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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem
und insbesondere eine Technik zum Entfernen eines Geruchsstoffs
aus einem Gasgemisch, das Wasserstoffgas und den Geruchsstoff enthält.
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Eine Brennstoffzelle erzeugt mit
Hilfe eines in einem Brennstoffgas enthaltenen Wasserstoffgases
und eines in einem oxidativen Gas enthaltenen Sauerstoffgases Elektrizität. Von der
Brennstoffzelle wird ein verbrauchtes Brennstoffgas (Brennstoffabgas)
und ein verbrauchtes oxidatives Gas (Oxidiationsgasabgas) abgegeben.
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In einem solchen Brennstoffzellensystem kann
ein Gasgemisch (Brennstoffgas) verwendet werden, das Wasserstoffgas
und einen Geruchsstoff enthält,
um schon in einem frühen
Stadium eine Leckage von Wasserstoffgas aufzuspüren. Allerdings verschlechtert
der Geruchsstoff häufig
die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle. Daher wurde ein Aufbau
entwickelt, bei dem sich stromaufwärts von der Brennstoffzelle,
genauer gesagt in einer Brennstoffgasleitung, durch die das Brennstoffgas
strömt,
ein Geruchsstoffentfernungsabschnitt befindet, um den Geruchsstoff
aus dem Brennstoffgas zu entfernen. Ein solches Brennstoffzellensystem
ist zum Beispiel in der JP 2002-29701 A offenbart.
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In diesem Brennstoffzellensystem
kann jedoch die Leckage von Wasserstoffgas lediglich in einem Brennstoffgasleitungsbereich
stromaufwärts von
der Brennstoffzelle aufgespürt
werden.
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Angesichts des oben angesprochenen
Problems liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Technik
zur Verfügung
zu stellen, die den Bereich vergrößert, in dem in einer Brennstoffzelle
eine Leckage von Wasserstoffgas aufgespürt werden kann.
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Um das obige Problem zumindest teilweise zu
lösen,
sieht eine erste Ausgestaltung der Erfindung ein Brennstoffzellensystem
vor, das eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffgasleitung, die mit
der Brennstoffzelle verbunden ist und durch die ein der Brennstoffzelle
zugeführtes
Brennstoffgas strömt, das
einen Geruchsstoff und Wasserstoffgas enthält, eine Oxidationsgasleitung,
die mit der Brennstoffzelle verbunden ist und durch die ein der
Brennstoffzelle zugeführtes
oxidatives Gas strömt,
eine Brennstoffabgasleitung, die mit der Brennstoffzelle verbunden
ist und durch die ein von der Brennstoffzelle abgegebenes Brennstoffabgas
strömt,
eine Oxidationsgasabgasleitung, die mit der Brennstoffzelle verbunden
ist und durch die ein von der Brennstoffzelle abgegebenes Oxidationsgasabgas
strömt,
und einen Geruchsstoffentfernungsabschnitt enthält, der nach Einleitung des
Brennstoffgases in die Brennstoffzelle den Geruchsstoff aus dem
Brennstoffgas entfernt.
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Bei der ersten Ausgestaltung der
Erfindung entfernt der Geruchsstoffentfernungsabschnitt den Geruchsstoff,
nachdem das Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingeleitet worden
ist. Es ist daher möglich,
zumindest eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffgasleitung
und eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle aufzuspüren. Es
ist also möglich,
den Bereich zu vergrößern, in
dem eine Leckage von Wasserstoffgas aufgespürt werden kann.
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Bei dieser ersten Ausgestaltung kann
der Geruchsstoff ein bestimmter Geruchsstoff wie Buttersäure sein,
bei dem es unwahrscheinlich ist, dass er die Ausgangskennwerte der
Brennstoffzelle verschlechtert. Dadurch lässt sich verhindern, dass sich die
Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle aufgrund des Geruchsstoffs
verschlechtern. Dementsprechend lässt sich der Freiheitsgrad
vergrößern, mit dem
sich der Geruchsstoffsentfernungsabschnitt anordnen lässt.
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Bei der angesprochenen Ausgestaltung kann
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt in der Brennstoffabgasleitung
oder in einem Kreislaufsystem befinden, das das von der Brennstoffzelle
abgegebene Brennstoffabgas zur Brennstoffgasleitung zirkulieren
lässt.
Dadurch lässt
sich an einem Abschnitt stromaufwärts von dem Geruchsstoffentfernungsabschnitt
eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffabgasleitung aufspüren.
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Bei der angesprochenen Ausgestaltung kann
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt auch in einer gemeinsamen
Abgasleitung befinden, in der die Brennstoffabgasleitung und die
Oxidationsgasabgasleitung zusammenlaufen. Dadurch lässt sich
eine Leckage von Wasserstoff aus der Brennstoffabgasleitung aufspüren. Da
sich das Brennstoffabgas mit dem Oxidationsgasabgas mischt, kann
die Konzentration an Wasserstoff verringert werden, die das abgegebene
Gas hat. Außerdem
lässt sich
in dem Fall, dass der Geruchsstoff über die Brennstoffzelle in
die Oxidationsgasabgasleitung eindringt, auch der Geruchsstoff entfernen,
der in das Oxidationsgasabgas eingedrungen ist.
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Wahlweise kann bei der angesprochenen ersten
Ausgestaltung die Brennstoffabgasleitung auch so gestaltet sein,
dass sie mit der Oxidationsgasleitung verbunden ist, und kann sich
der Geruchsstoffentfernungsabschnitt stromabwärts von einem Verbindungspunkt
zwischen der Brennstoffabgasleitung und der Oxidationsgasleitung
befinden. Dadurch lässt
sich eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffabgasleitung
aufspüren.
Da sich das Brennstoffabgas mit dem oxidativen Gas mischt, lässt sich
auch die in dem abgegebenen Gas vorhandene Konzentration an Wasserstoff
senken.
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Wahlweise kann bei der angesprochenen ersten
Ausgestaltung der Erfindung der Geruchsstoffentfernungsabschnitt
auch innerhalb der Brennstoffzelle ausgebildet sein und sich in
einer Leitung befinden, durch die das Brennstoffgas strömt. Dadurch lässt sich
eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle aufspüren. Außerdem muss
für den Geruchsstoffsentfernungsabschnitt
kein Raum außerhalb
der Brennstoffzelle vorgesehen werden.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das so
gestaltet ist, dass in eine Brennstoffzelle über einen Öffnungsabschnitt der Brennstoffzelle
ein Brennstoffgas eingeleitet wird, das Wasserstoffgas und einen
Geruchsstoff enthält,
und dass sich stromabwärts
des Öffnungsabschnitts
ein Geruchsstoffentfernungsabschnitt befindet.
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Bei der zweiten Ausgestaltung der
Erfindung entfernt der Geruchsstoffentfernungsabschnitt den Geruchsstoff
stromabwärts
von dem Öffnungsabschnitt, über den
das Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingeleitet wird. Daher
lässt sich
zumindest eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffgasleitung
und eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle aufspüren. Es
ist also möglich,
den Bereich zu vergrößern, in
dem eine Leckage von Wasserstoffgas aufgespürt werden kann.
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Darüber hinaus kann bei der zweiten
Ausgestaltung der Erfindung eine Leitung vorgesehen sein, die mit
der Brennstoffzelle verbunden ist und durch die ein von der Brennstoffzelle
abgegebenes Brennstoffabgas strömt.
Wahlweise kann auch innerhalb der Brennstoffzelle eine innere Brennstoffgasleitung ausgebildet
sein, durch die das von dem Öffnungsabschnitt
zugeführte
Brennstoffgas strömt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass
die Erfindung auf unterschiedliche Weise umgesetzt werden kann,
etwa in Form eines Brennstoffzellensystems, eines mit dem Brennstoffzellensystem
versehenen, sich bewegenden Objekts oder dergleichen.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen folgt
nun eine ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Elektrozellenaufbaus innerhalb der
in 1 gezeigten Brennstoffzelle;
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3 eine
schematische Darstellung des Innenaufbaus des in 1 gezeigten Geruchsstoffentfernungsabschnitts;
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4 eine
schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des in 3 gezeigten Geruchsstoffentfernungsabschnitts;
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5 eine
schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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6 eine
schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer
Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels;
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7 eine
schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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8 eine
schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer
ersten Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels;
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9 eine
schematische Ansicht des Innenaufbaus der in 8 gezeigten Brennstoffzelle;
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10 eine
schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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11 eine
schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer
Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels;
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12 eine
schematische Darstellung eines Elektrozellenaufbaus innerhalb der
in 11 gezeigten Brennstoffzelle;
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13 eine
schematische Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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14 eine
schematische Darstellung eines Stapelaufbaus innerhalb der in 13 gezeigten Brennstoffzelle 100E;
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15 eine
schematische Darstellung eines Elektrozellenaufbaus innerhalb einer
Brennstoffzelle gemäß einer
ersten Abwandlung des fünften
Ausführungsbeispiels.
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Als nächstes werden auf Grundlage
der Ausführungsbeispiele
verschiedene Möglichkeiten
beschrieben, wie sich die Erfindung umsetzen lässt.
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A Erstes Ausführungsbeispiel
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A-1 Gesamtaufbau des Brennstoffzellensystems
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1 zeigt
eine Darstellung des Gesamtaufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Dieses Brennstoffzellensystem ist in einem Fahrzeug
eingebaut.
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Wie in 1 gezeigt
ist, enthält
das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle 100, einen Brennstoffgasversorgungsabschnitt 200,
um die Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffgas enthaltenden Brennstoffgas
zu versorgen, einen Oxidationsgasversorgungsabschnitt 300,
um die Brennstoffzelle mit einem Sauerstoffgas enthaltenden oxidativen Gas
(Luft) zu versorgen, und einen Steuerungsabschnitt 600,
um den Betrieb des gesamten Brennstoffzellensystems zu steuern.
Mit der Brennstoffzelle 100 sind eine Brennstoffgasleitung 201,
durch die ein von dem Brennstoffgasversorgungsabschnitt
200 zugeführtes Brennstoffgas
strömt,
und eine Brennstoffabgasleitung 202 verbunden, durch die
ein verbrauchtes Brennstoffabgas strömt. Außerdem sind mit der Brennstoffzelle 100 eine
Oxidationsgasleitung 301, durch die ein von dem Oxidationsgasversorgungsabschnitt 300 zugeführtes oxidatives
Gas strömt,
und eine Oxidationsgasabgasleitung 302 verbunden, durch
die ein verbrauchtes Oxidationsgasabgas strömt. Die Brennstoffabgasleitung 202 und die
Oxidationsgasabgasleitung 302 laufen in ihren stromabwärtigen Bereichen
in einer gemeinsamen Abgasleitung 401 zusammen. Das Brennstoffabgas vermischt
sich mit dem Oxidationsgasabgas und wird über die gemeinsame Abgasleitung 401 nach
außen abgegeben.
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Die Brennstoffzelle 100 (1) ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle,
die eine verhältnismäßig geringe
Größe hat und
bei der Erzeugung von Elektrizität
einen ausgezeichneten Wirkungsgrad zeigt. 2 zeigt eine Darstellung des Elektrozellenaufbaus
innerhalb der in 1 gezeigten
Brennstoffzelle 100. Wie in 2 gezeigt
ist, enthält
die Brennstoffzelle 100 mehrere übereinander liegende Elektrozellen
(Einzelzellen) 110. Zwischen zwei benachbarten Einzelzellen 110 befindet
sich jeweils ein Separator 120.
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Jede Einzelzelle 110 enthält eine
Elektrolytmembran 112, eine Anode (Wasserstoffpol) 114a und eine
Kathode (Sauerstoffpol) 114c. Die Elektrolytmembran 112 wird
von den beiden Elektroden 114a und 114c bedeckt.
Die Separatoren 120 sind jeweils so angeordnet, dass sie
sich mit der Anode 114a einer der beiden benachbarten Einzelzellen
und mit der Kathode 114c der anderen Einzelzelle in Kontakt
befinden. In den beiden Stirnflächen
jedes Separators 120 sind mehrere Nute ausgebildet, so
dass zwischen der Anode
114a und dem jeweiligen Separator 120 mehrere
Durchlässe 121 und
zwischen der Kathode 114c und dem jeweiligen Separator 120 mehrere
Durchlässe 122 ausgebildet
sind.
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Den anoden- bzw. wasserstoffpoulseitigen Durchlässen 121 wird
von dem Brennstoffgasversorgungsabschnitt 200 aus ein Wasserstoffgas
enthaltendes Brennstoffgas zugeführt,
während
den kathoden- bzw. sauerstoffpolseitigen Durchlässen 122 von dem Oxidationsgasversorgungsabschnitt 300 aus
ein Sauerstoffgas enthaltendes oxidatives Gas zugeführt wird.
Dadurch läuft
die folgende elektrochemische Reaktion ab. H2 → 2H+ +
2e– (1) (1/2)O2 +
2H+ + 2e– → H2O (2) H2 +
(1/2)O2 → H2O (3)
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Die Gleichung (1) zeigt die Reaktion
in der Anode 114a, die Gleichung (2) die Reaktion in der Kathode 114c und
die Gleichung (3) den Ablauf als Ganzes. Das in der Kathode 114c erzeugte
Wasser (Wasserdampf) wird auch als „Wassererzeugnis" bezeichnet.
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Die Elektrolytmembran 112 ist
eine zum Austausch positiver Ionen dienende Harzmembran, die im
feuchten Zustand eine gute elektrische Leitfähigkeit zeigt. Als diese zum
Austausch positiver Ionen dienende Harzmembran kann eine aus einem
Festpolymermaterial wie Fluorharz oder dergleichen gebildete Membran
verwendet werden. So kann zum Beispiel Nafion® (hergestellt
von Du Pont Co., Ltd.) verwendet werden. Die Anode 114a und
die Kathode 114c werden aus Materialien gebildet, die ein
ausreichendes Gasdiffusionsvermögen
und eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit zeigen. Diese Materialien
schließen
Kohlenstofftuch, Kohlenstoffpapier, Kohlen stofffilz und dergleichen
ein, die jeweils durch Verweben von Kohlenstofffasern hergestellt
werden. In den Grenzflächen
zwischen der Elektrode 114a und der Elektrolytmembran 112 und
zwischen der Elektrode 114c und der Elektrolytmembran 112 sind jeweils
Katalysatorschichten 116a und 116c ausgebildet,
die in den Elektroden 114a und 114c bei verhältnismäßig geringen
Temperaturen (zwischen etwa 50°C
und etwa 100°C)
Reaktionen hervorrufen. Als Beispiel für die Katalysatoren lässt sich
Pt oder eine Pt-haltige Legierung nennen. Die Separatoren 120 werden
aus einem Material gebildet, das eine ausreichende Gasundurchlässigkeit,
eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit und eine ausreichende
Korrosionsbeständigkeit
zeigt. Dieses Material kann pressgeformter Kohlenstoff, ein Metall
oder dergleichen sein.
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Die Brennstoffzelle 100 erzeugt
wie gesagt mit Hilfe von Wasserstoffgas, das in dem von dem Brennstoffgasversorgungsabschnitt 200 zugeführten Brennstoffgas
enthalten ist, und Sauerstoffgas, das in dem von dem Oxidationsgasversorgungsabschnitt 300 zugeführten oxidativen
Gas (Luft) enthalten ist, Elektrizität.
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Der Brennstoffgasversorgungsabschnitt 200 (1) enthält einen Gasbehälter 210,
ein Druckminderungsventil 221 und ein Strömungsventil 222. Der
Gasbehälter 210 speichert
bei einem verhältnismäßig hohen
Druck ein Gasgemisch (Brennstoffgas), das Wasserstoffgas und einen
Geruchsstoff enthält. Das
Druckminderungsventil 221 mindert das von dem Gasbehälter 210 zugeführte Brennstoffgas
auf einem vorbestimmten Druck, und das Strömungsventil 222 stellt
den Durchsatz des Brennstoffgases ein und führt es der Brennstoffzelle
zu.
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Der Brennstoffgasversorgungsabschnitt 200 enthält außerdem einen
Gas/Flüssigkeits-Trennabschnitt 240,
eine Umwälzpumpe 250 und
ein Absperrventil 260, die in dieser Reihenfolge entlang
der Brennstoffabgasleitung 202 angeordnet sind. Die Brennstoffabgasleitung 202 und
diue Brennstoffgasleitung 201 sind durch eine Kreislaufleitung 203 verbunden.
Genauer gesagt ist die Kreislaufleitung 203 mit der Brennstoffabgasleitung 202 an
einem ersten Verbindungspunkt C1 zwischen der Umwälzpumpe 250 und
dem Absperrventil 260 und mit der Brennstoffgasleitung 201 an
einem zweiten Verbindungspunkt C2 stromabwärts von dem Strömungsventil 222 verbunden.
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Die Umwälzpumpe 250 hat die
Aufgabe, als Brennstoffgas ein Brennstoffabgas, das eine verhältnismäßig geringe
Konzentration an Wasserstoffgas hat, in die Brennstoffgasleitung 201 zurückzuführen. Aufgrund
dieses Aufbaus zirkuliert das Brennstoffgas durch eine ringförmige Leitung.
Indem also das Brennstoffgas zirkulieren gelassen wird, kann der Durchsatz
(Mol/s) des in die Brennstoffzelle 100 eingeführten Wasserstoffgases
pro Zeiteinheit erhöht werden.
Dadurch kann der Reaktionswirkungsgrad der Brennstoffzelle 100 gesteigert
werden. Wenn die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 100 vorankommt,
nimmt jedoch die Menge (Mol) an Wasserstoffgas ab, die in dem Brennstoffgas
in der ringförmigen
Leitung enthalten ist. Stickstoffgas, Wasserdampf (Wassererzeugnis)
und dergleichen, die in der kathodenseitigen Leitung 122 in
dem oxidativen Gas enthalten sind, dringen innerhalb der Brennstoffzelle 100 über die
Elektrolytmembran 112 in die anodenseitige Leitung 121 und
das Brennstoffgas ein. Daher nimmt die Konzentration (Volumenanteil)
an Wasserstoffgas im Brennstoffgas allmählich ab. In diesem Ausführungsbeispiel
sind daher das Strömungsventil 222 und
das Absperrventil 260 so eingestellt, dass sie sich periodisch öffnen. Daher
wird der Brennstoffzelle 100 ein Brennstoffgas zugeführt, das
eine hohe Konzentration an Wasserstoffgas enthält, während von der Brennstoffzelle 100 ein
Brennstoffabgas ausgestoßen
wird, das eine geringe Konzentration an Wasserstoffgas enthält. Der
Gas/Flüssigkeits-Trennabschnitt
240 hat dabei die Aufgabe, überschüssigen Wasserdampf
aus dem Brennstoffabgas zu entfernen.
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Die Brennstoffabgasableitung 202 ist
mit einem Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 versehen.
Der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 hat die Aufgabe,
aus dem Brennstoffabgas einen Geruchsstoff zu entfernen. Das von
dem Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 abgegebene Brennstoffabgas,
das beinahe keinen Geruchsstoff enthält, wird dann über die
Brennstoffabgasleitung 202 und die gemeinsame Abgasleitung 401 in
die Atmosphäre ausgestoßen. Der
Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 wird später ausführlicher
beschrieben.
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Der Oxidationsgasversorgungsabschnitt 300 ist
mit einem Luftgebläse 310 versehen
und führt
der Brennstoffzelle 100 über die Oxidationsgasleitung 301 das
Sauerstoffgas enthaltende oxidative Gas (Luft) zu. Das verbrauchte
Oxidationsgasabgas wird über
die Oxidationsgasabgasleitung 302 und die gemeinsame Abgasleitung 401 in
die Atmosphäre
ausgestoßen.
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A-2 Aufbau des Geruchsstoffsbehandlungsabschnitts
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3 zeigt
eine Darstellung mit dem Innenaufbau des in 1 gezeigten Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510.
Der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 enthält einen
Träger 512 mit
mehreren wellenförmigen
Durchlässen,
der ein Adsorptionsmittel trägt.
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4 zeigt
eine Darstellung mit einem Verfahren zur Herstellung des in 3 gezeigten Geruchsstoffentfernungsabschnitts 510.
Wie in 4 gezeigt ist,
wird der Träger 512 aus
einer Lage gebildet, die sich aus einer flachen Platte 512a und
einer gewellten Platte 512b zusammensetzt. Die Lage wird an
einem ihrer Enden mit einem Achsenbauteil 512c verbunden.
Dann wird die Lage spiralförmig
um das Achsenbauteil 512c herumgewickelt, das als Kern dient.
Der Träger 512 (3) hat also einen Rollenaufbau,
in dem die flache Platte 512a die gewellte Platte 512b abwechselnd
um das Achsenbauteil 512c herumgewickelt sind. Der Abstand
zwischen den benachbarten Abschnitten der flachen Platte 512a wird
durch die gewellte Platte 512b im Großen und Ganzen konstant gehalten.
Zwischen der flachen Platte 512a und der gewellten Platte 512b sind
mehrere wellenförmige
Durchlässe
ausgebildet, die entlang der Axialrichtung des Achsenbauteils 512c verlaufen.
Nach der Fertigstellung des Trägers 512 wird auf
den Träger 512 ein
Adsorptionsmittel aufgebracht, indem der Träger 512 beispielsweise
in eine das Adsorptionsmittel enthaltende Lösung getaucht und dann gebrannt
wird, wodurch das Adsorptionsmittel auf dem Träger 512 fixiert wird.
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Für
die flache Platte 512a und die gewellte Platte 512b kann
ein Metall wie Edelstahl oder dergleichen verwendet werden. Als
Adsorptionsmittel kann ein poröses
Material wie Aktivkohle, Zeolith oder dergleichen verwendet werden.
Der Träger 512 hat
zwar im ersten Ausführungsbeispiel
einen Rollenaufbau, doch kann der Träger 512 anstelle dessen auch
einen Wabenaufbau haben.
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Der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 enthält wie gesagt
das Adsorptionsmittel. Das Adsorptionsmittel adsorbiert daher den
Geruchsstoff in dem Brennstoffabgas, wodurch der Geruchsstoff aus dem
Brennstoffabgas entfernt werden kann. Der Geruchsstoff wird in Mikroporen
des Adsorptionsmittels physikalisch adsorbiert.
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Beim Stand der Technik wird schwefelhaltiges
Tertiär-Butyl-Mercaptan (TBM)
als Geruchsstoff verwendet. Wenn in dem in 1 gezeigten System ein schwefelhaltiger
Geruchsstoff wie TBM oder dergleichen verwendet wird, besteht die
Wahrscheinlichkeit, dass sich die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle
verschlechtern. Dies liegt wohl daran, dass der Katalysator innerhalb
der Brennstoffzelle durch den Geruchsstoff vergiftet bzw. zerrüttet wird.
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Im ersten Ausführungsbeispiel wird daher als Geruchsstoff
ein bestimmter Geruchsstoff verwendet, bei dem es unwahrscheinlich
ist, dass sich die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle verschlechtern.
Genauer gesagt wird in dem ersten Ausführungsbeispiel Buttersäure verwendet.
Bei Buttersäure
ist es unwahrscheinlich, dass der Katalysator innerhalb der Brennstoffzelle
vergiftet oder zerrüttet wird
und dass sich dadurch die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle
verschlechtern. Indem also Buttersäure als Geruchsstoff verwendet
wird, kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 stromabwärts von
der Brennstoffzelle 100 vorgesehen werden, und zwar genauer
gesagt in der Brennstoffabgasleitung 202. Die als Geruchsstoff
eingesetzte Buttersäure hat
Eigenschaften, bei denen es unwahrscheinlich ist, dass sich die
Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle verschlechtern. Daher kann
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 stromabwärts von
der Brennstoffzelle 100 befinden. Demzufolge lässt sich nicht
nur eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffgasleitung 201 stromaufwärts von
der Brennstoffzelle 100 aufspüren, sondern auch eine Leckage
von Wasserstoffgas aus einem Verbindungsabschnitt zwischen der Brennstoffzelle 100 und
der Brennstoffgasleitung 201 oder aus dem Inneren der Brennstoffzelle 100.
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Das Brennstoffzellensystem des ersten
Ausführungsbeispiels
enthält
wie gesagt die Brennstoffzelle 100, die Brennstoffgasleitung 201,
die Oxidationsgasleitung 301, die Brennstoffabgasleitung 202, die
Oxidationsgasabgasleitung 302 und den in der Brennstoffabgasleitung 202 befindlichen
Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510. Da der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 den
Geruchsstoff erst nach der Einleitung des Brennstoffgases in die
Brennstoffzelle 100 entfernt, können eine Leckage von Wasserstoffgas
aus der Brennstoffgasleitung 201, eine Leckage von Wasserstoffgas
aus der Brennstoffzelle 100 und eine Leckage von Wasserstoffgas
aus der Brennstoffabgasleitung an einem Abschnitt stromaufwärts von
dem Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 aufgespürt werden.
Das heißt,
dass der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels
es ermöglicht,
den Bereich zu vergrößern, in
dem eine Leckage von Wasserstoffgas aufgespürt werden kann.
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Die Umwälzpumpe 250 befindet
sich im ersten Ausführungsbeispiel
zwar in der Brennstoffabgasleitung 202, doch kann die Umwälzpumpe 250 anstelle
dessen auch in der Kreislaufleitung 203 vorgesehen werden.
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Die Brennstoffabgasleitung 202 und
die Oxidationsgasabgasleitung 302 sind im ersten Ausführungsbeispiel
zwar in ihren stromabwärtigen
Bereichen mit der gemeinsame Abgasleitung 401 verbunden,
doch kann die gemeinsame Abgasleitung 401 auch weggelassen
werden. Allerdings ist der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels,
wonach sich das Brennstoffabgas und das Oxidationsgasabgas miteinander
mischen, insofern vorteilhaft, als die Konzentration (Volumenanteil)
des in dem in die Atmosphäre
ausgestoßenen
Gasgemisch enthaltenen Wasserstoffgases reduziert werden kann.
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B Zweites Ausführungsbeispiel
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5 zeigt
eine Darstellung mit dem Gesamtaufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel. 5 ist zwar im Großen und
Ganzen identisch mit 1,
doch ist die Anordnung des Geruchsstoffentfernungsabschnitts 520 abgewandelt.
So befindet sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 in 1 in der Brennstoffabgasleitung 202 stromabwärts von
dem Absperrventil 260, während sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 520 in 5 in der Brennstoffabgasleitung 202 zwischen
der Umwälzpumpe 250 und dem
ersten Verbindungspunkt C1 befindet.
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Auch dann, wenn der in 5 gezeigte Aufbau Anwendung
findet, können
eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffgasleitung 201, eine
Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle 100 und
eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffabgasleitung an
einem Abschnitt stromaufwärts
von dem Geruchsstoffentfernungsabschnitt 520 aufgespürt werden.
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Wenn das von der Brennstoffzelle 100 abgegebene
Brennstoffabgas von der Brennstoffabgasleitung 202 über die
Kreislaufleitung 203 zu der Brennstoffgasleitung 201 zirkulieren
gelassen wird, nimmt die in dem Brennstoffgas vorhandene Konzentration (Volumenanteil)
des Geruchsstoffs in der ringförmigen
Leitung allmählich
zu. Wie in 5 gezeigt
ist, kann jedoch durch den Aufbau, bei dem der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 520 in
der ringförmigen Leitung
angeordnet ist, der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 520 den
Geruchsstoff in der ringförmigen Leitung
entfernen. Daher kann ein Anstieg der in dem Brennstoffgas vorhandenen
Konzentration des Geruchsstoffs in der ringförmigen Leitung verhindert werden.
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In 5 befindet
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 520 zwischen
der Umwälzpumpe 250 und
dem ersten Verbindungspunkt C1. Anstelle dessen kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 520 jedoch
auch zwischen dem Gas/Flüssigkeits-Trennabschnitt
240 und der Umwälzpumpe 250 vorgesehen
werden. Außerdem
befindet sich in 5 der
Geruchsstoffentfernungsabschnitt 520 in der Brennstoffabgasleitung 202.
Anstelle dessen kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 520A aber
auch, wie in 6 gezeigt
ist, in der Kreislaufleitung 203 vorgesehen werden.
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Falls das Brennstoffzellensystem
eine Kreislaufleitung enthält,
die die Brennstoffabgasleitung mit der Brennstoffgasleitung verbindet,
und mit einem Zirkulationssystem ausgestattet ist, um das Brennstoffgas
zirkulieren zu lassen, ist es generell angebracht, dass in dem Zirkulationssystem
ein Geruchsstoffentfernungsabschnitt vorgesehen wird. In 5 umfasst das Zirkulationssystem
die von der Brennstoffzelle zu dem ersten Verbindungspunkt C1 verlaufende
Leitung (d.h. einen stromaufwärtigen
Abschnitt der Brennstoffabgasleitung) und eine von dem ersten Verbindungspunkt
C1 zu dem zweiten Verbindungspunkt C2 verlaufende Leitung (d.h.
die Kreislaufleitung).
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C Drittes Ausführungsbeispiel
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7 zeigt
eine Darstellung mit dem Gesamtaufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel. 7 ist zwar im Großen und
Ganzen identisch mit 1,
doch fehlt die gemeinsame Abgasleitung 401 und wurde das Luftgebläse 290 hinzugefügt. Das
Luftgebläse 290 ist an
einem dritten Verbindungspunkt C3 stromabwärts von dem Absperrventil 260 mit
der Brennstoffabgasleitung 202 verbunden und leitet in
die Brennstoffabgasleitung 202 Luft ein. Die in die Brennstoffabgasleitung 202 eingeleitete
Luft wird einem Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530 zugeführt.
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Wenn der in 7 gezeigte Aufbau Anwendung findet, kann
die Konzentration (Volumenanteil) des Wasserstoffgases, die das
in die Atmosphäre
abgegebene Brennstoffabgas hat, mit Hilfe der von dem Luftgebläse 290 zugeführten Luft
verringert werden.
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C-1 Erste Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
eine Darstellung mit dem Gesamtaufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer
ersten Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels. 8 ist zwar im Großen und
Ganzen identisch mit 7,
doch wurde die Anordnung des Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530A abgewandelt. So
befindet sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530 in 7 in der Brennstoffabgasleitung 202,
während
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530A in 8 innerhalb der Brennstoffzelle 100C befindet.
Außerdem
ist in 8 die Brennstoffabgasleitung 202 mit
der Oxidationsgasleitung 301 verbunden und fehlt das Luftgebläse 290.
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9 zeigt
eine schematische Darstellung mit dem Innenaufbau der in 8 gezeigten Brennstoffzelle.
Wie in
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9 gezeigt
ist, enthält
die Brennstoffzelle 1000 drei Stapel 101 bis 103,
mehrere erste Verzweigungsrohre 131, um ein oxidatives
Gas auf die Stapel zu verteilen, und mehrere zweite Verzweigungsrohre 132,
um die aus den Stapeln strömenden
Oxidationsgasabgase zu sammeln. Wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde, enthalten
die Stapel 101 bis 103 jeweils mehrere übereinander
liegende Einzelzellen. Mit den Stapeln 101 bis 103 ist
stromaufwärts
von den Stapeln über
die ersten Verzweigungsrohre 131 eine Zentralleitung 133 verbunden,
die über
einen Oxidationsgasversorgungsanschluss 301p mit der Oxidationsgasleitung 301 verbunden ist.
Außerdem
ist mit den Stapeln 101 bis 103 stromabwärts von
der Brennstoffzelle über
die zweiten Verzweigungsrohre 132 eine Zentralleitung 134 verbunden,
die über
einen Oxidationsgasabgasauslassanschluss 302p mit der Oxidationsgasabgasleitung 302 verbunden
ist. Der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530A befindet
sich in der stromaufwärts
von den Stapeln gelegenen Zentralleitung 133.
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Wie in den 8 und 9 gezeigt
ist, können durch
diesen Aufbau, bei dem die Brennstoffabgasleitung 202 mit
der Oxidationsgasleitung 301 verbunden ist und bei dem
die zu den jeweiligen Stapeln innerhalb der Brennstoffzelle führende Leitung
durch den Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530A läuft, eine
Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffgasleitung 201,
eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle 100C und
eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffabgasleitung 202 aufgespürt werden.
Außerdem
kann das in 7 gezeigte
Luftgebläse 290 wegfallen,
da die Konzentration (Volumenanteil) an Wasserstoffgas, die das
in die Atmosphäre
ausgestoßene
Abgasgemisch hat, mit Hilfe des oxidativen Gases (Luft) verringert
werden kann, das von dem in dem Oxidationsgasversorgungsabschnitt 300 enthaltenen
Luftgebläse 310 zugeführt wird.
Da für
den Geruchsstoffsentfernungsabschnitt kein Raum außerhalb
der Brennstoffzelle vorgesehen werden muss, lässt sich außerdem ein bereits vorhandenes
Brennstoffzellensystem verhältnismäßig einfach
austauschen.
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In 9 befindet
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530A in der Zentralleitung 133 stromaufwärts von
den Stapeln. Allerdings wäre
es anstelle dessen auch sachgerecht, den Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530A in
der Zentralleitung 134 stromabwärts von den Stapeln vorzusehen.
Wenn die Brennstoffabgasleitung mit der Oxidationsgasleitung verbunden
ist, ist es jedoch generell angebracht, den Geruchsstoffentfernungsabschnitt
stromabwärts von
dem Verbindungspunkt zwischen der Brennstoffabgasleitung und der
Oxidationsgasleitung vorzusehen.
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C-2 Zweite Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels
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In 7 führt das
Luftgebläse 290 dem
Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530 und in 8 das Luftgebläse 310 dem
Geruchsstoffentfernungsabschnitt 530A Luft (Sauerstoffgas)
zu. In diesen Fällen ist
es vorzuziehen, wenn der Geruchsstoffentfernungsabschnitt mit einem
porösen
Adsorptionsmittel und einem Katalysator zur Förderung der Oxidation des Geruchsstoffs
ausgestattet ist. Als Katalysator kann ein Edelmetallkatalysator
wie Pt, Pd, Ru oder dergleichen verwendet werden. Der Geruchsstoffentfernungsabschnitt
kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass der in 3 gezeigte Träger 512 in
eine Lösung
getaucht wird, die ein Adsorptionsmittel und einen Katalysator enthält, und
dann gebrannt wird.
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Wenn der Geruchsstoffentfernungsabschnitt nur
das poröse
Adsorptionsmittel enthält,
ist die Menge an Geruchsstoff begrenzt, die von dem Geruchsstoffentfernungsabschnitt
adsorbiert werden kann. Außerdem
nimmt mit zunehmender Menge des adsorbierten Geruchsstoffs die Geschwindigkeit
ab, mit der der Geruchsstoffentfernungsabschnitt den Geruchsstoff
adsorbiert. Wenn der Geruchsstoffentfernungsabschnitt jedoch wie
oben beschrieben ein poröses
Adsorptionsmittel und einen Edelmetallkatalysator enthält, kann
der Geruchsstoffentfernungsabschnitt den physikalisch adsorbierten
Geruchsstoff mit Hilfe eines in der zugeführten Luft enthaltenen Sauerstoffgases
oxidieren (verbrennen). Dadurch lässt sich das Adsorptionsvermögen wiederherstellen,
dass sich mit zunehmender Menge adsorbierten Geruchsstoffs verschlechtert
hat. Demzufolge kann ein Austausch des Geruchsstoffbehandlungsabschnitts
entfallen.
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C-3 Dritte Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels
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Wenn die Geruchsstoffentfernungsabschnitte 530 und 530A,
wie in den 7 und 8 gezeigt ist, mit Luft (Sauerstoffgas)
versorgt werden, können
sie anstelle eines porösen
Adsorptionsmittels auch einen Katalysator zur Förderung der Oxidation des Geruchsstoffs
enthalten. Als Katalysator kann ein Edelmetallkatalysator wie Pt,
Pd, Ru oder dergleichen verwendet werden. Der Geruchsstoffentfernungsabschnitt
kann dann hergestellt werden, indem beispielsweise der in 3 gezeigte Träger 512 in
eine den Katalysator enthaltende Lösung getaucht und dann gebrannt
wird.
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Dieser Geruchsstoffentfernungsabschnitt kann
den im Brennstoffabgas enthaltenen Geruchsstoff mit Hilfe eines
in der zugeführten
Luft enthaltenen Sauerstoffgases oxidieren (verbrennen). Das heißt, dass
auch dann, wenn dieser Geruchsstoffentfernungsabschnitt Anwendung
findet, der Geruchsstoff aus dem Brennstoffabgas entfernt werden
kann und ein Austausch des Geruchsstoffbehandlungsabschnitts entfallen
kann.
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Wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wurde, wird
in der Grenzfläche
zwischen der Kathode 114c und der Elektrolytmembran 112 der Brennstoffzelle
der Katalysator 116c ausgebildet, der ein Edelmetall wie
Pt oder dergleichen enthält.
Wenn daher der in 8 gezeigte
Aufbau Anwendung findet, kann der Geruchsstoff ebenso in der kathodenseitigen
Leitung 122 oxidiert werden.
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D Viertes Ausführungsbeispiel
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10 zeigt
eine Darstellung mit dem Gesamtaufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß dem vierten
Ausführungsbeispiel. 10 ist zwar im Großen und
Ganzen identisch mit 1,
doch wurde die Anordnung des Geruchsstoffentfernungsabschnitts 540 abgewandelt.
So befindet sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 510 in 1 in der Brennstoffabgasleitung 202,
während
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 540 in 10 in der gemeinsamen Abgasleitung 401 befindet.
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Wenn der in 10 gezeigte Aufbau Anwendung findet,
bei dem sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 540 in
der gemeinsamen Abgasleitung 401 befindet, können eine
Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffgasleitung 201,
eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffzelle 100 und
eine Leckage von Wasserstoffgas aus der Brennstoffabgasleitung 202 aufgespürt werden.
Da sich das Brennstoffabgas mit dem Oxidationsgasabgas mischt, lässt sich
außerdem
die Konzentration (Volumenanteil) an Wasserstoffgas in dem in die
Atmosphäre
ausgestoßenen
Abgasgemisch verringern.
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Der in dem Brennstoffgas enthaltene
Geruchsstoff kann innerhalb der Brennstoffzelle 100 über die
Elektrolytmembran 112 (2)
von der anodenseitigen Leitung 121 in die kathodenseitige
Leitung 122 eindringen. Wenn der in 1 gezeigte Aufbau Anwendung findet, wird
der Geruchsstoff, der in das Oxidationsgasabgas eingedrungen ist,
direkt in die Atmosphäre
ausgestoßen.
Wenn jedoch der in 10 gezeigte
Aufbau Anwendung findet, kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 540 sowohl
den im Brennstoffabgas enthaltenen Geruchsstoff wie auch den in
das Oxidationsgasabgas eingedrungenen Geruchsstoff entfernen.
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Das Oxidationsgasabgas enthält Sauerstoffgas,
das nicht in der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 100 genutzt
wurde. Daher kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt, wie bei
der zweiten und dritten Abwandlung des dritten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde, auch einen Edelmetallkatalysator enthalten. Der
Geruchsstoffentfernungsabschnitt kann den Geruchsstoff dann oxidieren.
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In 10 ist
der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 540 nur in der gemeinsamen
Abgasleitung 401 vorgesehen. Allerdings kann auch ein zusätzlicher
Geruchsstoffentfernungsabschnitt in der Brennstoffabgasleitung 202 vorgesehen
werden.
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D-1 Abwandlung des vierten
Ausführungsbeispiels
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11 zeigt
eine Darstellung mit dem Gesamtaufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer
Abwandlung des vierten Ausführungsbeispiels. 11 ist zwar im Großen und
Ganzen identisch mit 10,
doch wurde im Innern der Brennstoffzelle 100D ein Geruchsstoffentfernungsabschnitt 542 hinzugefügt.
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12 zeigt
eine schematische Darstellung mit dem Elektrozellenaufbau innerhalb
der in 11 gezeigten
Brennstoffzelle 100D. 12 ist
im Großen
und Ganzen identisch mit 2.
Anstelle der Katalysatorschicht 116C ist jedoch in der
Grenzfläche
zwischen der Elektrolytmembran 112 und der Kathode 114c der
Geruchsstoffentfernungsabschnitt 542 ausgebildet, der ein
poröses
Adsorptionsmittel und einen Edelmetallkatalysator enthält.
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Wenn der in 12 gezeigte Aufbau Anwendung findet,
kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 542 einen Geruchsstoff
physikalisch adsorbieren, der gerade dabei ist, über die Elektrolytmembran 112 in
die kathodenseitige Leitung 122 einzudringen, und kann
den physikalisch adsorbierten Geruchsstoff mit Hilfe eines in dem
zugeführten
oxidativen Gas (Luft) enthaltenen Sauerstoffgases oxidieren (verbrennen).
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E Fünftes Ausführungsbeispiel
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Während
im ersten bis vierten Ausführungsbeispiel
Buttersäure
als Geruchsstoff verwendet wird, wird im fünften Ausführungsbeispiel Tertiär-Butyl-Mercaptan
(TBM) als Geruchsstoff verwendet. Ein schwefelhaltiger Geruchsstoff
wie TBM oder dergleichen vergiftet oder zerrüttet wie gesagt den Katalysator
in der Brennstoffzelle, so dass sich die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle
verschlechtern.
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Bei dem Brennstoffzellensystem des
fünften Ausführungsbeispiels
wird jedoch ein Trick angewandt, damit auch dann, wenn ein Geruchsstoff
verwendet wird, der die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle wahrscheinlich
verschlechtert, ein den Geruchsstoff enthaltendes Brennstoffgas
in die Brennstoffzelle eingeleitet werden kann. Daher können als Geruchsstoff
anstelle von TBM auch Tetrahydrothiophen (THT), Dimethylsulfid (DuMS),
Methylmercaptan, Ethylmercaptan oder dergleichen verwendet werden,
die die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle wahrscheinlich verschlechtern
werden.
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13 zeigt
eine Darstellung mit dem Gesamtaufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.
In 13 befindet sich
innerhalb der Brennstoffzelle 100E ein Geruchsstoffentfernungsabschnitt 550.
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14 zeigt
eine schematische Darstellung mit dem Stapelaufbau innerhalb der
in 13 gezeigten Brennstoffzelle 100E.
Wie in 14 gezeigt ist,
enthält
ein Stapel 100E mehrere übereinander liegende Einzelzellen 110.
Der Stapel 100E ist mit drei Paaren Verteilungsleitungen
versehen, die durch den Stapel gehen. Das erste Paar Verteilungsleitungen H1a
und H1b steht mit der anodenseitigen Leitung 121 in Verbindung,
die in einer Stirnfläche
des jeweiligen Separators 120 ausgebildet ist. Das Brennstoffgas,
das von einem Öffnungsabschnitt
der Brennstoffzelle aus eingeleitet worden ist, wird über die Verteilungsleitungen
H1a und H1b auf die jeweiligen Einzelzellen 110 verteilt.
Das zweite Paar Verteilungsleitungen H2a und H2b steht mit der kathodenseitigen
Leitung in Verbindung, die in der anderen Stirnfläche des
jeweiligen Separators 120 ausgebildet ist, und verteilt
das oxidative Gas auf die jeweiligen Einzelzellen 100.
Das dritte Paar Verteilungsleitungen H3a und H3b steht mit einer
Kühlleitung
in Verbindung, die jeweils in bestimmten Separatoren ausgebildet
ist, und verteilt ein Kühlmittel
auf diese bestimmten Separatoren, die einen Teil der Gesamtzahl
an Separatoren darstellen.
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In 14 befindet
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 550 an einer
Wand der ersten Verteilungsleitung H1a. Der Geruchsstoff wird daher
in der ersten Verteilungsleitung H1a aus dem Brennstoffgas entfernt,
so dass der Geruchsstoff nicht in die Einzelzellen 110 (genauer
gesagt in die in 2 gezeigte
Katalysatorschicht 116a zwischen der Elektrolytmembran 112 und
der Anode 114a) eindringt. Dadurch kann verhindert werden,
dass der Katalysator in der Brennstoffzelle vergiftet bzw. zerrüttet wird. Die
erste Verteilungsleitung H1a kann einen Wabenaufbau haben. Dadurch
kann die den Geruchsstoffentfernungsabschnitt bildende Fläche erhöht werden,
so dass sich der Geruchsstoff zuverlässiger entfernen lässt.
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E-1 Erste Abwandlung des fünften Ausführungsbeispiels
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15 zeigt
eine schematische Darstellung mit dem Elektrozellenaufbau innerhalb
einer Brennstoffzelle 100E1 gemäß einer ersten Abwandlung des
fünften
Ausführungsbeispiels. 15 ist zwar im Großen und
Ganzen identisch mit 2,
doch befindet sich zusätzlich
ein Geruchsstoffentfernungsabschnitt 550A auf der Anode 114a.
Der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 550A kann beispielsweise
dadurch erzielt werden, dass auf die Anode 114a ein poröses Adsorptionsmittel
aufgebracht und das Adsorptionsmittel dann gebrannt wird.
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In 15 befindet
sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 550A auf der
Anode 114a, und zwar auf der Stirnfläche jeder Einzelzelle 110,
an der die anodenseitigen Leitungen 121 ausgebildet sind. Daher
wird der Geruchsstoff in den anodenseitigen Leitungen 121 aus
dem Brennstoffgas entfernt, so dass der Geruchsstoff nicht in die
Einzelzellen 110 (genauer gesagt die Katalysatorschicht 116a zwischen
der Elektrolytmembran 112 und der Anode 114a)
eindringt. Dadurch kann verhindert werden, dass der Katalysator
innerhalb der Brennstoffzelle vergiftet oder zerrüttet wird.
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Wie in den 14 und 15 gezeigt
ist, kann bei Anwendung dieses Aufbaus, bei dem die Geruchsentfernungsabschnitte 500 und 550A innerhalb der
Brennstoffzelle in den anodenseitigen Leitungen 121 oder
in den zu den anodenseitigen Leitungen 121 führenden
Leitungen H1a und H1b angeordnet sind, eine Leckage von Wasserstoffgas
aus dem Innern der Brennstoffzellen 100E und 100E1 aufgespürt werden.
Natürlich
kann auch ein Geruchsstoff verwendet werden, bei dem es unwahrscheinlich
ist, dass er die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle verschlechtert.
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E-2 Zweite Abwandlung des fünften Ausführungsbeispiels
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In den 13 bis 15 wird als Geruchsstoff TBM
verwendet. Allerdings kann anstelle dessen auch Buttersäure verwendet
werden. In diesem Fall kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt
an irgendeiner anderen Stelle innerhalb der Brennstoffzelle vorgesehen
werden. So befindet sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt 550 in 14 zwar an der Wand der
ersten Verteilungsleitung H1a, doch kann er anstelle dessen beispielsweise
auch an einer Wand, die die anodenseitigen Leitungen 121 des
jeweiligen Separators bildet, oder einer Wand der zweiten Verteilungsleitung
H1b ausgebildet werden. Wahlweise kann auch ein zusätzlicher
Geruchsstoffentfernungsabschnitt an der Wand, die die anodenseitigen
Leitungen 121 des jeweiligen Separators bildet, oder an
der Wand der zweiten Verteilungsleitung H1b vorgesehen werden. Falls
die Brennstoffzelle mehrere Stapel enthält, kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt
in mehreren Verzweigungsrohren, die das Brennstoffgas zu den jeweiligen
Stapeln verteilen, oder in mehreren Verzweigungsrohren vorgesehen
werden, die das aus den jeweiligen Stapeln strömende Brennstoffabgas sammeln
(siehe 9). Wenn also
ein Geruchsstoff verwendet wird, bei dem es unwahrscheinlich ist,
dass er die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle verschlechtert,
kann verhindert werden, dass sich die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle
aufgrund des Geruchsstoffs verschlechtern. Dadurch wird der Freiheitsgrad
erhöht, mit
dem sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt anordnen lässt.
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In der Brennstoffzelle ist im Allgemeinen
eine innere Brennstoffgasleitung ausgebildet, durch die das zugeführte Brennstoffgas
strömt,
und ist es angebracht, in der inneren Brennstoffgasleitung einen Geruchsstoffentfernungsabschnitt
vorzusehen. Auf diese Weise kann eine Leckage von Wasserstoff aus dem
Inneren der Brennstoffzelle aufgespürt werden. Außerdem muss
für den
Geruchsstoffentfernungsabschnitt kein Raum außerhalb der Brennstoffzelle
vorgesehen werden. Dieser Aufbau ist daher insofern vorteilhaft,
als ein bereits vorhandenes Brennstoffzellensystem verhältnismäßig einfach
ausgetauscht werden kann, und dass die Größe des Brennstoffzellensystems
verringert werden kann.
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Wenn als Geruchsstoff Buttersäure verwendet
wird, kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt ein poröses Adsorptionsmittel
und einen Edelmetallkatalysator enthalten, wie bei der zweiten Abwandlung
des dritten Ausführungsbeispiels
beschrieben wurde. In diesem Fall ist es zweckmäßig, ein Luftgebläse hinzuzufügen, um
den Geruchsstoffentfernungsabschnitt mit Sauerstoffgas zu versorgen,
und den Geruchsstoffentfernungsabschnitt während der Dauer einer Betriebsunterbrechung
des Brennstoffzellensystems (d.h. während der Dauer der Unterbrechung
der Stromerzeugung) mit Sauerstoffgas zu versorgen. Auf diese Weise
kann der physikalisch adsorbierte Geruchsstoff oxidiert (verbrannt)
werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben
genannten Ausführungsbeispiele
beschränkt
und kann auf verschiedene andere Weise umgesetzt werden, ohne dass
vom Hauptgedanken der Erfindung abgewichen wird. So sind zum Beispiel
auch die folgenden Abwandlungen möglich.
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(1) In den angesprochenen Ausführungsbeispielen
enthält
das Brennstoffzellensystem zwar die Umwälzpumpe 250 und die
Kreislaufleitung 203, doch kann das Brennstoffzellensystem
auch ohne die Umwälzpumpe 250 und
die Kreislaufleitung 203 auskommen.
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(2) In den angesprochenen Ausführungsbeispielen
enthält
der Brennstoffgasversorgungsabschnitt 200 zwar den Gasbehälter 210 zur
Aufbewahrung des das Wasserstoffgas und den Geruchsstoff enthaltenden
Gasgemisches (Brennstoffgas). Anstelle dessen kann der Brennstoffgasversorgungsabschnitt 200 jedoch
auch einen Gasbehälter
zur Aufbewahrung von Wasserstoffgas und einen Geruchsstoffhinzufügungsabschnitt
zum Hinzufügen
eines Geruchsstoffs zu dem von dem Gasbehälter abgegebenen Wasserstoff
enthalten, um das Gasgemisch (Brennstoffgas) zu bilden. Wenn der
Brennstoffgasversorgungsabschnitt den Geruchsstoffhinzufügungsabschnitt
enthält,
kann der Brennstoff gasversorgungsabschnitt eine Wasserstoff okkludierende Legierung
enthalten oder mit einem Reformierabschnitt versehen sein, der Wasserstoff
durch Reformieren von Alkohol, Erdgas, Benzin, Ether, Aldehyd oder
dergleichen bildet. Dabei sollte jedoch in die Brennstoffzelle ein
Brennstoffgas eingeleitet werden, das Wasserstoffgas und den Geruchsstoff
enthält.
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(3) In den angesprochenen Ausführungsbeispielen
wird zwar Buttersäure
als ein Geruchsstoff verwendet, bei dem es unwahrscheinlich ist,
dass sich die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle verschlechtern,
doch kann anstelle dessen auch Diethylsulfid oder dergleichen verwendet
werden.
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Hierbei ist unter dem Geruchsstoff,
bei dem es unwahrscheinlich ist, dass sich die Ausgangskennwerte
der Brennstoffzelle verschlechtern, ein Geruchsstoff zu verstehen,
der die folgende Bedingung erfüllt.
Zunächst
wird ein Vergleich zwischen einem ersten Fall, in dem die Brennstoffzelle
mit einem Brennstoffgas versorgt wird, das lediglich Wasserstoffgas
enthält,
und einem zweiten Fall gezogen, in dem die Brennstoffzelle mit einem
Brennstoffgas versorgt wird, das Wasserstoffgas und den Geruchsstoff enthält. Dabei
ist unter einem Geruchsstoff, bei dem es unwahrscheinlich ist, dass
sich die Ausgangskennwerte der Brennstoffzelle verschlechtern, ein Geruchsstoff
zu verstehen, bei dem der von der Brennstoffzelle im zweiten Fall
abgegebene Stromwert etwa 90% oder mehr des von der Brennstoffzelle im
ersten Fall abgegebenen Stromwerts beträgt. Der von der Brennstoffzelle
abgegebene Stromwert wird erst nach einer Stromerzeugungsdauer von
24 Stunden gemessen, während
der eine vorbestimmte Last an die Brennstoffzelle angeschlossen
ist und die Brennstoffzelle mit einer ausreichenden Menge an Brennstoffgas
und oxidativem Gas versorgt wird.
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(4) In den angesprochenen Ausführungsbeispielen
enthält
der Geruchsstoffentfernungsabschnitt zwar das poröse Adsorptionsmittel,
das den Geruchsstoff durch physikalische Adsorption des Geruchsstoffs
aus dem Gasgemisch entfernt. Anstelle dessen kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt aber
auch ein Adsorptionsmittel enthalten, der den Geruchsstoff durch
chemische Adsorption aus dem Gasgemisch entfernt. Falls der Geruchsstoff
TBM ist, ist es zweckmäßig, wenn
der Geruchsstoffentfernungsabschnitt ein Adsorptionsmittel wie ZnO
oder dergleichen enthält.
Dabei sei angemerkt, dass eine physikalische Adsorption für eine Adsorption
durch eine Van-der-Waals-Kraft steht und dass eine chemische Adsorption
für eine
Adsorption durch chemische Bindung steht.
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In den angesprochenen Ausführungsbeispielen
adsorbiert der Geruchsstoffentfernungsabschnitt den Geruchsstoff,
doch kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt den Geruchsstoff
anstelle dessen auch absorbieren. Auch in diesem Fall kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt
den Geruchsstoff aus dem Gasgemisch entfernen. Dabei sei angemerkt,
dass Absorption für
das Eindringen von Gasmolekülen
in eine Flüssigkeit
oder einen Feststoff steht und dass Adsorption für das Verbleiben von Gasmolekülen in der
Umgebung der Oberfläche
einer Flüssigkeit
oder eines Feststoffs steht. Die Absorption von Gasmolekülen in einem
Feststoff wird auch als Okklusion bezeichnet.
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Darüber hinaus kann der Geruchsstoffentfernungsabschnitt
statt des Adsorptionsmittels auch ein reaktionsfreudiges Mittel
enthalten, das mit dem Geruchsstoff reagiert. Falls das Geruchsstoff
Buttersäure
ist, ist es zweckmäßig, wenn
der Geruchsstoffentfernungsabschnitt beispielsweise einen Pressling
mit einer Grundsubstanz wie Calciumhydroxid, Aluminiumhydroxid oder
dergleichen enthält.
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Wie oben beschrieben wurde, kann
der Geruchsstoffentfernungsabschnitt zusätzlich zu oder anstelle von
einem porösen
Adsorptionsmittel einen Edelmetallkatalysator wie Pt oder dergleichen
enthalten. Dabei sollte der Geruchsstoffentfernungsabschnitt jedoch
dazu in der Lage sein, aus dem Wasserstoffgas und den Geruchsstoff
enthaltenden Gasgemisch den Geruchsstoff zu entfernen.
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(5) In den angesprochenen Ausführungsbeispielen
befindet sich der Geruchsstoffentfernungsabschnitt zwar an bestimmten,
vorstehend näher
beschriebenen Stellen des Brennstoffzellensystems, doch kann der
Geruchsstoffentfernungsabschnitt auch irgendwo anders vorgesehen
werden. Dabei sollte der Geruchsstoffentfernungsabschnitt jedoch den
Geruchsstoff entfernen, nachdem das Wasserstoffgas und den Geruchsstoff
enthaltende Brennstoffgas in die Brennstoffzelle eingeleitet worden
ist.
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(6) Die angesprochenen Ausführungsbeispiele
behandeln den Fall, dass die Erfindung bei einer PolymerelektrolytBrennstoffzelle
Anwendung findet. Allerdings ist die Erfindung auch bei Brennstoffzellen
anderer Bauarten anwendbar.