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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem,
das mit einem Verunreinigungs-Entfernungselement für das
Entfernen von Verunreinigungen ausgerüstet ist, die in
einem Fluid enthalten sind, das von einer Brennstoffzelle abgegeben
wird, wobei sich das Verunreinigungs-Entfernungselement in einem
Abgaskanal befindet, durch den das von der Brennstoffzelle abgegebene
Fluid strömt. Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
für das Bestimmen einer Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements.
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STAND DER TECHNIK
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Es
gibt Brennstoffzellensysteme, die mit einem Verunreinigungs-Entfernungselement
für das Entfernen von Verunreinigungen ausgerüstet
sind, die in einem Fluid enthalten sind, das von einer Brennstoffzelle
abgegeben wird, wobei sich das Verunreinigungs-Entfernungselement
in einem Abgaskanal befindet, durch den das von der Brennstoffzelle abgegebene
Fluid strömt. Bei diesen Brennstoffzellensystemen wird
nicht der gesamte zugeführte Wasserstoff für eine
Zellenreaktion verwendet. Dementsprechend verwendet das Brennstoffzellensystem ein
Zirkulationssystem für die effektive Verwendung des abgegebenen
und nicht reagierten Wasserstoffs, indem er erneut zurück
in die Brennstoffzelle geschickt wird, und eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
ist in dem Zirkulationssystem angeordnet und entfernt Feuchtigkeit
von einem Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid, in dem ein Abgas,
das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, und Wasser, das durch
die Zellenreaktion der Brennstoffzelle erzeugt wird, miteinander
vermischt sind und koexistieren.
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Winzige
Mengen von Verunreinigungen, die sich zum Beispiel von Rohrleitungsteilen
der Brennstoffzelle oder des Systems ablösen, sind in dem
Gas und dem Wasser vorhanden, das durch das Zirkulationssystem strömt.
Es können auch Verunreinigungen, die sich in der Luft befinden,
die an der Kathodenseite von außen angesaugt wird, in einen
zu dem System führenden Kanal eintreten, eine Elektrolytmembran
passieren und in das Wasserstoffzirkulationssystem eingemischt werden.
Insbesondere wenn es Metallionen in den Verunreinigungen gibt, die
sich zum Beispiel von Rohrleitungsteilen der Brennstoffzelle oder
des Systems ablösen, gibt es die Möglichkeit,
dass sich die Funktionen der Brennstoffzelle selbst verschlechtern
oder die Lebensdauer der Brennstoffzelle verkürzt werden
kann. Zusätzlich dazu kann das Wasser, das in der Brennstoffzelle
erzeugt wird, sauer werden. Dementsprechend wird ein Verfahren für
das Verhindern der Verschlechterung der Brennstoffzelle infolge
von zum Beispiel dem erzeugten Wasser und dem Gas durch das Platzieren einer
Ionen-Austauschvorrichtung in dem Wasserstoffkreislaufsystem verwendet.
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In
jüngster Zeit wurde ein Feststoffpolymer-Brennstoffzellensystem
mit einer Ionen-Entfernungseinheit eingeführt und die Ionen-Entfernungseinheit
entfernt in dem Wasser enthaltene Ionen, die durch die Brennstoffzelle
erzeugt werden und durch ein Abgas begleitet werden, und ist an
der einer Festkörperpolymer-Brennstoffzelle näheren
Seite von mindestens einer der Abgasrohrleitungen platziert, aus
denen das durch die Brennstoffzelle erzeugte Wasser abgegeben wird.
Es ist offenbart, dass in diesem Festkörperpolymer-Brennstoffzellensystem
Fluorid-Ionen entfernt werden, indem ein Ionen-Austauschharz als
eine Einrichtung für das Entfernen von Ionen aus dem Wasser
verwendet wird (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
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Zudem
wurde auch ein Brennstoffzellensystem mit einer Funktion eingeführt,
die den Zeitpunkt vorhersagt und festlegt, um eine Ionen-Austausch-Verarbeitungsvorrichtung
für das Entfernen von Ionen aus dem Kühlwasser
für die Brennstoffzelle oder dem Wasser, das durch die
Brennstoffzelle erzeugt wird, zu wechseln (siehe zum Beispiel Patentdokumente
2 bis 4).
- (Patentdokument 1) JP 2002-313404 A
- (Patentdokument 2) JP
5-315002 A
- (Patentdokument 3) JP
2002-298892 A
- (Patentdokument 4) JP-2003-346845
A
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Das
in dem Patentdokument 1 beschriebene Festkörperpolymer-Brennstoffzellensystem
ist dazu gedacht, das Fluid (Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid) in
Flüssigkeit und Gas zu trennen und dann die Verunreinigungen
von der Flüssigkeit zu entfernen, indem die getrennte Flüssigkeit
durch das Ionen-Austauschharz laufen gelassen wird. Allerdings wird
keine Überlegung darüber angestellt, den Zeitpunkt
vorherzusagen und zu bestimmen, an dem das Ionen-Austauschharz gewechselt
werden sollte. Zudem wird keine Überlegung zu der Idee
angestellt, das Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid durch dieses
Ionen-Austauschharz laufen zu lassen, so dass die in dem Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid
enthaltenen Ionen entfernt werden.
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Im
Hinblick auf das Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid (Fluid
vor der Gas/Flüssigkeits-Trennung), das von der Brennstoffzelle
abgegeben wird, kann sich im Gegensatz zu einem Fluid in einem flüssigen
Zustand sein Druck erheblich ändern und seine Strömungsrate
kann sich auch ändern. Dementsprechend würde es
einen Unterschied in dem Milieu geben, in dem die Ionen-Austausch-Verarbeitungsvorrichtung
verwendet wird, zwischen dem Fall, in dem die Ionen-Austausch-Verarbeitungsvorrichtung
in einem Kühlsystem oder einem Rohrleitungssystem platziert
ist, durch das Wasser läuft, und dem Fall, in dem die Ionen-Austausch-Verarbeitungsvorrichtung in
einem Rohrleitungssystem platziert ist, durch das das Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid
läuft. Folglich wären die Verschlechterungszustände
für die Ionen-Austausch-Verarbeitungsvorrichtung in diesen beiden
Fällen auch unterschiedlich.
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Sowohl
die in den Patentdokumenten 2 bis 4 beschriebenen Brennstoffzellensysteme,
die den Zeitpunkt vorhersagen und bestimmen, um die Ionen-Austausch-Verarbeitungsvorrichtung
für das Entfernen von Ionen aus dem Kühlwasser
für die Brennstoffzelle oder dem Wasser, das durch die Brennstoffzelle
erzeugt wurde, zu wechseln, wird keine Überlegung zu der
Idee angestellt, den Zeitpunkt vorherzusagen und zu bestimmen, um
die Ionen-Austausch-Verarbeitungsvorrichtung für das Entfernen
von Ionen von dem Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid zu wechseln.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, solche herkömmlichen
Brennstoffzellensysteme zu verbessern. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, das den Verschlechterungszustand
eines Verunreinigungs-Entfernungselements zu erfassen, das dazu in
der Lage ist, in einem Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid enthaltene
Verunreinigungen zu entfernen, und eines, das anzeigen kann, wann
es Zeit ist, das Verunreinigungs-Entfernungselement zu wechseln.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für
das Bestimmen des Verschlechterungszustands des Verunreinigungs-Entfernungselements
für das Entfernen von Verunreinigungen aus dem Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid
vorzusehen.
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Um
die vorstehend beschriebenen Aufgaben zu lösen, sieht die
Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, das mit einem Verunreinigungs-Entfernungselement
für das Entfernen von Verunreinigungen aus einem Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid
ausgerüstet ist, das ein Gemisch aus einen Abgas und einer
Flüssigkeit ist, die von einer Brennstoffzelle abgegeben
werden, wobei sich das Verunreinigungs-Entfernungselement in einem
Abgaskanal befindet, durch das das Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid
strömt, und die Brennstoffzelle folgendes aufweist: eine
Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
für das Erfassen der zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement
gehörenden physischen Größen; und eine
Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung für das Bestimmen
des Ausmaßes der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
basierend auf den durch die Erfassungseinrichtung der physikalischen
Größe bestimmten physischen Größen.
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Da
die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung in dem Brennstoffzellensystem
mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau das Ausmaß der
Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements basierend
auf den zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement gehörenden
physischen Größen, die durch die Erfassungseinrichtung
der physikalischen Größe bestimmt werden, bestimmen kann,
kann der Zeitpunkt für das Wechseln des Verunreinigungs-Entfernungselements
akkurat beurteilt werden. Dementsprechend ist es möglich,
das Verunreinigungs-Entfernungselement zu verwenden, bis die für
das Verunreinigungs-Entfernungselement erforderliche Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit nicht
länger effektiv ist, und es wird auch möglich,
die Verwendung des verschlechterten Verunreinigungs-Entfernungselements
zu verhindern, ohne zu wissen, das es die erforderliche Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit
verloren hat.
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Die
Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
kann eine Formänderungs-Erfassungseinrichtung für
das Erfassen einer Veränderung der Form des Verunreinigungs-Entfernungselements
beinhalten. Aufgrund dieses Aufbaus ist es möglich, den
Verschlechterungszustand des Verunreinigungs-Entfernungselements
direkt basierend auf einer Veränderung der Form des Verunreinigungs-Entfernungselements
zu bestimmen.
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Zudem
kann die Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
eine erste Fluid-Zustandsgrößen-Messeinrichtung
für das Messen der Zustandsgrößen des
Fluids besitzen, das durch das Verunreinigungs-Entfernungselement
gelaufen ist.
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Wenn
das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung
die erste Fluid-Zustandsgrößen-Messeinrichtung
besitzt, kann das Brennstoffzellensystem so aufgebaut sein, dass
die Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
zudem eine zweite Fluid-Zustandsgrößen-Messeinrichtung
für das Messen der Zustandsgrößen des
Fluids vor dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements
besitzt, und die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung besitzt
eine Vergleichseinrichtung der physikalischen Größe
für das Vergleichen der physikalischen Größen,
die durch die erste Fluid-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung
erfasst wurden, mit den physikalischen Größen,
die durch die zweite Fluid-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung
erfasst wurden, wodurch das Ausmaß der Verschlechterung
es Verunreinigungs-Entfernungselements basierend auf einem Wert
bestimmt wird, der durch die Vergleichseinrichtung der physikalischen
Größe erhalten wird. Dieser Aufbau macht es möglich,
den Verschlechterungszustand des Verunreinigungs-Entfernungselements
aus einem Grenzwert für eine Differenz zwischen den durch
die erste Fluid-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung
bestimmten physikalischen Größen und den durch
die zweite Fluid-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung
bestimmten physikalischen Größen zu bestimmen.
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Die
Zustandsgrößen des Fluids können die Zustandsgrößen
einer Flüssigkeit (erzeugtes Wasser) sein. Die Zustandsgrößen
des Fluids können zum Beispiel die elektrische Leitfähigkeit
oder der Druck des Fluids sein.
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Zudem
kann das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung
die zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement gehörenden
physikalischen Größen in dem Zustand erfassen,
in dem die Flüssigkeit in dem Verunreinigungs-Entfernungselement
verringert ist. Dementsprechend können die zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement
gehörenden physikalischen Größen in dem
Zustand erfasst werden, in dem die Störbestandteile wie
beispielsweise das erzeugte Wasser so weit wie möglich
ausgeschlossen sind. Daher ist es möglich, die Genauigkeit
der Bestimmung der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
weiter zu erhöhen.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung kann
auch so aufgebaut sein, dass die Erfassungseinrichtung der physikalischen
Größe folgendes aufweist: eine Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung
für das Erfassen der Zustandsgröße des Gases,
das durch das Verunreinigungs-Entfernungselement läuft;
und eine Flüssigkeits-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung
für das Erfassen der Zustandsgröße der
Flüssigkeit, die durch das Verunreinigungs-Entfernungselement
läuft. Dieser Aufbau macht es möglich, den Verschlechterungszustand des
Verunreinigungs-Entfernungselements zu bestimmen, indem die Zustandsgrößen
des Gases und der Flüssigkeit separat überprüft
werden, wobei das Gas und die Flüssigkeit in dem Fluid
enthalten sind. Mit anderen Worten kann der Verschlechterungszustand
des Verunreinigungs-Entfernungselements bestimmt werden, indem der
Einfluss der Verschlechterung jeweils einzig auf das Gas und die
Flüssigkeit widergespiegelt werden. Daher ist es möglich,
die Genauigkeit der Bestimmung der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
weiter zu erhöhen.
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Die
Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung kann
die Zustandsgrößen des Gases basierend auf dem
Betriebszustand der Brennstoffzelle berechnen. Die Flüssigkeits-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung
kann die Zustandsgrößen der Flüssigkeit
basierend auf dem Betriebszustand der Brennstoffzelle berechnen.
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Die
Zustandsgrößen des Gases können zumindest
entweder die Strömungsrate, der Druck oder die Temperatur
des Gases sein. Die Zustandsgrößen der Flüssigkeit
können zumindest entweder die Strömungsrate, der
Druck oder die Temperatur der Flüssigkeit sein.
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Zudem
kann das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung
zudem eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung für
das Trennen des von der Brennstoffzelle abgegebenen Fluids in ein
Gas und eine Flüssigkeit beinhalten, wobei das Verunreinigungs-Entfernungselement
in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung angeordnet ist.
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Zudem
kann das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung
des weiteren eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung für
das Trennen des von der Brennstoffzelle abgegebenen Fluids in ein
Gas und eine Flüssigkeit beinhalten, wobei die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
eine Messvorrichtung der elektrischen Leitfähigkeit für
das Messen der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids enthält.
Bei diesem Aufbau kann das Verunreinigungs-Entfernungselement auch
in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung angeordnet sein.
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung kann
des Weiteren eine Benachrichtigungseinrichtung für das
Anzeigen des Ergebnisses besitzen, das durch die Verschlechterungs-Erfassungseinrichtung
erzeugt wurde. Aufgrund dieses Aufbaus ist es möglich,
leicht zu sagen, wenn das Verunreinigungs-Entfernungselement gewechselt
werden sollte.
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Die
Erfindung sieht auch ein Verfahren für die Bestimmung der
Verschlechterung eines Verunreinigungs-Entfernungselements für
das Entfernen für Verunreinigungen aus einem Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid
vor, das ein Gemisch aus einem Abgas und einer von einer Brennstoffzelle
abgegebenen Flüssigkeit ist, wobei sich das Verunreinigungs-Entfernungselement
in einem Abgaskanal befindet, durch den das Gas/Flüssigkeits-Gemisch-Fluid
strömt, und das Verfahren die folgenden Schritte beinhaltet:
Einen Erfassungsschritt der Erfassung der zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement
gehörenden physikalischen Größen; und
einen Bestimmungsschritt der Bestimmung des Ausmaßes der Verschlechterung
des Verunreinigungs-Entfernungselements basierend auf den durch
den Erfassungsschritt erfassten physikalischen Größen.
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Der
Erfassungsschritt kann einen Schritt des Erfassens einer Änderung
der Form des Verunreinigungs-Entfernungselements beinhalten. Der
Erfassungsschritt kann auch einen ersten Messschritt des Messens
der Zustandsgrößen des durch das Verunreinigungs-Entfernungselement
gelaufenen Fluids beinhalten.
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Zudem
kann der Erfassungsschritt des Weiteren einen zweiten Messschritt
des Messens der Zustandsgrößen des Fluids vor
dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements beinhalten, und
der Bestimmungsschritt kann einen Vergleichsschritt der physikalischen
Größen des Vergleichens der durch den ersten Messschritt
erfassten physikalischen Größen mit den durch
den zweiten Messschritt erfassten physikalischen Größen
beinhalten, wobei das Ausmaß der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
basierend auf einem durch den Vergleichsschritt der physikalischen
Größen erzielten Wert bestimmt wird.
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Bei
dem Verfahren für das Bestimmen der Verschlechterung des
Verunreinigungs-Entfernungselements gemäß der
Erfindung können die Zustandsgrößen des
Fluids die Zustandsgrößen, die elektrische Leitfähigkeit
oder der Druck einer Flüssigkeit sein.
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Bei
dem Bestimmungsschritt können die zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement
gehörenden physikalischen Größen in dem
Zustand erfasst werden, in dem die in dem Verunreinigungs-Entfernungselement
vorhandene Flüssigkeit verringert ist.
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Der
Erfassungsschritt kann folgendes aufweisen: einen Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsschritt
des Erfassens der Zustandsgrößen des durch das
Verunreinigungs-Entfernungselement laufenden Gases; und einen Flüssigkeits-Zustandsgrößen-Erfassungsschritt
für das Erfassen der Zustandsgrößen der
durch das Verunreinigungs-Entfernungselement laufenden Flüssigkeit.
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Der
Gas-Zustandsgrößen-Erfassungsschritt und der Flüssigkeits-Zustandsgrößen-Erfassungsschritt
können die Zustandsgrößen des Gases basierend
auf dem Betriebszustand der Brennstoffzelle berechnen.
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Zudem
können bei dem Verfahren für die Bestimmung der
Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements gemäß der
Erfindung die Zustandsgrößen des Gases zumindest
entweder die Strömungsrate, der Druck oder die Temperatur des
Gases sein und die Zustandsgrößen der Flüssigkeit
können zumindest entweder die Strömungsrate, der
Druck oder die Temperatur der Flüssigkeit sein.
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Das
Verfahren für das Bestimmen der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
gemäß der Erfindung kann des weiteren einen Schritt
des Anzeigens des durch den Bestimmungsschritt erzielten Ergebnisses
beinhalten.
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Zudem
kann das Verfahren für die Bestimmung der Verschlechterung
des Verunreinigungs-Entfernungselements gemäß der
Erfindung auf ein Brennstoffzellensystem angewendet werden, das
zudem eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung für
das Trennen des von der Brennstoffzelle abgegebenen Fluids in ein
Gas und eine Flüssigkeit besitzen, wobei das Verunreinigungs-Entfernungselement in
der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung angeordnet ist.
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Zudem
kann das Verfahren für das Bestimmen der Verschlechterung
des Verunreinigungs-Entfernungselements gemäß der
Erfindung auf das Brennstoffzellensystem angewendet werden, das
zudem eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung für
das Trennen des von der Brennstoffzelle abgegebenen Fluids in ein
Gas und eine Flüssigkeit besitzt, wobei eine Messvorrichtung
der elektrischen Leitfähigkeit für das Messen
der elektrischen Leitfähigkeit des Fluids in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
angeordnet ist. In diesem Fall kann das Verunreinigungs-Entfernungselement
in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung angeordnet sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine schematische Darstellung der Bauteile des Brennstoffzellensystems
der 1, das heißt einer Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung,
in der ein Verunreinigungs-Entfernungselement angeordnet ist, und
einer Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
und einer Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung, die in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
angeordnet sind.
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3 zeigt
eine Beziehung zwischen einer Druckdifferenz eines Fluids, das der
in der 2 gezeigten Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
zugeführt wird – die Differenz zwischen dem Druck
des Fluids vor dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements
und dem Druck des Fluids nach dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements – und
der Brennstoffzellenleistung oder der Fluidströmungsrate.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Erfassungseinrichtung der
physikalischen Größe und der Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung,
die in der 2 gezeigt sind, zeigt.
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5 ist
eine schematische Darstellung der Bauteile eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das heißt einer Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung,
in der ein Verunreinigungs-Entfernungselement angeordnet ist, und
einer Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
und einer Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung, die in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
angeordnet sind.
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6 ist
eine schematische Darstellung der Bauteile eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das heißt einer Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung,
in der ein Verunreinigungs-Entfernungselement angeordnet ist, und
einer Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
und einer Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung, die in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
angeordnet sind.
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7 zeigt
das Verhältnis zwischen der elektrischen Leitfähigkeit
des Fluids und der nutzbaren Zeit des Verunreinigungs-Entfernungselements.
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8 zeigt
die Beziehung zwischen der Differenz der elektrischen Leitfähigkeit
des Fluids und der nutzbaren Zeit für das Verunreinigungs-Entfernungselement.
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9 ist
eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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10 zeigt
die Beziehung zwischen einem Integralwert für die Gasströmungsrate
und einem Integralwert für die Wassermenge.
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BESTER WEG ZUR AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß den bevorzugten Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele
dienen der Veranschaulichung dieser Erfindung, die Erfindung ist
aber nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Dementsprechend
kann diese Erfindung auf zahlreiche Arten angewendet werden, solange
die Verwendung nicht von dem Umfang der Erfindung abweicht.
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Die 1 ist
eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Die 2 ist eine schematische Darstellung der
Bauteile des Brennstoffzellensystems der 1, das heißt
einer Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung, in der ein Verunreinigungs-Entfernungselement
angeordnet ist, und einer Erfassungseinrichtung der physikalischen
Größe und einer Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung,
die in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung angeordnet
sind. Die 3 zeigt die Beziehung zwischen
der Druckdifferenz eines Fluids, das der in der 2 gezeigten
Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung zugeführt wird – die
Differenz zwischen dem Druck des Fluids vor dem Durchlaufen des
Verunreinigungs-Entfernungselements und dem Druck des Fluids nach
dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements – und
der Brennstoffzellenleistung oder der Fluidströmungsrate.
Die 4 ist ein Flussdiagramm, das die Betriebsabfolge
der Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
und der Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung, die in 2 gezeigt
sind, zeigt.
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Eine
Brennstoffzelle 10 eines in der 1 gezeigten
Brennstoffzellensystems 1 ist so aufgebaut, dass es einen
Stapel enthält, der aus einer Vielzahl von Zellen hergestellt
ist, wobei jede Zelle dadurch aufgebaut ist, dass ein MEA und ein
Trennelement übereinander gelegt sind; wobei das Trennelement
einen Kanal für das Zuführen eines Brenngases (Wasserstoff)
zu einer Brennelektrode (oder Anode) der MEAs und eines Oxidationsgases
(Sauerstoff [üblicherweise Luft]) zu einer Oxidationselektrode (oder
Kathode) bildet.
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Ein
Luftzuführanschluss 11 dieser Brennstoffzelle 10 ist
durch einen Luftzuführkanal 12 mit einer Luftzuführquelle 9 für
das Zuführen von Luft als ein Oxidationsgas verbunden,
während ein Luftausstoßanschluss 13 mit
einem Luftausstoßkanal 14 für das Ausstoßen
der Luft und des Wassers (abgegebenes Fluid), die von der Brennstoffzelle 10 abgegeben werden,
verbunden ist. Ein Befeuchtungsmodul 8 ist in dem Luftzuführkanal 12 und
dem Luftausstoßkanal 14 angeordnet und das abgegebene
Fluid, das durch dieses Befeuchtungsmodul 8 gelaufen ist,
wird durch einen Dämpfer 7 laufen und dann von
dem Brennstoffzellensystem 1 abgegeben werden. Ein Teil
des abgegebenen Fluids wird einer Wasserstoff-Verdünnungsvorrichtung 6 zugeführt
und wird abgegeben, nachdem es für die Verdünnung
des Wasserstoffs verwendet wurde.
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Andererseits
ist ein Wasserstoffzuführanschluss 15 der Brennstoffzelle 10 durch
einen Wasserstoffzuführkanal 17 mit einer Wasserstoffzuführquelle 16 wie
beispielsweise einem Wasserstoffzylinder verbunden und ein Wasserstoffausstoßanschluss ist
mit einem Wasserstoffausstoßkanal 19 verbunden.
Eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 ist
irgendwo in diesem Wasserstoffausstoßkanal 19 angeordnet.
Insbesondere ist, wie dies in der 2 gezeigt
ist, ein Fluideinlassanschluss 19A des Wasserstoffausstoßkanals 19 mit
einem Fluideinlass 26A der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 so
verbunden, dass es ermöglicht wird, dass das Fluid in den Fluideinlass 26A strömt,
und ein Fluidauslassanschluss 19B des Wasserstoffausstoßkanals 19 ist
mit einem Fluidauslass 26B der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 so
verbunden, dass es ermöglicht wird, dass das Fluid aus
dem Fluidauslass 19B strömt.
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Zudem
ist ein Verunreinigungs-Entfernungselement 24 in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 angeordnet.
Zudem ist ein Gaskanal 23, der mit dem Fluidauslass 26B so
verbunden ist, dass es ermöglicht wird, dass das Gas aus
dem Fluidauslass 26B strömt, in dem mittleren
Bereich der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 so
angeordnet, dass er durch den mittleren Bereich des Verunreinigungs- Entfernungselements 24 läuft
und sich entlang der vertikalen Richtung in der 2 erstreckt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel wird ein Ionenaustauschharz
als das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 verwendet.
Es kann aber auch eine Zyklon-Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
für das Trennen des Fluids (Gas/Flüssigkeits-Gemisch)
in ein Gas und eine Flüssigkeit durch das Wirbeln des Fluids
als die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 verwendet
werden.
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Die
Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 ist mit Folgendem
verbunden: einer Erfassungseinrichtung 30 der physikalischen
Größe für das Erfassen der physikalischen
Größen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24;
und einer Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 für
das Bestimmen des Ausmaßes der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 basierend
auf den physikalischen Größen, die durch die Erfassungseinrichtung 30 der
physikalischen Größe erfasst werden.
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Insbesondere
besitzt, wie dies in der 2 gezeigt ist, die Erfassungseinrichtung 30 der
physikalischen Größe folgendes: eine Einlassdruck-Messvorrichtung 31 für
das Messen des Drucks (Pin) des Fluids, das der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 zugeführt
wird, vor dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24;
und eine Auslassdruck-Messvorrichtung 32 für das
Messen des Drucks (Pout) des Fluids nach dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind der Druck (Pin) und der
Druck (Pout) die zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gehörenden
physikalischen Größen.
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Die
Einlassdruck-Messvorrichtung 31 und die Auslassdruck-Messvorrichtung 32 sind
mit einer Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 für das
Berechnen der Differenz (ΔP = Pin – Pout) zwischen
den Drücken (Pin) und (Pout), die durch die Einlassdruck-Messvorrichtung 31 und
die Auslassdruck-Messvorrichtung 32 gemessen werden, und das Überprüfen
vorgesehen, ob der berechnete Wert einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet
oder nicht.
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Wie
dies in der 3 gezeigt ist, stellt sich ein
proportionales Verhältnis zwischen der Druckdifferenz (ΔP
= Pin – Pout) und der Leistung der Brennstoffzelle 10 oder
der Strömungsrate des Fluids ein, das von der Brennstoffzelle 10 abgegeben
wird. Dementsprechend kann durch das Berechnen der Druckdifferenz
(ΔP = Pin – Pout) und das Überprüfen,
ob sich die Druckdifferenz in dem optimalen Bereich befindet oder
nicht (das heißt ob die Druckdifferenz den Grenzwert überschreitet
oder nicht) herausgefunden werden, inwieweit das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 momentan
in der Lage ist, Verunreinigungen zu entfernen, und der Zeitpunkt
für das Wechseln des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 kann
beurteilt werden, indem überprüft wird, ob die
Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 noch
effektiv ist oder nicht.
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Übrigens
bezieht sich die Druckdifferenz (ΔP) auf den Strömungswiderstand
des Fluids. Dieser Strömungswiderstand des Fluids wird
zum Beispiel dadurch bestimmt, dass die Menge der durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gefangen
Verunreinigung, den Ausdehnungs- oder den Zusammenziehungszustand
des Verunreinigungs-Entfernungselements 24, der durch den
Einfluss der durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gefangen
Verunreinigungen verursacht wird, und die Dichte der in dem Fluid
enthaltenen Verunreinigungen bestimmt.
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Die
Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 ist mit einer
Benachrichtigungseinrichtung 50 für das Anzeigen
des basierend auf dem durch die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 gemachten
Bestimmungsergebnisses, ob das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gewechselt
werden sollte oder nicht, versehen. Zahlreiche Formen dieser Benachrichtigungseinrichtung 50 sind
möglich, wie beispielsweise eine Alarmvorrichtung (Alarmgeräusche)
oder eine Nachricht von einer geeigneten Anzeigeeinheit, die anzeigt,
dass es Zeit ist, das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 zu
wechseln.
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Eine
Betriebssequenz der Bestimmungseinrichtung 30 der physikalischen
Größe, der Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 und
der Benachrichtigungseinrichtung 50 ist im Folgenden beschrieben.
Wie dies in der 4 gezeigt ist, misst die Einlassdruck-Messvorrichtung 31 den
Druck (Pin) des Fluids, das von dem Wasserstoffausstoßkanal 19 der
Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 zugeführt
wird, bevor es das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 durchläuft
(Schritt S101). Dieser gemessene Wert wird an die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 ausgegeben.
Danach misst die Auslassdruck-Messvorrichtung 32 den Druck (Pout)
des Fluids nach dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 (Schritt
S102). Dieser Messwert wird an die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 ausgegeben.
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Anschließend
berechnet die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 eine
Differenz (ΔP = Pin – Pout) zwischen den Drücken,
die sie von der Einlassdruck-Messvorrichtung 31 und der
Auslassdruck-Messvorrichtung 32 empfangen hat, und überprüft,
ob die Druckdifferenz (ΔP) einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet
oder nicht (Schritt S103). Wenn die Druckdifferenz (ΔP),
die bei dem Schritt S103 erhalten wird, den vorbestimmten Grenzwert überschreitet
(Schritt S103: JA), gibt die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 ein Signal
dieses Ergebnisses an die Benachrichtigungseinrichtung 50 aus
und die Benachrichtigungseinrichtung 50 zeigt an, dass
es Zeit ist, das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 zu
wechseln. Andererseits werden, wenn die Druckdifferenz (ΔP),
die bei dem Schritt S103 erhalten wird, den vorbestimmten Grenzwert
bei dem Schritt S103 nicht überschreitet (Schritt S103:
NEIN), die Schritte S101 bis S103 wiederholt.
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Nachdem
das Fluid, das der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 zugeführt
wird, in Gas (Wasserstoff) und Flüssigkeit (Wasser) getrennt
wird und das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 Verunreinigungen
aus dem Fluid entfernt hat, wird das Fluid von der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 abgegeben
und dann von dem Wasserstoffzuführkanal 17 zu
der Brennstoffzelle 10 zurückgeführt
und für die Zellenreaktion verwendet. Ein Teil des Gases (Wasserstoff),
das von der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 abgegeben
wird, wird auch der Wasserstoff-Verdünnungsvorrichtung 6 zugeführt,
wenn dies erforderlich ist. Andererseits wird die Flüssigkeit, die
von dem Gas/Flüssigkeits-Fluid abgetrennt wurde, und aus
dem Verunreinigungen entfernt wurden, in einem Ausstoßanschluss 60 gesammelt,
der sich unter der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 befindet,
und wird durch das Öffnen eines elektromagnetischen Ventils 61 abgegeben.
Das Bezugszeichen 27 bezeichnet eine Wasserstoffpumpe.
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Dieses
Ausführungsbeispiel beschreibt den Fall, in dem die Einlassdruck-Messvorrichtung 31 für das
Messen der Zustandsgröße (Druck Pin) des Fluids
vor dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 und
die Auslassdruck-Messvorrichtung 32 für das Messen
der Zustandsgröße (Druck Pout) des Fluids nach
dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 vorgesehen
sind und das Ausmaß der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 basierend auf
der Druckdifferenz (ΔP) zwischen den Drücken bestimmt,
die wie vorstehend beschrieben erhalten werden. Allerdings ist das
Verschlechterungs-Bestimmungsverfahren nicht auf das vorstehende
Beispiel beschränkt und die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 kann
das Ausmaß der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 auch
nur auf dem Druck (Pout) des Fluids nach dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 basierend
beurteilen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel kann der Druck auch in dem Zustand
gemessen werden, in dem die an dem Verunreinigungs-Entfernungselement 24 anhaftende
Flüssigkeit verringert ist. In diesem Fall kann die zu
dem Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gehörende
physikalische Größe in dem Zustand erfasst werden,
in dem die Störbestandteile wie beispielsweise das erzeugte
Wasser so weit wie möglich ausgeschlossen sind. Daher ist es
möglich, die Genauigkeit der Verschlechterungsbestimmung
des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 weiter zu verbessern.
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Zudem
beschreibt dieses Ausführungsbeispiel den Fall, in dem
die Erfassungseinrichtung 30 der physischen Größe
für das Erfassen des Drucks des Fluids vorgesehen ist.
Allerdings ist der Aufbau der Erfassungseinrichtung 30 der
physikalischen Größe nicht auf das vorstehende
Beispiel beschränkt und die Erfassungseinrichtung 30 der
physischen Größe kann einen anderen Aufbau besitzen,
solange sie die physikalischen Größen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 erfassen
kann.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie dies in
der 5 gezeigt ist, kann die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 folgendes besitzen:
eine Stützplatte 61, die sich stromaufwärtig des
Verunreinigungs-Entfernungselements 24 befindet (an der
oberen Oberfläche des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 in
der 5), deren Außenfläche an der
Innenwand des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 fixiert
ist, und bei der eine Vielzahl von Durchgangslöchern für
das Zuführen des Fluids zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement 24 ausgebildet
sind; eine bewegliche Platte 63, die sich stromabwärtig
des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 befindet (unter
der unteren Oberfläche des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 in
der 5) und nach oben und nach unten gleiten kann,
wobei sich ihre Außenfläche in Kontakt mit der
Innenwand der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 befindet,
und bei der eine Vielzahl von Durchgangslöchern 64,
die dazu in der Lage sind, das durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gelaufene
Fluid abzugeben, ausgebildet sind; ein Federelement 65,
das sich unter der beweglichen Platte 63 in der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 befindet
und eine Kraft auf die bewegliche Platte 63 in Richtung
der Stützplatte 61 aufbringt; und eine Positionserfassungsvorrichtung
(ein Positionssensor), die als die Erfassungseinrichtung 30 der
physikalischen Größe dient, die die Position der
beweglichen Platte 63 erfasst und sich in der beweglichen
Platte 63 befindet.
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In
dem Fall des vorstehend beschriebenen Aufbaus erfasst die Erfassungseinrichtung 30 der physikalischen
Größe die Bewegungsdistanz der beweglichen Platte 63 (die
zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gehörende
physikalische Größe) in Verbindung mit. dem Ausdehnen
oder dem Zusammenziehen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24,
das durch den Einfluss der in dem Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gefangenen
Verunreinigungen verursacht wird, und gibt diesen erfassten Wert
an die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 aus.
Die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 überprüft,
ob dieser erfasste Wert einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet
oder nicht. Wenn der erfasste Wert den vorbestimmten Grenzwert überschreitet,
gibt die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 ein
Signal dieses Ergebnisses an die Benachrichtigungseinrichtung 50 aus,
die dann anzeigt, dass es Zeit ist, das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 zu wechseln.
Andererseits wird, wenn der erfasste Wert den Grenzwert nicht überschreitet,
der Schritt für das Erfassen der Bewegungsdistanz der beweglichen Platte 63 und
das Überprüfen, ob der erfasste Wert den Grenzwert überschreitet
oder nicht, wiederholt.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in der 6 gezeigt
ist, kann eine Messvorrichtung der elektrischen Leitfähigkeit als
die Erfassungseinrichtung 30 der physikalischen Größe
anstelle der Einlassdruck-Messvorrichtung 31 und der Auslassdruck-Messvorrichtung 32 verwendet
werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel, das in der 6 gezeigt
ist, ist die Messvorrichtung der elektrischen Leitfähigkeit
an dem Abgabeanschluss 60 angeordnet, der sich unter der
Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 befindet,
so dass sie die elektrische Leitfähigkeit der Flüssigkeit
(des erzeugten Wassers) messen kann, das durch die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 von
dem Gas/Flüssigkeits-Fluid getrennt wurde.
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Wie
dies in der 7 gezeigt ist, besteht ein proportionales
Verhältnis zwischen der elektrischen Leitfähigkeit
der durch den Abgabeanschluss 60 aufgenommenen Flüssigkeit
und der nutzbaren Zeit des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 (der
Zeitdauer, während der das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 die
erforderliche Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit beibehält).
Dementsprechend kann die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 durch
das Messen der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit
und das Ausgeben des gemessenen Wertes (des erfassten Wertes) an
die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 überprüfen,
ob das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 die erforderliche
Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit besitzt oder nicht.
Genauer gesagt gibt, wenn die durch die Messvorrichtung der elektrischen
Leitfähigkeit (Erfassungseinrichtung 30 der physikalischen
Größe) gemessene elektrische Leitfähigkeit einen
vorbestimmten Grenzwert überschreitet, die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 ein Signal
dieses Ergebnisses an die Benachrichtigungseinrichtung 50 aus,
die dann anzeigt, dass es Zeit ist, das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 zu wechseln.
Andererseits werden, wenn diese elektrische Leitfähigkeit
den Grenzwert nicht überschreitet, die Messung der elektrischen
Leitfähigkeit und der Vergleich des gemessenen Werts mit
dem Grenzwert wiederholt.
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Das
in der 6 gezeigte Ausführungsbeispiel beschreibt
den Fall, in dem die Messvorrichtung der elektrischen Leitfähigkeit
(die Erfassungseinrichtung 30 der physikalischen Größe)
an dem Abgabeanschluss 60 angeordnet ist. Allerdings ist
der Aufbau der Erfindung nicht auf das vorstehend genannte Beispiel
beschränkt und die Messvorrichtung der elektrischen Leitfähigkeit
kann sich an einer anderen Position befinden, solange die elektrische
Leitfähigkeit des Fluids (Flüssigkeit, Gas oder
Gas/Flüssigkeits-Gemisch), das durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gelaufen
ist, an dieser Position gemessen werden kann.
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Zusätzlich
zu der Messvorrichtung der elektrischen Leitfähigkeit (der
Erfassungseinrichtung 30 der physikalischen Größe),
die sich an dem Abgabeanschluss 60 befindet, kann die Messvorrichtung
der elektrischen Leitfähigkeit auch an dem Wasserstoffausstoßkanal 19 angeordnet
sein, der sich stromaufwärtig der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 befindet,
um die elektrische Leitfähigkeit der dort strömenden
Flüssigkeit zu messen. Folglich kann eine Differenz zwischen
der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit
vor dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 und
der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit
nach dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 unter Verwendung
beider Messvorrichtungen der elektrischen Leitfähigkeit
berechnet werden.
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Wie
dies in der 8 gezeigt ist, besteht das inverse
proportionale Verhältnis zwischen einer elektrischen Leitfähigkeitsdifferenz – der
Differenz zwischen der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit vor
dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 und
der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit
nach dem Durchlaufen des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 – und
der nutzbaren Zeit des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 (die
Zeitdauer, in der das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 die
geforderte Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit beibehält).
Dementsprechend kann die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 durch
das Berechnen der elektrischen Leitfähigkeitsdifferenz
und das Ausgeben von dieser an die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 überprüfen,
ob das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 die erforderliche
Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit besitzt oder nicht.
Wenn die elektrische Leitfähigkeitsdifferenz einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet,
zeigt die Benachrichtigungseinrichtung 50 in der selben
Weise, die vorstehend beschrieben ist, an, dass es Zeit ist, das
Verunreinigungs-Entfernungselement 24 zu wechseln.
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Bei
einem Fahrzeug oder ähnlichem, das eine Brennstoffzelle
verwendet, wird durch die Brennstoffzelle erzeugtes Wasser im Übrigen
zu dem Zeitpunkt der Erzeugung von elektrischer Energie durch die
Brennstoffzelle durch einen Abgasschlauch zu der Außenseite
geleitet. Dementsprechend ist es möglich, eine elektrische
Isolation durch das erzeugte Wasser zwischen der Brennstoffzelle
und dem Fahrzeug vorzusehen.
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Zudem
kann ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung so aufgebaut sein, wie
dies in der 9 gezeigt ist, so dass die Brennstoffzelle 10 mit
einer Messvorrichtung 71 des erzeugten elektrischen Stroms
für das Messen des der durch die Brennstoffzelle 10 erzeugten
elektrischen Stroms verbunden ist, die Wasserstoffpumpe 27 mit
einer Pumpenbetriebs-Zustandmessvorrichtung 72 für
das Messen des Betriebszustands (wie beispielsweise die Anzahl der Umdrehungen,
des Ansaugdrucks und des Abgabedrucks) der Wasserstoffpumpe 27 verbunden
ist, die Messvorrichtung 71 der erzeugten elektrischen Stroms
und die Pumpenbetriebs-Zustandmessvorrichtung 72 mit der
Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 verbunden sind
und die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 mit
der Benachrichtigungseinrichtung 50 verbunden ist.
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Hierbei
besteht das proportionale Verhältnis zwischen der Menge
von Wasser (L), die von der Brennstoffzelle 10 abgegeben
wird, und der durch die Brennstoffzelle 10 erzeugten elektrischen
Energie. Genauer gesagt wird die Wassermenge (L) wie folgt ausgedrückt: L = C × I,wobei der Wert „C"
eine Konstante der Brennstoffzelle ist und der Wert „I"
ein elektrischer Stromwert ist. Diese Wassermenge (L) wird dazu
verwendet, einen Integralwert der Wassermenge zu berechnen.
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Andererseits
wird die Strömungsrate des Gases (Q), das durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 läuft,
wie folgt ausgedrückt: Q = Wasserstoffgasabgabemenge × Anzahl
der Pumpenumdrehungen × f(Ps) × f(t) × η,wobei
der Wert „Ps" ein Pumpansaugdruck ist, der Wert „t"
eine Temperatur ist und der Wert „η" der Ausdruck
f(Pd) ist.
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Der
Wert „Pd" ist ein Pumpenausstoßdruck. Diese Gasströmungsrate
(Q) wird dazu verwendet, einen Integralwert der Strömungsrate
des durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 laufenden Gases
zu berechnen.
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Wie
dies in der 10 gezeigt ist, besteht das
inverse proportionale Verhältnis zwischen dem Integralwert
der Wassermenge und dem Integralwert der Gasströmungsrate.
Dementsprechend kann die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 durch
das Berechnen des Integralwerts für die Wassermenge und
des Integralwerts für die Gasströmungsrate und
das Ausgeben dieser Werte an die Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 überprüfen,
ob das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 die erforderliche
Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit besitzt oder nicht.
Wenn das Verhältnis zwischen den vorstehend erhaltenen
Integralwerten einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, zeigt
die Benachrichtigungseinrichtung 50 an, dass es Zeit ist,
das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 zu wechseln.
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Das
in der 9 gezeigte Ausführungsbeispiel beschreibt
den Fall, in dem die Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
gemäß der Erfindung aus der Messvorrichtung 71 des
erzeugten elektrischen Stroms und der Pumpenbetriebs-Zustandmessvorrichtung 72 besteht.
Da die Wassermenge basierend auf dem erzeugten elektrischen Strom,
der durch die Messvorrichtung 71 des erzeugten elektrischen
Stroms gemessen wird, berechnet werden kann, ist es möglich,
die Zustandsgröße (die Strömungsrate)
der durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 laufenden
Flüssigkeit zu berechnen. Mit anderen Worten fungiert die
Messvorrichtung 71 des erzeugten elektrischen Stroms als
die Flüssigkeits-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung
für das Erfassen der Zustandsgröße (der
Strömungsrate) des durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 laufenden Fluids
basierend auf dem Betriebszustand (der erzeugten elektrischen Energie)
der Brennstoffzelle 10.
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Auch
die Zustandsgröße (die Strömungsrate)
des durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 laufenden
Gases kann basierend auf dem Pumpenbetriebszustand berechnet werden,
der durch die Pumpenbetriebs-Zustandmessvorrichtung 72 gemessen
wird. Mit anderen Worten dient die Pumpenbetriebs-Zustandmessvorrichtung 72 als
die Gas-Zustandsgrößen-Erfassungseinrichtung für
das Erfassen der Zustandsgröße (der Strömungsrate) des
durch das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 laufenden
Gases basierend auf dem Pumpenbetriebszustand, der durch den Betriebszustand
der Brennstoffzelle 10 bestimmt wird.
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Die
Zustandsgrößen des Gases können übrigens
zumindest entweder die Strömungsrate, der Druck oder die
Temperatur des Gases sein. Die Zustandsgrößen
der Flüssigkeit können zumindest entweder die
Strömungsrate, der Druck oder die Temperatur der Flüssigkeit
sein.
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Es
sind auch zahlreiche Arten von physikalischen Größen
wie beispielsweise pH-Wert der Fluids, die Fluidströmungsrate,
die Fluidtemperatur und der Betriebszustand der Brennstoffzelle
sowie die vorstehend beschriebenen als zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gehörenden
physikalischen Größen möglich. Es gibt
keine spezielle Beschränkung der Art der physikalischen
Größen.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschreiben
den Fall, bei dem das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 in
der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 angeordnet
ist. Allerdings ist die Position des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 nicht auf
dieses Beispiel beschränkt, sondern das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 kann
sich an einer gewünschten Position in dem Wasserstoffausstoßkanal 19 befinden.
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Zudem
beschreiben die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele
den Fall, bei dem das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 in
dem Wasserstoffzirkulationssystem angeordnet ist. Allerdings ist
die Position des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 nicht
auf dieses Beispiel beschränkt. Das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gemäß der Erfindung
kann in einem Oxidationsgas(Luft)-Zuführsystem oder in
anderen Rohrleitungssystemen angeordnet sein.
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Zudem
beschreiben die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele
den Fall, bei dem das Ionenaustauschharz als das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 verwendet
wird. Allerdings ist das Material für das Verunreinigungs-Entfernungselements
nicht auf dieses Beispiel beschränkt und das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gemäß der Erfindung
kann aus anderen Materialien gemacht sein, solange es Verunreinigungen
aus dem Fluid entfernen kann.
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Die
vorstehend genannten Ausführungsbeispiele beschreiben auch
den Fall, bei dem die Zyklon-Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
als die Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung 26 verwendet wird.
Allerdings ist die Art der Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung
nicht auf dieses Beispiel beschränkt und es ist klar, dass
auch eine Gas/Flüssigkeits-Trennvorrichtung für
das Trennen des Gas/Flüssigkeits-Fluids in ein Gas und
eine Flüssigkeit durch andere Verfahren verwendet werden
kann.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung besitzt
folgendes: eine Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
für das Erfassen der zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement
gehörenden physikalischen Größen; eine
Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung für das Bestimmen des
Ausmaßes der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
basierend auf den durch die Erfassungseinrichtung der physikalischen Größe
erfassten physikalischen Größen. Dementsprechend
kann das Ausmaß der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
basierend auf den zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement gehörenden
physikalischen Größen, wie sie durch die Erfassungseinrichtung
der physikalischen Größen erfasst werden, bestimmt
werden. Daher ist es möglich, herauszufinden, wann das
Verunreinigungs-Entfernungselement gewechselt werden sollte, und
das Verunreinigungs-Entfernungselement zu verwenden, bis das Verunreinigungs-Entfernungselement
seine erforderliche Verunreinigungs-Entfernungsfähigkeit
verliert. Es ist auch möglich, die Verwendung des verschlechterten
Verunreinigungs-Entfernungselements zu verhindern. Folglich kann
die Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert
werden und die Betriebskosten können verringert werden.
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Das
Verfahren für die Bestimmung der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
gemäß der Erfindung besitzt auch: einen Erfassungsschritt
des Erfassens der zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement gehörenden
physikalischen Größen; und einen Bestimmungsschritt
des Bestimmens des Ausmaßes des Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements
basierend auf den durch den Erfassungsschritt erfassten physikalischen
Größen. Dementsprechend ist es möglich,
den Verschlechterungszustand des Verunreinigungs-Entfernungselements
leicht zu bestimmen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Brennstoffzellensystem 1 besitzt ein Verunreinigungs-Entfernungselement 24 für
das Entfernen von Verunreinigungen aus einem Fluid, das von einer
Brennstoffzelle 10 abgegeben wird, und das Verunreinigungs-Entfernungselement 24 befindet sich
in einem Ausstoßkanal 19, durch den das von der
Brennstoffzelle 10 abgegebene Fluid strömt. Das Brennstoffzellensystem 1 besitzt
folgendes: eine Erfassungseinrichtung 30 der physikalischen
Größe für das Erfassen der zu dem Verunreinigungs-Entfernungselement 24 gehörenden
physikalischen Größen; und eine Verschlechterungs-Bestimmungseinrichtung 40 für
das Bestimmen des Ausmaßes der Verschlechterung des Verunreinigungs-Entfernungselements 24 basierend
auf den durch die Erfassungseinrichtung 30 der physikalischen
Größe erfassten physikalischen Größen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2002-313404
A [0005]
- - JP 5-315002 A [0005]
- - JP 2002-298892 A [0005]
- - JP 2003-346845 A [0005]