DE112007002473T5

DE112007002473T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112007002473T5
Application number: DE112007002473T
Authority: DE
Inventors: Kazunobu Kariya-shi Shinoda; Keiji Kariya-shi Suzumura; Tsuyoshi Nagoya-shi Yamada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2007-10-03
Publication date: 2009-08-06
Also published as: JP2008103276A; CN101529635A; US20100297512A1; JP5162118B2; WO2008047653A1; GB2455681B; GB0906776D0; KR101098484B1; GB2455681A; KR20090057121A; CN101529635B

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine Anode und eine Kathode aufweist, einer Anodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr eines Anodenfluids zur Anode der Brennstoffzelle, einer Kathodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr eines Kathodenfluids zur Kathode der Brennstoffzelle, und einer Abgasleitung mit einer Auslassmündung für die Ausleitung von Abgasen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt werden, wobei die Abgasleitung eine Rückstrom-Unterdrückungseinheit an einem Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung aufweist.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine Abgasleitung aufweist mit einer Auslassmündung für die Ausleitung von Abgasen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt werden.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Im Allgemeinen weist ein Brennstoffzellensystem auf: Brennstoffzellen, eine Anodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr von Anodenfluid zu Anoden der Brennstoffzellen, eine Kathodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr von Kathodenfluid zu Kathoden der Brennstoffzellen und eine Abgasleitung mit einer Auslassmündung für die Ausleitung von Abgasen, die während des Betriebs der Brennstoffzellen erzeugt werden. Als ein solches Brennstoffzellensystem offenbart das Patentdokument 1 ein Brennstoffzellensystem, das mit einem Filter in einer Lüftungsmündung eines Gehäuses für die Aufnahme der Brennstoffzellen versehen ist.

[Patentdokument 1] Japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2006-140,165

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Wenn Wind von außen durch die Auslassmündung, die sich an einem Ende der Abgasleitung befindet, in den Auslassschacht weht, könnten möglicherweise Abgase, die aus der Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, nicht aus der Auslassmündung ausgeleitet werden und zurückströmen. In diesem Fall ist zu befürchten, dass das Brennstoffzellensystem nicht genügend elektrische Leistung erzeugen kann. Beispiels weise ist zu befürchten, dass die Verbrennungsstabilität einer Verbrennungseinheit wie eines Brenners, der im Brennstoffzellensystem verwendet wird, beeinträchtigt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der genannten Umstände gemacht. Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das von Vorteil ist bei der Unterdrückung des Rückstroms von Abgasen, die aus der Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, in die Abgasleitung, ohne aus der Auslassmündung ausgeleitet zu werden.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, eine Anodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr von Anodenfluid zur Anode der Brennstoffzelle, eine Kathodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr von Kathodenfluid zur Kathode der Brennstoffzelle und eine Abgasleitung mit einer Auslassmündung für die Ausleitung von Abgasen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt werden, wobei die Abgasleitung an einem Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung eine Rückstrom-Unterdrückungseinheit aufweist.
Die Rückstrom-Unterdrückungseinheit ist ein Mittel, das verhindert, dass unter dem Einfluss von Wind, der außerhalb der Abgasleitung weht, Abgase, die aus der Auslassmündung der Abgasleitung ausgeleitet werden sollen, in die Abgasleitung zurückströmen, ohne aus der Auslassmündung ausgeleitet zu werden, wenn das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist oder nicht in Betrieb ist. Da eine solche Rückstrom-Unterdruckungseinheit an einem Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung vorgesehen ist, wird verhindert, dass Wind von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt. Daher wird verhindert, dass Abgase, die aus der Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, in die Abgasleitung zurückströmen statt aus der Auslassmündung ausgeleitet zu werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts die Rückstrom-Unterdrückungseinheit von einem Prall- bzw. Umlenkelement gebildet, das auf die Auslassmündung gerichtet ist. Da ein solches Umlenkelement am Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung vorgesehen ist, wird verhindert, dass Wind von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt. Daher wird verhindert, dass die Abgase, die aus der Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, in die Abgasleitung zurückströmen statt aus der Auslassmündung ausgeleitet zu werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im Brennstoffzellensystem des ersten Aspekts die Rückstrom-Unterdrückungseinheit durch die Krümmung eines Leitungsabschnitts gebildet, der sich an der Seite der Auslassmündung in der Abgasleitung befindet. Da eine solche Rückstrom-Unterdrückungseinheit am Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung vorgesehen ist, wird verhindert, dass Wind von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt. Daher wird verhindert, dass die Abgase, die aus der Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, in die Abgasleitung zurückströmen statt aus der Auslassmündung ausgeleitet zu werden.
Wie bereits beschrieben, weist das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung die folgenden Vorteile auf: Da eine Rückstrom-Unterdrückungseinheit wie oben beschrieben am Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung vorgesehen ist, wird verhindert, dass Wind von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt, und es wird verhindert, dass die Gase, die aus der Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, in die Abgasleitung zurückströmen statt aus der Auslassmündung ausgeleitet zu werden. Infolgedessen kann das Brennstoffzellensystem eine gute Leistung im Hinblick auf die Erzeugung elektrischer Leistung zeigen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Auslassschachts gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei dem es sich um einen Endabschnitt einer Abgasleitung auf der Seite einer Auslassmündung handelt.
2 ist eine perspektivische Darstellung von Bestandteilen des Auslassschachts der ersten bevorzugten Ausführungsform vor dem Zusammenbau.
3 ist eine frontale Ansicht des Auslassschachts der ersten bevorzugten Ausführungsform.
4 ist ein Schema eines Brennstoffzellensystems der ersten bevorzugten Ausführungsform.
5 ist eine Seitenansicht des Auslassschachts der ersten bevorzugten Ausführungsform.
6 ist eine perspektivische Darstellung des Auslassschachts der ersten bevorzugten Ausführungsform in einem anderen Winkel als 1.
7 ist eine Darstellung eines Auslassschachts gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Seitenansicht eines Auslassschachts gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine seitliche Ansicht eines Auslassschachts gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine perspektivische Darstellung des Auslassschachts gemäß der vierten bevorzugten Ausführungsform.
11 ist eine Querschnittsdarstellung eines Auslassschachts gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Systemskizze, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist eine Systemskizze, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist eine Seitenansicht eines Auslassschachts gemäß einer achten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
Beste Weise für die Durchführung der Erfindung
Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, eine Anodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr von Anodenfluid zur Anode der Brennstoffzelle, eine Kathodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr von Kathodenfluid zur Kathode der Brennstoffzelle und eine Abgasleitung mit einer Auslassmündung für die Ausleitung von Abgasen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt werden. Die Anodenfluid-Zufuhreinheit kann alles sein, solange sie Anodenfluid zur Anode der Brennstoffzelle liefert. Die Kathodenfluid-Zufuhreinheit kann alles sein, solange sie Kathodenfluid zur Kathode der Brennstoffzelle liefert. Die Abgasleitung weist eine Rückstrom-Unterdrückungseinheit an einem Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung auf. Die Rückstrom-Unterdrückungseinheit ist ein Mittel, das verhindert, dass Abgase, die aus der Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, unter dem Einfluss von Außenwind oder dergleichen in die Abgasleitung zurückströmen statt aus der Auslassmündung ausgeleitet zu werden. Wenn die Rückstrom-Unterdrückungseinheit am Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung vorgesehen ist, ist die Rückstrom-Unterdrückungseinheit nahe an der Auslassmündung angeordnet. Daher wird wirksam verhindert, dass Wind von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Rückstrom-Unterdrückungseinheit ein Umlenkelement, das auf die Auslassmündung gerichtet ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Rückstrom-Unterdrückungseinheit durch die Krümmung eines Leitungsabschnitts der Abgasleitung in der Nähe der Auslassmündung gebildet. Auch in diesen Fällen kann wirksam verhindert werden, dass Wind von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt. Beispiele für das Umlenkelementmaterial schließen Metall, Harz und keramische Werkstoffe ein.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Abgasleitung eine erste Abgasleitung, die mit einer Verbrennungseinheit verbunden ist, und eine zweite Abgasleitung mit der Auslassmündung und mit einem größeren Leitungsquerschnitt als die erste Abgasleitung. Hierbei ist der Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung die zweite Abgasleitung. Hierbei weist in einem Ausführungsbeispiel die zweite Abgasleitung eine Behälterform auf, die eine Kastenform einschließt. Die Kastenform kann die Form eines rechteckigen Kastens oder die Form eines zylindrischen Kastens sein. Da die zweite Abgasleitung einen größeren Leitungsquerschnitt aufweist, wird die Strömungsrate des Abgases gesenkt und der Innendruck der Abgasleitung wird erhöht. Dies ist von Vorteil bei der Unterdrückung des Eindringens von Außenluft durch die Auslassmündung hindurch in die Abgasleitung.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Anodenfluid-Zufuhreinheit auf: eine Reformierungseinheit für die Erzeugung von Anodengas, das der Anode der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, aus einem als Ausgangsmaterial dienenden Brennstoff, und eine Verbrennungseinheit für die Erwärmung der Reformierungseinheit. Hierbei weist in einem Ausführungsbeispiel der Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung einen Mischkammer auf zum Mischen von Verbrennungsabgas, das aus der Verbrennungseinheit ausgeleitet wird, und von Kathodenabgas, das aus der Kathode der Brennstoffzelle ausgeleitet wird. Nachdem das Verbrennungsabgas und das Kathodenabgas vermischt wurden, wird die Mischung aus der Auslassmündung ausgeleitet. In diesem Fall wird die Konzentration des Verbrennungsabgases durch das Kathodenabgas (beispielsweise Luft) verdünnt.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem einen Kondensierer auf, um Kondenswasser zu erzeugen, und der Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung leitet Kondenswasser, das im Endabschnitt vorhanden ist, aufgrund der Schwerkraft aus oder führt das Kondens wasser aufgrund der Schwerkraft in den Kondensator zurück. Das in den Kondensator zurückgeführte Kondenswasser kann erneut verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Umlenkelement und die Auslassmündung in einer vertikalen Richtung zum Umlenkelement und zur Auslassmündung vorstehen, überlappt die Form einer Projektion des Umlenkelements die der Auslassmündung und die Fläche der Projektion des Umlenkelements ist größer als die der Auslassmündung. In diesem Fall unterdrückt das Umlenkelement das Eindringen von Wind von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung, und dies ist von Vorteil bei der Unterdrückung eines Abgasrückstroms.
In einem Ausführungsbeispiel umfasst das Umlenkelement einen ersten Umlenkabschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt, in der sich die Auslassmündung erstreckt, und der auf die Auslassmündung gerichtet ist, und einen zweiten Umlenkabschnitt, der mit einem Endabschnitt des ersten Umlenkabschnitts verbunden ist und der sich quer zur Verlaufsrichtung der Auslassmündung erstreckt. Dies ist von Vorteil bei der Unterdrückung eines Abgasrückstroms. In einem anderen Ausführungsbeispiel weist das Umlenkelement eine größere Höhe auf als der obere Abschnitt der Auslassmündung. Hierbei wird verhindert, dass Wind von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt, und dies ist von Vorteil bei der Unterdrückung eines Abgasrückstroms.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Umlenkelement eine Wärmetauscherrippe auf. Da die Wärmetauscherrippe die Oberfläche des Umlenkelements vergrößert, ist sie, wenn die Abgase warm sind, von Vorteil bei der Kühlung der Abgase durch das Umlenkelement und bei der Kondensierung von in den Abgasen enthaltenem Wasserdampf in der Nähe der Wärmetauscherrippe, um Kondenswasser zu erzeugen. Daher kann der Wasserdampf, der in den auszuleitenden Abgasen enthalten ist, verringert werden. Wenn das Umlenkelement auf die Auslassmündung gerichtet ist, wird das Umlenkelement auf einfache Weise durch die Außenluft gekühlt, und somit kann die Wärmetauscherrippe leicht eine gute Kühlleistung bringen. Wenn die Abgase warm sind, ist dies von Vorteil bei der Kühlung der Abgase durch die Wärmetauscherrippe des Umlenkelements und bei der Kondensierung von in den Abgasen enthaltenem Wasser dampf, um Kondenswasser zu erzeugen. Hierbei können Abgase mit einem niedrigeren Wassergehalt nach außen abgegeben werden. Man beachte, dass die Gefahr besteht, dass Kondenswasser und Staub sich mischen und das Gehäuse des Brennstoffzellensystems verschmutzen, wenn Wasserdampf in den Abgasen sofort nach seiner Ausführung aus dem Brennstoffzellensystem kondensiert. Daher wird der Wassergehalt der Abgase, die aus der Auslassmündung nach außen (in die Außenluft) geleitet werden, vorzugsweise so weit wie möglich gesenkt.
Wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, besteht außerdem die Gefahr, dass Wind, der außerhalb der Abgasleitung weht, durch die Auslassmündung der Abgasleitung in die Abgasleitung gelangt. In diesem Fall ist zu befürchten, dass Staub oder dergleichen in die Abgasleitung gelangt. Angesichts dessen enthält in einem Ausführungsbeispiel die Rückstrom-Unterdrückungseinheit eine Gasausleitungseinheit, die dadurch, dass sie ein Gas, wie Luft, aus der Auslassmündung leitet, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, verhindert, dass Luft von außen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt. Hierbei wird verhindert, dass Wind durch die Auslassmündung der Abgasleitung in die Abgasleitung gelangt. Wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, kann die Gasausleitungseinheit ein Gas, wie Luft, aus der Auslassmündung ausleiten, wenn eine Gaszufuhrquelle, wie eine Pumpe und ein Gebläse, betätigt werden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Rückstrom-Unterdrückungseinheit einen Winddrucksensor auf, der im Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung vorgesehen ist, und wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, wird die Strömungsrate des Gases, das pro Zeiteinheit aus der Auslassmündung ausgeleitet werden soll, auf der Basis des Winddrucks eines Außenwinds, der vom Winddrucksensor erfasst wird, bestimmt. Da die Leistung für die Ansteuerung der Gaszufuhrquelle pro Zeiteinheit auf der Basis des erfassten Winddrucks gesteuert werden kann, wird hierbei wirksam verhindert, dass Wind oder dergleichen durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt.
(Erste bevorzugte Ausführungsform)
Nun wird eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 6 beschrieben. Ein Brennstoffzellensystem gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform weist eine Abgasleitung 1 auf, die Abgase aus dem Brennstoffzellensystem ausleitet, wenn das System in Betrieb ist. Die Abgasleitung 1 umfasst eine erste Abgasleitung 2 für die Ausleitung von Abgasen aus dem Brennstoffzellensystem und einen Auslassschacht 3, der an einem stromabwärtigen Endabschnitt der ersten Abgasleitung 2 vorgesehen ist und als zweite Abgasleitung dient. Der Auslassschacht 3 weist eine Auslassmündung 5 auf. Der Auslassschacht 3 ist ein Endabschnitt der Abgasleitung 1 auf der Seite der Auslassmündung 5.
Die erste Abgasleitung 2 umfasst eine Verbrennungsabgasleitung 31, durch die Verbrennungsabgas, das nach der Verbrennung aus einer Verbrennungseinheit 102 eines Reformers 100 ausgeleitet wird, strömt, und eine Kathodenabgasleitung 33, durch die Kathodenabgas strömt, das nach der Leistung erzeugenden Reaktion aus Kathoden 142 von Brennstoffzellen 140 ausgeleitet wird. Die Verbrennungsabgasleitung 31 und die Kathodenabgasleitung 33 liegen getrennt voneinander vor.
4 zeigt die Konstruktion des Brennstoffzellensystems. Wie in 4 dargestellt, umschließt ein kastenförmiges Gehäuse 700 den Reformer 100, der die Reformierungseinheit 101 und eine Verbrennungseinheit 102 aufweist, die Brennstoffzellen 140, die einen Stapel bilden, einen Befeuchter 190, eine Steuereinheit 500, den Auslassschacht 3, einen Verbrennungsabgaskondensierer 110 für die Kondensierung von im Verbrennungsabgas enthaltenem Wasserdampf, einen Kathodenkondensierer 220 für die Kondensierung von im Kathodenabgas enthaltenem Wasserdampf, die Verbrennungsabgasleitung 31, durch die Verbrennungsabgas strömt, das nach der Verbrennung aus der Verbrennungseinheit 102 des Reformers 100 ausgeleitet wird, die Kathodenabgasleitung 33, durch die Kathodenabgas strömt, das nach der Leistung erzeugenden Reaktion aus den Kathoden der Brennstoffzellen 140 ausgeleitet wird, und verschiedene andere zusätzliche Einrichtungen.
Wie in 4 dargestellt, befindet sich der Auslassschacht 3 vertikal oberhalb des Kondensierers, wie des Verbrennungsabgaskondensierers 120 und des Kathodenkondensierers 220. Dadurch soll Kondenswasser, das im Auslassschacht 3 erzeugt wird, aufgrund der Schwerkraft durch die Verbrennungsabgasleitung 31 zum Verbrennungsabgaskondensierer 110 oder durch die Kathodenabgasleitung 33 zum Kathodenkondensierer 220 zurückgeführt werden.
Wie in 1 dargestellt, weist der Auslassschacht 3, der als zweite Abgasleitung dient, eine Kastenform (eine rechteckige Kastenform) auf und ist ein Endabschnitt der Abgasleitung 1 für die Ausleitung von Abgasen des Brennstoffzellensystems auf der Seite der Auslassmündung 5.
Wie in 2 dargestellt, weist der Auslassschacht 3 auf: zwei erste Seitenwände 41, die einander gegenüber liegen, eine untere Wand 43, welche die beiden ersten Seitenwände 41 mittels erster gerader Faltlinienbereiche 42 verbindet, eine vordere Wand 44 und eine hintere Wand 45, die einander gegenüber liegen, und eine obere Wand 47, die die vordere Wand 44 und die hintere Wand 45 mittels zweiter gerader Faltlinienbereiche 46 verbindet. Außerdem weist der Auslassschacht 3 auf: einen ersten zylindrischen Körper 48, der mit einer ersten Durchgangsöffnung 43f der unteren Wand 43 in Verbindung steht, und einen zweiten zylindrischen Körper 49, der mit einer zweiten Durchgangsöffnung 43s der unteren Wand 43 in Verbindung steht. Hierbei wird, wie in 2 dargestellt, ein erstes Ausgangsmaterial 4f mit einem U-förmigen Querschnitt für die beiden ersten Seitenwände 41 und die untere Wand 43, die über die ersten geraden Faltlinienbereiche 42 mit den beiden anderen verbunden ist, verwendet. Ein zweites Ausgangsmaterial 3s mit einem U-förmigen Querschnitt wird für die vordere Wand 44, die hintere Wand 45 und die obere Wand 47, die über die zweiten geraden Faltlinienbereiche 46 untereinander verbunden sind, verwendet. Ferner werden der erste zylindrische Körper 48 und der zweite zylindrische Körper 49 verwendet. Der Auslassschacht 3 wird durch Verschweißen des ersten Ausgangsmaterials 3f, des zweiten Ausgangsmaterials 3s, des ersten zylindrischen Körpers 48 und des zweiten zylindrischen Körpers 49 zusammen mit einem Umlenkelement 6 luftdicht ausgebildet. Dank der Verwendung eines solchen verschweißten Aufbaus ist der Auslassschacht 3 einfach aufgebaut.
Wie in 1 dargestellt, ist die Auslassmündung 5 in der vorderen Wand 44 des Auslassschachts 3 ausgebildet. Wenn die Abgase, die aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet werden sollen, Wasserdampf enthalten, ist zu befürchten, dass Abgase, die aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet werden, außerhalb des Auslassschachts 3 abkühlen, wodurch Kondenswasser entsteht, und dass der an der vorderen Wand 44 abgelagerte Staub und das Kondenswasser die vordere Wand 44 verschmutzen. Daher wird der Wasserdampf, der in den Abgasen enthalten ist, vorzugsweise entfernt, bevor die Abgase aus der Auslassmündung 5 (aus dem Gehäuse 700) ausgeleitet werden.
Wie in 1 dargestellt, weist dabei der Auslassschacht 3 eine Höhe H1 ab der unteren Wand 43, eine Breite D1 und eine Tiefe W1 auf. Wie in 3 dargestellt, weist die Auslassmündung 5 die Form eines querformatigen Rechtecks auf und weist einen oberen Seitenabschnitt 5u, einen unteren Seitenabschnitt 5d und linke und rechte Seitenabschnitte 5s auf. Der obere Abschnitt (der obere Seitenabschnitt 5u) der Auslassmündung 5 weist eine Höhe H20 ab der unteren Wand 43 auf. Der untere Abschnitt (der untere Seitenabschnitt 5d) der Auslassmündung 5 weist eine Höhe H21 ab einer unteren Oberfläche der unteren Wand 43 auf. Die Auslassmündung 5 weist eine Breite D2 auf.
Wie in den 1 bis 3 dargestellt, weist der Auslassschacht 3 ferner den ersten zylindrischen Körper 48 mit einer zylindrischen Form und den zweiten zylindrischen Körper 49 mit einer zylindrischen Form auf, die beide durch Schweißen mit der unteren Wand 43 verbunden sind. Der erste zylindrische Körper 48 und der zweite zylindrische Körper 49 sind parallel zueinander auf eine solche Weise vorgesehen, dass sie von der unteren Wand 43 in einer vertikalen Abwärtsrichtung ausgehen, so dass Kondenswasser durch Schwerkraft abtropft. Der erste zylindrische Körper 48 ist mit einem Endabschnitt der Verbrennungsabgasleitung 31 für die Ausleitung von Verbrennungsabgas aus der Verbrennungseinheit 102 des Reformers 100 zur Außenluft verbunden. Der zweite zylindrische Körper 49 ist mit einem Endabschnitt der Kathodenabgasleitung 33 für die Ausleitung des Kathodenabgases aus den Kathoden 142 der Brennstoffzelle 140 zur Außenluft verbunden.
Wie in 5 dargestellt, sind wegen des Aufbaus innerhalb des Brennstoffzellensystems eine Achse P1 des ersten zylindrischen Körpers 48 und eine Achse P2 des zweiten zylindrischen Körpers 49 um ΔL2 in Tiefenrichtung des Auslassschachts 3 (in Richtung des Pfeils W1) versetzt. Da der erste zylindrische Körper 48 somit in entgegengesetzter Richtung zur Auslassmündung 5 versetzt ist, kann das Volumen der Mischkammer 66, die später erörtert wird, erhöht werden.
Wie in den 1 bis 6 dargestellt, ist das Umlenkelement 6, das eine Rückstrom-Unterdrückungseinheit darstellt, innerhalb des Auslassschachts 3, bei dem es sich um einen Endabschnitt der Abgasleitung 1 handelt, vorgesehen. Das Umlenkelement 6 steht so im Auslassschacht 3, dass es sich im Wesentlichen in einer Aufwärtsrichtung von der unteren Wand 43 erstreckt. Wie in 1 dargestellt, ist ein lateraler Endabschnitt 6a des Umlenkelements 6 durch Schweißen an einer der Seitenwände 41 des Auslassschachts 3 befestigt. Der andere laterale Endabschnitt 6c des Umlenkelements 6 ist durch Schweißen an der anderen Seitenwand 41 des Auslassschachts 3 befestigt. Eine Verbindungsplatte 63, bei der es sich um einen unteren Abschnitt des Umlenkelements 6 handelt, ist durch Schweißen an der unteren Wand 43 befestigt.
In dieser bevorzugten Ausführungsform weist das Umlenkelement 6, wie in 5 dargestellt, auf: einen ersten Umlenkabschnitt 61, der sich in Verlaufsrichtung des Auslassschachts 5 (in der Richtung des Pfeils H) erstreckt und der auf die Auslassmündung 5 gerichtet ist, und einen zweiten Umlenkabschnitt 62, der mit einem Endabschnitt (einem oberen Endabschnitt) des ersten Umlenkabschnitts 61 verbunden ist. Die Verbindungsplatte 63 ist an einem unteren Endabschnitt des ersten Umlenkelements 61 vorgesehen. Die Verbindungsplatte 63 ist durch Schweißen an der unteren Wand 43 des Auslassschachts 3 befestigt, und der erste Umlenkabschnitt 61 steht auf der unteren Wand 43. Der zweite Umlenkabschnitt 62 ist in einer entgegengesetzten Richtung zur Verbindungsplatte 61 gebogen, d. h. in Richtung auf die Auslassmündung 5. Man beachte, dass der erste Umlenkabschnitt 61, der zweite Umlenkabschnitt 62, die Verbindungsplatte 63 und Flügelwände 70 durch Biegen eines Plattenstücks gebildet werden und dass diese Teile das Umlenkelement 6 bilden.
Nun wird das Umlenkelement 6 ausführlicher beschrieben. Wie in 5 dargestellt, erstreckt sich der zweite Umlenkabschnitt 62 in einer Querrichtung (der Richtung des Pfeils W) zur Verlaufsrichtung des Auslassschachts 5 (zur Richtung des Pfeils H), das heißt, er erstreckt sich in ungefähr horizontaler Richtung, so dass er ungefähr parallel zur unteren Wand 43 und zur oberen Wand 47 ist. Da ein vorderer Endabschnitt 62 des zweiten Umlenkabschnitts 62 die vordere Wand 44 des Auslassschachts 3 nicht erreicht, wird ein letzter Durchlass 64 unmittelbar vor der Auslassmündung 5 zwischen dem vorderen Endabschnitt 62c des zweiten Umlenkabschnitts 62 und der vorderen Wand 44 des Auslassschachts 3 gebildet. In dem letzten Durchlass 63 strömen die Abgase in einer Abwärtsrichtung (in der Richtung des Pfeils Y1). Dagegen weht Wind von außen durch die Auslassmündung 5 in Richtung des Pfeils X1 in den Auslassschacht, wie in 5 dargestellt. Auf diese Weise sind die grundsätzliche Richtung des letzten Durchlasses 64 (die Richtung des Pfeils Y1) und die grundsätzliche Richtung des Winds, der durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3 weht (die Richtung des Pfeils X1), keine Richtungen, die miteinander frontal kollidieren, sondern Richtungen, die einander kreuzen. Auch wenn Wind von außen durch die Auslassmündung 5 eindringt, wird somit verhindert, dass Abgase, die durch den letzten Durchlass 64 strömen, und Wind, der von außen durch die Auslassmündung 5 eindringt, frontal miteinander kollidieren. Dies ist somit von Vorteil bei der Ausleitung von Abgasen, die durch den letzten Durchgang 64 des Auslassschachts 3 geströmt sind, aus dem Auslassschacht 3 durch die Auslassmündung 5.
Wie in 3 dargestellt, ist eine obere Breite D3 des Umlenkelements 6 der Breite D1 des Auslassschachts 3 fast gleich, aber um die Dicke der Seitenwände 41 kleiner als die Breite D1. Eine untere Breite D4 des Umlenkelements 6 ist kleiner als die Breite D1 des Auslassschachts 3, aber größer als die Breite D2 der Auslassmündung 5.
Daher steht das Umlenkelement nahe an der Auslassmündung 5 und ist auf diese gerichtet, und dieser Aufbau ist von Vorteil bei der Unterdrückung des direkten Eindringens von Außenwind durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3. Insbe sondere ist in dieser bevorzugten Ausführungsform, wie in 3 dargestellt, eine Höhe H3 des zweiten Umlenkabschnitts 62 des Umlenkelements 6 ab der unteren Oberfläche der unteren Wand 43 so ausgelegt, dass sie größer ist als die Höhe H20 des oberen Seitenabschnitts 5u (des oberen Abschnitts) der Auslassmündung 5 oder die Höhe H21 des unteren Seitenabschnitts 5d (des unteren Abschnitts der Auslassmündung 5. Daher steht das Umlenkelement 6 nahe an der Auslassmündung 5 und deckt die gesamte Fläche der Auslassmündung 5 ab. Dies ist besonders vorteilhaft bei der Unterdrückung des direkten Eindringens von Wind durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3. Wie in 3 dargestellt, ist außerdem die Auslassmündung 5 zwischen den beiden Flügelwänden 70, die einander gegenüber liegen, angeordnet. Das heißt, eine der Flügelwände 70 ist auf einer Seite der Auslassmündung 5 angeordnet und die andere Flügelwand 70 ist auf der anderen Seite der Auslassmündung 5 angeordnet. Infolgedessen ist der Abstand zwischen den beiden einander gegenüber liegenden Flügelwänden 70, welcher der Breite D4 fast gleich ist, so ausgelegt, dass er größer ist als die Breite D2 der Auslassmündung. Daher unterdrücken die Flügelwände 70 das direkte Eindringen von Wind durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3.
In dieser bevorzugten Ausführungsform teilt das Umlenkelement 6, wie in 5 dargestellt, den Innenraum des Auslassschachts 3 in die Mischkammer 66 und eine Auslasskammer 67. Wenn der Auslassschacht 3 die Tiefe W1 aufweist, ist in einem Querschnitt entlang der Richtung, in der Abgase durch die Auslassmündung 5 strömen (in 7 dargestellt), das Umlenkelement 6 nahe der Auslassmündung 5 angeordnet, das heißt, in einem Bereich W1 × 1/2 ab der Auslassmündung 5, und besonders bevorzugt in einem Bereich W1 × 1/3 ab der Auslassmündung 5.
Die Mischkammer 66 befindet sich stromaufwärts vom Umlenkelement 6 im Auslassschacht 3 und ist über die erste Durchgangsöffnung 34f mit einem Kanal 48c des ersten zylindrischen Körpers 48 verbunden und über eine zweite Durchgangsöffnung 43s mit einem Kanal 49c des zweiten zylindrischen Körpers 49. Da die Mischkammer mit dem Kanal 48c des ersten zylindrischen Körpers 48 und mit dem Kanal 49c des zweiten zylindrischen Körpers 49 verbunden ist, dient die Mischkammer 66 als Kammer mit einem großen Raumvolumen für die Kombinierung und Mischung des Katho denabgases, das aus den Kathoden 142 der Brennstoffzellen 140 ausgeleitet wird, und des Verbrennungsabgases, das aus der Verbrennungseinheit 102 des Reformers 100 ausgeleitet wird. Hierbei weist die Mischkammer 66 des Auslassschachts 3 einen größeren Leitungsquerschnitt auf als die gesamten Querschnitte der Verbrennungsabgasleitung 31 und der Kathodenabgasleitung 33 der ersten Abgasleitung 2.
Wie in 5 dargestellt, steht die Auslasskammer 67 nahe an der Auslassmündung 5 und ist auf diese gerichtet und befindet sich stromabwärts vom Umlenkelement 6 im Auslassschacht 3. Außerdem ist das Raumvolumen der Mischkammer 66 so ausgelegt, dass es größer ist als das der Auslasskammer 67. Dies ist von Vorteil beim Mischen des Verbrennungsabgases und des Kathodenabgases und bei der Verdünnung einer Konzentration des Verbrennungsabgases mit dem Kathodenabgas (genauer: Luft). Da das Volumen der Mischkammer 66 größer ist als das der Auslasskammer 67, kann außerdem der Innendruck der Mischkammer 66 erhöht werden und dies ist besonders vorteilhaft bei der Unterdrückung eines Rückstroms von der Auslassmündung 5 in die Mischkammer 66.
Wie aus 3 (einer frontalen Ansicht des Auslassschachts 3) ersichtlich ist, ist in dieser bevorzugten Ausführungsform in einer senkrechten Projektion entlang des Pfeils X1 in 5, von vor der Oberfläche der vorderen Wand 44 des Auslassschachts 3 in Bezug auf das Umlenkelement 6 und die Auslassmündung 5, die Form einer Projektion des Umlenkelements 6 so ausgelegt, dass sie die der Auslassmündung 5 überlappt, und die Fläche der Projektion des Umlenkelements 6 ist so ausgelegt, dass sie größer ist als die der Auslassmündung 5. Somit steht das Umlenkelement 6 nahe an der Auslassmündung 5 und ist auf diese gerichtet und deckt den gesamten Abschnitt der Auslassmündung 5 ab. Dies ist von Vorteil bei der Unterdrückung des direkten Eindringens von Wind durch die Auslassmündung 5 in die Auslasskammer 67 des Auslassschachts 3.
Wie in 5 dargestellt, ist ein Zwischendurchlass 65 zwischen dem horizontal verlaufenden zweiten Umlenkabschnitt 62 und der oberen Wand 47 ausgebildet. In einem oberen Abschnitt des Auslassschachts 3 verläuft der Zwischendurchlass 65 in Richtung des Pfeils W (in Tiefenrichtung), so dass die Mischkammer 66 mit der Auslasskammer 67 in einer horizontalen Richtung in Verbindung steht. Wie bereits gesagt ist die Höhe H3 des zweiten Umlenkabschnitts 62 ab der unteren Wand 43 so ausgelegt, dass sie größer ist als die Höhe H20 des oberen Seitenabschnitts 5u (des oberen Abschnitts) der Auslassmündung 5. Daher ist der Zwischendurchlass 65 nicht direkt auf die Auslassmündung 5 gerichtet und befindet sich oberhalb des oberen Seitenabschnitts 5u der Auslassmündung 5. Auch wenn Wind durch die Auslassmündung 5 weht, kann der Wind daher kaum direkt in den Zwischendurchlass 65 gelangen.
Wie in 5 dargestellt, sind die Mischkammer 66, der Zwischendurchlass 65, die letzte Durchlass 65 und die Auslassmündung 5 hintereinander in dieser Reihenfolge angeordnet. Wie bereits gesagt, verläuft hierbei der Zwischendurchlass 65 in Richtung des Pfeils W und der letzte Durchlass 64 verläuft in Richtung des Pfeils H. Somit wird innerhalb des Auslassschachts 3 die Gasströmungsrichtung um etwa 90 Grad gedreht. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist somit die Richtung eines Leitungsabschnitts der Abgasleitung 1 in der Nähe der Auslassmündung 5 gekrümmt. Dies trägt auch dazu bei, das Eindringen von Außenwinden in den Auslassschacht, das heißt, deren Rückströmen durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3 zu unterdrücken.
In dieser bevorzugten Ausführungsform sind, wenn die Mischkammer 66 einen Leitungsquerschnitt S66 aufweist, der Zwischendurchlass 65 einen Leitungsquerschnitt s65 aufweist, der letzte Durchlass 64 einen Leitungsquerschnitt S64 aufweist und die Auslassmündung 5 einen Leitungsquerschnitt S5 aufweist, S66, S65, S65 und S5 so ausgelegt, dass die Beziehung S66 > S65, S65 oder S5 erfüllt ist. Wenn S66 ein konstanter Wert α ist, sind außerdem Werte, die durch Teilen der einzelnen Leitungsquerschnitte durch α erhalten werden, d. h. (S65/α), (S64/α) und (S5/α) alle so ausgelegt, dass sie im Bereich von 0,7 bis 1,3, vorzugsweise im Bereich von 0,8 bis 1,2 und noch stärker bevorzugt im Bereich von 0,95 bis 1,05 liegen. Das heißt, die jeweiligen Leitungsquerschnitte S65, S64, S5 sind so ausgelegt, dass sie ähnlich groß sind. Da dadurch die Druckschwankung weitgehend verringert ist, können Abgase, die durch Mischen des Verbrennungsabgases und des Kathodenabgases in der Mischkammer 66 erhalten werden, durch die Auslassmündung 5 aus dem Auslassschacht 3 ausgeleitet wer den. Somit kann dieses System eine gute Leistung beim Ausleiten der Abgase erreichen. Man beachte, dass die Leitungsquerschnitte die Querschnitte in senkrechter Richtung zur Gasströmungsrichtung meinen.
In dieser bevorzugten Ausführungsform sind, wie in 5 dargestellt, der erste Umlenkabschnitt 61 und der zweite Umlenkabschnitt 62 so gebogen, dass sie einen ungefähr V-förmigen Querschnitt aufweisen und eine V-förmige Aufnahmewand 68 bilden. Die Aufnahmewand 68 bildet eine Aufnahmekammer 69 mit einem ungefähr V-förmigen Querschnitt (einem Querschnitt in Richtung der Abgase, die durch die Auslassmündung 5 strömen sollen). Wie in 5 dargestellt, ragen die Aufnahmekammer 69 und die Aufnahmewand 68 von einem oberen Niveau über die Auslassmündung 5 der Auslassschachts 3 vor. Die Aufnahmekammer 69 ist so ausgelegt, dass ihre Raumbreite K mit zunehmendem Abstand zur Auslassmündung 5 abnimmt. Auch wenn Wind von außen durch die Auslassmündung 5 in die Auslasskammer 67 des Auslassschachts 3 gelangt, trägt dies daher nicht nur zur Unterdrückung des Eindringens von Wind in die Mischkammer 66 bei, sondern auch dazu, dass der Wind umgelenkt und aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet wird.
In dieser bevorzugten Ausführungsform sind, wie in 1 dargestellt, die Flügelwände 70 an beiden lateralen Enden des Umlenkelements 6 in Richtung auf die Auslassmündung 5 gebogen. Dadurch ist, wie in 3 dargestellt, eine Verbindungsöffnung 71 zwischen einer der Flügelwände 70 und einer der ersten Seitenwände 41 ausgebildet. Die Flügelwände 70 des Umlenkelements 6 sind durch Schweißen an der unteren Wand 43 des Auslassschachts 3 befestigt. Da im Umlenkelement 6 die Flügelwände 70 und die Verbindungsplatte 63 am Boden in einander entgegengesetzten Richtungen verlaufen, ist die Tragestabilität des Umlenkelements 6 erhöht. Man beachte, dass die Breite der Flügelwände 70, wie in 3 dargestellt, so gestaltet ist, dass sie größer ist als die der Auslassmündung 5. Dies verhindert, dass Wind direkt in den Auslassschacht 3 gelangt. Die Verbindungsöffnungen 71, die von den Flügelwänden 70 gebildet werden, ermöglichen eine Verbindung zwischen einem unteren Abschnitt der Mischkammer 66 und einem oberen Abschnitt der Auslasskammer 67 des Auslassschachts 3. Wenn Kondenswasser auf der Seite der Auslasskammer 67 gebildet wird, kann daher das Kondenswasser durch die Verbindungsöffnungen 71 in die Mischkammer 66 überführt werden (in Richtung des Pfeils R in 3), und außerdem kann es aus dem Kanal 48c des ersten zylindrischen Körpers 48 und dem Kanal 49c des zweiten zylindrischen Körpers 49 abtropfen gelassen werden. Der erste zylindrische Körper 48 ist mit dem Verbrennungsabgaskondensierer 110 verbunden, während der zweite zylindrische Körper 49 mit dem Kathodenabgaskondensierer 220 verbunden ist.
In dieser bevorzugten Ausführungsform steht das Umlenkelement nahe an der Auslassmündung 5 und ist auf diese gerichtet. Daher wird das Umlenkelement 6 auf einfache Weise durch Außenwind oder dergleichen gekühlt. Wenn das Umlenkelement 6 aus einer Metallplatte mit guter Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit gebildet ist, ist das Umlenkelement 6 außerdem im Hinblick auf Wärmeleitfähigkeit besser als solche, die aus Harzen oder keramischen Werkstoffen gebildet sind. Wenn das Verbrennungsabgas und das Kathodenabgas, die aus der Verbrennungsabgasleitung 31 und der Kathodenabgasleitung 33 in die Mischkammer 66 des Auslassschachts 3 geliefert werden, warm sind und Wasserdampf enthalten, können daher das warme Verbrennungsabgas und das warme Kathodenabgas vom Umlenkelement 6 gekühlt werden. Somit kann das Umlenkelement 6 als Kühlelement oder als Wärmetauscherelement dienen. Hierbei ist zu befürchten, dass Kondenswasser an der Oberfläche des Umlenkelements 6 auf der Seite der Mischkammer 66 gebildet wird. Das so gebildete Kondenswasser tropft aufgrund der Schwerkraft entlang des stehenden Umlenkelements 6 ab und tropft aufgrund der Schwerkraft vom unteren Abschnitt der Mischkammer 66 durch den ersten zylindrischen Körper 48 und den zweiten zylindrischen Körper 49 weiter nach unten zum Kondensierer 110, der mit dem ersten zylindrischen Körper 48 verbunden ist, und zum Kondensierer 220, der mit dem zweiten zylindrischen Körper 49 verbunden ist. Man beachte, dass Wasser, das in den Kondensierern 110, 220 gesammelt ist, zu Wasser wird, das als Ausgangsmaterial für die Reformierungsreaktion des Reformers 110 verwendet wird, wie später ausgeführt.
Ferner ist zu befürchten, dass Kondenswasser auch auf der Oberfläche des Umlenkelements auf der Seite der Brennkammer 67 gebildet wird. Wenn das Verbrennungsabgas und das Kathodenabgas, die zur Mischkammer 66 geliefert werden, warm sind und kühle Außenluft durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3 gelangt, ist in diesem Fall zu befürchten, dass die warmen Gase durch das Umlenkelement 6 abgekühlt werden und dass Kondenswasser in der Auslasskammer 67 erzeugt wird. Das solchermaßen in der Auslasskammer 67 erzeugte Wasser erreicht die Mischkammer 66 durch die Verbindungsöffnungen 71 und tropft aufgrund der Schwerkraft von der unteren Wand 43 der Mischkammer 66 in den ersten zylindrischen Körper 48 und den zweiten zylindrischen Körper 49 ab und tropft weiter hinunter zum Kondensierer 110 und zum Kondensierer 220.
Wie oben beschrieben, ist in dieser bevorzugten Ausführungsform das Umlenkelement 6 im Auslassschacht 3, bei dem es sich um einen Endabschnitt der Abgasleitung 1 handelt, auf der Seite der Auslassmündung 5 vorgesehen. Daher wird verhindert, dass Wind von außen durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3 gelangt. Somit wird ein Rückstrom wirksam unterdrückt. Wenn das Brennstoffzellensystem im Leistungserzeugungsbetrieb ist, wird somit wirksam verhindert, dass Abgase, die aus der Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, in die Verbrennungsabgasleitung 31 und die Kathodenabgasleitung 33 zurückströmen statt aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet zu werden. Daher wird die Verbrennungsstabilität in der Verbrennungseinheit 102 des Reformers 100 sichergestellt.
Man beachte, dass die untere Wand 43 in Richtung auf den ersten zylindrischen Körper 48 und den zweiten zylindrischen Körper 49 abwärts geneigt sein kann, so dass Wasser, dass sich an der unteren Wand 43 befindet, aufgrund der Schwerkraft leicht nach unten in den ersten zylindrischen Körper 48 und den zweiten zylindrischen Körper 49 tropfen kann.
(Zweite bevorzugte Ausführungsform)
7 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese bevorzugte Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau, die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung auf wie die erste bevorzugte Ausführungsform. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben. Wie in 7 dargestellt, ist ein Querabschnitt des ersten Umlenkabschnitts 61 und des zweiten Umlenkabschnitts 62, die das Umlenkelement 6 bilden, so gebogen, dass er einen ungefähr U-förmigen Querschnitt aufweist und eine U-förmige Aufnahmewand 68B bildet. Wenn Wind von außen durch die Auslassmündung 5 in die Auslasskammer 67 des Auslassschachts 3 gelangt, trägt dieser Aufbau dazu bei, nicht zur das Eindringen des Windes in die Mischkammer 66 zu verhindern, sondern auch dazu, den Wind umzulenken und aus der Auslassmündung 5 auszuleiten. Somit ist er von Vorteil bei der Unterdrückung eines Rückstroms. Auch in dieser bevorzugten Ausführungsform ist, wie in 7 dargestellt, die Höhe H3 des zweiten Umlenkabschnitts 6 ab der unteren Oberfläche der unteren Wand 43 so gestaltet, dass sie größer ist als die Höhe H20 des oberen Seitenabschnitts 5u (des oberen Abschnitts) der Auslassmündung 5. Dies ist ferner von Vorteil bei der Unterdrückung des direkten Eindringens von Wind in die Auslasskammer 67 des Auslassschachts 3 durch die Auslassmündung 5.
(Dritte Ausführungsform)
8 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese bevorzugte Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau, die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung auf wie die erste bevorzugte Ausführungsform. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben. Wie in 8 dargestellt, steht der erste Umlenkabschnitt 61 des Umlenkelements 6 so, dass er in ungefähr vertikaler Richtung von der unteren Wand 43 des Auslassschachts 3 vorsteht. Der zweite Umlenkabschnitt 62 ist mit Bezug auf den ersten Umlenkabschnitt 61 so gebogen, dass er einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist und eine L-förmige Aufnahmewand 68C bildet. Wenn Wind von außen durch die Auslassmündung in die Auslasskammer 67 des Auslassschachts 3 gelangt, trägt dieser Aufbau nicht nur dazu bei, das Eindringen von Wind in die Mischkammer 66 zu unterdrücken, sondern auch dazu, dass der Wind umgelenkt und aus der Auslassmündung ausgeleitet wird. Dies ist von Vorteil bei der Unterdrückung eines Rückstroms.
Auch in dieser bevorzugten Ausführungsform ist, wie in 8 dargestellt, die Höhe H3 des zweiten Umlenkabschnitts 62 des Umlenkelements 6 ab der unteren Wand 43 so gestaltet, dass sie größer ist als die Höhe H20 des oberen Seitenabschnitts 5u (des oberen Abschnitts) der Auslassmündung 5 oder die Höhe H21 des unteren Seitenabschnitts 5d (des unteren Abschnitts) der Auslassmündung 5. Daher kann verhindert werden, dass Wind von außen durch die Auslassmündung 5 direkt in die Auslasskammer 67 des Auslassschachts 3 gelangt, und dies ist somit von besonderem Vorteil bei der Unterdrückung eines Rückstroms.
Wie in 8 dargestellt, sind außerdem die Achse P1 des ersten zylindrischen Körpers 48 und die Achse P2 des zweiten zylindrischen Körpers 49 in Tiefenrichtung des Auslassschachts 3 (in Richtung des Pfeils W) nicht versetzt, das heißt, diese Achsen fluchten miteinander. Dieser Aufbau kann dazu beitragen, den Auslassschacht 3 zu verkleinern.
(Vierte bevorzugte Ausführungsform)
9 und 10 zeigen eine vierte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese bevorzugte Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau, die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung auf wie die erste bevorzugte Ausführungsform. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben. Wie in 10 dargestellt, weist dieses Umlenkelement 6 keine Flügelwände 70 auf, und daher gibt es keine Verbindungsöffnungen 71. Im Auslassschacht 3 sind daher ein oberer Abschnitt der Auslasskammer 67 auf der Seite der Auslassmündung 5 und ein oberer Abschnitt der Mischkammer 66 über den Zwischendurchlass 65 miteinander verbunden, aber ein unterer Abschnitt der Auslasskammer 67 und ein unterer Abschnitt der Mischkammer 66 sind nicht miteinander verbunden und sind gegeneinander versperrt. Daher strömt Kondenswasser, das im unteren Teil der Auslasskammer 67 gesammelt wird, nicht in die Mischkammer 66. Die Auslasskammer 67 weist am Boden ein Abflussloch 67x auf, und das Wasser wird durch ein Abflussrohr 67y, wie einen elastischen Schlauch, in eine Abflusseinheit (nicht dargestellt) ausgeleitet. Wenn das Abgasrohr 3 in einer Umgebung verwendet wird, wo Staub zusammen mit hereinkommendem Außenwind von der Auslassmündung 5 leicht in die Auslasskammer 67 gelangt, wird in diesem Fall Kondenswasser, das Staub enthält, in die Abflusseinheit ausgeleitet.
(Fünfte bevorzugte Ausführungsform)
11 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese bevorzugte Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau, die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung auf wie die erste bevorzugte Ausführungsform. Nachstehend werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben. Wie in 11 dargestellt, weist das Umlenkelement 6 Wärmetauscherrippen 6m, 6n auf. Die Wärmetauscherrippen 6m sind auf die Innenseite der Mischkammer 66 gerichtet. Die Wärmetauscherrippen 6m verlaufen so, dass sie oberhalb des ersten zylindrischen Körpers 48 und des zweiten zylindrischen Körpers 49 angeordnet sind und diese überlappen. Die Wärmetauscherrippen 6n sind auf die Auslassmündung 5 in der Auslasskammer 67 gerichtet. Wenn Wind durch die Auslassmündung 5 in Richtung des Pfeils X1 in die Auslasskammer 67 gelangt, werden die Wärmetauscherrippen 6n auf einfache Weise gekühlt.
Dank der Wärmetauscherrippen 6m, 6n ist die Oberfläche des Umlenkelements 6 vergrößert. Wenn die Abgase, die in die Mischkammer 66 geströmt sind, warm sind, werden daher die Abgase von den Wärmetauscherrippen 6m, 6n des Umlenkelements 6 gekühlt. Dies ist von Vorteil bei der Erzeugung von Kondenswasser durch Kondensieren von Wasserdampf, der in den Abgasen in der Mischkammer 66 enthalten ist. Das Kondenswasser tropft durch den ersten zylindrischen Körper 48 und den zweiten zylindrischen Körper 49 nach unten und wird gesammelt. Da die Wärmetauscherrippen 6m sich lang erstrecken, so dass sie sich oberhalb des ersten zylindrischen Körpers 48 und des zweiten zylindrischen Körpers 49 befinden, weist diese bevorzugte Ausführungsform den Vorteil auf, dass Kondenswasser direkt in den ersten zylindrischen Körper 48 und den zweiten zylindrischen Körper 49 nach unten tropft. Man beachte, dass es möglich ist, nur die Wärmetauscherrippen 6m oder nur die Wärmetauscherrippen 6n zu verwenden.
(Sechste bevorzugte Ausführungsform)
12 ist eine sechste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese bevorzugte Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau, die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung auf wie die erste bevorzugte Ausführungsform. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben. 12 zeigt ein Festpolymermembran-Brennstoffzellensystem. Jede der Brennstoffzellen 140 ist durch eine Festpolymer-Ionenleitermembran (eine Festpolymer-Protonenleitermembran) in eine Anode 141 und eine Kathode 142 geteilt. Wie in 12 dargestellt, weist eine Anodenfluid-Zufuhreinheit den Reformer 100 und eine Anodengaszuleitung 134 auf. Der Reformer 100 weist die Reformierungseinheit 101 und die Verbrennungseinheit 102 für die Erwärmung der Reformierungseinheit 101 auf hohe Temperaturen auf. Bei Betätigung einer Pumpe (einer Brennstoff-Zufuhrquelle für die Verbrennung) 103 wird gasförmiger Brennstoff (ein Ausgangsmaterial, wie Stadtgas), der von einer Brennstoff-Zufuhrquelle 104 geliefert wird, der Verbrennungseinheit 102 durch einen Entschwefler 105 und ein Brennstoffventil 106 für die Verbrennung zugeführt. Bei Betätigung einer Pumpe (einer Luftzufuhrquelle für die Verbrennung) 108 wird Luft, die für die Verbrennung bestimmt ist, der Verbrennungseinheit 102 durch eine Reinigungseinheit 109, wie einen Filter, zugeführt. Dann wird der Brennstoff in der Verbrennungseinheit 102 verbrannt, und die Verbrennungseinheit 102 erwärmt die Reformierungseinheit 101 auf hohe Temperaturen. Verbrennungsgas in der Verbrennungseinheit 102 strömt durch die Verbrennungsabgasleitung 31 und erreicht den Verbrennungsabgaskondensierer 110, wo das Verbrennungsabgas gekühlt wird und sein Wassergehalt verringert wird. Dann strömt das abgekühlte Verbrennungsabgas durch die Verbrennungsabgasleitung 31 in den ersten zylindrischen Körper 48 des Auslassschachts 3 und wird der Mischkammer 66 zugeführt.
Wenn die Reformierungseinheit 101 auf eine Temperatur erwärmt wird, die sich für eine Reformierungsreaktion eignet, wird bei Betätigung einer Pumpe (einer Brennstoff-Zufuhrquelle für die Reformierung) 120 der gasförmige Brennstoff von der Brennstoff-Zufuhrquelle 104 durch den Entschwefler 105, die Pumpe (die Brennstoff-Zufuhrquelle) 120 und ein Brennstoffventil 121 für eine Reformierung in die Reformie rungseinheit 101 geliefert. Als Ausgangsmaterial dienendes Wasser von einem Wassertank 124 wird durch eine Wasserreinigungseinheit (ein Wasserreinigungs-Förderungselement) 125 mit einem ionenleitenden Harz in reines Wasser umgewandelt und dann durch eine Pumpe (eine Zufuhrquelle für als Ausgangsmaterial dienendes Wasser) 126 und ein Ventil 127 für als Ausgangsmaterial dienendes Wasser einer Wasserverdampfungseinheit 128 zugeführt.
Das als Ausgangsmaterial dienende Wasser wird in der Hochtemperatur-Wasserverdampfungseinheit 128 in Wasserdampf umgewandelt und zusammen mit Brennstoff für die Reformierung der Reformierungseinheit 101 für eine Reformierung zugeführt. In der Reformierungseinheit 101 läuft in Anwesenheit von Wasserdampf und dem Brennstoff eine Reformierungsreaktion ab, wodurch wasserstoffreiches reformiertes Gas gebildet wird. Das reformierte Gas wird durch Entfernen von darin enthaltenem Kohlenmonoxid durch eine CO-Shift-Einheit 130 und eine CO-selektive Oxidierungseinheit 132 gereinigt. Das von CO befreite reformierte Gas strömt als Anodengas durch die Anodengas-Zufuhrleitung 134 und wird durch ein anodenseitiges Einlassventil 135 jeweils zur Anode 141 der einzelnen Brennstoffzellen 140 geliefert. Beim Anfahren des Reformers 100 ist die Zusammensetzung des reformierten Gases jedoch nicht ausreichend stabil. Daher umgeht das reformierte Gas, das in der Reformierungseinheit 101 erzeugt wird, die Brennstoffzellen 140 und wird durch eine Umgehungsleitung 150 und ein Umgehungsventil 151 zu einer Anodenabgasleitung 160 geliefert und erreicht einen Anodenkondensierer 170, wo das reformierte Gas abgekühlt und sein Wassergehalt verringert wird. Dann wird das abgekühlte reformierte Gas der Verbrennungseinheit 102 des Reformers 100 zugeführt und in der Verbrennungseinheit 102 verbrannt. Wie bereits ausgeführt, strömt das Verbrennungsabgas aus der Verbrennungseinheit 102 durch die Verbrennungsabgasleitung 31 in den Verbrennungsabgaskondensierer 110, wo das Verbrennungsabgas abgekühlt und sein Wassergehalt verringert wird. Dann wird das abgekühlte Verbrennungsabgas durch die Verbrennungsabgasleitung 31 und den ersten zylindrischen Körper 48 des Abgasschachts 3 in die Mischkammer 66 des Abgasschachts 3 geliefert.
Nun wird eine Kathodenfluid-Zufuhreinheit 196 beschrieben. Luft für die Erzeugung von elektrischer Leistung wird durch einen Filter 180 für die Reinigung, eine Pumpe (eine Kathodengas-Zufuhrquelle) 181 und ein Ventil 182 zu einer Zuleitung 191 eines Befeuchters 190 geliefert, und in der Zuleitung 191 des Befeuchters 190 wird die Luft befeuchtet. Dann wird die befeuchtete Luft durch ein kathodenseitiges Einlassventil 195 jeweils zur Kathode 142 der einzelnen Brennstoffzellen 140 geliefert. Dann nehmen das Kathodengas und das Anodengas an einer Reaktion teil, bei der in den Brennstoffzellen 140 elektrische Leistung erzeugt wird, und erzeugen dadurch elektrische Energie. Der Befeuchter 190 weist auf: die Zuleitung 191, durch die vor der Leistung erzeugenden Reaktion Kathodengas strömt, eine Rückleitung 192, durch die nach der Leistung erzeugenden Reaktion Kathodenabgas strömt, und ein wasseraufhaltendes Membranelement 194, das die Zuleitung 191 und die Rückleitung 192 voneinander trennt.
Das Anodenabgas, das nach der Leistung erzeugenden Reaktion aus der Anode 141 der einzelnen Brennstoffzellen ausgeleitet wird, enthält manchmal brennbare Bestandteile. Daher lässt man das Anodenabgas nach der Leistung erzeugenden Reaktion durch ein anodenseitiges Auslassventil 200 und die Anodenabgasleitung 160 zum Anodenkondensierer 170 strömen, wo das Anodenabgas abgekühlt wird und sein Wassergehalt verringert wird. Dann wird das abgekühlte Anodenabgas zur Verbrennungseinheit 102 geliefert und wird nach der Verbrennung zu Verbrennungsabgas. Ferner strömt das Verbrennungsabgas durch die Verbrennungsabgasleitung 31 zum Verbrennungsabgaskondensierer 110, wo das Verbrennungsabgas gekühlt und sein Wassergehalt verringert wird. Dann wird das Verbrennungsabgas durch die Verbrennungsabgasleitung 31 und den ersten zylindrischen Körper 48 des Abgasschachts 3 zur Mischkammer 66 des Abgasschachts 3 geliefert.
Das Kathodenabgas, das nach der Leistung erzeugenden Reaktion aus der Kathode 142 der einzelnen Brennstoffzellen 140 ausgeleitet wird, strömt durch die Kathodenabgasleitung 33 und das kathodenseitige Auslassventil 210 und erreicht die Rückleitung 192 des Befeuchters 190, und in der Rückleitung 192 des Befeuchters 190 gibt das Kathodenabgas Wasser und Wärme an die wasseraufhaltende Membran 194 ab, wodurch sein Wassergehalt entfernt wird. Ferner wird das aus der Rückleitung 192 des Befeuchters 190 ausgeleitete Kathodenabgas vom Kathodenkondensierer 220 gekühlt und sein Wassergehalt wird weiter verringert. Dann wird das abgekühlte Kathodenabgas durch die Kathodenabgasleitung 33 und den zweiten zylindrischen Körper 49 des Abgasschachts 3 zur Mischkammer 66 des Abgasschachts 3 geliefert. In der Leistung erzeugenden Reaktion in den Brennstoffzellen 140 wird Wasser in der Kathode 142 erzeugt. Das Wasser wandert ebenfalls zur Anode 141. Daher enthalten das Kathodenabgas, das aus der Kathode 142 der einzelnen Brennstoffzellen 140 ausgeleitet wird, und das Anodenabgas, das aus der Anode 141 der einzelnen Brennstoffzellen 140 ausgeleitet wird, im Allgemeinen zusätzlich zu Wärme auch Wasserdampf.
Wie bereits ausgeführt, befindet sich der Auslassschacht 3 oberhalb des Verbrennungsabgaskondensierers 110, des Kathodenkondensierers 220 und des Anodenkondensierers 170. Dies dient der Rückführung von im Auslassschacht 3 erzeugtem Kondenswasser zum Verbrennungsabgaskondensierer 110 und zum Kathodenkondensierer 220 aufgrund der Schwerkraft. Dagegen befindet sich der Wassertank 124 unterhalb des Verbrennungsabgaskondensierers 110, des Kathodenkondensierers 220 und des Anodenkondensierers 170. Dadurch soll das Kondenswasser aufgrund der Schwerkraft in den Wassertank 124 abtropfen.
Der Anodenkondensierer 170 weist ein drittes Wasserablassventil 171, das in seinem Boden angeordnet ist, und eine dritte Wasserleitung 172 auf, welche das dritte Wasserablassventil 171 und den Wassertank 124 verbindet. Der Anodenkondensierer 170 weist einen Kondensiererkörper 170b mit einer Gasströmungsleitung 170a und einen Wärmetauscher 170c auf, durch den Kühlwasser als Kühlmittel (ein flüssiges Kühlmittel) zum Kühlen der Gasströmungsleitung 170a strömt. Da das warme Anodenabgas, das in die Gasströmungsleitung 170a geströmt ist, vom Kühlwasser des Wärmetauschers 170c gekühlt wird, wird die Wasserdampf-Sättigungsdichte verringert und Kondenswasser wird in der Gasströmungsleitung 170a erzeugt. Wenn das Kondenswasser in der Gasströmungsleitung 170a einen vorgegebenen Pegel erreicht, wird das dritte Wasserablassventil 171 geöffnet, so dass das Kondenswasser aufgrund der Schwerkraft zum Wassertank 124 geliefert wird.
Der Verbrennungsabgaskondensierer 110 weist ein zweites Wasserablassventil 118, das in seinem Boden angeordnet ist, und eine zweite Wasserleitung 119 auf, die das zweite Wasserablassventil 118 und den Wassertank 124 verbindet. Der Verbrennungsabgaskondensierer 110 weist einen Kondensiererkörper 110b mit einer Gasströmungsleitung 110a und einen Wärmetauscher 110c auf, durch den Kühlwasser als Kühlmittel (ein flüssiges Kühlmittel) zum Kühlen der Gasströmungsleitung 110a strömt. Da warmes Verbrennungsabgas, das in die Gasströmungsleitung 110a geströmt ist, durch das Kühlwasser des Wärmetauschers 110c gekühlt wird, wird eine Wasserdampf-Sättigungsmenge verringert und Kondenswasser wird in der Gasströmungsleitung 110a erzeugt. Wenn das Kondenswasser in der Gasströmungsleitung 110a einen bestimmten Pegel erreicht, wird das zweite Wasserablassventil 118 geöffnet, damit das Kondenswasser aufgrund der Schwerkraft zum Wassertank 124 geliefert wird.
Wie in 12 dargestellt, weist der Kathodenkondensierer 220 ein erstes Wasserablassventil 221 auf, das an seinem Boden angeordnet ist, und eine erste Wasserleitung 222, die das erste Wasserablassventil 221 und den Wassertank 124 verbindet. Der Kathodenkondensierer 220 weist einen Kondensiererkörper 220b mit einer Gasströmungsleitung 220a und einen Wärmetauscher 220c auf, durch Kühlwasser als Kühlmittel (ein flüssiges Kühlmittel) zum Kühlen der Gasströmungsleitung strömt. Da warmes Kathodenabgas, das in die Gasströmungsleitung 220a geströmt ist, durch das Kühlwasser des Wärmetauschers 220c gekühlt wird, wird die Wasserdampf-Sättigungsmenge verringert und Kondenswasser wird in der Gasströmungsleitung 220a erzeugt. Wenn das Kondenswasser in der Gasströmungsleitung 220a einen bestimmten Pegel erreicht, wird das erste Wasserablassventil 221 geöffnet, so dass das Kondenswasser aufgrund der Schwerkraft in den Wassertank 124 geliefert wird.
Wasser im Wassertank 124 wird durch die Reinigereinheit 125 mit dem Ionentauscherharz in reines Wasser umgewandelt und dann durch die Pumpe (die Zufuhrquelle für als Ausgangsmaterial dienendes Wasser) 126 und das Ventil 127 für als Ausgangsmaterial dienendes Wasser zur Wasserverdampfungseinheit 128 geliefert und wird zu Wasserdampf, der in der Reformierungsreaktion verwendet werden soll.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist der Auslassschacht 3 einer von denen der ersten bis fünften bevorzugten Ausführungsformen und weist das Umlenkelement 6 auf, das auf die Auslassmündung 5 gerichtet ist. Da ein solches Umlenkelement 6 wie oben angegeben vorgesehen ist, werden das Verbrennungsabgas, das aus der Verbrennungseinheit 102 ausgeleitet wird, und das Kathodenabgas, das aus der Kathode 142 jeder der Brennstoffzellen 140 ausgeleitet wird, in der Mischkammer 66 der Auslassleitung 3 kombiniert und gemischt, wenn das Brennstoffzellensystem im Leistungserzeugungsbetrieb ist. Dann strömen die Abgase entlang des zweiten Umlenkabschnitts 62 des Umlenkelements 6 und werden aus der Auslassmündung 5 des Auslassschachts 3 nach außen geleitet. Da das Umlenkelement 6 auf die Auslassmündung 5 des Auslassschachts 3 gerichtet ist, wird verhindert, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems Wind von außen durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3 eindringt. Somit wird ein Abgasrückstrom unterdrückt. Daher wird verhindert, dass die Verbrennungsstabilität in der Verbrennungseinheit 102 des Reformers 100 durch das Eindringen von Außenwind beeinträchtigt wird.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist während des Betriebs des Brennstoffzellensystems, wenn das Kathodenabgas, das aus dem Kathodenkondensierer 220 ausgeleitet wird, eine Temperatur Tc aufweist und das Verbrennungsabgas, das aus dem Verbrennungsabgaskondensierer 110 ausgeleitet wird, eine Temperatur Tf aufweist, die Temperatur Tf im Allgemeinen höher als die Temperatur Tc (Tf > Tc).
Außerdem ist es möglich, ein System anzuwenden, in dem das oben genannte Verbrennungsabgas und das oben genannte Kathodenabgas kombiniert und gemischt und dann von einem Kondensierer kondensiert werden, um Kondenswasser zu erzeugen. Da die kombinierten Verbrennungs- und Kathodenabgase einen Temperaturunterschied aufweisen, besteht in diesem Fall jedoch die Gefahr, dass Kondenswasser nicht mit ausreichendem Wirkungsgrad erzeugt wird.
Was dies betrifft, so sind in dieser bevorzugten Ausführungsform, wie in 12 dargestellt, der Verbrennungsabgaskondensierer 110 und der Kathodenabgaskondensie rer 220 separat und unabhängig voneinander vorgesehen. Daher wird in dem Verbrennungsabgaskondensierer 110, durch den das relativ warme Verbrennungsabgas strömt, das Verbrennungsabgas vom Wärmetauscher 110c gekühlt, wodurch Kondenswasser erzeugt wird. Außerdem wird im Kathodenkondensierer 220, durch den das relativ kühle Kathodenabgas strömt, das Kathodenabgas vom Wärmetauscher 220c gekühlt, wodurch Kondenswasser erzeugt wird. Wenn der Vorgang der Erzeugung von Kondenswasser aus dem relativ warmen Verbrennungsabgas somit vom Vorgang der Erzeugung von Kondenswasser aus dem relativ kühlen Kathodenabgas getrennt ist, wird Kondenswasser mit höherem Wirkungsgrad erzeugt.
Darüber hinaus sind in dieser bevorzugten Ausführungsform, wie in 12 dargestellt, der Wärmetauscher 110c des Verbrennungsabgaskondensierers 110 und der Wärmetauscher 220c des Kathodenkondensierers 220 hintereinander angeordnet, so dass das gleiche Kühlwasser durch diese Tauscher strömen kann. Hierbei ist es möglich, ein System zu verwenden, in dem Kühlwasser zuerst durch den relativ warmen Verbrennungswärmetauscher 110c des Abgaskondensierers 110 und dann durch den relativ kühlen Wärmetauscher 220c des Kathodenkondensierers 220 strömt. In diesem Fall steigt jedoch die Temperatur des Kühlwassers, bevor es durch den Wärmetauscher 220c des Kathodenkondensierers 220 strömt. Daher ist zwar die Temperatur TA des Kühlwassers niedriger als die relativ niedrige Temperatur TC des Kathodenabgases, aber die Temperatur TA und die Temperatur TC weisen einen geringeren Unterschied auf. Daher besteht in diesem Fall die Gefahr, dass der Kathodenkondensierer 220 Kondenswasser nicht mit ausreichendem Wirkungsgrad erzeugt.
Was dies betrifft, so strömt in dieser bevorzugten Ausführungsform Kühlwasser, nachdem es zuerst durch den Wärmetauscher 220c des Kathodenkondensierers 220 geströmt ist, durch den Wärmetauscher 110c des Verbrennungsabgaskondensierers 110 und erreicht dann einen (nicht dargestellten) Warmwasser-Speichertank, wo das erwärmte Wasser gespeichert wird. Somit verwendet diese bevorzugte Ausführungsform ein System, in dem Kondenswasser im Kondensierer 110 aus dem relativ warmen Verbrennungsabgas erzeugt wird, nachdem zuerst Kondenswasser im Kondensierer 220 aus dem relativ kühlen Kathodenabgas erzeugt wurde. Infolgedessen kann Kondens wasser vorteilhafterweise nicht nur im Kathodenkondensierer 220, sondern auch im Verbrennungsabgaskondensierer 110 erhalten werden. Daher ist diese bevorzugte Ausführungsform von Vorteil bei der weitestgehenden Reduzierung des Wasserdampfs, der in den Abgasen enthalten ist, die aus der Auslassleitung 3 ausgeleitet werden sollen. Infolgedessen wird verhindert, dass Kondenswasser an einer vorderen Oberfläche der vorderen Wand 44 des Auslassschachtes 3 erzeugt wird, und die vordere Oberfläche der vorderen Wand 44 und eine vordere Oberfläche 701 des Gehäuses 700 werden weniger leicht schmutzig.
In dieser bevorzugten Ausführungsform strömt das Kühlwasser durch den Wärmetauscher 170c des Anodenkondensators 170, bevor es durch den Wärmetauscher 220c des Kathodenkondensierers 220 strömt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Reihenfolge des Kühlwasserstroms nicht darauf beschränkt ist und umgekehrt sein kann.
Wenn das Brennstoffzellensystem nicht im Leistungserzeugungsbetrieb ist, besteht außerdem die Gefahr, dass Wind von außen oder dergleichen zusammen mit Staub in den Abgasschacht 3 gelangen können, da keine Abgase aus der Auslassmündung 5 des Auslassschachts 3 ausgeleitet werden. Staub enthält manchmal Substanzen, die sich schädlich auf die Reinigung von Kondenswasser auswirken. Hierbei wird in dieser bevorzugten Ausführungsform, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, bei Betätigung der Pumpe (der Gaszufuhrquelle, der Luftzufuhrquelle) 108 Luft der Verbrennungseinheit 102 zugeführt und dann durch die Verbrennungsabgasleitung 31 und den Verbrennungsgaskondensierer 110 in die Mischkammer 66 und den Auslassschacht 3 geliefert, und dann kontinuierlich aus der Auslassmündung 5 des Auslassschachts 3 ausgeleitet.
Auch wenn das Brennstoffzellensystem nicht im Leistungserzeugungsbetrieb ist, besteht daher keine so große Gefahr, dass Wind von außen durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3 eindringt. Daher wird verhindert, dass Staub oder dergleichen durch die Auslassmündung 5 des Auslassschachts 3 in den Auslassschacht 3 gelangt. Vorzugsweise wird die Zahl der Umdrehungen der Pumpe 108 pro Zeiteinheit im Ver gleich zu einem Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzellen 140 gesenkt, aber die Zahl kann auch auf dem gleichen Niveau gehalten werden, je nach den Gegebenheiten. Das heißt, diese bevorzugte Ausführungsform weist ein Luftauslassmittel ein, um zu verhindern, dass Staub oder dergleichen in die Abgasleitung gelangt, indem sie ein Gas, wie Luft, zwangsweise durch die Auslassmündung 5 ausleitet, wenn das Brennstoffzellensystem nicht im Leistungserzeugungsbetrieb ist.
In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Winddrucksensor 503 an der vorderen Wand 44 des Auslassschachts 3 vorgesehen, und Signale vom Winddruckksensor 503 werden in die Steuereinheit 500 eingegeben. Wenn ein Winddruck, der vom Winddrucksensor 503 erfasst wird, relativ hoch ist, sendet die Steuereinheit 500 ein Signal zur Erhöhung der Zahl der Umdrehungen der Pumpe 108 pro Zeiteinheit aus, wodurch die Luftmenge, die pro Zeiteinheit aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet wird, erhöht wird. Wenn dagegen der Winddruck, der vom Winddrucksensor 503 erfasst wird, relativ niedrig ist, sendet die Steuereinheit 500 ein Signal zum Senken der Zahl der Umdrehungen der Pumpe 108 pro Minute, wodurch die Luftmenge, die pro Zeiteinheit aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet wird, gesenkt wird. Da der Windsensor 503 an der vorderen Wand 44 des Auslassschachts 3 vorgesehen ist, kann der Winddruck des Windes, der durch die Auslassmündung 5 in den Auslassschacht 3 gelangt, geschätzt werden.
(Siebte bevorzugte Ausführungsform)
13 zeigt eine siebte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese bevorzugte Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau, die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung auf wie die sechste bevorzugte Ausführungsform. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben. Wie in 13 dargestellt, weist diese bevorzugte Ausführungsform den Kathodenkondensierer 220 auf, aber keinen Verbrennungsabgaskondensierer 110, was ein Unterschied zur sechsten bevorzugten Ausführungsform ist.
Während eine hohe Temperatur beibehalten wird, strömt daher das Verbrennungsabgas, das aus der Verbrennungseinheit 102 des Reformers 100 ausgeleitet wird, durch die Verbrennungsabgasleitung 31 in den ersten zylindrischen Körper 48 des Abgasschachts 3 und wird dann zur Mischkammer 66 geliefert. Auch in diesem Fall wird das Umlenkelement 6 durch Außenluft, die durch die Auslassleitung 5 in das Innere des Auslassschachts 3 geliefert wird, gekühlt, da das Umlenkelement 6 für die Verhinderung eines direkten Eintritts von Außenluft nahe an der Auslassmündung 5 steht und auf diese gerichtet ist. Daher wird das heiße Verbrennungsgas mit dem Kathodenabgas in der Mischkammer 66 gemischt und dann mit dem Umlenkelement 6 im Auslassschacht 3 in Kontakt gebracht und gekühlt. Infolgedessen wird Kondenswasser auf einfache Weise in der Mischkammer 66 oder der Auslasskammer 67 erhalten. Das Kondenswasser wird dem Kathodenkondensierer 220 durch den zweiten zylindrischen Körper 49 und die Kathodenabgasleitung 33 zugeführt. Wenn Kondenswasser einen bestimmten Pegel im Kathodenkondensierer 220 erreicht, wird das erste Wasserablassventil 221 geöffnet, so dass das Kondenswasser in den Wassertank 124 geliefert wird. Ähnlich wie in der sechsten bevorzugten Ausführungsform wird Wasser als Ausgangsmaterial vom Wassertank 124 durch die Reinigungseinheit 125 mit dem Ionentauscherharz in reines Wasser umgewandelt und dann durch die Pumpe (die Zufuhrquelle für Wasser als Ausgangsmaterial) 126 und das Ventil 127 für Wasser als Ausgangsmaterial in die Wasserverdampfungseinheit 128 geliefert und wird zu Wasserdampf, der in der Reformierungsreaktion verwendet werden soll.
Auch in dieser bevorzugten Ausführungsform ist es bevorzugt, dass bei Betätigung der Pumpe (der Gaszufuhrquelle) 108, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, Luft in die Verbrennungseinheit 102, die nicht im Verbrennungsbetrieb ist, und dann durch die Verbrennungsgasleitung 31 und den Verbrennungsgaskondensierer 110 in die Mischkammer des Auslassschachts 3 geliefert wird und dann kontinuierlich aus der Auslassmündung des Auslassschachts 3 ausgeleitet wird.
(Achte bevorzugte Ausführungsform)
14 zeigt eine achte bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese bevorzugte Ausführungsform weist im Wesentlichen den gleichen Aufbau, die gleiche Funktionsweise und die gleiche Wirkung auf als die erste bevorzugte Aus führungsform. Im Folgenden werden hauptsächlich die Unterschiede beschrieben. Wie in 14 dargestellt, weist das Umlenkelement 6 auf: den ersten Umlenkabschnitt 61, der sich in der Verlaufsrichtung der Auslassmündung 5 erstreckt (in der Richtung des Pfeils H), und der auf die Auslassmündung 5 gerichtet ist, und den zweiten Umlenkabschnitt 62, der mit dem Endabschnitt (dem oberen Endabschnitt) des ersten Umlenkabschnitts 61 verbunden ist und in der Querrichtung (der Richtung des Pfeils W) verläuft. Der zweite Umlenkabschnitt 62 verläuft in der horizontalen Richtung, so dass er vertikal oberhalb des ersten zylindrischen Körpers 48 und des zweiten zylindrischen Körpers 49 angeordnet ist. Aufgrund dessen ist die Kontaktfläche des Umlenkelements 6 und der Abgase vergrößert, und somit ist auch die Wärmetauschfläche vergrößert. Die Vergrößerung der Wärmetauschfläche verstärkt den Wärmetauscheffekt des Umlenkelements 6, was für die Kondensierung von in den Abgasen enthaltenem Wasserdampf, um Kondenswasser zu erzeugen, von Vorteil ist. Daher ist der Wassergehalt der Abgase, die aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet werden sollen, wirksam verringert.
(Andere)
In den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen werden das Kathodenabgas und das Verbrennungsabgas kombiniert und dann aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet. Jedoch kann die Erfindung auch auf andere Weise ausgeführt werden, und es kann auch entweder nur das Kathodenabgas oder nur das Verbrennungsabgas aus der Auslassmündung 5 ausgeleitet werden. In den oben genannten bevorzugten Ausführungsformen strömt Kühlwasser zuerst durch den Wärmetauscher 220c des Kathodenkondensierers 220 und strömt dann durch den Wärmetauscher 110c des Verbrennungsgaskondensierers 110, aber diese Reihenfolge des Kühlwasserstroms kann auch umgekehrt sein. Die Ionentauschermembran der einzelnen Brennstoffzellen ist nicht auf solche beschränkt, die aus festem Polymer gebildet sind, sondern können auch solche sein, die aus anorganischen Materialien gebildet sind. Die Erfindung sollte nicht auf die oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen beschränkt werden, und es sind verschiedene Modifikationen möglich, ohne vom Gedanken der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ein Aufbau, der einer bevorzugten Ausführungsform eigen ist, kann auch auf andere bevorzugte Ausführungsformen angewendet werden.
Die folgende technische Idee kann ebenfalls aus der obigen Beschreibung abgeleitet werden.
In einem Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, eine Anodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr von Anodenfluid zur Anode der Brennstoffzelle, eine Kathodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr von Kathodenfluid zur Kathode der Brennstoffzelle und eine Abgasleitung mit einer Auslassmündung für die Ausleitung von Abgasen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt werden, aufweist, weist das Brennstoffzellensystem eine Rückstrom-Unterdrückungseinheit für die Unterdrückung des Eindringens von Außenluft in die Abgasleitung durch die Auslassmündung auf durch die Ausleitung eines Gases aus der Auslassmündung, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist. In diesem Fall wird auch dann, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, durch die Ausleitung eines Gases aus der Auslassmündung verhindert, dass Außenluft durch die Auslassmündung in die Abgasleitung gelangt.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die Erfindung kann beispielsweise auf Brennstoffzellensysteme für die stationäre Verwendung, für die Verwendung in Fahrzeugen, in elektrischen Anlagen, in elektronischen Geräten und für die mobile Verwendung eingesetzt werden.
Zusammenfassung
Brennstoffzellensystem
Ein Brennstoffzellensystem, das von Vorteil ist bei der Verhinderung eines Zurückströmens von Abgasen, die aus einer Auslassmündung ausgeleitet werden sollen, in eine Abgasleitung, ohne aus der Auslassmündung ausgeleitet zu werden. Dieses Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode und eine Abgasleitung (1) auf mit einer Auslassmündung (5) für die Ausleitung von Abgasen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt werden. Die Abgasleitung (1) weist eine Rückstrom-Unterdrückungseinheit (6) an einem Endabschnitt der Abgasleitung (1) auf der Seite der Auslassmündung (5) auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2006-140165 [0002]

Claims

Ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine Anode und eine Kathode aufweist, einer Anodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr eines Anodenfluids zur Anode der Brennstoffzelle, einer Kathodenfluid-Zufuhreinheit für die Zufuhr eines Kathodenfluids zur Kathode der Brennstoffzelle, und einer Abgasleitung mit einer Auslassmündung für die Ausleitung von Abgasen, die während des Betriebs der Brennstoffzelle erzeugt werden, wobei die Abgasleitung eine Rückstrom-Unterdrückungseinheit an einem Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Rückstrom-Unterdrückungseinheit aus einem Umlenkelement besteht, das auf die Auslassmündung gerichtet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Rückstrom-Unterdrückungseinheit durch Biegen eines Leitungsabschnitts, der an der Seite der Auslassöffnung in der Abgasleitung angeordnet ist, gebildet wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anodenfluid-Zufuhreinheit eine Reformierungseinheit für die Erzeugung von Anodengas, das der Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, aus einem Ausgangsmaterial, und eine Verbrennungseinheit für die Erwärmung der Reformierungseinheit aufweist, die Abgasleitung eine erste Abgasleitung, die mit der Verbrennungseinheit verbunden ist, und eine zweite Abgasleitung mit der Auslassmündung und mit einem Leitungsquerschnitt, der größer ist als der der ersten Abgasleitung, aufweist, und der Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung die zweite Abgasleitung ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zweite Abgasleitung eine Behälterform aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung eine Mischkammer aufweist, zum Mischen von Verbrennungsabgas aus einer Verbrennungseinheit und von Kathodenabgas, das aus der Kathode der Brennstoffzelle ausgeleitet wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Brennstoffzellensystem einen Kondensierer aufweist, und der Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung Kondenswasser, das im Endabschnitt auf der Seite der Auslassmündung vorhanden ist, anhand der Schwerkraft ausleitet oder das Kondenswasser aufgrund der Schwerkraft in den Kondensierer zurückleitet.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei, wenn das Prallelement und die Auslassmündung in vertikaler Richtung zum Umlenkelement und zur Auslassmündung projiziert wird, die Form einer Projektion des Umlenkelements die der Auslassmündung überlappt und die Fläche der Projektion des Umlenkelements größer ist als die der Auslassmündung.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei das Umlenkelement einen ersten Umlenkabschnitt, der sich in Verlaufsrichtung der Auslassmündung erstreckt und der auf die Auslassmündung gerichtet ist, und einen zweiten Umlenkabschnitt, der mit einem Endabschnitt des ersten Umlenkabschnitts verbunden ist und sich in Querrichtung zur Verlaufsrichtung der Auslassmündung erstreckt, aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei das Umlenkelement eine größere Höhe aufweist als ein oberer Abschnitt der Ausgangsmündung.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei das Umlenkelement eine Wärmetauscherrippe aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Rückstrom-Unterdrückungseinheit eine Gasausleitungseinheit zur Unterdrückung eines Eindringens von Außenluft durch die Auslassmündung in die Abgasleitung durch Ausleiten eines Gases aus der Auslassmündung, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei die Rückstrom-Unterdrückungseinheit einen Winddrucksensor aufweist, der im Endabschnitt der Abgasleitung auf der Seite der Auslassmündung vorgesehen ist, und wobei, wenn das Brennstoffzellensystem nicht in Betrieb ist, die Strömungsrate des Gases, das pro Zeiteinheit aus der Auslassmündung ausgeleitet wird, auf der Basis eines Winddrucks eines Außenwinds, der vom Winddrucksensor erfasst wird, bestimmt wird.