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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich allgemein auf ein Brennstoffzellensystem nach dem Anspruch 1
sowie dem Anspruch 13, welches für
Fahrzeuge, Boote, Schiffe oder tragbare Generatoren geeignet ist,
welches mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, die zum Umwandeln
der durch elektrochemische Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff
erzeugten Energie in elektrische Energie dient, und ausgestaltet
ist, um einen Brennstoffzufuhrdruck mit hoher Genauigkeit zu steuern.
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Es sind Brennstoffzellensysteme bekannt,
welche ausgestaltet sind, um ein von einer Brennstoffelektrode einer
Brennstoffzelle abgegebenes Abgas unter Verwendung einer Pumpe anzusaugen
und es mit Brennstoff, welcher der Brennstoffzelle zugeführt wird,
zu vermischen. Die Pumpe wird für
gewöhnlich
durch eine Treibmittelvakuumpumpe implementiert bzw. umgesetzt,
welche mit einer Einspritzdüse
ausgestattet ist, da sie in der Lage ist, Fluidenergie des zugeführten Brennstoffs
zum Einsparen von Leistung zu nutzen.
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Für
gewöhnlich
müssen
die Brennstoffzellsysteme einen Brennstoffzufuhrdruck auf einem
gewissen Wert halten, um eine Druckdifferenz zwischen einer Sauerstoffelektrode
und einer Brennstoffelektrode zu verringern, die Ausgabe bzw. Abgabe
der Brennstoffzelle stabil zu halten und Feuchtigkeit von der Brennstoffzelle abzuführen bzw.
zu eliminieren. Die Treibmittelvakuumpumpe ist jedoch Schwankungen
des Brennstoffdrucks (d. h. des Drucks eines zugeführten Brennstoffs)
an einem Auslaß hiervon
und der Flußrate
von rezirkuliertem bzw. rückgeführtem Abgas
aufgrund von Veränderungen
von Druck und Flußrate
des der Brennstoffzelle zugeführten
Brennstoffs ausgesetzt. Die Treibmittelvakuumpumpe weist zudem einen
Nachteil dahingehend auf, daß ein
steuerbarer Bereich der Flußrate
des Abgases eng ist.
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Eine erste Veröffentlichung des japanischen
Patents mit der Nr. 2001-266922 offenbart ein Brennstoffzellensystem,
welches Drucksteuerungsleitungen und eine Mehrzahl von Drucksteuerungsventilen
hat, welche als Funktion des Drucks in einem Oxidationsmittelzuführer gesteuert
werden können.
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Das oben genannte System hat jedoch
Nachteile dahingehend, daß die
Anordnung, welche aus den Drucksteuerungsventilen und den Bypass-Leitungen
besteht, komplex ist, die Steuerung des Drucks des der Brennstoffzelle
zugeführten
Brennstoffs von dem zugeführten
bzw. angelegtem Druck des Oxidationsmittels abhängt, wodurch es schwierig wird,
der Forderung nach einer hochakkuraten Brennstoffzufuhrsteuerung
gerecht zu werden, und eine Veränderung
des Drucks des zugeführten
Oxidationsmittels zu einer Veränderung des
Drucks des zugeführten
Brennstoffs (bspw. Nachlaufen) führen
kann, was zu einer Instabilität
des Betriebs der Brennstoffzelle führt.
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Ferner kann die im Abgas enthaltene
Feuchtigkeit in Nähe
der Einspritzdüse
in kühler
Umgebung einfrieren, wodurch es zu Änderungen im Bereich bzw. in
der Fläche
eines Auslasses der Düse
und am Zustand einer Wandfläche
der Düse
führt,
was eine Störung
der Steuerung der Flußrate
des Abgases verursachen kann.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung,
ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches zum Rezirkulieren
bzw. Rückführen von
Abgas und dem Regulieren des Drucks des der Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffs
mit hoher Genauigkeit dient bzw. wirkt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch
ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie
durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs
13.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, welches in Kraftfahrzeugen
verwendet werden kann. Das Brennstoffzellensystem weist auf: (a)
eine Brennstoffzelle, welche elektrische Energie erzeugt, welche
von chemischer Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff herrührt; (b)
eine Wasserstoffzufuhrleitung, welche ein Wasserstoffgas von einer
Wasserstoffzufuhrvorrichtung zur Brennstoffzelle zuführt; (c)
eine Abgasrückführleitung,
welche sich von der Brennstoffzelle zur Wasserstoffzufuhrleitung erstreckt;
(d) einen Abgasrückführmechanismus,
welcher ausgestaltet ist, um ein Abgas, welches von der Brennstoffzelle
abgegeben wird und Wasserstoff enthält, welches in den chemischen
Reaktionen bzw. der chemischen Reaktion nicht mit dem Sauerstoff
reagiert hat, zur Brennstoffzelle durch die Abgasrückführleitung rückzuführen, wobei
der Rückführmechanismus
ausgestaltet ist, um eine Menge des rückgeführten Abgases zu steuern, und
wobei er dazu dient, das durch die Abgasrückführleitung strömende Abgas
mit dem durch die Wasserstoffzufuhrleitung strömenden Wasserstoffgas zu vermischen,
um ein Gasgemisch an die Brennstoffzelle abzugeben; (e) eine Schaltung
zum Festlegen einer Abgabe- bzw. Ausgabeanforderung, welche zum Festlegen
einer Forderung nach Ausgabe bzw. Abgabe elektrischer Energie von
der Brennstoffzelle wirkt bzw. dient; und (f) eine Steuerung, welche
zum Steuern der Menge des rückgeführten Abgases
durch den Abgasrückführmechanismus
als eine Funktion der Forderung nach Abgabe bzw. Ausgabe von elektrischer
Energie, welche durch die Schaltung zum Festlegen der Ausgabeforderung
festgelegt wird, dient, wodurch ein Ausgabedruck des Abgasrückführmechanismus
gesteuert wird.
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Die Verwendung des Abgasrückführmechanismus,
welcher ausgestaltet ist, um die Menge des rückgeführten Abgases zu steuern, führt zu einer
vereinfachten Anordnung bzw. Aufbau des Systems und einer erhöhten Genauigkeit
der Steuerung des Abgabe- bzw. Ausgangs- bzw. Auslaßdrucks
des Abgasrückführmechanismus,
d. h. des Drucks des in die Brennstoffzelle eingeführten Wasserstoffgases.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
weist das System ferner einen Drucksensor auf, welcher zum Messen
des Ausgangsdrucks des Abgasrückführmechanismus
dient bzw. wirkt. Die Steuerungsschaltung steuert die Menge des
rückgeführten Abgases
als Funktion des durch den Drucksensor gemessenen Ausgangsdrucks.
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Die Steuerung kann den Ausgangsdruck
des Abgasrückführmechanismus überwachen,
um die Menge des durch den Abgasrückführmechanismus rückgeführten Abgases
derart zu steuern, daß der
Auslaß-
bzw. Ausgangsdruck des Abgasrückführmechanismus
unter Feedback-Steuerung in Übereinstimmung
mit einem Zieldruck gebracht wird.
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Die Steuerung kann alternativ den
Ausgangsdruck des Abgasrückführmechanismus überwachen,
um die Menge des durch den Abgasrückführmechanismus rückgeführten Abgases
derart zu steuern, daß der
Ausgangsdruck des Abgasrückführmechanismus
unter Feedback-Steuerung in einen Zielbereich fällt. Liegt der Ausgangsdruck
des Abgasrückführmechanismus
innerhalb des Zielbereichs, und ist eine tatsächliche Menge der mittels der
Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie kleiner als die geforderte
Abgabe an elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle, so läßt die Steuerung
das Abgas aus der Abgasrückführleitung
ab.
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Der Abgasrückführmechanismus kann mittels
einer Treibmittelvakuumpumpe bzw. Einspritzvakuumpumpe implementiert
werden, welche eine Düse
mit einem Aus-laß hat, aus
welchem das Wasserstoffgas abgegeben wird, und welche derart gestaltet
ist, daß ein
Bereich bzw. eine Fläche
des Auslasses der Düse
gesteuert bzw. geregelt werden kann.
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Die Treibmittelvakuumpumpe hat eine
zulaufende Nadel, welche koaxial innerhalb der Düse derart angeordnet ist, daß sie selektiv
in einer ersten Richtung, in welcher sich die derart zulaufende
Nadel dem Auslaß der
Düse nähert, und
in einer zweiten Richtung, in welcher sich die zulaufende Nadel
vom Auslaß der
Düse wegbewegt,
bewegbar ist, wodurch sich die Auslaßfläche bzw. der Auslaßbereich
der Düse
verändert.
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Das System weist ferner ein Stellglied
bzw. einen Regler auf, welcher elektrisch bedienbar ist, um die zulaufende
Nadel in einer ausgewählten
der ersten oder zweiten Richtungen zu bewegen.
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Das System kann ferner einen Heizer
bzw. eine Heizvorrichtung aufweisen, welcher zum Beheizen des Abgasrückführmechanismus
dient bzw. wirkt. Der Heizer ist derart installiert, daß er sich
vom Auslaß der Düse stromabwärts des
Wasserstoffgasstroms erstreckt. Der Heizer kann mittels eines PTC-Heizers
implementiert werden.
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Das System kann ferner einen Regulierungsmechanismus
für den
Wasserstoffzufuhrdruck aufweisen, welcher zum Regulieren eines Drucks
des von der Wasserstoffzufuhrvorrichtung abgegebenen Wasserstoffgases
dient.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung
wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, welches aufweist: (a)
eine Brennstoffzelle, welche zum Erzeugen einer elektrischen Energie
wirkt bzw. dient, welche von chemischen Reaktionen bzw. einer chemischen
Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff herrührt; (b) eine Wasserstoffzufuhrleitung,
welche der Brennstoffzelle Wasserstoffgas aus bzw. von einer Wasserstoffzufuhrvorrichtung
zuführt;
(c) eine Abgasrückführleitung,
welche sich von der Brennstoffzelle zu der Wasserstoffzufuhrleitung
erstreckt; und (d) einen Abgasrückführmechanismus,
welcher derart ausgestaltet ist, daß ein Abgas, welches von der
Brennstoffzelle abgegeben wird und Wasserstoff aufweist, welcher
mit dem Sauerstoff in der chemischen Reaktion nicht reagiert hat,
durch die Abgasrückführleitung
der Brennstoffzelle rückgeführt bzw.
rezirkuliert wird. Der Abgasrückführmechanismus
dient bzw. wirkt zum Mischen des Abgases, welches durch die Abgasrückführleitung
strömt,
mit dem Wasserstoffgas, welches durch die Wasserstoffzufuhrleitung strömt, um ein
Gasgemisch an die Brennstoffzelle abzugeben. Der Abgasrückführmechanismus
spricht auf einen Druck des von dem Abgasrückführmechanismus abgegebenen Gasgemisches
an, um den Druck des Gasgemisches in Übereinstimmung mit einem Zielwert
zu bringen.
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In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist der Abgasrückführmechanismus
mittels einer Treibstoffvakuumpumpe implementiert, welche eine Düse mit einem
Auslaß hat,
von welchem das Wasserstoffgas abgegeben wird und welche derart
gestaltet ist, daß ein
Bereich bzw. eine Fläche
des Auslasses der Düse
als Reaktion bzw. Antwort auf den Druck des Gemisches variabel bzw.
variierbar ist.
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Die Treibmittelvakuumpumpe kann eine
zulaufende bzw. schräge
Nadel aufweisen, welche innerhalb der Düse koaxial hierzu angeordnet
ist, um selektiv in einer ersten Richtung, in welcher sich die zulaufende Nadel
dem Auslaß der
Düse nähert, und
in einer zweiten Richtung, in welcher sich die zulaufende Nadel
vom Auslaß der
Düse entfernt,
bewegbar ist, wodurch die Fläche
bzw. der Bereich des Auslasses der Düse verändert wird.
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Die Treibmittelvakuumpumpe hat ein
elastisches Stellglied bzw. Aktuator, welcher elastisch auf den Druck
des Gemisches reagiert, um die zulaufende Nadel in einer ausgewählten ersten
oder zweiten Richtung zu bewegen.
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Das elastische Stellglied bzw. Aktuator
bzw. Regler kann mittels einer Feder wie einem Balg implementiert
sein.
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Die Erfindung wird aus der untenstehend
gegebene detaillierten Beschreibung mit Bezug auf die angehängten Figuren
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, welche jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung auf die
speziellen Ausführungsformen
verstanden werden sollen, sondern lediglich dem Zwecke der Erklärung und
dem Verständnis
dienen, verständlich.
In der Zeichnung gilt:
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1 ist
ein Schaltdiagramm, welches ein Brennstoffzellensystem gemäß der ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt;
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2 ist
eine Längsschnittansicht,
welche eine Treibmittelvakuumpumpe, welche im Brennstoffzellensystem
von 1 verwendet wird,
zeigt;
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3 ist
ein Flußdiagramm
eines Programms, welches durch Steuerungen des Brennstoffzellensystems
von 1 ausgeführt wird;
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4 ist
eine Längsschnittansicht,
welche eine Treibmittelvakuumpumpe gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt; und
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5 ist
eine Längsschnittansicht,
welche eine Treibmittelvakuumpumpe gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigt.
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Die Figuren, bei welchen gleiche
Bezugszeichen gleiche Bauteile in verschiedenen Ansichten bezeichnen,
und insbesondere auch 1,
zeigen ein Brennstoffzellensystem gemäß der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
welches im Wesentlichen eine Brennstoffzellenanordnung bzw. ein
Brennstoffzellenbündel 10,
eine Luftzufuhrvorrichtung 21, eine Brennstoffzufuhrvorrichtung 31,
eine Einspritz- bzw. Treibmittelvakuumpumpe 38 und Steuerungen 40 und 41 aufweist.
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Die Brennstoffzellenanordnung
10 dient
zum Umwandeln der durch elektrochemische Reaktion von Wasserstoff,
d. h. Brennstoff, und Sauerstoff, d. h. emulgierendes Mittel, erzeugten
Energie in elektrische Leistung. Die Brennstoffzellenanordnung
10 ist
aus einer Mehrzahl von festen Polyelektrolyt-Brennstoffzellen aufgebaut.
Jede Zelle ist aus einem Paar von Elektroden (welche untenstehend
auch eine Sauerstoffelektrode und eine Wasserstoffelektrode genannt
werden) und einem Elektrolytfilm aufgebaut, welcher zwischen den. Elektroden
angeordnet ist. Die Brennstoffzellenanordnung
10 wird zum
Zuführen
von Leistung zu einer elektrischen Vorrichtung wie einem Antriebsmotor
oder einer Speicherbatterie verwendet. Der Brennstoffzellenanordnung
10 wird
Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) zugeführt, und sie induziert deren
elektrochemischen Reaktionen an den Elektroden, welche wie folgt
geschrieben werden:
Die obenstehenden elektrochemischen
Reaktionen ergeben Wasser. Zusätzlich
werden angefeuchtete Wasserstoff- und Luftgase in die Brennstoffzellenanordnung
10 eingebracht,
was in dieser zur Bildung von Kondenswasser führt. Die Feuchtigkeit bildet
sich somit innerhalb der Brennstoffzellenanordnung
10.
Die Brennstoffzellenanordnung
10 hat einen hieran angefügten Spannungsmesser
11,
welcher zum Messen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung
10 dient
und diese der Steuerung
40 in Signalform angibt.
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Das Brennstoffzellensystem hat zudem
eine Luftzufuhrleitung 20 zum Zuführen von sauerstoffhaltiger Luft
zu den Sauerstoffelektroden (d. h. zu den positiven Elektroden)
der Brennstoffzellenanordnung 10, und eine Wasserstoffzufuhrleitung 30 zum
Zuführen
von Wasserstoffgas zu den Wasserstoffelektroden (d. h. zu den negativen
Elektroden) der Brennstoffzellenanordnung 10. Das Wasserstoffzellensystem
weist ferner einen Luftzufuhrdrucksensor 22 und einen Wasserstoffzufuhrdrucksensor 33 auf.
Der Luftzufuhrdrucksensor 22 ist in einer Luftzufuhrleitung 20 nahe
einem Lufteinlaß der
Brennstoffzellenanordnung 10 angeordnet und dient zum Messen
des Drucks der der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Luft.
Der Wasserstoffzufuhrdrucksensor 33 ist in der Wasserstoffzufuhrleitung 30 nahe
einem Wasserstoffgaseinlaß der
Brennstoffzellenanordnung 10 angeordnet und dient dem Messen
des Drucks des der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Wasserstoffgas.
Der Druck des Wasserstoffgases, welches der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführt wird, ist
im Wesentlichen gleich einem Auslaßdruck der Treibmittelvakuumpumpe 38.
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Eine Abgasumlaufleitung bzw. -rückführleitung
34 ist zwischen einem Wasserstoffauslaß der Brennstoffzellenanordnung 10 und
einem Abschnitt der stromabwärts
eines Reglers 32 angeordneten Wasserstoffzufuhrleitung 30 angeordnet.
Die Abgasumlaufleitung 34 dient dazu, Abgas, welches unreagiertes,
von der Brennstoffzellenanordnung 10 abgegebenes Wasserstoffgas
enthält,
mit einem Hauptstrom des Wasserstoffgases zur Brennstoffzellenanordnung 10 zu
verbinden. Die Abgasumlaufleitung 34 hat einen hierin angeordneten
Gas-Flüssigphasen-Abscheider 35,
ein Ablaßventil 36 und ein
Rückschlagventil 37.
Der Gas-Flüssigphasen-Abscheider 35 dient
zum Abscheiden der Feuchtigkeit aus dem Abgas. Das Ablaßventil 36 dient
zum Ab- bzw. Auslassen des Abgases aus dem Brennstoffzellensystem.
Das Rückschlagventil 37 dient
dazu, einen Rückstrom
des Abgases zu verhindern, wenn dieses nach außerhalb des Brennstoffzellensystems
abgelassen wird. Die mittels des Gas-Flüssigphasen-Abscheiders 35 abgetrennte
Feuchtigkeit wird durch Öffnen
eines Ablaßventils
abgelassen, welches unterhalb des Gas-Flüssigphasen-Abscheiders 35 installiert
ist, wie in der Zeichnung gezeigt ist.
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Die Treibmittelvakuumpumpe 38 ist
an einer Verbindungsstelle der Abgasumlaufleitung 34 und
der Wasserstoffzufuhrleitung 30 installiert. Die untenstehend
detailliert beschriebene Treibstoffvakuumpumpe 38 dient
dazu, das Abgas unter Nutzung von Fluidenergie einzusaugen, welche
durch einen Strom des von der Brennstoffzufuhrvorrichtung 31 ausgegebenen
Wasserstoffgas entwickelt wurde, und dieses in die Brennstoffzellenanordnung 10 zu
rezirkulieren bzw. rückzuführen.
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In das oben beschriebene Brennstoffzellensystem
sind die beiden Steuerungen 40 und 41 mittels
elektronischer Steuereinheiten implementiert. Die erste Steuerung 40 empfängt ein
Ausgabesignal eines Akzeleratorpositionssensors 43, welches
eine Position eines Akzelerator- bzw. Gaspedals 42 bspw.
eines Automobils angibt, und errechnet basierend auf einer Stellung
bzw. Position des Gaspedals 42 eine erforderliche bzw.
benötigte
Menge an Elektrizität,
welche durch die Brennstoffzellenanordnung 10 erzeugt werden
soll. Die erste Steuerung 40 dient zudem dazu, Mengen an
Wasserstoffgas und Abgas sowie einen Zuführdruck des Wasserstoffgases
(d. h. den Auslaßdruck
der Treibmittelvakuumpumpe 38), welche von der Brennstoffzellenanordnung 10 zum
Erzeugen der erforderlichen bzw. benötigten Elektrizität benötigt werden,
zu errechnen und einen Signalbefehl an die zweite Steuerung 41 auszugeben.
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In dieser Ausführungsform handelt es sich
bei einem Verhältnis
der Menge an Wasserstoffgas, welches von der Brennstoffzufuhrvorrichtung 31 zugeführt wird,
zu einer Menge von Abgas, welche der Brennstoffzellenanordnung 10 rückzuführen ist,
um einen festen Wert (bspw. 1 : 0,2). Eine Bestimmung bzw. ein Festlegen
der rückgeführten Menge
an Abgas findet somit durch Festlegen der zugeführten Menge an Wasserstoffgas
statt. In der ersten Steuerung 40 ist eine Karte bzw. Liste
angelegt, welche ein Verhältnis
zwischen der Menge an Wasserstoffgas, welche der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführt werden
muß, der
Menge an Abgas, welche in die Brennstoffzellenanordnung 10 rückgeführt werden
muß, und
dem Druck, welcher erforderlich ist, um der Brennstoffzellenanordnung 10 das
Wasserstoffgas zuzuführen,
auflistet bzw. aufführt.
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Die erste Steuerung 40 errechnet
zudem die Luftmenge, welche von der Brennstoffzellenanordnung 10 benötigt wird,
um die erforderliche bzw. benötigte
Elektrizität
zu erzeugen, und steuert die Geschwindigkeit eines Kompressors 21.
Insbesondere überwacht
die erste Steuerung 40 eine Ausgabe des Luftzufuhrdrucksensors 22,
um die Geschwindigkeit des Kompressors 21 unter einer Feedbacksteuerung
zu verändern
bzw. anzupassen. Die erste Steuerung 40 steuert basierend
auf einer Ausgabe des Spannungsmessers 11 auch die Erzeugung
von Elektrizität
in der Brennstoffzellenanordnung 10.
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Die zweite Steuerung 41 empfängt ein
Steuersignal von der ersten Steuerung 40 und eine Ausgabe des
Wasserstoffzufuhrdrucksensors 33. Die zweite Steuerung 41 errechnet
eine Ventilöffnungszielstellung
eines Reglers 32, welche auf der benötigten Menge an zugeführten Wasserstoffgas
basiert, und eine Düsenöffnungsstellung
der Treibmittelvakuumpumpe 34, welche auf der benötigten Menge
an rückgeführtem Abgas
basiert, und gibt Steuersignale an den Regler 32 und die
Treibmittelvakuumpumpe 38 aus. Die zweite Steuerung 41 gibt
ebenfalls Steuersignale an den Gas-Flüssigphasen-Abscheider 35 und das Ablaßventil 36 aus.
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Wie 2 deutlich
zeigt, weist die Treibmittelvakuumpumpe 38 eine Wasserstoffeinlaßöffnung 381, eine
Abgaseinlaßöffnung 382,
eine Düse 383,
einen Auslaß 384,
eine bewegbare Nadel 385, eine Nadelführung 386, ein Schneckenrad 387 und
einen Elektromotor 388 auf.
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Die Wasserstoffeinlaßöffnung 381 führt zu der
Wasserstoffzufuhrleitung 30. Die Abgaseinlaßöffnung 382 steht
in Verbindung mit der Abgasumlaufleitung bzw. Abgasrückführleitung 34.
Die Düse 383 ist
aus einem hohlen Zylinder mit einem inneren Fluidweg aufgebaut.
Die Düse 383 ist
innerhalb eines hohlen zylindrischen Pumpengehäuses angeordnet, um einen äußeren Fluidweg
zwischen einer äußeren Wand
der Düse 383 und einer
inneren Wand des Pumpengehäuses
festzulegen. Der innere Fluidweg steht in Verbindung mit der Wasserstoffeinlaßöffnung 381.
Der äußere Fluidweg
steht in Verbindung mit der Abgaseinlaßöffnung 382. Der innere
Fluidweg hat einen zulaufenden Auslaß, welcher zum Ausgeben bzw.
Abgeben eines Hochgeschwindigkeitsstroms des Wasserstoffgases dient.
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Der Hochgeschwindigkeitsstrom des
Wasserstoffgases bewegt sich zum Aus-laß 384,
wobei das Abgas hier hineingezogen wird. Der Hochgeschwindigkeitsstrom
erzeugt insbesondere einen negativen Druck oder ein Vakuum um den
Umfang der Düse 383 herum,
wodurch das Abgas, welches durch die Abgasumlaufleitung 34 in
den Wasserstoffgasstrom strömt,
derart eingesaugt wird, daß ein
Gemisch bzw. eine Mischung des Abgases und des Wasserstoffgases
vom Auslaß 384 abgegeben
und der Brennstoffzellenanordnung 10 durch die Wasserstoffzufuhrleitung 30 zugeführt wird.
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Die oben beschriebene Treibmittelvakuumpumpe 38 weist
die innerhalb der Düse 383 koaxial
zu dieser angeordnete, bewegbare Nadel 385 auf. Die bewegbare
Nadel 385 ist durch das Schneckenrad 387 mechanisch
mit einer Ausgangswelle des Motors 388 derart verbunden,
daß sie
sich in einer Längsrichtung
hiervon innerhalb der Düse 383 bewegen
kann, um eine Querschnittsfläche
des Auslasses der Düse 383 zu
verändern.
Die Nadel 385 hat einen zulaufenden Kopf, welcher durch
den Motor 388 angetrieben bzw. bewegt wird, um den Querschnittsbereich
des Auslasses der Düse 383 wie
gewünscht
einzustellen. Wird die Nadel 385 der Düse 383 nach innen
bewegt (d. h. in die in der Figur links liegende Richtung), so nimmt
der Querschnittsbereich des Auslasses der Düse 383 zu, wohingegen,
wenn die Nadel 385 aus der Düse 383 herausbewegt
wird, der Querschnittsbereich des Auslasses der Düse 383 abnimmt.
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Die Einstellung des Ausgangs-Gasdrucks
der Treibmittelvakuumpumpe 38 und die Menge des rückgeführten Abgases
wird durch Verändern
des Offnungsbereichs bzw. der Öffnungsfläche der
Düse 383 erzielt. Der
Ausgangs-Gasdruck der Treibmittelvakuumpumpe 38 ist der
Druck des Gemisches von Wasserstoffgas und Abgas, welche der Brennstoffzellenanordnung 10 von
der Treibmittelvakuumpumpe 38 zugeführt werden sollen. Nimmt der Öffnungsbereich
der Düse 383 ab,
so führt
dies zu einer Abnahme der Fluß-
bzw. Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases und der Menge des rückgeführten Abgases und einem Ansteigen
des Ausgabegasdrucks der Treibmittelvakuumpumpe 38. Wird
der Öffnungsbereich
der Düse 383 im
Gegenteil hierzu verkleinert, so führt dies zu einem Ansteigen
der Strömungsgeschwindigkeit
des Wasserstoffgases und der Menge des zurückgeführten Abgases und einer Verringerung
des Ausgangs- bzw, Ausgabegasdrucks der Treibmittelvakuumpumpe 38.
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3 ist
ein Flußdiagramm
einer Abfolge logischer Schritte oder des Programms, welches durch
die Steuerungen 40 und 41 ausgeführt wird.
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Nach Programmbeginn startet das Programm
mit einem Schritt 100, in welchem die erste Steuerung 40 eine
Ausgabe des Akzelerators- bzw. Gaspedalpositionssensors 43 überwacht,
d. h. die Position des Gaspedals 42, und das Maß an Elektrizität Wo, welche
von der Brennstoffzellenanordnung 10 zum Erzeugen der Elektrizität benötigt wird,
bestimmt.
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Das Programm fährt fort mit dem Schritt 101,
bei welchem die erste Steuerung 40 die erforderliche Menge
an Wasserstoffgas, welche der Brennstoffzellenanordnung 10 zuzuführen ist,
die erforderliche bzw. benötigte
Menge an Abgas, welche der Brennstoffzellenanordnung 10 zurückgeführt werden
muß, und
den erforderlichen bzw. benötigten
Druck Po des Wasserstoffgases als Funktion der benötigten Elektrizität Wo festlegt
bzw. bestimmt. Diese Festlegung wird durch Nachschlagen unter Verwendung
der oben beschrieben Karte durchgeführt, welche die Beziehung zwischen
der erforderli chen bzw. benötigten
Menge an Wasserstoffgas, der benötigten
Menge an Abgas und dem erforderlichen Druck des Wasserstoffgases
angibt.
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Die Routine schreitet zu Schritt
102 fort, in welchem die zweite Steuerung 41 die Ventilöffnungsposition bzw.
-stellung des Reglers 32 und die Düsenöffnungsposition der Treibmittelvakuumpumpe 38 steuert.
Das Programm bzw. die Routine geht zu Schritt 103 weiter, bei welchem
ein aktueller bzw. tatsächlicher
Druck Ps der Brennstoffzellenanordnung 10 des zugeführten Wasserstoffgases
durch eine Ausgabe des Wasserstoffzufuhrdrucksensors 33 überwacht
wird, um festzulegen, ob ein aktueller Druck Ps auf den erforderlichen
bzw. benötigten
Druck Po gesteuert bzw. eingeregelt ist oder nicht. Insbesondere
wird festgelegt bzw. bestimmt, ob der aktuelle Druck Ps innerhalb
eines Bereichs des erforderlichen bzw. benötigten Drucks Po +/– α liegt oder nicht
(a ist eine gegebene Steuertoleranz). Falls ein NEIN als Antwort
erhalten wird, was bedeutet, daß der aktuelle
bzw. tatsächliche
Druck Ps außerhalb
des Bereichs des erforderlichen bzw. benötigten Drucks Po +/– α liegt, dann
schreitet das Programm zu Schritt 104 weiter, bei welchem festgelegt
bzw. bestimmt wird, ob der aktuelle bzw. tatsächliche Druck Ps größer oder
kleiner als der Bereich von Po +/– α ist, um die Richtung zu bestimmen,
in welcher die Düsenöffnungsstellung
der Treibmittelvakuumpumpe 38 korrigiert werden muß.
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Ist der aktuelle bzw. tatsächliche
Ps größer als
Po + α,
dann schreitet das Programm zu Schritt 105 fort, in welchem die
Düsenöffnungsstellung
oder der Öffnungsbereich
der Düse 383 der
Treibmittelvakuumpumpe 38 verringert wird, wodurch die
Flußgeschwindigkeit
des der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Wasserstoffgases
erhöht
wird. Dies führt
zu einer Zunahme der Menge des rückgeführten bzw.
rezirkulierten Abgases und zu einer Druckverringerung des von der
Treibmittelvakuumpumpe 38 ab- bzw. ausgegebenen Wasserstoffgases.
Ist der tatsächliche
Druck Ps kleiner als Po – α, dann schreitet
das Programm alternativ zu Schritt 106 fort, bei welchem die Düsenöffnungsposition
oder der Öffnungsbereich
der Düse 383 der
Treibmittelvakuumpumpe 38 erhöht wird, wodurch die Flußgeschwindigkeit
des der Brennstoffzellenzuordnung
10 zugeführten Wasserstoffgases
gesenkt wird. Dies führt
zu einer Abnahme der Menge des rückgeführten Abgases und
einem Druckanstieg des von der Treibmittelvakuumpumpe 38 abgegebenen
Wasserstoffgases.
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Wird in Schritt 104 festgelegt bzw,
bestimmt, daß der
tatsächliche
Druck Ps innerhalb den Bereich von Po +/– α fällt, dann schreitet die Routine
bzw. das Programm zu Schritt 107 fort, in welchem bestimmt wird,
ob ein tatsächliches
Maß Wn
einer durch die Brennstoffzellenanordnung 10 erzeugten
Elektrizität
größer oder gleich
der erforderten bzw. benötigten
Menge Wo an Elektrizität
ist oder nicht. Wird ein JA als Antwort erhalten, was bedeutet,
daß die
tatsächliche
Menge Wn den Bedarf nach Elektrizität erfüllt, dann endet das Programm. Wird
ein NEIN als Antwort erhalten, so wird al-ternativ davon ausgegangen bzw. geschlossen,
daß der
Mangel der von der Brennstoffzellenanordnung 10 tatsächlich produzierten
Elektrizität
Menge Wn auf einen Rückgang der
Konzentration des im Abgas enthaltenen Wasserstoffes zurückzuführen ist.
Dies der Fall, da sich der Stickstoff bzw. Nitrogen, welcher in
der den Sauerstoffelektroden der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Luft
enthalten ist, zu den Wasserstoffelektroden innerhalb eines Elektrolytfilms
bewegt, was somit zu einem Anstieg der Stickstoffkonzentration im
Abgas führt.
Die Routine bzw. das Programm schreitet somit zu Schritt 108 fort,
bei welchem das Ablaßventil 36 geöffnet wird,
um das Abgas abzulassen, dessen Wasserstoffkonzentration außerhalb
der Abgasumlaufleitung 34 gesenkt wird, wodurch der mangelnden
Wasserstoffkonzentration innerhalb des Abgases abgeholfen ist. Das
Programm kehrt anschließend
zum Schritt 103 zurück,
um den Druck des der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Wasserstoffgases
erneut zu kontrollieren bzw. zu steuern.
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Wie aus der obenstehenden Diskussion
ersichtlich ist, überwacht
das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform eine Ausgabe des
Wasserstoffzufuhrdrucksensors, um den Öffnungsbereich bzw. die -fläche der
Auslaßöffnung der
Treibmittelvakuumpumpe 38 zu verändern, wodurch der Druck des
der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Wasserstoffgases (d.
h. der Ablaß-
bzw. Ausgangsdruck der Treibmittelvakuumpumpe 38) und die
Menge des der Brennstoffzellenanordnung 10 rückgeführten Abgases
gesteuert wird. Dies hebt die Notwendigkeit auf, eine Mehrzahl von
Drucksteuerventilen zu haben, wie sie im herkömmlichen System, wie es im
einführenden
Teil dieser Anmeldung diskutiert wurde, verwendet werden, was zu
einer vereinfachten Struktur bzw. Anordnung und einem Senken der
Herstellungskosten des Brennstoffzellensystems führt. Ferner ist eine Verzögerung in
der Druckausbreitung innerhalb der Leitungen 30 und 40 minimiert.
Der Druck des der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Luft
wird nicht vom Druck der der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Luft
beeinflußt.
Es wird daher möglich,
den Druck des der Brennstoffzellenanordnung zugeführten Wasserstoffgases
präzise
zu steuern. Die Verwendung des Reglers 32 zum Steuern des Drucks
des Wasserstoffgases führt
zu einer Vergrößerung bzw.
Erhöhung
des steuerbaren Bereichs des Ausgangsdrucks der Treibmittelvakuumpumpe 38.
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4 zeigt
die Treibmittelvakuumpumpe 38 gemäß der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Dieselben Bezugszeichen, wie sie in der ersten Ausführungsform
verwendet wurden, bezeichnen dieselben Teile, und deren detaillierte
Beschreibung wird hier ausgelassen.
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Die Treibmittelvakuumpumpe 38 hat
einen Balg 389, welcher innerhalb einer Kammer des Pumpengehäuses angeordnet
ist. Der Balg 389 dient als eine Feder zum Entspannen oder
Kontrahieren in Folge des Auslaß-
oder Ausgabedrucks der Treibmittelvakuumpumpe 38. Der Balg 389 ist
an einem Ende der Nadel 385 befestigt bzw. gesichert, um
die Nadel 385 in einer Längsrichtung hiervon zu bewegen.
Eine Auslaßdruckübertragungsleitung 390 erstreckt
sich vom Auslaß 384 der
Treibmittelvakuumpumpe 38 in den Balg 389 hinein, um
den Balg 389 mit dem Auslaßdruck der Treibmittelvakuumpumpe 38 zu
beaufschlagen.
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Wenn der Auslaßdruck der Treibmittelvakuumpumpe 38 ansteigt,
veranlaßt
dies den Balg 389, sich zu entspannen. Alternativ hierzu
wird der Balg 389 veranlaßt, sich durch seinen eigenen
Federdruck zusammenzuziehen bzw. zu kontrahieren, wenn der Auslaßdruck der
Treibmittelvakuumpumpe 38 abfällt. Fällt der Auslaßdruck der
Treibmittelvakuumpumpe 38 unter einen Zielwert, so veranlaßt dies
die Nadel 385, sich in die linke Richtung zu bewegen, wie
in der Zeichnung dargestellt, wobei der Öffnungsbereich der Düse 383 vergrößert wird,
was zu einer Verringerung der Menge des rezirkulierten bzw. rückgeführten Abgases
und zu einem Druckanstieg des Wasserstoffgases (d. h. des Gemisches
von Abgas und Wasserstoffgas), welches der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführt wird,
führt.
Im Gegensatz hierzu wird die Nadel 385 bei einem Anstieg des
Auslaßdrucks über den
Zielwert hinaus hierdurch veranlaßt, sich in die rechte Richtung
zu bewegen, wie in der Zeichnung gezeigt ist, wodurch der Offnungs-bereich bzw. die Öffnungsfläche der
Düse 383 abnimmt, was
zu einer Zunahme der rezirkulierten bzw. rückgeführten Abgasmenge und zu einem
Druckabfall des der Brennstoffzellenanordnung 10 zugeführten Wasserstoffgas
führt.
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Die Verwendung dieses Typs einer
Treibmittelvakuumpumpe 38 ermöglicht es, den Öffnungsbereich der
Düse 383 automatisch
als eine Funktion des Auslaßdrucks
der Treibmittelvakuumpumpe 38 zu regulieren, was somit
zu einer weiter vereinfachten Anordnung bzw. Aufbau des Brennstoffzellensystems
führt.
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5 zeigt
die Treibmittelvakuumpumpe 38 gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Dieselben
Bezugszeichen, wie sie in der ersten Ausführungsform verwendet wurden,
bezeichnen dieselben Bauteile, und deren detaillierte Erläuterung
bzw. Erklärung
wird hier ausgelassen.
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Die Treibmittelvakuumpumpe 38 hat
einen hieran angeordneten PTC (Positiver Temperatur Koeffizient) – Heizer
bzw. Heizapparat 392, welcher zum Verhindern von Feuchtigkeit
innerhalb der Treibmittelvakuumpumpe 38 in kalten Umgebungen
bzw. Umgebungen von niedriger Temperatur dient. Der PTC-Heizer 392 ist
an einem Abschnitt des Pumpengehäuses
installiert bzw. angeordnet, innerhalb welchem das Abgas mit dem
Wasserstoffgas vermischt wird. Der PTC-Heizer 392 erstreckt
sich insbesondere von der Spitze der Düse 383 zu der stromabwärts gelegenen
Seite des Auslasses 384. Das PTC-Element, welches im Heizer 392 verwendet
wird, wie es aus dem Stand der Technik wohlbekannt ist, dient als
ein Heizer konstanter Temperatur, welcher eine Selbststeuerfunktion
der Temperatur ausführt,
womit die Notwendigkeit wegfällt,
daß eine
elektrische Energieversorgung gesteuert werden muß. Dies
führt zu
einer vereinfachten Anordnung bzw. Aufbau des Brennstoffzellensystems
verglichen mit dem Einsatz eines Heißdraht-Heizaggregates.
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Obwohl die vorliegende Erfindung
zum besseren Verständnis
mit Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen offenbart wurde,
soll bemerkt werden, daß die
Erfindung auf verschiedenen bzw. unterschiedlichen Wegen ausgeführt werden
kann, ohne von den Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Die
Erfindung sollte daher als die Gesamtheit aller möglichen
Ausführungsformen
und Änderungen
der gezeigten Ausführungsformen
verstanden werden, welche ohne Abweichen von den Grundgedanken der
Erfindung, wie sie in den angehängten
Ansprüchen
dargelegt sind, abzuweichen.
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Beispielsweise dient das Brennstoffzellensystem
der ersten Ausführungsform
zum Steuern des Öffnungsbereichs
der Düse 383 der
Treibmittelvakuumpumpe 38 als eine Funktion ihres Auslaßdrucks,
sie kann jedoch auch eine Fluß-
bzw. Strömungsrate
des Abgases, wie sie von einem Abgassensor gemessen wird, anstelle
des Auslaßdrucks
der Treibmittelvakuumpumpe 38 verwenden.
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Das Brennstoffzellensystem der dritten
Ausführungsform
verwendet den PTC-Heizer 392, es kann jedoch alternativ
ein anderer Heizertyp verwendet werden.