-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle
ausgerüstet
ist, deren Funktion die Erzeugung von elektrischem Strom ist, der
aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht, und
das in beweglichen Vorrichtungen, wie Automobilen, Schiffen oder
tragbaren Generatoren, verwendet werden kann, und genauer den verbesserten
Aufbau solch eines Brennstoffzellensystems, das so ausgelegt ist,
daß seine
Startfähigkeit
verbessert ist.
-
Um die Brennstoffausnutzung und die
Energieerzeugungseffizienz von Brennstoffzellen zu verbessern, sind
Abgas-Rückführungssysteme
bekannt, die so funktionieren, daß sie das Abgas, das aus den Wasserstoffelektroden
der Brennstoffzelle abgegeben wird, mittels einer Pumpe ansaugen
und mit dem Brennstoff mischen, welcher den Brennstoffzellen zugeführt wird.
Bei der Pumpe, die für
die Abgasrückführung verwendet
wird, handelt es sich üblicherweise
um eine Saugstrahlpumpe, da diese durch die Fluidenergie des Brennstoffs
angetrieben werden kann und sich sehr gut dafür eignet, Energie zu sparen. Beispielsweise
lehrt das japanische Patent Nr. 2001-266922 solch ein System.
-
Mit fluidangetriebenen Pumpen, wie Saugstrahlpumpen,
ergibt sich jedoch das Problem, daß dann, wenn die Menge des
den Brennstoffzellen zugeführten
Kraftstoffs gering ist, d. h. wenn die für die Rückführung des Abgases benötigte Fluidenergie gering
ist, die Folge eine unzureichende Abgas-Rückführungsmenge ist. Insbesondere
wird dann, wenn die Brennstoffzellen während des Haltens des Motors
im Leerlauf ru hen, die Brenngaszufuhr zu den Brennstoffzellen unterbrochen.
Somit ist eine Rückführung des
Abgases unmöglich.
-
Üblicherweise
bewirkt der Durchtritt von Luft durch die Elektrolytfilme der Brennstoffzellen
während
der vorübergehenden
Unterbrechung der Energieerzeugung in den Brennstoffzellen, daß sich Verunreinigungen,
wie Stickstoff oder Wasser, die bei der Zellreaktion entstehen,
im Abgas-Rückführungsweg
des Systems ansammeln. Wenn die Abgasmenge nicht ausreicht, ist
es außerdem
schwierig, die Verunreinigungen aus den Brennstoffzellen zu entfernen,
wodurch die Ansammlung der Verunreinigungen im Abgas-Rückführungsweg
gefördert
wird. Die angesammelten Verunreinigungen stören die Elektrodenreaktion
der Brennstoffzellen, was eine Verschlechterung der Startfähigkeit
und der Energieerzeugungseffizienz der Brennstoffzellen zur Folge
hat.
-
Daher ist es eine Hauptaufgabe der
Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht in der Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems, das
so ausgelegt ist, daß es
die Betriebsstabilität
einer Brennstoffzelle gewährleistet.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung
besteht in der Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems, das
so ausgelegt ist, daß es
die gewünschte
Startfähigkeit
einer Brennstoffzelle auch in kalter Umgebung gewährleistet.
-
Gemäß einem vierten Aspekt der
Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, das in Elektrofahrzeugen
verwendet werden kann. Das Brennstoffzellensystem umfaßt: (a)
eine Brennstoffzelle, deren Funktion die Erzeugung von elektrischer Energie
ist, welche aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff
entsteht; (b) eine Wasserstoff-Versorgungseinrichtung, deren Funktion
die Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff ist; (c) eine
Wasserstoffleitung, durch welche der Brennstoffzelle Wasserstoff
aus der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung zugeführt wird; (d) eine Luft-Versorgungseinrichtung,
deren Funktion die Versorgung der Brennstoffzelle mit Luft ist;
(e) eine Luftleitung, durch welche der Brennstoffzelle Luft von
der Luft-Versorgungseinrichtung zugeführt wird; und (f) eine Fluidpumpe,
die durch die Energie der durch die Luftleitung strömenden Luft
angetrieben wird, um ein Fluid in der Wasserstoffleitung anzusaugen.
-
Der obige Aufbau ist in der Lage,
ein Fluid, das Verunreinigungen wie Stickstoff oder Wasser enthält, aus
der Wasserstoffleitung abzusaugen, auch wenn die Wasserstoffmenge,
welche der Brennstoffzelle zugeführt
wird, klein ist oder die Wasserstoffzufuhr zur Brennstoffzelle unterbrochen
ist, wodurch die Betriebsstabilität der Brennstoffzelle gewährleistet
wird.
-
Das Fluid in der Wasserstoffleitung
kann durch eine Sauerstoffelektrode der Brennstoffzelle hindurch
gesaugt werden. In diesem Fall befeuchtet die Feuchtigkeit, die
im Fluid enthalten ist, den Elektrolytfilm der Brennstoffzelle.
Zusätzlich
erfährt
der im Fluid enthaltene Wasserstoff eine katalytische Verbrennung,
wodurch harmloses Wasser und Wärme erzeugt
werden, welche den Elektrolytfilm befeuchten und erwärmen, wodurch
die Startfähigkeit
der Brennstoffzelle verbessert wird.
-
Falls der Brennstoffzellen-Stapel
sich in einer kalten Umgebung befindet, kann diese bewirken, daß das Wasser
in der Wasserstoffleitung gefriert, was ein Blockieren der Wasserstoff-
oder Luftleitung oder ein Gefrieren des Elektrolytfilms zur Folge
haben kann. Dieses Problem wird jedoch durch das Absaugen des Fluids
aus der Wasserstoffleitung vermieden, durch welches das Wasser nach
der Unterbrechung der Wasserstoffzufuhr zur Brennstoffzelle entfernt
wird, wodurch die erwünschte
Startfähigkeit der
Brennstoffzelle in kalter Umgebung gewährleistet wird.
-
Die Verwendung einer mechanischen
Pumpe für
die Abgasumwälzung
gewährleistet,
daß eine Abgasmenge
umgewälzt
wird, die ausreicht, um die Wasserstoffleitung des Fluids auch dann
zu reinigen, wenn der Brennstoffzelle nur eine geringe Wasserstoffmenge
zugeführt
wird, jedoch kann es durch das Gefrieren des Wassers in kalten Umgebungen
zu einer Funktionsstörung
der Pumpe kommen. In diesem Brennstoffzellensystem wird eine Fluidpumpe
verwendet, die von der Energie eines Luftstroms angetrieben wird,
wodurch dieses Problem gelöst
wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
die Luftleitung eine Luft-Zufuhrleitung, durch welche der Brennstoffzelle
Luft aus der Luft-Versorgungseinrichtung zugeführt wird, sowie eine Luft-Abfuhrleitung,
durch welche Luft, die aus der Brennstoffzelle abgegeben wird, aus
dem Brennstoffzellensystem ausgetragen wird. Die Fluidpumpe wird
von der Energie der Luft angetrieben, welche durch die Luft-Abfuhrleitung
strömt.
-
Die Fluidpumpe kann als Saugstrahlpumpe verwirklicht
sein. Die Luftleitung umfaßt
eine Luft-Zufuhrleitung, durch welche der Brennstoffzelle Luft von der
Luft-Versorgungseinrichtung
zugeführt
wird, sowie eine Luft-Abfuhrleitung, durch welche die Luft, die von
der Brennstoffzelle abgegeben wird, aus dem Brennstoffzellensystem
ausgetragen wird, wobei die Luft-Zufuhrleitung zwei Zweigleitungen
aufweist. Die Saugstrahlpumpe ist in einer der zwei Zweigleitungen
installiert.
-
Die Wasserstoffleitung kann eine
Ansaugleitung umfassen, welche mit der Ansaugöffnung der Saugstrahlpumpe
verbunden ist.
-
Das Brennstoffzellensystem kann weiter
ein Ein/Aus- bzw. Schaltventil für
die Ansaugleitung umfassen, das in der Ansaugleitung installiert
ist und das dazu dient, die Ansaugleitung selektiv zu öffnen und
zu schließen.
-
Das Brennstoffzellensystem kann weiter
ein Dreiwege-Steuerventil umfassen, das in der Zusammenführung bzw.
Abzweigung der Luftzufuhr-Zweigleitungen installiert ist und das
dazu dient, selektiv einen Strom der Luft, die aus der Luft-Versorgungseinrichtung
ausgegeben wird, zu einer Luftzufuhr-Zweigleitung einzurichten.
-
Das Fluid in der Wasserstoffleitung
kann durch die Ansaugleitung und die Luft-Abfuhrleitung aus dem Brennstoffzellensystem
ausgeführt
werden.
-
Die Luft-Abfuhrleitung kann zwei
Zweigleitungen aufweisen. Die Saugstrahlpumpe kann in einer der
beiden Zweigleitungen installiert sein.
-
Das Dreiwege-Steuerventil kann in
der Abzweigung der Luftabfuhr-Zweigleitungen installiert sein und
dazu dienen, selektiv einen Strom der Luft, die von der Brennstoffzelle
abgegeben wird, in einer der Luftabfuhr-Zweigleitungen einzurichten.
-
Das Brennstoffzellensystem kann außerdem einen
Vakuumtank aufweisen, der die Funktion hat, einen Unterdruck, der
von der Saugstrahlpumpe erzeugt wird, zu speichern, sowie zwei Ansaugleitungs-Schaltventile,
die in der Ansaugleitung installiert sind und die dazu dienen, die
Ansaugleitung selektiv zu öffnen
und zu schließen.
Der Vakuumtank ist zwischen den Schaltventilen der Ansaugleitung
angeordnet.
-
Das Brennstoffzellensystem kann weiter eine
Abgas-Umwälzleitung
aufweisen, deren Funktion es ist, das Abgas aus der Brennstoffzelle,
das nicht-umgesetztes Wasserstoffgas enthält, welches keine chemische
Reaktion durchlaufen hat, in der Wasserstoffleitung zirkulieren
zu lassen, um das Abgas der Brennstoffzelle zuzuführen.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, welches
umfaßt:
(a) eine Brennstoffzelle, deren Funktion es ist, elektrische Energie
zu erzeugen, welche aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff
mit Sauerstoff entsteht; (b) eine Wasserstoff-Versorgungseinrichtung,
deren Funktion es ist, die Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen;
(c) eine Wasserstoffleitung, durch welche der Brennstoffzelle Wasserstoff aus
der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung zugeführt wird; (d) eine Luft-Versorgungseinrichtung,
deren Funktion es ist, die Brennstoffzelle mit Luft zu versorgen;
(e) eine Luftleitung, durch welche der Brennstoffzelle Luft von
der Luft-Versorgungseinrichtung zugeführt wird; (f) eine Fluidpumpe,
die von der Energie eines Fluids angetrieben wird, das entweder durch
die Wasserstoffleitung oder die Luftleitung strömt, um einen Unterdruck zu
erzeugen; und (g) einen Vakuumtank, in dem der Unterdruck gespeichert wird,
der von der Fluidpumpe erzeugt wird und der genutzt wird, um das
Fluid in der Wasserstoffleitung anzusaugen.
-
Der obige Aufbau ist in der Lage,
ein Fluid, das Verunreinigungen wie Stickstoff oder Wasser enthält, aus
der Wasserstoffleitung zu saugen, auch wenn die Wasserstoffmenge,
die der Brennstoffzelle zugeführt
wird, klein ist oder die Wasserstoffzufuhr zur Brennstoffzelle unterbrochen
ist, wodurch die Betriebsstabilität der Brennstoffzelle gewährleistet
wird.
-
In der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann die Luftleitung eine Luft-Zufuhrleitung umfassen,
durch welche der Brennstoffzelle Luft aus der Luft-Versorgungseinrichtung
zugeführt
wird, sowie eine Luft-Abfuhrleitung, durch welche die Luft, die von
der Brennstoffzelle abgegeben wird, aus dem Brennstoffzellensystem
ausgetragen wird. Die Fluidpumpe wird von der Energie der durch
die Luft-Abfuhrleitung strömenden
Luft angetrieben.
-
Die Wasserstoffleitung kann eine
Wasserstoff-Zufuhrleitung für
die Zuführung
von Wasserstoff aus der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung zur Brennstoffzelle
sowie eine Abgas-Umwälzleitung umfassen,
die das von der Brennstoffzelle abgegebene Abgas, welches nicht-umgesetztes
Wasserstoffgas enthält,
das keine chemische Reaktion durchlaufen hat, in der Wasserstoffleitung
zirkulieren läßt, um das
Abgas der Brennstoffzelle zuzuführen.
Es kann eine Abgas-Abfuhrleitung bereitgestellt sein, die von der
Abgas-Umwälzleitung
abgeht, um das Fluid aus dem Brennstoffzellensystem auszuführen, sowie zwei
Schaltventile für
die Abgas-Abfuhrleitung, die in der Abgas-Abfuhrleitung installiert
sind, um die Abgas-Abfuhrleitung selektiv zu öffnen und zu schließen. Der
Vakuumtank kann zwischen den Schaltventilen für die Abgas-Abfuhrleitung installiert
sein. Die Fluidpumpe kann als Umwälz-Saugstrahlpumpe verwirklicht
sein, die in der Wasserstoff-Zufuhrleitung installiert ist und deren
Funktion die Umwälzung
des Abgases in der Abgas-Umwälzleitung
und das Mischen des Abgases mit dem Wasserstoff ist, welcher der
Brennstoffzelle von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung zugeführt wird.
Die Abgas-Abfuhrleitung und die Abgas-Umwälzleitung können so bereitgestellt sein,
daß sie
selektiv mit der Ansaugöffnung
der Umwälz-Saugstrahlpumpe
in Fluidverbindung stehen.
-
Das Schaltventil für die Abgas-Umwälzleitung
kann in einem Teil der Abgas-Umwälzleitung
installiert sein, der sich stromaufwärts von der Abzweigung der
Gas-Umwälzleitung
und der Abgas-Abfuhrleitung befindet, und dient dazu, die Abgas-Umwälzleitung
selektiv zu öffnen
und zu schließen.
Jedes der Schaltventile für
die Abgas-Abfuhrleitung, die stromaufwärts vom Vakuumtank angeordnet
sind, und das Schaltventil für
die Abgas-Umwälzleitung
können
so gesteuert werden, daß sie
selektiv geöffnet
und geschlossen werden.
-
Die Fluidpumpe kann als Saugstrahlpumpe verwirklicht
sein, die stromaufwärts
von der Umwälz-Saugstrahlpumpe
in der Wasserstoff-Zufuhrleitung angeordnet ist.
-
Die Wasserstoffleitung kann eine
Wasserstoff-Zufuhrleitung umfassen, um der Brennstoffzelle Wasserstoff
von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung zuzuführen, sowie eine Abgas-Umwälzleitung,
um das Abgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird und nicht-umgesetztes
Wasserstoffgas enthält,
das keine chemische Reaktion durchlaufen hat, in der Wasserstoffleitung
zirkulieren zu lassen, um der Brennstoffzelle das Abgas zuzuführen. Die Saugstrahlpumpe
kann in der Wasserstoff-Zufuhrleitung installiert sein und dazu
dienen, das Abgas in der Abgas-Umwälzleitung zirkulieren zu lassen
und das Abgas mit dem Wasserstoff zu mischen, welcher der Brennstoffzelle
von der Wasserstoff-Versorgungseinheit zugeführt wird. Das System kann weiter eine
Abgas-Abfuhrleitung umfassen, um das Fluid in der Wasserstoffleitung
aus dem Brennstoffzellensystem auszuführen, sowie zwei Schaltventile
für die
Abgas-Abfuhrleitung, die in der Abgas-Abfuhrleitung installiert
sind, um die Abgas-Abfuhrleitung selektiv zu öffnen und zu schließen. Der
Vakuumtank ist zwischen den Schaltventilen für die Abgas-Abfuhrleitung installiert.
Die Umwälz-Saugstrahlpumpe
weist eine erste Ansaugöffnung
und eine zweite Ansaugöffnung auf.
Die erste Ansaugöffnung
ist mit der Abgas-Umwälzleitung
verbunden. Die zweite Ansaugöffnung
ist mit der Abgas-Abfuhrleitung
verbunden.
-
Die Luft-Abfuhrleitung kann zwei
Zweigleitungen aufweisen. Die Saugstrahlpumpe kann in einer der
beiden Zweigleitungen installiert sein.
-
Ein Dreiwege-Steuerventil kann an
der Abzweigung der Luftabfuhr-Zweigleitungen installiert sein und
die Funktion haben, selektiv einen Strom der Luft, die aus der Brennstoffzelle
abgegeben wird, in einer der Luftabfuhr-Zweigleitungen einzurichten.
-
Ein Vakuumtank kann bereitgestellt
sein, welcher die Funktion hat, einen Unterdruck, der von der Saugstrahlpumpe
erzeugt wird, zu speichern. Zwei Ansaugleitungs-Schaltventile können in der Ansaugleitung installiert
sein und die Funktion haben, die Ansaugleitung selektiv zu öffnen und
zu schließen.
Der Vakuumtank ist zwischen den Schaltventilen der Ansaugleitung
angeordnet.
-
Die vorliegende Erfindung wird aus
der folgenden detaillierten Beschreibung und aus den begleitenden
Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung besser verständlich,
wobei diese jedoch nicht auf diese speziellen Ausführungsformen
beschränkt
sein soll, welche lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.
-
1 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
2 ist
ein Blockschema, das den Aufbau einer Brennstoffzellensystems gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
3 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
4 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der vierten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
5 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
6 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der sechsten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
7 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der siebten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
8 ist
ein Blockschema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der achten Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
In den Figuren bezeichnen ähnliche
Bezugszeichen ähnliche
Teile in verschiedenen Ansichten. In 1 ist
ein Brennstoffzellensystem gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Das Brennstoffzellensystem ist als Energiequelle dargestellt,
um ein Elektrofahrzeug (d. h. ein mit einer Brennstoffzelle angetriebenes
Fahrzeug) anzutreiben.
-
Das Brennstoffzellensystem besteht
im wesentlichen aus einem Brennstoffzellen-Stapel 10, einer Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31,
einer Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 und
einer Saugstrahlpumpe 40.
-
Der Brennstoffzellen-Stapel 10 ist
in der Technik bekannt und dient dazu, die von der elektrochemischen
Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff erzeugte Energie in elektrische
Energie umzuwandeln. Der Brennstoffzellen-Stapel 10 besteht
aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen vom Feststoff-Polyelektrolyttyp.
Jede Zelle besteht aus einem Elektrodenpaar (nachstehend auch als
Sauerstoff- und Wasserstoffelektrode bezeichnet) und einem Elektrolytfilm,
der zwischen den Elektroden angeordnet ist. Der Brennstoffzellen-Stapel 10 dient
dazu, elektrische Verbraucher, beispielsweise einen Antriebsmotor
und eine Speicherbatterie (nicht gezeigt), die im Elektrofahrzeug
installiert sind, mit Energie zu versorgen. Dem Brennstoffzellen-Stapel 10 werden Wasserstoff
und Luft (Sauerstoff) zugeführt,
und er induziert deren chemische Reaktionen an seinen Elektroden,
die folgendermaßen
ablaufen: Wasserstoffelektrode H2 → 2H+ + e– Sauerstoffelektrode
2H+ + 1/O2 + 2e– → H2O
-
Die obigen elektrochemischen Reaktionen erzeugen
Wasser. Zusätzlich
werden dem Brennstoffzellen-Stapel feuchte Wasserstoff- und Luftgase zugeführt, die
bewirken, daß im
Brennstoffzellen-Stapel 10 Kondenswasser entsteht.
-
Das Brennstoffzellensystem umfaßt weiter eine
Luft-Zufuhrleitung 20 und eine Luft-Abfuhrleitung 21.
Die Luft-Zufuhrleitung 21 dient dazu, den Sauerstoffelektroden
(d. h. den positiven Elektroden) des Brennstoffzellen-Stapels 10 Luft
(Sauerstoff) zuzuführen.
Die Luft-Abfuhrleitung 21 dient dazu, Luft und Wasser aus
dem Brennstoffzellen-Stapel 10 auszutragen. Die Luft-Versorgungseinrichtung 22 ist
im am weitesten stromaufwärts
gelegenen Teil der Luft-Zufuhrleitung 20 installiert. Die
Luft-Versorgungseinrichtung 22 ist beispielsweise als Kompressor
verwirklicht. Die Luft-Zufuhrleitung 20 und die Luft-Abfuhrleitung 21 bilden
eine Luftleitung, wie nachstehend erläutert wird.
-
Die Luft-Zufuhrleitung 20 verzweigt
sich in eine erste Luft-Zufuhrleitung 20a und eine zweite Luft-Zufuhrleitung 20b,
die sich vor dem Brennstoffzellen-Stapel 10 zur Luft-Zufuhrleitung 20 vereinigen. In
einer stromaufwärts
gelegenen Abzweigung der ersten und zweiten Luft-Zufuhrleitungen 20a und 20b ist
ein Dreiwege-Steuerventil 23 installiert, das selektiv
eine Luftverbindung zwischen der Luft-Versorgungseinrichtung 22 und
der ersten Luft-Zufuhrleitung 20a oder der zweiten Luft-Zufuhrleitung 20b einrichtet.
-
Die Saugstrahlpumpe 40 ist
in der zweiten Luft-Zufuhrleitung 20b installiert und wird
durch die Luft, welche durch die zweite Luft-Zufuhrleitung 20b strömt, mit
Energie versorgt, so daß sie
das Fluid in einer Wasserstoffleitung ansaugt, wie später detailliert
beschrieben wird. Die Saugstrahlpumpe 40 ist beispielsweise
als kinetische Vakuumpumpe verwirklicht (z.B . JIS Z 8126 Nr. 2.1.1.3),
die so ausgelegt ist, daß sie
ein Fluid mittels des turbulenten Wirbelstromtransfers eines Arbeitsfluids
transportiert.
-
Das Brennstoffzellensystem umfaßt weiter eine
Wasserstoff-Zufuhrleitung 30, die dazu dient, den Wasserstoffelektroden
(d. h. den negativen Elektroden) des Brennstoffzellen-Stapels 10 Wasserstoff zuzuführen. Die
Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 ist im am weitesten
stromaufwärts
gelegenen Teil der Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 installiert.
Die Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 ist beispielsweise
durch einen Hochdruck-Wasserstofftank, der mit Wasserstoffgas gefüllt ist,
verwirklicht.
-
In der Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 sind
ein Regler 32 installiert, der dazu dient, den Druck des Wasserstoffs,
der von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 ausgegeben
wird, zu regulieren, sowie ein Schaltventil 33, das dazu
dient, die Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 zu öffnen oder
zu schließen.
-
Das Brennstoffzellensystem umfaßt weiter eine
Abgas-Umwälzleitung 34,
die dazu dient, nicht-umgesetzten Wasserstoff enthaltendes Abgas, das
aus dem Brennstoffzellen-Stapel 10 abgegeben wird, mit
dem Wasserstoff-Hauptstrom zu mischen, der von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 geliefert
wird, und es erneut dem Brennstoffzellen-Stapel 10 zuzuführen. Die
Abgas-Umwälzleitung 34 stellt
eine Verbindung zwischen einem Wasserstoffauslaß des Brennstoffzellen-Stapels 10 und
der stromab wärts
gelegenen Öffnung
des Reglers 32 in der Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 her.
Die Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 und die Abgas-Umwälzleitung 34 bilden
eine Wasserstoffleitung, wie nachstehend ausgeführt wird.
-
In der Abgas-Umwälzleitung 34 ist ein Gas/Flüssigkeits-Separator 35 angeordnet,
der dazu dient, das Wasser vom Abgas zu trennen und es durch ein
Ablaßventil 36 aus
dem Brennstoffzellensystem auszutragen.
-
Eine Abgas-Abfuhrleitung 37 zweigt
von der Abgas-Umwälzleitung 34 ab
und dient dazu, das Abgas durch ein Abführungs-Schaltventil 38 aus
dem Brennstoffzellensystem auszutragen. Das Abführungs-Schaltventil 38 dient
dazu, die Abgas-Abfuhrleitung 37 entweder zu öffnen oder
zu schließen.
-
Die Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 ist
in der Zusammenführung
der Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 und
der Abgas-Umwälzleitung 34 installiert
und dient dazu, das Abgas umzuwälzen.
Die Abgas-Umwälzleitung 34 führt zu einer
Ansaugöffnung 39a der
Abgas-Saugstrahlpumpe 39. Die Abgas-Saugstrahlpumpe 39 ist
wie die Saugstrahlpumpe 40 als kinetische Vakuumpumpe verwirklicht,
die dazu dient, das Abgas mittels der Fluidenergie des Haupt-Wasserstoffstroms,
der aus der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 geliefert
wird, anzusaugen und es dem Brennstoffzellen-Stapel 10 zuzuführen.
-
Eine Ansaugleitung 41 verläuft von
einem Punkt stromabwärts
von der Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 in
der Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 zu einer Ansaugöffnung 40a der
Saugstrahlpumpe 40, und in ihr ist ein Schaltventil 42 angeordnet,
das dazu dient, die Ansaugleitung 41 selektiv zu öffnen und
zu schließen.
-
BETRIEBSABLAUF
BEIM STARTEN DES SYSTEMS
-
Vor dem Beginn einer Hauptbetriebsphase des
Brennstoffzellensystems betätigt
eine System-Steuereinrichtung (nicht gezeigt) das Dreiwege-Steuerventil 23,
um die Luft von der Luft-Versorgungseinrichtung 22 zur
zweiten Luft-Zufuhrleitung 20b zu lenken. Die System-Steuereinrichtung öffnet außerdem das
Schaltventil 42, um eine Fluidverbindung zwischen der Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 und der
Saugstrahlpumpe 40 über
die Ansaugleitung 41 einzurichten, und schließt das Schaltventil 33 in
der Wasserstoff-Zufuhrleitung 30, das Schaltventil 38 in der
Abgas-Abfuhrleitung 37 und das Schaltventil 36 in
der Abgas-Umwälzleitung 34.
-
Anschließend setzt die System-Steuereinrichtung
die Luft-Versorgungseinrichtung 22 in Betrieb, um die Luftzufuhr
zur Luft-Zufuhrleitung 20 zu initiieren. Dies bewirkt,
daß die
Saugstrahlpumpe 40 beginnt, Fluid, das Wassertropfen und
Gas enthält und
das an den Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels zurückgeblieben
ist, durch die Ansaugleitung 41 anzusaugen. Das angesaugte
Fluid tritt dann durch die Sauerstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels 10 und
wird durch die Luft-Abfuhrleitung 21 aus dem Brennstoffzellensystem
ausgeführt.
Der im angesaugten Fluid enthaltene Wasserstoff wird durch katalytische
Verbrennung an den Sauerstoffelektroden in harmloses Wasser umgewandelt.
-
Nachdem die obigen Abläufe abgeschlossen sind,
initiiert die Steuereinrichtung den Hauptbetrieb des Brennstoffzellensystems.
Genauer betätigt
die Steuereinrichtung das Dreiwege-Steuerventil 23, um einen
Luftstrom von der Luft-Versorgungseinrichtung 22 zur ersten
Luft-Zufuhrleitung 20 einzurichten, und schließt das Schaltventil 42,
um den Wasserstoffstrom von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 zur
Luft-Zufuhrleitung 20 durch
die Ansaugleitung 41 zu unterbrechen. Danach öffnet die
Steuereinrichtung das Schaltventil 33, um dem Brennstoffzellen-Stapel 10 Wasserstoff
von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 zuzuführen, um
die Energieerzeugung im Brennstoffzellen-Stapel 10 zu initiieren.
-
Wie aus der obigen Erörterung
hervorgeht, ist das Brennstoffzellensystem so ausgelegt, daß es unmittelbar
vor dem Beginn des Hauptbetriebs des Brennstoffzellensystems Verunreinigungen
von den Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen- Stapels 10 entfernt,
wodurch die Stabilität
der Energieerzeugung der Brennstoffzellen-Stapels 10 unmittelbar nach
dem Start des Systems gewährleistet
wird.
-
Das Fluid in der Wasserstoffleitung,
das von der Saugstrahlpumpe 40 angesaugt wird, wird wie oben
beschrieben zuerst zu den Sauerstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels 10 geführt, wodurch
bewirkt wird, daß die
Elektrolytfilme der Zellen durch die im Fluid enthaltene Feuchtigkeit
(oder Wassertropfen) befeuchtet werden. Zusätzlich werden durch die katalytische
Verbrennung des im Fluid enthaltenen Wasserstoffs an den Sauerstoffelektroden Reaktionswärme und
Wasser erzeugt, die dazu dienen, die Zellen des Brennstoffzellen-Stapels 10 zu erwärmen und
zu befeuchten, wodurch die Startfähigkeit des Brennstoffzellen-Stapels 10 verbessert wird.
-
BETRIEBSABLAUF
BEI ANGEHALTENEM SYSTEM
-
Die Steuereinrichtung schließt zunächst das Schaltventil 33,
um die Wasserstoffzufuhr von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 zum
Brennstoffzellen-Stapel 10 zu unterbrechen. Falls der Brennstoffzellen-Stapel 10 sich
in einer kalten Umgebung befindet, was zu einem Gefrieren des Wassers führen kann,
betätigt
die Steuereinrichtung dann das Dreiwege-Steuerventil 23 so,
daß Luft
von der Luft-Zuführungsvorrichtung 22 zur
zweiten Luft-Zuführungsvorrichtung 20b geliefert
wird. Die Steuereinrichtung öffnet
außerdem
das Schaltventil 42 und schließt das Schaltventil 38 und
das Schaltventil 36.
-
Die Saugstrahlpumpe 40 saugt
somit das Fluid auf den Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels 10 durch
die Saugleitung 41. Das angesaugte Fluid gelangt dann durch
die Sauerstoffelektroden und wird durch die Luft-Abfuhrleitung 21 aus
dem Brennstoffzellensystem ausgeführt, wodurch das Wasser auf
den Sauerstoff- und Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels 10 entfernt
wird. Danach hält
die Steuervorrichtung die Luft-Versorgungseinrichtung 22 an.
-
Das Entfernen des Wassers von den
Sauerstoff- und Wasserstoffelektroden bei einem Anhalten des Brennstoffzellensystems
löst die
Probleme, die in kalter Umgebung entstehen, wie ein Funktionsversagen
der einzelnen Ventile und eine Blockierung der Wasserstoff- oder
Luftleitung durch gefrorenes Wasser, oder ein Gefrieren der Elektrolytfilme
der Zellen des Brennstoffzellen-Stapels 10, wodurch die
Startfähigkeit
des Brennstoffzellen-Stapels 10 in kalter Umgebung verbessert
wird.
-
Üblicherweise
sind mäßig feuchte
Bedingungen für
die Elektrolytfilme des Brennstoffzellen-Stapels 10 gut
für deren
Startfähigkeit.
Falls die Umgebung des Brennstoffzellen-Stapels 10 Wasser
nicht gefrieren läßt, ist
es nicht bevorzugt, daß die
Steuereinrichtung das Wasser von den Sauerstoff- und Wasserstoffelektroden
des Brennstoffzellen-Stapels 10 entfernt, wenn das Brennstoffzellensystem
angehalten wird.
-
Selbst wenn die Wasserstoffmenge,
die dem Brennstoffzellen-Stapel zugeführt wird, klein ist, oder die
Wasserstoffzufuhr unterbrochen wird, ist das Brennstoffzellensystem
dieser Ausführungsform
in der Lage, das Fluid aus der Wasserstoffleitung zu saugen, um
die Betriebsstabilität
des Brennstoffzellen-Stapels 10 zu gewährleisten.
-
Die Verwendung einer mechanischen
Pumpe für
die Umwälzung
des Abgases gewährleistet zwar,
daß die
Menge des umgewälzten
Abgases ausreicht, um das Fluid, das in der Wasserstoffleitung verblieben
ist, auszutragen, auch wenn dem Brennstoffzellen-Stapel nur eine
geringe Wasserstoffmenge zugeführt
wird, jedoch kann ein Gefrieren des Wasser in kalter Umgebung zu
einer Fehlfunktion der Pumpe führen.
In dem Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform wird eine Saugstrahlpumpe 40 verwendet,
welche durch die Energie des Luftstroms angetrieben wird, wodurch
dieses Problem gelöst
wird.
-
2 zeigt
ein Brennstoffzellensystem gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung, deren Aufbau sich von der ersten Ausführungsform
in Bezug auf die Ansaugung des Fluids aus der Wasserstoffleitung
unterscheidet. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 zeigen gleiche Teile an, und auf ihre
ausführliche
Erklärung
wird hier verzichtet.
-
Das Brennstoffzellensystem weist
keine zweite Luft-Zufuhrleitung 20b, kein Dreiwege-Steuerventil 23,
keine Saugstrahlpumpe 40, keine Abgas-Abfuhrleitung 27,
kein Abgasabführungs-Schaltventil 38,
keine Ansaugleitung 41 und kein Ansaugleitungs-Schaltventil 42 auf.
-
Das Brennstoffzellensystem weist
eine Abgas-Abfuhrleitung 50 auf, die mit einer zweiten
Ansaugöffnung 39b der
Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 verbunden
ist, um das Fluid in der Wasserstoffleitung aus dem Brennstoffzellensystem
auszuführen.
In der Abgas-Abfuhrleitung 50 sind erste und zweite Schaltventile 51 und 52 für die Abgas-Abfuhrleitung angeordnet,
welche die Abgas-Abfuhrleitung 50 selektiv öffnen und
schließen.
Ein Vakuumtank 53 ist zwischen den Ventilen 51 und 52 angeordnet.
Der Vakuumtank 53 hat die Funktion, den Unterdruck, der
von der Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 erzeugt
wird, zu speichern. Die Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 ist
als Fluidpumpe verwirklicht.
-
Das Brennstoffzellensystem umfaßt weiter ein
Schaltventil 60 für
die Abgas-Umwälzleitung,
dessen Funktion es ist, die Abgas-Umwälzleitung 34 zu öffnen und
zu schließen,
sowie Druckfühler
(nicht gezeigt), deren Funktion es ist, den Druck im Vakuumtank 53 und
in der Abgas-Umwälzleitung 34 zu
messen.
-
Das Brennstoffzellensystem ist so
ausgelegt, daß es
vier Betriebsmodi aufweist, wie nachstehend beschrieben.
-
Im ersten Betriebsmodus sind die
ersten und zweiten Schaltventile 51 und 52 für die Abgas-Abfuhrleitung
geschlossen, während
das Schaltventil 60 für
die Abgas-Umwälzleitung
geöffnet
ist. Im zweiten Betriebsmodus ist das erste Schaltventil 51 für die Abgas-Abfuhrleitung
geöffnet,
während
das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Abfuhrleitung und das Schaltventil 60 für die Abgas-Umwälzleitung
geschlossen sind. Im dritten Betriebsmodus ist das erste Schaltventil 51 für die Abgas-Abfuhrleitung
geöffnet,
das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Abfuhrleitung ist
geschlossen, und das Schaltventil 60 für die Abgas-Umwälzleitung
ist geöffnet.
Im vierten Betriebsmodus ist das erste Schaltventil 51 für die Abgas-Abfuhrleitung
geschlossen, während
das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Abfuhrleitung und
das Schaltventil 60 für
die Abgas-Umwälzleitung
geöffnet sind.
Das Schaltventil 33 für
die Wasserstoff-Zufuhrleitung bleibt während des Betriebs des Brennstoffzellensystems
immer offen.
-
Wenn der Druck im Vakuumtank 53 während des
Betriebs des Brennstoffzellensystems, d. h. während der Aktivierung des Brennstoffzellen-Stapels 10, unter
einem vorgegebenen Niveau liegt, bringt die Steuereinrichtung (nicht
dargestellt) das System in den ersten Betriebsmodus. Das Ventil 60 für die Abgas-Umwälzleitung
wird geöffnet,
um eine Fluidverbindung zwischen der Abgas-Umwälzleitung 34 und der
ersten Ansaugöffnung 39a der
Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 herzustellen,
wodurch bewirkt wird, daß die
Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 einen
Unterdruck erzeugt, um das Abgas durch die Abgas-Umwälzleitung 34 einzusaugen.
Das Abgas wird dann zur Wasserstoff-Zbfuhrleitung 30 zirkulieren
gelassen. Der Gas/Flüssigkeits-Separator 35 dient
dazu, Wasser aus dem zirkulierenden Abgas zu entfernen und es aus
der Abgas-Umwälzleitung 34 abzuführen, wenn
das Schaltventil 36 geöffnet
ist.
-
Wenn der Druck im Vakuumtank 53 über dem
vorgegebenen Niveau liegt, bringt die Steuereinrichtung das System
in den zweiten Betriebsmodus. Das erste Schaltventil 51 für die Abgas-Abfuhrleitung
wird geöffnet,
um eine Fluidverbindung zwischen dem Vakuumtank 53 und
der zweiten Ansaugöffnung 39b der
Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 herzustellen,
wodurch bewirkt wird, daß der
Unterdruck in der Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 auf
den Vakuumtank 53 wirkt. Wenn der Druck im Vakuumtank 53 unter
das vorgegebene negative Niveau sinkt oder wenn es notwendig ist,
die Wasserstoffzufuhr zum Brennstoffzellen-Stapel 10 zu
unterbrechen, bringt die Steuereinrichtung das System in den ersten
Betriebsmodus, wodurch der vorgegebene Unterdruck im Vakuumtank 53 gespeichert
wird.
-
Wenn es notwendig ist, das Brennstoffzellensystem
zu starten, bringt die Steuereinrichtung das System vor dem Systemstart
in den zweiten Betriebsmodus, wodurch das Fluid (das Wassertropfen
und Restgase enthält),
das um die Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels 10 zurückgeblieben
ist, durch die Abgas-Umwälzleitung 34 in
den Vakuumtank 53 saugt. Nachdem der Druck im Vakuumtank 53 stabil
geworden ist, öffnet
die Steuereinrichtung das Schaltventil 33 für die Wasserstoff-Zufuhrleitung, um
dem Brennstoffzellen-Stapel 10 Wasserstoff aus der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 zuzuführen, um
den Energieerzeugungsbetrieb des Brennstoffzellen-Stapels 10 zu
initiieren. Die Steuereinrichtung bringt das System in den dritten
Betriebsmodus.
-
Wenn die Drücke in der Abgas-Umwälzleitung 34 und
im Vakuumtank 53 ausgeglichen sind, bringt die Steuereinrichtung
das System in den vierten Betriebsmodus. Der Druck in der Abgas-Umwälzleitung 34 ist
höher als
der Atmosphärendruck,
so daß der
Druck im Vakuumtank 53 ebenfalls höher ist als der Atmosphärendruck.
So wird im vierten Betriebsmodus, wenn das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Abfuhrleitung
geöffnet
ist, das Fluid im Vakuumtank 52 in die Atmosphäre ausgetragen.
-
Nachdem im vierten Betriebsmodus
das Fluid aus dem Vakuumtank 53 in die Atmosphäre ausgetragen
wurde, bringt die Steuereinrichtung das System in den zweiten Betriebsmodus
und schaltet es dann in den dritten Betriebsmodus, um wieder einen Unterdruck
im Vakuumtank 53 zu speichern.
-
Wie aus der obigen Erörterung
hervorgeht, ist das System dieser Ausführungsform in der Lage, unmittelbar
vor dem Start des Brennstoffzellensystems Verunreinigungen aus den
Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels 10 zu
entfernen, wodurch die Stabilität
der Energieerzeugung des Brennstoffzellen-Stapels 10 unmittelbar
nach dem Start des Systems gewährleistet
wird.
-
Selbst wenn die Wasserstoffmenge,
die dem Brennstoffzellen-Stapel zugeführt wird, klein ist, oder die
Wasserstoffzufuhr unterbrochen wird, kann das Brennstoffzellensystem
dieser Ausführungsform
das Fluid aus der Wasserstoffleitung ansaugen, wodurch die Betriebsstabilität des Brennstoffzellen-Stapels 10 gewährleistet
ist.
-
Die Verwendung der Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 und
des Vakuumtanks 53, die durch Energie von der Luft angetrieben
werden, um das Fluid aus der Wasserstoffleitung zu saugen, gewährleistet die
Betriebsstabilität
des Systems in kalten Umgebungen.
-
Die Verwendung des Unterdrucks im
Vakuumtank 53 gewährleistet
das schnelle Ansaugen des Fluids aus der Wasserstoffleitung, wodurch
die Startfähigkeit
des Brennstoffzellen-Stapels 10 noch weiter verbessert
wird.
-
Das System dieser Ausführungsform
kann auf das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Abfuhrleitung und
auf den Teil der Abgas-Abfuhrleitung 50, in dem das zweite
Schaltventil 52 für
die Abgas-Abfuhrleitung installiert wird, verzichten. In diesem
Fall wird die Abgabe des Fluids aus dem Vakuumtank 53 durch Öffnen des
Abführungsventils 36,
des ersten Schaltventils 51 für die Abgas-Abfuhrleitung und
des Schaltventils 60 für
die Abgas-Umwälzleitung
erreicht.
-
3 zeigt
ein Brennstoffzellensystem gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung, welche sich von der zweiten Ausführungsform bezüglich des
Ortes der Zusammenführung
der Abgas-Abfuhrleitung 50 unterscheidet. Wenn die gleichen
Bezugszeichen, wie in 2 verwendet
werden, bezeichnen sie gleiche Teile, und auf deren ausführliche
Erklärung
wird hier verzichtet.
-
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist die Abgas-Abfuhrleitung 50 zwischen
der Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 und
dem Schaltventil 60 für
die Abgas-Umwälzleitung
mit der Abgas-Umwälzleitung 34 verbunden.
-
Wenn es notwendig ist, den Unterdruck
im Vakuumtank 53 zu speichern, bringt die Steuereinrichtung
das System in den zweiten Betriebsmodus, wie in der zweiten Ausführungsform
beschrieben, um den Druck im Vakuumtank 53 durch den Unterdruck, der
an der ersten Ansaugöffnung 39a der
Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 entstanden
ist, abzulassen.
-
Die anderen Abläufe sind gleich, und auf ihre ausführliche
Erklärung
wird hier verzichtet.
-
Das System dieser Ausführungsform
kann auf das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Abfuhrleitung und
auf den Teil der Abgas-Abfuhrleitung 50, in dem das zweite
Schaltventil 52 für
die Abgas-Abfuhrleitung installiert wird, verzichten. In diesem
Fall wird die Abgabe des Fluids aus dem Vakuumtank 53 durch Öffnen des
Abführungsventils 36,
des ersten Schaltventils 51 für die Abgas-Abfuhrleitung und
des Schaltventils 60 für
die Abgasumwälzung
erreicht.
-
4 zeigt
ein Brennstoffzellensystem gemäß der vierten
Ausführungsform
der Erfindung, deren Aufbau sich von dem der zweiten Ausführungsform
bezüglich
der Speicherung des Unterdrucks im Vakuumtank 53 unterscheidet.
Gleiche Bezugszeichen wie in 3 bezeichnen
gleiche Teile, und auf ihre ausführliche
Erklärung
wird hier verzichtet.
-
Eine Unterdruck-Saugstrahlpumpe 54 ist stromaufwärts von
der Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 in
der Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 angeordnet. Die Saugstrahlpumpe 54 ist
als kinetische Vakuumpumpe verwirklicht, die so ausgelegt ist, daß sie Fluid
mittels der turbulenten Wirbelstromübertragung eines Arbeitsfluids
transportiert. Genauer wird die Saugstrahlpumpe 54 durch
die Energie eines Wasserstoffstroms angetrieben, der von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 geliefert
wird.
-
Die Saugstrahlpumpe 54 ist
an einer Ansaugöffnung 54a über eine
Unterdruck-Zufuhrleitung 55 mit
dem Vakuumtank 53 verbunden. Die Unterdruck-Zufuhrleitung 55 wird
von einem Schaltventil 56 für die Unterdruck-Zufuhrleitung
selektiv geöffnet und
geschlossen.
-
In dem Brennstoffzellensystem der
Erfindung wird auf das Schaltventil 60 für die Abgas-Umwälzleitung,
wie es in der dritten Ausführungsform verwendet
wird, ver zichtet, und es ist so ausgelegt, daß es vier Betriebsmodi aufweist,
wie nachstehend erörtert.
-
Im ersten Betriebsmodus sind die
ersten und zweiten Schaltventile 51 und 52 der
Abgas-Abfuhrleitung geschlossen, und das Schaltventil 56 der
Unterdruck-Zufuhrleitung ist geschlossen. Im zweiten Betriebsmodus
ist das erste Schaltventil 51 der Abgas-Abfuhrleitung geöffnet, während das zweite Schaltventil 52 der
Abgas-Abfuhrleitung und das Schaltventil 56 der Unterdruck-Zufuhrleitung
geschlossen sind. Im dritten Betriebsmodus ist das erste Schaltventil 51 der
Abgas-Abfuhrleitung geschlossen, das zweite Schaltventil 52 der
Abgas-Abfuhrleitung ist geschlossen, und das Schaltventil 56 der
Unterdruck-Zufuhrleitung wird geöffnet.
Im vierten Betriebsmodus ist das erste Schaltventil 51 der
Abgas-Zufuhrleitung geschlossen, während das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Zufuhrleitung
geöffnet ist
und das Schaltventi156 für
die Unterdruck-Zufuhrleitung geschlossen ist. Das Schaltventil 33 für die Wasserstoff-Zufuhrleitung
bleibt während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems immer offen.
-
Wenn der Druck im Vakuumtank 53 während des
Betriebs des Brennstoffzellensystems, d. h. während der Aktivierung des Brennstoffzellen-Stapels 10, unter
einem vorgegebenen negativen Niveau liegt, bringt die Steuereinrichtung
das System in den ersten Betriebszustand. Die Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 erzeugt
einen Unterdruck, um das Abgas durch die Abgas-Umwälzleitung 34 zu
saugen und es zur Wasserstoff-Zufuhrleitung 30 zirkulieren
zu lassen. Der Gas/Flüssigkeits-Separator 35 dient
dazu, Wasser aus dem zirkulierenden Abgas zu entfernen und es aus
der Abgas-Umwälzleitung 34 auszuführen, wenn
das Schaltventil 36 geöffnet
ist.
-
Wenn der Druck im Vakuumtank 53 über einem
vorgegebenen negativen Niveau liegt, bringt die Steuereinrichtung
das System in den dritten Betriebsmodus. Das Schaltventil 56 für die Unterdruck-Zufuhrleitung
wird geöffnet,
um eine Fluidverbindung des Vakuumtanks 53 mit der Ansaugöffnung 54a der
Unterdruck-Saugstrahlpumpe 54 herzustellen, wodurch bewirkt
wird, daß ein
Unterdruck an den Vakuumtank 53 angelegt wird, der von
der Unterdruck-Saugstrahlpumpe 54 erzeugt wird. Danach, wenn
der Druck im Vakuumtank 53 unter das vorgegebene negative
Niveau sinkt, oder wenn es notwendig ist, die Wasserstoffzufuhr
zum Brennstoffzellen-Stapel 10 zu unterbrechen, bringt
die Steuereinrichtung das System in den ersten Betriebsmodus, wodurch
der vorgegebene Unterdruck im Vakuumtank 53 gespeichert
wird.
-
Wenn es erforderlich ist, das Brennstoffzellensystem
zu starten, bringt die Steuereinrichtung das System in den zweiten
Betriebsmodus und öffnet gleichzeitig
das Schaltventil 33 für
die Wasserstoff-Zufuhrleitung 33, wodurch das Fluid (das
Wassertropfen und Restgase enthält),
das in der Nähe der
Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels zurückgeblieben
ist, durch die Abgas-Umwälzleitung 34 in
den Vakuumtank 53 gesaugt wird. Die Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 versorgt
den Brennstoffzellen-Stapel 10 mit Wasserstoff.
-
Wenn die Drücke in der Abgas-Umwälzleitung 34 und
im Vakuumtank 35 ausgegleichen sind, bringt die Steuereinrichtung
das System in den vierten Betriebsmodus. Der Druck in der Abgas-Umwälzleitung 34 ist
höher als
der Atmosphärendruck,
so daß der
Druck im Vakuumtank 53 ebenfalls höher ist als der Atmosphärendruck.
Somit wird im vierten Betriebsmodus, wenn das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Abfuhrleitung
geöffnet
ist, das Fluid im Vakuumtank 52 in die Atmosphäre abgegeben.
-
Nachdem das Fluid im vierten Betriebsmodus
aus dem Vakuumtank in die Atmosphäre abgegeben wurde, bringt
die Steuereinrichtung das System in den dritten Betriebsmodus und
schaltet ihn dann in den ersten Betriebsmodus, um erneut Unterdruck
im Vakuumtank 53 zu speichern.
-
Wie aus der obigen Erörterung
hervorgeht, bringt das System dieser Ausführungsform die gleichen Ergebnisse
wie die dritte Ausführungsform.
In der Regel sind Brennstoffzellensysteme so ausgelegt, daß sie den
Wasserstoffdruck in der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 durch
den Regler 32 senken und ihn direkt zur Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 liefern,
wodurch eine große
Menge an Fluidenergie verschwendet wird, aber das System dieser
Ausführungsform
nutzt diese Fluidenergie für
die Unter druck-Saugstrahlpumpe 54, die sich stromaufwärts von
der Umwälz-Saugstrahlpumpe 39 befindet.
-
Das System dieser Ausführungsform
kann auf das zweite Schaltventil 52 für die Abgas-Abfuhrleitung und
auf den Teil der Abgas-Abfuhrleitung 50, in dem das zweite
Schaltventil 52 für
die Abgas-Abfuhrleitung installiert wird, verzichten. In diesem
Fall wird die Abgabe von Fluid aus dem Vakuumtank 53 in
die Atmosphäre
durch Öffnen
des Abführungsventils 36 und
des ersten Schaltventils 51 für die Abgas-Abfuhrleitung erreicht.
-
5 zeigt
das Brennstoffzellensystem gemäß der fünften Ausführungsform
der Erfindung, die sich in ihrem Aufbau von der ersten Ausführungsform bezüglich der
Ansaugung des Fluids, das in der Wasserstoffleitung strömt, unterscheidet.
Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen
gleiche Teile, und auf ihre ausführliche
Erklärung
wird hier verzichtet.
-
Das Brennstoffzellensystem enthält keine zweite
Luft-Zufuhrleitung 20b, kein Dreiwege-Steuerventil 23,
keine Saugstrahlpumpe 40, keine Ansaugleitung 41 und
kein Ansaugleitungs-Schaltventil 42.
-
Eine Luft-Saugstrahlpumpe 70 ist
in der Luft-Abfuhrleitung 21 angeordnet und wird durch
die Energie von der Luft, die durch die Luft-Abfuhrleitung 21 strömt, angetrieben,
um das Fluid in der Wasserstoffleitung anzusaugen. Die Luft-Saugstrahlpumpe 70 ist
durch eine kinetische Vakuumpumpe verwirklicht, die so ausgelegt
ist, daß sie
Fluid mittels des turbulenten Wirbelstromtransfers eines Arbeitsfluids transportiert.
-
Eine Ansaugleitung 71 zweigt
von einem Teil der Abgas-Umwälzleitung 34 ab,
der sich oberhalb des Gas/Flüssigkeits-Separators 35 befindet,
und ist mit der Ansaugöffnung 70a der
Saugstrahlpumpe 70 verbunden. Ein Schaltventil 72 für die Ansauglei tung ist
in der Ansaugleitung 71 angeordnet und dient dazu, die
Ansaugleitung 71 selektiv zu öffnen und zu schließen.
-
Vor dem Start des Brennstoffzellensystems öffnet die
Steuereinrichtung das Schaltventil 72 der Ansaugleitung,
um durch die Ansaugleitung 71 eine Fluidverbindung zwischen
der Abgas-Umwälzleitung 34 und
der Luft-Saugstrahlpumpe 70 herzustellen. Die Steuereinrichtung
schließt
das Schaltventil 33 für die
Wasserstoff-Zufuhrleitung, das Schaltventil 38 für die Abgas-Abfuhrleitung
und das Abführungsventil 36.
-
Unmittelbar nach der Betätigung der Luft-Versorgungseinrichtung 22,
mit welcher die Luftzufuhr zum Brennstoffzellen-Stapel 10 initiiert
wird, arbeitet die Luft-Saugstrahlpumpe 70,
um das Fluid (das Wassertropfen und Restgase enthält), welches um
die Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels herum zurückgeblieben
ist, durch die Ansaugleitung 71 hindurch anzusaugen. Das
angesaugte Fluid wird dann durch die Luft-Abfuhrleitung 21 aus
dem System ausgetragen. Danach öffnet
die Steuereinrichtung das Schaltventil 33 für die Wasserstoff-Zufuhrleitung,
um die Wasserstoffzufuhr von der Wasserstoff-Versorgungseinrichtung 31 zum
Brennstoffzellen-Stapel 10 zu
initiieren, um dessen Energieerzeugungsbetrieb zu starten.
-
Wenn die Wasserstoffzufuhr gleichzeitig
mit der Betätigung
der Luft-Versorgungseinrichtung 22 beim Start des Brennstoffzellensystems
gestartet wird, dienen die Druckwirkung des Wasserstoffs und die
Saugwirkung der Saugstrahlpumpen 39 und 70 dazu,
Verunreinigungen aus dem Brennstoffzellen-Stapel 10 wirksam
zu entfernen. Sobald die Betätigung
des Brennstoffzellen-Stapels abgeschlossen ist, schließt die Steuereinrichtung
das Schaltventil für die
Ansaugleitung.
-
Die Luft-Abfuhrleitung 21 (auf
der Stromabwärtsseite
der Sauerstoffelektroden) weist einen niedrigeren Sauerstoffgehalt
auf als die Luft-Zufuhrleitung 20 (auf der Stromaufwärtsseite
der Sauerstoffelektroden), so daß es praktisch unmöglich ist,
daß der
Wasserstoff, der in dem angesaugten Fluid vorhanden ist, von der
Luft, die aus dem Brennstoffzellen-Stapel 10 abgegeben
wird, verbrannt wird.
-
6 zeigt
ein Brennstoffzellensystem gemäß der sechsten
Ausführungsform
der Erfindung.
-
Das Brennstoffzellensystem weist
ein zweites Schaltventil 73 für die Ansaugleitung auf, das dazu
dient, die Ansaugleitung 71 zu öffnen und zu schließen, und
einen Vakuumtank 74, der sich zwischen den ersten und zweiten
Schaltventilen 72 und 73 in der Ansaugleitung 71 befindet.
Die anderen Anordnungen sind mit denen der fünften Ausführungsform identisch, und auf
ihre ausführliche
Erklärung wird
hier verzichtet.
-
Das Speichern des gewünschten
Unterdrucks im Vakuumtank 74 wird während der Betätigung des
Brennstoffzellen-Stapels 10 durch Schließen des
ersten Schaltventils 72 für die Ansaugleitung bei gleichzeitigem Öffnen des
zweiten Schaltventils 73 der Ansaugleitung erreicht, wodurch
die Luft-Saugstrahlpumpe 70 eine Saugwirkung auf den Vakuumtank 73 ausübte, wenn
der Druck im Vakuumtank 74 ein vorgegebenes Niveau erreicht
hat. Der so im Vakuumtank gespeicherte Unterdruck wird genutzt,
um beim Starten des Brennstoffzellen-Stapels 10 Verunreinigungen
von den Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels 10 zu
entfernen. Das Entfernen von Verunreinigungen wird durch Schließen des
zweiten Schaltventils 73 der Ansaugleitung und durch Öffnen des
ersten Schaltventils 72 der Ansaugleitung erreicht, wodurch
das Fluid (das Wassertropfen und Restgase enthält), das um die Wasserstoffelektroden
herum zurückgeblieben
ist, mittels des Unterdrucks, der im Vakuumtank 74 gespeichert ist,
durch die Abgas-Umwälzleitung 34 gesaugt
wird.
-
Danach startet die Steuereinrichtung
unter der Bedingung, daß das
erste Schaltventil 72 für
die Ansaugleitung geöffnet
ist und das zweite Schaltventil 73 für die Absaugleitung geschlossen
ist, die Zufuhr von Sauerstoff und Wasserstoff zum Brennstoffzellen-Stapel 10.
Nachdem der Druck im Vakuumtank 74 stabil geworden ist,
schließt
die Steuereinrichtung das erste Schaltventil 72 für die Ansaugleitung
und öffnet
das zweite Schaltventil 73 für die Ansaugleitung, so daß das Fluid
aus dem Vakuumtank 74 durch die Luft-Saugstrahlpumpe 70 angesaugt wird
und durch die Luft-Abfuhrlei tung 21 aus dem Brennstoffzellensystem
ausgetragen wird. Wenn der Druck im Vakuumtank unter das vorgegebene
negative Niveau fällt,
schließt
die Steuereinrichtung das zweite Schaltventil 73 für die Ansaugleitung,
um den Vakuumtank 74 bei dem vorgegebenen negativen Niveau
zu halten.
-
Wie aus der obigen Erörterung
ersichtlich ist, gewährleistet
die Verwendung des Unterdrucks im Vakuumtank 74 ein schnelles
Ansaugen des Fluids aus der Wasserstoffleitung, wodurch die Startfähigkeit
des Brennstoffzellen-Stapels 10 verbessert wird.
-
7 zeigt
ein Brennstoffzellensystem gemäß der siebten
Ausführungsform
der Erfindung, das sich in seinem Aufbau von der fünften Ausführungsform
bezüglich
der Ansaugung des Fluids unterscheidet, wie das Fluid aus der Wasserstoffleitung
gesaugt wird. Gleiche Bezugszeichen wie in der fünften Ausführungsform bezeichnen gleiche
Teile, und auf ihre ausführliche
Erklärung
wird hier verzichtet.
-
Die Luft-Abfuhrleitung 21 verzweigt
sich in eine erste Luft-Abfuhrleitung 21a und eine zweite Luft-Abfuhrleitung 21b,
die weiter stromabwärts
zur Luft-Abfuhrleitung 21 zusammengeführt werden. In der stromaufwärts gelegenen
Abzweigung der ersten und zweiten Luft-Abfuhrleitungen 21a und 21b ist
ein Dreiwegeventil 24 installiert, das selektiv eine Luftverbindung
zwischen der Luft-Versorgungseinrichtung 22 und der ersten
Luft-Abfuhrleitung 21a oder der zweiten Luft-Abfuhrleitung 21b einrichtet.
Die Luft-Saugstrahlpumpe ist in der zweiten Luft-Abfuhrleitung 21b installiert.
-
Wenn es erforderlich ist, den Brennstoffzellen-Stapel 10 zu
starten, betätigt
die Steuereinrichtung das Dreiwege-Steuerventil 24, um
eine Fluidverbindung zwischen dem Brennstoffzellen-Stapel 10 und
der zweiten Luft-Abfuhrleitung 21b einzurichten, öffnet das
Schaltventil 72 für
die Ansaugleitung und setzt die die Luft-Versorgungseinrichtung 22 in
Betrieb. Dies bewirkt, daß die
Luft-Saugstrahlpumpe 70 das Fluid (das Wassertropfen und
Restgase enthält), das
um die Wasserstoffelektroden des Brennstoffzellen-Stapels 10 herum
zurückgeblieben
ist, durch die Ansaugleitung 71 ansaugt, wo nach es durch
die Luft-Abfuhrleitung 21 aus dem Brennstoffzellensystem
ausgetragen wird.
-
Nach dem Starten des Brennstoffzellen-Stapels 10 betätigt die
Steuereinrichtung das Dreiwegeventil 24, um eine Fluidverbindung
zwischen dem Brennstoffzellen-Stapel 10 und
der ersten Luft-Abfuhrleitung 21a einzurichten, um einen
Luftstrom vom Brennstoffzellen-Stapel 10 zur ersten Luft-Abfuhrleitung 21a zu
erzeugen, und schließt
das Schaltventil 72 für
die Ansaugleitung.
-
Das System dieser Ausführungsform
liefert die gleichen Ergebnisse wie dasjenige der fünften Ausführungsform.
Die Abgabe von Luft ohne die Luft-Saugstrahlpumpe 70 nach
dem Start des Brennstoffzellen-Stapels 10 führt zu einem
geringeren Emissionsverlust. Dies führt dazu, daß die Last
für die
Luft-Zuführungsvorrichtung 22 geringer
ist, was zu einem verringerten Stromverbrauch der Luft-Zuführungsvorrichtung 22 führt, wenn
diese von einem Elektromotor angetrieben wird.
-
8 zeigt
ein Brennstoffzellensystem gemäß der achten
Ausführungsform
der Erfindung.
-
Das Brennstoffzellensystem enthält ein zweites
Schaltventil 73 für
die Ansaugleitung, das dazu dient, die Ansaugleitung 71 zu öffnen oder
zu schließen,
und einen Vakuumtank 74, der zwischen den ersten und zweiten
Schaltventilen 72 und 73 in der Ansaugleitung
angeordnet ist. Die anderen Anordnungen sind identisch mit denen
der siebten Ausführungsform,
und auf ihre ausführliche
Beschreibung wird hier verzichtet.
-
Das Speichern eines Unterdrucks im
Vakuumtank 74 wird während
des Betriebs des Brennstoffzellen-Stapels 10 dadurch erreicht,
daß man
das Dreiwegeventil 24 betätigt, um einen Luftstrom vom Brennstoffzellen-Stapel 10 zur
zweiten Luft-Abfuhrleitung 21b einzurichten, daß man das
erste Schaltventil 72 der Ansaugleitung schließt, während man das
zweite Schaltventil 73 der Ansaugleitung öffnet, so
daß die
Luft-Saugstrahlpumpe 70 eine
Saugwirkung auf den Vakuumtank 74 ausübt, und daß man dann das zweite Schaltventil 73 für die Ansaugleitung schließt, wenn
der Druck im Vakuumtank 74 ein vorgegebenes Niveau erreicht
hat.
-
Der so im Vakuumtank 74 gespeicherte
Unterdruck wird genutzt, um Verunreinigungen von den Wasserstoffelektroden
des Brennstoffzellen-Stapels 10 zu entfernen. Das Entfernen
der Verunreinigungen wird dadurch erreicht, daß man das zweite Schaltventil 73 für die Ansaugleitung
schließt
und das erste Schaltventil 72 für die Ansaugleitung öffnet, um das
Fluid (das Wassertropfen und Restgase enthält), das um die Wasserstoffelektroden
herum zurückgeblieben
ist, mit Hilfe des negativen Drucks, der im Vakuumtank 74 gespeichert
ist, durch die Abgas-Umwälzleitung 34 zu
entfernen.
-
Nachdem der Druck im Vakuumtank 74 stabil geworden
ist, schließt
die Steuereinrichtung das ersten Schaltventil 72 für die Ansaugleitung
und öffnet das
zweite Schaltventil 73 für die Ansaugleitung, um das
Fluid durch die Luft-Saugstrahlpumpe 70 aus dem Vakuumtank 74 zu
saugen und es durch die Luft-Abfuhrleitung 21 aus dem Brennstoffzellensystem
auszutragen.
-
Das System dieser Ausführungsform
liefert die gleichen Ergebnisse wie dasjenige der siebten Ausführungsform.
Die Verwendung des negativen Drucks im Vakuumtank 74 gewährleistet
ein schnelles Ansaugen des Fluids aus der Wasserstoffleitung, wodurch
die Startfähigkeit
des Brennstoffzellen-Stapels 10 verbessert wird.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung
anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, um sie besser verständlich zu machen, sollte Klarheit
darüber
bestehen, daß die
Erfindung auf verschiedene Weise ausgeführt werden kann, ohne von den
Grundlagen der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die Erfindung
so aufgefaßt
werden, daß sie
alle möglichen
Ausführungsformen
und Modifizierungen der gezeigten Ausführungsformen umfaßt, welche vorgenommen
werden können,
ohne von den Grundlagen der Erfindung abzuweichen, wie sie in den
beigefügten
Ansprüchen
ausgeführt
sind.
-
Das oben beschriebene Brennstoffzellensystem
jeder Ausführungsform
ist vom Umwälz-Typ,
in dem das Abgas, das aus dem Brennstoffzellen-Stapel 10 abgegeben
wird, zum Brennstoffzellen-Stapel 10 zirkuliert, die Erfindung
kann jedoch alternativ mit einem geschlossenen Brennstoffzellensystem
verwendet werden, in dem das Abgas nicht zirkuliert.
-
Falls das Brennstoffzellensystem
in Fahrzeuge eingebaut wird, kann der Unterdruck in der Saugstrahlpumpe
für ein
Bremssystem verwendet werden. Genauer wird in Fahrzeugen, die mit
einem Elektromotor ausgerüstet
sind, der genutzt wird, um das Fahrzeug und einen Bremskraftverstärker anzutreiben,
eine elektrische Pumpe verwendet, um den Bremskraftverstärker mit
Unterdruck zu versorgen. Die Verwendung der Saugstrahlpumpe, um
den Bremskraftverstärker
mit Unterdruck zu versorgen, macht eine Elektropumpe überflüssig, was
zu einem einfacheren Aufbau des Bremssystems und einem geringeren
Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs führt.