigte) Achswelle übertragen,
wodurch die Antriebskraft des Fahrzeugs erzeugt wird.
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Die
Brennstoffzelle 100 weist einen Stack-Aufbau auf, welcher
durch Stapeln oder Schichten einer Vielzahl von Einzelzellen erhalten wird.
Jede Einzelzelle weist eine (nicht gezeigte) Elektrolytschicht,
ein Paar (nicht gezeigter) Diffussionselektroden in Form der Wasserstoff-
und Sauerstoffelektrode und zwei Separatoren auf. Die Wasserstoff-
und Sauerstoffelektroden sind an entgegengesetzten Hauptoberflächen der
Elektrolytschicht angeordnet; die Separatoren sind an den Außeroberflächen der
Wasserstoff- und Sauerstoffelektroden angeordnet. An den entgegengesetzt
liegenden Oberflächen
der Separatoren sind jeweils Nuten oder Aussparungen in der Weise
ausgebildet, dass zwischen den Separatoren und der Wasserstoff-
und Sauerstoffelektrode, welche dazwischen liegen, Einzelzellengaskanäle ausgebildet
sind. Im Betrieb strömt
der Brennstoffzelle 100 zugeführtes Wasserstoffgas durch
die zwischen den Separatoren und den Wasserstoffelektroden ausgebildeten
Einzelzellengaskanäle
und der Brennstoffzelle 100 zugeführtes Oxidationsgas durch die
zwischen den Separatoren und den Sauerstoffelektroden ausgebildeten
Einzelzellengaskanäle.
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Der
Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierungs enthält die (nicht
gezeigte) Wasserstoffgas absorbierende Legierung. Im Allgemeinen
wird die Wasserstoffgas absorbierende Legierung bei einer Erhitzung
einer endothermen Reaktion unterzogen, wodurch Wasserstoff abgegeben wird,
und bei einer Kühlung
einer exothermen Reaktion, wodurch Wasserstoff absorbiert wird.
Um der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung Wasserstoff zu entziehen,
wird die im Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung enthaltene Wasserstoffgas
absorbierende Legierung daher durch einen (nicht gezeigten) geeigneten
Wärmetauscher
erhitzt.
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Die
Wasserstoffgas absorbierende Legierung kann einen Qualitätsverlust
erleiden, wenn sie mit Verunreinigungen reagiert. Daher ist im Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung hochreiner Wasserstoff
gespeichert.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung weist ferner ein Wasserstoffgasströmungssystem, das eine Wasserstoffgasströmung durch
das System ermöglicht,
ein Oxidationsgasströmungssystem,
das eine Strömung von
Oxidationsgas durch das System ermöglicht, und eine Steuerung 50 auf.
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Das
Wasserstoffgasströmungssystem
umfasst eine Hauptstromleitung 401, die sich von einem Auslass
des Behälters 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung zu einem Einlass der Brennstoffzelle 100 erstreckt,
eine Zirkulationsleitung 403, durch welche Wasserstoffgas
aus einem Auslass der Brennstoffzelle 100 durch eine nachstehend beschriebene
Pumpe 410 zur Hauptstromleitung 401 zurückströmt, und
eine Überbrückungsleitung 405, die
von der Hauptstromleitung 401 abzweigt und mit der Zirkulationsleitung 403 in
Verbindung steht. Das Wasserstoffgasströmungssystem umfasst des weiteren
eine Ablaufleitung 407 zum Abgeben von Verunreinigungen,
die in dem durch das Wasserstoffgasströmungssystem zirkulierenden
Wasserstoffgas enthalten sind, und eine Entlastungsleitung 409 zum
Abgeben einer bestimmten Menge von Wasserstoff bei einem übermäßig hohen
Wasserstoffgasdruck im Strömungssystem.
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In
der Hauptstromleitung 401 ist am Auslass des Behälters 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung ein Absperrventil 202 angeordnet; an
ausgewählten
Stellen in der Leitung 401 sind ein Drucksensor 400,
ein Absperrventil 402 und ein Druckreduzierventil 404 angeordnet.
In der Zirkulationsleitung 403 ist am Einlass der Brennstoffzelle 100 ein
Absperrventil 104 angeordnet; an ausgewählten Stellen in der Leitung 403 sind
ein Gas-Flüssigkeit-Separator 406,
ein Absperrventil 408 und die Pumpe 410 abgeordnet.
Des weiteren ist in der Überbrückungsleitung 405 ein
Absperrventil 412 und in der Ablaufleitung 407 ist
ein Absperrventil 414 angeordnet, während in der Entlastungsleitung 409 ein Entlastungsventil 416 angeordnet
ist.
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Das
Oxidationsgasströmungssystem
umfasst anderseits eine Oxidationsgaszufuhrleitung 501,
durch welche der Brennstoffzelle 100 Oxidationsgas zugeführt wird,
und eine Sauerstoffabgasablaufleitung 503, durch welche
Sauerstoffabgas von der Brennstoffzelle 100 abgegeben wird.
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Im
Oxidationsgasströmungssystem
sind an ausgewählten
Stellen in der Oxidationsgaszufuhrleitung 501 ein Luftreiniger 502,
ein Kompressor 504 und ein Befeuchter 506 angeordnet.
Des weiteren sind in der Sauerstoffabgasablaufleitung 503 an
ausgewählten
Stellen ein Gas-Flüssigkeit-Separator 508 und
ein Brenner 510 angeordnet.
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Die
Steuerung 50 erhält
ein Signal vom Drucksensor 400 zum Erfassen des Drucks
in der Hauptstromleitung 401 und steuert den Betrieb jedes der
Ventile 102, 104, 202, 402, 408, 412, 414,
der Pumpe 410 und des Kompressors 504. In 1 sind Steuerleitungen,
die die Verbindung zwichen der Steuerung 50 und den vorstehenden
Komponenten anzeigen, aus Gründen
der Vereinfachung nicht angegeben.
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Zunächst wird
die Oxidationsgasströmung im
Oxidationsgasströmungssystem
kurz beschrieben. Der Kompressor 504 wird durch die Steuerung 50 in
der Weise angetrieben, dass er eine geeignete Menge Luft aus der
Atmosphäre
in die Oxidationsgaszufuhrleitung 501 zur Verwendung als
Oxidationsgas in der Brennstoffzelle 100 einleitet. Die
so eingeleitete Luft wird durch den Luftreiniger 502 gereinigt,
durch den Befeuchter 506 geleitet und anschließend durch
die Oxidationsgaszufuhrleitung 501 der Brennstoffzelle 100 zugeführt. Das
der Brennstoffzelle 100 zugeführte Oxidationsgas wird für die vorstehend
beschriebene elektrochemische Reaktion verwendet und anschliessend
als Sauerstoffabgas von der Brennstoffzelle 100 abgegeben.
Das von der Brennstoffzelle 100 abgegebene Sauerstoffabgas
strömt
durch die Sauerstoffabgasablaufleitung 503, wobei es durch
den (nachstehend ausführlich beschriebenen)
Gas-Flüssigkeit-Separator 508 und den
Brenner 510 strömt.
Anschliessend wird das Sauerstoffabgas endgültig an die Atmosphäre abgegeben
oder freigesetzt.
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Als
nächstes
wird die Wasserstoffgasströmung
im Wasserstoffgasströmungssytem
ausführlich beschrieben.
Die Steuerung 50 steuert den Betrieb des im Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung angeordneten Absperrventils 202 und
der in der Brennstoffzelle 100 angeordneten Absperrventile 102, 104 in
der Weise, dass die Ventile 202, 102, 104 während des
Betriebs des Brennstoffzellensystems grundsätzlich geöffnet sind und bei Beendigung
des Betriebs des Brennstoffzellensystems geschlossen werden.
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Befindet
sich das Brennstoffzellensystem in einem normalen Betriebszustand,
steuert die Steuerung 50 die Absperrventile in der Weise,
dass das Absperrventil 402 der Hauptstromleitung 401 und
das Absperrventil 408 der Zirkulationsleitung 403 sowie die
vorstehend beschriebenen Absperrventile 202, 102, 104 geöffnet, das
Absperrventil 412 der Überbrückungsleitung 405 und
das Absperrventil 414 der Ablaufleitung 407 jedoch
geschlossen sind. Das Entlastungsventil 416 ist während des
Steuerungsgetriebs der Steuerung 50 grundsätzlich geschlossen, es
sei denn, der Wasserstoffgasdruck in der Leitung 401 wird übermässig hoch,
wie es nachstehend beschrieben wird. Der Drucksensor 400 erfasst
den Druck des aus dem Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung abgegebenen Wasserstoffgases.
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Im
normalen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems wird die im
Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung enthaltene Wasserstoffgas
absorbierende Legierung durch ein geeignetes Wärmetauschersystem erhitzt,
um Wasserstoffgas abzugeben. Das abgegebene Wasserstoffgas wird
dann durch die Hauptstromleitung 401 der Brennstoffzelle 100 zugeführt. Das
der Brennstoffzelle 100 zugeführte Wasserstoffgas wird bei
der elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 100 verbraucht
und anschliessend als Wasserstoffabgas von der Brennstoffzelle 100 abgegeben. Das
abgegebene Wasserstoffabgas strömt
durch die Zirkulationsleitung 403 zur Hauptstromleitung 401 zurück, so dass
das Abgas der Brennstoffzelle 100 zur Wiederverwendung
erneut zugeführt
wird. Dabei wird die in der Zirkulationsleitung 403 angeordnete Pupme 410 angetrieben,
um die Strömung
des durch die Zirkulationsleitung 403 strömenden Wasserstoffabgases
zur Zufuhr zur Hauptstromleitung 401 zu erzwingen oder
zu induzieren. Auf diese Weise zirkuliert in einem normalen Betriebszustand
des Brennstoffzellensystems Wasserstoffgas durch die Hauptstromleitung 401 und
die Zirkulationsleitung 403.
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Da
aufgrund der Zirkulation Wasserstoffabgas in die Hauptstromleitung 401 zurückströmt, werden
die scheinbare Menge und Strömungsgeschwindigkeit
des der Brennstoffzelle 100 zugeführten Wasserstoffgases erhöht, wenngleich
in der Brennstoffzelle 100 dieselbe Wasserstoffmenge verwendet oder
verbraucht wird. Diese Ausgestaltung ist im Hinblick auf die Wasserstoffversorgung
der Brennstoffzelle 100 von Vorteil und führt zu einer
Erhöhung
der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100.
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In
der Brennstoffzelle 100 können Verunreinigungen, wie
z. B. Stickstoff, welche im Oxidationsgas enthalten sind, von der
Seite der Sauerstoffelektrode durch die Elektrolytschicht zur Seite
der Wasserstoffelektrode sickern. Für den Fall, dass im Brennstoffzellensystem
kein Wasserstoffgas zirkuliert, besteht demnach durchaus die Möglichkeit, dass
sich an den Wasserstoffelektroden in einem stromabwärts gelegenen
Teil der Brennstoffzelle 100 Verunreinigungen ansammeln.
Die Ansammlungs zone der Verunreinigungen an den Wasserstoffelektroden
expandiert mit der Zeit, was zu einem Problem mit dem Energieerzeugungsbetrieb
der Brennstoffzelle 100 führen und schliesslich in einer
Verminderung der Ausgangspannung der Brennstoffzelle 100 resultieren
kann. In dieser Ausführungsform,
in der das Wasserstoffgas wie vorstehend beschrieben zirkuliert,
lassen sich die Verunreinigungen andererseits über die gesamte Länge der
Wasserstoffgasleitung gleichmässig
verteilen, wodurch das Brennstoffzellensystem nicht unter dem vorstehend
beschriebenen, auf die Ansammlung von Verunreinigungen zurückzuführenden
Problem leidet.
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Die
Steuerung 50 steuert den Betrieb der Pumpe 410 so,
dass der Durchsatz oder die Geschwindigkeit des Wasserstoffgases
durch die Zirkulationsleitung 403 in Abhängigkeit
von der Verbrauchsmenge der durch die Brennstoffzelle 100 erzeugten
elektrischen Energie variiert.
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Das
vom Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung abgegebene Wasserstoffgas
hat einen sehr hohen Druck, der nicht grösser ist als 1 MPa. Wenn das
abgegebene Wasserstoffgas der Brennstoffzelle 100 direkt
zugeführt
wird, kann die Brennstoffzelle 100 aufgrund des hohen Drucks
des Wasserstoffgases beeinträchtigt
werden. In Anbetracht dieses Problems wird das in der Hauptstromleitung 401 angeordnete
Druckreduzierventil 404 betätigt, um den Wasserstoffgasdruck
von 1 MPa auf einen der Brennstoffzelle 100 zuzuführenden
geeigneten Pegel, d. h. auf einen Pegel im Bereich zwischen 0,2
MPa bis etwa 0,3 MPa, zu reduzieren. Somit wird der Brennstoffzelle 100 Wasserstoffgas
mit einem geeignet reduzierten Druck zugeführt.
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In
der Brennstoffzelle 100 wird an der Sauerstoffelektrodenseite
gemäß der durch
die vorstehend angegebene Formel (2) ausgedrückten Reaktion Wasser (H2O) produziert. Wasser strömt in Form
von Dampf von der Seite der Sauerstoffelektrode durch die Elektrolytschicht
zur Seite der Wasserstoffelektrode. Aus diesem Grund ist das von
der Brennstoffzelle 100 abgegebene Wasserstoffabgas nass
und enthält
einen beträchtlich
hohen Anteil an Feuchtigkeit. Wenn Wasserstoffabgas über die
Pumpe 410 direkt zur Hauptstromleitung 401 zurückströmt, verdampft
die im Wasserstoffabgas enthaltene Feuchtigkeit bzw. das im Wasserstoffabgas
enthaltene Wasser nicht ausreichend. Im Ergebnis wird der Brennstoffzelle 100 ein
Gemisch aus Wasserstoffgas und Feuchtigkeit, d.h. ein Gas-Flüssigkeit-Gemisch, zugeführt. Die
der Brennstoffzelle 100 zugeführte Feuchtigkeit kann sich
an Wänden
in den Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks niederschlagen, was möglicherweise
dazu führt,
dass die Wasserstoffgaskanäle
in der Brennstoffzelle 100 zumachen. Wenn die Wasserstoffgaskanäle aufgrund
der im Wasserstoffgas enthaltenen Feuchtigkeit verstopfen oder schliessen
und eine Wasserstoffgasströmung
durch die Kanäle
behindert oder unterbrochen wird, reduziert sich die Ausgangsspannung
der Einzelzellen der Brennstoffzelle 100, was eine Abnahme
der durch die Brennstoffzelle 100 erzeugten elektrischen Energie
insgesamt zur Folge hat.
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In
Anbetracht dieses Problems hat der in der Zirkulationsleitung 403 angeordnete
Gas-Flüssigkeit-Separator 406 die
Funktion, die im Wasserstoffabgas enthaltene Feuchtigkeit in eine
flüssige
Komponente und eine gasförmige
Komponente (d. h. Wasserdampf) zu trennen. Der Separator 406 entfernt
dann die flüssige
Komponente des Wasserstoffabgases und führt nur die gasförmige Komponente (d.
h. Wasserdampf) zusammen mit anderen Gasen der Pumpe 410 zu.
Durch den so vorgesehenen Gas-Flüssigkeit-Separator 406 wird
der Brennstoffzelle 100 anstelle eines Gas-Flüssigkeit-Gemisches nur
die gasförmige
Komponente der im Wasserstoffgas enthaltenen Feuchtigkeit zugeführt. Die
Bereitstellung des Separators 406 schliesst somit die Möglichkeit
einer Beeinträchtigung
des Energieerzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle 100 aufgrund
einer der Brennstoffzelle 100 zugeführten Feuchtigkeit aus.
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2 zeigt
im Querschnitt ein Beispiel für
einen Gas-Flüssigkeit-Separator,
der im Brennstoffzellensystem von 1 verwendet
werden könnte. Wasserstoffabgas,
das einen hohen Feuchtigkeitsanteil enthält, wird durch einen Einlass 602 des Gas-Flüssigkeit-Separators
in einen Zylinder 604 eingeleitet. Das durch den Einlass 602 eingeleitete Wasserstoffabgas
fällt oder
sinkt im Zuge einer wendelförmigen
Drehbewegung entlang einer Innenwand des Zylinders 604 ab.
Bei diesem Vorgang konzentriert sich die im Wasserstoffabgas enthaltene
Feuchtigkeit. Die flüssige
Komponente der Feuchtigkeit schlägt
sich im Besonderen in Form von Tröpfchen an der Innenwand des
Zylinders 604 nieder; die Tröpfchen fallen entlang der Innenwand
des Zylinders 604 ab und werden in einem Flüssigkeitsspeicher 608 gesammelt.
Die gasförmige
Komponente der Feuchtigkeit (d. h. der Wasserdampf) wird andererseits
durch eine Gasleitung 610 zusammen mit anderen gasförmigen Komponenten
im Wasserstoffabgas aus einem Auslass 606 abgegeben. Auf
diese Weise kann die im Wasserstoffabgas enthaltene Feuchtigkeit
wie vorstehend beschrieben in die flüssige Komponente und die gasförmige Komponente getrennt
werden.
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Der
Menge oder der Pegel des im Flüssigkeitsspeicher 608 gesammelten
Wassers lässt
sich durch einen (nicht gezeigten) Pegelsensor oder dergleichen
erfassen. Wenn der Pegelsensor eine bestimmte Wassermenge, die sich
im Flüssigkeitsspeicher 608 angesammelt
hat, erfasst, wird ein (nicht gezeigter) Ablaufmechanismus zum automatischen Öffnen eines
Absperrorgans 612 betätigt,
um dadurch das gesammelte Wasser über das Absperrorgan 612 abzugeben.
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Wie
vorstehend diskutiert zirkuliert im Wasserstoffgasströmungsystem
Wasserstoffgas, so dass sich die im Wasserstoffgas enthaltenen Verunreinigungen über die
gesamte Länge
des Zirkulationswegs gleichmäßig verteilen.
Selbst mit dem auf diese Weise homogenisierten Wasserstoffgas erfährt die Brennstoffzelle 100 aber
eine ständige
Leckage von Verunreinigungen von der Seite der Sauerstoffelektrode
durch die Elektrolytschicht zur Seite der Wasserstoffelektrode,
so dass die Konzentration von Verunreinigungen im Wasserstoffgas über einen
langen Anwendungszeitraum betrachtet nach und nach zunimmt. Im Ergebniss
nimmt die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffgas mit der Zeit
nach und nach ab, was sich für
den Energieerzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle 100 nachteilig
auswirken könnte.
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In
Anbetracht dieses Problems ist in der Ablaufleitung 407,
die von der Zirkulationsleitung 403 abzweigt, das Absperrventil 414 vorgesehen.
Das Absperrventil 414 wird regelmäßig geöffnet, um zirkulierendes Wasserstoffgas,
das Verunreinigungen enthält,
abzugeben. Das abgegebene Wasserstoffgas, das Verunreinigungen enthält, wird
durch reines Wasserstoffgas ersetzt, das aus dem Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung neu zugeführt wird.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es,
die Konzentration der Verunreinigungen im zirkulierenden Wasserstoffgas
zu senken und zugleich die Konzentration des Wasserstoffs im Wasserstoffgas zu
erhöhen,
wodurch die Brennstoffzelle 100 ihren Energieerzeugungsbetrieb
angemessen ausführen kann.
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Wie
vorstehend beschrieben erfährt
die Brennstoffzelle 100 auch eine Leckage von Wasserdampf
von der Seite der Sauerstoffelektroden durch die Elektrolytschicht
zur Seite der Wasserstoffelektrode. Der Wasserdampf kann sich je
nach Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 100 konzentrieren und
an den Wänden
der Einzelzellen niederschlagen; die sich daraus ergebende Feuchtigkeit
oder das sich daraus ergebende Wasser kann die Wasserstoffgasströmung durch
die Einzelzellen behindern oder unterbrechen. Wenn das Absperrventil 414 geöffnet wird,
um in dieser Situation Wasserstoffgas abzugeben, findet aufgrund
der Differenz zwischen dem Druck im Wasserstoffgasströmmungssystem
und dem Atmosphärendruck
eine rasche Wasserstoffgasströmung
statt, wodurch sich die an den Einzelzellen niedergeschlagene Feuchtigkeit
unter Ausnutzung des Wasserstoffgasstroms ausblasen lässt.
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Das Öffnen des
Absperrventils 414 während des
Energieerzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle 100 verursacht
zwar einen vorübergehenden
oder momentanen Ab fall der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100,
führt jedoch
nicht zu einer signifikanten Verminderung der Ausgangsspannung.
Das Absperrventil 414 wird vorzugsweise für eine Sekunde
oder kürzer,
inbesondere für
etwa 500 ms, offengehalten.
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Das
vom Absperrventil 414 abgegebene Wasserstoffgas wird über die
Ablaufleitung 407 der Sauerstoffabgasabaufleitung 503 zugeführt und
anschließend
mit dem durch die Sauerstoffabgasablaufleitung 503 strömenden Sauerstoffabgas
gemischt. Das Gemisch aus dem abgegebenen Wasserstoffgas und dem
Sauerstoffabgas wird durch den Gas-Flüssigkeit-Separator 508 dem
Brenner 510 zugeführt.
Der Brenner 510 enthält
einen Platinkatalysator 512. Im Brenner 510 wird
durch Verbrennung eine Reaktion des im Mischgas enthaltenen Wasserstoffs
und Sauerstoffs herbeigeführt,
so dass der Wasserstoffanteil im Mischgas weiter reduziert wird. Das
vom Brenner 510 abgegebene Mischgas wird anschließend an
die Atmosphäre
abgegeben oder freigesetzt.
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Während vorstehend
die Wasserstoffgasströmung
während
eines normalen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems beschrieben
wurde, wird nun die Wasserstoffgasströmung während eines Niedertemperaturinbetriebnahmezustands
des Brennstoffzellensystems beschrieben.
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Im
Allgemeinen steigt der Druck, bei dem die Wasserstoffgas absorbierende
Legierung Wasserstoff abgibt, mit einer Zunahme der Temperatur der Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung an und nimmt mit einer Abnahme der Temperatur
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung ab. Mit einer Abnahme
der Temperatur des Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung wird es somit weniger
wahrscheinlich, dass Wasserstoff abgegeben wird. Um eine Abgabe
von Wasserstoff aus dem Behälter
mit der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung während eines
Niedertemperaturinbetriebnahmezustands der Brennstoffzelle 100 zu
erleichtern bzw. zu ermöglichen,
ist es daher erforderlich, dem Behälter 200 mit der Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung durch einen Erhitzer oder dergleichen rasch
Wärme zuzuführen. Die
Verwendung des Erhitzers zum Erhitzen des Behälters mit der Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung erfordert jedoch viel elektrische Energie
und ist daher nicht erwünscht
oder nicht angebracht, wenn das Brennstoffzellensystem in ein Kraftfahrzeug
einzubauen ist.
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Vor
diesem Hintergrund zieht das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform
die Pumpe 410 dazu heran, Wasserstoff aus dem Behälter 200 mit
der Wasserstoff gas absorbierenden Legierung anzusaugen, anstatt
dem Behälter
mit der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung durch einen Erhitzer
Wärme zuzuführen.
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3 zeigt
ein Ablaufschema, das ein Beispiel für eine Steuerungsroutine veranschaulicht,
die die Steuerung 50 bei der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems
von 1 ausführt.
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Bei
der Inbetriebsame des Brennstoffszellensystems führt die Steuerung 50 den
in 3 gezeigten Schritt S102 aus, um das Absperrventil 202 des
Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung und die Absperrventile 102 und 104 der
Brennstoffzelle 100 zu öffnen.
Dann führt
die Steuerung den Schritt S104 aus, um den durch den Drucksensor 400 erfassten
Druckpegel des Wasserstoffgases zu lesen. Anschließend führt die
Steuerung 50 den Schritt S106 aus, um zu bestimmen, ob der
erfasste Druckpegel des Wasserstoffgases einen bestimmten Referenzdruck überschreitet.
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Wenn
die Umgebungstemperatur genügend hoch
ist und der Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung Wasserstoff bei einem
genügend
hohen Druck abgibt, der größer ist
als der vorgegebene Referenzdruck, fährt die Steuerung mit dem Schritt
S114 fort, um das Brennstoffzellensystem wie vorstehend beschrieben
in den normalen Betriebszustand zu schalten. Im Schritt S114 werden das
in der Hauptstromleitung 401 angeordnete Absperrventil 402 und
das in der Zirkulationsleitung 403 angeordnete Absperrventil 408 geöffnet, während das
in der Überbrückungsleitung 405 angeordnete Absperrventil 412 und
das in der Ablaufleitung 407 angeordnete Absperrventil 414 geschlossen
werden. Die Steuerung 50 fährt dann mit dem Schritt S116 fort,
um die Pumpe 410 bei normaler Geschwindigkeit anzutreiben,
wodurch wie vorstehend beschrieben eine Zirkulation von Wasserstoffgas
herbeigeführt
wird.
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Ist
die Umgebungstemperatur andererseits vergleichsweise niedrig, ist
es wenig wahrscheinlich, dass der Behälter 200 mit der Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung Wasserstoff abgibt; der Druck des abgegebenen
Wasserstoffs ist damit niedriger als der vorgegebene Referenzdruck.
In diesem Fall fährt
die Steuerung mit dem Schritt S108 fort, um das Brennstoffzellensystem
in den Niedertemperaturinbetriebnahmebetriebszustand zu schalten.
Im Schritt S108 werden das in der Hauptstromleitung 401 angeordnete
Absperrventil 402, das in der Zirkulationsleitung 403 angeordnete
Absperrventil 408 und das in der Ablaufleitung 407 angeordnete
Absperrventil 414 geschlossen, während das in der Überbrückungsleitung 405 angeordnete
Absperrventil 412 geöffnet wird.
Die Steuerung 50 fährt
dann mit dem Schritt S110 fort, um die Pumpe 410 mit hoher
Geschwindigkeit anzutreiben, so dass selbst in dem Fall, in dem die
Temperatur des Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung relativ niedrig ist
und das Wasserstoffgas mit einem relativ niedrigen Druck abgegeben
wird, eine ausreichende Menge des in der Wasserstoffgas absorbierenden
Legierung absorbierten Wasserstoffgases aus dem Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung angesaugt werden kann.
Das aus dem Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung angesaugte Wasserstoffgas
wird zunächst
in die Hauptstromleitung 401 eingeleitet; anschließend strömt es durch
die Überbrückungsleitung 405 und die
Zirkulationsleitung 403 in dieser Reihenfolge. Das Wasserstoffgas
strömt
dann zurück
in die Hauptstromleitung 401 und wird schließlich der
Brennstoffzelle 100 zugeführt. Das der Brennstoffzelle 100 zugeführte Wasserstoffgas
wird der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 100 unterzogen.
Das daraus resultierende Wasserstoffabgas wird anschließend in
die Zirkulationsleitung 403 abgebeben. Da die Konzentration
von Verunreinigungen im Wasserstoffabgas mit der Zeit zunimmt, wird
das Absperrventil 414 regelmäßig geöffnet, um Wasserstoffabgas durch
die Ablaufleitung 407 abzugeben.
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Die
Steuerung 50 hält
das Brennstoffzellensystem solange in dem vorstehend beschriebenen Niedertemperaturinbetriebnahmebetriebszustand, bis
im Schritt S112 bestimmt wird, dass der Druck des vom Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung abgegebene Wasserstoffgas über dem
vorgegebenen Referenzdruck liegt. Nach alledem arbeitet der (nicht
gezeigte) Wärmetauscher
im Anschluss an die Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems schließlich zufriedenstellend,
so dass der im Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung enthaltenen Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung Wärme
zugeführt
wird. Im Ergebnis steigt die Temperatur der Wasserstoffgas absorbierenden
Legierung an und der Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung wird in die Lage versetzt,
Wasserstoffgas mit einer ausreichend hohen Temperatur abzugeben.
Folglich überschreitet der
Wasserstoffgasdruck den Referenzdruckpegel, und die Steuerung 50 fährt mit
der Schritt S114 fort, um das Brennstoffzellensystem in den normalen
Betriebszustand zu schalten. Im Schritt S114 werden das in der Hauptstromleitung 401 angeordnete
Absperrventil 402 und das der Zirkulationsleitung 103 angeordnete
Absperrventil 408 geöffnet
und das in der Überbrückungsleitung 405 angeordnete
Absperrventil 412 und das in der Ablaufleitung 407 angeordnete
Absperrventil 414 geschlossen. Anschließend fährt die Steuerung 50 mit
dem Schritt S116 fort, um die Pumpe 410 mit normaler Geschwindigkeit
anzutreiben.
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Im
Niedertemperaturinbetriebnahmebetriebszustand nutzt das Brennstoffzellensystem
die Pumpe 410 zum Ansaugen des im Behälter 200 mit der Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung gespeicherten Wasserstoffs, ohne dabei
viel elektrische Energie zu benötigen.
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Im
Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform wird die Pumpe 410 während eines normalen
Betriebszustands zum Zweck der Zirkulation des Wasserstoffgases
und während
eines Niedertemperaturinbetriebnahmebetriebszustands zum Zweck der
Ansaugung von Wasserstoffgas aus dem Wasserstoffgas absorbierenden
Legierungbehälter 200 verwendet.
Der gemeinsame Einsatz der Pumpe 410 resultiert somit in
einem reduzierten Einbauvolumen und einem reduzierten Systemgewicht.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
kann die Pumpe 410 je nachdem, ob sie zum Zweck der Zirkulation
des Wasserstoffgases oder zum Zweck der Ansaugung von Wasserstoffgas
aus dem Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung in Betrieb geht, ihre
Drehzahl ändern,
um den Wasserstoffgasdurchsatz zu verändern. Die Pumpe 410 benötigt nämlich relativ
wenig Energie für die
Zirkulation des Wasserstoffgases im Wasserstoffgasströmungssystem,
da das Kompressionsverhältnis
der Pumpe 410 (d. h. das Verhältnis des Abgabedrucks zum
Saugdruck der Pumpe 410) relativ niedrig ist. Andererseits
benötigt
die Pumpe 410 relativ viel Energie zum Ansaugen des Wasserstoffgases aus
dem Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung, da das Kompressionsverhältnis der
Pumpe 410 relativ hoch ist.
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Während vorstehend
die Wasserstoffgasströmung
während
eines Niedertemperaturinbetriebnahmebetriebszustands des Brennstoffzellensystems
beschrieben wurde, wird nun der Stillstand des Brennstoffzellensystems
beschrieben.
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In
der Brennstoffzelle 100 sickern wie vorstehend beschrieben
Verunreinigungen, wie z. B. Wasserdampf und Stickstoff, von der
Seite der Sauerstoffelektrode durch die Elektrolytschicht zur Seite
der Wasserstoffelektrode. Dementsprechend enthält das während eines normalen Betriebszustands
zirkulierende Wasserstoffgas eine bestimmte Menge an Verunreinigungen.
Wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems anschließend beendet,
wird dementsprechend der Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung angehalten, so dass
die Temperatur im Behälter 200 sinkt.
In diesem Zustand kann der Druck im Behälter 200 mit der Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung in Abhängigkeit
von der Temperatur des Behälters 200 auch
auf einen negativen Pegel abnehmen. In diesem Fall strömt Wasser stoffgas
aus der Hauptstromleitung 401 oder der Überbrückungsleitung 405 in
die entgegengesetzte Richtung zum Auslass des Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung. Wenn normale Absperrventile
für das
in der Hauptstromleitung 401 angeordnete Absperrventil 402 und
das in der Überbrückungsleitung 405 angeordnete
Absperrventil 412 verwendet werden, kann eine derartige
entgegengesetzte Wasserstoffgasströmung in Richtung zum Auslass
des Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung nicht vollständig verhindert
werden. Im Ergebnis erfolgt eine Leckage von Wasserstoffgas, das
in den Bereichen des Wasserstoffgasströmungssytems zurückgeblieben
ist, die näher
an der Brennstoffzelle 100 liegen als an den Absperrventilen 402, 412,
durch die Absperrventile 402, 412 in den Abschnitt
des Wasserstoffgasströmungssytems,
der näher
am Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung liegt, wobei das durchsickernde
Wasserstoffgas anschließend
in den Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung strömt. Da das in den Behälter 200 strömende Wasserstoffgas
Verunreinigungen, wie z. B. Stickstoff und Wasserdampf, enthält, werden
die Verunreinigungen ebenfalls in den Behälter 200 mit der Wasserstoffgas
absorbierenden Legierung eingeführt.
In diesem Fall beeinträchtigen
die Verunreinigungen möglicherweise
die im Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung enthaltene Wasserstoffgas
absorbierende Legierung.
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In
Anbetracht dieses Problems haben die in dieser Ausführungsform
verwendeten Absperrventile 402, 412 die Funktion,
eine entgegengesetzte Wasserstoffgasströmung zu verhindern oder zu
blockieren. Unter Verwendung der Absperrventile, welche die Funktion
haben, eine entgegengesetzte Strömung
zu verhindern, wird selbst dann, wenn bei einer Beendigung des Betriebs
des Brennstoffszellensystems eine entgegengesetzte Wasserstoffgasströmung in
Richtung zum Behälter 200 stattfindet,
verhindert oder unterbunden, dass Wasserstoffgas, das Verunreinigungen
enthält,
durch die Absperrventile 402, 412 in die Wasserstoffgasleitung
auf Seiten des Behälters 200 mit
der Wasserstoffgas absorbiernenden Legierung sickert. Somit kann
die Wasserstoffgas absorbierende Legierung im Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung geschützt werden.
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Während vorstehend
der Zustand des Brennstoffzellensystems bei einer Beendigung des Betriebs
des Systems beschrieben wurde, wird nachstehend der Betrieb des
Brenstoffzellensystems beschrieben, wenn es sich in einem nicht
normalen Zustand befindet.
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Im
Falle einer Abnormität,
wie z. B. im Fall eines Defekts im Druckreduzierventil 404,
im Brennstoffzellensystem steigt der Druck des der Brennstoffzelle 100 zugeführten Wasserstoffgases
auf einen übermäßig hohen
Pegel an, was der Brennstoffzelle 100 ein Problem bereiten
könnte.
In Anbetracht dieses Problems ist die vorliegende Ausführungsform
mit dem Entlastungsventil 416 versehen, das in der Entlastungsleitung 409 angeordnet
ist, die von der Hauptstromleitung 401 abzweigt. Das Entlastungsventil 416 wird
geöffnet,
um eine bestimmte Menge Wasserstoffgas an die Atmosphäre ausserhalb
des Fahrzeugs abzugeben, wenn der Wasserstoffgasdruck, der in dem
zwischen dem Druckreduzierventil 404 und der Brennstoffzelle 100 liegendenden
Abschnitt der Hauptstromleitung 401 gemessen wird, derart
ansteigt, dass er gleich oder größer ist
als ein vorgegebener Pegel. Ein Auslass des Entlastungsventils 416 ist
vorzugsweise an einer Stelle vorgesehen, die ermöglicht, dass das Wasserstoffgas
in Richtung zur Fahrbahn abgegeben wird, so dass das auf diese Weise
abgegebene Wasserstoffgas nicht an einer bestimmten Stelle verbleibt.
Mit dem so angeordneten Entlastungsventil 416 ist die Wahrscheinlichkeit
gegeben, dass sich der abgegebene Wasserstoff in der Atmosphäre ausbreitet.
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Bei
einer Kollision des Fahrzeugs mit einem anderen Fahrzeug oder Gegenstand
oder einer Fehlfunktion eines Steuerungssystems kann das Brennstoffzellensystem
im schlimmsten Fall eine Leckage von Wasserstoffgas erleiden. Im
Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform geht die Steuerung 50 für den Fall,
dass beispielsweise durch eine Kollision des Fahrzeugs oder eine
Fehlfunktion des Steuerungssystems hervorgerufene Vibrationen erfasst werden,
in Betrieb, um das im Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung angeordnete Absperrventil 202 und
die in der Brennstoffzelle 100 angeordneten Absperrventile 102, 104 automatisch
zu schließen.
In diesem Zustand ist die Wassersoffgasversorgung unterbrochen,
wodurch eine Leckage von Wasserstoffgas aus dem Brennstoffzellensystem
vehindert wird.
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Zweite Ausführungsform
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4 zeigt
schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Während
im Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform der Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung als Wasserstoffgasversorgung
zum Einsatz kommt, findet im Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform
ein Hochdruckwasserstoffgasbehälter 300 Verwendung
als Wasserstoffgasversorgung.
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Der
Hochdruckwasserstoffgasbehälter 300 ist
mit einem Hochdruckwasserstoffgas gefüllt; am Boden des Behälters 300 ist
ein Absperrventil 302 angebracht. Das Ab sperrventil 302 wird
geöffnet,
um Wasserstoffgas mit einem Druck von etwa 20 MPa bis etwa 35 MPa
abzugeben.
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Die
Brennstoffzelle 100 des Brennstoffzellensystems der zweiten
Ausführungsform
ist in der Ausgestaltung identisch mit der Brennstoffzelle 100 der
ersten Ausführungsform;
daher erfolgt keine Erläuterung
der Brennstoffzelle 100.
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Wie
es in 4 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem
der vorliegenden Ausführungsform eine
Wasserstoffgasleitung, eine Sauerstoffgasleitung und die Steuerung 50 auf.
Da die Sauerstoffgasleitung identisch ist mit der Sauerstoffgasleitung
des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten
Ausführungsform,
erfolgt keine redundante Beschreibung der Sauerstoffgasleitung.
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Das
Wasserstoffgasströmungssystem
des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform umfasst eine Hauptstromleitung 401,
die sich von einem Auslass des Hochdruckwasserstoffgasbehälters 300 zum
Einlass der Brennstoffzelle 100 erstreckt, eine Zirkulationsleitung 403,
durch welche Wasserstoffgas vom Auslass der Brennstoffzelle 100 über eine
Pumpe 410 zur Hauptstromleitung 401 zurückströmt, eine
Ablaufleitung 407 zum Abgeben von Verunreinigungen, die
im zirkulierenden Wasserstoffgas enthalten sind, und eine Entlastungsleitung 409 zum
Abgeben von Wasserstoffgas, wenn der Wasserstoffgasdruck im Brennstoffzellensystem übermäßig hoch
ist. In dieser Ausführungsform,
in der der Hochdruckwasserstoffgasbehälter 300 als Wasserstoffgasversorgung
verwendet wird, kann vom Behälter 300 ungeachtet
seiner Betriebstemperatur ein Hochdruckwasserstoffgas abgegeben
werden. Da es somit nicht notwendig ist, bei einer Niedertemperaturinbetriebnahme
des Systems wie im Fall des Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung Wasserstoffgas anzusaugen,
weist das Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform
keine Überbrückungsleitung 405 auf,
wie sie in der ersten Ausführungsform
vorgesehen ist.
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Wie
es in 4 gezeigt ist, ist am Auslass des Hochdruckwasserstoffgasbehälters 300 ein
Absperrventil 302 angeordnet; an ausgewählten Stellen in der Hauptstromleitung 401 sind
ein Druckreduzierventil 418, ein Wärmetauscher 420, ein
Druckreduzierventil 422 und ein Gas-Flüssigkeit-Separator 424 angeordnet.
Des weiteren ist am Einlass der Brennstoffzelle 100 ein
Absperrventil 102 angeordnet. Außerdem ist am Auslass der Brennstoffzelle 100 ein Absperrventil 104 angeordnet;
an ausgewählten
Stellen in der Zirkulationsleitung 403 sind ein Gas-Flüssigkeit-Separator 406,
eine Pumpe 410 und ein Rückschlagventil 426 angeordnet.
Wie in der ersten Aus führungsform
ist in der Ablaufleitung 407 ein Absperrventil 414 und
in der Entlasstungsleitung 409 ein Entlastungsventil 416 angeordnet.
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Die
Steuerung 50 erhält
von einem Drucksensor 400 ein (den Wasserstoffgasdruck
in der Hauptstromleitung 401 repräsentierendes) Signal und steuert
den Betrieb der Ventile 102, 104, 302, 414,
der Pumpe 410 und eines in einer Oxidationsgasversorgungsleitung 501 angeordneten
Kompressors 504. 4 zeigt
nicht die Steuerleitungen oder dergleichen, welche die Verbindung
zwischen der Steuerung 50 und den jeweiligen Komponenten
des Brennstoffzellensystems angeben.
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Zunächst wird
die Wasserstoffgasströmung ausführlich beschrieben.
Da die Oxidationsgasströmung
identisch ist mit derjenigen in der ersten Ausführungsform, erfolgt keine Erläuterung
der Oxidationsgasströmung.
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Im
Rahmen des Steuerungsbetriebs der Steuerung 50 sind während des
Betriebs des Brennstoffzellensystems das Absperrventil 302 für den Hochdruckwasserstoffgasbehälter 300 und
die Absperrventile 102, 104, für die Brennstoffzelle 100 grundsätzlich geöffnet, sie
werden geschlossen, wenn der Betrieb des Brennstoffzellensystems
beendet wird.
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Wenn
sich das Brennstoffzellensystem in einem normalen Betriebszustand
befindet, ist das Absperrventil 414 der Ablaufleitung 407 geschlossen, während die
Absperrventile 302, 102, 104 geöffnet sind.
Wie im Fall der ersten Ausführungsform
wird das Entlastungsventil 416 normalerweise in der geschlossenen
Stellung gehalten, es sei denn, der Wasserstoffgasdruck wird übermäßig hoch.
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Während eines
normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems hält die Steuerung 50 das Absperrventil 302 wie
vorstehend beschrieben in der offenen Stellung, so dass Wasserstoffgas
vom Hochdruckwasserstoffgasbehälter 300 abgegeben
wird. Das abgegebene Wasserstoffgas wird durch die Hauptstromleitung 401 der
Brennstoffzelle 100 zugeführt. Das der Brennstoffzelle 100 so
zugeführte Wasserstoffgas
wird der vorstehend angegebenen elektrochemischen Reaktion in der
Brennstoffzelle 100 unterzogen; das daraus entstehende
Wasserstoffabgas wird anschließend
von der Brennstoffzelle 100 abgegeben. Das abgegebene Wasserstoffabgas strömt durch
die Zirkulationsleitung 403 zur Hauptstromleitung 401 zurück und wird
der Brennstoffzelle 100 erneut zugeführt. Wie in der ersten Ausführungsform
wird die in der Zirkulationsleitung 403 angeordnete Pumpe 410 angetrieben
oder betätigt,
um Wasserstoffabgas zur Hauptstromleitung 401 unter Zwang
zuzuführen.
Wenn sich das Brennstoffzellensystem im normalen Betriebszustand
befindet, zirkuliert im Be sonderen Wasserstoffgas durch die Hauptstromleitung 401 und
Zirkulationsleitung 403. In einem zwischen der Pumpe 410 und
der Verbindungstelle der Zirkulationsleitung 403 und der
Hauptstromleitung 401 liegenden Abschnitt der Zirkulationsleitung 403 ist
ein Rückschlagventil 426 angeordnet,
das die Funktion hat, eine entgegengesetzte Strömung des zirkulierenden Wasserstoffgases
zu verhindern.
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Das
vom Hochdruckwasserstoffgasbehälter 300 abgegebene
Wasserstoffgas hat wie vorstehend beschrieben einen Druck im Bereich
von etwa 20 MPa bis etwa 35 MPa. Dieser Druckpegel ist weitaus höher als
der des aus dem Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung in der ersten Ausführungsform
abgegebenen Wasserstoffgases. Wenn das abgegebene Wasserstoffgas
der Brennstoffzelle 100 direkt zugeführt wird, wird die Brennstoffzelle 100 aufgrund
des hohen Drucks des Wasserstoffgases dementsprechend beschädigt. In
der zweiten Ausführungsform
sind daher an ausgewählten
Stellen in der Hauptstromleitung 401 zwei Druckreduzierventile,
d. h. ein erstes Druckreduzierventil 418 und ein zweites
Druckreduzierventil 422, angeordnet. In der vorliegenden
Ausführungform wird
der Druck des Hochdruckwasserstoffgases an den beiden Druckreduzierventilen 418, 422 nämlich in
zwei Stufen reduziert, während
in der ersten Ausführungsform
der Wasserstoffgasdruck nur einmal reduziert wird. Das erste Druckreduzierventil 418 reduziert
den Druck des abgegebenen Wasserstoffgases im Besonderen von einem
Pegel im Bereich von etwa 20 MPa bis etwa 35 MPa auf einen Pegel
im Bereich von etwa 0,8 MPa bis etwa 1 MPa. Anschließend reduziert
das zweite Druckreduzierventil 422 den Druck des abgegebenen
Wasserstoffgases von einem Pegel im Bereich von etwa 0,8 MPa bis
etwa 1 MPa auf einen Pegel im Bereich von etwa 0,2 MPa bis etwa
0,3 MPa.
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Wenn
der Druck des Hochdruckwasserstoffgases durch das erste Druckreduzierventil 418 von einem
Pegel von etwa 20 MPa bis etwa 35 MPa auf den Pegel von etwa 0,8
MPa bis etwa 1 MPa reduziert wird, dehnt sich das Wasserstoffgas
rasch auf etwa das 50-fache aus (d. h. das Volumen des Wasserstoffgases
nimmt rasch zu), wobei die Temperatur des Wasserstoffgases rasch
abnimmmt. Wenn das Wasserstoffgas mit der niedrigeren Temperatur
der Brennstoffzelle 100 direkt zugeführt wird, sinkt auch die Temperatur
innerhalb der Brennstoffzelle 100, was in einer ungenügenden katalytischen
Aktivität
resultiert. In diesem Zustand ist die elektrochemische Reaktion
in der Brennstoffzelle 100 ineffizient, was eine Beeinträchtigung
des Energieerzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle 100 zur
Folge hat. In Anbetracht dieses Problems ist zwischen dem ersten
und zweiten Druckreduzierventil 418, 422 ein Wärmetauscher 420 angeordnet.
Der Wärmetauscher 420 hat die
Funktion, Wasserstoffgas, dessen Temperatur aufgrund einer Ausdehnung
rasch abgenommen hat, zu erhitzen, um dadurch die Brennstoffzelle 100 mit Wasserstoffgas
mit einer ausreichend hohen Temperatur zu versorgen. Der Wärmetauscher 420 wird
mit Kühlwasser,
welches durch die Brennstoffzelle 100 erhitzt wird, versorgt,
was aus 4 nicht ersichtlich ist, so
dass zwischen dem erwärmten
Kühlwasser und
dem abgekühlten
Wasserstoffgas im Wärmetauscher 420 ein
Wärmeaustausch
stattfindet. Wasserstoffgas, dessen Temperatur abgesenkt wurde,
passiert auf diese Weise den Wärmetauscher 420,
so dass der Brennstoffzelle 100 Wasserstoffgas zugeführt werden
kann, dessen Temperatur auf einen ausreichend hohen Pegel angehoben
wurde. Die Temperatur in der Brennstoffzelle 100 wird folglich
auf einen Pegel angehoben, der ausreichend hoch ist, um die vorstehend
erwähnte
elektrochemische Reaktionen zu fördern,
wodurch ein angemessener Energieerzeugungsbetrieb des Brennstoffzellensystems
ermöglicht
wird.
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Wie
aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, hat das durch die
Hauptstromleitung 401 strömende Wasserstoffgas eine relativ
niedrige Temperatur. Wenn das Wasserstoffgas mit der relativ niedrigen
Temperatur mit dem durch die Zirkulationsleitung 403 zur
Hauptstromleitung 401 zurückströmenden Wasserstoffabgas gemischt
wird, ist es wahrscheinlich, dass die im Wasserstoffabgas enthaltene
Feuchtigkeit kondensiert, was zu der Möglichkeit führt, dass der Brennstoffzelle 100 Wasserstoffgas
in Form eines Gas-Flüssigkeit-Gemisches zugeführt wird.
Um diese Möglichkeit
auszuschließen,
ist die vorliegende Ausführungsform
mit einem Gas-Flüssigkeit-Separator 424 versehen,
der in einem zwischen dem Einlass der Brennstoffzelle 100 und
der Verbindungsstelle der Hauptstromleitung 401 mit der
Zirkulationsleitung 403 liegenden Abschnitt der Hauptstromleitung 401 angeordnet
ist. Der Gas-Flüssigkeit-Separator 424 hat
die Funktion, die im gemischten Wasserstoffgas enthaltene Feuchtigkeit
in eine flüssige
Komponente und eine gasförmige
Komponente (d. h. Wasserdampf) zu trennen. Der Gas-Flüssigkeit-Separator 424 entfernt
die flüssige
Komponente der Feuchtigkeit und führt der Brennstoffzelle 100 nur
die gasförmige
Komponente (d. h. Wasserdampf) zusammen mit anderen Gaskomponenten
im Wasserstoffgas zu. Mit dieser Ausgestaltung ist die Möglichkeit
eines Ausfalls oder Problems im Energieerzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle 100 aufgrund
der flüssigen
Komponente der im Wasserstoffgas enthaltenen Feuchtigkeit nicht
gegeben.
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Während vorstehend
die Strömung
des Wasserstoffgases während
des normalen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems beschrieben wurde,
wird nun die Wasserstoffgasströmung
während
eines Inbetriebnahmezustands des Brennstoffzellensystems beschrieben.
-
Wenn
der Betrieb des Brennstoffzellensystems beendet wird, dringen Verunreinigungen,
wie z. B. Stickstoff, von der Seite der Sauerstoffelektrode durch
die Elektrolytschicht innerhalb der Brennstoffzelle 100 zur
Seite der Wasserstoffelektrode durch und breiten sich an der Seite
der Wasserstoffelektrode der Brennstoffzelle 100 aus. Folglich
sind die Verunreinigungen, wie z. B. Stickstoff, nicht nur in den Oxidationsgaskanälen sondern
auch in den Wasserstoffgaskanälen
in der Brennstoffzelle 100 enthalten. Bei der Inbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems ist es daher notwendig, die Brennstoffzelle 100 dadurch,
dass die Verunreinigungen aus den Wasserstoffgaskanälen entfernt
und diese Kanäle
mit Wasserstoffgas gefüllt
werden, in die Lage zu versetzen, innerhalb eines kurzen Zeitraums
einen angemessenen Energieerzeugungsbetrieb auszuführen.
-
Die
in den Wasserstoffgaskanälen
existierenden Verunreinigungen lassen sich bei einer Inbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems durch beispielsweise Einströmenlassen
eines Spülgases,
z. B. eines Inertgases, in die Wasserstoffgaskanäle entfernen, wodurch die Verunreinigungen
aus den Kanälen verdrängt werden.
Jedoch erfordert dieses Verfahren zur Beseitigung der Verunreinigungen
den Einbau eines Inertgasbehälters
am Fahrzeug zum Bereitstellen des Spülgases, was in einer unerwünschten
Zunahme des erforderlichen Raums und des Gewichts des Brennstoffzellensystems
resultiert.
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In
Anbetracht dieses Problems kann auch auch in Erwägung gezogen werden, Wasserstoffgas direkt
in die Wasserstoffgaskanäle
einzuleiten, um die Verunreinigungen aus den Kanälen zu verdrängen. Bei
diesem Verfahren dauert es jedoch lange, bis das Wasserstoffgas
die Verunreinigungen aus den Wasserstoffgaskanälen verdängt hat und die Ausgangspannung
der Brennstoffzelle einen gewünschten
Pegel erreicht. Wenn das aus der Brennstoffzelle abgegebene Wasserstoffgas
für einen
derart langen Zeitraum zur Beseitigung der Verunreinigungen abgesondert
oder an die Atmosphäre
abgegeben wird, kann das an die Atmophäre abgegebene Gas eine hohe
Konzentration von Wasserstoff enthalten, was zu einem umwelttechnischen
Problem führen
kann.
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In
Anbetracht der vorstehend beschriebenen Situation wird bei einer
Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Ausführungsform
das Wasserstoffgas wie vorstehend beschrieben in die Wasserstoffgaskanäle eingeleitet
und die Pumpe 410 zum Zweck einer Zirkulation des Wasserstoffgases
angetrieben oder betätigt,
um eine erzwungene Wasserstoffgasströmung im Wasserstoffgasströmungssytem
zu bewirken. Somit werden die in den Wasserstoffgaskanälen in der
Brennstoffzelle 100 vorhandenen Verunreinigungen mit dem
in die Kanäle
strömenden
Wasserstoffgas gleichmäßig gemischt.
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5 zeigt
das Ablaufschema, das ein Beispiel für eine Steuerungsroutine veranschaulicht,
die die Steuerung 50 bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems
der vorliegenden Ausführungsform ausführt.
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Bei
einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems führt die
Steuerung 50 den in 5 gezeigten
Schritt S202 aus, um das Absperrventil 302 des Hochdruckwasserstoffgasbehälters 300 und
die Absperrventile 102 und 104 des Brennstoffzellensystems 100 zu öffnen, wobei
die Ventile 302, 102, 104 geschlossen
waren. In diesem Zustand wird vom Hochdruckwasserstoffgasbehälter Wasserstoffgas freigegeben.
Das abgegebene Wasserstoffgas wird daraufhin der Hauptstromleitung 401 zugeführt. Anschließend fährt die
Steuerung 50 mit dem Schritt S204 fort, um die Pumpe 410 mit
ihrer normalen Geschwindigkeit anzutreiben, um dadurch eine erzwungene
Wasserstoffgasströmung
durch die Zirkulationsleitung 403 zu bewirken. Diese erzwungene
Wasserstoffgasströmung
dient dazu, die in den Wasserstoffgaskanälen der Brennstoffzelle 100 vorhandenden
Verunreinigungen in Bewegung zu setzen, und die Verunreinigungen
und das Wasserstoffgas zirkulieren zu lassen, um sie innerhalb einer
kurzen Zeitspanne homogen miteinander zu vermischen.
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Wenn
die in den Wasserstoffgaskanälen
vorhandenden Verunreinigungen beispielsweise Atmosphärendruck
(0,1 MPa) aufweisen, wird Wasserstoffgas, dessen Druck auf 2 atm
(0,2 MPa) reduziert wurde, dazu veranlasst, durch die Wasserstoffgaskanäle zu strömen. Bei
den auf diese Weise gesteuerten Drücken enthält das aus der Brennstoffzelle 100 abgegebene
resultierende Gas etwa 50% Verunreinigungen und etwa 50% Wasserstoffgas.
Das somit abgegebene Gas zirkuliert durch das Wasserstoffgasströmungssystem,
wobei es aufgewirbelt wird, so dass die Verunreinigungen gleichmäßig im Wasserstoffgas
verteilt werden.
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Mit
den Verunreinigungen und dem Wasserstoffgas, die in der vorstehend
beschriebenen Art und Weise homogenisiert wurden, wird den Wasserstoffelektroden
in der Brennstoffzelle 100 jeweils die gleiche Menge Wasserstoff
zugeführt,
wodurch sich die Spannung zwischen Anschlüssen der Brennstoffzelle 100 unmittelbar
auf einen vorgegebenen Pegel anheben lässt. Die Steuerung 50 fährt dann
mit dem Schritt S206 fort, um den Anstieg der Spannung zwischen
den Anschlüssen
der Brennstoffzelle 100 basierend auf einem Ausgangssignal,
das von einem (nicht gezeigten) Spannungssensor erhalten wird, zu erfassen.
Wenn die Steuerung 50 den Anstieg der Spannung zwischen
den Anschlüssen
erfasst, wird bestimmt, dass die Brenn stoffzelle 100 zur
Energieerzeugung bereit ist, und im Schritt S208 wird eine (nicht
gezeigte) Last an die Brennstoffzelle 100 angelegt. Anschließend fährt die
Steuerung 50 mit dem Schritt S210 fort, um das Absperrventil 414 zu öffnen, um
dadurch das zirkulierende Wasserstoffgas (d.h. das homogene Gemisch
aus Verunreinigungen und Wasserstoffgas) nach und nach abzugeben.
Da das Wasserstoffgas aus dem Hochdruckwasserstoffgasbehälter 300 der
Hauptstromleitung 401 kontinuierlich zugeführt wird,
nimmt die Wasserstoffkonzentration des zirkulierenden Wasserstoffgases
nach und nach zu.
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Wenn
die Steuerung 50 im Schritt S212 bestimmt, dass eine vorgegebene
Zeit nach dem Öffnen
des Absperrventil 414 vergangen ist, wird das Absperrventil 414 im
Schritt S214 in der Annahme, dass die in den Wasserstoffgaskanälen vorhandenen Verunreinigungen
bis zu einem gewissen Grad beseitigt wurden und die Wasserstoffkonzentration
des zirkulierenden Wasserstoffgases auf einen ausreichend hohen
Pegel angestiegen ist, geschlossen. Anschließend wird das Brennstoffzellensystem
in den normalen Betriebszustand geschaltet.
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Bei
einer Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems der vorliegenden
Ausführungsform
wird Wasserstoffgas in die Wasserstoffgaskanäle der Brennstoffzelle 100 eingeleitet
und die Pumpe 410 angetrieben, um das Wasserstoffgas wie
vorstehend beschrieben in Zwangszirkulation zu versetzen, wodurch
ermöglicht
wird, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle innerhalb eines
kurzen Zeitraums auf den gewünschten
Pegel angehoben wird. Das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform
erfordert des weiteren kein Spülgas,
wodurch auch kein Bedarf nach einem Gasbehälter zum Bereitstellen von
Spülgas
besteht, was in einer Verminderung des erforderlichen Volumens und
Gewichts des Brennstoffzellensystems resultiert. Das Brennstoffzellensystem
der vorliegenden Ausführungsform
gibt ferner kein Wasserstoffgas mit einer hohen Wasserstoffgaskonzentration
frei, womit ein hoher Grad an Sicherheit gewährleistet ist.
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Das
in der Ablaufleitung 407 angeordnete Absperrventil 414 und
das in der Entlastungsleitung 409 angeordnete Entlastungsventil 416 sind
identisch mit jenen in der ersten Ausführungsform, so dass eine Erläuterung
dieser Ventile unterbleibt.
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Abgewandelte Beispiele
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Einzelheiten
der dargestellten Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern unter verschiedenen Änderun gen, Abwandlungen oder
Verbesserungen in anderer Art ausgeführt werden kann, ohne den Schutzbereich
der Erfindung zu verlassen.
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In
der veranschaulichten ersten und zweiten Ausführungsform ist der Gas-Flüssigkeits-Separator 406 in
der Zirkulationsleitung 403 angeordnet. Diese Anordnung
kann auf ein Brennstoffzellensystem angewandt werden, das anstelle
des Behälters 200 mit der
Wasserstoffgas absorbierenden Legierung oder des Hochdruckwasserstoffgasbehälters 300 als
Wasserstoffgasversorgung einen Reformer zum Umwandeln eines Rohbrennstoffs
verwendet, um Wasserstoffgas zu erzeugen.
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Im
Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform ist der Gas-Flüssigkeits-Separator 424 in
der Hauptstromleitung 401 angeordnet. Diese Anordnung ist
geichermaßen
anwendbar für
das Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform und für das Brennstoffzellensystem,
das als Wasserstoffgasversorgung einen Refomer aufweist.
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Im
Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform ist zwischen den
Druckreduzierventilen 418, 422 der Wärmetauscher 420 angeordnet.
Der Wärmetauscher 420 kann
stromabwärts
des Druckreduzierventils 422 angeordnet werden. Da das
Brennstoffzellensystem der ersten Ausführungsform das Druckreduzierventil 404 verwendet,
kann bei Bedarf ein geeigneter Wärmetauscher
stromabwärts
des Druckreduzierventils 404 angeordnet werden.
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Im
Brennstoffzellensystem der zweiten Ausführungsform wird der Betrieb
des Brennstoffzellensystems bei dessen Inbetriebnahme nach der in 5 gezeigten
Steuerungsroutine gesteuert. Dieselbe Steuerungsroutine kann zur
Steuerung des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform
und des Brennstoffzellensystems, in dem als Wasserstoffgasversorgung
ein Reformer verwendet wird, angewendet werden. In dem Fall, in
dem die Steuerung nach der Routine von 5 am Brennstoffzellensystem
der ersten Ausführungsform
ausgeführt
wird, während
sich das System in einem Niedertemperaturinbetriebnahmezustand befindet, wird
zunächst
die Pumpe 410 angetrieben, um das Wasserstoffgas aus dem
Behälter 200 mit
der Wasserstoffgas absorbierenden Legierung anzusaugen. Anschließend werden
die geöffneten/geschlossenen Stellungen
der Absperrventile 402, 408, 412 geschaltet
oder umgeschaltet, und die Pumpe 410 wird angetrieben,
um die in den Wasserstoffgaskanälen
verbliebenen Verunreinigungen zusammen mit dem aus dem Behälter 200 angesaugten
Wasserstoffgas in Zirkulation zu versetzen, so dass sich die Verunreinigungen
im Wasserstoffgas homogen ausbreiten oder verteilen.