DE112004002128T5

DE112004002128T5 - Gasbehandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112004002128T5
Application number: DE112004002128T
Authority: DE
Inventors: Naohiro Toyota Yoshida; Toshiyuki Toyota Kondo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2024-10-26
Also published as: JP2005142092A; US20070053237A1; WO2005044432A2; KR20060089748A; JP4730643B2; CN101146598A; DE112004003059B4; WO2005044432A3; CN100591411C; KR100773595B1; US7748890B2; DE112004002128B4

Abstract

Gasbehandlungsvorrichtung zur Mischung eines ersten Gases und eines zweiten Gases, dadurch gekennzeichnet, daß es Turbulenz erzeugende Mittel zur Erzeugung einer Turbulenz in wenigstens einem des ersten und des zweiten Gases umfaßt, so daß die beiden Gase vermischt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdünnen von Spülgas aus einer Brennstoffzelle und insbesondere eine Ausgestaltung, die sich zur gleichmäßigen Verdünnung von Spülgas eignet.
HINTERGRUND
Bei einer Brennstoffzelle wird als Brennstoff dienender Wasserstoff zur Wiederverwendung in einem Kreislauf geführt. Wenn eine Brennstoffzelle als Energiequelle für ein Elektroautomobil benutzt wird, wird gelegentlich eine Spülaktion (purging operation) durchgeführt, um einen Teil des Wasserstoffs in ein außerhalb angeordnetes Kreislaufsystem abzuführen. Beispielsweise ist eine Spülaktion erforderlich, um die Spannung der Brennstoffzelle wiederherzustellen, wenn die Spannung zeitweilig abfällt, oder um einen Druckunterschied zwischen den Elektroden der Brennstoffzelle zu verringern, der entsteht, wenn das Fahrzeug steht.
Wenn der Wasserstoff im Kreislaufsystem durch eine Spülaktion nach außen abgeführt werden soll, wird eine Verdünnungsvorrichtung benutzt, um den Wasserstoff mit Luft zu verdünnen, damit die Wasserstoffkonzentration unter seine Verbrennungsgrenze gesenkt wird. Beispielsweise offenbart die japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2003-132915 eine Technik zur Verdünnung von Wasserstoffabgas bis zu dieser oder unter diese Konzentration durch Aufnahme des ausgespülten Wasserstoffabgases in einem Tank und allmähliche Vermischung des Wasserstoffabgases mit Luft, die durch einen benachbarten Tank geführt wird (Patentdokument 1).

Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2003-132915 (2 etc.)
Patentdokument 2: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2000-348743 Absatz Nummer 0029, 2 etc.)
Patentdokument 3: Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2002-289237 (8 etc.)

ZUSAMMENFASSUNG
Mit den oben verzeichneten, konventionellen Verdünnungsstrukturen ist es jedoch nicht immer möglich, die Wasserstoffkonzentration in örtlichen Bereichen ausreichend unter die Verbrennungsgrenze zu verdünnen. Bei der in der japanischen Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2003-132915 offenbarten Verdünnungsvorrichtung kann in örtlichen Bereichen die Wasserstoffkonzentration derart hoch bleiben, daß der Wasserstoff mit hoher Konzentration ausgegeben wird, wenn der Wasserstoff der Luftseite zugeleitet wird.
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasbehandlungsvorrichtung vorzusehen, die durch ausreichende Verdünnung und Vermischung von Gasen in der Lage ist, dieses Problem zu lösen.
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, ist die vorliegende Erfindung eine Gasbehandlungsvorrichtung zur Mischung eines ersten Gases und eines zweiten Gases, die dadurch gekennzeichnet ist, daß es Turbulenz erzeugende Mittel zur Erzeugung einer Turbulenz in wenigstens einem des ersten und des zweiten Gases umfaßt, so daß die beiden Gase vermischt werden.
Gemäß dieser Gestaltung erzeugen die Turbulenz erzeugenden Mittel eine Turbulenz und deshalb kann der Grad der Vermischung des ersten und des zweiten Gases verbessert werden, wodurch eine gleichförmige Reduzierung der Gaskonzentration ermöglicht wird. Wenn beispielsweise eines des ersten und des zweiten Gases ein brennbares Gas ist, kann die Konzentration des brennbaren Gases gleichmäßig reduziert und dann nach außen abgeleitet werden.
Es gibt hier keine Beschränkungen in Bezug auf das „erste Gas" und das „zweite Gas". Beispielsweise kann das erste Gas Wasserstoff und das zweite Gas Luft sein.
Die Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Gehäuse, durch das das zweite Gas fließt. Eine Einströmöffnung zur Einleitung des ersten Gases in einer zur Strömungsrichtung des zweiten Gases nicht parallelen Richtung ist im Gehäuse vorgesehen.
Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Einströmöffnung derart vorgesehen, daß das erste Gas in einer zur Strömungsrichtung des zweiten Gases nicht parallelen Richtung eingeleitet wird, oder mit anderen Worten, in einer unterschiedlichen Richtung, wie quer oder diagonal, und daß deshalb die Strömung des ersten Gases von der Einströmöffnung in das Gehäuse in einer zur Richtung des Strömungskanals nicht parallelen Richtung strömt. Als Ergebnis kollidiert die Strömung des ersten Gases mit dem zweiten Gas, um eine Turbulenz zu erzeugen, und deshalb werden die beiden Gase gleichmäßig vermischt.
Dabei ist die Einströmöffnung vorgesehen, um das erste Gas aus einer aus dem axialen Mittel des Gehäuses versetzten Position einströmen zu lassen. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Einströmöffnung gegenüber dem axialen Zentrum versetzt und deshalb wird innerhalb des Gehäuses im ersten Gas eine wirbelnde Drehströmung erzeugt. Als Ergebnis kann das zweite Gas, das durch die Lochstrukturen in das Gehäuse austritt, gleichförmig mit einem hohen Wirkungsgrad vermischt werden. Weil im ersten Gas eine Drehströmung erzeugt wird, werden Bestandteile des ersten Gases, die eine vergleichsweise große Masse aufweisen, wie Feuchtigkeit, der Zentrifugalkraft ausgesetzt und haften dadurch an der Wandfläche des Gehäuses an, und deshalb können diese Feuchtigkeitskomponeten und so weiter abgeschieden werden.
Dabei wird ein Strömungskanal, durch den das zweite Gas strömt, derart vorgesehen, daß er zumindest teilweise durch das Gehäuse umschlossen ist. Der Strömungskanal ist mit Lochstrukturen versehen, durch die das zweite Gas und das erste Gas hindurchtreten. Ein Teil des Strömungskanals wird vom Gehäuse umschlossen und die Lochstrukturen sind in einem Teil des Strömungskanals vorgesehen, der vom Gehäuse umschlossen ist. Somit tritt das zweite Gas durch die Lochstrukturen im Strömungskanal in einer zur Strömungsrichtung des zweiten Gases durch den Strömungskanal unterschiedlichen Richtung in das Gehäuse ein und aus diesem aus, wodurch es sich mit dem ersten Gas vermischt, das im Gehäuse eine Turbulenz erzeugt.
Dabei kann eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung in einem unteren Bereich des Gehäuses in vertikaler Richtung des Gehäuses vorgesehen sein. Gemäß dieser Ausgestaltung können Komponenten des ersten Gases, die eine vergleichsweise große Masse aufweisen, beispielsweise durch Aggregation erhaltene Feuchtigkeit, abgeführt werden.
Des weiteren kann das Gehäuse in wenigstens einem Teil davon ein Verwirbelungselement zur Verwirbelung des Gases umfassen. Gemäß dieser Ausführungsform erzeugt das Verwirbelungselement weiter örtliche Turbulenzen im Luftstrom innerhalb des Gehäuses, so daß das erste Gas und das zweite Gas gleichmäßiger vermischt werden können.
Dabei kann das „Verwirbelungselement" jedes Element sein, das in der Lage ist, in einer Luftströmung durch Anordnung in ihr eine Turbulenz zu erzeugen, beispielsweise Glaswolle. Wenn Glaswolle als Verwirbelungselement verwendet wird, kann sie auch eine Doppelfunktion übernehmen als Schallschlucker zur Absorbierung der Vibration eines Strömungsmittels, wie eines Gases, die entsteht, wenn das Gas strömt, oder der Schallwellen von der stromauf gelegenen Seite.
Dabei kann das Verwirbelungselement auf der stromab gelegenen Seite der Gasströmungsrichtung durch das Gehäuse angeordnet und ein Raum auf der stromauf gelegenen Seite der Gasströmungsrichtung durch das Gehäuse ausgebildet sein und die Flüssigkeitsaustrittsöffnung kann in einer unteren Position des Raums in der vertikalen Richtung des Raums angeordnet sein. Gemäß dieser Ausgestaltung können unnötige Komponenten, wie durch Aggregation erhaltene Feuchtigkeit, aus dem Raum nahe der Einströmöffnung für das erste Gas abgeführt werden und somit können diese unnötigen Komponenten, wie Feuchtigkeit, daran gehindert werden, sich am Verwirbelungselement anzusammeln.
Die vorliegende Erfindung kann so gestaltet sein, daß sie einen ersten Strömungskanal aufweist, durch den das erste Gas strömt, umfassend eine Diffusionsstruktur, durch die das erste Gas nach außen diffundiert, und einen zweiten Strömungskanal, der den ersten Strömungskanal derart umgibt, daß er das zweite Gas veranlaßt, den ersten Kanal zu umströmen.
Gemäß dieser Ausgestaltung umgibt der zweite Strömungskanal den ersten Strömungskanal und deshalb wird das erste Gas in das zweite Gas eingemischt. Als Ergebnis können örtliche Ungleichmäßigkeiten der Gaskonzentration unterdrückt werden und es kann eine Verbesserung der Verdünnungswirkung erwartet werden. Des weiteren entfällt die Notwendigkeit, einen Raum für eine Verdünnungsvorrichtung oder eine Mischvorrichtung vorzusehen, weil der erste Strömungskanal vom zweiten Strömungskanal umschlossen wird, wodurch eine raumsparende Gestaltung ermöglicht wird. Wenn beispielsweise das erste Gas ein brennbares Gas ist und das zweite Gas ein nicht brennbares Gas, kann die Konzentration des ersten Gases gleichmäßig so weit reduziert werden, daß das vermischte Gas nicht brennt.
Ebenfalls fließt gemäß dieser Ausführungsform das zweite Gas um den ersten Strömungskanal und damit kann das Gefrieren der ersten Strömungskanals unterdrückt werden, solang die Temperatur des zweiten Gases hoch ist, selbst wenn sich Feuchtigkeit oder dergleichen in dem den ersten Kanal durchströmenden ersten Gas befindet und die Umgebungstemperatur auf oder unter den Gefrierpunkt der Feuchtigkeit oder dergleichen absinkt.
Dabei kann die Diffusionsstruktur eine Mehrzahl von Lochstrukturen sein, die das den ersten Kanal durchströmende erste Gas in einer zur Durchströmrichtung des zweiten Gases unterschiedlichen Richtung emittieren. Gemäß dieser Ausführungsform wird das erste Gas in die Strömung des zweiten Gases emittiert und deshalb kollidieren das erste und das zweite Gas unter Erzeugung von Turbulenz, was eine Verbesserung der Ausführung der Verdünnung ermöglicht.
Dabei können die Lochstrukturen derart vorgesehen sein, daß der gesamte Lochöffnungsbereich pro Flächeneinheit in Richtung auf die stromab gelegene Seite der Strömungsrichtung des ersten Gases größer wird. Gemäß dieser Ausgestaltung ist die Konzentration des ersten Gases höher in Richtung auf die stromauf gelegene Seite des ersten Strömungskanals und geringer in Richtung auf dessen stromab gelegene Seite, und deshalb kann die Konzentration des ersten Gases innerhalb des vermischten Gases an allen Stellen gleichmäßiger gemacht werden, wenn das von den Lochstrukturen emittierte erste Gas sich mit dem zweiten Gas mischt, wodurch es möglich ist, Ungleichmäßigkeit bei der Konzentration des ersten Gases innerhalb des zweiten Strömungskanals zu unterdrücken.
Dabei sind die Lochstrukturen vorzugsweise wenigstens in dem unteren Abschnitt des ersten Strömungskanals in der vertikalen Richtung des ersten Strömungskanals angeordnet. Gemäß dieser Ausgestaltung kann beispielsweise Flüssigkeit, die sich innerhalb des ersten Strömungskanals ansammelt, nach außen abgeführt werden, ohne sich im Strömungskanal anzusammeln, wenn eine Flüssigkeitskomponente, wie Wasser, im ersten Gas enthalten ist.
Dabei sind vorzugsweise die Lochstrukturen wenigstens in dem oberen Abschnitt des ersten Strömungskanals in der vertikalen Richtung des ersten Strömungskanals angeordnet. Gemäß dieser Ausführungsform kann das erste Gas nach außen abgeführt werden, oder mit anderen Worten, in den zweiten Strömungskanal, ohne sich nahe der oberen Begrenzung des ersten Strömungskanals anzusammeln, und kann so mit dem zweiten Gas emittiert werden.
Dabei emittiert die Diffusionsstruktur das durch den ersten Strömungskanal fließende erste Gas in einer im wesentlichen rechtwinkligen Richtung zur Strömungsrichtung des zweiten Gases. Gemäß dieser Ausgestaltung strömt das erste Gas rechtwinklig in das zweite Gas aus, wodurch es mit dem zweiten Gas kollidiert und eine Turbulenz erzeugt und eine Verbesserung der Durchführung der Verdünnung ermöglicht.
Dabei ist vorzugsweise wenigstens einer des ersten und des zweiten Strömungskanals rohrförmig und die beiden Kanäle sind so angeordnet, daß die Achsen der beiden Kanäle im wesentlichen parallel verlaufen. Gemäß dieser Ausgestaltung ist der erste Strömungskanal innerhalb des zweiten Strömungskanals aufgenommen, der eine normale Rohrform aufweist, und deshalb entfällt die Notwendigkeit, einen Raum für eine Verdünnungsvorrichtung oder eine Mischvorrichtung vorzusehen, was eine raumsparende Gestaltung ermöglicht. Insbesondere bei der Anwendung bei einem Elektroautomobil kann die Verdünnungsvorrichtung in einem ähnlichen Volumen wie jenem des früher vorhandenen Auspuffrohrs untergebracht werden, wodurch Raum eingespart wird.
Dabei ist vorzugsweise der erste Strömungskanal in einer Position vorgesehen, die eine andere ist als die untere Position und die obere Position des zweiten Strömungskanals in der vertikalen Richtung des zweiten Strömungskanals. Gemäß dieser Ausgestaltung meidet der erste Strömungskanal den oberen, abdeckenden und den unteren Bereich des zweiten Strömungskanals, wo die Gaskonzentration leicht ansteigt, und den unteren Bereich, in dem sich die im Gas enthaltenen flüssigen Komponenten leicht ansammeln. Als Ergebnis kann eine Verbesserung der Verdünnung erwartet werden.
Dabei ist vorzugsweise eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung im unteren Abschnitt des zweiten Strömungskanals in der vertikalen Richtung des zweiten Strömungskanals vorgesehen. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Flüssigkeit ohne eine Ansammlung im zweiten Strömungskanal abgeleitet werden, wenn sich flüssige Komponenten im Gas zusammenklumpen oder entsprechend verhalten.
Dabei besitzt wenigstens einer der Strömungskanäle für das erste und das zweite Gas einen gebogenen Abschnitt. Durch die Anordnung eines gebogenen Abschnitts wird in der Gasströmung eine Störung erzeugt, wodurch die Erzeugung einer Turbulenz erleichtert und die Vermischung der Gase gefördert wird.
Diese Gasbehandlungsvorrichtung umfaßt weiter ein erstes Gasversorgungsmittel, das für die Zufuhr des ersten Gases geeignet ist, und ein zweites Gasversorgungsmittel, das für die Zufuhr des zweiten Gases geeignet ist. Das zweite Gasversorgungsmittel führt das zweite Gas in Übereinstimmung mit dem Zeitpunkt zu, zu dem das erste Gas von dem ersten Gasversorgungsmittel zugeführt wird. Gemäß dieser Ausgestaltung kann die Menge des zu mischenden zweiten Gases gemäß dem Zeitpunkt erhöht werden, zu dem das erste Gas zugeführt wird, und somit kann das Mischungsverhältnis des verdünnten, vermischten Gases gleichmäßig gestaltet und damit eine Verbesserung der Durchführung der Mischung ermöglicht werden.
Die Gasbehandlungsvorrichtung wird in einem Brennstoffzellensystem angewendet und deshalb kann das erste Gas Wasserstoffgas sein, das aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird, und das zweite Gas kann Luft zur Verdünnung des Wasserstoffgases sein: Dabei ist vorzugsweise das Volumen des zweiten Strömungskanals kleiner gehalten als die Menge des während eines Betriebs der Brennstoffzelle bei Niedriglast anfallenden Spülgases. Gemäß dieser Ausgestaltung ist das während eines Spülvorgangs eingeleitete Wasserstoffgas unfähig, sich innerhalb des zweiten Strömungskanals anzusammeln, und deshalb wird das Wasserstoffgas nach der Verdünnung stets nach außen abgeführt, was eine Verbesserung bei der Durchführung der Mischung ermöglicht.
Gemäß der vorliegenden, oben beschriebenen Erfindung wird eine Turbulenz zwischen dem ersten Gas und dem zweiten derart erzeugt, daß die beiden Gase vermischt werden, und somit kann das erste Gas mit dem zweiten Gas gleichmäßig verdünnt werden, ohne daß örtliche Ungleichmäßigkeiten der Gaskonzentration auftreten.
Ebenfalls gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Strömungskanal für eines der Gase vom Strömungskanal für das andere Gas umgeben, und deshalb kann ein Gefrieren der flüssigen Komponente im Strömungskanal durch die Gegenwart des anderen Gases unterdrückt werden, wenn eine flüssige Komponente im durch den Strömungskanal strömenden Gas enthalten ist, die gefrieren kann.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine transparente, perspektivische Ansicht einer Gasbehandlungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2A und 2B sind eine Seitenansicht bzw. eine Schnittansicht der Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
3 ist ein Querschnitt längs der vertikalen Ebene in der Achsrichtung der Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wobei 3A ein Querschnitt nach der Linie A-A in 2 und 3B ein Querschnitt nach der Linie B-B in 2;
4 ist eine Ansicht zur Darstellung der Aktionen der Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform, wobei 4A eine schematische Seitenansicht der Turbulenzerzeugung und 4B eine schematische Stirnansicht zur Darstellung der Erzeugung einer Drehströmung ist;
5 ist ein Schaltbild eines Brennstoffzellensystems, bei dem die Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform angewandt wird;
6 ist eine Seitenansicht einer Gasbehandlungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
7 ist ein abgewandeltes Beispiel der der Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform;
8 ist eine Ansicht einer Gasbehandlungsvorrichtung nach einer dritten Ausführungsform, wobei 8A eine transparente, perspektivische Ansicht ist und 8B ein Schaltbild der Gasversorgung über ein Absperrventil;
9 ist eine Ansicht, die die Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt, wobei 9A eine transparente Draufsicht ist und 9B ein Querschnitt;
10 ist eine transparente Draufsicht auf ein abgewandeltes Beispiel der Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform und
11 ist ein Querschnitt zur Darstellung eines weiteren abgewandelten Beispiels der Gasbehandlungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen für die vorliegende Erfindung beschrieben.
(Erste Ausführungsform)
Bei einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Gasbehandlungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung bei einer Verdünnungsvorrichtung eingesetzt, die zur Anwendung in einem Brennstoffzellensystem geeignet ist, das in ein Elektroautomobil eingebaut ist. Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft insbesondere eine Gasbehandlungsvorrichtung, die zu verdünnendes Wasserstoffgas mit als Verdünnungsmedium für Wasserstoffgas dienender Luft durch Erzeugung einer Turbulenz um den Umfang eines zur Zufuhr der Luft dienenden Versorgungsrohrs vermischt. Die folgende Ausführungsform ist nur ein Aspekt der vorliegenden Erfindung und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die alleinige Anwendung bei dieser Ausführungsform beschränkt. Zur Bequemlichkeit werden als Beispiele für ein erstes Gas der vorliegenden Erfindung Wasserstoffgas und für ein zweites Gas Luft benutzt.
Die 5 ist ein Systemschaltbild eines Brennstoffzellensystems. Wie in 5 gezeigt, ist das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform um einen Brennstoffzellenstapel 203 konstruiert. Der Brennstoffzellenstapel 203 besitzt eine Stapelstruktur, die durch eine Mehrzahl laminierter Zellen gebildet wird, deren jede einen Separator mit Kanälen für den Durchtritt von Wasserstoffgas, Luft und Kühlwasser und eine MEA (Membran-Elektroden-Anordnung) umfaßt, die sandwichartig zwischen einem Paar von Separatoren angeordnet ist. Die MEA umfaßt eine Polymerelektrolytmembran, die sandwichartig zwischen zwei Elektroden, einer Brennstoffelektrode (Anode) und einer Luftelektrode (Kathode) angeordnet ist. Die Brennstoffelektrode ist mit einer Brennstoffelektroden-Katalysatorschicht in Form einer porösen Auflage und die Luftelektrode mit einer Luftelektroden-Katalysatorschicht in Form einer porösen Auflage versehen. Ein System zur Versorgung des derart gebildeten Brennstoffzellenstapels 203 mit als Brennstoff dienendem Wasserstoff ist ein Brennstoffelektrodensystem und ein System zur Versorgung mit Luft ist ein Luftelektrodensystem. Ein System zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 203, der eine exotherme Reaktion ausführt, und ein Auslaßsystem gemäß der vorliegenden Erfindung sind ebenfalls vorgesehen.
Dem Brennstoffelektrodensystem wird reiner Wasserstoff von einem Wasserstofftank 200 aus über ein Druckminderventil 201 zugeführt und ein Wasserstoffzirkulationssystem wird durch ein Absperrventil 202, die Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 203, ein Absperrventil 204, einen Gas-Flüssigkeits-Separator 205, ein Absperrventil 206, eine Pumpe 207, usw. gebildet.
Im Luftelektroden-System wird der der Luftelektrode zugeordneten Seite des Brennstoffzellenstapels 203 Luft über einen Luftreiniger 220, einen Verdichter 221 und einen Befeuchter 222 zugeführt.
Beim Kühlsystem wird Kühlwasser im Kreislauf mittels eines Kühlers 230, eines Lüfters 231 und einer Kühlmittelpumpe 232 über den Brennstoffzellenstapel 203 geführt.
Was das Auslaßsystem betrifft, so wird Wasserstoff (Wasserstoff-Abgas) aus dem Wasserstoffkreislaufsystem bei einer Spülaktion über ein Absperrventil 209 ausgeleitet und über eine Wasserstoffleitung 240 einer Verdünnungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung zugeführt. Inzwischen wird Abgas (Abluftgas) aus dem Luftelektrodensystem durch den Befeuchter 222 geführt und dann über eine rohrförmige Abgasleitung 250 mit einer durch ein Drucksteuerventil 223 gesteuerten Fließgeschwindigkeit der Verdünnungsvorrichtung 100 zugeführt. Flüssigkeit und Gas, die aus einer Flüssigkeitsauslaßöffnung 105 (siehe 1) der Verdünnungsvorrichtung 100 abgeführt werden, werden über einen Flüssigkeit-Gas-Separator 210 und ein Absperrventil 211 entleert.
Es ist zu beachten, daß das Drucksteuerventil 223 durch ein den Öffnungsquerschnitt regelndes Ventil ersetzt werden kann, das in der Lage ist, die Öffnung der Abgasleitung 250 zu verändern, oder durch ein Ausgangsschließventil, das an einem parallel zur Abgasleitung 250 angeordneten Bypasskanal vorgesehen ist. Mit anderen Worten, es kann in geeigneter Weise jede Ventilkonstruktion an Stelle des Drucksteuerventils 223 benutzt werden, die geeignet ist, die Strömungsgeschwindigkeit (Druck) des in die stromab von der Abgasleitung 250 gelegene Verdünnungsvorrichtung 100 einströmenden Gases zu verändern.
Eine Steuereinheit 300 ist ein gut bekanntes Computersystem, wie eine ECU (Electric Control Unit = elektrische Steuereinheit), und ist befähigt, das gesamte Brennstoffzellensystem zu steuern, Insbesondere kann jedes Ventil basierend auf von verschiedenen, in der Zeichnung nicht dargestellten Sensoren ausgegebenen Ermittlungssignalen oder dergleichen gesteuert geöffnet/geschlossen werden. Insbesondere bei dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit 300 so programmiert, daß sie zu einer Steuerung befähigt ist, durch die die Strömungsgeschwindigkeit des Abluftgases durch Öffnung des Drucksteuerventils 223 weiter in Übereinstimmung mit dem Zeitpunkt erhöht wird, zu dem das Wasserstoffabgas über das offene Absperrventil 209 zugeführt wird, durch die Anhebung der Drehzahl des Verdichters 221, oder durch die parallele Durchführung beider Aktionen.
Nachfolgend werden die Aktionen des Brennstoffzellensystems beschrieben. Eine Brennstoffzelle erzeugt die der Wasserelektrolyse entgegengesetzte Reaktion und demgemäß wird Wasserstoff enthaltendes Wasserstoffgas der Seite der Brennstoffelektrode zugeführt, die als Anode dient, und Sauerstoff enthaltendes Gas (bei diesem Ausführungsbeispiel Luft) wird der Seite der Brennstoffelektrode zugeführt, die als Kathode dient. Es findet eine Reaktion, wie die in der Gleichung (1) gezeigte, auf der Seite der Brennstoffelektrode statt und eine Reaktion, wie die in der Gleichung (2) gezeigte, auf der Seite der Luftelektrode, worauf ein Elektronenkreislauf stattfindet, so daß ein Strom fließt. Insgesamt bewirkt das System die einer Wasserelektrolyse entgegengesetzte Reaktion, wie sie in 3 gezeigt ist. H₂ → 2H + 2e^– (1) 2H⁺ + 2e^– + (1/2)O₂ → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Um die Reaktion in Gleichung (1) zu bewirken, enthält der Wasserstofftank 200 in seinem Inneren eine Wasserstoff absorbierende Legierung. Die Wasserstoff absorbierende Legierung besitzt derartige Eigenschaften, daß bei einer Erwärmung Wasserstoff durch eine endotherme Reaktion freigesetzt wird, und bei einer Abkühlung durch eine thermolytische Reaktion absorbiert wird. Der Wasserstofftank 200 kann unter Benutzung eines in der Zeichnung nicht dargestellten Wärmeaustauschsystems so gesteuert werden, daß er eine gewünschte Menge von Wasserstoff abgibt.
Während einer Aktion wird durch ein Druckminderventil 201 durch Erwärmung des Wasserstofftanks 200 erzeugtes Wasserstoffgas auf den Umgebungsdruck reduziert und dann über das geöffnete Absperrventil 202 dem Brennstoffzellenstapel 203 zugeführt. In der Brennstoffelektrode des Brennstoffzellenstapels 203 erfolgt die Leistungserzeugung durch Herbeiführung einer Reaktion, wie der in der Gleichung (1) gezeigten, zur Emission von Elektronen. Das aus dem Brennstoffzellenstapel 203 ausgeleitete Wasserstoffgas ist als Abgas bekannt und enthält Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen. Im Flüssigkeits-Gas-Separator 205 werden die Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen aus dem Wasserstoff-Abgas entfernt und nach außen über das Absperrventil 206 abgeleitet. Wenn die Feuchtigkeit usw. einmal abgeleitet ist, wird das Wasserstoffgas durch die Pumpe 207 unter Druck gesetzt und kehrt zum Hauptstrom aus dem Wasserstofftank 200 zurück. Die Pumpe 207 verändert die Versorgungsrate mit Wasserstoffabgas, um die elektrische Energie und die Spannung zu stabilisieren, die in Übereinstimmung mit der Leistungsmenge ausgegeben werden, die durch das Brennstoffzellensystem erzeugt wird. Dieser einfache Zyklus bildet das Kreislaufsystem. Wenn das Absperrventil 209 durch Steuermittel geöffnet wird, wird ein Teil des Wasserstoffabgases über die Wasserstoffleitung 240 der erfindungsgemäßen Verdünnungsvorrichtung 100 zugeführt. Es ist zu beachten, daß während des Startvorgangs oder dergleichen, wenn die Temperatur des Wasserstofftanks 200 niedrig ist und Wasserstoffgas nicht im erforderlichen Maße emittiert wird, das Absperrventil 209 geschlossen werden kann und die Absperrventile 202 und 204 derart geöffnet werden können, daß Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 200 abgezogen wird.
Es ist zu beachten, daß anstelle des Wasserstoffabsorptionstanks 200 in dieser Ausführungsform für die Versorgung mit Wasserstoff auch ein Hochdruck-Wasserstofftank benutzt werden kann, der nicht über eine Funktion zur Absorption von Wasserstoff verfügt, oder ein reformiertes (reformed) Gas benutzender Mechanismus zur Zufuhr von Wasserstoff oder ein Tank für flüssigen Wasserstoff.
Um andererseits die Reaktion in Gleichung (2) hervorzurufen, wird der Verdichter 221 angetrieben, um Luft aus dem Luftreiniger 220 anzusaugen. Nach der Reinigung durch den Luftreiniger 220 und dem Einsaugen in den Verdichter 221 wird die Feuchtigkeit der Luft durch den Befeuchter 222 auf einen geeigneten Wert angehoben und der Luftelektrode des Brennstoffzellenstapels 203 zugeführt, wo die elektrochemische Reaktion nach Gleichung (2) zur Erzeugung von Wasser abläuft. In der Luftelektrode vereinigen sich die Sauerstoffkomponente der vom Luftreiniger 220 angesaugten Luft und die von der Brennstoffelektrode zugeführten Wasserstoffionen zur Bildung von Wasser. Die durch die Brennstoffzellenstapel 203 hindurchgetretene Luft durchquert dann den Befeuchter 222 als Abgas und wird der Verdünnungsvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung über die Luftleitung (zweiter Strömungskanal) 250 mit einer Durchflußrate zugeführt, die durch das Druckregelventil 223 gesteuert wird.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 die erfindungsgemäße Verdünnungsvorrichtung 100 beschrieben. Die 1 ist eine transparente Perspektivansicht der Verdünnungsvorrichtung 100 und die 2A und 2B sind eine Seitenansicht auf bzw. eine Schnittansicht durch die Verdünnungsvorrichtung. Die 3 ist ein in einer vertikalen Ebene geführter Querschnitt durch die Verdünnungsvorrichtung, gesehen in axialer Richtung, wobei die 3A ein Querschnitt nach der Linie A-A in 2 und die 3B ein Querschnitt nach der Linie B-B in 2 ist.
Wie in den Zeichnungen dargestellt, umfaßt die Verdünnungsvorrichtung 100 eine Einströmöffnung für die Einleitung von Wasserstoff-Abgas in ein einen Teil der rohrförmigen Luftleitung abdichtendes Gehäuse 101 in einer zur Strömungsrichtung des Luft-Abgases nicht parallelen Richtung. Die Einströmöffnung 104 ist vorgesehen, um die Einleitung von Wasserstoffgas in einer vom axialen Zentrum des Gehäuses 101 abgelegenen Position zu ermöglichen. Die Wasserstoffleitung 240 steht mit der Einströmöffnung 104 in Verbindung. Eine große Anzahl von Lochstrukturen 111 ist im Bereich der Luftleitung 250 vorgesehen, die innerhalb des Gehäuses 101 eingeschlossen ist, so daß die durch die Luftleitung 250 strömende Luft und das durch die Einströmöffnung 104 eingeleitete Wasserstoffgas zwischen dem Gehäuse und der Luftleitung 250 hindurchtreten können.
Das Volumen des Gehäuses 101 ist in diesem Falle vorzugsweise kleiner als die Menge des Abgases, das während eines Niedriglastbetriebs des Brennstoffzellensystems erzeugt wird (während des Leerlaufs oder dergleichen). Indem man das Volumen kleiner macht als die Menge des während der Spülung erzeugten Wasserstoffgases, entsteht immer eine Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Verdünnungsvorrichtung 100 während des Spülens und deshalb kann eine Anhäufung von Wasserstoffabgas verhindert werden.
Glaswolle 103, die mit dem Verwirbelungsmittel bzw. Vermischungsmittel (agitating means) der vorliegenden Erfindung übereinstimmt, ist in den in Bezug auf die Strömungsrichtung des die Luftleitung 250 durchströmenden Luftstroms stromab gelegenen Abschnitt des Gehäuses 101 eingefüllt. Glaswolle ist eine filzartige Substanz, die in einem Hochtemperaturofen aus einem Rohmaterial in Form schmelzenden Glases gebildet wird, bis sie zu Fasern geformt ist. Weil Glaswolle als Bündel feiner Filamente geformt wird, kann eine Mehrheit von Gasen wirksam vermischt werden. Zudem zeigt Glaswolle eine ausgezeichnete Schallschluckwirkung und ist deshalb in Fällen von Vorteil, in denen die Verdünnungsvorrichtung 100 zugleich als Schalldämpfer dient. Es ist jedoch zu beachten, daß das Verwirbelungsmittel nicht auf Glaswolle beschränkt ist, soweit Luft und Wasserstoffgas vermengt werden kann. Es bestehen keine Beschränkungen hinsichtlich der Einfüllung von Glaswolle in das Gehäuse 101, jedoch wird es vorgezogen, die Befüllung bis zu einer Dichte vorzunehmen, die den Gasdurchtritt gestattet. Der Grund dafür ist es, daß es für die Vermischung und die zu erzeugenden Turbulenzen wünschenswert ist, wenn das Gas zwischen den filzartigen Fasern hindurchtritt.
Die Glaswolle 103 ist auf der in Bezug auf die Luftströmungsrichtung stromab gelegenen Seite angeordnet und deshalb ist ein Raum 102 auf der in Bezug auf die Luftströmungsrichtung stromauf gelegenen Seite des Gehäuses 101 ausgebildet. Ebenso wie die vorstehend erwähnte Einströmöffnung 104 zur Einleitung von Wasserstoffgas umfaßt der Raum 102 eine Flüssigkeitsauslaßöffnung 105 im unteren Abschnitt des Raums 102 in vertikaler Richtung.
Nun werden unter Bezugnahme auf 4 die Aktionen der Verdünnungsvorrichtung 100 beschrieben. Die 4A ist eine schematische Darstellung die die Erzeugung einer Turbulenz von der Seite gesehen darstellt, und 4B ist eine schematische Darstellung der Erzeugung einer Drehströmung von der Stirnseite aus gesehen.
Gemäß dieser Ausführungsform wirkt jede individuelle Zusammensetzung natürlicherweise so, daß die Verdünnungsvorrichtung 100 als turbulenzerzeugendes Mittel zur Erzeugung einer Turbulenz wirksam wird, um das Luftabgas und das Wasserstoffabgas zusammenzumischen. Zunächst wird im Brennstoffzellensystem der 5 durch die Steuerung mittels der Steuereinheit 300 das Absperrventil 209 geöffnet, wenn die Verunreinigungskonzentration des Wasserstoffgases in dem durch die Pumpe 207 in Umlauf gehaltenen Wasserstoffsystem ansteigt oder ihr Anstieg angekündigt ist. Als Ergebnis dieser Aktion wird das Verunreinigungen (Wasserstoffabgas) enthaltende Wasserstoffgas aus dem Kreislaufsystem in die Wasserstoffleitung 240 entlassen. Um eine Abnahme der Leistungsfähigkeit der Erzeugung zu verhindern, wird das abgeführte, Verunreinigungen enthaltende Wasserstoffgas durch aus dem Wasserstofftank 200 zugeführtes, reines Wasserstoffgas in einer Menge ersetzt, die der Menge des abgeführten, verunreinigten Wasserstoffgases entspricht.
Das zu diesem Zeitpunkt abgeleitete Wasserstoffabgas fließt durch die Wasserstoffleitung 240 und tritt in das Gehäuse 101 über die Einströmöffnung 104 der Verdünnungsvorrichtung 100 ein. Weil die Einströmöffnung 104, durch die das Wasserstoffabgas eintritt, in einer vom axialen Zentrum des Gehäuses 101 entfernt gelegenen Position vorgesehen ist, erzeugt das über die Einströmöffnung 104 in das Gehäuse 101 einströmende Wasserstoffabgas eine Drehströmung T um die Luftleitung, wie in 4B gezeigt.
Andererseits strömt das aus dem Luftelektrodensystem im Brennstoffzellensystem der 5 abgeführte Luftabgas durch die Luftleitung 250 und strömt, wie in 4A gezeigt, von der linken Seite der Zeichnung geradeaus weiter. Die Steuereinheit 300 erhöht insbesondere den Durchfluß des Luftabgases durch weiteres Öffnen des Druckregelventils 223, das den Durchfluß des Luftabgases steuert, entsprechend dem Zeitpunkt, zu dem Wasserstoffabgas durch das offene Absperrventil 209 entleert wird, oder durch Erhöhung der Drehzahl des Verdichters 221, oder durch parallele Durchführung beider Maßnahmen. Als Ergebnis wird der Verdünnungsvorrichtung 100 eine große Menge des Luftabgases zugeführt.
Ein Bereich im Inneren des Gehäuses 100 der Verdünnungsvorrichtung 100 ist mit den Lochstrukturen 111 versehen und deshalb entsteht durch die Lochstrukturen 111 ein Luftstrom t1 in das Gehäuse 101. Dabei entsteht die Drehströmung T des Wasserstoffabgases innerhalb des Gehäuses 101 und deshalb kollidiert die Drehströmung T mit der durch die Lochstrukturen 111 der Luftleitung 250 fließenden Luftströmung t1 zur Erzeugung einer Turbulenz zwischen dem Wasserstoffabgas und dem Luftabgas. Die beiden Gase werden durch die Turbulenz wirksam homogenisiert und verdünnt. Das gemischte Gas oder, mit anderen Worten, das durch das Luftabgas verdünnte Wasserstoffabgas bildet eine Rückströmung t2, die über die Lochstrukturen 111 in die Luftleitung 250 zurückkehrt und deshalb zusammen mit dem Hauptstrom der Luft abgeführt wird. Durch diese Aktion wird die Wasserstoffabgaskonzentration auf nicht mehr als eine vorgegebene Konzentration (beispielsweise 4%) verdünnt und dann nach außen abgeführt.
Dabei ist das Volumen des Gehäuses 101 so eingestellt, daß es kleiner ist als die Menge von Spülgas, weshalb innerhalb der Verdünnungsvorrichtung 100 während der Spülung immer eine Strömungsgeschwindigkeit erzeugt wird, wodurch Ansammlungen von Wasserstoffabgas innerhalb der Verdünnungsvorrichtung verhindert werden.
Die Verdünnung der beiden Abgase wird dadurch gefördert, daß der Durchfluß des Luftabgases dadurch erhöht wird, daß die Steuereinheit 300 veranlaßt wird, synchron mit der Spülung des Wasserstoffabgases die Erhöhung des Durchflusses das Drucksteuerventil 223 weiter zu öffnen oder die Drehzahl der Verdichters 221 zu erhöhen oder beide Aktionen parallel durchzuführen.
Die Verdünnungsvorrichtung 100 ist auch mit der Flüssigkeitsauslaßöffnung 105 versehen. Das Wasserstoffabgas enthält Feuchtigkeit, aber weil das von der Einlaßöffnung 104 in das Gehäuse 101 einströmende Wasserstoffabgas die Drehströmung T bildet, haftet die im Wasserstoffabgas enthaltene Feuchtigkeit, die eine vergleichsweise große Masse besitzt, durch die Zentrifugalkraft an der Wandfläche des Gehäuses 101. Die anhaftende Feuchtigkeit sammelt sich in vertikaler Richtung im unteren Bereich des Gehäuses 101 und wird durch die in diesem Bereich angeordnete Flüssigkeitsauslaßöffnung 105 ausgeleitet. Feuchtigkeit wird auch im Gas-Flüssigkeits-Separator 210 abgeschieden und entsprechend dem Öffnen und Schließen des Absperrventils 211 ausgeleitet. Insbesondere ist die Flüssigkeitsauslaßöffnung 105 in dem Raum vor der Glaswolle 103 vorgesehen und deshalb kann verhindert werden, daß sich unerwünschte Feuchtigkeit in der als Verwirbelungsmittel dienenden Glaswolle 103 ansammelt und dadurch die Wirksamkeit der Verwirbelung und der Schalldämpfung beeinträchtigt.
Es ist zu beachten, daß mit der ersten Ausführungsform ein Beispiel beschrieben wurde, bei dem die die Lochstrukturen 111 enthaltende Luftleitung 250 im Gehäuse vorgesehen ist und die Glaswolle 103, wie in den 1 bis 3 gezeigt, in das Gehäuse eingefüllt ist. Jedoch sind diese Elemente keine unbedingt erforderlichen Bestandteile.
Mit anderen Worten, die Luftleitung 250 oder (und) die Glaswolle 103 im Gehäuse 101 können entfallen. Es ist ausreichend, nur das mit der Luftleitung 250 in Verbindung stehende und mit der Einströmöffnung 104 zur Einleitung von Wasserstoffgas in das Gehäuse 101 versehene Gehäuse 101 vorzusehen.
Außerdem ist die Form der Öffnungen der Lochstrukturen 111 nicht auf eine Kreisform beschränkt. Mit anderen Worten, die Lochöffnungen können länglich oder polygonal sein. Im Falle länglicher Löcher kann deren Längsrichtung entweder parallel oder nicht parallel zur Strömungsrichtung der Leitung sein.
Anstelle der Lochstrukturen kann ein Leitelement vorgesehen sein, das derart gestaltet ist, daß es den Gasstrom in eine vorgegebene Richtung lenkt oder ein Turbulenz erzeugendes Element. Alternativ können diese Elemente kombiniert sein oder teilweise entfallen.
Kurz gefaßt kann die Form, Anzahl und Anordnungsweise der Lochstrukturen wahlweise auf verschiedene Art verändert werden, solang sie die Erzeugung einer Turbulenz erleichtern, wenn das Luftabgas von der Luftleitung in den Raum 102 im Gehäuse 101 einströmt und umgekehrt das Einströmen von Gas aus dem Raum 102 in die Luftleitung 250 erleichtern, das als Hauptbestandteil Wasserstoffabgas aufweist.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein abgewandeltes Beispiel der Ausbildung des Strömungskanals, um die Vermischung und Verdünnung der Gase in der Verdünnungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform weiter zu fördern. Die 6 zeigt eine Seitenansicht einer Verdünnungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. Wie in 6 gezeigt, ist eine Verdünnungsvorrichtung 100b dadurch gekennzeichnet, daß sie in einem Teil des Strömungskanals 110 innerhalb des Gehäuses 101 einen gebogenen Abschnitt 112 aufweist. Alle anderen Gestaltungselemente sind mit jenen der ersten Ausführungsform identisch.
Mit dieser Ausgestaltung wird die Strömungsrichtung des den Strömungskanal 110 durchströmenden Luftabgases zwangsläufig durch die Krümmungen im gebogenen Abschnitt 112 modifiziert, wodurch Turbulenz entsteht. Als Ergebnis nimmt die Intensität der Strömung des Luftabgases aus den den gebogenen Abschnitt 112 umgebenden Lochstrukturen 111 zu. Überdies bildet der gebogene Abschnitt 112 eine Barriere gegenüber der Drehströmung T des um deren Umfang fließenden Wasserstoffabgases, und deshalb ist es wahrscheinlicher, daß das Wasserstoffabgas in die Lochstrukturen einströmt, die im gebogenen Abschnitt 112 vorgesehen sind. Um die Verdünnung und Vermischung der Gase zu fördern, ist der Krümmungswinkel vorzugsweise scharf, jedoch nicht scharf genug, um die Gasströmung zu verhindern, beispielsweise nicht geringer als 45°.
Gemäß der zweiten Ausführungsform arbeiten die im Hauptstrom des Luftabgases durch den Strömungskanal 110 erzeugte Turbulenz und die Intensität, mit der die beiden Gase durch die Lochstrukturen 111 hindurchtreten zusammen, um die Vermischung und Verdünnung der beiden Gase weiter zu fördern.
Es ist zu beachten, daß die Krümmungen im Strömungskanal 110 sich nicht innerhalb des Gehäuses 101 befinden müssen. Beispielsweise kann in der in 7 gezeigten Verdünnungsvorrichtung 100c ein gebogener Abschnitt 113 vorgesehen sein, der sich im Strömungskanal 110 stromab vom Gehäuse 101 befindet. Selbst falls das Luftabgas und das Wasserstoffabgas innerhalb des Gehäuses 101 nicht ausreichend verdünnt wird, wird im gebogenen Abschnitt 113 des Strömungskanals 110 stromab vom Gehäuse wieder eine Turbulenz erzeugt, und somit kann eine Ungleichförmigkeit der Konzentration des Wasserstoffabgases korrigiert und dadurch die gleichförmige Verdünnung gefördert werden.
(Dritte Ausführungsform)
Bei der ersten Ausführungsform wird Wasserstoffabgas in das den Strömungskanal für das Luftabgas umgebende Gehäuse eingeleitet und vom Umfang des Strömungskanals aus zugeführt. Bei einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Strömungskanal für das Wasserstoffabgas im Inneren des Strömungskanals für das Luftabgas vorgesehen.
Die Gestaltung der Verdünnungsvorrichtung der dritten Ausführungsform wird nun unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben. Die 8A ist eine transparente, perspektivische Ansicht der Gestaltung der Verdünnungsvorrichtung, während die 8B ein Systemschaubild ist, das die Gasversorgung von einem Absperrventil aus darstellt. Die 9A ist eine transparente Draufsicht auf die Verdünnungsvorrichtung und 9B ein Querschnitt dazu.
Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, ist eine Verdünnungsvorrichtung nach der dritten Ausführungsform innerhalb der beim ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Luftleitung 250 untergebracht, wobei die Wasserstoffleitung 240 auf der Innenwand der Luftleitung 250 im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Luftabgases angeordnet ist. Wie in 8B gezeigt, ist die Wasserstoffleitung 240 in die Luftleitung 250 stromab vom Absperrventil 209 derart eingefügt, daß die Achsrichtung des Leitungsrohrs im wesentlichen in der Achsrichtung der Luftleitung 250 verläuft. Eine Mehrzahl von Lochstrukturen 241 ist als Diffusionsstruktur in der Wasserstoffleitung 240 vorgesehen, um das Wasserstoffabgas zu veranlassen, in einer von der Strömungsrichtung des Luftabgases abweichenden Richtung in die Luftleitung 250 einzuströmen. Die Lochstrukturen 241 sind derart angebracht, daß die die gesamte Lochöffnungsfläche pro Flächeneinheit in Richtung auf die in Bezug auf die Strömungsrichtung des Wasserstoffabgases stromab gelegene Seite zunimmt. Um die gesamte Lochöffnungsfläche zu vergrößern, kann, wie in der Zeichnung gezeigt, die Anzahl der Löcher pro Flächeneinheit vergrößert werden oder es kann ohne Erhöhung der Anzahl der Löcher der Öffnungsdurchmesser der Löcher vergrößert werden. Außerdem sind die Lochstrukturen 241 in vertikaler Richtung im unteren Abschnitt der Wasserstoffleitung 240 und in vertikaler Richtung im oberen Abschnitt der Wasserstoffleitung 240 vorgesehen.
Es ist zu beachten, daß das Ende der Wasserstoffleitung 240 geschlossen ist. Die Gase können vermischt werden, ohne daß das Ende geschlossen ist, aber das Schließen des Endes intensiviert die Strömung des Wasserstoffabgases durch die Lochstrukturen in die Luftleitung 250, was die Wasserstoffabgas und das Luftabgas heftiger aufeinandertreffen läßt, so daß Turbulenz erzeugt und die Verdünnung gefördert wird.
Wie aus den 9A und 9B ersichtlich ist, wird die Wasserstoffleitung 240 durch eine Halterung 242 oder dergleichen von einer Wandfläche der Luftleitung 250 getragen, die, bezogen auf die vertikale Richtung, ein anderer als deren unterer und oberer Abschnitt ist. Insbesondere wird die Wasserstoffleitung 240 durch die Halterung 242 in einer abgesetzten Position an einer Seitenfläche der Innenwand der Luftleitung 250 getragen. Es ist jedoch zu beachten, daß in Fällen, in welchen die Wasserstoffleitung eine hohe Starrheit aufweist oder die Länge der Verdünnungsvorrichtung 100d beschränkt ist, die Halterung nicht vorgesehen werden soll.
Das Volumen der innerhalb der Luftleitung 250 enthaltenen Wasserstoffleitung 240 ist so bemessen, daß es kleiner ist als die Menge des Spülgases, das während eines Betriebs der Brennstoffzelle bei Niedriglast erzeugt wird.
Bei dieser Gestaltung wird, ähnlich der ersten Ausführungsform, wenn die Steuereinheit 300 (siehe 5) das Absperrventil 209 öffnet, um Wasserstoffgas während einer Spülaktion zuzuführen, das Drucksteuerventil 223 im Luftelektrodensystem entsprechend dem Zeitpunkt der Spülaktion gesteuert, um den Luftdurchfluß zu erhöhen. In der Verdünnungsvorrichtung 100d fließt eine vom Absperrventil 209 zugeführte Wasserstoffströmung T1 in die Wasserstoffleitung 240, wie in 8 gezeigt. Weil die Lochstrukturen 241 in diesem Falle in der Wasserstoffleitung 240 vorgesehen sind, verzweigt sich die Wasserstoffströmung T1 allmählich über die ganze Länge der Wasserstoffleitung 240 nach außen durch die Lochstrukturen 241 und fließt in Form einer Wasserstoffzweigströmung T2 in einer von der Richtung eines Luftstroms t3 in der Luftleitung 250 abweichenden Richtung, vorzugsweise in einer zum Luftstrom t3 im wesentlichen rechtwinkligen Richtung.
Andererseits fließt der Luftstrom t3 des Luftabgases um die Wasserstoffleitung 240 und kollidiert in deren Umkreis mit der von ihr austretenden Wasserstoffzweigströmung T2, um Turbulenz zu erzeugen. Durch diese Turbulenz werden das Wasserstoffabgas und das Luftabgas vermischt und verdünnt.
Es ist zu beachten, daß bei dieser Ausführungsform, ähnlich der ersten Ausführungsform, vorzugsweise innerhalb der Luftleitung 250 eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung vorgesehen ist. Durch die Anordnung der Flüssigkeitsaustrittsöffnung können im Gas enthaltene flüssige Komponenten, die sich ansammeln können, und so weiter abgeleitet werden, ohne sich innerhalb der Luftleitung 250 anzusammeln.
Bei dieser Ausführungsform wird auch ähnlich wie bei der zweiten Ausführungsform ein gebogener Abschnitt vorzugsweise in entweder der Wasserstoffleitung 240 oder der Luftleitung 250 vorgesehen. Dadurch, daß der gebogenen Abschnitt vorgesehen wird, kann in Gasstrom eine Turbulenz erzeugt werden, wodurch die Erzeugung einer Turbulenz ermöglicht und das Vermischen der Gase gefördert wird.
Gemäß der oben beschriebenen dritten Ausführungsform ist die die Luftleitung 250 derart angeordnet, daß sie die Wasserstoffleitung 240 umgibt, und die beiden rohrförmigen Leitungen sind im wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Als Ergebnis wird das Wasserstoffabgas mit dem Luftabgas derart gemischt, daß örtliche Ungleichmäßigkeiten der Wasserstoffkonzentration unterdrückt werden können, was eine Verbesserung der Durchführung der Verdünnung bedeutet.
Aufgrund der Gestaltung, durch die eine Leitung von der anderen umschlossen wird, kann die Verdünnung über einen langen Bereich innerhalb der Luftleitung 250 ausgeführt werden, wenn die Länge der Wasserstoffleitung 240 in einem gewissen Ausmaß gesichert ist. Als Ergebnis kann die Menge des Wasserstoffabgases pro Längeneinheit stark unter die herkömmlicher Vorrichtungen reduziert werden, was aus Sicherheitsgründen erwünscht ist.
Außerdem wird die Notwendigkeit beseitigt, einen separaten Raum für eine Verdünnungsvorrichtung oder einen Mischer vorzusehen, weil die Wasserstoffleitung 240 innerhalb der Luftleitung angeordnet wird, und somit kann Platz eingespart werden.
Des weiteren fließt gemäß dieser Ausgestaltung das natürlicherweise Feuchtigkeit enthaltende Wasserstoffabgas durch die von der Luftleitung 250 umhüllte Wasserstoffleitung 240. Das Luftabgas empfängt eine gewisse Menge an Reaktionswärme, und diese Wärme im Luftabgas ist in der Lage, die in der Wasserstoffleitung 240 enthaltene Feuchtigkeit vor dem Gefrieren zu bewahren. Als Ergebnis können Situationen, wie das Blockieren der Leitung durch gefrierende Feuchtigkeit, vermieden werden, was ebenfalls aus Sicherheitsgründen erwünscht ist.
Ebenfalls aufgrund dieser Ausgestaltung ist, selbst wenn das Geräusch der durch die Wasserstoffleitung 240 diffundierenden Gasströmung laut ist, die Außenseite der Wasserstoffleitung 240 durch die Rohrwandung der Luftleitung 250 abgedeckt, so daß eine vorteilhafte Lärmverhütungswirkung erzielt wird.
Ebenfalls aufgrund dieser Ausgestaltung ist die Konzentration des durch die Wasserstoffleitung fließenden Wasserstoffabgases hoch. Jedoch ist die Außenseite der Wasserstoffleitung 240 durch die Rohrwandung der Luftleitung 250 derart abgedeckt, daß selbst bei einer Zündung des Wasserstoffabgases die Sicherheit gewährleistet werden kann.
Weiterhin sind die als Diffusionsstruktur dienenden Lochstrukturen 241 geöffnet, so daß sie das Wasserstoffgas veranlassen, in einer im wesentlichen rechtwinkligen Richtung zur Strömungsrichtung des Luftabgases zu fließen. Als Ergebnis fließt das Wasserstoffabgas rechtwinklig zum Luftabgas und kollidiert dadurch zur Bildung einer Turbulenz mit dem Luftabgas, und deshalb kann eine Verbesserung der Verdünnungswirkung erwartet werden.
Zudem sind die Lochstrukturen 241 derart vorgesehen, daß die gesamte Lochöffnungsfläche pro Flächeneinheit in Richtung auf die stromab gelegene Seite der Strömungsrichtung der Wasserstoffabgasströmung zunimmt und deshalb die Konzentration des Wasserstoffabgases in Richtung auf die stromauf gelegene Seite der Wasserstoffleitung zunimmt und in Richtung auf ihre stromab gelegene Seite abnimmt. Es kann deshalb, wenn aus den Lochstrukturen 241 ausströmendes Wasserstoffabgas sich mit Luftabgas mischt, die Konzentration des Wasserstoffabgases im gemischten Gas an allen Stellen angeglichen werden, wodurch eine Ungleichförmigkeit der Konzentration des Wasserstoffabgases in der Luftleitung 250 unterdrückt wird, was aus Sicherheitsgründen beim Umgang mit Wasserstoff erwünscht ist.
Weiterhin sind die Lochstrukturen 241 auch im unteren Abschnitt der rohrförmigen Wasserstoffleitung 240 in vertikaler Richtung vorgesehen und deshalb kann sich innerhalb der Wasserstoffleitung vereinigende Flüssigkeit nach außen abgegeben werden, ohne sich in der Wasserstoffleitung anzusammeln.
Die Lochstrukturen 241 sind auch im oberen Abschnitt der rohrförmigen Wasserstoffleitung 240 in vertikaler Richtung vorgesehen und deshalb kann das Wasserstoffabgas nach außen abgegeben werden, oder mit anderen Worten in die Luftleitung 250, und mit dem Luftabgas gemischt werden, ohne sich nahe der oberen Wand des Wasserstoffrohrs 240 abzusammeln.
Die Wasserstoffleitung 240 wird durch die Halterung 242 in der Luftleitung 250 getragen und vermeidet deshalb andere Positionen als den unteren und den oberen Bereich der Luftleitung in vertikaler Richtung. Als Ergebnis vermeidet die Wasserstoffleitung 240 die Position bei dem oberen Wandbereich und die Position nahe der Basis der Luftleitung 250, wo die Gaskonzentration leicht ansteigt, und den Basisbereich, in dem die im Gas enthaltenen flüssigen Bestandteile sich leicht anhäufen, wodurch eine Verbesserung bei der Durchführung der Gasverdünnung erreicht wird.
Überdies ist das Volumen der innerhalb der Luftleitung 250 angeordneten Wasserstoffleitung 240 so bemessen, daß es kleiner ist als die Menge des Spülgases, das während einer Aktion der Brennstoffzelle bei niedriger Last anfällt, weshalb das während einer Spülaktion eingeleitete Wasserstoffabgas unfähig ist, sich innerhalb der Luftleitung 250 anzusammeln. Als Ergebnis kann das Wasserstoffabgas nach der Verdünnung immer nach außen abgeführt werden und die Durchführung der Vermischung kann verbessert werden.
Des weiteren ist die Steuereinheit 300 in der Lage, den Durchfluß des zu vermischenden Abluftgases in Übereinstimmung mit dem Zeitpunkt zu erhöhen, zu dem das Wasserstoffabgas zugeführt wird, und deshalb kann das Mischungsverhältnis des verdünnten, vermischten Gases gleichmäßig gehalten werden, was zu einer Verbesserung des Mischungsergebnisses führt.
Es ist zu beachten, daß als modifiziertes Beispiel für die erste Ausführungsform eine Verdünnungsvorrichtung 100e mit verteilten Lochstrukturen 243 statt der Reihe von Lochstrukturen 241 verwendet werden kann, wie sie in der Seitenansicht nach 10 dargestellt ist. Gleichermaßen können in diesem Falle die Lochstrukturen derart ausgebildet sein, daß der gesamte Öffnungsbereich pro Flächeneinheit in Richtung stromab zunimmt.
Als anderes modifiziertes Beispiel kann die Wasserstoffleitung 240 im zentralen Bereich der Luftleitung 250 unter einer Verwendung einer Halterung 244 getragen werden, wie dies im Querschnitt nach 11 gezeigt ist. Mittels einer solchen Konstruktion wird das Wasserstoffabgas in einer zur Strömungsrichtung des Abgases im wesentlichen rechtwinklig verlaufenden Richtung in den zentralen Bereich, weg von der Wand, entleert, wo die Strömungsgeschwindigkeit des Luftabgases am höchsten ist. Als Ergebnis kollidieren die beiden Gase heftig und somit kann die Vermischung und Verdünnung der Gase gefördert werden.
Zusammenfassung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Behandeln von Gas bereitzustellen, die geeignet ist, eine Mehrzahl von Gasen ausreichend zusammenzumischen, so daß die Gase verdünnt werden. Eine Gasbehandlungsvorrichtung zum Mischen eines ersten Gases (H₂) und eines zweiten Gases (Luft) umfaßt einen Strömungskanal (110), durch welchen das zweite Gas (Luft) strömt, ein Einströmöffnung (104) zum Einleiten des ersten Gases (H₂) in einer zur Strömungsrichtung des zweiten Gases (Luft) innerhalb des Strömungskanals (110) nicht parallelen Richtung, sowie ein Gehäuse (101) zum Abdichten eines Teils des Strömungskanals (110). Der Strömungskanal (110) weist in zumindest einem Teil des vom Gehäuse (101) abgedichteten Bereichs Lochstrukturen auf, durch welche das zweite Gas (Luft) und das erste Gas (H₂) ein- und ausströmen. Gemäß dieser Anordnung erzeugen die Lochstrukturen Turbulenzen, wodurch ein Durchmischungsgrad zwischen dem ersten Gas (H₂) und dem zweiten Gas (Luft) verbessert werden kann, was eine gleichmäßige Verringerung in der Gaskonzentration ermöglicht.

Claims

Gasbehandlungsvorrichtung zur Mischung eines ersten Gases und eines zweiten Gases, dadurch gekennzeichnet, daß es Turbulenz erzeugende Mittel zur Erzeugung einer Turbulenz in wenigstens einem des ersten und des zweiten Gases umfaßt, so daß die beiden Gase vermischt werden.
Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, ein Gehäuse umfassend, durch das das zweite Gas fließt, wobei das Gehäuse mit einer Einströmöffnung zur Einleitung des ersten Gases in einer zur Strömungsrichtung des zweiten Gases nicht parallelen Richtung versehen ist.
Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei diese Einströmöffnung dazu vorbereitet ist, das erste Gas aus einer aus dem axialen Mittel des Gehäuses versetzten Position einströmen zu lassen.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, einen Strömungskanal umfassend, von dem wenigstens ein Teil durch das Gehäuse umschlossen ist, wobei das zweite Gas durch den Strömungskanal fließt und der Strömungskanal mit Lochstrukturen versehen ist, durch die das zweite Gas und das erste Gas hindurchtreten.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung in einem unteren Bereich des Gehäuses in vertikaler Richtung des Gehäuses vorgesehen ist.
Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Gehäuse in wenigstens einem Teil des Gehäuses ein Verwirbelungselement zur Verwirbelung der Gase umfaßt.
Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher das Verwirbelungselement auf der stromab gelegenen Seite der Gasströmungsrichtung durch das Gehäuse angeordnet ist und ein Raum auf der stromauf gelegenen Seite der Gasströmungsrichtung durch das Gehäuse ausgebildet ist und die Flüssigkeitsaustrittsöffnung in einer unteren Position des Raums in der vertikalen Richtung des Raums angeordnet ist.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei welcher das Verwirbelungselement Glaswolle ist.
Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, umfassend einen ersten Strömungskanal, durch den das erste Gas strömt, umfassend eine Diffusionsstruktur, durch die das erste Gas nach außen diffundiert, und einen zweiten Strömungskanal, der den ersten Strömungskanal derart umgibt, daß er das zweite Gas veranlaßt, den ersten Kanal zu umströmen.
Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher die Diffusionsstruktur eine Mehrzahl von Lochstrukturen ist, die das den ersten Kanal durchströmende erste Gas in einer zur Durchströmrichtung des zweiten Gases unterschiedlichen Richtung emittieren.
Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher die Lochstrukturen derart vorgesehen sind, daß der gesamte Lochöffnungsbereich pro Flächeneinheit in Richtung auf die stromab gelegene Seite der Strömungsrichtung des ersten Gases größer wird.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei welcher die Lochstrukturen in wenigstens dem unteren Abschnitt des ersten Strömungskanals in der vertikalen Richtung des ersten Strömungskanals angeordnet sind.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei welcher die Lochstrukturen in wenigstens dem oberen Abschnitt des ersten Strömungskanals in der vertikalen Richtung des ersten Strömungskanals angeordnet sind.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei welcher die Diffusionsstruktur das durch den ersten Strömungskanal fließende erste Gas in einer im wesentlichen rechtwinkligen Richtung zur Strömungsrichtung des zweiten Gases emittiert.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei welcher wenigstens einer des ersten und des zweiten Strömungskanals rohrförmig ist und die beiden Kanäle so angeordnet sind, daß die Achsen der beiden Kanäle im wesentlichen parallel verlaufen.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, bei welcher der erste Strömungskanal in einer Position vorgesehen ist, die eine andere ist als die untere Position und die obere Position des zweiten Strömungskanals in der vertikalen Richtung des zweiten Strömungskanals.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, bei welcher eine Flüssigkeitsaustrittsöffnung im unteren Abschnitt des zweiten Strömungskanals in der vertikalen Richtung des zweiten Strömungskanals vorgesehen ist.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 17, bei welcher wenigstens eines des ersten Gases und des zweiten Gases einen gebogenen Abschnitt besitzt.
Gasbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, weiter umfassend ein erstes Gasversorgungsmittel, das für die Zufuhr des ersten Gases geeignet ist, und ein zweites Gasversorgungsmittel, das für die Zufuhr des zweiten Gases geeignet ist, wobei das zweite Gasversorgungsmittel das zweite Gas in Übereinstimmung mit dem Zeitpunkt zuführt, zu dem das erste Gas von dem ersten Gasversorgungsmittel zugeführt wird.
Gasbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 19 zur Anwendung in einem Brennstoffzellensystem, bei welchem das erste Gas aus dem Brennstoffzellensystem abgeführtes Wasserstoffgas und das zweite Gas Luft zur Verdünnung des Wasserstoffgases ist, wobei das Volumen des zweiten Strömungskanals kleiner gehalten ist als die Menge des während eines Betriebs der Brennstoffzelle bei Niedriglast anfallenden Spülgases.