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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem,
das einen Tank für
flüssigen
Brennstoff besitzt.
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STAND DER TECHNIK
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Im
Allgemeinen ist eine Brennstoffzelle eine Vorrichtung, die elektrische
Leistung aus einem Brennstoff, Wasserstoff und Sauerstoff gewinnt. Brennstoffzellen
werden in großem
Umfang als eine Energieversorgungsvorrichtung entwickelt, weil sie hinsichtlich
ihrer Auswirkung auf die Umwelt überlegen
sind und einen hohen energetischen Wirkungsgrad erreichen können.
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Es
gibt untersuchte Verfahren, die Brennstoffzelle mit Wasserstoff
zu versorgen, wie etwa ein Verfahren, das in einem Speicherabschnitt,
wie einem Hochdruck-Wasserstofftank, einem Tank für ein Wasserstoff
speicherndes Gemisch (hydrogen storing alloy tank), oder einem Tank
für flüssigen Wasserstoff
gespeicherten Wasserstoff zuführt.
Flüssiger Wasserstoff
ist untersucht als Wasserstoffversorgung für die Brennstoffzelle, weil
flüssiger
Wasserstoff eine hohe Energiespeicherungsdichte und eine hohe Effizienz
beim Laden des Wasserstoffs in einen Speicherabschnitt aufweist.
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Jedoch
entsteht möglicherweise
wegen einer Verdampfung des flüssigen
Wasserstoffs ein Abdampfgas, wenn der Tank für flüssigen Wasserstoff von außen erwärmt wird.
Der Druck im Tank für
flüssigen
Wasserstoff steigt durch Erzeugung des Abdampfgases an. Es ist deshalb
erforderlich, das Abdampfgas, falls nötig, abzuführen.
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Das
Patentdokument 1 offenbart ein Verfahren zur Speicherung des Abdampfgases
in einem Druckbehälter
und zur Zuleitung des im Druckbehälter gespeicherten Abdampfgases
zur Brennstoffzelle beim Start der Brennstoffzelle. Es ist möglich, das Abdampfgas
als Brennstoff der Brennstoffzelle einzusetzen.
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- Patentdokument 1: Japanische
Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2003-56799 .
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
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Bei
der Anwendung des durch das Patentdokument 1 offenbarten Verfahrens
bei einem Brennstoffzellensystem ist es jedoch erforderlich, einen Druckbehälter zur
Aufnahme des Abdampfgases vorzusehen. Demgemäß wird die Konstruktion des Brennstoffzellensystems
kompliziert.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das in
der Lage ist, das Abdampfgas effizient zu nutzen und das eine vereinfachte Konstruktion
aufweist.
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MITTEL ZUR LÖSUNG DER
PROBLEME
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es einen Speicherabschnitt,
eine Brennstoffzelle, einen Brennstoff-Versorgungsabschnitt, ein Wasserstoffkreislaufsystem
und einen Abdampfgas-Versorgungsabschnitt
umfaßt.
Der Speicherabschnitt speichert flüssigen Wasserstoff. Die Brennstoffzelle benutzt
flüssigen
Wasserstoff als Brenngas. Der Brennstoff-Versorgungsabschnitt führt einer
Anode der Brennstoffzelle Wasserstoffgas zu. Das Wasserstoffgas
wird durch Verdampfung des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs
erzeugt. Das Wasserstoffkreislaufsystem schließt die Anode der Brennstoffzelle
ein. Der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt führt im Speicherabschnitt entstehendes
Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zu.
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Beim
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
wird der flüssige
Wasserstoff im Speicherabschnitt gespeichert. Das durch die Verdampfung
des im Speicherabschnitt gespeicherten flüssigen Wasserstoffs erzeugte
Wasserstoffgas wird durch den Brennstoff-Versorgungsabschnitt der
Anode der Brennstoffzelle zugeführt.
Das im Speicherabschnitt erzeugte Abdampfgas wird durch den Abdampfgas-Versorgungsabschnitt
dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt. In diesem Falle wird verhindert, daß das Abdampfgas
nach außen
abgeführt
wird, weil das Abdampfgas in das Wasserstoffkreislaufsystem eingeführt wird.
Es ist deshalb nicht erforderlich eine Behandlungsvorrichtung wie
eine Vorrichtung zur Verdünnung
des nach außen
abgeführten
Abgases vorzusehen. Demgemäß wird die
Konstruktion des Brennstoffzellensystems vereinfacht. Die Brennstoffzelle
kann das Abdampfgas als Brennstoff für die Erzeugung elektrischer
Leistung benutzen, wenn die Brennstoffzelle elektrische Leistung
erzeugt. Es ist deshalb möglich,
das Abdampfgas wirkungsvoll zu nutzen. Es ist möglich, das Abdampfgas im Wasserstoffkreislaufsystem
einzuschließen,
wenn das Brennstoffzellensystem keine elektrische Leistung erzeugt
und die Brennstoffzelle kann das Abdampfgas bei der nächsten Erzeugung
von elektrischer Leistung als Brennstoff nutzen. Es ist deshalb
möglich,
das Abdampfgas wirkungsvoll zu nutzen. Damit ist es möglich, das
Absinken des energetischen Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems
zu verhindern.
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Der
Abdampfgas-Versorgungsabschnitt kann ein erstes Ventil aufweisen,
das dem Wasserstoffkreislaufsystem das Abdampfgas zuführt, wenn der
Druck des Abdampfgases größer ist
als ein Schwellenwert. In diesem Falle wird verhindert, daß der Druck
im Speicherabschnitt übermäßig ansteigt. Der
Abdampfgas-Versorgungsabschnitt
kann ein zweites Ventil aufweisen, das einen Rückfluß des Abdampfgases vom Wasserstoffkreislaufsystem
in den Speicherabschnitt verhindert. In diesem Falle wird verhindert,
daß der
im Anodenabgas eingeschlossene Dampf usw. in den Speicherabschnitt
einströmt. Es
ist deshalb möglich,
die Korrosion des ersten Ventils zu verhindern.
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Das
Wasserstoffkreislaufsystem kann einen Wasserstoffumwälzabschnitt
aufweisen, der den Wasserstoff im Wasserstoffkreislaufsystem umwälzt. In
diesem Falle ist es möglich,
die Menge des durch den Wasserstoffumwälzabschnitt der Anode zugeführten Wasserstoffs
zu steuern. Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der
das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem
zugeführt
wird, kann stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt im Wasserstoffkreislaufsystem
und stromab von der Anode angeordnet sein.
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Das
Wasserstoffkreislaufsystem kann einen Auslaßabschnitt aufweisen, der stromauf
vom Wasserstoffumwälzabschnitt
und stromab von der Anode angeordnet ist und ein Gas im Wasserstoffkreislaufsystem
abführt.
In diesem Falle ist es möglich,
Stickstoff usw. beim Einströmen
von der Kathode in die Anode abzuführen. Eine Position des Wasserstoffkreislaufsystems,
an der das Abdampfgas aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem
Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt
wird, kann stromauf vom Wasserstoffumwälzabschnitt und stromab vom Auslaßabschnitt
angeordnet sein. In diesem Falle ist es möglich, ein Ausströmen von
Wasserstoff aus dem Auslaßabschnitt
zu verhindern.
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Eine
Position des Wasserstoffkreislaufsystems, an der das Abdampfgas
aus dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt dem Wasserstoffkreislaufsystem
zugeführt
wird, kann sich in der Mitte der Anode befinden. In diesem Falle
wird verhindert, daß sich
auf der Auslaßseite
der Anode die Dichte des Wasserstoffs verringert. Demgemäß wird die
elektrische Leistung in jedem Bereich der Brennstoffzelle im wesentlichen
gleich erzeugt.
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Das
Brennstoffzellensystem kann weiter einen Druckfeststellungsabschnitt
umfassen, der den Druck im Wasserstoffkreislaufsystem ermittelt,
und einen Ermittlungsabschnitt, der feststellt, ob das Abdampfgas
dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird, wenn ein vom Druckfeststellungsabschnitt
festgestellter Wert größer ist
als ein Schwellenwert. In diesem Falle wird festgestellt, ob das
Abdampfgas im Speicherabschnitt erzeugt wird. Der Druckfeststellungsabschnitt
kann stromab vom Wasserstoffumwälzabschnitt
und stromauf von der Anode vorgesehen sein.
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Das
Brennstoffzellensystem kann weiter eine Steuerung für die Umwälzmenge
des Wasserstoffs umfassen, die die Menge des im Wasserstoffkreislaufsystem
strömenden
Wasserstoffs steuert. In diesem Falle ist es möglich, mit der Steuerung für die Umwälzmenge
des Wasserstoffs die Menge des der Anode zugeführten Wasserstoffs zu ermitteln.
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Der
Wasserstoffumwälzabschnitt
kann eine Wasserstoffpumpe sein. Die Steuerung für die Umwälzmenge des Wasserstoffs kann
die Drehzahl der Wasserstoffpumpe steuern, wenn der Ermittlungsabschnitt
feststellt, daß das
Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird. In diesem Falle ist
es selbst dann, wenn das Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem
zugeleitet wird, möglich,
mit der Steuerung der Drehzahl für
die Wasserstoffpumpe der Anode eine für die elektrische Erzeugung
in der Brennstoffzelle erforderliche Wasserstoffmenge zuzuführen. Die
Steuerung für
die Umwälzmenge des
Wasserstoffs kann die Wasserstoffpumpe derart steuern, daß die Drehzahl
der Wasserstoffpumpe verringert wird, wenn der Ermittlungsabschnitt
feststellt, daß das
Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem zugeführt wird. In diesem Falle wird
verhindert, daß der
Brennstoffzelle eine übermäßige Menge
Wasserstoff zugeführt
wird.
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Das
Brennstoffzellensystem kann einen Störungserkennungsabschnitt umfassen,
der feststellt, daß der
Speicherabschnitt gestört
ist, wenn der von vom Druckfeststellungsabschnitt festgestellte
Wert über
eine gegebene Zeit hinaus größer ist
als der Schwellenwert. In diesem Falle wird nicht festgestellt, daß der Speicherabschnitt
gestört
ist, wenn für
die gegebene Zeit der durch den Druckfeststellungsabschnitt festgestellte
Wert nicht größer ist
als der Schwellenwert. Es wird deshalb festgestellt, ob das Abdampfgas
kurzzeitig oder kontinuierlich erzeugt wird.
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Der
Speicherabschnitt kann einen Flüssigkeitsverdampfungsabschnitt
aufweisen. Das Brennstoffzellensystem kann eine Steuerung aufweisen, die
eine Aktion des Flüssigkeitsverdampfungsabschnitts
steuert und die Aktion des Flüssigkeitsverdampfungsabschnitts
stoppt, wenn der Störungserkennungsabschnitt
feststellt, daß der
Speicherabschnitt gestört
ist. In diesem Falle wird verhindert, daß eine große Menge Wasserstoff verdampft
und ein unerwarteter Wasserstoffverbrauch wird verhindert.
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WIRKUNG DER ERFINDUNG
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Infolge
der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, eine Behandlungsvorrichtung,
wie eine Verdünnungsvorrichtung,
für das
nach außen abgeführte Abdampfgas
vorzusehen. Demgemäß wird die
Konstruktion des Brennstoffzellensystems vereinfacht. Der energetische
Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wird verbessert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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2 zeigt
den von einem Druckfühler
festgestellten Gasdruck;
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Steuerungsablaufs bei einer
Steuerung in dem Falle, in dem das Abdampfgas einer Rohrleitung zugeführt wird;
und
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4 zeigt
ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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BESTE WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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(Erste Ausführungsform)
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Die 1 zeigt
ein Schaltbild der Gesamtanordnung einer ersten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems 100. Wie in 1 gezeigt,
besitzt das Brennstoffzellensystem 100 eine Luftpumpe 1, eine
Befeuchtungsvorrichtung 2, eine Brennstoffzelle 3,
Drucksteuerventile 4 und 8, eine Verdünnungsvorrichtung 5,
einen Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff, ein Hauptventil 7, eine Wasserstoffpumpe 9,
Druckfühler 10 und 11,
ein Wasserstoffauslaßventil 12,
ein Rückschlagventil 13,
ein Überdruckventil 14,
eine Heizvorrichtung 15 und eine Steuerung 20.
Die Brennstoffzelle 3 besitzt eine Kathode 3a und
eine Anode 3b.
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Die
Luftpumpe 1 ist über
eine Leitung 101 mit einem Einlaß der Kathode 3a der
Brennstoffzelle 3 verbunden. Die Leitung 101 führt durch
die Befeuchtungsvorrichtung 2. Ein Auslaß der Kathode 3a ist über eine
Leitung 102 mit der Verdünnungsvorrichtung 5 verbunden.
Die Leitung 102 fürt über das Drucksteuerventil 4.
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Die
Heizvorrichtung 15 ist im Tank 6 für flüssigen Wasserstoff
aufgenommen. Der Tank 6 für flüssigen Wasserstoff ist über Leitungen 103 und 104 mit einem
Einlaß der
Anode 3b der Brennstoffzelle 3 verbunden. Die
Leitung 103 führt
vom Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff aus aufeinanderfolgend über das Hauptventil 7 und
das Überdruckventil 8.
Ein erstes Ende der Leitung 104 ist mit der Leitung 103 verbunden.
Ein zweites Ende der Leitung 104 ist mit dem Einlaß der Anode 3b verbunden.
Ein Auslaß der
Anode 3b ist über
eine Leitung 105 mit der Leitung 104 verbunden.
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Die
Leitung 105 führt über die
Wasserstoffpumpe 9. In der Leitung 105 ist zwischen
der Wasserstoffpumpe 9 und dem Auslaß der Anode 3b der Druckfühler 10 vorgesehen.
Eine Leitung 107 verbindet die Mitte der Leitung 105 und
die Verdünnungsvorrichtung 5.
Die Leitung 105 steht mit der Leitung 107 an einem
Punkt zwischen dem Auslaß der
Anode 3b und dem Druckfühler 10 in
Verbindung. Die Leitung 107 führt über das Wasserstoffauslaßventil 12. Die
Verdünnungsvorrichtung 5 führt nach
außen.
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Der
Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff ist über eine
Leitung 106 mit der Mitte der Leitung 105 verbunden.
Die Leitung 106 führt
vom Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff aus aufeinanderfolgend über das Überdruckventil 14 und
das Rückschlagventil 13.
Die Leitung 105 ist mit der Leitung 106 an einem
Punkt zwischen dem Druckfühler 10 und
der Wasserstoffpumpe 9 verbunden.
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Die
Steuerung 20 besitzt eine Zentraleinheit (CPU), einen Festwertspeicher
(ROM) usw. Die Steuerung 20 empfängt die Ergebnisse aus den
Druckfühlern 10 und 11 und
steuert die Luftpumpe 1, die Befeuchtungsvorrichtung 2,
die Drucksteuerventile 4 und 8, das Hauptventil 7,
die Wasserstoffpumpe 9, das Wasserstoffauslaßventil 12 und
die Heizvorrichtung 15.
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Nun
folgt die Beschreibung einer Aktion des Brennstoffzellensystems 100.
Die Luftpumpe 1 empfängt
einen Befehl von der Steuerung 20 und liefert über die
Leitung 101 eine erforderliche Menge von Luft an die Befeuchtungsvorrichtung 2.
Die Befeuchtungsvorrichtung 2 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und
steuert die Luftfeuchtigkeit. Die Luft, deren Feuchtigkeit von der
Befeuchtungsvorrichtung 2 gesteuert wurde, wird über die
Leitung 101 an die Kathode 3a geliefert.
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In
der Brennstoffzelle 3 wird von den an der später beschriebenen
Anode 3b umgewandelten Protonen und dem in der der Kathode 3a zugeführten Luft
enthaltenen Sauerstoff Wasser und elektrische Energie erzeugt. Das
so erzeugte Wasser formt sich durch die Reaktionswärme der
Protonen und des Sauerstoffs in Wasserdampf um. Der an der Kathode 3a erzeugte
Wasserdampf und die nicht mit den Protonen reagierende Luft werden über die
Leitung 102 als Kathodenabgas der Verdünnungsvorrichtung 5 zugeführt. Das
Drucksteuerventil 4 empfängt einen Befehl von der Steuerung 20 und
steuert den Druck des der Verdünnungsvorrichtung 5 von
der Kathode 3a zugeführten
Kathodenabgases.
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Der
Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff ist mit einem Wärmeisoliermaterial
bedeckt und speichert flüssigen
Wasserstoff als Brennstoff für
die Brennstoffzelle 3. Die Heizvorrichtung 15 empfangt
einen Befehl von der Steuerung 20 und steuert die Temperatur
des Tanks 6 für
flüssigen
Wasserstoff. Deshalb verdampft die erforderliche Menge des flüssigen Wasserstoffs.
Der im Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff verdampfte Wasserstoff wird über die Leitungen 103 und 104 der
Anode 3b zugeführt.
Das Hauptventil 7 empfängt
einen Befehl von der Steuerung 20 und öffnet und schließt die Leitung 103.
Deshalb kann die Steuerung 20 die Versorgung der Anode 3b mit
dem im Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff verdampften Wasserstoff steuern. Das Drucksteuerventil 8 empfängt einen
Befehl von der Steuerung 20 und steuert den Druck des der
der Anode 3b vom Tank 6 für flüssigen Wasserstoff zugeführten Wasserstoffs.
Deshalb kann die Steuerung 20 die Menge des der Anode 3b aus
dem Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff zugeführten
Wasserstoffs steuern.
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An
der Anode 3b wird der Wasserstoff in Protonen umgeformt.
Der nicht in Protonen umgeformte Wasserstoff wird über die
Leitung 105 als Anodenabgas der Wasserstoffpumpe 9 zugeführt. Die
Wasserstoffpumpe 9 ist von einer Bauart wie etwa eine Schnecken-
oder Schraubenpumpe, und liefert das Anodenabgas über die
Leitungen 105 und 104 an die Anode 3b.
Der Druckfühler 10 stellt
den Druck des in der Leitung 105 strömenden Anodenabgases fest und übermittelt
das festgestellte Ergebnis an die Steuerung 20. Der Druckfühler 11 stellt
den Druck des durch die Wasserstoffpumpe 9 komprimierten Anodenabgases
fest und übermittelt
das festgestellte Ergebnis an die Steuerung 20.
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Das
Wasserstoffauslaßventil 12 empfängt einen
Befehl von der Steuerung 20 und öffnet und schließt die Leitung 107.
Deshalb steuert die Steuerung 20 das Abblasen des in der
Leitung 105 strömenden
Anodenabgases zur Verdünnungsvorrichtung 5.
In diesem Falle ist es möglich,
von der Kathode 3a in die Anode 3b strömenden Stickstoff
und dergleichen auszublasen. Die Verdünnungsvorrichtung 5 oxidiert
das Kathodenabgas von der Kathode 3a und das Anodenabgas
von der Anode 3b und führt das
oxidierte Gas nach der Außenseite
des Brennstoffzellensystems 100 ab.
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Das Überdruckventil 14 führt den
Wasserstoff im Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff als Abdampfgas in die Leitung 106 ein, wenn
der Druck im Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff über
dem vorgegebenen Druck liegt. Damit wird verhindert, daß der Druck
im Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff übermäßig hoch wird.
Der in die Leitung 106 eingeleitete Wasserstoff wird der
Leitung 105 zugeführt.
Das Rückschlagventil 13 gestattet
dem vom Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff in die Leitung 105 strömenden Wasserstoff den Weg
in die Leitung 105 und verhindert, daß Wasserstoff aus der Leitung 105 in
den Tank 6 für
flüssigen Wasserstoff
strömt.
Es ist deshalb möglich,
die durch im Anodenabgas enthaltenen Dampf usw. verursachte Korrosion
des Rückschlagventils 14 zu
begrenzen.
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Die
durch das verdampfte Gas verursachte Temperaturabsenkung der Brennstoffzelle 3 wird
dadurch behindert, daß das
Abdampfgas der Anode 3b über die Leitungen 105 und 104 zugeführt wird.
Deshalb ist das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der Ausführungsform
leistungsfähiger,
wenn die Brennstoffzelle 3 elektrische Leistung erzeugt.
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Im
Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Ausführungsform bilden die Leitungen 104 und 105 und
die Anode 3b einen abgedichteten Raum. Und es wird verhindert,
daß das
Abdampfgas nach außen abgeführt wird.
Deshalb ist es nicht erforderlich, eine weitere Behandlungsvorrichtung,
wie eine Verdünnungsvorrichtung,
für das
nach außen
entweichende Abdampfgas vorzusehen. Demgemäß ist die Konstruktion des
Brennstoffzellensystems 100 vereinfacht. Das Volumen des
von den Leitungen 104 und 105 und der Anode 3b gebildeten,
abgedichteten Raums kann beim Entwurf des Brennstoffzellensystems
auf einen bevorzugten Wert eingestellt werden, obwohl das Volumen
bei der Ausführungsform 3 bis 4 Liter
beträgt.
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Die
Brennstoffzelle 3 kann das Abdampfgas als Brennstoff für die Erzeugung
elektrischer Leistung benutzen, wenn die Brennstoffzelle 3 elektrische Leistung
erzeugt. In diesem Falle steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart,
daß die Drehzahl
der Wasserstoffpumpe 9 reduziert wird. Es ist deshalb möglich, eine
unerwartete Aktion der Wasserstoffpumpe 9 und einen unvorhergesehenen Verbrauch
von flüssigem
Wasserstoff zu behindern. Demgemäß wird der
energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 verbessert.
Einzelheiten werden später
erwähnt.
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Es
ist möglich,
daß das
Abdampfgas in dem von den Leitungen 104 und 105 und
der Anode 3b gebildeten, abgedichteten Raum abgeschlossen werden
kann, wenn die Brennstoffzelle 3 keine elektrische Leistung
erzeugt, und die Brennstoffzelle 3 kann das Abdampfgas
als Brennstoff bei der nächsten
Erzeugung elektrischer Leistung benutzen. Es ist deshalb möglich, den
unvorhergesehenen Verbrauch von flüssigem Wasserstoff zu verhindern.
Demgemäß ist es
möglich,
die Verringerung des energetischen Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 100 zu
verhindern.
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Es
ist möglich,
durch eine Steuerung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 die
der Anode 3b zugeführte
Wasserstoffmenge zu steuern, weil das Abdampfgas der Leitung 105 an
der in Bezug auf die Wasserstoffpumpe 9 stromauf gelegenen
Seite zugeführt
wird.
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Bei
der Ausführungsform
liefert die Wasserstoffpumpe 9 das Abdampfgas an die Anode 3b.
Andere Versorgungsabschnitte, wie ein veränderlicher Ejektor, können statt
der Wasserstoffpumpe 9 vorgesehen sein. Die Brennstoffzelle 3 ist
nicht auf den Fall der Ausführungsform
beschränkt,
wenn die Brennstoffzelle 3 Wasserstoffgas als Brennstoff
benutzt. Ein weiterer Druckfühler
kann in der Leitung 106 stromauf vom Rückschlagventil 13 verwendet
werden, und das Einströmen
des Abdampfgases feststellen.
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Der
Druckfühler
stellt bei der Ausführungsform
das Einströmen
des Abdampfgases in die Leitung 106 fest. Ein Durchflußmesser
kann bei der Ausführungsform
das Einströmen
des Abdampfgases in die Leitung 106 feststellen. In diesem
Falle kann der Durchflußmesser
auf der stromauf gelegenen Seite des Rückschlagventils 13 vorgesehen
sein, oder der Durchflußmesser
kann anstelle des Druckfühlers 11 eingebaut
sein, und der Durchflußmesser
kann das Einströmen
des Abdampfgases in die Leitung 106 feststellen.
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Es
folgt nun eine Beschreibung des Drucks des in die Leitung 105 einströmenden Gases.
Die 2 zeigt den vom Druckfühler 11 ermittelten
Gasdruck. Die vertikale Achse der 2 zeigt
den durch den Druckfühler 11 ermittelten
Gasdruck an. Die horizontale Achse der 1 zeigt
die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 an.
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Wie
durch eine durchgezogene Line X in 2 gezeigt,
steigt der Gasdruck in der Leitung 105 entsprechend der
Zunahme der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 an. Die durchgezogene
Linie Y zeigt die theoretische Zahl an, die aus der Wasserstoffmenge,
die für
die elektrische Erzeugung der Brennstoffzelle 3 erforderlich
ist, und der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 berechnet
ist. Demgemäß ist die
Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 proportional dem Gasdruck
in der Leitung 105 in der durchgezogenen Linie X. Jedoch
ist, wie in einer gestrichelten Linie Y in 2 gezeigt
ist, der Gasdruck in der Leitung 105 gestreut, wegen einer
Streuung der Komprimierungseffizienz der Wasserstoffpumpe 9 usw.. Eine
punktierte Linie Z in 2 zeigt ein Maximum des Gasdrucks
in der Leitung 105 in Bezug auf die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9,
berechnet, wenn die Streuung der Komprimierungseffizienz der Wasserstoffpumpe 9 in
Betracht gezogen wird. Deshalb strömt das Abdampfgas in die Leitung 105,
wenn der vom Druckfühler 11 festgestellte
Gasdruck sich oberhalb der punktierten Linie befindet. Demgemäß ist es möglich, das
Einströmen
des Abdampfgases in die Leitung 105 mit der punktierten
Linie Z der 2 zu ermitteln.
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Nun
folgt eine Beschreibung einer Aktion der Steuerung 20 in
einem Falle, in dem das Abdampfgas der Leitung 105 zugeführt wird.
Die 3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften
Steuerungsablaufs bei einer Steuerung in dem Falle, in dem das Abdampfgas
einer Rohrleitung zugeführt wird.
Die Steuerung 20 wiederholt die Aktion nach einem gegebenen
Intervall (beispielsweise wenige Millisekunden).
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Wie
in 3 gezeigt, stellt die Steuerung 20 fest,
ob der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als ein gegebener Druck
(Schritt S1). Insbesondere kann die Steuerung 20 diese
Feststellung auf der Basis des Ermittlungsergebnisses des Druckfühlers 11 und der
gepunkteten Linie in 2 treffen.
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Wenn
beim Schritt S1 festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist
als der gegebene Druck, steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart,
daß die
Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 sinkt (Schritt S2). Danach
wartet die Steuerung 20 während einer gegebenen Zeitspanne, beispielsweise
5 Sekunden (Schritt S3). Dann stellt die Steuerung 20 fest,
ob der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist als ein gegebener Druck
(Schritt S4). Insbesondere kann die Steuerung 20 diese
Feststellung auf der Basis des Ermittlungsergebnisses des Druckfühlers 11 und
der gepunkteten Linie Z in 2 treffen.
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Wenn
beim Schritt S4 festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist
als der gegebene Druck, stoppt die Steuerung 20 die Energiezufuhr
zur Heizvorrichtung 15 (Schritt S5). Danach beginnt die
Steuerung 20 die Schrittfolge wieder mit dem Schritt S1.
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Wenn
beim Schritt S4 nicht festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist
als der gegebene Druck, steuert die Steuerung 20 die Wasserstoffpumpe 9 derart,
daß sie
mit einer üblichen
Drehzahl läuft
(Schritt S6). Danach beginnt die Steuerung 20 die Schrittfolge
wieder mit dem Schritt S1.
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Wenn
beim Schritt S1 nicht festgestellt wird, daß der Gasdruck in der Leitung 105 größer ist
als der gegebene Druck, beginnt die Steuerung 20 die Schrittfolge
wieder mit dem Schritt S1.
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Wie
oben erwähnt,
wird dem obigen Ablaufdiagramm folgend festgestellt, ob das Abdampfgas
in die Leitung 105 einströmt. Wenn das Abdampfgas in die
Leitung 105 einströmt,
wird die übermäßige Zufuhr
von Wasserstoff zur Brennstoffzelle 3 durch die Verringerung
der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 9 verhindert. Deshalb
wird ein unvorhergesehener Verbrauch von Wasserstoff verhindert
und die unvorhergesehene Aktion der Wasserstoffpumpe 9 wird
verhindert. Demgemäß wird der
Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 verbessert.
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Zusätzlich wird
festgestellt, ob das Abdampfgas kurzzeitig oder kontinuierlich erzeugt
wird, weil festgestellt wird, ob das Abdampfgas während mehr als
der gegebenen Zeit in die Leitung 105 einströmt. Deshalb
kann eine Störung
der Heizvorrichtung 15 rasch entdeckt werden. Es wird somit
verhindert, daß eine
große
Menge der flüssigen
Wasserstoffs verdampft und der unerwartete Verbrauch von Wasserstoff
wird verhindert.
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Falls
das Abdampfgas nicht länger
als während
der gegebenen Zeit in die Leitung 105 einströmt, läuft die
Wasserstoffpumpe 9 mit der üblichen Drehzahl ohne Stopp
der Aktion der Heizvorrichtung 15 und die Brennstoffzelle 3 setzt
die Erzeugung elektrischer Leistung stabil fort.
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Die
obige Ausführungsform
schließt
ein, jedoch nicht auf den Fall beschränkt, daß eine Störung der Heizvorrichtung 15 festgestellt
wird, daß beim Schritt
S4 festgestellt wird, daß der
Gasdruck in der Leitung 105 höher ist als der gegebene Gasdruck. Beispielsweise
kann festgestellt werden, daß beim Tank 6 für flüssigen Wasserstoff
ein Fehler an der Wärmeisolierung
auftritt, und es kann festgestellt werden, daß das Überdruckventil 14 defekt
ist.
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Bei
der Ausführungsform
entspricht der Tank 6 für
flüssigen
Wasserstoff dem Speicherabschnitt. Das Hauptventil 7 entspricht
dem Brennstoff-Versorgungsabschnitt. Die Leitungen 104 und 105 und
die Anode 3b entsprechen dem Wasserstoffkreislaufsystem.
Das Überdruckventil 14 entspricht
dem Abdampfgas-Versorgungsabschnitt.
Die Wasserstoffpumpe 9 entspricht dem Wasserstoffumwälzabschnitt.
Die Steuerung 20 entspricht der Mengensteuerung des Wasserstoffkreislaufs,
dem Ermittlungsabschnitt, dem Störungserkennungsabschnitt und
der Steuerung. Der Druckfühler 11 entspricht dem
Druckfeststellungsabschnitt. Die Heizvorrichtung 15 entspricht
dem Flüssigkeitsverdampfungsabschnitt.
Das Überdruckventil 14 entspricht
dem zweiten Ventil. Das Wasserstoffauslaßventil 12 entspricht dem
Auslaßabschnitt.
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(Zweite Ausführungsform)
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Die 4 zeigt
ein Schaltbild der Gesamtanordnung des Brennstoffzellensystems 100a gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
Beim Brennstoffzellensystem 100a ist die Leitung 106 nicht
mit der Leitung 105, sondern mit der Mitte der Anode 3b verbunden
und unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten
Brennstoffzellensystem 100.
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Der
der Anode 3b zugeführte
Wasserstoff wird für
die Erzeugung elektrischer Leistung benutzt, wenn der Wasserstoff
an der Anode 3b fließt,
und die Dichte des Wasserstoffs nimmt nahe des Auslasses der Anode 3b ab.
Demgemäß wird die
elektrische Leistung in der Brennstoffzelle 3 nicht gleichmäßig erzeugt.
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Das
Abdampfgas wird bei der Ausführungsform
in der Mitte der Anode 3b zugeführt. und die Verringerung der
Wasserstoffdichte auf der Auslaßseite
der Anode 3b wird beschränkt. Demgemäß wird die elektrische Leistung
in jedem Bereich der Brennstoffzelle 3 im wesentlichen
gleich erzeugt. Die Verbindungsposition der Leitung 106 und
der Anode 3b ist nicht begrenzt, wenn die Leitung 106 mit
der Mitte der Anode 3b verbunden wird.
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Beim
Brennstoffzellensystem 100a ist gemäß der Ausführungsform der Ausstoß des Abdampfgases
zur Außenseite
behindert. Es ist deshalb nicht erforderlich, eine weitere Behandlungsvorrichtung,
wie die Verdünnungsvorrichtung,
für das nach
außen
abströmende
Abdampfgas vorzusehen. Demgemäß wird die
Konstruktion des Brennstoffzellensystems 100a vereinfacht.
Es ist möglich,
das Abdampfgas in dem von den Leitungen 104 und 105 und
der Anode 3b gebildeten, abgedichteten Raum einzuschließen, wenn
die Brennstoffzelle 3 keine elektrische Leistung erzeugt,
und die Brennstoffzelle 3 kann bei der nächsten Erzeugung
elektrischer Leistung das Abdampfgas als Brennstoff benutzen. Es
ist deshalb möglich,
den Verlust an Wasserstoff zu begrenzen. Demzufolge ist es möglich, die
Verringerung der Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems 100a zu
verhindern.
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
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Das
Brennstoffzellensystem (100) umfaßt einen Speicherabschnitt
(6), eine Brennstoffzelle (3), einen Brennstoff-Versorgungsabschnitt
(7), ein Wasserstoffkreislaufsystem (104, 105, 3b)
und einen Abdampfgas-Versorgungsabschnitt
(14. Der Speicherabschnitt (6) speichert flüssigen Wasserstoff.
Die Brennstoffzelle (3) benutzt flüssigen Wasserstoff als Brenngas.
Der Brennstoff-Versorgungsabschnitt
(7) führt
einer Anode der Brennstoffzelle (3) Wasserstoffgas zu.
Das Wasserstoffgas wird durch Verdampfung des im Speicherabschnitt
(6) gespeicherten flüssigen Wasserstoffs
erzeugt. Das Wasserstoffkreislaufsystem (104, 105, 3b)
schließt
die Anode der Brennstoffzelle (3) ein. Der Abdampfgas-Versorgungsabschnitt (14)
führt im
Speicherabschnitt (6) entstehendes Abdampfgas dem Wasserstoffkreislaufsystem
(14, 105, 3b) zu.