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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellensystem ist so aufgebaut, dass einer Brennstoffzelle ein Brenngas und ein gasförmiges Oxidationsmittel über entsprechende Durchlässe für die Gaszufuhr zugeführt werden, um Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion dieser Gase in einem Brennstoffzellenkörper zu erzeugen. Durch die elektrochemische Reaktion wird in dem Brennstoffzellenkörper Wasser erzeugt und dieses Wasser ist in dem Abgas eines Oxidationsmittels (einem aus dem Brennstoffzellenkörper abgeführten gasförmigen Oxidationsmittel) enthalten, das aus dem Brennstoffzellenkörper abgeführt wird. Es wird angemerkt, dass Wasser normalerweise auch in einem Abgas des Brenngases (einem aus dem Brennstoffzellenkörper abgeführten Brenngas) enthalten ist, da das Brenngas dem Brennstoffzellenkörper über einen Elektrolyten zugeführt wird.
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Wenn die Außenluftemperatur bei Stillstand des Brennstoffzellensystems auf den Gefrierpunkt oder darunter abfällt, kann die in den Ventilen, Rohren und anderen in den Gasdurchlässen des Systems angeordneten Bestandteilen enthaltene Feuchtigkeit daher kondensieren und gefrieren. In einem solchen Fall kann es sein, dass es nicht möglich ist das Brennstoffzellensystem zu aktivieren, selbst wenn geeignete Maßnahmen zur Aktivierung des Brennstoffzellensystems getroffen werden; oder selbst wenn das System aktiviert ist, kann es zum Beispiel nicht richtig funktionieren.
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In Anbetracht eines solches Problems wird ein Verfahren zum Entfernen von Restfeuchte durch Reinigen des Durchlasses für das gasförmige Oxidationsmittel und des Durchlasses für das Brenngas des Brennstoffzellensystems unter Verwenden eines gasförmigen Oxidationsmittels (Luft), das vor Unterbrechen des Betriebs des Brennstoffzellensystems aus einem Kompressor zugeführt wird, vorgeschlagen (siehe die Schrift
JP 2002-313395 A ). Die Schriften
DE 102 01 668 A1 und
WO 2005/104282 A1 zeigen herkömmliche Systeme zur Abgabe von Abgas aus bzw. zum Aufheizen vom Brennstoffzellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösendes Problem
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Selbst wenn die in der obigen Druckschrift offenbarte Technik zum Entfernen von Restfeuchte in dem Brennstoffzellensystem vor Unterbrechen des Betriebs des Systems verwendet wird, wird jedoch, wenn dieses System anschließend bei niedrigen Temperaturen aktiviert wird, durch die in der Brennstoffzelle ablaufende elektrochemische Reaktion immer noch Wasser erzeugt. Da die Hauptdurchlässe Gase mit hohen Temperaturen, wie das Brennabgas oder das Oxidationsmittelabgas, die darin stetig zirkulieren, aufweisen, können die in diesen Hauptdurchlässen angeordneten Rohre und Ventile in diesem Fall in direkten Kontakt mit diesen Gasen mit hohen Temperaturen kommen und durch diese Gase erwärmt werden, so dass es nicht wahrscheinlich ist, dass an diesen Stelle während des Betriebs des Systems ein Gefrieren auftritt. Ventile und Rohre, die relativ weit von den Hauptdurchlässen entfernt angeordnet sind, können jedoch nicht mit solchen Gasen mit hohen Temperaturen in Kontakt kommen, so dass ihre Temperaturen nahe der Außenlufttemperatur liegen können, selbst wenn das System in Betrieb ist. Wenn das durch die in der Brennstoffzelle nach der Aktivierung des Systems erfolgende elektrochemische Reaktion erzeugte Wasser mit solchen Ventilen und Rohren mit niedrigen Temperaturen in Kontakt kommt, kann an diesen Stellen entsprechend ein Gefrieren auftreten, selbst wenn das System in Betrieb ist. Insbesondere wird angemerkt, dass die Rohre, wenn in den Rohren ein Gefrieren auftritt, blockiert werden können und das System zum Beispiel am richtigen Funktionieren gehindert werden kann.
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Die Aspekte der vorliegenden Erfindung sind darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben beschriebenen Probleme zu lösen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, dass einem Gefrieren von Bestandteilen effizient vorbeugen kann, die bei niedrigen Temperaturen nicht leicht Wärme aus der Brennstoffzelle aufnehmen können.
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Mittel zum Lösen des Problems
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Brennstoffzellenkörper, der Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion eines ersten reaktiven Gases und eines zweiten reaktiven Gases erzeugt, einen ersten Durchlass für die Gaszufuhr und einen zweiten Durchlass für die Gaszufuhr, die entsprechend das erste reaktive Gas und das zweite reaktive Gas dem Brennstoffzellenkörper zuführen, einen ersten Durchlass für den Gasabfluss und einen zweiten Durchlass für den Gasabfluss, die entsprechend ein Abgas des ersten reaktiven Gases und ein Abgas des zweiten reaktive Gases aus dem Brennstoffzellenkörper abführen, und einen verzweigten bzw. abzweigenden Durchlass, der sich von einem des ersten Durchlasses für den Gasabfluss oder des zweiten Durchlasses für den Gasabfluss verzweigt, einschließt, wobei das durch den anderen des ersten Durchlasses für den Gasabfluss oder des zweiten Durchlasses für den Gasabfluss abgeführte Abgas so geführt ist, dass es durch den verzweigten Durchlass fließt.
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In einem Aspekt der vorliegenden Ausführungsform können Bestandteile, wie Rohre oder Ventile, die in einem verzweigten Durchlass für eine Art von Abgas angeordnet sind, gewöhnlich nicht mit einem Abgas mit hoher Temperatur in Kontakt kommen und daher dafür anfällig sind, bei niedrigen Temperaturen zu gefrieren, durch die Wärme einer anderen Art von Abgas aus einem Durchlass für den Abfluss dieser anderen Art von Abgas erwärmt werden, so dass einem Gefrieren dieser Bestandteile vorgebeugt werden kann.
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Gemäß der Ausführungsform das Brennstoffzellensystem einen Bypassdurchlass einschließen, der das Abgas des anderen der Durchlässe für den Gasabfluss zu dem verzweigten Durchlass transportiert. Es wird angemerkt, dass sich das Transportieren des Abgases zu dem verzweigten Durchlass darauf beziehen kann, dass das Abgas eines relevanten reaktiven Gases direkt in den verzweigten Durchlass eingeführt wird oder dass das Abgas des relevanten reaktiven Gases in einen benachbarten Bereich des verzeigten Durchlasses eingeführt wird, um die Wärme des Abgases auf den verzweigten Durchlass zu übertragen. Durch Bereitstellen eines solchen Bypassdurchlasses können die oben beschriebenen vorteilhaften Effekte der vorliegenden Erfindung zuverlässiger erreicht werden.
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Gemäß der Ausführungsform kann das Brennstoffzellensystem ferner eine Regelvorrichtung zum Einführen des Abgases des anderen der Abflussdurchlässe in den Bypassdurchlass einschließen. In diesem Fall kann das Abgas durch die Regelvorrichtung zuverlässig in den Bypassdurchlass eingeführt werden, so dass einem Gefrieren der relevanten Bestandteile effizienter vorgebeugt werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein Magnetventil in dem verzweigten Durchlass in einer von einer Verbindungsstelle des verzweigten Durchlasses und des Bypassdurchlasses stromaufwärtigen Position angeordnet sein und die Regelvorrichtung kann so betrieben werden, dass sie das Abgas des anderen der Abflussdurchlässe in den Bypassdurchlass einführt, wenn das Magnetventil geschlossen ist. Auf diese Weise kann einem Rückfließen des Abgases des relevanten reaktiven Gases, das aus dem Bypassdurchlass zugeführt wird, in den verzweigten Durchlass vorgebeugt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der verzweigte Durchlass in Form einer zwei Durchlässe einschließenden Doppelrohrstruktur angeordnet sein und das Abgas des anderen der Abflussdurchlässe, das aus dem Bypassdurchlass transportiert wird, kann so angeordnet sein, dass es durch einen der beiden Durchlässe fließt. In diesem Fall kann einem Rückfließen des Abgases des relevanten reaktiven Gases vorgebeugt werden und das oben beschriebene Magnetventil kann unnötig sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der verzweigte Durchlass zum Abführen des Feuchtigkeit enthaltenden Gases dienen, das durch eine Gas-/Flüssigkeitstrennvorrichtung verarbeitet wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der erste Durchlass für den Gasabfluss mit dem ersten Durchlass für die Gaszufuhr verbunden sein und der verzweigte Durchlass kann zum Abführen des ersten reaktiven Gases aus dem System dienen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Regelvorrichtung eine Öffnung aufweisen, die so geregelt ist, dass sie das in dem anderen der Abflussdurchlässe fließende Abgas auf den Bypassdurchlass und den anderen der Abflussdurchlässe, mit dem der Bypassdurchlass verbunden ist, verteilt. Selbst wenn das Abgas des relevanten reaktiven Gases in den Bypassdurchlass eingeführt wird, kann auf diese Weise einem übermäßigen Ansteigen des Staudrucks des Abflussdurchlasses für das Abgas und einer Verschlechterung des Brennstoffverbrauchs des Systems infolge einer Zunahme der Leistungsbelastung vorgebeugt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Öffnung der Regelvorrichtung so angeordnet sein, dass sie in Abhängigkeit von einer Temperatur des verzweigten Durchlasses, mit dem der Bypassdurchlass verbunden ist, und/oder einer Außenlufttemperatur variiert. Auf diese Weise können noch Frostschutzmaßnahmen effizienter ausgeführt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der verzweigte Durchlass ein erstes Ventil einschließen, der verzweigte Durchlass kann mit dem anderen der Abflussdurchlässe verbunden sein und ein weiterer Abflussdurchlass kann zwischen dem ersten Ventil und dem anderen der Abflussdurchlässe angeordnet sein, wobei der zusätzliche Abflussdurchlass ein zweites Ventil einschließen kann. Bei einem solchen Aufbau des Systems können vorbeugende Maßnahmen gegen ein Gefrieren von Bestandteilen, wie Rohren und Ventilen, die in dem verzweigten Durchlass angeordnet sind, realisiert werden, ohne dabei den oben beschriebenen Bypassdurchlass und die Regelvorrichtung neu in das System einfügen zu müssen.
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Effekte der Erfindung
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In einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können bezüglich der Bestandteile, wie Rohre, die relativ weit von einer Brennstoffzelle entfernt angeordnet sind und nicht leicht Wärme von der Brennstoffzelle aufnehmen können, effizient Frostschutzmaßnahmen ausgeführt werden, so dass das Brennstoffzellensystem selbst bei niedrigen Temperaturen richtig betrieben werden kann.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist ein Diagramm, das einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist ein Flussdiagramm, das die Funktionen eines gefriersicheren Teils des Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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3 ist ein Diagramm, das einen gefriersicheren Teil des Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
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4 ist ein Diagramm, das einen gefriersicheren Teil des Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenkörper
- 2
- Durchlass für das Brenngas
- 3
- Durchlass für das gasförmige Oxidationsmittel
- 4
- Steuervorrichtung
- 5
- betroffener Bereich
- 200
- Hochdruckwasserstoffbehälter
- 201
- Durchlass für die Zufuhr des Brenngases
- 203
- Durchlass für eine Zirkulation
- 207
- erster verzweigter Durchlass
- 209
- zweiter verzweigter Durchlass
- 210
- Wasserstoffpumpe
- 220
- Gas-/Flüssigkeitsscheider für das Brennabgas
- 230 234, 240, 244, 246
- Magnetventile
- 232
- Steuerventil für die Druckminderung
- 242
- Absperrventil
- 250
- Verdünnungsvorrichtung
- 301
- Durchlass für die Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels
- 303
- Durchlass für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases
- 305
- Kompressor
- 307
- stromabwärtiger verzweigter Durchlass
- 309 344
- Magnetventile
- 325
- Befeuchter
- 312
- verzweigter Durchlass für das Oxidationsmittelabgas
- 320
- Gas-/Flüssigkeitsscheider für das Oxidationsmittelabgas
- 400
- Ergebnis der Druckmessung
- 401
- Ergebnis der Temperaturmessung
- 502
- Bypassdurchlass
- 503
- Abflussrohr
- 505
- Regelvorrichtung
- 510
- Magnetventil
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren sind nachfolgend bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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1 ist ein Diagramm, das einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das dargestellte System schließt einen Brennstoffzellenkörper 1 ein, der elektrische Energie erzeugt, die zum Beispiel als Antriebsquelle für ein Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Das Brennstoffzellensystem schließt ferner einen Durchlass 2 für das Brenngas zum Zirkulieren eines Brenngases in dem Brennstoffzellensystem, einen Durchlass 3 für das gasförmige Oxidationsmittel zum Zirkulieren eines gasförmigen Oxidationsmittels (Luft) in dem Brennstoffzellensystem und eine Steuervorrichtung 4 ein. Es wird angemerkt, dass in dem Beispiel der 1 ein gefriersicherer Teil 5, der einen ersten verzweigten Durchlass 207 einschließt, der sich von einem Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 (nachfolgend auch als „betroffener Bereich 5” bezeichnet) verzweigt, Frostschutzeffekten unterworfen wird, die in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wiedergegeben sind. Im Folgenden wird als veranschaulichendes Beispiel auch ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das Wasserstoffgas als das der Brennstoffzelle zuzuführende Brenngas verwendet.
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Der Durchlass 2 für das Brenngas (auch als „Durchlass für das Wasserstoffgas bezeichnet) schließt einen Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases zum Zuführen eines Brenngases von einer Quelle für Wasserstoffbrennstoff, wie einem Hochdruckwasserstoffbehälter 200, zu dem Brennstoffzellenkörper 1 und einen Durchlass 203 für den Abfluss des Brennabgases zum Abführen eines Brennabgases aus dem Brennstoffzellenkörper 1 ein. Es wird angemerkt, dass der Durchlass 203 für den Abfluss des Brennabgases tatsächlich als Durchlass für eine Zirkulation gestaltet ist, der den Brennstoffzellenkörper 1 über einen Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 und eine Wasserstoffpumpe 210 mit dem Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases verbindet, wie unten beschrieben ist. In der folgenden Beschreibung kann der Durchlass 203 für den Abfluss des Brennabgases auch als „Durchlass für eine Zirkulation 203” bezeichnet werden. Ein erster verzweigter Durchlass 207 und ein zweiter verzweigter Durchlass 209 sind mit dem Durchlass für eine Zirkulation 203 verbunden.
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Der Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases des Durchlasses 2 für das Brenngas weist ein normal geschlossenes Magnetventil 230, das zu einem Abflussstutzen des Hochdruckwasserstoffbehälters 200 hin angeordnet ist, und ein Steuerventil für die Druckminderung 232 und ein normal geschlossenes Magnetventil 234 auf, die in dieser Reihenfolge in einer Richtung zu dem Brennstoffzellenkörper 1 hin angeordnet sind. Zum anderen weist der Durchlass für eine Zirkulation 203 ein normal geschlossenes Steuerventil für die Druckminderung 240, einen Gas-/Flüssigkeitsscheider 220, eine Wasserstoffpumpe 210 und ein Absperrventil 242 auf, die in dieser Reihenfolge in einer Richtung, die sich von dem Brennstoffzellenkörper 1 weg erstreckt, angeordnet sind. Der erste verzweigte Durchlass 207 ist über das normal geschlossene Magnetventil 244 mit dem Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 verbunden. Der zweite verzweigte Durchlass 209 ist an einer dazwischen liegenden Stelle zwischen dem Abflussstutzen der Wasserstoffpumpe 210 und der Verbindungsstelle A des Durchlasses für eine Zirkulation 203 und dem Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases mit dem Durchlass für eine Zirkulation 203 verbunden. Ein normal geschlossenes Magnetventil (Absaugventil) 246 und eine Verdünnungsvorrichtung 250 sind in dem zweiten verzweigten Durchlass 209 angeordnet und das andere Ende, des zweiten verzweigten Durchlasses 209 an dem Anschlussstutzen der Verdünnungsvorrichtung 250 ist mit einem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases verbunden, was später beschrieben wird. Das andere Ende des ersten verzweigten Durchlasses 207 ist ebenso mit dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases verbunden.
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Zum anderen schließt der Durchlass 3 für das gasförmige Oxidationsmittel einen Durchlass 301 für die Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels zum Zuführen eines gasförmigen Oxidationsmittels in den Brennstoffzellenkörper 1 und einen Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases zum Abführen eines Oxidationsmittelabgases aus dem Brennstoffzellenkörper 1 ein.
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In dem Durchlass 301 für die Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels sind ein Kompressor 305 und ein Befeuchter 325 angeordnet. Der Befeuchter 325 ist in dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases angeordnet und ein Magnetventil (Belüftungsventil) 309 ist zwischen dem Befeuchter 325 und dem Brennstoffzellenkörper 1 angeordnet. Der Durchlass 303 für den Abfluss des gasförmigen Oxidationsmittels schließt auch einen verzweigten Durchlass 312 für das Oxidationsmittelabgas, der an der stromabwärtigen Seite des betroffenen Bereichs 5, der später beschrieben wird, angeordnet ist, ein und dieser verzweigte Durchlass 312 für das Oxidationsmittelabgas ist mit der Verdünnungsvorrichtung 250 verbunden. Ein Gas-/Flüssigkeitsscheider 320 für das Oxidationsmittelabgas ist weiter stromabwärtig von dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelgases angeordnet und dieser Gas-/Flüssigkeitsscheider 320 ist über ein Magnetventil 344 mit einem stromabwärtigen verzweigten Durchlass 307 verbunden. Es wird angemerkt, dass die Verdünnungsvorrichtung 250 und der verzweigte Durchlass 312 für das Oxidationsmittelabgas und/oder der Gas-/Flüssigkeitsscheider 320, der stromabwärtige verzweigte Durchlass 307 und das Magnetventil 344 in bestimmten Ausführungsformen aus dem Brennstoffzellensystem weggelassen werden können.
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Die Steuervorrichtung 4 steuert die Bestandteile, wie Ventile 234, 240, 244, 246, 230, 232, 309, die Wasserstoffpumpe 210 und den Kompressor 305 als Reaktion auf die Ergebnisse der Druckmessung 400 und die Ergebnisse der Temperaturmessung 401, die von den an vorher festgelegten Positionen der oben beschriebenen Durchlässe angeordneten Drucksensoren und den Temperatursensoren aufgenommen wurden. Die Steuervorrichtung 4 steuert auch eine Regelvorrichtung 505 des betroffenen Bereichs 5, wie unten beschrieben ist. Es wird angemerkt, dass die Steuerlinien zwischen der Steuervorrichtung 4 und den Bestandteilen der Einfachheit der Darstellung halber in dieser Figur weggelassen sind.
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Im Folgenden ist kurz der normale Fluss des gasförmigen Oxidationsmittels beschrieben. Bei normalem Betrieb des Brennstoffzellensystems wird der Kompressor 305 durch die Steuervorrichtung 4 gesteuert, so dass Atmosphärenluft als gasförmiges Oxidationsmittel aufgenommen wird, durch den Durchlass 301 für die Zufuhr des gasförmigen Oxidationsmittels strömt und über den Befeuchter 325 dem Brennstoffzellenkörper 1 zugeführt wird. Das zugeführte gasförmige Oxidationsmittel wird durch die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenkörper 1 verbraucht und dann als Oxidationsmittelabgas aus dem Brennstoffzellenkörper 1 abgeführt. Das abgeführte Oxidationsmittelabgas durchströmt den Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases und wird zum Beispiel über den Gas-/Flüssigkeitsscheider 320 aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt.
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Als nächstes wird eine Beschreibung des Flusses des Wasserstoffgases beschrieben. Bei normalem Betrieb des Brennstoffzellensystems wird das Magnetventil 230 durch die Steuervorrichtung 4 geöffnet, so dass Wasserstoffgas aus dem Hochdruckwasserstoffbehälter 200 eintritt und den Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases durchströmt und dann wird der Druck desselben durch das Steuerventil für die Druckminderung 232 verringert. Anschließend wird das Wasserstoffgas über das Magnetventil 234 dem Brennstoffzellenkörper 1 zugeführt. Das zugeführte Wasserstoffgas wird durch die elektrochemische Reaktion in dem Brennstoffzellenkörper 1 verbraucht und dann als Wasserstoffabgas aus dem Brennstoffzellenkörper 1 abgeführt. Nachdem das abgeführte Wasserstoffabgas den Durchlass für eine Zirkulation 203 durchströmt hat und dessen Feuchtigkeit durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 entfernt wurde, wird es über die Wasserstoffpumpe 210 zu den Durchlass 201 für die Zufuhr des Brenngases zurückgeführt, um erneut dem Brennstoffzellenkörper 1 zugeführt zu werden. Es wird angemerkt, dass das Absperrventil 242 zwischen der Wasserstoffpumpe 210 und der Verbindungsstelle A des Durchlasses 201 für die Zufuhr des Brenngases und des Zirkulationsdurchgangs 203 angeordnet ist und in einer solchen Anordnung fließt das zirkulierter Wasserstoffabgas nicht zurück. Normalerweise sind die Magnetventile 244 und 246 in dem ersten und zweiten verzweigten Durchlass 207 und 209 geschlossen. Wenn diese Ventile bei Bedarf geöffnet werden, werden das Feuchtigkeit enthaltende Gas, das durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 verarbeitet wird, und das Wasserstoffabgas, das nicht zirkuliert werden muss, durch die entsprechenden verzweigten Durchlässe abgeführt. Diese Flüssigkeiten und/oder Gase werden durch den Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt.
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Als nächstes werden der Aufbau und die Funktionen des betroffenen Bereichs 5 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
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Der betroffene Bereich 5 schließt einen Bypassdurchlass 502 ein, der sich von dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases und der Regelvorrichtung 505 verzweigt. Genauer gesagt entspricht der gefriersichere Teil 5 dem durch eine gestrichelte Linie in der 1 umgebenen Bereich, der einen Teil des Durchlasses 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases und einen Teil des ersten verzweigten Durchlasses 207 einschließt. Es wird angemerkt, dass die Regelvorrichtung 505 eine Vorrichtung zum Umschalten der Richtung des Gasflusses von einer ersten Richtung zu einer zweiten Richtung und umgekehrt ist.
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Normalerweise kann die in dem Durchlass bleibende Feuchtigkeit in einem Teil des Brennstoffzellensystems, der nicht leicht Wärme von der Brennstoffzelle aufnehmen kann, wie der erste verzweigte Durchlass 207, gefrieren und so ein Blockieren des Durchlasses verursachen, so dass kein richtiger Betrieb durchgeführt werden kann. Ein solches Phänomen tritt insbesondere wahrscheinlich dann auf, wenn das Brennstoffzellensystem bei niedrigen Temperaturen von zum Beispiel 0°C eingesetzt wird. Insbesondere kann ein Gefrieren des Durchlasses in dem oben beschriebenen Teil des Brennstoffzellensystems sogar dann auftreten, wenn das System in Betrieb ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der betroffene Bereich 5 so gestaltet, dass das Oxidationsmittelabgas bei Bedarf durch den Bypassdurchlass 502 zirkuliert, wenn die an der Verbindungsstelle des Durchlasses 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases und des Bypassdurchlasses 502 angeordnete Regelvorrichtung 505 mit der Steuervorrichtung 4 gesteuert wird. Durch Zirkulieren des Oxidationsmittelabgases mit hoher Temperatur durch den Bypassdurchlass 502 zum Vorbeugen eines Gefrierens des ersten verzweigten Durchlasses kann auf diese Weise ein Wärmeaustausch veranlasst werden. In einer besonderen Ausführungsform kann die Regelvorrichtung 505 eine variable Führungsvorrichtung sein, die so gestaltet ist, dass sie die Menge des durch den Bypassdurchlass 502 zirkulierten Oxidationsmittelabgases regelt. Es wird angemerkt, dass das Oxidationsmittelabgas nach Zirkulieren durch den Bypassdurchlass 502 den ersten verzweigten Durchlass 207 durchströmt, um in dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases mit dem Oxidationsmittelabgas vereint und aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt zu werden.
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Im Folgenden werden die oben beschriebenen Funktionen unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm der 2 ausführlicher beschrieben.
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Zunächst wird in Schritt S10 die Außenlufltemperatur oder die Temperatur eines betroffenen Rohres (d. h. die Rohrtemperatur des verzweigten Durchlasses 207 in dem Beispiel aus 1) gemessen und die Steuervorrichtung 4 vergleicht die gemessene Temperatur 401 mit einem vorher festgelegten Schwellenwert, um zu bestimmen, ob Frostschutzmaßnahmen durchgeführt werden müssen. Wenn die gemessene Temperatur 401 über dem Schwellenwert liegt, wird die Regelvorrichtung 505 nicht von der Steuervorrichtung 4 betrieben, so dass das Oxidationsmittelabgas nicht durch den Bypassdurchlass 502 zirkuliert wird; das heißt, dass das Oxidationsmittelabgas nur durch den Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases fließt. Zum anderen bestimmt die Steuervorrichtung 4, wenn die gemessene Temperatur 401 unter dem Schwellenwert liegt, dass in dem betroffenen Bereich 5 Frostschutzmaßnahmen durchgeführt werden müssen und der Prozess fährt mit Schritt S20 fort.
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In Schritt S20 wird bestimmt, ob das Magnetventil 244 des Gas-/Flüssigkeitsscheiders 220 offen oder geschlossen ist. Wenn das Magnetventil 244 geschlossen ist, fährt der Prozess mit Schritt S30 fort, wo die Regelvorrichtung 505 so betrieben wird, dass sie ein Verzweigen des Oxidationsmittelabgases (normalerweise eines Teils des Oxidationsmittelabgases) zu dem Bypassdurchlass 502 hin veranlasst. Auf diese Weise kann Gas mit hoher Temperatur durch den Bypassdurchlass 502 fließen, so dass der erste verzweigte Durchlass 207 erwärmt und einem Gefrieren desselben vorgebeugt werden kann. In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen kann die Öffnung der Regelvorrichtung 505 (der Anteil des Oxidationsmittelabgases, der zu dem Bypassdurchlass 502 hin geleitet werden soll, unter der Voraussetzung, dass 100% das insgesamt zu dem Bypassdurchlass 502 hin zu leitende Oxidationsmittelabgas bezeichnet) so angeordnet sein, dass sie in Abhängigkeit von dem Messwert 401 für die Außenlufttemperatur oder der Rohrtemperatur variiert. Wenn die Öffnung der Regelvorrichtung 505 vergrößert wird, steigt der Staudruck des Durchlasses 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases grundsätzlich an und die Belastung eines Aggregats (z. B. eines Kompressors 305) wird erhöht, wodurch eine Verschlechterung des Brennstoffverbrauchs des Systems verursacht wird. Wenn andererseits die Öffnung der Regelvorrichtung 505 verkleinert wird, ist eine längere Zeitdauer erforderlich, um durch den Betrieb der Regelvorrichtung 505 Frostschutzeffekte zu erhalten. Wenn die Öffnung der Regelvorrichtung 505 konstant angeordnet ist, kann daher in bestimmten Fällen einer der beiden obigen Einflüsse hervortreten. Indem es der Steuervorrichtung 4 möglich ist, die Öffnung der Regelvorrichtung 505 zu regeln, kann in dieser Hinsicht in geeigneter Weise gleichzeitig einem Gefrieren des Teils mit niedriger Temperatur und einer Verschlechterung des Brennstoffverbrauchs des Brennstoffzellensystems vorgebeugt werden. Es wird angemerkt, dass solche Regelungsfunktionen durch vorheriges Abspeichern der Beziehung zwischen der Außenlufttemperatur/der Rohrtemperatur und der Öffnung der Regelvorrichtung 505 in der Steuervorrichtung 4 ausgeführt werden können. Auf diese Weise kann die Steuervorrichtung 4 zum Beispiel die Öffnung der Regelvorrichtung 505 so steuern, dass sie größer ist, wenn die Temperatur des betroffenen Rohres relativ niedrig ist, und dann kann die Steuervorrichtung 4, nachdem die Temperatur des betroffenen Rohres infolge des durch das umgeleitete Oxidationsmittelabgas veranlassten Wärmeaustauschs anzusteigen beginnt, die Öffnung der Regelvorrichtung 505 so schrittweise steuern, dass diese entsprechend der Temperatur verkleinert wird. Wenn in dem Schritt S20 bestimmt wird, dass das Magnetventil 244 offen ist, wird die Regelvorrichtung 505 andererseits nicht betrieben. Eine solche Maßnahme wird in Anbetracht der Tatsache ausgeführt, dass das in den ersten verzweigten Durchlass 207 eingeführte Oxidationsmittelabgas durch das Magnetventil 244 strömen und in den ersten verzeigten Durchlass 207 zurückfließen kann, wenn das Oxidationsmittelabgas von dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases durch den Bypassdurchlass 502 fließt, wenn das Magnetventil 244 offen ist.
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In der vorliegenden Ausführungsform werden im Grunde die oben beschriebenen Prozessschritte nach der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und während des Betriebs des Systems wiederholt ausgeführt, um einem Gefrieren des Teils des Systems mit niedriger Temperatur kontinuierlich vorzubeugen.
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Im Folgenden wird der betroffene Bereich 5 des Brennstoffzellensystems gemäß anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 3 und 4 beschrieben.
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Wie in 3 gezeigt, weist ein betroffener Bereich 5 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen ersten verzweigten Durchlass 207 auf, der in Form einer Doppelrohrstruktur angeordnet ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere ein Durchlass zum Überführen eines Teils des Oxidationsmittelabgases von dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases aus einem Bypassdurchlass 502a und einem äußeren Durchlass 502b der Doppelrohrstruktur hergestellt. Der innere Durchlass der Doppelrohrstruktur entspricht einem verzweigten Durchlass zum Überführen eines Feuchtigkeit enthaltenden Gases, das durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 aufgetrennt wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist das sich in den Bypassdurchlass 502a von dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases verzweigende Oxidationsmittelabgas so angeordnet, dass es durch den äußeren Durchlass der Doppelrohrstruktur des ersten verzweigten Durchlasses 207 fließt, so dass infolge des Wärmeaustauschs mit dem Oxidationsmittelabgas einem Gefrieren des inneren Durchlasses der Doppelrohrstruktur vorgebeugt werden kann. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform muss der offene/geschlossene Zustand des an der stromabwärtigen Seite des Gas-/Flüssigkeitsscheiders 220 angeordneten Magnetventils 244 nicht berücksichtig werden, wenn die Steuervorrichtung 4 den Betrieb der Regelvorrichtung 505 steuert. In der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere ein Rückfließen des Oxidationsmittelabgases zu der Seite des Gas-/Flüssigkeitsscheiders 220 hin unwahrscheinlich, selbst wenn das Oxidationsmittelabgas dem Bypassdurchlass 502a zugeführt wird, wenn das Magnetventil 244 offen ist. Auf diese Weise können Frostschutzfunktionen effizienter durchgeführt werden.
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In einem betroffenen Bereich 5 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung muss ein Bypassdurchlass (d. h. 502 oder 502a) nicht, wie in der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform, separat bereitgestellt werden. Wie in 4 gezeigt, schließt der betroffene Bereich 5 gemäß dieser Ausführungsform ein Rohr 207C, das dem ersten verzweigten Durchlass 207 entspricht, ein Abflussrohr 503, das sich von dem Rohr 207C verzweigt, das zum Abführen des Oxidationsmittelabgases dient, und ein Magnetventil 510, das mit dem Abflussrohr 503 verbunden ist, ein. Normalerweise sind das Magnetventil 510 und das Magnetventil 244 geschlossen. Im Fall eines Feuchtigkeit enthaltenden Gases, das durch den Gas-/Flüssigkeitsscheider 220 aufgetrennt wird, wird nur das Magnetventil 244 geöffnet und das Rohr 207C wird als verzweigter Durchlass 207 zum Abführen des Feuchtigkeit enthaltenden Gases, das durch den Gas-/Flüsigkeitsscheider 220 aufgetrennt wird, verwendet. Es wird angemerkt, dass der in 4 gezeigte Pfeil P in diesem Fall die Richtung des Fluidflusses angibt. Während der Frostschutzfunktionen wird das Rohr 207C andererseits als Bypassdurchlass für den Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases verwendet. Insbesondere ist das Magnetventil 244 während der Frostschutzfunktionen geschlossen, während das Magnetventil 510 geöffnet ist und das von dem Durchlass 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases umzuleitende Oxidationsmittelabgas strömt in der Richtung des in 4 gezeigten Pfeils Q in dem Rohr 207C fließt, um mit dem Rohr 207C Wärme auszutauschen, woraufhin das Oxidationsmittelabgas aus dem Abflussrohr 503 abfließen gelassen wird. Bei einer solchen Anordnung fließt das Oxidationsmittelabgas nicht durch das Rohr 503, wenn das Magnetventil 510 geschlossen ist. Wenn das Magnetventil 510 offen ist, wird andererseits der Staudruck des Durchlasses des Rohrs 503 niedriger als derjenige des Durchlasses 303 für den Abfluss des Oxidationsmittelabgases, wodurch ein Fließen des Oxidationsmittelabgases in das Rohr 503 verursacht wird. In dieser Ausführungsform wird die Regelvorrichtung 505 unnötig. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform muss auch kein bestimmter Bypassdurchlass neu in ein bereits bestehendes Brennstoffzellensystem eingefügt werden, so dass Platz gespart werden kann.
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Es wird angemerkt, dass der erste verzweigte Durchlass 207 in den oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung als der Teil des Brennstoffzellensystems beschrieben ist, der Frostschutzeffekten unterzogen wird (betroffener Bereich 5). Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf den ersten verzweigten Durchlass 207, wie er oben beschrieben ist, beschränkt und kann auch auf den zweiten verzweigten Durchlass 209 und andere verschiedene Teile, an denen wahrscheinlich ein Gefrieren auftritt, angewendet werden.
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In den obigen Ausführungen wird das Oxidationsmittelabgas auch zum Vorbeugen eines Gefrierens des mit dem Durchlass für das Brennabgas verbundenen verzweigten Durchlasses verwendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Anordnung beschränkt und in einer alternativen Ausführungsform kann das Brennabgas zum Vorbeugen des Gefrieren eines verzweigten Durchlasses (z. B. eines stromabwärtigen verzweigten Durchlasses 307), der mit einem Durchlass zum Zirkulieren des Oxidationsmittelabgases verbunden ist, verwendet werden. In diesem Fall können die in den obigen Ausführungen der bevorzugten Ausführungsformen verwendeten Begriffe „Oxidationsmittelabgas” und „gasförmiges Oxidationsmittel” gegen die Begriffe „Brennabgas” und „Brenngas” oder „Wasserstoffabgas” und „Wasserstoffgas” ausgetauscht werden, wenn es zur Beschreibung einer solchen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
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Es wird auch angemerkt, dass der Aufbau des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems lediglich ein veranschaulichendes Beispiel ist, das den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht einschränkt. Zum Beispiel kann ein Brennstoffzellensystem, auf das die vorliegende Erfindung angewendet wird, weitere Bestandteile, wie Magnetventile und Rohre, einschließen, die nicht in der 1 gezeigt sind. Ebenso können einer oder mehrere der in 1 gezeigten Bestandteile wegelassen werden.
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Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht den Vorteil der Priorität der Schrift
JP 2007-157432 A , die am 2. Dezember 2005 eingereicht wurde und auf deren Inhalte hierin vollinhaltlich Bezug genommen wird.