DE10251878C5

DE10251878C5 - Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffkreislauf

Info

Publication number: DE10251878C5
Application number: DE10251878A
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Wako Sugawara; Kouji Wako Miyano
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-11-09
Filing date: 2002-11-07
Publication date: 2010-02-11
Anticipated expiration: 2022-11-08
Also published as: DE10251878A1; DE10251878B4; JP3588776B2; US7037609B2; US20030148167A1; JP2003151588A

Abstract

Fahrzeug-Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffkreislauf, umfassend:
– eine Brennstoffzelle (1), die mit Brennstoff und mit Luft als Oxidationsmittel gespeist ist, eine Festpolymerelektrolyt-Membran aufweist und elektrische Energie erzeugt;
– einen Brennstoffzufuhrkanal (7) für die Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle (1);
– einen Brennstoffzirkulationskanal (6), welcher aus der Brennstoffzelle (1) abgeführten unverbrauchten Brennstoff in den Brennstoffzufuhrkanal (7) zurückführt; und
– eine Brennstoffpumpe (5), die den unverbrauchten rückgeführten Brennstoff oder ein Gemisch aus unverbrauchtem rückgeführtem und neuzugeführtem Brennstoff ansaugt und ausstößt; gekennzeichnet durch
einen Ejektor (2), der unter Nutzung von durch die Brennstoffströmung entstehendem Unterdruck den unverbrauchten Brennstoff ansaugt und eine Einmischung dieses unverbrauchten Brennstoffs in den Brennstoff, der anschließend in die Brennstoffzelle (1) geleitet wird, bewirkt,
wobei ein Bypass-Strömungskanal (11, 13, 17, 19, 21, 23, 25a, 25b) mit Ventil (12, 14, 18, 20, 22, 24, 26a, 26b) die Pumpe (5) und/oder den Ejektor (2) umgeht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffkreislauf, der Brennstoff zirkuliert und einer Brennstoffzelle zuführt. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, bei welchem der Brennstoffkreislauf mit einer Brennstoffpumpe und einem Ejektor ausgestattet ist.
Stand der Technik
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den vergangen Jahren hat die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle als Energiequelle für ein Elektrofahrzeug etc. zunehmend an Attraktivität gewonnen. Die Polymer-Elektrolyt-Festbrennstoffzelle (PEFC) kann auch bei normaler Temperatur Energie erzeugen und findet in der Praxis vielfältig Anwendung.
Allgemein ist eine Brennstoffzelle unterteilt in einen Kathodenpol auf der einen Seite und einen Anodenpol auf der anderen Seite, wobei dazwischen eine Polymer-Elektrolyt-Membrane angeordnet ist. Es handelt sich hierbei um ein System, welches eine externe Last durch elektrische Energie antreibt, die erzeugt wird durch die chemische Reaktion von Sauerstoff, der in der dem Kathodenpol zugeführten Luft enthalten ist, und Wasserstoff, der dem Anodenpol zugeleitet wird.
Bei einer Brennstoffzelle mit der oben beschriebenen Anordnung muss weitaus mehr Wasserstoff und Luft zugeführt werden als eine Brennstoffzelle verbraucht, um in der Brennstoffzelle erzeugtes Kondenswasser abzuleiten oder um eine Beschädigung der Brennstoffzelle aufgrund von Brennstoffmangel zu verhindern.
Im übrigen wird die Brennstoffzelle mit Wasserstoff aus einem Hochdruckwasserstofftank wie z. B. einem Zylinder gespeist. Wenn unverbrauchter Wasserstoff an die Atmosphäre abgegeben wird, ist dies eine Ursache für eine bedeutende Verschlechterung des Wasserstoffverbrauchs. Deshalb wurde ein Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems so ausgelegt, dass Wasserstoff durch einen Ejektor, der eine Art Wasserstoffpumpe (Brennstoffpumpe) ist, deren Ansaugen und Ausstoßen durch bewegliche Teile wie ein Rotationsmechanismus und ein sich hin- und herbewegendes Teil bewerkstelligt wird, oder durch eine Strahlpumpe zirkuliert wird, wie das in den 19 und 20 dargestellt ist.
Ein Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems ist in der nachstehend beschriebenen Weise angeordnet.
Ein Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems 100, in dem der Brennstoff lediglich mit einer Wasserstoffpumpe zirkuliert wird, entspannt den Druck des aus einem Hochdruckwasserstofftank 104 geförderten Wasserstoffs mit Hilfe eines Reglers 103, wie das in 19 gezeigt ist. Der dekomprimierte Wasserstoff wird durch einen Brennstoffzufuhrkanal 105 in eine Brennstoffzelle 101 geleitet. Wasserstoff, der in die Brennstoffzelle 101 gespeist wird, reagiert mit Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die zu einer Kathodenpolseite geleitet wird, um die Erzeugung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle 101 zu bewirken. Der restliche Wasserstoff, der keine Reaktion eingegangen und in der Brennstoffzelle 101 vorhanden ist, wird aus der Brennstoffzelle 101 abgeleitet und durch eine Wasserstoffpumpe 102 angesaugt, die in einem Strömungskanal 106 des Brennstoffkreises angeordnet ist. Den unverbrauchten Wasserstoff, der durch die Wasserstoffpumpe 102 angesaugt und ausgestoßen wird, lässt man stromabwärts der Wasserstoffpumpe 102 in den Wasserstoff einströmen, der durch den Wasserstoffzufuhrkanal 105 strömt, und führt ihn zurück, damit er der Brennstoffzelle 101 zugeleitet wird.
Zum anderen ist ein Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems auch in folgender Weise angeordnet.
Ein Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems 200, in dem der Brennstoff lediglich durch einen Ejektor zirkuliert wird, entspannt den Druck des aus einem Hochdruckwasserstofftank 204 geförderten Wasserstoffs mit Hilfe eines Reglers 203, wie das in 20 gezeigt ist. Dann wird der dekomprimierte Wasserstoff einem Ejektor 202 zugeleitet. Der dem Ejektor 202 solchermaßen zugeführte Wasserstoff erzeugt, ehe er in die Brennstoffzelle 201 geleitet wird, einen Unterdruck. Der in die Brennstoffzelle 201 geleitete Wasserstoff reagiert mit Sauerstoff in einer Umgebungsluft, die zur Kathodenpolseite geleitet wird, um die Erzeugung von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle 201 zu bewirken. Der vorhandene unverbrauchte Wasserstoff wird aus der Brennstoffzelle 201 abgeleitet, und man lässt ihn in eine Ansaugöffnung 202a, an der der Unterdruck des Ejektors 202 vorhanden ist, einströmen. Der einströmende unverbrauchte Wasserstoff wird in dem Ejektor 202 mit dem aus dem Regler 203 zugeführten Wasserstoff vermischt und verdichtet und in die Brennstoffzelle 201 zurückgeleitet. Brennstoffzellensysteme mit einem Brennstoffkreislauf, bei denen unverbrauchter Brennstoff durch einen Ejektor zum Brennstoffeingang zurückgeführt wird, sind z. B. aus der JP 08-236131 A und der JP 09-213353 A bekannt.
Da jedoch der Wasserstoff bei dem nur die Wasserstoffpumpe 102 aufweisenden Brennstoff kreislauf des Brennstoffzellensystems 100 alleine durch die Wasserstoffpumpe 102 zirkuliert wird, muss von nur einer Wasserstoffpumpenanordnung 102 ein breites Spektrum an Durchflussraten abgedeckt werden. Dadurch stellt sich das Problem, dass die Wasserstoffpumpe 102 an sich hochgesetzt werden muss, um zu arbeiten, wo der Wirkungsgrad schlecht ist. Dies wiederum ist mit dem Problem eines höheren Energieverbrauchs verbunden.
Auch wird bei einem Brennstoffkreislauf des nur einen Ejektor 202 aufweisenden Brennstoffzellensystems 200 der Unterdruck durch Nutzung von Druckenergie in dem Hochdruckwasserstofftank 204 erzeugt, und dieser Unterdruck wird in der Weise genutzt, dass man den aus der Brennstoffzelle 201 abgeleiteten unverbrauchten restlichen Wasserstoff in den aus dem Regler 203 zugeführten Wasserstoff einströmen lässt, mit dem er anschließend vermischt und nach einer Verdichtung zurückgeführt wird. Bei dem Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems 100, bei dem nur eine Wasserstoffpumpe 102 vorgesehen ist, wird hingegen Druckenergie verschwendet.
Andererseits stellt sich auch bei dem Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems 200 mit einem Ejektor 202 ein Problem. Da nämlich in den Ejektor 202 eine Düse zur Umwandlung von Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie eingesetzt ist, kommt es bei einer zur Zeit der Fahrzeugbeschleunigung rasch ansteigenden Leistung der Brennstoffzelle 201 zu einer in 21 dargestellten Ansprechverzögerung, die mit dem Problem verbunden ist, dass die Zirkulationsflußrate nicht sofort den Zielwert erreicht.
Wenn dagegen die Leistung der Brennstoffzelle 201 zur Zeit der Fahrzeugverzögerung nach unten abnimmt, da die Brennstoffzelle 201 keinen Wasserstoff verbraucht, wie das in 21B dargestellt ist, wird die Unterdruckerzeugung in dem Ejektor 202 eingestellt. Deshalb findet keine Zirkulation mehr statt, wodurch das Problem entsteht, das die Zirkulationsflußrate des Ejektors 202 sofort sinkt.
H. Gehrke et all., ”The Hermes Fuel Cell Power Plant”, Proceedings of the European Space Power Conference; Madrid, 2.–6. Oktober 1989, p. 208–209, zeigt in 7 ein Alkali-Brennstoffzellensystem für Raumfahrzeuge, mit einem Brennstoffkreislauf, umfassend: eine Brennstoffzelle, die mit Brennstoff und mitgeführtem Sauerstoff als Oxidationsmittel gespeist ist und elektrische Energie erzeugt; einen Brennstoffzufuhrkanal für die Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle; einen Brennstoffzirkulationskanal, welcher aus der Brennstoffzelle abgeführten unverbrauchten Brennstoff in den Brennstoffzufuhrkanal zurückführt; einen Brennstoffventilator, der den unverbrauchten Brennstoff ansaugt und ausstößt; und einen Ejektor, der unter Nutzung von durch die Brennstoffströmung entstehendem Unterdruck den unverbrauchten Brennstoff ansaugt und eine Einmischung dieses unverbrauchten Brennstoffs in den Brennstoff, der anschließend in die Brennstoffzelle geleitet wird, bewirkt.
Aufgabenstellung
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Zur Beseitigung der vorstehend genannten Probleme wird ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Und zwar wird erfindungsgemäß ein Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems erreicht, der sicherstellen kann, dass die zur Zeit der Leistungsänderung in der Brennstoffzelle benötigte Brennstoff-Zirkulationsflußrate vorhanden ist, und bei dem eine Brennstoffpumpe per se unter Steuerung/Regelung des Energieverbrauchs gedrosselt werden kann.
Zur Beseitigung der vorgenannten Probleme umfasst ein Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellesystems gemäß Anspruch 1:

– eine Brennstoffzelle, die elektrische Energie erzeugt, indem sie mit Brennstoff und mit einem Oxidationsmittel gespeist wird;
– einen Brennstoffzufuhrkanal für die Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle;
– einen Brennstoffzirkulationskanal, der dafür sorgt, dass aus der Brennstoffzelle abgeführter unverbrauchter Brennstoff in den Brennstoffzufuhrkanal einströmt, der den Brennstoff zirkulieren lässt;
– eine Brennstoffpumpe, die den unverbrauchten Brennstoff ansaugt und ausstößt;
– und einen Ejektor, der unter Nutzung des Unterdrucks, der erzeugt wird, wenn Brennstoff strömt, den unverbrauchten Brennstoff einsaugt, damit der Brennstoff in den der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoff einströmt.

Gemäß der in Anspruch 1 angegebenen Erfindung werden die nachstehend genannte Arbeitsweise und die nachstehend genannten Wirkungen erzielt.

(1) Bei Zufuhr von Brennstoff zu einer Brennstoffzelle, während der Brennstoff zirkuliert, können Druckenergien einer Brennstoffzufuhrquelle von einem Ejektor gespeichert werden. Dies trägt dazu bei, die Erhöhung des Energieverbrauchs einer Brennstoffpumpe zu verhindern, was bisher ein Problem war, wenn Brennstoff alleine durch die Brennstoffpumpe zirkuliert wurde.
(2) Da eine Brennstoffpumpe vorhanden ist, ist es auch möglich, die Last beliebig zu ändern. Dadurch kann das Problem der Ansprechverzögerung zur Zeit der Leistungsänderung (zum Beispiel bei der Beschleunigung/Verzögerung von Fahrzeugen) in einer Brennstoffzelle und der abnehmenden Zirkulationsflußrate des Ejektors behoben werden, indem eine Brennstoffpumpe zeitweise betrieben wird.
(3) Dadurch, dass sowohl ein Ejektor als auch eine Brennstoffpumpe vorgesehen sind, lässt sich ein Leistungsabfall der einen durch die jeweils andere Einrichtung kompensieren, während eine der beiden Einrichtungen nicht arbeitet.
(4) In einem Betriebsbereich, in dem die Pumpe kaum arbeitet oder in dem sie stillsteht, wird unnötiger Druckverlust, der dadurch entsteht, dass unverbrauchter Brennstoff (oder ein Mischgas aus dem unverbrauchten Brennstoff und der Brennstoffzelle zugeführtem Brennstoff) die Brennstoffzelle passiert, vermieden.
(5) In einem Betriebsbereich, in dem der Ejektor kaum Druckenergien speichern kann, wird unnötiger Druckverlust, der dadurch entsteht, dass unverbrauchter Brennstoff (oder ein Mischgas aus dem unverbrauchtem Brennstoff und der Brennstoffzelle zugeführtem Brennstoff) den Ejektor passiert, vermieden.

Bei dem Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 2 ist weiterhin die Brennstoffpumpe in dem Brennstoffzirkulationskanal angeordnet, der in die Ansaugöffnung mündet, die zu dem in dem Brennstoffzufuhrkanal angeordneten Ejektor gehört.
Gemäß der in Anspruch 2 beschriebenen Anordnung wird ein Kompressionsvorgang in zwei Schritten durchgeführt, um das von einem Ejektor und einer Pumpe jeweils geforderte Kompressionsvermögen aufzuteilen und dadurch den Synergieef fekt zu erreichen, dass beispielsweise seitens des Ejektors die Luftströmungsrate verbessert wird und seitens der Brennstoffpumpe der Energieverbrauch reduziert wird.
Bei dem Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 3 ist darüber hinaus ein Strömungskanal vorgesehen, der von dem Brennstoffzirkulationskanal abzweigt und zwischen dem Ejektor und der Brennstoffzelle in den Brenn stoffzufuhrkanal einmündet, wobei man durch die Anordnung der Brennstoffpumpe in diesem Strömungskanal zwei Strömungskanäle des Brennstoffkreises erhält.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 3 wird die Durchflussrate, für die eine Brennstoffpumpe und ein Ejektor verantwortlich sind, jeweils geteilt. Da die Durchflussrate, für die eine Brennstoffpumpe verantwortlich ist, gering wird, kann eine Brennstoffpumpe per se gedrosselt werden.
Bei dem Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 4 ist die Brennstoffpumpe zwischen dem Ejektor und der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzufuhrkanal angeordnet.
Gemäß der Erfindung wie in Anspruch 4 angegeben werden der Brennstoffzelle zugeleiteter Brennstoff (Trockengas) und der aus der Brennstoffzelle abgeleitete unverbrauchte Brennstoff (gesättigter Dampf) durch den Ejektor vermischt. Dies bewirkt mit Sicherheit, dass ungesättigtes Dampfgas an dem Auslass des Ejektors erzeugt wird, und dieses Gas wird einer Verdichtung durch eine stromabwärtige Brennstoffpumpe unterzogen. Dabei kann die Entstehung von Kondenswasser als Begleiterscheinung der Verdichtung im Vergleich zu anderen Prozessen weitestgehend verringert werden.
Bei dem Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 5 ist darüber hinaus ein Entleerungsventil in einer Entleerungsleitung, die von dem Brennstoffzirkulationskanal abzweigt, und/oder ein Rückschlagventil in dem Brennstoffzirkulationskanal vorgesehen.
Gemäß der Erfindung wie in Anspruch 5 angegeben werden die folgende Arbeitsweise und die folgenden Wirkungen erzielt.

(1) Durch die Anordnung eines Entleerungsventils können Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch einen Stack von Brennstoffzellen wandert, und von der Brennstoffzelle abgegebene überschüssige Feuchtigkeit abgeschieden und aus dem System abgeführt werden.
(2) Durch die Anordnung des Rückschlagventils wird verhindert, dass der momentan in die Brennstoffzelle geleitete Brennstoff in den Brennstoffzirkulationskanal zurückströmt, ohne die Brennstoffzelle zu passieren, wenn der aus der Brennstoffzelle abgeleitete unverbrauchte Brennstoff mittels eines Entleerungsventils entleert wird.

Bei dem Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems nach Anspruch 6 ist zusätzlich das Rückschlagventil ein elektromagnetisches Rückschlagventil, das auf Grundlage des Mengenzustands des Brennstoffkreislaufes des Brennstoffzellensystems betrieben wird.
Gemäß der Erfindung wie in Anspruch 6 angegeben kann durch die Verwendung eines elektromagnetischen Rückschlagventils anstelle eines mechanischen Rückschlagventils der Druckverlust des Rückschlagventils gering gestaltet werden, wodurch sich die Zirkulationsflußrate des Brennstoffs verbessert.
Bei den Brennstoffzellenkreislauf des Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 7 ist außerdem ein Bypass-Strömungskanal vorgesehen, in dem das Ventil für die Umgehung des in dem Brennstoffzufuhrkanal vorgesehenen Ejektors angeordnet ist.
Gemäß der Erfindung nach Anspruch 7 kann selbst dann, wenn eine Brennstoffzelle bei der Fahrzeugbeschleunigung etc. kurzfristig mit viel Brennstoff versorgt werden muss, diese Versorgung bei einem guten Ansprechverhalten erfolgen.
Ausführungsbeispiel
FIGURENKURZBESCHREIBUNG
1A ist ein allgemeines Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform eines Brennstoffzellenkreislaufes des Brennstoffzellensystems, die nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
1B ist eine erläuternde Darstellung des Merkmals der ersten Ausführungsform eines Brennstoffzellenkreislaufes des Brennstoffzellensystems.
1C ist die Darstellung einer Relation zwischen einem Differenzdruck des Ejektors und der Zirkulationsflußrate.
2 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das die gesamte Anordnung einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems zeigt, das nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
3 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das die gesamte Anordnung einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung zeigt.
4 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das die gesamte Anordnung einer vierten Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung zeigt.
5A ist ein allgemeines Blockdiagramm einer fünften Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung.
5B ist ein allgemeines Blockdiagramm, das eine mehr bevorzugte beispielhafte Modifikation der fünften Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung zeigt.
6A ist ein allgemeines Blockdiagramm einer sechsten Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems, das nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
6B ist eine erläuternde Darstellung des Merkmals der sechsten Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems.
7A ist ein allgemeines Blockdiagramm, das eine siebte Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems zeigt, das nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
7B ist eine erläuternde Darstellung der Installationsstelle eines Rückschlagventils, das nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
8A ist ein allgemeines Blockdiagramm, das eine achte Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems, das nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
8B ist eine erläuternde Darstellung des Merkmals der achten Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems.
9 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das eine neunte Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung zeigt.
10 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das eine zehnte Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung zeigt.
11 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das eine elfte Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung zeigt.
12 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das eine zwölfte Ausführungsform eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung zeigt.
13 ist eine Darstellung (jedoch bei einer im wesentlichen festen Durchflussrate des einer Brennstoffzelle 1 zugeführten Wasserstoffs), die das jeweilige Verhältnis der Durchflussrate zu einem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle bei Betrieb des Ejektors hauptsächlich in einem Bereich hoher Last und bei Betrieb einer Wasserstoffpumpe in einem Bereich niedriger Last zeigt.
14 ist eine Darstellung (jedoch bei einer im wesentlichen festen Durchflussrate des einer Brennstoffzelle 1 zugeführten Wasserstoffs), die das jeweilige Verhältnis der Durchflussrate zu einem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle bei Betrieb des Ejektors hauptsächlich in einem Bereich niedriger Last und bei Betrieb einer Wasserstoffpumpe in einem Bereich hoher Last zeigt.
15 ist eine erläuternde Darstellung der Unterstützungsfunktion einer Wasserstoffpumpe zur Zeit der Fahrzeugbeschleunigung.
16 ist eine erläuternde Darstellung der Unterstützungsfunktion einer Wasserstoffpumpe zur Zeit einer Fahrzeugverlangsamung.
17 ist eine Darstellung der Relation des Druckverlustes zur Durchflussrate eines mechanischen Rückschlagventils und eines elektromagnetischen Rückschlagventils.
18A ist eine Darstellung des Systems das eine Gegenströmung mittels Druck erfasst und nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
18B ist eine Darstellung des Systems, das eine Gegenströmung mittels Temperatur erfasst und nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
18C ist eine Darstellung des Systems, das eine Gegenströmung mittels des Taupunkts und der Feuchtigkeit erfasst und nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
18D ist eine Darstellung des Systems, das eine Gegenströmung durch die Strömungsrate eines Strömungskanals erfasst und nicht durch den Anspruch 1 gedeckt ist.
19 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das die gesamte Anordnung eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems zeigt, welcher Brennstoff lediglich mit Hilfe einer konventionellen Wasserstoffpumpe zirkuliert.
20 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das die gesamte Anordnung eines Brennstoffkreislaufs des Brennstoffzellensystems zeigt, welcher Brennstoff lediglich mit Hilfe eines konventionellen Ejektors zirkuliert;
21A ist eine erläuternde Darstellung der Probleme in einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems, der den Brennstoff lediglich mit Hilfe eines Ejektors etc. zirkuliert, zur Zeit der Fahrzeugbeschleunigung.
21B ist eine erläuternde Darstellung der Probleme in einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems, der den Brennstoff lediglich mit Hilfe eines Ejektors etc. zirkuliert, zur Zeit der Fahrzeugverlangsamung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Brennstoffkreislaufs (im Folgenden auch Brennstoffkreis genannt) des in Fahrzeugen mitgeführten Brennstoffzellensystems werden nun unter Bezugnahme auf die 2 bis 18 beschrieben.
Zunächst wird der Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems (Typ Serienhybrid) gemäß der ersten bis fünften Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 erläutert.
Ein Serienhybridtyp ist ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems, der einen Ejektor im Brennstoffzufuhrkanal und eine Brennstoffpumpe im Brennstoffzirkulationskanal hat, wobei eine Brennstoffzelle zwischengeschaltet ist.
Zuerst wird ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform mit Bezug auf 1 beschrieben. Dabei ist 1A ein allgemeines Blockdiagramm der ersten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems. 1B ist eine erläuternde Darstellung des Merkmals der ersten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems, und 1C ist ein Diagramm, das die Relation zwischen dem Differenzdruck des Ejektors und der Zirkulationsflußrate zeigt.
In einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform umfasst der Hauptteil:

– eine Brennstoffzelle 1, die elektrische Energie erzeugt, indem sie mit Wasserstoff als Brennstoff und mit sauerstoffhaltiger Luft als Oxidationsmittel gespeist wird;
– einen Brennstoffzufuhrkanal 7 zur Zufuhr von Wasserstoff aus einem Hochdruckwasserstofftank 4 zur Brennstoffzelle 1;
– einen in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Regler 3 zur Einstellung des Drucks des der Brennstoffzelle 1 zugeführten Wasserstoffs;
– einen Ejektor 2 mit einer Ansaugöffnung 2a, der unter Anwendung des durch die Wasserstoffströmung in dem Ejektor erzeugten Unterdrucks bewirkt, dass aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes unverbrauchtes Anodenabgas in Wasserstoff eingemischt wird, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird;
– einen Brennstoffzirkulationskanal 6, in dem aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes unverbrauchtes Anodenabgas veranlasst wird, in den Ejektor 2 einzumünden, um den Wasserstoff zu zirkulieren; und
– eine Wasserstoffpumpe 5, die eine in dem Brennstoffzirkulationskanal 6 angeordnete Brennstoffpumpe ist, die Anodenabgas ansaugt und ausstößt.

Die Arbeitsweise eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform mit der vorstehenden Anordnung wird unter Bezugnahme auf 1A beschrieben.
Druckgaswasserstoff wird bereits vorab an einer Druckgaswasserstoffabfüllstelle durch eine Wasserstoff-Einfüllöffnung (nicht gezeigt) zugeführt und in dem Hochdruckwasserstofftank 4, der in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführt wird, gespeichert (der Fülldruck beträgt z. B. 20–50 MPaG, wobei MPaG den Manometerdruck bezeichnet).

(1) Der Zündschalter der Fahrzeuge steht auf AN.
(2) Nach Bedarf wird Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 durch den Brennstoffzufuhrkanal 7 in die Brennstoffzelle 1 geleitet.
(3) Wasserstoff, der ein in die Brennstoffzelle 1 geleiteter Brennstoff ist, reagiert mit Sauerstoff in der Umgebungsluft, die ein in die Brennstoffzelle 1 geleitetes Oxidationsmittel ist, und erzeugt in der Brennstoffzelle 1 elektrische Energie.
(4) In der Brennstoffzelle 1 vorhandener unverbrauchter Wasserstoff wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt, von der Wasserstoffpumpe, die eine Brennstoffpumpe ist, angesaugt und ausgestoßen und zur Rückkehr zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 veranlasst.
(5) Anodenabgas, das zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückgeführt wurde, wird mit dem Wasserstoff, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet und in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der ersten Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung und Arbeitsweise gilt Folgendes:

(1) Wenn Wasserstoff unter Zirkulation durch einen Ejoktor 2 in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, lässt sich eine Erhöhung des Energieverbrauchs, die bei Zirkulation von Wasserstoff alleine durch die Wasserstoffpumpe 5 ein Problem bereitet hat, kontrollieren/steuern, da der Ejektor 2 Druckenergien aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 speichern kann.
(2) Außerdem kann dadurch, dass die Wasserstoffpumpe 5 vorgesehen ist, die Last beliebig geändert werden. Dies trägt zur Behebung von Problemen bei, wie sie im Falle einer Zirkulation alleine durch den Ejektor 2 entstanden sind, so zum Beispiel eine Ansprechverzögerung des Ejektors 2 zur Zeit der Leistungsänderung in der Brennstoffzelle 1 (z. B. bei der Beschleunigung/Verzögerung von Fahrzeugen) oder eine abnehmende Zirkulationsflußrate des Ejektors 2.
(3) Wenn entweder der Ejektor 2 oder die Wasserstoffpumpe 5 nicht arbeitet, so kann die eine Vorrichtung den Leistungsausfall der jeweils anderen Vorrichtung kompensieren.
(4) Indem der Ejektor 2 und die Wasserstoffpumpe 5 in einem Brennstoffzufuhrkanal 7 bzw. in einem Brennstoffzirkulationskanal 6 angeordnet sind, erfolgt die Anhebung des Drucks_P für die Wasserstoffzufuhr zur Brennstoffzelle 1 nicht in einem Schritt, sondern in zwei Schritten, indem jede der Einrichtungen zum Einsatz kommt. Demzufolge kann die Durchflussrate seitens des Ejektors 2 verbessert werden (da der Druckverlust_Pe vor und hinter dem Ejektor 2 reduziert und die Zirkulationsflußrate erhöht wird, weil das Verhältnis zwischen dem Druckverlust_Pe und der Zirkulationsflußrate Qe des Ejektors 2 in 1C umgekehrt proportional ist). Was die Wasserstoffpumpe 5 anbelangt, kann der Energieverbrauch aufgrund der reduzierten Kompressionsarbeit verringert werden. Dadurch wird ein Synergieeffekt erzielt.

Es folgt die Erläuterung einer zweiten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems unter Bezugnahme auf 2. 2 ist eine allgemeine Darstellung der gesamten Anordnung des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems einer zweiten Ausführungsform.
Der Unterschied zwischen der Anordnung des Brennstoffzellensystems des Typs mit Brennstoffzirkulation der zweiten Ausführungsform und der Anordnung des Brennstoffzellensystems des Typs mit Brennstoffzirkulation der ersten Ausführungsform ist wie in 2 dargestellt und besteht darin, dass eine Entleerungsleitung 9 vorgesehen ist, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt und für die Ableitung des Fluids aus dem System dient; ein Entleerungsventil 10, das in dieser Entleerungsleitung 9 beliebig geöffnet und geschlossen wird; und ein Rückschlagventil 8, das eine Strömung von der Wasserstoffpumpe 5 zu dem Ejektor 2 zulässt und eine Strömung von dem Ejektor 2 zur Wasserstoffpumpe 5 stromabwärts der Wasserstoffpumpe, die eine in dem Brennstoffzirkulationskanal 6 des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform angeordnete Brennstoffpumpe ist, verhindert.
Soweit Bauteile und Abschnitte der zweiten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems mit jenen der ersten Ausführungsform identisch sind und zur Erläuterung herangezogen werden, tragen diese die gleichen Bezugszeichen.
Die Arbeitsweise eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Druckgaswasserstoff wird bereits vorher an einer Abfüllstelle für Druckgaswasserstoff durch eine (nicht gezeigte) Druckgaswasserstoff-Einfüllöffnung (z. B. bei einem Fülldruck von 20–50 MPaG) eingefüllt und in einem in Brennstoffzellenfahrzeugen mitgeführten Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

(1) Der Zündschalter der Fahrzeuge steht auf AN.
(2) Wasserstoff wird nach Bedarf durch einen Brennstoffzufuhrkanal 7 aus einem Hochdruckwasserstofftank 4 zu einer Brennstoffzelle 1 geleitet. Dabei wird der Zuleitungsdruck von Wasserstoff zur Brennstoffzelle 1 durch den Regler 3 eingestellt.
(3) Wasserstoff, der ein in die Brennstoffzelle 1 gespeister Brennstoff ist, reagiert mit Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Luft, die als Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, und erzeugt elektrische Energie in der Brennstoffzelle 1.
(4) In der Brennstoffzelle 1 vorhandener Wasserstoff, der keine Reaktion eingegangen ist, wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt, von der Wasserstoffpumpe 5, die eine Brennstoffpumpe ist, angesaugt und ausgestoßen und veranlasst, zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückzukehren.
(5) Anodenabgas, das zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückgeführt wurde, wird mit dem Wasserstoff, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet, um zur Brennstoffzelle 1 zurückgeführt werden.
(6) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, oder von der Brennstoffzelle 1 abgegebene überschüssige Feuchtigkeit abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird das in der von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigenden Entleerungsleitung 9 vorgesehene Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung vorgenommen.
(7) Wenn eine Wasserstoffentleerung vorgenommen wird, strömt Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 dank des stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 angeordneten Rückschlagventils 8 nicht rückwärts. Daher gibt es keinen Brennstoffmangel in der Brennstoffzelle 1. Infolgedessen wird die Brennstoffzelle 1 stabil betrieben. Außerdem kann ein Rückschlagventil 8 stromaufwärts der Wasserstoffpumpe 5 vorgesehen sein.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung gilt:

(1) Dank der Anordnung des Entleerungsventils 10 in der von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigenden Entleerungsleitung 9 und des Rückschlagventils 8 in dem Brennstoffzirkulationskanal 6 werden eine ansonsten durch die Ansammlung von Kondenswasser in der Brennstoffzelle 1 verursachte Überflutung oder ein Brennstoffmangel (Verzögerung) in der Brennstoffzelle 1 verhindert, so dass die Brennstoffzelle 1 stabil betrieben werden kann.

Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist eine allgemeine Darstellung der gesamten Anordnung des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform.
Der Unterschied zwischen der Anordnung eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform und der Anordnung eines Brennstoffkreises des Brennstoffsystems der zweiten Ausführungsform liegt darin, dass ein Bypass-Strömungskanal 11, der die Wasserstoffpumpe 5 umgeht, die eine Brennstoffpumpe des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform ist, und ein Ventil 12 vorgesehen sind, das, wie in 3 gezeigt ist, in diesem Bypass-Strömungskanal 11 in dem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform beliebig geöffnet werden kann.
Soweit Bauteile und Abschnitte der dritten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems mit jenen der zweiten Ausführungsform identisch sind und für die Erläuterung herangezogen werden, tragen diese die gleichen Bezugszeichen.
Die Arbeitsweise des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform mit einer derartigen Anordnung wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Druckgaswasserstoff wird bereits vorher an einer Abfüllstelle für Druckgaswasserstoff durch eine (nicht gezeigte) Druckgaswasserstoff-Einfüllöffnung (z. B. mit einem Fülldruck von 20–50 MPaG) eingefüllt und in einem in Brennstoffzellenfahrzeugen mitgeführten Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

(1) Der Zündschalter der Fahrzeuge steht auf AN.
(2) Wasserstoff wird nach Bedarf durch den Brennstoffzufuhrkanal 7 von einem Hochdruckwasserstofftank 4 zu einer Brennstoffzelle 1 geleitet.
(3) Wasserstoff, der ein in die Brennstoffzelle 1 gespeister Brennstoff ist, reagiert mit Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Luft, die als Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, und erzeugt elektrische Energie in der Brennstoffzelle 1.
(4) In der Brennstoffzelle 1 vorhandener Wasserstoff, der keine Reaktion eingegangen ist, wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt, von der Wasserstoffpumpe 5, die eine Brennstoffpumpe ist, angesaugt und ausgestoßen und veranlasst, zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückzukehren.
(5) Anodenabgas, das zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückgeführt wurde, wird mit dem Wasserstoff, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet, um in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt werden.
(6) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, oder von der Brennstoffzelle 1 abgegebene überschüssige Feuchtigkeit abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird das in der von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigenden Entleerungsleitung 9 vorgesehene Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung vorgenommen.
(7) Wenn eine Wasserstoffentleerung vorgenommen wird, strömt Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 dank des stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 angeordneten Rück schlagventils 8 nicht rückwärts, so dass eine Brennstoffzelle stabil betrieben werden kann. Ein Rückschlagventil kann auch stromaufwärts der Wasserstoffpumpe 5 vorgesehen sein.
(8) In einem Betriebsbereich, in dem die Wasserstoffpumpe 5 kaum arbeitet oder in dem sie stillsteht, kann aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas durch Öffnen des Ventils 12, das in dem Bypass-Strömungskanal 11 angeordnet ist, der von der Entleerungsleitung 9 abzweigt und mit einem Abschnitt stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 verbunden ist, zur Seite des Bypass-Strömungskanals 11 geführt werden. Dadurch lässt sich unnötiger Druckverlust vermeiden, der entsteht, wenn Anodenabgas in die Wasserstoffpumpe 5 geleitet wird.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform mit oben beschriebener Anordnung:
In einem Betriebsbereich, in dem die Wasserstoffpumpe 5 kaum arbeitet oder in dem sie stillsteht, wird durch die Nutzung des Bypass-Strömungskanals 11, der die Wasserstoffpumpe 5 umgeht, und des Ventils 12 in diesem Bypass-Strömungskanal 11 ein unnötiger Druckverlust vermieden, dessen Entstehung durch aus der Brennstoffzelle 1 abgegebenes Anodenabgas verursacht wird, das die Wasserstoffpumpe 5 passiert. Da der Druckverlust verglichen mit dem Fall, in dem das Anodengas die Wasserstoffpumpe 5 passiert, verringert wird, verbessert sich die Zirkulationsflußrate des Ejektors 2.
Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 ist eine allgemeine Darstellung der gesamten Anordnung des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der vierten Ausführungsform. Der Unterschied zwischen der vierten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems und der zweiten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems liegt darin, dass ein Bypass-Strömungskanal 13 vorgesehen ist, der stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5, die eine Brennstoffpumpe ist, abzweigt und stromabwärts des Ejektors 2 mündet, und ein Ventil 14, das in dem in der vierten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems vorgesehenen Bypass-Strömungskanal 13 beliebig geöffnet und geschlossen werden kann.
Die Arbeitsweise des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der vierten Ausführungsform mit einer derartigen Anordnung wird nun unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. Druckgaswasserstoff wird bereits vorher an einer Abfüllstelle für Druckgaswasserstoff durch eine (nicht gezeigte) Druckgaswasserstoff-Einfüllöffnung (z. B. mit einem Fülldruck von 20–50 MPaG) eingefüllt und in einem in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführten Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

(1) Der Zündschalter der Fahrzeuge steht auf AN.
(2) Wasserstoff wird nach Bedarf durch den Brennstoffzufuhrkanal 7 aus einem Hochdruckwasserstofftank 4 in eine Brennstoffzelle 1 geleitet. Dabei wird der Speisedruck des in die Brennstoffzelle 1 zu leitenden Wasserstoffs durch den Regler 3 eingestellt.
(3) Wasserstoff, der ein in die Brennstoffzelle 1 gespeister Brennstoff ist, reagiert mit Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Luft, die als Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, und erzeugt elektrische Energie in der Brennstoffzelle 1.
(4) In der Brennstoffzelle 1 vorhandener Wasserstoff, der keine Reaktion eingegangen ist, wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt, von der Wasserstoffpumpe 5, die eine Brennstoffpumpe ist, angesaugt und ausgestoßen und veranlasst, zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückzukehren.
(5) Anodenabgas, das zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückgeführt wurde, wird mit dem Wasserstoff, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet und in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt.
(6) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, oder von der Brennstoffzelle 1 abgegebene überschüssige Feuchtigkeit abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird das in der Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt, vorgesehene Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung vorgenommen.
(7) Wenn eine Wasserstoffentleerung vorgenommen wird, strömt Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 dank des im Unterstrom der Wasserstoffpumpe 5 angeordneten Rückschlagventils 8 nicht rückwärts. Daher wird die Brennstoffzelle 1 stabil betrieben. Ein Rückschlagventil kann auch stromaufwärts der Wasserstoffpumpe 5 vorgesehen sein.
(8) In einem Betriebszustand, in dem der Ejektor 2 kaum Druckenergien speichern kann, wird durch das Öffnen des Ventils 14, das in dem einen stromabwärtigen Bereich einer Wasserstoffpumpe 5 mit einem stromabwärtigen Bereich eines Ejektors 2 verbindenden Bypass-Strömungskanal 13 angeordnet ist, veranlasst, dass aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas die Seite des Bypass-Strömungskanals 13 passiert. Demzufolge wird ein unnötiger Druckverlust verhindert, der entsteht, wenn man das Anodenabgas den Ejektor 2 passieren lässt.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der vierten Ausführungsform mit oben beschriebener Anordnung:
In einem Betriebszustand, in dem der Ejektor 2 kaum Druckenergien speichern kann, wird durch die Nutzung des den Ejektor 2 umgehenden Bypass-Strömungskanals 13 und eines Ventils 14 in diesem Bypass-Strömungskanal 13 ein unnötiger Druckverlust verhindert, der entsteht, indem aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas den Ejektor 2 in einem Zustand passiert, in dem es mit Wasserstoff vermischt ist, der aus dem Druckgaswasserstoffbehälter 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist.
Da der Druckverlust auf der Ansaugseite der Wasserstoffpumpe 5 im Vergleich zu dem Fall verringert wird, in dem man das Anodenabgas durch den Ejektor 2 passieren lässt, wird die Zirkulationsflußrate verbessert. Demzufolge kann eine Erhöhung des Energieverbrauchs der Wasserstoffpumpe 5 kontrolliert/gesteuert werden.
Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 5A beschrieben. 5A ist eine allgemeine Darstellung der Gesamtanordnung des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform. Der Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform ist in der Weise ausgelegt, dass der Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der dritten Ausführungsform in den Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der vierten Ausführungsform integriert ist. Das heißt es handelt sich um den Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems, gemäß welchem ein Bypass 13 und 11 jeweils bei dem in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Ejektor 2 und auch bei der Wasserstoffpumpe 5, die eine in dem Brennstoffzirkulationskanal 6 vorgesehene Brennstoffpumpe ist, vorgesehen und Ventile 14 und 12 jeweils in den Bypass-Strömungskanälen 13 und 11 angeordnet sind.
Die Arbeitsweise eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der solchermaßen angeordneten fünften Ausführungsform wir nunmehr unter Bezugnahme auf 5A beschrieben. Druckgaswasserstoff wird vorab an einer Druckgaswasserstoffabfüllstelle durch eine (nicht gezeigte) Füllöffnung eingefüllt (der Fülldruck beträgt z. B. 20–50 MPaG) und in dem in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführten Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

(1) Der Zündschalter des Fahrzeugs steht auf AN.
(2) Wasserstoff wird nach Bedarf durch den Brennstoffzufuhrkanal 7 von einem Hochdruckwasserstofftank 4 zu einer Brennstoffzelle 1 geleitet. Dabei wird der Speisedruck des in die Brennstoffzelle 1 zu leitenden Wasserstoffs durch den Regler 3 eingestellt.
(3) Wasserstoff, der ein in die Brennstoffzelle 1 gespeister Brennstoff ist, reagiert mit Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Luft, die als Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, und erzeugt elektrische Energie in der Brennstoffzelle 1.
(4) In der Brennstoffzelle 1 vorhandener Wasserstoff, der keine Reaktion eingegangen ist, wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt, von der Wasserstoffpumpe 5, die eine Brennstoffpumpe ist, angesaugt und ausgestoßen und veranlasst, zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückzukehren.
(5) Anodenabgas, das zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückgeführt wurde, wird mit dem Wasserstoff, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet und in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt.
(6) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, oder von der Brennstoffzelle 1 abgegebene überschüssige Feuchtigkeit abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird das in der Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt, vorgesehene Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung vorgenommen.
(7) Wenn eine Wasserstoffentleerung vorgenommen wird, strömt Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 dank des stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 angeordneten Rückschlagventils 8 nicht rückwärts.
(8) In einem Betriebsbereich, in dem die Wasserstoffpumpe 5 kaum arbeitet oder in dem sie stillsteht, wird durch das Öffnen des Ventils 12, das in dem Bypass-Strömungskanal 11 angeordnet ist, der von der Entleerungsleitung 9 abzweigt und mit einem Bereich stromabwärts der Wasserstoffpumpe verbunden ist, veranlasst, dass aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas die Seite des Bypass-Strömungskanals 11 passiert. Dann ist unnötiger Druckverlust, der entsteht, indem man das Anodenabgas durch die Wasserstoffpumpe 5 passieren lässt, vermeidbar.
(9) In einem Betriebsbereich, in dem der Ejektor 2 kaum Druckenergien speichern kann, vermeidet man durch das Öffnen des Ventils 14, das in dem einen Bereich stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 und einen Bereich stromabwärts des Ejektors 2 verbindenden Bypass-Strömungskanal 13 vorgesehen ist, und indem man aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas auf der Seite des Bypass-Strömungskanals 13 passieren lässt, einen unnötigen Druckverlust, der entsteht, wenn man das Anodenabgas Ejektor 2 passieren lässt.

Gemäß einer Wasserstoffzufuhreinrichtung für die Brennstoffzellen der fünften Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung und Arbeitsweise:

(1) In einem Betriebsbereich, in dem die Wasserstoffpumpe 5 kaum arbeitet oder in dem sie still steht, kann man einen unnötigen Druckverlust, der dadurch entsteht, dass aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas durch die Wasserstoffpumpe 5 geleitet wird, durch die Anordnung des die Wasserstoffpumpe 5 umgehenden Bypass-Strömungskanals 11 und des Ventils 12 in diesem Bypass-Strömungskanal 11 vermeiden. Deshalb verbessert sich die Zirkulationsflußrate des Ejektors 2, da im Vergleich zu dem Fall, in dem das Anodenabgas durch die Wasserstoffpumpe 5 geleitet wird, der Druckverlust verringert wird.
(2) In einem Betriebsbereich, in dem der Ejektor 2 kaum Druckenergien speichern kann, kann man einen unnötigen Druckverlust, der dadurch entsteht, dass aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas in einem mit dem aus dem Hochdruckwasserstoffspeicher 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leitenden Wasserstoff gemischten Zustand durch den Ejektor 2 geleitet wird, durch die Nutzung des den Ejektor 2 umgehenden Bypass-Strömungskanals 13 und des Ventils 14 in diesem Bypass-Strömungskanal 13 vermeiden.

Da der Druckverlust auf der Ansaugseite der Wasserstoffpumpe 5 verglichen mit dem Fall, in dem das Anodenabgas durch den Ejektor 2 geleitet wird, geringer ist, verbessert sich die Zirkulationsflußrate. Infolgedessen kann eine Erhöhung des Energieverbrauchs der Wasserstoffpumpe 5 kontrolliert/gesteuert werden.

(3) Durch diese Synergieeffekte wird ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems erreicht, bei dem eine Drosselung/Verkleinerung der Pumpe 5 erreicht wird und der Energieverbrauch der Wasserstoffpumpe 5 kontrolliert/gesteuert werden kann.

Mehr bevorzugte Modifikationen eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform sind in 5B dargestellt. Der Unterschied zur Anordnung eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform liegt darin, dass ein Bypass-Strömungskanal 25a, der einen Bereich stromaufwärts und stromabwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Ejektors 2 umgeht, und ein Ventil 26a vorgesehen sind, das in dem modifizieren Beispiel in diesem Bypass-Strömungskanal 25a beliebig geöffnet und geschlossen werden kann. 5B zeigt außerdem ein allgemeines Blockdiagramm eines mehr bevorzugten modifizierten Beispiels. Bauteile und Abschnitte, die identisch sind mit jenen der ersten Ausführungsform und die zu Beschreibungszwecken herangezogen werden, tragen die gleichen Bezugszeichen.
Die Arbeitsweise dieser mehr bevorzugten Modifikation eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der fünften Ausführungsform mit dieser Anordnung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 5B beschrieben, wobei der Einfachheit halber diejenigen Passagen weggelassen wurden, die deckungsgleich mit den unter (1) bis (9) beschriebenen Arbeitsweisen sind.

(10) Durch den vorhandenden Bypass-Strömungskanal 25a, der einen Abschnitt stromaufwärts und stromabwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Ejektors 2 verbindet, und durch das vorhandene Ventil 26a in diesem Bypass-Strömungskanal 25a kommt es selbst im Fall eines hohen Bedarfs an Wasserstoff, der in die Brennstoffzelle 1 gespeist werden muss, zu keiner durch das Passieren des Ejektors bedingten Ansprechverzögerung, so dass dem Bedarf vorteilhaft gefolgt werden kann.

Die sechste Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems und die siebte Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems (Typ Parallelhybrid) werden nachstehend unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschrieben.
Ein Parallelhybrid entspricht einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems, bei welchem der Strömungskanal 15 in der Weise angelegt ist, dass er von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt und in einen Bereich stromabwärts des Ejektors 2 einmündet, so dass bei dem vorstehend beschriebenen Reihenhybridtyp des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems zwei Strömungskanäle des Brennstoffkreises mit Brennstoffpumpen in diesem Strömungskanal 15 vorhanden sind.
Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform wird zunächst mit Bezug auf 6 beschrieben. 6A ist ein allgemeines Blockdiagramm der sechsten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems, und 6B ist eine erläuternde Darstellung des Merkmals des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform. Der Unterschied zwischen der Anordnung der sechsten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems und der zweiten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems besteht darin, dass eine Wasserstoffpumpe 5, die eine Brennstoffpumpe des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform ist, in der Weise vorgesehen ist, dass sie unter Abzweigung von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 in den Strömungskanal 15 verlagert ist, der in einen Bereich stromabwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Ejektors 2 mündet.
Sofern Bauteile und Abschnitte zur Beschreibung herangezogen werden, die identisch sind mit jenen des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform, tragen diese die gleichen Bezugsziffern.
In einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform umfasst dessen wesentlicher Abschnitt wie in 6A gezeigt:

– eine Brennstoffzelle 1, die elektrische Energie erzeugt, indem sie mit Wasserstoff als Brennstoff und mit sauerstoffhaltiger Luft als Oxidationsmittel gespeist wird;
– einen Brennstoffzufuhrkanal 7 zur Zuleitung von Wasserstoff aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 zur Brennstoffzelle 1;
– einen Regler 3, der in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordnet ist und den Druck des in die Brennstoffzelle 1 geleiteten Wasserstoffs einstellt;
– einen Ejektor 2, der stromabwärts des Reglers 3 angeordnet ist und eine Ansaugöffnung 2a aufweist, in die aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas angesaugt wird unter Nutzung eines Unterdrucks, der entsteht, wenn in dem Ejektor Wasserstoff strömt, der in den aus dem Hochdruckwasserstofftank in die Brennstoffzelle 1 zu leitenden Wasserstoff einzumischen ist;
– einen Brennstoffzirkulationskanal 6, der mit einem Rückschlagventil 8 versehen ist, welches dafür sorgt, dass der aus der Brennstoffzelle 1 abgeführte und Anodenabgas enthaltende Luftanteil in die Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 mündet und zurückgeführt wird;
– einen Strömungskanal 15, der von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt und in einen Abschnitt stromabwärts des Ejektors 2 mündet;
– eine Wasserstoffpumpe 5, die eine in dem Strömungskanal 15 vorgesehene Brennstoffpumpe ist und die Anodenabgas ansaugt und in den Wasserstoffzufuhrkanal 7 ausstößt;
– eine Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt; und
– ein Ventil 10, das in dieser Entleerungsleitung 9 angeordnet ist und beliebig geöffnet und geschlossen werden kann.

Die Arbeitsweise des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der in dieser Weise angeordneten sechsten Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 6A beschrieben.
Druckgaswasserstoff wird vorab an einer Druckgaswasserstoffabfüllstelle (z. B. mit einem Fülldruck von 20–50 MPaG) durch eine Wasserstoff-Einfüllöffnung (nicht gezeigt) eingefüllt und in einem in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführtem Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

(1) Der Zündschalter der Fahrzeuge steht auf AN.
(2) Wasserstoff wird nach Bedarf durch den Brennstoffzufuhrkanal 7 aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 geleitet. Dabei wird der Speisedruck des der Brennstoffzelle 1 zugeführten Wasserstoffs durch den Regler 3 eingestellt.
(3) Wasserstoff, der ein in die Brennstoffzelle 1 geleiteter Brennstoff ist, reagiert mit Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Luft, die als Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, und erzeugt in der Brennstoffzelle 1 elektrische Energie.
(4) In der Brennstoffzelle 1 vorhandener unverbrauchter Wasserstoff wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt, teilweise von der Wasserstoffpumpe 5, die als Brennstoffpumpe in dem Strömungskanal 15 vorgesehen ist, angesaugt, in den Wasserstoffzufuhrkanal 7 ausgestoßen und in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt.
(5) Dagegen wird veranlasst, dass das restliche Anodenabgas zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückgeführt, mit Wasserstoff, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, vermischt und verdichtet und in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt wird.
(6) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, oder von der Brennstoffzelle 1 abgegebene überschüssige Feuchtigkeit abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird veranlasst, dass das in der Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt, vorgesehene Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet wird, um eine Wasserstoffentleerung vorzunehmen.
(7) Wenn eine Wasserstoffentleerung durchgeführt wird, erlaubt das stromaufwärts des Ejektors 2 (auf der Seite des Strömungskanals des Brennstoffkreises) installierte Rückschlagventil 8 einen stabilen Betrieb der Brennstoffzelle 1, ohne dass Wasserstoff zurückfließen kann.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung und Arbeitsweise sind der mit dem Rückschlagventil 8 versehene Brennstoffzirkulationskanal 6, in dem aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas zur Einmündung in die Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 veranlasst und zurückgeführt wird, wie in 6B gezeigt, und der Strömungskanal 15 vorgesehen, der von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt und mit einem Bereich stromabwärts des Ejektors 2 verbunden ist, wobei dieser Strömungskanal 15 die Wasserstoffpumpe 5 aufweist. Dank der in diesem Strömungskanal 15 vorhandenen Wasserstoffpumpe 5, wird die Durchflussrate, für welche die Wasserstoffpumpe 5 und der Ejektor 2 jeweils verantwortlich sind, geteilt. Das heißt die Zirkulationsflußrate Qb ist der Gesamtwert aus der Durchflussrate Qe des Ejektors und der Förderrate Qp der Wasserstoffpumpe. Dementsprechend kann im Gegensatz zu einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems, das lediglich eine Wasserpumpe aufweist, die Förderrate der Wasserstoffpumpe 5 reduziert werden, was zu einer Drosselung/Verkleinerung der Wasserstoffpumpe 5 beiträgt.
Diese sechste Ausführungsform ist auch wirksam, um den Druckverlust speziell in dem Strömungskanal 15 im Vergleich zu der später beschriebenen siebten Ausführungsform gering zu gestalten.
Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der siebten Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. 7A ist ein allgemeines Blockdiagramm der siebten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems, und das Diagramm von 7B zeigt die Installationsstelle eines Rückschlagventils gemäß der Erfindung.
Der Unterschied zwischen der Anordnung der siebten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems und der sechsten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems liegt darin, dass in dem Brennstoffkreis der siebten Ausführungsform auf einer der beiden Seiten, nämlich entweder stromaufwärts oder stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 (in dieser Ausführungsform stromaufwärts der Wasserstoffpumpe 5) ein Rückschlagventil 16 in dem Strömungskanal 15 angeordnet ist. Dies ist ein bevorzugtes modifiziertes Beispiel der sechsten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems.
Demzufolge tragen diejenigen Bauteile und Abschnitte, die mit denen des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform identisch sind und zur Erläuterung herangezogen werden, die gleichen Bezugszeichen.
Die Arbeitsweise eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der siebten Ausführungsform mit oben beschriebener Anordnung wird unter Bezugnahme auf 7 erläutert, wobei diejenigen Punkte übersprungen werden, die mit den Punkten (1) bis (6) der vorstehend beschriebenen sechsten Ausführungsform übereinstimmen.

(7) Wenn eine Wasserstoffentleerung durchgeführt wird, ist stromaufwärts des Ejektors 2 ein Rückschlagventil 8 installiert, um zu verhindern, dass Wasserstoff aus der Ansaugöffnung 2a in Richtung auf einen Strömungskanal 6 des Brennstoffkreises zurückströmt. Da ferner auch stromaufwärts (oder stromabwärts) der Wasserstoffpumpe 5 ein Rückschlagventil 16 angeordnet ist, ist dies eine über den Fluidwiderstand in der Wasserstoffpumpe 5 hinausgehende Maßnahme zur Verhinderung einer Gegenströmung, wodurch von einem Bereich stromabwärts des Ejektors 2 in Richtung des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises zuströmender Wasserstoff in geeigneter Weise kontrolliert/gesteuert werden kann. Daher wird ein stabilerer Betrieb der Brennstoffzelle erreicht.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der siebten Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung und Arbeitsweise ist, wie in 7 dargestellt, das Rückschlagventil 8 in einem Brennstoffzirkulationskanal 6 angeordnet, in welchem man aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas in die Ansaugöffnung 2a des Ejektors einmünden lässt, so dass Wasserstoff zirkuliert werden kann. Zusammen damit ist auch das Rückschlagventil 16 stromaufwärts der Wasserstoffpumpe 5 in dem Strömungskanal 15 vorgesehen. Demzufolge kann in einem Betriebsbereich, in dem entweder der Ejektor 2 oder die Wasserstoffpumpe 5 aufgehört haben zu arbeiten, auf vorteilhaftere Weise als bei dem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der sechsten Ausführungsform verhindert werden, dass Wasserstoff eine Gegenströmung verursacht, die dazu führt, dass Wasserstoff von der Auslassseite der Brennstoffzelle 1 in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird.
Wenn die Position für die Anbringung des Rückschlagventils 8 und 16 in diesem Fall auf der Seite stromaufwärts des Wendepunkts des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises vorgesehen ist, wie das in 7B dargestellt ist, wird auf der Seite stromabwärts eines Wendepunkts ein innerer Kreislauf gebildet. Das Ergebnis zeigt, dass Anodengas unmöglich angezogen werden kann. Deshalb wird die Position für die Anbringung vorzugsweise auf einer Seite stromabwärts des Wendepunkts des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises bestimmt.
Da bei der Anordnung in der soweit beschriebenen sechsten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems oder siebten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems auf einer Seite stromabwärts des Wendpunkts des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises der Brennstoffzelle 1 das Rückschlagventil 8 und/oder 16 vorgesehen sind, kann verhindert werden, dass Wasserstoff eine Gegenströmung verursacht, die zu einer Rückführung von der Auslassseite der Brennstoffzelle 1 in die Brennstoffzelle 1 führt, wenn ein Zustand gegeben ist, in dem, die Zeit der Entleerung ausgenommen, entweder der Ejektor 2 oder die Wasserstoffpumpe 5 nicht mehr arbeiten.
Außerdem können in einem vorteilhafter modifizierten Beispiel eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der siebten Ausführungsform ähnlich wie in der fünften Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems ein einen Bereich stromaufwärts und stromabwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Ejektors 2 umgehender Bypass-Strömungskanal und in diesem Bypass-Strömungskanal ein Ventil vorgesehen sein, das beliebig geöffnet und geschlossen werden kann.
Dadurch, dass bei einem in der oben beschriebenen Weise ausgebildeten Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems ein einen Bereich stromaufwärts und stromabwärts des Ejektors 2 in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 umgehender Bypass-Strömungskanal und in diesem Bypass-Strömungskanal ein beliebig zu öffnendes und zu schließendes Ventil vorgesehen sind, gibt es, indem das in dem Bypass-Strömungskanal angeordnete Ventil geöffnet wird, keine Ansprechverzögerung, so dass der Bedarf vorteilhaft gedeckt werden kann, selbst wenn kurzfristig eine hohe Menge an Wasserstoff in die Brennstoffzelle 1 geleitet werden muss.
Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems von der achten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems bis zur zwölften Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems (Hybridtyp mit Unterstützung) wird nachstehend unter Bezugnahme auf die 8 bis 12 beschrieben.
Ein Hybridtyp mit Unterstützung ist ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems mit einer Wasserstoffpumpe 5 stromabwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 vorgesehenen Ejektors 2. Zunächst wird die achte Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems mit Bezug auf 8 beschrieben. Dabei ist 8A ein allgemeines Blockdiagramm der achten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems, und 8B ist eine erläuternde Darstellung des Merkmals der achten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems. Der Unterschied zwischen der Anordnung eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der achten Ausführungsform und der Anordnung eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform, die der achten Ausführungsform ähnlich ist, besteht darin, dass in der achten Ausführungsform des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems eine Wasserstoffpumpe 5, die eine Brennstoffpumpe des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform ist, in einen Bereich stromabwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Ejektors 2 transferiert wurde. Diejenigen Bauteile und Abschnitte, die identisch sind mit jenen des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zweiten Ausführungsform und die zur Erläuterung herangezogen werden, tragen die gleichen Bezugszeichen.
Bei einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der achten Ausführungsform wie in 8 gezeigt, umfasst der Hauptteil:

– eine Brennstoffzelle 1, die elektrische Energie erzeugt, indem sie mit Wasserstoff als Brennstoff und mit sauerstoffhaltiger Luft als Oxidationsmittel gespeist wird;
– einen Brennstoffzufuhrkanal 7 zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Hochdruckwasserstofftank 4 zur Brennstoffzelle 1;
– einen Regler 3, der in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordnet ist und den Druck des Wasserstoffs einstellt, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist;
– einen Ejektor 2 mit einer Ansaugöffnung 2a, der stromabwärts des Reglers 3 angeordnet ist und dafür sorgt, dass aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas, das keine Reaktion eingegangen ist, sich unter Nutzung des Unterdrucks, der erzeugt wird, wenn Wasserstoff strömt, mit dem Wasserstoff vermischt, der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird;
– eine Wasserstoffpumpe 5, die eine stromabwärts des Ejektors 2 vorgesehene Brennstoffpumpe ist, welche das aus Wasserstoff und dem aus dem Ejektor 2 abgeführten Anodenabgas bestehende Gasgemisch ansaugt und in die Brennstoffzelle 1 ausstößt;
– einen Brennstoffzirkulationskanal 6 mit einem Rückschlagventil 8, welches dafür sorgt, dass aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes unverbrauchtes Anodenabgas zwecks Rückführung in die Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 einmündet;
– eine Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt; und
– ein Ventil 10, das in dieser Entleerungsleitung 9 angeordnet ist und beliebig geöffnet und geschlossen werden kann.

Die Arbeitsweise des so angeordneten Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der achten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 8 erläutert.
Druckgaswasserstoff wird an einer Abfüllstelle für Druckgaswasserstoff (z. B. mit einem Fülldruck von 20–50 MPaG) durch eine Wasserstoff-Einfüllöffnung (nicht gezeigt) vorab eingefüllt und in einem Hochdruckwasserstofftank 4, der in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführt wird, gespeichert.

(1) Der Zündschalter der Fahrzeuge steht auf AN.
(2) Wasserstoff wird nach Bedarf durch den Brennstoffzufuhrkanal 7 aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 geleitet. Der Speisedruck des in die Brennstoffzelle 1 gespeisten Wasserstoffs wird zu dieser Zeit durch den Regler 3 eingestellt.
(3) Wasserstoff, der ein in die Brennstoffzelle 1 geleiteter Brennstoff ist, reagiert mit dem Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Luft, die der Brennstoffzelle 1 als Oxidationsmittel zugeführt wird, und erzeugt elektrische Energie.
(4) In der Brennstoffzelle 1 vorhandener Wasserstoff, der keine Reaktion eingegangen ist, wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt und veranlasst, über das Rückschlagventil 8 zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückzukeh ren.
(5) Das zur Rückkehr zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 veranlasste Anodenabgas wird mit Wasserstoff (Trockenwasserstoff, der kaum Feuchtigkeit enthält), der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet und in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt.

Da, wenn man die oben beschriebene Anordnung wählt, Anodenabgas, welches gesättigter Dampf ist, der wie in 8B gezeigt mit dem aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 geleiteten Wasserstoff (Trockenwasserstoff, der kaum Feuchtigkeit enthält) vermischt und verdichtet wird, wird er stets zu einem Gas mit einem hohen Taupunkt (gesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas) und wird in die Wasserstoffpumpe 5 gespeist, die eine Brennstoffpumpe ist.

(6) In die Brennstoffpumpe 5 geleitetes ungesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas wird auch dann, wenn es in der Wasserstoffpumpe 5 verdichtet wird, ohne Kondenswasserbildung in die Brennstoffzelle 1 geleitet.
(7) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, oder von der Brennstoffzelle 1 abgegebene überflüssige Feuchtigkeit abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird veranlasst, dass das in der Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt, angeordnete Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung durchgeführt wird.
(8) Dank der Anordnung des Rückschlagventils 8 stromaufwärts (auf der Seite des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises) des Ejektors 2 strömt kein Wasserstoff zurück, wenn eine Wasserstoffentleerung durchgeführt wird, so dass ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle 1 ermöglicht wird.

Gemäß der achten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems mit der oben beschriebenen Anordnung:

(1) Allgemein wird aus der Brennstoffzelle 1 abgeführtes Anodenabgas in einem Zustand gesättigten Dampfes emittiert. Man weiß, dass die Verdichtung solch gesättigten Dampf enthaltenden Gases Kondenswasser entstehen lässt, wenn der Dampf kondensiert. Wenn aber, wie bei dieser Ausführungsform beschrieben, gesättigter Dampf durch den Ejektor 2 angesaugt und trockener Wasserstoff eingeleitet wird, werden Dampf und Wasserstoff in dem Ejektor 2 vermischt und verdichtet und ergeben Dampf und H₂ enthaltendes Gas. Demzufolge wird auch dann kein Kondenswasser erzeugt, wenn das Gas verdichtet wird. Infolgedessen ist im Vergleich zu anderen Verfahren eine Kondenswasserbildung kaum festzustellen, nicht einmal, wenn ungesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas verdichtet wird.

Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der neunten Ausführungsform gemäß der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. 9 ist ein allgemeines Blockdiagramm, das die Gesamtanordnung der neunten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems zeigt. Der Unterschied zwischen der Anordnung des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der neunten Ausführungsform und der Anordnung des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der achten Ausführungsform besteht darin, dass in der neunten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems ein die Wasserstoffpumpe 5, die eine Brennstoffpumpe des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der achten Ausführungsform ist, umgehender Bypass-Strömungskanal 17 und in diesem Bypass-Strömungskanal 17 ein Ventil 18, das beliebig geöffnet und geschlossen werden kann, vorgesehen sind.
Bauteile und Abschnitte, die identisch sind mit jenen der achten Ausführungsform und die zur Beschreibung herangezogen werden, tragen die gleichen Bezugszeichen.
Die Arbeitsweise eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der in dieser Weise angeordneten neunten Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 9 beschrieben. Druckgaswasserstoff wird an einer Wasserstoffabfüllstelle durch eine (nicht gezeigte) Wasserstoff-Einfüllöffnung (z. B. mit einem Fülldruck von 20–50 MPaG) vorab eingefüllt und in dem in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführten Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

(1) Der Zündschalter der Fahrzeuge steht auf AN.
(2) Wasserstoff wird nach Bedarf durch den Wasserstoffzufuhrkanal 7 aus dem Hochdruckwasserstofftank in die Brennstoffzelle 1 geleitet. Der Speisedruck des in die Brennstoffzelle 1 gespeisten Wasserstoffs wird zu diesem Zeitpunkt durch den Regler 3 eingestellt.
(3) Wasserstoff, der als Brennstoff in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, reagiert mit Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Luft, die der Brennstoffzelle 1 als Oxidationsmittel zugeführt wird, und erzeugt elektrische Energie in der Brennstoffzelle 1.
(4) Unverbrauchter Wasserstoff, der in der Brennstoffzelle 1 vorhanden ist, wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt und über das Rückschlagventil 8 zur Rückkehr zu der Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 veranlasst.
(5) Anodenabgas, das veranlasst wird, zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückzukehren, wird mit Wasserstoff (Trockenwasserstoff, der kaum Feuchtigkeit enthält), der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu speisen ist, vermischt und verdichtet und in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt.

Da bei der soweit beschriebenen Anordnung das Anodenabgas, welches gesättigter Dampf ist, mit Wasserstoff (Trockenwasserstoff, der kaum Feuchtigkeit enthält), der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet wird, verwandelt sich das Anodenabgas (gesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas) stets in ein Gas mit einem hohen Taupunkt und wird zur Wasserstoffpumpe 5 geleitet.

(6) Ungesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas, das zur Wasserstoffpumpe 5 geleitet wird, gelangt auch dann ohne Kondenswasserbildung in die Brennstoffzelle 1, wenn es in der Wasserstoffpumpe 5 verdichtet wird.
(7) In einem Betriebsbereich, in dem die Wasserstoffpumpe 5 kaum arbeitet oder in dem sie stillsteht, wird unnötiger Druckverlust, der entsteht, wenn man wasserstoffhaltiges Gas auf der Seite der Wasserstoffpumpe 5 passieren lässt, verhindert, indem das in dem Bypass-Strömungskanal der Wasserstoffpumpe 5 vorgesehene Ventil 18 geöffnet wird, damit wasserstoffhaltiges Gas auf der Seite des Bypass-Strömungskanals 17 passieren kann, wodurch ermöglicht wird, das Zirkulationsvermögen des Ejektors 2 auf einem hohen Niveau zu halten.
(8) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, oder von der Brennstoffzelle 1 abgegebene überschüssige Feuchtigkeit abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird ein in der Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt, vorgesehenes Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung durchgeführt.
(9) Da das Rückschlagventil 8 auf einer Seite stromaufwärts des Ejektors 2 (Seite des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises) installiert ist, strömt bei Durchführung der Wasserstoffentleerung kein Wasserstoff zurück. Daher wird ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle 1 erreicht.

Gemäß dem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der neunten Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung und Arbeitsweise wird in einem Betriebsbereich, in dem die Wasserstoffpumpe 5 kaum arbeitet oder in dem sie während des Betriebs zum Stillstand kommt, ein unnötiger Druckverlust, der entsteht, wenn man wasserstoffhaltiges Gas auf der Seite der Wasserstoffpumpe 5 passieren lässt, verhindert, indem man das wasserstoffhaltige Gas auf der Seite des Bypass-Strömungskanals 17 passieren lässt, wodurch es möglich wird, das Zirkulationsvermögen des Ejektors 2 auf einem hohen Niveau zu halten.
Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der zehnten Ausführungsform wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 10 beschrieben. 10 ist ein allgemeines Blockdiagramm der zehnten Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems.
Der Unterschied zwischen der Anordnung eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zehnten Ausführungsform und der Anordnung des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der achten Ausführungsform besteht darin, dass ein den Ejektor 2 umgehender Bypass-Strömungskanal 19 und in diesem Bypass-Strömungskanal 19 ein Ventil 20 vorgesehen sind, das beliebig geöffnet und geschlossen werden kann.
Diejenigen Bauteile und Abschnitte, die identisch sind mit denen der achten Ausführungsform und die zur Beschreibung herangezogen werden, tragen die gleichen Bezugszeichen.
Die Arbeitsweise eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der in dieser Weise angeordneten zehnten Ausführungsform wird mit Bezug auf 10 beschrieben. Druckgaswasserstoff wird an einer Druckgaswasserstoff-Abfüllstelle (z. B. mit einem Fülldruck von 20–50 MPaG) durch eine (nicht gezeigte) Einfüllöffnung vorab eingefüllt und in dem in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführten Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

Da durch die Wahl der oben beschriebenen Anordnung Anodenabgas, welches gesättigter Dampf ist, mit Wasserstoff (Trockenwasserstoff, der kaum Feuchtigkeit enthält), der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet wird, verwandelt sich das Anodenabgas (gesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas) stets in ein Gas mit einem hohen Taupunkt und wird zur Wasserstoffpumpe 5 geleitet.

(6) Ungesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas, das zur Wasserstoffpumpe 5 geleitet wird, gelangt auch dann ohne Entstehung von Kondenswasser in die Brennstoffzelle 1, wenn es in der Wasserstoffpumpe 5 verdichtet wird.
(7) In einem Betriebszustand, in dem das Zirkulationsvermögen des Ejektors 2 gering ist, kann ein Druckverlust auf der Ansaugseite der Wasserstoffpumpe 5 so gering wie möglich gehalten werden, indem das an dem Bypass-Strömungskanal 19 des Ejektors 2 vorgesehene Ventil 20 während des Betriebs geöffnet wird, damit das Anodenabgas die Seite des Bypass-Strömungskanals 19 umgehen kann. Dann lässt sich eine Erhöhung des Energieverbrauchs kontrollieren/steuern.
(8) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, oder von der Brennstoffzelle 1 abgegebene überschüssige Feuchtigkeit abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird ein in der Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt, vorgesehenes Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung durchgeführt.
(9) Da das Rückschlagventil 8 auf einer Seite stromaufwärts des Ejektors 2 (Seite des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises) installiert ist, strömt bei Durchführung der Wasserstoffentleerung kein Wasserstoff zurück. Daher wird ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle 1 erreicht.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der zehnten Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung und Arbeitsweise wird in einem Betriebszustand, in dem das Zirkulationsvermögen des Ejektors 2 gering ist, ein unnötiger Druckverlust aufgrund des auf der Seite des Ejektors 2 passierenden Anodenabgases vermieden, indem das in dem Bypass-Strömungskanal 19 des Ejektors 2 vorgesehene Ventil 20 geöffnet wird. Weil der Druckverlust auf der Ansaugseite der Wasserstoffpumpe 5 so gering wie möglich gehalten werden kann, lässt sich eine Erhöhung des Energieverbrauchs demzufolge kontrollieren/steuern.
Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der elften Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf 11 erläutert. Ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der elften Ausführungsform ist in der Weise ausgebildet, dass in den Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der zehnten Ausführungsform der Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der neunten Ausführungsform integriert ist. Das heißt der Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems weist einen den Ejektor 2 umgehenden Bypass-Strömungskanal 19 und ein Ventil 20 auf, das in diesem Bypass-Strömungskanal 19 beliebig geöffnet und geschlossen werden kann. Ferner handelt es sich hierbei um einen Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems mit einem Bypass-Strömungskanal 21, der, um die Wasserstoffpumpe 5 zu umgehen, von dem Bypass-Strömungskanal 19 abgezweigt ist, und mit einem dem Ventil 20 ähnlichen Ventil 22 in diesem Bypass-Strömungskanal 21.
Auch sind in diesem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems ein Bypass-Strömungskanal 23, der einen Bereich stromaufwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 vorgesehenen Ejektors 2 und einen Bereich stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 verbindet, und ein Ventil 24 vorgesehen, das in diesem Bypass-Strömungskanal 23 beliebig geöffnet und geschlossen werden kann.
11 ist ein Blockdiagramm, das die Gesamtanordnung des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der elften Ausführungsform zeigt.
Bauteile und Abschnitte, die mit jenen des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zehnten Ausführungsform übereinstimmen und zur Beschreibung herangezogen werden, tragen damit übereinstimmende Bezugszeichen.
Die Arbeitsweise eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der in dieser Weise angeordneten elften Ausführungsform werden mit Bezug auf 11 beschrieben. Druckgaswasserstoff wird an einer Druckgaswasserstoff-Abfüllstelle (z. B. mit einem Fülldruck von 20–50 MPaG) durch eine (nicht gezeigte) Einfüllöffnung vorab eingefüllt und in dem in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführten Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

(6) Ungesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas, das zur Wasserstoffpumpe 5 geleitet wird, gelangt auch dann ohne Entstehung von Kondenswasser in die Brennstoffzelle 1, wenn es in der Wasserstoffpumpe 5 verdichtet wird.
(7) In einem Betriebszustand, in dem das Zirkulationsvermögen des Ejektors 2 gering ist, kann ein Druckverlust auf der Ansaugseite der Wasserstoffpumpe 5 so gering wie möglich gehalten werden, indem das an dem Bypass-Strömungskanal 19 des Ejektors 2 vorgesehene Ventil 20 während des Betriebs geöffnet wird, damit das Anodenabgas die Seite des Bypass-Strömungskanals 19 umgehen kann. Dann lässt sich eine Erhöhung des Energieverbrauchs kontrollieren/steuern.
(8) Andererseits wird in einem Betriebszustand, in dem die Wasserstoffpumpe 5 kaum arbeitet oder in dem sie stillsteht, das Zirkulationsvermögen des Ejektors 2 auf einem hohen Niveau gehalten, da ein unnötiger Druckverlust, der entsteht, wenn man den Wasserstoff auf der Seite der Wasserstoffpumpe 5 durchleitet, durch das Öffnen des auf der Seite des Bypass-Strömungskanals 21 der Wasserstoffpumpe 5 vorgesehenen Ventils 22 vermieden wird.
(9) Auch kann die Durchflussrate des in die Brennstoffzelle 1 geleiteten wasserstoffhaltigen Gases, das auf der Seite des Ejektors 2 oder auf der Seite der Wasserstoffpumpe 5 hindurchgeleitet werden soll, durch die Gemeinschaftsleitung, die man durch die Vereinigung der beiden Bypass-Wege 19 und 21 erhält, fein eingestellt werden.
(10) Darüber hinaus sind der Bypass-Strömungskanal 23, der einen Bereich stromaufwärts des an dem Kraftstoffzufuhrkanal angeordneten Ejektors 2 und ein Bereich stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 verbindet, und das Ventil 24 in diesem Bypass-Strömungskanal 23 vorgesehen. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise dem Bedarf gefolgt werden, ohne dass wegen des Passierens des Ejektors 2 eine Ansprechverzögerung entsteht, indem das in dem Bypass-Strömungskanal 23 vorgesehene Ventil 24 geöffnet wird, wenn kurzfristig eine große Menge an Wasserstoff in die Brennstoffzelle 1 geleitet werden muss.
(11) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, und in der Brennstoffzelle 1 vorhandenes Kondenswasser etc. abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird das in der Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt, vorgesehenes Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung durchgeführt.
(12) Da das Rückschlagventil 8 auf einer Seite stromaufwärts des Ejektors 2 (Seite des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises) installiert ist, strömt bei Durchführung der Wasserstoffentleerung kein Wasserstoff zurück. Dadurch wird ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle 1 erreicht.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der elften Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung und Arbeitsweise:

(1) Indem die Anordnung in der Weise getroffen wird, dass der den Ejektor 2 umgehende Bypass-Strömungskanal 19, das Ventil 20 in diesem Bypass-Strömungskanal 19, der zur Umgehung der Wasserstoffpumpe 5 von dem Bypass-Strömungskanal 19 abgezweigte Bypass-Strömungskanal 21 und das Ventil 22 in diesem Bypass-Strömungskanal 22 vorgesehen sind, kann bei der Zuleitung von wasserstoffhaltigem Gas zur Brennstoffzelle 1 die Durchflussrate seitens des Ejektors 2 oder der Wasserstoffpumpe 5 fein eingestellt werden.
(2) Dank des Bypass-Strömungskanals 23, der einen Bereich stromaufwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 vorgesehenen Ejektors 2 mit einem Bereich stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 verbindet, und dank des Ventils 24 in diesem Bypass-Strömungskanal 23 kommt es auch dann, wenn kurzfristig eine große Menge Wasserstoff in die Brennstoffzelle 1 gespeist werden muss, zu keiner Ansprechverzögerung aufgrund des Passierens des Ejektors 2, wodurch in vorteilhafter Weise dem Bedarf gefolgt werden kann.
(3) Darüber hinaus wird bei der Steuerung/Regelung des Druckunterschieds an den Polen der Brennstoffzelle 1 das Ansprechverhalten verbessert, wenn Brennstoff in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, da die Vorrichtung nicht in dem Strömungskanal angeordnet ist, der über den Bypass-Strömungskanal 23 Wasserstoff aus dem Regler 3 in die Brennstoffzelle 1 leitet.

Der Unterschied zwischen der Anordnung eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der zwölften Ausführungsform und der Anordnung eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der elften Ausführungsform besteht darin, dass ein Bypass-Strömungskanal 25b, der einen Bereich stromaufwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Ejektors 2 mit einem Bereich stromaufwärts der Wasserstoffpumpe 5 verbindet, und ein Ventil 26b vorgesehen sind, das in diesem Bypass-Strömungskanal 25b beliebig geöffnet und ge schlossen werden kann.
12 ist ein allgemeines Blockdiagramm einer zwölften Ausführungsform eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems. Bauteile und Abschnitte, die mit jenen des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der elften Ausführungsform identisch sind und zur Beschreibung herangezogen werden, tragen die gleichen Bezugszeichen.
Die Arbeitsweise eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der auf diese Weise angeordneten zwölften Ausführungsform wird mit Bezug auf 12 beschrieben. Druckgaswasserstoff wird an einer Druckgaswasserstoff-Abfüllstelle (z. B. mit einem Fülldruck von 20–50 MPaG) durch eine (nicht gezeigte) Einfüllöffnung vorab eingefüllt und in dem in Fahrzeugen mit Brennstoffzelle mitgeführten Hochdruckwasserstofftank 4 gespeichert.

(1) Der Zündschalter der Fahrzeuge steht auf AN.
(2) Wasserstoff wird nach Bedarf durch den Wasserstoffzufuhrkanal 7 aus dem Hochdruckwasserstofftank in die Brennstoffzelle 1 geleitet.
(3) Wasserstoff, der als Brennstoff in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, reagiert mit Sauerstoff in der sauerstoffhaltigen Luft, die der Brennstoffzelle 1 als Oxidationsmittel zugeführt wird, und erzeugt elektrische Energie in der Brennstoffzelle 1.
(4) Unverbrauchter Wasserstoff, der in der Brennstoffzelle 1 vorhanden ist, wird als Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 1 abgeführt und über das Rückschlagventil 8 zur Rückkehr zu der Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 veranlasst.
(5) Anodenabgas, das veranlasst wird, zur Ansaugöffnung 2a des Ejektors 2 zurückzukehren, wird mit Wasserstoff (Trockenwasserstoff, der kaum Feuchtigkeit enthält), der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu speisen ist, vermischt und verdichtet und in die Brennstoffzelle 1 zurückgeführt.

Da bei der soweit beschriebenen Anordnung Anodenabgas, welches gesättigter Dampf ist, mit Wasserstoff (Trockenwasserstoff, der kaum Feuchtigkeit enthält), der aus dem Hochdruckwasserstofftank 4 in die Brennstoffzelle 1 zu leiten ist, vermischt und verdichtet wird, verwandelt sich das Anodenabgas (gesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas) stets in ein Gas mit einem hohen Taupunkt und wird zur Wasserstoffpumpe 5 geleitet.

(6) Gesättigten Dampf und H₂ enthaltendes Gas, das zur Wasserstoffpumpe 5 geleitet wird, gelangt auch dann ohne Bildung von Kondenswasser in die Brennstoffzelle 1, wenn es in der Wasserstoffpumpe 5 verdichtet wird.
(7) In einem Betriebsbereich, in dem das Zirkulationsvermögen des Ejektors 2 gering ist, kann ein Druckverlust auf der Ansaugseite der Wasserstoffpumpe 5 so gering wie möglich gehalten werden, indem das an dem Bypass-Strömungskanal 19 des Ejektors 2 vorgesehene Ventil 20 während des Betriebs geöffnet wird, damit das Anodenabgas die Seite des Bypass-Strömungskanals 19 umgehen kann. Dann lässt sich eine Erhöhung des Energieverbrauchs kontrollieren/steuern.
(8) Andererseits wird in einem Betriebsbereich, in dem die Wasserstoffpumpe 5 kaum arbeitet oder in dem sie stillsteht, das Zirkulationsvermögen des Ejektors 2 auf einem hohen Niveau gehalten, da ein unnötiger Druckverlust, der entsteht, wenn man den Wasserstoff auf der Seite der Wasserstoffpumpe 5 durchleitet, durch das Öffnen des auf der Seite des Bypass-Strömungskanals 21 der Wasserstoffpumpe 5 vorgesehenen Ventils 22 vermieden wird.
(9) Auch kann die Durchflussrate des in die Brennstoffzelle 1 geleiteten wasserstoffhaltigen Gases, das auf der Seite des Ejektors 2 oder auf der Seite der Wasserstoffpumpe 5 hindurchgeleitet werden soll, durch die Gemeinschaftsleitung, die man durch die Vereinigung der beiden Bypass-Wege 19 und 21 erhält, fein eingestellt werden.
(10) Dadurch, dass bei einem in dieser Weise angeordneten Brennstoffkreis des Brennstoffsystems der Bypass-Strömungskanal 25b, der einen Bereich stromaufwärts des Ejektors 2 und einen Bereich stromabwärts der in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 angeordneten Wasserstoffpumpe 5 umgeht, und das in diesem Bypass-Strömungskanal 25b beliebig zu öffnende und zu schließende Ventil 26b vorgesehen sind, gibt es, indem das in dem Bypass-Strömungskanal 25b vorgesehene Ventil 26b geöffnet wird, keine Ansprechverzögerung aufgrund des Passierens des Ejektors 2, selbst wenn kurzfristig eine große Menge an Wasserstoff in die Brennstoffzelle 1 geleitet werden muss, so dass in vorteilhafter Weise dem Bedarf gefolgt werden kann.
(11) Um Stickstoff, der über die Brennstoffzelle 1 durch den Brennstoffzirkulationskanal 6 wandert, und in der Brennstoffzelle 1 vorhandenes Kondenswasser etc. abzuscheiden und aus dem System zu entfernen, wird das in der Entleerungsleitung 9, die von dem Brennstoffzirkulationskanal 6 abzweigt, vorgesehenes Entleerungsventil 10 periodisch geöffnet und eine Wasserstoffentleerung durchgeführt.
(12) Da das Rückschlagventil 8 auf einer Seite stromaufwärts des Ejektors 2 (Seite des Strömungskanals 6 des Brennstoffkreises) installiert ist, strömt bei Durchführung der Wasserstoffentleerung kein Wasserstoff zurück. Daher wird ein stabiler Betrieb der Brennstoffzelle 1 erreicht.

Gemäß einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems der zwölften Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung und Arbeitswei se:

(1) Indem die Anordnung in der Weise getroffen wird, dass der den Ejektor 2 umgehende Bypass-Strömungskanal 19, das Ventil 20 in diesem Bypass-Strömungskanal 19, der zur Umgehung der Wasserstoffpumpe 5 von dem Bypass-Strömungskanal 19 abgezweigte Bypass-Strömungskanal 21 und das Ventil 22 in diesem Bypass-Strömungskanal 22 vorgesehen sind, kann bei der Zuleitung von wasserstoffhaltigem Gas zur Brennstoffzelle 1 die Durchflussrate seitens des Ejektors 2 oder der Wasserstoffpumpe 5 fein eingestellt werden.
(2) Darüber hinaus sind der Bypass-Strömungskanal 25b, der einen Bereich stromaufwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 vorgesehenen Ejektors 2 mit einem Bereich stromabwärts der Wasserstoffpumpe 5 verbindet, und das Ventil 26b in diesem Bypass-Strömungskanal 25b vorgesehen. Dadurch kann auf vorteilhafte Weise mit einer geringen Ansprechverzögerung dem Bedarf gefolgt werden, wenn kurzfristig eine große Menge Wasserstoff in die Brennstoffzelle 1 geleitet werden muss.
(3) Des weiteren kann dank der Anordnung des Bypass-Strömungskanals 25b, der einen Bereich stromaufwärts des in dem Brennstoffzufuhrkanal 7 vorgesehenen Ejektors 2 und einen Bereich stromaufwärts der Pumpe 5 verbindet, und des Ventils 26b in diesem Bypass-Strömungskanal 25b eine Verdichtung des feuchtigkeitshaltigen Gases in dem Ejektor 2 vermieden werden und die eine Bildung von Kondenswasser in der Wasserstoffpumpe 5 verhindernde Wirkung erhöht werden.

In der vorstehenden Beschreibung wurden die Anordnung etc. des Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems der ersten bis zwölften Ausführungsform dargelegt. Warum eine Energieeinsparung möglich ist und der Wirkungsgrad insgesamt erhöht wird, indem sowohl eine Wasserstoffpumpe, die eigentlich eine Brennstoffpumpe ist, als auch ein Ejektor in das System des Brennstoffkreises einer Brennstoffzelle integriert sind, wird im Folgenden erklärt, wobei auf die 13 bis 16 Bezug genommen wird.
Bei einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ist das Verhältnis der Zirkulationsflußrate zur Gesamtmenge des einer Brennstoffzelle zugeführten Gases in Relation zu dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle bei Betrieb des Ejektors hauptsächlich in einem hohen Lastbereich und bei Betrieb der Wasserstoffpumpe in einem niedrigen Lastbereich in 13 dargestellt (jedoch ist die Durchflussrate von in die Brennstoffzelle 1 geleitetem Wasserstoff im wesentlichen festgelegt). An der Ordinate in 13 ist das Verhältnis einer Gas-Zirkulationsflußrate zu einer gesamten Gaszufuhrmenge angegeben, wohingegen an der Abszisse der Ausgangsstrom einer Brennstoffzelle abzulesen ist.
Die Durchflussratencharakteristik eines Ejektors selbst wird untenstehend unabhängig beschrieben. Wenn nämlich der Differenzdruck ΔP, wie in 1C dargestellt, vor und hinter dem Ejektor verringert wird, wird die Zirkulationsflußrate Qe erhöht, wohingegen bei einer Erhöhung des Differenzdrucks ΔP vor und hinter dem Ejektor die Zirkulationsflußrate Qe verringert wird. Wenn darüber hinaus nur eine geringe Menge an Wasserstoff in die Brennstoffzelle geleitet wird, weil kaum Unterdruck erzeugt wird, wird dadurch die Zirkulation des aus der Brennstoffzelle abgeführten Anodenabgases erschwert.
Wenn das System daraufhin in der Weise ausgelegt wird, dass der Ejektor auf der hohen Lastseite betrieben wird, wo der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 1 hoch ist (die Wasserstoffzufuhrmenge ist groß), und dass die Wasserstoffpumpe auf der niedrigen Lastseite betrieben wird, wo der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 1 gering ist, kann die Kapazität der Wasserstoffpumpe gering gehalten und der Energieverbrauch der Wasserstoffpumpe verringert werden, da die Durchflussrate basierend auf dem Ausgangsstromwert einer Brennstoffzelle gemeinsam bewältigt wird.
Zum anderen wird das Verhältnis Zirkulationsflußrate/Gesamtmenge des in die Brennstoffzelle gespeisten Gases in Relation zu dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle bei Betrieb des Ejektors hauptsächlich in einem niedrigen Lastbereich und bei Betrieb einer Wasserstoffpumpe hauptsächlich in einem hohen Lastbereich bei dem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung in 14 dargestellt. (Jedoch ist die Durchflussrate von Wasserstoff, der in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird, im wesentlichen festgelegt.) In 14 ist an der Ordinate das Verhältnis der Gas-Zirkulationsflußrate zur Gaszufuhrmenge angegeben, während an der Abszisse der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle angegeben ist.
Bei der Förderleistungscharakteristik der Wasserstoffpumpe als solcher ist ein Aspekt vorhanden, wonach der Wirkungsgrad im Bereich einer geringen Förderleistung gering wird.
Daraufhin wird im Gegensatz zu dem in 13 gezeigten System bei dem in 14 gezeigten System der Ejektor auf einer niedrigen Lastseite betrieben, wo der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle gering ist, während die Wasserstoffpumpe auf einer hohen Lastseite betrieben wird, wo der Ausgangsstrom einer Brennstoffzelle hoch ist. Da bei einer derartigen Anordnung der Wirkungsgrad einer Wasserstoffpumpe im Bereich einer geringen Förderleistung gering ist, erfolgt in diesem Betriebsbereich eine Unterstützung durch den Ejektor, um den Energiewirkungsgrad insgesamt zu erhöhen.
Nicht nur der Ejektor, sondern auch die Förderleistungscharakteristik einer Pumpe allgemein zeigt einen gebirgsförmigen Verlauf. Um sie an einem Zielwert heranzuführen, wie das in 14 gezeigt ist, und um einen weiten Betriebsbereich sicherzustellen, ist es notwendig, dass die Spitze einer Erhebung einen Zielwert einmal überschreitet.
Als nächstes wird mit Bezug auf die 15 und 16 beschrieben, wie das Problem gelöst wird, das sich stellt, wenn während des Einsatzes eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems bei der Beschleunigung/Verzögerung von Fahrzeugen das System nur mit einem Ejektor arbeitet.
15 ist eine erläuternde Darstellung der Unterstützung durch die Wasserstoffpumpe zur Zeit der Beschleunigung, und 16 ist eine erläuternde Darstellung der Unterstützung durch die Wasserstoffpumpe zur Zeit einer Verzögerung.
Zunächst wird mit Bezug auf 15 die Unterstützung durch eine Wasserstoffpumpe zur Zeit der Fahrzeugbeschleunigung geschildert. An der Ordinate in 15 sind Leistung und Förderrate angegeben, und an der Abszisse ist die Zeit abzulesen.
Diese Methode wird angewandt, wenn zur Zeit der Fahrzeugbeschleunigung eine große Menge an Wasserstoff benötigt wird. Wie 15 zeigt, ist dies eine Methode, mit welcher die für die Speisung einer Brennstoffzelle unzureichende Förderrate seitens der Wasserstoffpumpe ausgeglichen wird, indem deren Leistung durch eine Steuer/Regel-Einrichtung (nicht dargestellt) in Reaktion auf eine in dem Ejektor hervorgerufene Ansprechverzögerung vorübergehend erhöht wird.
Indem man wie soweit beschrieben vorgeht, kann man verhindern, dass die Brennstoffzelle erheblich beschädigt wird, was einem durch eine zu hohe Last hervorgerufenen Wasserstoffmangelzustand zugeschrieben wird.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 16 die Unterstützung durch die Wasserstoffpumpe zur Zeit der Fahrzeugverlangsamung erläutert.
An der Ordinate sind Leistung und Förderrate angegeben, und an der Abszisse ist die Zeit angegeben.
Diese Methode ist eine Methode, die die Leistung einer Wasserstoffpumpe mittels einer Steuer/Regel-Einrichtung (nicht gezeigt) vorübergehend anhebt, um den zur Zeit einer Verlangsamung in dem Ejektor hervorgerufenen Mangel an Zirkulationsvermögen ausgleicht und die Zirkulationsflußrate zwangsmäßig sicherstellt.
Indem man in dieser Weise vorgeht, kann man eine erhebliche Beschädigung einer Brennstoffzelle vermeiden, die einem durch eine zu hohe Last hervorgerufenen Wasserstoffmangelzustand in der Brennstoffzelle zugeschrieben wird.
Als nächstes folgt unter Bezugnahme auf die 17 und 18 die Beschreibung eines Rückschlagventils, das in einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung verwendet wird, und einer Methode zum Nachweis einer Gegenströmung des Gases in einem Brennstoffkreis des Brennstoffsystems gemäß der Erfindung.
17 zeigt die Relation eines Druckverlusts und der Durchflussrate eines mechanischen Rückschlagventils und eines elektromagnetischen Rückschlagventils, und die 18A bis 18D sind Darstellungen verschiedener Methoden zum Nachweis, ob in einem Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung eine Gegenströmung vorhanden war.
Als Rückschlagventile gibt es allgemein mechanische Rückschlagventile, wie z. B. ein Bleiventil und ein Überdruckschnellschlussventil, und ein elektromagnetisches Rückschlagventil, das ein geeignetes Öffnen und Schließen eines Strömungskanals mittels magnetischer Anziehung etc. durch einen Solenoid realisiert.
Das mechanische Rückschlagventil zeigt im Vergleich zu dem elektromagnetischen Ventil einen hohen Druckverlust gegenüber der Durchflussrate, wie das in 17 gezeigt ist. Wenn der Druckverlust des Rückschlagventils hoch ist; weil der Differenzdruck ΔPe des Ejektors zunimmt, wie in 1C gezeigt, nimmt die Zirkulationsflußrate ab. Deshalb ist es vorteilhaft, das elektromagnetische Rückschlagventil mit geringem Druckverlust zu verwenden, damit das Zirkulationsvermögen des Ejektors hoch wird. Dementsprechend wird der Verwendung eines elektromagnetischen Rückschlagventils bei jeder der Ausführungsformen der Vorzug gegeben.
Jedoch muss das elektromagnetische Ventil von einer bestimmten Einrichtung zur Erfassung einer Gegenströmung ein elektrisches Signal empfangen, damit es arbeitet.

(1) 18A zeigt, wie eine Gegenströmung mittels einer Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass einer Brennstoffzelle erfasst wird. Ein Druckmesser P1 ist am Einlass einer Brennstoffzelle 1 und ein Druckmesser P2 am Auslass vorgesehen. Die mit Hilfe des Druckmesser P1 und des Druckmessers P2 gemessenen Daten wer den jeweils in die elektronische Steuereinheit ECU eingegeben. Dann wird eine Druckdifferenz bestimmt. Wenn in der Brennstoffzelle 1 eine Gegenströmung auftritt, verringert sich für gewöhnlich der erfasste Wert der Druckdifferenz der Brennstoffzelle 1. Auf diese Weise wird nachgewiesen, ob eine Gegenströmung vorhanden ist oder nicht.
(2) In 18B ist dargestellt, wie eine Gegenströmung mittels des Temperaturunterschieds zwischen Einlass und Auslass einer Brennstoffzelle nachgewiesen wird. Ein Thermometer T1 ist am Einlass und ein Thermometer T2 am Auslass einer Brennstoffzelle 1 vorgesehen. Die mit dem Thermometer T1 und dem Thermometer T2 gemessenen Daten werden jeweils in die elektronische Steuereinheit ECU eingegeben, und es wird eine Temperaturdifferenz bestimmt. Da Gas mit der Temperatur neuen Gases zum Auslass der Brennstoffzelle 1 geleitet wird, so als ob eine Gegenströmung verursacht würde, verringert sich für gewöhnlich der erfasste Wert der Temperaturdifferenz zwischen Einlass und Auslass der Brennstoffzelle. Dadurch wird festgestellt, ob die Gegenströmung auftritt.
(3) 18C zeigt, wie eine Gegenströmung mittels der Taupunktdifferenz (oder Feuchtigkeitsdifferenz) am Einlass und Auslass einer Brennstoffzelle nachgewiesen wird. Ein Taupunktmesser Td1 ist am Einlass und ein Taupunktmesser Td2 am Auslass einer Brennstoffzelle 1 vorgesehen. Die mittels des Taupunktmesser Td1 und des Taupunktmessers Td2 gemessenen Daten werden jeweils in die elektronische Steuereinheit ECU eingegeben, und es wird die Taupunktdifferenz (oder Feuchtigkeitsdifferenz) ermittelt. Da Gas, wenn eine Gegenströmung auftritt, mit der Temperatur neuen Gases zum Auslass einer Brennstoffzelle 1 geleitet wird, verringert sich für gewöhnlich der erfasste Wert der Taupunktdifferenz zwischen Einlass und Auslass der Brennstoffzelle 1. Dadurch wird festgestellt, ob eine Gegenströmung auftritt oder nicht.
(4) 18D zeigt, wie eine Gegenströmung mittels der Durchflussrate des aus der Brennstoffzelle abgeführten Anodenabgases nachgewiesen wird. Ein Durchflussmesser Q ist am Auslass einer Brennstoffzelle 1 vorgesehen. Da der Wert der Durchflussrate des Durchflussmessers abnimmt, wenn eine Gegenströmung auftritt, die gewöhnlich eine Umkehr der Strömungsrichtung bewirkt, ist die Gegenströmung nachweisbar.

Daher arbeitet ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung nicht mit einem mechanischen Rückschlagventil, sondern mit einem elektromagnetischen Rückschlagventil. Druckverluste durch das Rückschlagventil können geringer gehalten werden als bei Verwendung eines mechanischen Rückschlagventils. Deshalb lässt sich durch die Betätigung des elektromagnetischen Rückschlagventils auf Grundlage des elektrischen Signals beim Messen des Drucks etc., welcher der aktuellen Zustand eines Brennstoffkreises des Brennstoffzellensystems angibt, der durch das Rückschlagventil verursachte Druckverlust im Vergleich zur Verwendung eines mechanischen Rückschlagventils verringern. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Zirkulationsflußrate des Ejektors. Es wird ein Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems geschaffen, bei welchem eine Brennstoffpumpe bei einer möglichen Steuerung/Regelung des Energieverbrauchs gedrosselt/verkleinert werden kann und zusammen damit die Brennstoff Zirkulationsflußrate in der Zeit sichergestellt werden kann, in der sich die Leistung einer Brennstoffzelle ändert, umfassend

– die Brennstoffzelle 1, die elektrische Energie erzeugt, indem sie mit Brennstoff und mit einem Oxidationsmittel gespeist wird;
– den Brennstoffzufuhrkanal 7 für die Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle 1;
– den Brennstoffzirkulationskanal 6, der veranlasst, dass aus der Brennstoffzelle 1 abgeführter unverbrauchter Brennstoff zwecks Rückführung in den Brennstoffzufuhrkanal 7 einströmt;
– die Brennstoffpumpe (Wasserstoffpumpe 5), die unverbrauchten Brennstoff ansaugt und ausstößt;
– und den Ejektor 2, der unter Nutzung von Unterdruck, der entsteht, wenn Brennstoff strömt, unverbrauchten Brennstoff ansaugt und veranlasst, dass dieser in den Brennstoff eingemischt wird, der danach in die Brennstoffzelle 1 geleitet wird.

Claims

Fahrzeug-Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffkreislauf, umfassend: – eine Brennstoffzelle (1), die mit Brennstoff und mit Luft als Oxidationsmittel gespeist ist, eine Festpolymerelektrolyt-Membran aufweist und elektrische Energie erzeugt; – einen Brennstoffzufuhrkanal (7) für die Zufuhr von Brennstoff zur Brennstoffzelle (1); – einen Brennstoffzirkulationskanal (6), welcher aus der Brennstoffzelle (1) abgeführten unverbrauchten Brennstoff in den Brennstoffzufuhrkanal (7) zurückführt; und – eine Brennstoffpumpe (5), die den unverbrauchten rückgeführten Brennstoff oder ein Gemisch aus unverbrauchtem rückgeführtem und neuzugeführtem Brennstoff ansaugt und ausstößt; gekennzeichnet durch einen Ejektor (2), der unter Nutzung von durch die Brennstoffströmung entstehendem Unterdruck den unverbrauchten Brennstoff ansaugt und eine Einmischung dieses unverbrauchten Brennstoffs in den Brennstoff, der anschließend in die Brennstoffzelle (1) geleitet wird, bewirkt, wobei ein Bypass-Strömungskanal (11, 13, 17, 19, 21, 23, 25a, 25b) mit Ventil (12, 14, 18, 20, 22, 24, 26a, 26b) die Pumpe (5) und/oder den Ejektor (2) umgeht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffpumpe (5) in dem Brennstoffzirkulationskanal (6) vorgesehen ist und in eine Ansaugöffnung (2a) des in dem Brennstoffzirkulationskanal (6) vorgesehenen Ejektors (2) mündet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem Brennstoffzirkulationskanal (6) abzweigender Strömungskanal (15) derart vorgesehen ist, dass er in einem Bereich zwischen dem Ejektor (2) und der Brennstoffzelle (1) in den Brennstoffzufuhrkanal (7) mündet, wobei die Brennstoffpumpe (5) in diesem Strömungskanal (15) vorgesehen ist, wodurch zwei Strömungskanäle des Brennstoffkreislaufs gebildet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffpumpe (5) zwischen dem Ejektor (2) und der Brennstoffzelle (1) in dem Brennstoffzufuhrkanal (7) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entleerungsventil (10) in einer von dem Brennstoffzirkulationskanal (6) abzweigenden Entleerungsleitung (9) und/oder ein Rückschlagventil (8) in dem Brennstoffzirkulationskanal (6) vorgesehen sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (8) ein elektromagnetisches Rückschlagventil ist, das auf Grundlage eines vorliegenden Druckzustands im Brennstoffkreislauf des Brennstoffzellensystems betätigt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass-Strömungskanal (25b) mit dem Ventil (26b) zur Umgehung des Ejektors (2) mit dem Brennstoffzufuhrkanal (7) verbunden ist.