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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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HINTERGRUND
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Eine Brennstoffzelle (BZ) ist eine Stromerzeugungsvorrichtung, die elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Brenngas (z. B. Wasserstoff) und Oxidationsgas (z. B. Sauerstoff) in einer einzelnen Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel (im Folgenden einfach als „Stapel“ bezeichnet) erzeugt, der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten (im Folgenden als „Zelle“ bezeichnet) besteht. In vielen Fällen sind das Brenngas und das Oxidationsgas, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, Gemische mit Gasen, die nicht zur Oxidation und Reduktion beitragen. Insbesondere ist das Oxidationsgas oft sauerstoffhaltige Luft.
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Im Folgenden werden Brenngas und Oxidationsgas zusammenfassend und einfach als „Reaktionsgas“ oder „Gas“ bezeichnet. Auch können eine einzelne Brennstoffzelleneinheit und ein Brennstoffzellenstapel, der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten besteht, zusammen als „Brennstoffzelle“ bezeichnet werden.
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Im Allgemeinen umfasst die Brennstoffzelleneinheit eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA).
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Die Membran-Elektroden-Anordnung ist so aufgebaut, dass eine Katalysatorschicht und eine Gasdiffusionsschicht (oder GDL, im Folgenden einfach als „Diffusionsschicht“ bezeichnet) nacheinander auf beiden Oberflächen einer Festpolymerelektrolytmembran (im Folgenden einfach als „Elektrolytmembran“ bezeichnet) ausgebildet sind. Dementsprechend kann die Membran-Elektroden-Anordnung als „Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung“ (MEGA) bezeichnet werden.
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Je nach Bedarf umfasst die Brennstoffzelleneinheit zwei Separatoren, die beide Seiten der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung sandwichartig umfassen. Im Allgemeinen sind die Separatoren so aufgebaut, dass auf einer Oberfläche, die in Kontakt mit der Gasdiffusionsschicht steht, eine Nut als Reaktionsgasströmungsweg gebildet ist. Die Separatoren sind elektronisch leitfähig und fungieren als Kollektor für die erzeugte Elektrizität.
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In der Brennstoffelektrode (Anode) der Brennstoffzelle wird Wasserstoff (H2) als Brenngas, das von dem Gasströmungsweg und der Gasdiffusionsschicht zugeführt wird, durch die katalytische Wirkung der Katalysatorschicht protoniert, und der protonierte Wasserstoff gelangt durch die Elektrolytmembran zur Oxidationselektrode (Kathode). Gleichzeitig wird ein Elektron erzeugt, das durch einen externen Stromkreis strömt, Arbeit verrichtet und dann zur Kathode gelangt. Der Sauerstoff (O2), der der Kathode als Oxidationsgas zugeführt wird, reagiert mit Protonen und Elektronen in der Katalysatorschicht der Kathode und erzeugt dabei Wasser. Das erzeugte Wasser gibt eine angemessene Feuchtigkeit an die Elektrolytmembran ab, und überschüssiges Wasser dringt in die Gasdiffusionsschicht ein und wird dann nach außen abgeleitet.
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Es wurden verschiedene Studien zu Brennstoffzellensystemen durchgeführt, die für den Einbau und die Verwendung in Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (im Folgenden als „Fahrzeug“ bezeichnet) ausgelegt sind. Eine Festpolymerelektrolytmembran arbeitet im Allgemeinen bei einer Betriebstemperatur von etwa 80°C. Dementsprechend ist es erwünscht, dass während des normalen Betriebs die in der Brennstoffzelle selbst erzeugte Reaktionswärme über eine Kühlflüssigkeit nach außen abgegeben wird, um die Betriebstemperatur aufrechtzuerhalten, und dass die Kühlflüssigkeit zum Zeitpunkt des Niedertemperaturanlaufs schnell auf die Betriebstemperatur erwärmt wird.
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In der Patentliteratur 1 wird beispielsweise folgende Technik beschrieben: Ein Ein-Aus-Ventil ist zwischen einem Kühler und einem Reservetank angeordnet; wenn die Stapeltemperatur nicht hoch ist, wird das Ventil geschlossen, um Kühlwasser mit niedriger Temperatur im Reservetank zu halten; und wenn die Stapeltemperatur steigt, wird das Ventil geöffnet, um das Kühlwasser mit niedriger Temperatur im Reservetank zur Kühlung des Stapels zu verwenden.
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Patentliteratur 2 offenbart ein Brennstoffzellensystem zur Verringerung des Abbaus einer Frostschutzlösung zur Kühlung eines Brennstoffzellenkörpers und zur Verringerung der Strahlungsbelastung eines Kühlers.
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Patentschrift 3 offenbart ein Kühlsystem, das in einem mit einer Brennstoffzelle und einem Fahrzeugsteuersystem ausgestatteten Fahrzeug die Temperatur der Brennstoffzelle auf Umgebungsniveau abkühlt, wenn die Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und dem Lastkreis des Fahrzeugs durch einen Abschaltbefehl des Fahrzeugsteuersystems des Fahrzeugs unterbrochen wird.
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- Patentliteratur 1: Japanische Patentanmeldung JP 2017 - 054 648 A
- Patentliteratur 2: Japanische Patentanmeldung 2004 - 039 560 A
- Patentliteratur 3: Japanische Patentanmeldung 2014 - 197 543 A
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Der Aufbau und die Steuerung des Kühlkreislaufs der Patentliteratur 1 kann sich an eine schnelle Abkühlung anpassen; es besteht jedoch die Möglichkeit, dass er sich nicht an eine schnelle Erwärmung bei niedrigen Temperaturen anpassen kann. Für eine schnelle Erwärmung bei niedrigen Temperaturen ist es notwendig, die Wärmekapazität des Kühlsystems zu verringern, d. h. das Volumen des Kühlsystems zu reduzieren. In der Patentliteratur 1 gibt es einen Bypass-Weg, der den Kühler umgeht, und es besteht die Möglichkeit, dass das Volumen des Kühlsystems nur durch Verwendung des Bypass-Wegs bei niedrigen Temperaturen reduziert werden kann. Allerdings bilden der Bypass-Weg und ein Weg, der vom Bypass-Weg zum Reservetank führt, einen Parallelkreislauf, und es ist sehr wahrscheinlich, dass das Kühlwasser auch zum Reservetank strömt. Dementsprechend wird das Volumen des Kühlsystems groß und kann ein schnelles Aufheizen behindern.
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KURZFASSUNG
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In Anbetracht der oben genannten Umstände wurden die beschriebenen Ausführungsformen entwickelt. Eine Aufgabe der offenbarten Ausführungsformen ist es, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das so konfiguriert ist, dass es sowohl eine schnelle Kühlung der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen als auch eine schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Systemstarts erreicht.
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In einer ersten Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das eine Brennstoffzelle, einen Kühler, ein Thermometer, einen Reservetank, einen ersten Strömungsweg (eine stromaufwärts gelegene Leitung), einen zweiten Strömungsweg (eine stromabwärts gelegene Leitung), ein Dreiwegeventil, einen dritten Strömungsweg (eine Bypass-Leitung), eine Kältemittelzirkulationspumpe, einen vierten Strömungsweg (eine Leitung a), einen fünften Strömungsweg (eine Leitung c) und einen Controller umfasst,
wobei der Kühler die Temperatur eines Kältemittels zur Kühlung der Brennstoffzelle senkt;
wobei das Thermometer die Temperatur des Kältemittels misst;
wobei der Reservetank das Kältemittel speichert;
wobei der erste Strömungsweg (die stromaufwärts gelegene Leitung) das Strömen des Kältemittels von der Brennstoffzelle zu dem Kühler ermöglicht,
wobei der zweite Strömungsweg (die stromabwärts gelegene Leitung) das Strömen des Kältemittels vom Kühler zur Brennstoffzelle ermöglicht,
wobei das Dreiwegeventil in dem ersten Strömungsweg angeordnet ist und den ersten Strömungsweg verzweigt;
wobei der dritte Strömungsweg (die Bypass-Leitung) das Strömen des Kältemittels von dem Dreiwegeventil zu dem zweiten Strömungsweg unter Umgehung des Kühlers ermöglicht;
wobei die Kältemittelzirkulationspumpe stromabwärts von einer Verbindungsstelle des zweiten Strömungswegs mit dem dritten Strömungsweg angeordnet ist;
wobei der vierte Strömungsweg (die Leitung a) das Strömen des Kältemittels vom ersten oder dritten Strömungsweg zum Reservetank ermöglicht;
wobei der fünfte Strömungsweg (die Leitung c) das Strömen des Kältemittels von dem Reservetank zu dem zweiten Strömungsweg ermöglicht, oder das Strömen des Kältemittels von dem Reservetank zu einer stromabwärts gelegenen Position von einem Verzweigungspunkt des dritten Strömungswegs zu dem vierten Strömungsweg ermöglicht;
wobei zumindest ein Strömungsweg, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem vierten Strömungsweg und dem fünften Strömungsweg besteht, ein erstes Ventil enthält;
wobei der Controller durch Steuern des Dreiwegeventils auf eines der folgenden Zirkulationssysteme umschaltet: Kühlerzirkulation, bei der das Kältemittel durch den ersten Strömungsweg zum Kühler strömt, und Drittströmungswegzirkulation, bei der das Kältemittel den Kühler umgeht und durch den dritten Strömungsweg zum zweiten Strömungsweg strömt;
wobei, wenn die Temperatur des Kältemittels gleich oder niedriger als ein Niedrigtemperaturschwellenwert ist, der Controller von der Kühlerzirkulation auf die Drittströmungswegzirkulation umschaltet und das erste Ventil schließt; und
wobei, wenn die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als ein Hochtemperaturschwellenwert wird, der Controller das erste Ventil öffnet und das Kältemittel durch den Reservetank zirkulieren lässt.
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Der vierte Strömungsweg kann das erste Ventil umfassen.
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Das Brennstoffzellensystem kann einen sechsten Strömungsweg (eine Leitung b) umfassen, durch den das Kältemittel von einem Einlass oder Auslass des Kühlers zu dem Reservetank strömt.
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Der sechste Strömungsweg (die Leitung b) kann ein zweites Ventil umfassen; wenn die Temperatur des Kältemittels gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert ist, kann der Controller von der Kühlerzirkulation auf die Drittströmungswegzirkulation umschalten und das erste Ventil und das zweite Ventil schließen; und wenn die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als der Hochtemperaturschwellenwert wird, kann der Controller das erste Ventil und das zweite Ventil öffnen und das Kältemittel durch den Reservetank zirkulieren lassen.
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Gemäß dem Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen kann sowohl eine schnelle Kühlung der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen als auch eine schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Systemstarts erreicht werden.
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Figurenliste
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In den beigefügten Zeichnungen zeigt:
- 1 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen;
- 2 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines anderen Beispiels des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen;
- 3 ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines anderen Beispiels des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen;
- 4 ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Steuerung des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen darstellt; und
- 5 ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel für die Steuerung des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen ist ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle, einen Kühler, ein Thermometer, einen Reservetank, einen ersten Strömungsweg (eine stromaufwärts gelegene Leitung), einen zweiten Strömungsweg (eine stromabwärts gelegene Leitung), ein Dreiwegeventil, einen dritten Strömungsweg (eine Bypass-Leitung), eine Kältemittelzirkulationspumpe, einen vierten Strömungsweg (ein Leitung a), einen fünften Strömungsweg (ein Leitung c) und einen Controller umfasst,
wobei der Kühler die Temperatur eines Kältemittels zur Kühlung der Brennstoffzelle senkt;
wobei das Thermometer die Temperatur des Kältemittels misst;
wobei der Reservetank das Kältemittel speichert;
wobei der erste Strömungsweg (die stromaufwärts gelegene Leitung) das Strömen des Kältemittels von der Brennstoffzelle zu dem Kühler ermöglicht,
wobei der zweite Strömungsweg (die stromabwärts gelegene Leitung) das Strömen des Kältemittels vom Kühler zur Brennstoffzelle ermöglicht,
wobei das Dreiwegeventil in dem ersten Strömungsweg angeordnet ist und den ersten Strömungsweg verzweigt;
wobei der dritte Strömungsweg (die Bypass-Leitung) das Strömen des Kältemittels von dem Dreiwegeventil zu dem zweiten Strömungsweg unter Umgehung des Kühlers ermöglicht;
wobei die Kältemittelzirkulationspumpe stromabwärts von einer Verbindungsstelle des zweiten Strömungswegs mit dem dritten Strömungsweg angeordnet ist;
wobei der vierte Strömungsweg (die Leitung a) das Strömen des Kältemittels vom ersten oder dritten Strömungsweg zum Reservetank ermöglicht;
wobei der fünfte Strömungsweg (die Leitung c) das Strömen des Kältemittels von dem Reservetank zu dem zweiten Strömungsweg ermöglicht, oder das Strömen des Kältemittels von dem Reservetank zu einer stromabwärts gelegenen Position von einem Verzweigungspunkt des dritten Strömungswegs zu dem vierten Strömungsweg ermöglicht;
wobei zumindest ein Strömungsweg, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem vierten Strömungsweg und dem fünften Strömungsweg besteht, ein erstes Ventil enthält;
wobei der Controller durch Steuern des Dreiwegeventils auf eines der folgenden Zirkulationssysteme umschaltet: Kühlerzirkulation, bei der das Kältemittel durch den ersten Strömungsweg zum Kühler strömt, und Drittströmungswegzirkulation, bei der das Kältemittel den Kühler umgeht und durch den dritten Strömungsweg zum zweiten Strömungsweg strömt;
wobei, wenn die Temperatur des Kältemittels gleich oder niedriger als ein Niedrigtemperaturschwellenwert ist, der Controller von der Kühlerzirkulation auf die Drittströmungswegzirkulation umschaltet und das erste Ventil schließt; und
wobei, wenn die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als ein Hochtemperaturschwellenwert wird, der Controller das erste Ventil öffnet und das Kältemittel durch den Reservetank zirkulieren lässt.
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Da in der Patentliteratur 1 der Druckverlust in dem Abschnitt zwischen dem „Verbindungspunkt der Leitung, die vom Bypass-Kreislauf zum Reservetank führt“ und dem „Verbindungspunkt der Leitung, die vom Reservetank zum Einlass der Pumpe führt“, äußerst gering ist, strömt kein Wasser mit einer Durchflussmenge bzw. einem Volumenstrom, die/der eine Entlüftung ermöglicht, in den Reservetank. Ein Ausfall der Entlüftung führt zu einer Verringerung der geförderten Wassermenge, die auf Luftansammlungen in der Pumpe zurückzuführen ist, und damit zu einer Verringerung der Kühlleistung. Wird eine Druckverlusteinheit in dem oben genannten Abschnitt angeordnet, um dies zu vermeiden, erhöht sich der Gesamtdruckverlust. Dementsprechend ist es notwendig, die Pumpenleistung zu erhöhen.
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Da die Verbindungsleitung zwischen dem Kühler und dem Reservetank außer im Hochtemperaturbetrieb durch das Ventil verschlossen ist, ist eine Entlüftung des Kühlerkreislaufs außer im Hochtemperaturbetrieb nicht möglich.
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Beim Starten bzw. Anfahren bei Minusgraden verlängert sich die Aufwärmzeit, weil das durch den Bypass-Kreislauf strömende Kühlwasser das abgekühlte Kühlwasser im Reservetank in den Kreislauf drückt.
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Mit dem Brennstoffzellensystem der beschriebenen Ausführungsformen kann sowohl eine schnelle Abkühlung der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen als auch eine schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Systemstarts erreicht werden.
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In den offenbarten Ausführungsformen werden das Brenngas und das Oxidationsgas gemeinsam als „Reaktionsgas“ bezeichnet. Das der Anode zugeführte Reaktionsgas ist das Brenngas, und das der Kathode zugeführte Reaktionsgas ist das Oxidationsgas. Das Brenngas ist ein Gas, das hauptsächlich Wasserstoff enthält, und kann Wasserstoff sein. Das Oxidationsgas kann Sauerstoff, Luft, trockene Luft oder ähnliches sein.
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Im Allgemeinen wird das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen in einem Fahrzeug installiert und verwendet, das einen Motor als Antriebsquelle enthält.
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Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen kann in ein Fahrzeug eingebaut und verwendet werden, das mit der Energie einer Sekundärzelle betrieben werden kann.
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Der Motor ist nicht besonders beschränkt und kann ein herkömmlicher Antriebsmotor sein.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug handeln.
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Das Fahrzeug kann das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen umfassen.
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Das Brennstoffzellensystem der offenbarten Ausführungsformen umfasst die Brennstoffzelle.
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Die Brennstoffzelle kann eine Brennstoffzelle sein, die aus nur einer Brennstoffzelleneinheit besteht, oder sie kann ein Brennstoffzellenstapel sein, der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten besteht.
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Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzelleneinheiten ist nicht besonders begrenzt. Beispielsweise können 2 bis mehrere hundert Brennstoffzelleneinheiten gestapelt werden, oder 2 bis 200 Brennstoffzelleneinheiten können gestapelt werden.
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Der Brennstoffzellenstapel kann eine Endplatte an beiden in Stapelrichtung befindlichen Enden jeder Brennstoffzelleneinheit aufweisen.
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Jede Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung.
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Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung umfasst eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine anodenseitige Katalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine kathodenseitige Katalysatorschicht und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
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Die Kathode (Oxidationselektrode) umfasst die kathodenseitige Katalysatorschicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht.
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Die Anode (Brennstoffelektrode) umfasst die anodenseitige Katalysatorschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht.
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Die kathodenseitige Katalysatorschicht und die anodenseitige Katalysatorschicht werden zusammen als „Katalysatorschicht“ bezeichnet. Beispiele für den Anodenkatalysator und Kathodenkatalysator umfassen Platin (Pt) und Ruthenium (Ru), sind aber hierauf nicht beschränkt. Beispiele für das Katalysatorträgermaterial und ein leitfähiges Material umfassen ein Kohlenstoffmaterial wie Kohlenstoff, sind aber hierauf nicht beschränkt.
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Die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht werden zusammen als „Gasdiffusionsschicht“ bezeichnet.
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Die Gasdiffusionsschicht kann ein gasdurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein.
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Beispiele für das elektrisch leitende Element umfassen ein poröses Kohlenstoffmaterial wie Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier und ein poröses Metallmaterial wie Metallgewebe und Metallschaum, sind aber hierauf nicht beschränkt.
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Die Elektrolytmembran kann eine Festpolymerelektrolytmembran sein. Beispiele für Festpolymerelektrolytmembranen umfassen eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluorelektrolytmembran wie eine dünne, feuchtigkeitshaltige Perfluorsulfonsäuremembran, sind aber hierauf nicht beschränkt. Die Elektrolytmembran kann z. B. eine Nafion-Membran (hergestellt von DuPont Co., Ltd.) sein.
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Je nach Bedarf kann jede Brennstoffzelleneinheit zwei Separatoren enthalten, die beide Seiten der Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung sandwichartig umgeben. Einer der beiden Separatoren ist ein anodenseitiger Separator, der andere ein kathodenseitiger Separator. In den dargestellten Ausführungsformen werden der anodenseitige Separator und der kathodenseitige Separator zusammen als „Separator“ bezeichnet.
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Der Separator kann Zufuhr- und Auslassöffnungen aufweisen, durch die das Reaktionsgas und das Kältemittel in Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten strömen können. Als Kältemittel kann z. B. eine gemischte Lösung aus Ethylenglykol und Wasser verwendet werden, um ein Gefrieren bei niedrigen Temperaturen zu verhindern.
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Beispiele für die Zufuhröffnung umfassen eine Brenngaszufuhröffnung, eine Oxidationsgaszufuhröffnung und eine Kältemittelzufuhröffnung, sind aber hierauf nicht beschränkt.
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Beispiele für die Auslassöffnung umfassen eine Brenngasauslassöffnung, eine Oxidationsgasauslassöffnung und eine Kältemittelauslassöffnung, sind aber hierauf nicht beschränkt.
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Der Separator kann eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kältemittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kältemittelauslassöffnungen aufweisen.
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Der Separator kann einen Reaktionsgasströmungsweg auf einer mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche aufweisen. Außerdem kann der Separator auf der Oberfläche, die der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kältemittelströmungsweg aufweisen, um die Temperatur der Brennstoffzelle konstant zu halten.
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Wenn es sich bei dem Separator um den anodenseitigen Separator handelt, kann er eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kältemittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kältemittelauslassöffnungen umfassen. Der anodenseitige Separator kann auf der Oberfläche, die mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Brenngasströmungsweg aufweisen, der es dem Brenngas ermöglicht, von der Brenngaszufuhröffnung zur Brenngasauslassöffnung zu strömen. Der anodenseitige Separator kann auf der Oberfläche, die der mit der anodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kältemittelströmungsweg aufweisen, der es dem Kältemittel ermöglicht, von der Kältemittelzufuhröffnung zur Kältemittelauslassöffnung zu strömen.
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Wenn es sich bei dem Separator um den kathodenseitigen Separator handelt, kann er eine oder mehrere Brenngaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgaszufuhröffnungen, eine oder mehrere Kältemittelzufuhröffnungen, eine oder mehrere Brenngasauslassöffnungen, eine oder mehrere Oxidationsgasauslassöffnungen und eine oder mehrere Kältemittelauslassöffnungen umfassen. Der kathodenseitige Separator kann auf der Oberfläche, die mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Oxidationsgasströmungsweg aufweisen, der es dem Oxidationsgas ermöglicht, von der Oxidationsgaszufuhröffnung zur Oxidationsgasauslassöffnung zu strömen. Der kathodenseitige Separator kann auf der Oberfläche, die der mit der kathodenseitigen Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kältemittelströmungsweg aufweisen, der es dem Kältemittel ermöglicht, von der Kältemittelzufuhröffnung zur Kältemittelauslassöffnung zu strömen.
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Der Separator kann ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein. Beispiele für das elektrisch leitende Element umfassen gasundurchlässigen, dichten Kohlenstoff, der durch Kohlenstoffverdichtung gewonnen wird, und eine Metallplatte (wie eine Eisenplatte, eine Aluminiumplatte und eine Edelstahlplatte), die durch Pressformen gewonnen wird, sind aber hierauf nicht beschränkt. Der Separator kann als Sammler fungieren.
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Der Brennstoffzellenstapel kann einen Verteiler umfassen, z. B. einen Einlassverteiler, der zwischen den Zufuhröffnungen kommuniziert, und einen Auslassverteiler, der zwischen den Auslassöffnungen kommuniziert.
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Beispiele für den Einlassverteiler umfassen einen Anodeneinlassverteiler, einen Kathodeneinlassverteiler und einen Kältemitteleinlassverteiler, sind aber hierauf nicht beschränkt.
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Beispiele für den Auslassverteiler umfassen einen Anodenauslassverteiler, einen Kathodenauslassverteiler und einen Kältemittelauslassverteiler, sind aber hierauf nicht beschränkt.
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Als Kühlsystem der Brennstoffzelle umfasst das Brennstoffzellensystem den Kühler, das Thermometer, den Reservetank, den ersten Strömungsweg, den zweiten Strömungsweg, das Dreiwegeventil, den dritten Strömungsweg, die Kältemittelzirkulationspumpe, den vierten Strömungsweg, den fünften Strömungsweg und den Controller.
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Der Kühler senkt die Temperatur des Kältemittels zur Kühlung der Brennstoffzelle.
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Das Thermometer misst die Temperatur des Kältemittels.
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Das Thermometer ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Das Thermometer kann ein Messergebnis an den Controller senden, und der Controller kann die vom Thermometer gemessene Kältemitteltemperatur erkennen. Die Position zur Anordnung des Thermometers ist nicht besonders begrenzt, solange die Temperatur des Kältemittels gemessen werden kann. Um die Messgenauigkeit der Kältemitteltemperatur zu erhöhen, kann das Thermometer im ersten Strömungsweg angeordnet werden.
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Der Reservetank speichert das Kältemittel. Im Reservetank kann Luft gespeichert werden. Der Reservetank kann die Temperatur des Kältemittels auf einer niedrigen Temperatur halten.
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Der erste Strömungsweg (die stromaufwärts gelegene Leitung) verbindet den Kühler und den Kältemittelauslass der Brennstoffzelle, damit das Kältemittel von der Brennstoffzelle zum Kühler strömen kann.
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Der zweite Strömungsweg (die stromabwärts gelegene Leitung) verbindet den Kühler und den Kältemitteleinlass der Brennstoffzelle, damit das Kältemittel vom Kühler zur Brennstoffzelle strömen kann.
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Das Dreiwegeventil ist im ersten Strömungsweg angeordnet und verzweigt den ersten Strömungsweg.
Das Dreiwegeventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Das Öffnen und Schließen des Dreiwegeventils wird entsprechend einem Steuersignal vom Controller gesteuert.
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Durch das Steuern des Dreiwegeventils kann der Controller auf eines der folgenden Zirkulationssysteme umschalten: die Kühlerzirkulation, bei der das Kältemittel durch den ersten Strömungsweg zum Kühler strömt, und die Drittströmungswegzirkulation, bei der das Kältemittel den Kühler umgeht und durch den dritten Strömungsweg zum zweiten Strömungsweg strömt.
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Wenn die Kältemitteltemperatur gleich oder höher als der Hochtemperaturschwellenwert (z. B. 50°C) ist, kann der Controller das Dreiwegeventil auf die Kühlerzirkulation umschalten.
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Wenn die Kältemitteltemperatur gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert ist (z. B. 40°C), kann der Controller das Dreiwegeventil auf die Drittströmungswegzirkulation umschalten.
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Der dritte Strömungsweg (die Bypass-Leitung) verbindet den ersten Strömungsweg mit dem zweiten Strömungsweg und ermöglicht es dem Kältemittel, den Kühler zu umgehen und vom Dreiwegeventil zum zweiten Strömungsweg zu strömen.
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Der zweite Strömungsweg umfasst die Verbindungstelle mit dem dritten Strömungsweg.
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Die Kältemittelzirkulationspumpe ist stromabwärts von der Verbindungstelle des zweiten Strömungsweges mit dem dritten Strömungsweg angeordnet.
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Die Kältemittelzirkulationspumpe ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Antrieb der Kältemittelzirkulationspumpe wird entsprechend einem Steuersignal des Controllers gesteuert.
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Der vierte Strömungsweg (die Leitung a) verbindet den ersten oder dritten Strömungsweg mit dem Reservetank und ermöglicht das Strömen des Kältemittels vom ersten oder dritten Strömungsweg zum Reservetank.
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Der erste oder dritte Strömungsweg enthält den Verzweigungspunkt zum vierten Strömungsweg.
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Der Verzweigungspunkt des ersten Strömungswegs zum vierten Strömungsweg kann stromaufwärts vom Dreiwegeventil angeordnet sein, um ein schnelles Aufheizen zum Zeitpunkt des Systemstarts zu ermöglichen.
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Der fünfte Strömungsweg (die Leitung c) verbindet den Reservetank und den zweiten Strömungsweg, oder er verbindet den Reservetank mit einem Bereich stromabwärts vom Verzweigungspunkt des dritten Strömungswegs zum vierten Strömungsweg. Der fünfte Strömungsweg (die Leitung c) lässt das Kältemittel vom Reservetank zum zweiten Strömungsweg strömen, oder er lässt das Kältemittel vom Reservetank zu einer Position stromabwärts vom Verzweigungspunkt des dritten Strömungswegs zum vierten Strömungsweg strömen.
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Zumindest ein Strömungsweg, der aus der Gruppe bestehend aus dem vierten Strömungsweg und dem fünften Strömungsweg ausgewählt wird, enthält das erste Ventil. Um ein schnelles Abkühlen bei hohen Temperaturen und ein schnelles Aufheizen beim Anfahren des Systems zu ermöglichen, kann der vierte Strömungsweg das erste Ventil enthalten.
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Das erste Ventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Das Öffnen und Schließen des ersten Ventils wird in Abhängigkeit von einem Steuersignal des Controllers gesteuert. Durch Öffnen des ersten Ventils wird das Entlüften des dritten Strömungsweges und des Kühlers erleichtert, was eine schnelle Abkühlung bei hohen Temperaturen und eine schnelle Erwärmung zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Systems ermöglicht.
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Der Controller kann das erste Ventil öffnen, wenn die Kältemitteltemperatur gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert (z. B. 40°C) ist. Der Controller kann das erste Ventil öffnen, wenn das Dreiwegeventil auf die Drittströmungswegzirkulation umgeschaltet wird. Der Controller kann das erste Ventil öffnen, wenn die Kältemitteltemperatur gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert (z. B. 40°C) ist und wenn das Dreiwegeventil auf die Drittströmungswegzirkulation umgeschaltet wird.
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Das Brennstoffzellensystem kann den sechsten Strömungsweg (die Leitung b) unter dem Gesichtspunkt einschließen, eine schnelle Kühlung bei hohen Temperaturen zu ermöglichen. Der sechste Strömungsweg verbindet den Einlass oder den Auslass des Kühlers mit dem Reservetank und lässt das Kältemittel vom Einlass oder Auslass des Kühlers zum Reservetank strömen. Der sechste Strömungsweg ermöglicht das Strömen des Kältemittels vom Kühler zum Reservetank, wenn das Dreiwegeventil bei hohen Temperaturen auf die Kühlerzirkulation umgeschaltet wird und das Kältemittel auf dem Weg des ersten Strömungsweges - des Kühlers - des zweiten Strömungsweges zirkuliert.
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Der sechste Strömungsweg kann das zweite Ventil enthalten, um eine schnelle Abkühlung bei hohen Temperaturen zu ermöglichen.
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Das zweite Ventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Das Öffnen und Schließen des zweiten Ventils wird in Abhängigkeit von einem Steuersignal des Controllers gesteuert. Durch Öffnen des zweiten Ventils wird das Entlüften des Kühlers erleichtert, was eine schnelle Abkühlung bei hohen Temperaturen ermöglicht.
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Der Controller kann das zweite Ventil öffnen, wenn die Kältemitteltemperatur gleich oder höher als der Hochtemperaturschwellenwert (z. B. 50°C) ist. Der Controller kann das zweite Ventil öffnen, wenn das Dreiwegeventil auf die Kühlerzirkulation umgeschaltet wird. Der Controller kann das zweite Ventil öffnen, wenn die Kältemitteltemperatur gleich oder höher als der Hochtemperaturschwellenwert ist und wenn das Dreiwegeventil auf die Kühlerzirkulation umgeschaltet wird.
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Beispiele für das erste und das zweite Ventil sind unter anderem ein elektromagnetisches Ventil und ein Thermostatventil.
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Als Brenngassystem der Brennstoffzelle kann das Brennstoffzellensystem einen Brenngasversorger, einen Brenngaszufuhrströmungsweg und einen Brenngasabgasauslassströmungsweg umfassen.
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Beispiele für den Brenngasversorger umfassen einen Brennstofftank, wie einen Flüssigwasserstofftank oder einen Druckwasserstofftank, sind aber hierauf nicht beschränkt.
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Der Brenngasversorger ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Im Brenngasversorger kann das Ein- und Ausschalten der Brenngaszufuhr durch Steuern des Öffnens und Schließens des Hauptabsperrventils des Brenngasversorgers in Abhängigkeit von einem Steuersignal des Controllers geregelt werden.
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Der Brenngaszufuhrströmungsweg verbindet den Brenngaseinlass der Brennstoffzelle und den Brenngasversorger. Über den Brenngaszufuhrströmungsweg kann das Brenngas der Anode der Brennstoffzelle zugeführt werden. Bei dem Brenngaseinlass kann es sich um die Brenngaszufuhröffnung, den Anodeneinlassverteiler oder dergleichen handeln.
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Der Brenngasabgasauslassströmungsweg kann mit dem Brenngasauslass der Brennstoffzelle verbunden sein. Über den Brenngasabgasauslassströmungsweg wird das Brenngasabgas, d. h. das von der Anode der Brennstoffzelle abgegebene Brenngas, nach außen ausgetragen. Bei dem Brenngasauslass kann es sich um die Brenngasauslassöffnung, den Anodenauslassverteiler oder dergleichen handeln.
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Der Brenngasabgasauslassströmungsweg kann ein Brenngasabgasauslassventil (ein Entlüftungs- und Ablassventil) umfassen.
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Das Brenngasabgasauslassventil ermöglicht das Ablassen von Abgas, Wasser und dergleichen nach außen (aus dem System). Außen kann hierbei die Außenseite des Brennstoffzellensystems oder die Außenseite des Fahrzeugs bedeuten.
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Das Brenngasabgasauslassventil kann elektrisch mit dem Controller verbunden sein, und die Durchflussmenge des nach außen abgegebenen Brenngasabgases kann durch Steuern des Öffnens und Schließens des Brenngasabgasauslassventils durch den Controller gesteuert werden. Durch Steuern des Öffnungsgrads des Brenngasabgasauslassventil kann der Druck des der Anode zugeführten Brenngases (Anodendruck) gesteuert werden.
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Das Brenngasabgas kann Brenngas enthalten, das die Anode ohne Reaktion passiert hat, sowie das an der Kathode erzeugte und an die Anode gelieferte Wasser. In einigen Fällen umfasst das Brenngasabgas korrodierte Substanzen, die in der Katalysatorschicht, der Elektrolytmembran und dergleichen entstanden sind, sowie das Oxidationsgas, das der Anode während einer Spülung zugeführt werden kann.
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Als Oxidationsgassystem der Brennstoffzelle kann das Brennstoffzellensystem einen Oxidationsgasversorger, einen Oxidationsgaszufuhrströmungsweg und einen Oxidationsgasabgasauslassströmungsweg umfassen.
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Der Oxidationsgasversorger liefert das Oxidationsgas an die Brennstoffzelle. Genauer gesagt, liefert der Oxidationsgasversorger das Oxidationsgas an die Kathode der Brennstoffzelle.
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Als Oxidationsgasversorger kann z. B. ein Luftkompressor verwendet werden.
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Der Oxidationsgasversorger ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Oxidationsgasversorger wird entsprechend einem Steuersignal des Controllers gesteuert. Zumindest eines ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus der Durchflussmenge und dem Druck des vom Oxidationsgasversorger zur Kathode gelieferten Oxidationsgases können von dem Controller gesteuert werden.
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Der Oxidationsgaszufuhrströmungsweg verbindet den Oxidationsgasversorger und den Oxidationsgaseinlass der Brennstoffzelle. Der Oxidationsgaszufuhrströmungsweg ermöglicht die Zufuhr des Oxidationsgases vom Oxidationsgasversorger zur Kathode der Brennstoffzelle. Bei dem Oxidationsgaseinlass kann es sich um die Oxidationsgaszufuhröffnung, den Kathodeneinlassverteiler oder dergleichen handeln.
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Der Oxidationsgasabgasauslassströmungsweg ist mit dem Oxidationsgasauslass der Brennstoffzelle verbunden. Über den Oxidationsgasabgasauslassströmungsweg kann das Oxidationsgasabgas, das von der Kathode der Brennstoffzelle abgegeben wird, nach außen ausgetragen werden. Bei dem Oxidationsgasauslass kann es sich um die Oxidationsgasauslassöffnung, den Kathodenauslassverteiler oder dergleichen handeln.
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Der Oxidationsgasabgasauslassströmungsweg kann mit einem Oxidationsgasdruckregelventil versehen sein.
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Das Oxidationsgasdruckregelventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Durch Öffnen des Oxidationsgasdruckregelventils durch den Controller wird das Oxidationsgasabgas, bei dem es sich um das umgesetzte Oxidationsgas handelt, aus dem Oxidationsgasabgasauslassströmungsweg nach außen ausgetragen. Der Druck des der Kathode zugeführten Oxidationsgases (Kathodendruck) kann durch Steuern des Öffnungsgrads des Oxidationsgasdruckregelventils geregelt werden.
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Das Brennstoffzellensystem kann eine Sekundärzelle umfassen.
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Bei der Sekundärzelle (Batterie) kann es sich um eine beliebige aufladbare und entladbare Zelle handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Sekundärzelle um eine herkömmlich bekannte Sekundärzelle wie eine Nickel-Wasserstoff-Sekundärzelle und eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle handeln. Die Sekundärzelle kann ein Energiespeicherelement wie z. B. einen elektrischen Doppelschichtkondensator enthalten. Die Sekundärzelle kann so aufgebaut sein, dass eine Vielzahl von Sekundärzellen in Reihe geschaltet ist. Die Sekundärzelle versorgt den Motor, den Oxidationsgasversorger und dergleichen mit Strom. Die Sekundärzelle kann durch eine außerhalb des Fahrzeugs befindliche Stromquelle, z. B. eine Haushaltsstromversorgung, wieder aufladbar sein. Die Sekundärzelle kann durch die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle aufgeladen werden. Das Laden und Entladen der Sekundärzelle kann durch den Controller gesteuert werden.
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Der Controller umfasst eine Verarbeitungseinheit, wie z. B. eine Zentraleinheit (CPU), eine Speichervorrichtung, wie z. B. einen Festwertspeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM), und eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle. Das ROM wird zum Speichern eines Steuerprogramms, von Steuerdaten usw. verwendet, die von der CPU verarbeitet werden sollen, und das RAM wird hauptsächlich als verschiedene Arbeitsbereiche für die Steuerungsverarbeitung verwendet. Der Controller kann ein Controller wie eine elektronische Steuereinheit (ECU) sein.
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Der Controller kann elektrisch mit einem Zündschalter verbunden sein, der im Fahrzeug installiert sein kann. Der Controller kann durch eine externe Stromquelle betrieben werden, auch wenn der Zündschalter ausgeschaltet ist.
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Wenn die Temperatur des Kältemittels gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert ist, stoppt der Controller durch das Dreiwegeventil den Fluss des Kältemittels vom ersten Strömungsweg zum Kühler, verbindet den ersten Strömungsweg und den dritten Strömungsweg, schließt das erste Ventil und lässt das Kältemittel durch die Brennstoffzelle, den ersten Strömungsweg, den dritten Strömungsweg und den zweiten Strömungsweg zirkulieren.
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Wenn die Temperatur des Kältemittels den Hochtemperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet, öffnet der Controller das erste Ventil und lässt das Kältemittel durch den Reservetank strömen.
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Der Niedrigtemperaturschwellenwert kann eine niedrigere Temperatur als der Hochtemperaturschwellenwert sein. Der Niedrigtemperaturschwellenwert kann z. B. 40°C oder weniger, 20°C oder weniger, 10°C oder weniger oder 0°C oder weniger betragen.
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Der Hochtemperaturschwellenwert kann eine höhere Temperatur als der Niedrigtemperaturschwellenwert sein. Zum Beispiel kann der Hochtemperaturschwellenwert 10°C oder mehr, 20°C oder mehr, 30°C oder mehr, 50°C oder mehr, 60°C oder mehr oder 80°C oder mehr betragen.
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Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil enthält und die Temperatur des Kältemittels gleich oder kleiner als der Niedrigtemperaturschwellenwert ist, kann der Controller durch das Dreiwegeventil den Strom des Kältemittels vom ersten Strömungsweg zum Kühler stoppen, den ersten Strömungsweg und den dritten Strömungsweg verbinden, das erste Ventil und das zweite Ventil schließen und das Kältemittel durch die Brennstoffzelle, den ersten Strömungsweg, den dritten Strömungsweg und den zweiten Strömungsweg zirkulieren lassen.
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Wenn die Temperatur des Kältemittels den Hochtemperaturschwellenwert erreicht oder überschreitet, kann der Controller das erste und das zweite Ventil öffnen und das Kältemittel durch den Reservetank zirkulieren lassen.
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1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines Beispiels des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen.
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Das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle 10, einen ersten Strömungsweg 21, einen zweiten Strömungsweg 22, einen dritten Strömungsweg 23, einen vierten Strömungsweg 24, einen fünften Strömungsweg 25, einen Kühler 30, einen Reservetank 40, eine Kältemittelzirkulationspumpe 50, ein Thermometer 60, ein Dreiwegeventil 70, ein erstes Ventil 71 und einen Controller 80. In 1 ist nur das Kühlsystem dargestellt, andere Systeme wie das Oxidationsgassystem und das Brenngassystem sind nicht abgebildet.
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Der Controller 80 ist elektrisch mit der Kältemittelzirkulationspumpe 50, dem Thermometer 60, dem Dreiwegeventil 70 und dem ersten Ventil 71 verbunden, um deren Antrieb zu steuern.
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2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines weiteren Beispiels des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen.
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Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem ist in dem in 2 gezeigten Brennstoffzellensystem das erste Ventil 71 in dem dritten Strömungsweg 23 angeordnet, anstatt das erste Ventil 71 in dem ersten Strömungsweg 21 anzuordnen. Darüber hinaus enthält das in 2 dargestellte Brennstoffzellensystem einen sechsten Strömungsweg 26 zur Verbindung des Kühlers 30 mit dem Reservetank 40.
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Wenn der vierte Strömungsweg 24 vorhanden ist, kann der Kühler bei hoher Temperatur entlüftet werden, und die Wärmeabfuhr wird unterstützt. Dementsprechend kann der sechste Strömungsweg 26 im Brennstoffzellensystem vorhanden oder nicht vorhanden sein. Eine geringe Menge des Kältemittels strömt in dieser Reihenfolge durch den ersten Strömungsweg 21, den Reservetank 40, den Kühler 30 und die Kältemittelzirkulationspumpe 50. Dementsprechend kann das erste Ventil 71 unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Wärmeableitungseffizienz in dem ersten Strömungsweg 21 angeordnet sein.
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3 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm eines anderen Beispiels des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen.
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Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem enthält das in 3 gezeigte Brennstoffzellensystem außerdem den sechsten Strömungsweg 26, der den Kühler 30 und den Reservetank 40 verbindet. Ein zweites Ventil 72 ist in dem sechsten Strömungsweg 26 angeordnet.
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Der Controller 80 ist elektrisch mit der Kältemittelzirkulationspumpe 50, dem Thermometer 60, dem Dreiwegeventil 70, dem ersten Ventil 71 und dem zweiten Ventil 72 verbunden, um deren Antrieb zu steuern.
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4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Steuerung des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen zeigt.
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(1) Beurteilung des Niedrigtemperaturschwellenwerts (T1)
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Der Controller beurteilt, ob die Temperatur des Kältemittels gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert (T1) ist oder nicht.
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Wenn die Temperatur des Kältemittels als gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert beurteilt wird, stoppt der Controller durch das Dreiwegeventil den Fluss des Kältemittels vom ersten Strömungsweg zum Kühler und verbindet den ersten Strömungsweg mit dem dritten Strömungsweg. Dann schließt der Controller das erste Ventil und lässt das Kältemittel zwischen der Brennstoffzelle, dem ersten Strömungsweg, dem dritten Strömungsweg und dem zweiten Strömungsweg zirkulieren. Das heißt, wenn die Temperatur des Kältemittels als gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert beurteilt wird, schaltet der Controller das Dreiwegeventil auf die Drittströmungswegzirkulation um und schließt das erste Ventil. Durch das Schließen des ersten Ventils und die Durchführung der Drittströmungswegzirkulation kann die Zufuhr des Kältemittels aus dem Reservetank gestoppt werden; die Temperatur des Kältemittels kann schnell erhöht werden; und die Startzeit der Brennstoffzelle kann verkürzt werden. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil enthält, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt das zweite Ventil schließen.
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Wird festgestellt, dass die Temperatur des Kältemittels den Niedrigtemperaturschwellenwert überschreitet, öffnet der Controller das erste Ventil. Zu diesem Zeitpunkt kann der Controller das Dreiwegeventil auf die Kühlerzirkulation umschalten. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil umfasst, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil öffnen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.
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(2) Beurteilung des Hochtemperaturschwellenwerts (T2)
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Nachdem die Temperatur des Kältemittels als gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert beurteilt wurde und nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeit, beurteilt der Controller, ob die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als der Hochtemperaturschwellenwert (T2) geworden ist oder nicht.
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Bis die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als der Hochtemperaturschwellenwert ist, schließt der Controller das erste Ventil und hält die Drittströmungswegzirkulation des Dreiwegeventils aufrecht. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil umfasst, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil schließen.
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Wenn die Temperatur des Kältemittels als gleich oder höher als der Hochtemperaturschwellenwert beurteilt wird, öffnet der Controller das erste Ventil und lässt das Kältemittel durch den Reservetank strömen. Zu diesem Zeitpunkt kann der Controller das Dreiwegeventil auf die Kühlerzirkulation umschalten. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil umfasst, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil öffnen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Durch Öffnen des ersten Ventils kann Luft aus dem dritten Strömungsweg und dem Kühler abgelassen werden. Dementsprechend kann die Wärmeableitungsleistung verbessert werden.
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Als Ergebnis der obigen Steuerung kann beim Anfahren bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt (z. B. wenn die Außenlufttemperatur unter dem Gefrierpunkt liegt und die Kühlwassertemperatur gleich oder niedriger als der Niedrigtemperaturschwellenwert ist) die für das Anfahren erforderliche Zeit durch Schließen des ersten Ventils verringert werden.
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Der Niedrigtemperaturschwellenwert (T1) kann auf eine niedrigere Temperatur als der Hochtemperaturschwellenwert (T2) eingestellt werden.
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Der Niedrigtemperaturschwellenwert (T1) kann beispielsweise 0°C oder weniger betragen, und der Hochtemperaturschwellenwert (T2) kann 10°C oder mehr betragen. Die vorbestimmte Zeit kann entsprechend der Zieltemperatur oder dergleichen des Kältemittels eingestellt werden.
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(0) Beurteilung der Außenlufttemperatur (T0)
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Je nach Bedarf kann die Beurteilung der Außenlufttemperatur vor der oben beschriebenen Beurteilung des Niedrigtemperaturschwellenwerts (1) durchgeführt werden. Die Beurteilung des Niedrigtemperaturschwellenwerts kann genau durchgeführt werden, indem die Beurteilung der Außenlufttemperatur vor der Beurteilung des Niedrigtemperaturschwellenwerts durchgeführt wird.
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Das heißt, die Steuerung kann beurteilen, ob die Außenlufttemperatur gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Temperatur (T0) ist oder nicht.
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Wird festgestellt, dass die Außenlufttemperatur die vorgegebene Temperatur T0 überschreitet, öffnet der Controller das erste Ventil. Zu diesem Zeitpunkt kann der Controller das Dreiwegeventil auf die Kühlerzirkulation umschalten. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil umfasst, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil öffnen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.
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Wenn die Außenlufttemperatur als gleich oder niedriger als die vorbestimmte Temperatur T0 beurteilt wird, kann die Steuerung die oben beschriebene Beurteilung des Niedrigtemperaturschwellenwerts (1) durchführen.
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Die Außenlufttemperatur kann mit einem Thermometer gemessen werden.
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Die vorbestimmte Temperatur T0 der Außenlufttemperatur kann beispielsweise 10°C oder weniger betragen, oder sie kann 0°C oder weniger betragen.
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In manchen Fällen ist die Kältemitteltemperatur niedrig, auch wenn die Außenlufttemperatur ansteigt. Um die Zeit zu verkürzen, die benötigt wird, bis die Kältemitteltemperatur 0°C übersteigt, kann der Niedrigtemperaturschwellenwert T1 auf 0°C gesetzt werden; die vorgegebene Temperatur T0 der Außenlufttemperatur kann auf 10°C gesetzt werden; oder der Hochtemperaturschwellenwert T2 kann z. B. auf 10°C gesetzt werden.
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5 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel für die Steuerung des Brennstoffzellensystems der offenbarten Ausführungsformen zeigt.
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In 5 sind die Beurteilung (1) des Niedrigtemperaturschwellenwerts (T1) und die Beurteilung (2) des Hochtemperaturschwellenwerts (T2) dieselben wie oben beschrieben.
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(3) Beurteilung des zweiten Hochtemperaturschwellenwerts (T3)
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Je nach Bedarf kann die Beurteilung des zweiten Hochtemperaturschwellenwerts (T3) nach der oben beschriebenen Beurteilung (2) des Hochtemperaturschwellenwerts (T2) durchgeführt werden.
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Das heißt, der Controller kann beurteilen, ob die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als der zweite Hochtemperaturschwellenwert (T3) geworden ist oder nicht.
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Bis die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als der zweite Hochtemperaturschwellenwert (T3) ist, kann der Controller das erste Ventil öffnen und die Drittströmungswegzirkulation des Dreiwegeventils aufrechterhalten. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil enthält, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil öffnen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.
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Wenn die Temperatur des Kältemittels als gleich oder höher als der zweite Hochtemperaturschwellenwert (T3) beurteilt wird, schließt der Controller das erste Ventil und hält die Temperatur des Kältemittels im Reservetank aufrecht. Zu diesem Zeitpunkt kann der Controller das Dreiwegeventil auf die Kühlerzirkulation umschalten. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil umfasst, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil schließen. Durch das Schließen des ersten Ventils kann die Temperatur des Kältemittels im Reservetank aufrechterhalten und so vorbereitet werden, dass sie schnell gesenkt werden kann, wenn sie z. B. 80°C oder mehr beträgt.
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Der zweite Hochtemperaturschwellenwert (T3) kann auf eine höhere Temperatur als der Hochtemperaturschwellenwert (T2) eingestellt werden.
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Der zweite Hochtemperaturschwellenwert (T3) kann z. B. zwischen 20°C und 40°C liegen.
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(4) Beurteilung des dritten Hochtemperaturschwellenwerts (T4)
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Bei Bedarf kann die Beurteilung des dritten Hochtemperaturschwellenwerts (T4) nach der oben beschriebenen Beurteilung (3) des zweiten Hochtemperaturschwellenwerts (T3) durchgeführt werden.
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Das heißt, der Controller kann beurteilen, ob die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als der dritte Hochtemperaturschwellenwert (T4) geworden ist oder nicht.
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Bis die Temperatur des Kältemittels gleich oder höher als der dritte Hochtemperaturschwellenwert (T4) ist, kann der Controller das erste Ventil schließen. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil umfasst, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil schließen.
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Wird festgestellt, dass die Temperatur des Kältemittels den dritten Hochtemperaturschwellenwert (T4) erreicht oder überschritten hat, öffnet der Controller das erste Ventil und lässt das Kältemittel für eine bestimmte Zeit durch den Reservetank strömen. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil umfasst, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil öffnen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.
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Der dritte Hochtemperaturschwellenwert (T4) kann auf eine höhere Temperatur als der zweite Hochtemperaturschwellenwert (T3) eingestellt werden.
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Der dritte Hochtemperaturschwellenwert (T4) kann z. B. zwischen 70°C und 90°C liegen.
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(5) Beurteilung des vierten Hochtemperaturschwellenwerts (T5)
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Je nach Bedarf kann die Beurteilung des vierten Hochtemperaturschwellenwerts (T5) nach der oben beschriebenen Beurteilung des dritten Hochtemperaturschwellenwerts (T4) und nach dem Ablauf einer vorbestimmten Zeit durchgeführt werden.
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Das heißt, der Controller kann beurteilen, ob die Temperatur des Kältemittels gleich oder niedriger als der vierte Hochtemperaturschwellenwert (T5) geworden ist oder nicht.
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Bis die Temperatur des Kältemittels gleich oder niedriger als der vierte Hochtemperaturschwellenwert (T5) ist, kann der Controller das erste Ventil öffnen. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil enthält, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil öffnen, um die Wärmeabfuhr zu verbessern.
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Wenn die Temperatur des Kältemittels als gleich oder niedriger als der vierte Hochtemperaturschwellenwert (T5) beurteilt wird, schließt der Controller das erste Ventil. Wenn der sechste Strömungsweg das zweite Ventil umfasst, kann der Controller zu diesem Zeitpunkt auch das zweite Ventil schließen. Durch das Schließen des ersten Ventils kann die Temperatur des Reservetanks auf einer niedrigen Temperatur gehalten und für eine schnelle Wärmeabfuhr vorbereitet werden, wenn die Temperatur des Vorratsbehälters beim nächsten Mal gleich oder höher als der dritte Hochtemperaturschwellenwert (T4) ist.
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Der vierte Hochtemperaturschwellenwert (T5) kann auf eine niedrigere Temperatur als der dritte Hochtemperaturschwellenwert (T4) eingestellt werden.
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Der vierte Hochtemperaturschwellenwert (T5) kann z. B. 70°C oder weniger oder 60°C oder weniger betragen. Die vorgegebene Zeit kann entsprechend der Zieltemperatur oder dergleichen des Kältemittels eingestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzelle
- 21
- Erster Strömungsweg (stromaufwärts gelegene Leitung)
- 22
- Zweiter Strömungsweg (stromabwärts gelegene Leitung)
- 23
- Dritter Strömungsweg (Bypass-Leitung)
- 24
- Vierter Strömungsweg (Leitung a)
- 25
- Fünfter Strömungsweg (Leitung c)
- 26
- Sechster Strömungsweg (Leitung b)
- 30
- Kühler
- 40
- Reservetank
- 50
- Kältemittelzirkulationspumpe
- 60
- Thermometer
- 70
- Dreiwegeventil
- 71
- Erstes Ventil
- 72
- Zweites Ventil
- 80
- Controller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2017 [0011]
- JP 054648 A [0011]
- JP 2004 [0011]
- JP 039560 A [0011]
- JP 2014 [0011]
- JP 197543 A [0011]
