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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
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HINTERGRUND
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Ein Brennstoffzellensystem, bei dem das Oxidationsgassystem mit mehreren Vorrichtungen, wie z.B. einem Befeuchter, ausgestattet ist, wurde untersucht, um die Marktgängigkeit von Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (im Folgenden einfach als „Fahrzeuge“ bezeichnet) oder dergleichen zu verbessern.
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In der
JP 2009- 176 467 A wird beispielsweise eine Technik zum Beheizen von Vorrichtungen mit einer Heizung offenbart, um zu verhindern, dass zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt flüssiges Wasser, das in einer Brennstoffzelle erzeugt wird, in Vorrichtungen auf der stromabwärts gelegenen Seite der Brennstoffzelle gefriert.
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Als eine Technik, die keine Heizung verwendet, offenbart die
JP 2007- 134 154 A ein Brennstoffzellensystem, das Feuchtigkeit in einem Gerät, das auf der stromabwärtigen Seite einer Brennstoffzelle angeordnet ist, während der Betriebsabschaltung der Brennstoffzelle zügig abführen kann.
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Die
JP 2004- 273 347 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das einen Befeuchter aufwärmen kann, ohne einer Brennstoffzelle im abgekühlten Zustand feuchte Luft zuzuführen.
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Bei der Aktivierung eines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt wird in der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems Wasser erzeugt und als Flüssigwasser abgeleitet. Das erzeugte Wasser ist insofern problematisch, als es Wärme verliert und in den Vorrichtungen gefriert, die auf der stromabwärtigen Seite der Brennstoffzelle im Oxidationsgassystem des Systems angeordnet sind, wodurch der Strömungsweg des Oxidationsgassystems verstopft wird. Außerdem ist das erzeugte Wasser insofern problematisch, als es sich zu Eispartikeln formt, die auf die Vorrichtungen auf der stromabwärts gelegenen Seite der Brennstoffzelle im Oxidationsgassystem treffen und diese zerstören.
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Wenn das Brennstoffzellensystem mit einer Heizung ausgestattet ist, wie bei der Technik der
JP 2009- 176 467 A , besteht die Möglichkeit, dass das Brennstoffzellensystem zu groß wird und nicht in Fahrzeuge eingebaut werden kann.
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KURZFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben genannten Umstände gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das so konfiguriert ist, dass es das Gefrieren des erzeugten Wassers, das aus der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems abgelassen wird, ohne die Verwendung einer Heizung unterdrückt.
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In einer ersten Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, ein Oxidationsgassystem und einen Controller aufweist;
wobei das Oxidationsgassystem einen Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg, einen Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg, einen ersten Bypass-Strömungsweg, eine Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung, ein Druckregelventil, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider und einen Befeuchter aufweist;
wobei der Befeuchter über den Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg und den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet ist;
wobei der Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg einen Kathodeneinlass der Brennstoffzelle und die Außenseite des Brennstoffzellensystems verbindet;
wobei die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung und der Befeuchter in dieser Reihenfolge von stromaufwärts im Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg angeordnet sind;
wobei der Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg einen Kathodenauslass der Brennstoffzelle und die Außenseite des Brennstoffzellensystems verbindet;
wobei das Druckregelventil, der Gas-Flüssigkeits-Abscheider und der Befeuchter in dieser Reihenfolge von stromaufwärts in dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet sind;
wobei der erste Bypass-Strömungsweg von dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg an einer ersten Abzweigung stromabwärts der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges und stromaufwärts des Befeuchters desselben abzweigt, die Brennstoffzelle umgeht und dann in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg an einer ersten Verbindungsstelle stromabwärts des Druckregelventils des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges und stromaufwärts des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders desselben mündet;
wobei ein erstes Bypass-Ventil in dem ersten Bypass-Strömungsweg angeordnet ist;
wobei die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung auf der Seite des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges einen Expander aufweist, der mit der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung über eine Achse verbunden ist;
wobei die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung mindestens eines von dem Oxidationsgas, dessen Temperatur durch Kompression mit dem Expander in der Oxidationsgas-Zuführvorrichtung erhöht worden ist, und dem Oxidationsabgas zurückgewinnt und das zurückgewonnene Gas als regenerative Energie verwendet;
wobei der Expander stromabwärts von dem Befeuchter in dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet ist; und
wobei zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt der Controller das erste Bypass-Ventil öffnet, um einen Teil des Oxidationsgases, dessen Temperatur durch Kompression in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung erhöht wurde, über den ersten Bypass-Strömungsweg in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg zu leiten.
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In dem Brennstoffzellensystem kann
der Controller vorab eine Datengruppe speichern, die eine Beziehung zwischen einer Außentemperatur, einer Temperatur des Expanders und einem zum Aufwärmen des Expanders erforderlichen Druckverhältnis des von der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung abgegebenen Oxidationsgases zu dem der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung zugeführten Oxidationsgas zeigt;
der Controller zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt die Außentemperatur und die Temperatur des Expanders mit der Datengruppe prüfen und ein zum Aufwärmen des Expanders erforderliches Soll-Druckverhältnis des von der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung abgegebenen Oxidationsgases zu dem der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung zugeführten Oxidationsgas berechnen; und
der Controller einen Öffnungsgrad des Druckregelventils und einen Öffnungsgrad des ersten Bypass-Ventils steuern, um das Druckverhältnis des von der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung abgegebenen Oxidationsgases zu dem der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung zugeführten Oxidationsgas auf das Soll-Druckverhältnis einzustellen.
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Auch kann in dem Brennstoffzellensystem,
das Oxidationsgassystem einen zweiten Bypass-Strömungsweg aufweisen;
der zweite Bypass-Strömungsweg kann von dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg an einer zweiten Abzweigung stromabwärts der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges und stromaufwärts des Befeuchters desselben abzweigen, den Befeuchter umgehen und dann an einer zweiten Verbindungsstelle stromabwärts des Befeuchters des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges in den Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg münden; und
in dem zweiten Bypass-Strömungsweg kann ein zweites Bypass-Ventil angeordnet sein, das so konfiguriert ist, dass es einen Fluss des Oxidationsgases zu dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg oder dem zweiten Bypass-Strömungsweg umschaltet.
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Gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung wird das Gefrieren des erzeugten Wassers, das aus der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems abgelassen wird, ohne die Verwendung einer Heizung unterdrückt.
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Figurenliste
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In den beigefügten Zeichnungen zeigt:
- 1 ein schematisches Konfigurationsschaubild eines Beispiels des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung;
- 2 einen Graph, der ein Beispiel für die Beziehung zwischen dem Druckverhältnis der von einem Luftkompressor abgegebenen Luft zu der dem Luftkompressor zugeführten Luft und der Temperatur der vom Luftkompressor abgegebenen Luft zeigt, wenn die Temperatur der dem Luftkompressor zugeführten Luft -10°C, -20°C und -30°C beträgt; und
- 3 ein Flussdiagramm eines Beispiels für eine Steuerung, die von dem Controller des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nachfolgend werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben. Gegenstände, die für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung erforderlich sind (wie z.B. übliche Brennstoffzellenstrukturen und Produktionsprozesse, die die vorliegende Erfindung nicht charakterisieren) und die nicht speziell in der Beschreibung erwähnt werden, können vom Fachmann als Konstruktionsangelegenheiten auf Basis konventioneller Techniken verstanden werden. Die vorliegende Erfindung kann auf Basis der in der Beschreibung offenbarten Inhalte und des allgemeinen technischen Wissens auf dem Gebiet der Technik umgesetzt werden.
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In der Beschreibung bedeutet „-“ zur Angabe eines Zahlenbereichs, dass der Bereich die vor und nach „-“ beschriebenen Zahlenwerte als untere und obere Grenzwerte umfasst.
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Auch können in der Beschreibung die oberen und unteren Grenzwerte des Zahlenbereichs eine beliebige Kombination sein.
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Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem,
wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, ein Oxidationsgassystem und einen Controller aufweist;
wobei das Oxidationsgassystem einen Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg, einen Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg, einen ersten Bypass-Strömungsweg, eine Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung, ein Druckregelventil, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider und einen Befeuchter aufweist;
wobei der Befeuchter über den Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg und den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet ist;
wobei der Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg einen Kathodeneinlass der Brennstoffzelle und die Außenseite des Brennstoffzellensystems verbindet;
wobei die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung und der Befeuchter in dieser Reihenfolge von stromaufwärts im Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg angeordnet sind;
wobei der Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg einen Kathodenauslass der Brennstoffzelle und die Außenseite des Brennstoffzellensystems verbindet;
wobei das Druckregelventil, der Gas-Flüssigkeits-Abscheider und der Befeuchter in dieser Reihenfolge von stromaufwärts in dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet sind;
wobei der erste Bypass-Strömungsweg von dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg an einer ersten Abzweigung stromabwärts der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges und stromaufwärts des Befeuchters desselben abzweigt, die Brennstoffzelle umgeht und dann in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg an einer ersten Verbindungsstelle stromabwärts des Druckregelventils des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges und stromaufwärts des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders desselben mündet;
wobei ein erstes Bypass-Ventil in dem ersten Bypass-Strömungsweg angeordnet ist;
wobei die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung auf der Seite des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges einen Expander aufweist, der mit der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung über eine Achse verbunden ist;
wobei die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung mindestens eines von dem Oxidationsgas, dessen Temperatur durch Kompression mit dem Expander in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung erhöht worden ist, und dem Oxidationsabgas zurückgewinnt und das zurückgewonnene Gas als regenerative Energie verwendet;
wobei der Expander stromabwärts von dem Befeuchter in dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet ist; und
wobei zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt der Controller das erste Bypass-Ventil öffnet, um einen Teil des Oxidationsgases, dessen Temperatur durch Kompression in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung erhöht wurde, über den ersten Bypass-Strömungsweg in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg zu leiten.
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Gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung gelangt ein Teil des Oxidationsgases, dessen Temperatur durch Kompression in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung erhöht wurde, über den ersten Bypass-Strömungsweg stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg. Dementsprechend werden die Brennstoffzelle und die Vorrichtungen des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges (im Folgenden können sie als „Gasabgabevorrichtungen“ bezeichnet werden) erwärmt; die Gasabgabevorrichtungen des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges werden ohne eine Heizung erwärmt; und das Einfrieren des erzeugten Wassers, das aus der Brennstoffzelle abgeleitet wird, wird unterdrückt. Gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung werden durch geeignete Auswahl des Druckverhältnisses des Oxidationsgases, das in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung unter Bezugnahme auf die Außentemperatur und die Expandertemperatur komprimiert wird, und durch Steuerung des Öffnungsgrads des Druckregelventils und des ersten Bypass-Ventils die Brennstoffzelle und die Gasabgabevorrichtungen des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges effizient erwärmt, und das Gefrieren des erzeugten Wassers in dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg wird effizient unterdrückt.
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1 ist ein schematisches Konfigurationsschaubild eines Beispiels des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung.
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Das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 10 und einen Controller 50.
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Als Oxidationsgassystem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 eine Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung 30, einen Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg 31, einen Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg 32, einen ersten Bypass-Strömungsweg 33, ein erstes Bypass-Ventil 34, ein Druckregelventil 35, einen Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36, einen Befeuchter 37, eine erste Abzweigung 38, eine erste Verbindungsstelle 39, einen Expander 60, einen zweiten Bypass-Strömungsweg 61, ein zweites Bypass-Ventil 62, eine zweiten Abzweigung 63, eine zweite Verbindungsstelle 64 und einen Zwischenkühler 46. An den Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36 ist ein Wasserabflussweg 70 zur Ableitung des abgeschiedenen flüssigen Wassers angeschlossen.
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Als Kühlsystem umfasst das Brennstoffzellensystem 100 einen Kühlmittelströmungsweg 41, einen Kühler 42, einen Kühlmittel-Bypass-Strömungsweg 43, ein Dreiwegeventil 44 für ein Kühlmittel und eine Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstelle 45.
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Der Einfachheit halber ist in 1 kein Brenngassystem dargestellt.
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Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung umfasst die Brennstoffzelle, das Oxidationsgassystem und den Controller.
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Im Allgemeinen wird das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung in ein Fahrzeug eingebaut und verwendet, das einen Motor als Antriebsquelle enthält.
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Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann in ein Fahrzeug eingebaut und verwendet werden, das mit der Energie einer Sekundärzelle betrieben werden kann.
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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 vorliegenden Erfindung enthalten.
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Der Motor ist nicht besonders beschränkt und kann ein herkömmlicher bekannter Antriebsmotor sein.
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Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung 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. Die einzelne Brennstoffzelleneinheit und der aus gestapelten Brennstoffzelleneinheiten bestehende Brennstoffzellenstapel können als „Brennstoffzelle“ bezeichnet werden.
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Die Anzahl der gestapelten Brennstoffzelleneinheiten ist nicht besonders begrenzt. So können beispielsweise 2 bis mehrere hundert Brennstoffzelleneinheiten gestapelt werden.
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Jede Brennstoffzelleneinheit umfasst zumindest die Elektrolytmembran. Im Allgemeinen umfasst sie eine Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung.
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Die Membran-Elektroden-Gasdiffusionsschicht-Anordnung umfasst eine anodenseitige Gasdiffusionsschicht, eine Anodenkatalysatorschicht, eine Elektrolytmembran, eine Kathodenkatalysatorschicht und eine kathodenseitige Gasdiffusionsschicht in dieser Reihenfolge.
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Die Kathode (Oxidationselektrode) umfasst die Kathodenkatalysatorschicht und die kathodenseitige Gasdiffusionsschicht.
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Die Anode (Brennstoffelektrode) umfasst die Anodenkatalysatorschicht und die anodenseitige Gasdiffusionsschicht.
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Die Kathodenkatalysatorschicht und die Anodenkatalysatorschicht werden zusammen als „Katalysatorschicht“ bezeichnet.
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Die Katalysatorschicht kann z. B. ein Katalysatormetall zur Beschleunigung einer elektrochemischen Reaktion, einen protonenleitenden Elektrolyten und einen elektronenleitenden Träger enthalten.
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Als Katalysatormetall kann z. B. Platin (Pt) oder eine Legierung aus Pt und einem anderen Metall (z. B. eine Pt-Legierung gemischt mit Kobalt, Nickel o. ä.) verwendet werden.
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Der Elektrolyt kann ein Fluorharz oder dergleichen sein. Als Fluorharz kann z. B. eine Nafion-Lösung verwendet werden.
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Das Katalysatormetall ist auf dem Träger aufgebracht. In jeder Katalysatorschicht können der Träger, der das Katalysatormetall trägt (d. h. der Träger, der den Katalysator trägt), und der Elektrolyt gemischt werden.
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Als Träger für das Katalysatormetall kann beispielsweise ein handelsübliches kohlenstoffhaltiges Material wie Kohlenstoff verwendet werden, ohne darauf beschränkt zu sein.
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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, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein poröses Kohlenstoffmaterial wie Kohlenstoffgewebe und Kohlenstoffpapier sowie ein poröses Metallmaterial wie Metallgewebe und Metallschaum.
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Die Elektrolytmembran kann eine Festpolymerelektrolytmembran sein. Beispiele für die Festpolymerelektrolytmembran umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Kohlenwasserstoff-Elektrolytmembran und eine Fluorelektrolytmembran wie eine dünne, feuchtigkeitshaltige Perfluorsulfonsäuremembran. 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 zwischen sich halten. Einer der beiden Separatoren ist ein anodenseitiger Separator, der andere ein kathodenseitiger Separator. In der vorliegenden Erfindung werden der anodenseitige Separator und der kathodenseitige Separator gemeinsam als „Separator“ bezeichnet.
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Der Separator kann Zufuhr- und Abfuhröffnungen aufweisen, durch die ein Fluid, wie z. B. ein Reaktionsgas und ein Kühlmittel, in die Stapelrichtung der Brennstoffzelleneinheiten strömen kann. Als Kühlmittel kann z. B. eine gemischte Lösung aus Ethylenglykol und Wasser verwendet werden, um ein Einfrieren bei niedrigen Temperaturen zu verhindern.
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Beispiele für die Zufuhröffnung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Brenngaszufuhröffnung, eine Oxidationsgaszufuhröffnung und eine Kühlmittelzufuhröffnung.
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Beispiele für die Abfuhröffnung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Brenngasabfuhröffnung, eine Oxidationsgasabfuhröffnung und eine Kühlmittelabfuhröffnung.
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Der Separator kann auf einer Oberfläche, die mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt steht, einen Reaktionsgasströmungsweg aufweisen. Außerdem kann der Separator auf der Oberfläche, die der mit der Gasdiffusionsschicht in Kontakt stehenden Oberfläche gegenüberliegt, einen Kühlmittelströmungsweg aufweisen, um die Temperatur der Brennstoffzelle konstant zu halten.
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Der Separator kann ein gasundurchlässiges, elektrisch leitendes Element oder dergleichen sein. Beispiele für ein elektrisch leitendes Element umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, ein Harzmaterial wie wärmehärtendes Harz, thermoplastisches Harz und Harzfasern, gasundurchlässigen dichten Kohlenstoff, der durch Komprimieren eines kohlenstoffhaltigen Materials wie Kohlenstoffpulver und Kohlenstofffasern gewonnen wird, und eine Metallplatte (wie eine Eisenplatte, eine Aluminiumplatte und eine Edelstahlplatte), die durch Pressformen gewonnen wird. Der Separator kann als Sammler fungieren.
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Die Form des Separators kann z. B. rechteckig, horizontal sechseckig, horizontal achteckig, kreisförmig oder länglich kreisförmig sein.
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Der Separator kann einen Gasteiler enthalten. Der Gasteiler ist in einem Bereich zwischen dem Reaktionsgasverteiler und dem Reaktionsgasströmungsweg angeordnet, und er verteilt und führt einen Gasstrom vom Reaktionsgasverteiler zum Energieerzeugungsbereich zusammen. Auf der Reaktionsgaseinlassseite hat der Gasteiler die Struktur, den Gasstrom zu verteilen. Auf der Reaktionsgas-Ausgangsseite hat der Gasteiler die Struktur, den Gasstrom zusammenzuführen.
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Der Brennstoffzellenstapel kann einen Verteiler umfassen, wie z. B. einen Einlassverteiler, der durch verbundene Zufuhröffnungen gebildet wird, und einen Auslassverteiler, der durch verbundene Abfuhröffnungen gebildet wird.
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Beispiele für den Einlassverteiler umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Anodeneinlassverteiler, einen Kathodeneinlassverteiler und einen Kühlmitteleinlassverteiler.
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Beispiele für den Auslassverteiler umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Anodenauslassverteiler, einen Kathodenauslassverteiler und einen Kühlmittelauslassverteiler.
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In der vorliegenden Erfindung 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 ist ein sauerstoffhaltiges Gas, das Sauerstoff, Luft, trockene Luft oder dergleichen sein kann.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst das Oxidationsgassystem.
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Das Oxidationsgassystem umfasst den Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg, den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg, den ersten Bypass-Strömungsweg, das erste Bypass-Ventil, den Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung, das Druckregelventil, den Gas-Flüssigkeits-Abscheider und den Befeuchter. Je nach Bedarf kann das Oxidationsgassystem den zweiten Bypass-Strömungsweg, das zweite Bypass-Ventil usw. umfassen.
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Der Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg verbindet den Kathodeneinlass der Brennstoffzelle mit der Außenseite des Brennstoffzellensystems. Über den Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg kann das Oxidationsgas der Kathode der Brennstoffzelle zugeführt werden. Der Kathodeneinlass kann eine Oxidationsgaszufuhröffnung, ein Kathodeneinlassverteiler oder dergleichen sein.
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Die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung und der Befeuchter sind in dieser Reihenfolge von stromaufwärts im Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg angeordnet.
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Die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung umfasst auf der Seite des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges den Expander, der über die Achse mit der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung verbunden ist.
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Die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung gewinnt zumindest eines von dem Oxidationsgas, dessen Temperatur durch Kompression mit dem Expander in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung erhöht wurde, und dem Oxidationsabgas zurück und verwendet das zurückgewonnene Gas als regenerative Energie.
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Der Expander ist stromabwärts des Befeuchters im Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet.
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Die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung ist nicht besonders eingeschränkt, sie er das von außen zugeführte Oxidationsgas verdichten und abgeben kann. Die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung kann ein Luftkompressor oder dergleichen sein. Die Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Controller steuert die Aktivierung der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung.
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Der Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg verbindet den Kathodenauslass der Brennstoffzelle mit der Außenseite des Brennstoffzellensystems. Der Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg ermöglicht die Ableitung des Oxidationsabgases, d. h. des von der Kathode der Brennstoffzelle abgegebenen Oxidationsgases, aus dem Brennstoffzellensystem nach außen. Bei dem Kathodenauslass kann es sich um die Oxidationsgasabfuhröffnung, den Kathodenauslassverteiler oder dergleichen handeln.
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Das Druckregelventil, der Gas-Flüssigkeits-Abscheider und der Befeuchter sind in dieser Reihenfolge von stromaufwärts im Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet.
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Das Druckregelventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Durch Öffnen des Druckregelventils durch den Controller wird das Oxidationsabgas, bei dem es sich um das reagierte Oxidationsgas handelt, vom Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg aus dem Brennstoffzellensystem nach außen abgeleitet. Der Druck des der Kathode zugeführten Oxidationsgases (Kathodendruck) kann durch Steuerung des Öffnungsgrads des Druckregelventils geregelt werden. Die Bestandteile des Oxidationsabgases können die gleichen sein wie die Bestandteile des Oxidationsgases. Es kann Sauerstoff, Luft, trockene Luft oder dergleichen sein, und es kann Wasserdampf oder dergleichen enthalten.
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Der erste Bypass-Strömungsweg verzweigt sich von dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg an der ersten Abzweigung stromabwärts der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges und stromaufwärts des Befeuchters desselben, umgeht die Brennstoffzelle und mündet dann in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg an der ersten Verbindungsstelle stromabwärts des Druckregelventils des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges und stromaufwärts des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders desselben.
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Das erste Bypass-Ventil ist in dem ersten Bypass-Strömungsweg angeordnet. Das erste Bypass-Ventil kann ein Ventil sein, dessen Öffnungsgrad steuerbar ist, und es kann ein Dreiwegeventil für das Oxidationsgas sein. Wenn das erste Bypass-Ventil ein Dreiwegeventil für das Oxidationsgas ist, kann es an der ersten Abzweigung stromaufwärts des ersten Bypass-Strömungsweges angeordnet sein.
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Das erste Bypass-Ventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Durch Öffnen des ersten Bypass-Ventils durch den Controller kann ein Teil des Oxidationsgases, dessen Temperatur durch Kompression in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung erhöht wurde, die Brennstoffzelle umgehen und dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg zugeführt werden, wenn beispielsweise die Brennstoffzelle und die Gasabgabevorrichtungen, wie der Expander des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges, zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt aufgewärmt werden. Wenn das erste Bypass-Ventil das Dreiwegeventil für das Oxidationsgas ist und wenn beispielsweise die Zufuhr des Oxidationsgases zur Brennstoffzelle nicht erforderlich ist, kann das gesamte Oxidationsgas dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg zugeführt werden, indem der Oxidationsgasfluss vom Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg zum ersten Bypass-Strömungsweg geändert wird, indem das im Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg stromabwärts befindliche Ventil des ersten Bypass-Ventils geschlossen wird und das erste Bypass-Strömungsweg-seitige Ventil desselben durch den Controller geöffnet wird.
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Der Befeuchter ist zwischen dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg und dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg angeordnet.
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Der Befeuchter kann z.B. eine wasserdurchlässige Membran enthalten. Durch Anordnen der wasserdurchlässigen Membran in einem Bereich zwischen dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg und dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg, um das Oxidationsgas und das Oxidationsabgas in den Befeuchter zu leiten, gelangt das im Oxidationsabgas enthaltene Wasser durch die wasserdurchlässige Membran, bewegt sich zum Oxidationsgas und befeuchtet das Oxidationsgas entsprechend.
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Zum Beispiel kann das Oxidationsgassystem unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung der übermäßigen Befeuchtung der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung der Strömung des erzeugten Wassers in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg den zweiten Bypass-Strömungsweg umfassen, der den Befeuchter umgeht.
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Der zweite Bypass-Strömungsweg verzweigt sich von dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg an der zweiten Abzweigung stromabwärts der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges und stromaufwärts des Befeuchters desselben, umgeht den Befeuchter und mündet dann in den Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg an der zweiten Verbindungsstelle stromabwärts des Befeuchters des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges ein.
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Wenn das Oxidationsgassystem einen Kühler umfasst, kann der zweite Bypass-Strömungsweg nur den Befeuchter umgehen oder er kann zusätzlich den Kühler umgehen.
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Das zweite Bypass-Ventil, das so konfiguriert ist, dass es den Fluss des Oxidationsgases in den Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg oder den zweiten Bypass-Strömungsweg umschaltet, ist im zweiten Bypass-Strömungsweg angeordnet. Das zweite Bypass-Ventil kann ein zweites Dreiwegeventil für das Oxidationsgas sein. Wenn das zweite Bypass-Ventil das zweite Dreiwegeventil für das Oxidationsgas ist, kann es an der zweiten Abzweigung angeordnet sein, die sich am weitesten stromaufwärts vom zweiten Bypass-Strömungsweg befindet.
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Das zweite Bypass-Ventil ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Das Oxidationsgas kann den Befeuchter umgehen und der Brennstoffzelle zugeführt werden, indem der Fluss des Oxidationsgases vom Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg zum zweiten Bypass-Strömungsweg geändert wird, indem das stromabwärts im Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg befindliche Ventil des zweiten Bypass-Ventils geschlossen wird und das zweite Bypass-Strömungsweg-seitige Ventil desselben vom Controller geöffnet wird.
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Das Oxidationsgassystem kann einen Kühler (Zwischenkühler) stromabwärts der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges und stromaufwärts des Befeuchters desselben umfassen. Der Kühler kann stromabwärts der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges und stromaufwärts der ersten Abzweigung zum ersten Bypass-Strömungsweg angeordnet sein.
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Bei dem Kühler kann es sich um einen Kühler handeln, der so konfiguriert ist, dass er eine Kühlfunktion erfüllt, indem er das Kühlmittel des Kühlsystems in den und aus dem Kühler zirkulieren lässt.
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Das Brennstoffzellensystem kann ein Brenngassystem umfassen.
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Das Brenngassystem liefert Brenngas an die Brennstoffzelle.
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Das Brenngassystem kann eine Brenngas-Zufuhrvorrichtung, einen Brenngas-Zufuhrströmungsweg, einen Brenngasabgas-Abfuhrströmungsweg, einen Brenngasbypass-Strömungsweg und so weiter umfassen.
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Die Brenngas-Zufuhrvorrichtung liefert das Brenngas an die Anode der Brennstoffzelle.
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Beispiele für die Brenngas-Zufuhrvorrichtung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, einen Brennstofftank, z. B. einen Flüssigwasserstofftank oder einen Druckwasserstofftank.
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Die Brenngas-Zufuhrvorrichtung ist elektrisch mit dem Controller verbunden. In der Brenngas-Zufuhrvorrichtung kann das Ein- und Ausschalten der Brenngaszufuhr zur Brennstoffzelle durch Steuerung des Öffnens und Schließens des Hauptabsperrventils der Brenngas-Zufuhrvorrichtung in Abhängigkeit von einem Steuersignal des Controllers gesteuert werden.
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Der Brenngas-Zufuhrströmungsweg verbindet die Brenngas-Zufuhrvorrichtung und den Anodeneinlass der Brennstoffzelle. Über den Brenngas-Zufuhrströmungsweg kann das wasserstoffhaltige Brenngas der Anode der Brennstoffzelle zugeführt werden. Bei dem Anodeneinlass kann es sich um eine Brenngaszufuhröffnung, einen Anodeneinlassverteiler oder dergleichen handeln.
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Der Brenngasabgas-Abfuhrströmungsweg verbindet den Anodenauslass der Brennstoffzelle mit der Außenseite des Brennstoffzellensystems. Der Brenngasabgas-Abfuhrströmungsweg kann in einem Bereich stromabwärts des Expanders des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg münden. Der Anodenauslass kann eine Brenngasauslassöffnung, ein Anodenauslassverteiler oder dergleichen sein.
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Das Brennstoffabgas kann das Brenngas enthalten, das die Anode ohne Reaktion passiert hat, sowie das in der Kathode erzeugte und zur Anode geleitete Wasser. In einigen Fällen enthält das Brennstoffabgas korrodierte Substanzen, die in der Katalysatorschicht, der Elektrolytmembran oder dergleichen entstanden sind, sowie das Oxidationsgas oder dergleichen, das der Anode während einer Spülung zugeführt werden kann.
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Das Brennstoffzellensystem kann ein Kühlsystem umfassen.
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Das Kühlsystem steuert die Temperatur der Brennstoffzelle.
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Das Kühlsystem umfasst den Kühlmittelströmungsweg. Je nach Bedarf kann das Kühlsystem einen Kühlmittel-Bypass-Strömungsweg, ein Dreiwegeventil für das Kühlmittel usw. umfassen.
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Der Kühlmittelströmungsweg ermöglicht die Zirkulation des Kühlmittels in die und aus der Brennstoffzelle. Der Kühlmittelströmungsweg ist mit einer Kühlmittelzufuhröffnung und einer Kühlmittelabfuhröffnung verbunden, die in der Brennstoffzelle vorhanden sind, und ermöglicht die Zirkulation des Kühlmittels in die und aus der Brennstoffzelle.
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Der Kühlmittelströmungsweg kann mit einer Kühlmittel-Zufuhrvorrichtung ausgestattet sein. Die Kühlmittel-Zufuhrvorrichtung ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Die Kühlmittel-Zufuhrvorrichtung wird durch ein Steuersignal des Controllers aktiviert. Der Controller steuert die Durchflussmenge des von der Kühlmittel-Zufuhrvorrichtung zur Brennstoffzelle gelieferten Kühlmittels. Entsprechend wird die Temperatur der Brennstoffzelle geregelt. Beispiele für die Kühlmittel-Zufuhrvorrichtung umfassen, ohne hierauf beschränkt zu sein, eine Kühlwasserpumpe.
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Der Kühlmittelströmungsweg kann mit einem Kühler zur Wärmeabfuhr aus dem Kühlwasser versehen sein.
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Der Kühlmittelströmungsweg kann mit einem Reservetank zur Speicherung des Kühlmittels versehen sein.
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Der Kühlmittel-Bypass-Strömungsweg zweigt vom Kühlmittelströmungsweg über das Dreiwegeventil für das Kühlmittel ab, umgeht die Brennstoffzelle, verbindet sich mit dem Zwischenkühler und mündet dann in den Kühlmittelströmungsweg an einer Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstelle stromabwärts des Kühlmittelströmungsweges. Der Kühlmittel-Bypass-Strömungsweg ermöglicht die Zirkulation des Kühlmittels in und aus dem Zwischenkühler.
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Das Dreiwegeventil für das Kühlmittel ermöglicht die Steuerung der Kühlmittelzufuhr vom Kühlmittelströmungsweg zum Kühlmittel-Bypass-Kühlmittelströmungsweg. Das Dreiwegeventil für das Kühlmittel ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Controller steuert das Öffnen und Schließen des Dreiwegeventils für das Kühlmittel.
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Das Brennstoffzellensystem kann eine Batterie enthalten.
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Bei der Batterie (einer Sekundärzelle) kann es sich um eine beliebige aufladbare und entladbare Batterie handeln. Beispielsweise kann es sich um eine herkömmlich bekannte Sekundärzelle wie eine Nickel-Wasserstoff-Sekundärzelle und eine Lithium-Ionen-Sekundärzelle handeln. Die Sekundärzelle kann ein Energiespeicherelement wie einen elektrischen Doppelschichtkondensator enthalten. Die Sekundärzelle kann so aufgebaut sein, dass eine Vielzahl von Sekundärzellen in Reihe geschaltet ist. Die Sekundärzelle versorgt den Luftkompressor und dergleichen mit Strom. Die Sekundärzelle kann durch eine Stromquelle außerhalb des Fahrzeugs aufgeladen werden, z. B. durch eine Haushaltsstromversorgung. 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 angebracht sein kann. Der Controller kann von einer externen Stromquelle betrieben werden, auch wenn der Zündschalter ausgeschaltet ist.
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Zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt öffnet der Controller das erste Bypass-Ventil, um einen Teil des Oxidationsgases, dessen Temperatur durch Kompression in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung erhöht wurde, über den ersten Bypass-Strömungsweg in den Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg zu leiten. Indem ein Teil des Oxidationsgases, dessen Temperatur durch Kompression in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung erhöht wurde, aus dem Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg geteilt und das geteilte Oxidationsgas dem Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg zugeführt wird, werden die Brennstoffzelle und die Vorrichtungen des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges erwärmt; die Vorrichtungen des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges werden ohne eine Heizung erwärmt; und das Gefrieren des erzeugten Wassers, das aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, wird unterdrückt.
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Wenn das Oxidationsgassystem den zweiten Bypass-Strömungsweg umfasst, kann der Controller zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt das erste Bypass-Ventil öffnen, um einen Teil des Oxidationsgases, dessen Temperatur durch Kompression in der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtungen erhöht wurde, dem ersten Bypass-Strömungsweg zuzuführen, das im Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg stromabwärts gelegene Ventil des zweiten Bypass-Ventils schließen und das zweite Bypass-Strömungsweg-seitige Ventil des zweiten Bypass-Strömungsweges öffnen. Dementsprechend wird die übermäßige Befeuchtung der Brennstoffzelle unterdrückt; die Menge des erzeugten Wassers, das aus der Brennstoffzelle abgeleitet wird, wird reduziert; und das Gefrieren des erzeugten Wassers wird stärker unterdrückt.
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In der vorliegenden Erfindung kann der Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt der Zeitpunkt sein, der die Bedingung erfüllt, dass die Außentemperatur 0°C oder weniger beträgt, der Zeitpunkt, der die Bedingung erfüllt, dass die Außentemperatur 0°C oder weniger beträgt und/oder die Temperatur des Expanders 0°C oder weniger beträgt, oder der Zeitpunkt, der die Bedingung erfüllt, dass die Außentemperatur 0°C oder weniger beträgt und/oder die Temperaturen der Gasabgabevorrichtungen 0°C oder weniger betragen.
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Der Controller kann vorab die Datengruppe speichern, die die Beziehung zwischen der Außentemperatur, der Temperatur des Expanders und dem zum Aufwärmen des Expanders erforderlichen Druckverhältnis des von der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung abgegebenen Oxidationsgases zu dem der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung zugeführten Oxidationsgas zeigt.
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Bei der Datengruppe kann es sich um eine Datengruppe handeln, die die Beziehung zwischen der Außentemperatur, der Temperatur des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders, der Temperatur des Befeuchters, der Temperatur des Expanders und dem zum Aufwärmen des Expanders erforderlichen Druckverhältnis des von der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung abgegebenen Oxidationsgases zu dem der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung zugeführten Oxidationsgas zeigt.
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Zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt kann der Controller die Außentemperatur und die Temperatur des Expanders mit der Datengruppe überprüfen und das zum Aufwärmen des Expanders erforderliche Soll-Druckverhältnis des von der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung abgegebenen Oxidationsgases zu dem der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung zugeführten Oxidationsgas berechnen.
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Zum Zeitpunkt der Aktivierung des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt kann der Controller die Außentemperatur, die Temperatur des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders, die Temperatur des Befeuchters und die Temperatur des Expanders mit der Datengruppe überprüfen und das zum Aufwärmen des Expanders erforderliche Soll-Druckverhältnis des von der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung abgegebenen Oxidationsgases zu dem der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung zugeführten Oxidationsgas berechnen.
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2 ist ein Graph, der ein Beispiel für die Beziehung zwischen dem Druckverhältnis der vom Luftkompressor abgegebenen Luft zu der dem Luftkompressor zugeführten Luft und der Temperatur der vom Luftkompressor abgegebenen Luft zeigt, wenn die Temperatur der dem Luftkompressor zugeführten Luft -10°C, -20°C und -30°C beträgt.
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Wie in 2 dargestellt, variiert die Temperatur der vom Luftkompressor abgegebenen Luft bei jedem Druckverhältnis in Abhängigkeit von der Temperatur der dem Luftkompressor zugeführten Luft.
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Dementsprechend kann das Soll-Druckverhältnis, das zum Aufwärmen des Expanders erforderlich ist, in Abhängigkeit von der Temperatur der dem Luftkompressor zugeführten Luft (d. h. der Außentemperatur) und der Temperatur des Expanders angemessen berechnet werden.
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Der Controller Steuerung kann den Öffnungsgrad des Druckregelventils und den Öffnungsgrad des ersten Bypass-Ventils steuern, um das Druckverhältnis des von der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung abgegebenen Oxidationsgases zu dem der Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung zugeführten Oxidationsgas auf das Soll-Druckverhältnis einzustellen. Dementsprechend werden die Gasabgabevorrichtungen des Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweges effizient erwärmt, und das Gefrieren des erzeugten Wassers im Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg wird effizient unterdrückt.
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Das Brennstoffzellensystem kann einen Temperaturerfasser enthalten.
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Der Temperaturerfasser kann die Außentemperatur, die Temperatur des Expanders und dergleichen erfassen. Je nach Bedarf kann er auch die Temperatur des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders, die Temperatur des Befeuchters und dergleichen erfassen.
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Ein mit einem Thermometer versehener Luftreiniger, z. B. ein Filter, kann an der Luftzufuhröffnung des Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweges angeordnet sein, und die Außentemperatur kann mit dem Thermometer gemessen werden.
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Da der Expander Gas auf Oxidationsgasbasis expandiert, sinkt die Temperatur um den Auslass des Expanders und ist niedriger als die Temperaturen anderer Geräte. Dementsprechend kann das Soll-Druckverhältnis des Oxidationsgases, das zum Aufwärmen des Expanders erforderlich ist, durch Messung zumindest der Temperatur des Expanders ermittelt werden. Gas auf Oxidationsgasbasis bedeutet zumindest eines von dem Oxidationsgas und dem Oxidationsabgas.
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Der Temperaturerfasser ist elektrisch mit dem Controller verbunden. Der Controller erfasst die vom Temperaturerfasser erfassten Temperaturen, wie die Außentemperatur, die Temperatur des Gas-Flüssigkeits-Abscheiders, die Temperatur des Befeuchters und die Temperatur des Expanders. Als Temperaturerfasser kann ein handelsüblicher Temperatursensor, ein Thermometer oder dergleichen verwendet werden.
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3 ist ein Flussdiagramm eines Beispiels für eine Steuerung, die vom Controller des Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird.
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Im Falle des an einem Fahrzeug montierten Brennstoffzellensystems misst der Controller, wenn der Zündschalter des Brennstoffzellensystems eingeschaltet wird, zunächst die Außentemperatur und beurteilt dann, ob die gemessene Außentemperatur 0°C oder weniger beträgt (S101).
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Wenn die Außentemperatur in S101 höher als 0°C ist, beurteilt der Controller in S102, ob die Temperaturen der Gasabgabevorrichtungen 0°C oder weniger betragen oder nicht. Zu den Gasabgabevorrichtungen gehört zumindest der Expander. Je nach Bedarf gehören zu den Gasabgabevorrichtungen auch der Gas-Flüssigkeits-Abscheider, der Befeuchter usw.
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Wenn die Temperaturen der Gasabgabevorrichtungen in S 102 höher als 0°C sind, beendet der Controller die Steuerung.
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Wenn die Außentemperatur in S101 0°C oder weniger beträgt, erfasst der Controller in S201 die Temperaturinformationen der Gasabgabevorrichtungen. In S301 bezieht sich der Controller auf die Datengruppe und stellt das Soll-Druckverhältnis der Luft ein, die von dem als Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung verwendeten Luftkompressor verdichtet wird. Die Lufttemperatur, die zum Aufwärmen der Gasabgabevorrichtungen, wie z. B. des Expanders, erforderlich ist, variiert in Abhängigkeit von der Außentemperatur und den Temperaturen der Gasabgabevorrichtungen. Dementsprechend kann das Druckverhältnis, das zum Aufwärmen der Gasabgabevorrichtungen, wie z. B. des Expanders, erforderlich ist, als Soll-Druckverhältnis festgelegt werden.
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Wenn die Temperaturen der Gasabgabevorrichtungen in S 102 0°C oder weniger betragen, bezieht sich der Controller in S301 auf die Datengruppe und stellt das Soll-Druckverhältnis der vom Luftkompressor verdichteten Luft ein.
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In S401 erlaubt der Controller die Stromerzeugung der Brennstoffzelle.
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In S501 steuert der Controller den Öffnungsgrad des Druckregelventils und den Öffnungsgrad des ersten Bypass-Ventils, um das Druckverhältnis der vom Luftkompressor komprimierten Luft auf das Soll-Druckverhältnis einzustellen. Außerdem kann der Controller die Drehzahl des Luftkompressors auf Basis der von der Brennstoffzelle geforderten Energieerzeugungsmenge bestimmen.
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In S601 beurteilt der Controller, ob seit dem Beginn der Steuerung des Öffnungsgrads des Druckregelventils und des Öffnungsgrads des ersten Bypass-Ventils eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist oder nicht. Die vorgegebene Zeitspanne kann die Zeit sein, die zum Aufwärmen der Gasabgabevorrichtungen erforderlich ist, und sie kann entsprechend eingestellt werden.
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Nachdem die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, beurteilt der Controller in S701, ob die Temperaturen der Gasabgabevorrichtungen, wie z.B. des Expanders, 0°C oder weniger betragen oder nicht. Wenn die Temperaturen der Gasabgabevorrichtungen 0°C oder weniger betragen, beurteilt der Controller erneut, ob die vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist oder nicht.
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Wenn die Temperaturen der Gasabgabevorrichtungen in S801 höher als 0 °C sind, hebt der Controller die Einstellung des Soll-Druckverhältnisses auf und beendet die Steuerung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzelle
- 30
- Oxidationsgas-Zufuhrvorrichtung
- 31
- Oxidationsgas-Zufuhrströmungsweg
- 32
- Oxidationsabgas-Abfuhrströmungsweg
- 33
- erster Bypass-Strömungsweg
- 34
- erstes Bypass-Ventil
- 35
- Druckregelventil
- 36
- Gas-Flüssigkeits-Abscheider
- 37
- Befeuchter
- 38
- erste Abzweigung
- 39
- erste Verbindungsstelle
- 41
- Kühlmittelströmungsweg
- 42
- Kühler
- 43
- Kühlmittel-Bypass-Strömungsweg
- 44
- Dreiwegeventil für Kühlmittel
- 45
- Kühlmittelströmungsweg-Verbindungsstelle
- 46
- Zwischenkühler
- 50
- Controller
- 60
- Expander
- 61
- zweiter Bypass-Strömungsweg
- 62
- zweites Bypass-Ventil
- 63
- zweite Abzweigung
- 64
- zweite Verbindungsstelle
- 70
- Wasserabflussweg
- 100
- Brennstoffzellensystem
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2009176467 A [0003, 0007]
- JP 2007134154 A [0004]
- JP 2004273347 A [0005]
