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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und eine
bewegliche Karosserie, die das Brennstoffzellensystem beinhaltet,
und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das eine Kühlmittelpumpe
zum Befördern eines Kühlmittels aufweist, wobei
die Kühlmittelpumpe in einer Kühlmittelleitung
angeordnet ist, in der das Kühlmittel an eine Brennstoffzelle
weitergeleitet wird; eine Heizeinrichtung zum Aufheizen bzw. Erwärmen
des Kühlmittels, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden
ist, wobei die Heizeinrichtung in der Kühlmittelleitung
angeordnet ist; und eine Sekundärbatterie zum Zuführen
einer Leistung zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung,
wobei die Sekundärbatterie mit der Kühlmittelpumpe
und der Heizeinrichtung verbunden ist, wobei, wenn der Betrieb der
Brennstoffzelle gestoppt worden ist, das erwärmte Kühlmittel
an die Brennstoffzelle weitergeleitet wird, um die Brennstoffzelle
zu trocknen, und eine bewegliche Karosserie aufweist, die das Brennstoffzellensystem
beinhaltet.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Brennstoffzellen
haben in jüngster Zeit als hoch effizient arbeitende und
umweltfreundliche Zellen an Bedeutung gewonnen. Typischerweise erzeugen
Brennstoffzellen elektrische Energie, indem bewirkt wird, dass ein
als ein Brenngas dienender Wasserstoff mit dem als ein Oxidationsgas
dienenden Sauerstoff in der Luft elektrochemisch reagiert. Dabei wird
infolge der elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und
Sauerstoff Wasser erzeugt.
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Die
unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen beinhalten beispielsweise
Phosphorsäure-Brennstoffzellen, Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen,
Festoxid-Brenn stoffzellen, alkalische Brennstoffzellen und Polymerelektrolytbrennstoffzellen.
Von diesen gilt besondere Aufmerksamkeit den Brennstoffzellenzellensystemen,
in denen Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen verwendet werden, die
beispielsweise dahingehend von Vorteil sind, dass sie ein schnelles
Starten bei normalen Temperaturen erlauben. Derartige Brennstoffzellensysteme
werden als Leistungsquelle für Fahrzeuge oder andere bewegliche
Karosserien verwendet.
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Wenn
ein Brennstoffzellensystem in einer Niedrigtemperaturumgebung betrieben
wird, wie z. B. im Freien unter kalten klimatischen Bedingungen, kann
entstandenes Wasser in einem Gasströmungsweg oder anderswo
in der Brennstoffzelle gefrieren. Aus diesem Grund hat man bislang
ein Trocknungsverfahren angewendet, in dem eine Spülung
vorgenommen wird, indem ein Oxidationsgas oder dergleichen durch
die Brennstoffzelle geleitet wird, so dass ein in der Brennstoffzelle
verbleibendes Wasser abgeführt wird, wenn der Betrieb der
Brennstoffzelle gestoppt worden ist. Die japanische Patentanmeldung
JP 2006-79864 A beschreibt,
dass eine Spülung vorgenommen wird, indem ein Brenngas
oder ein Oxidationsgas durch die Brennstoffzelle geleitet wird,
nachdem die elektrische Leistungserzeugung der Brennstoffzelle gestoppt
worden ist, so dass verbleibendes Wasser aus der Brennstoffzelle
abgeführt wird.
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Demgegenüber
ist bisher außerdem ein Trocknungsvorgang zur Anwendung
gekommen, bei dem die Brennstoffzelle durch Aufheizen bzw. Erwärmen
eines Kühlmittels unter Verwendung eines Heizgeräts
oder dergleichen erwärmt wird und das erwärmte
Kühlmittel unter Verwendung einer Kühlmittelpumpe
zur Brennstoffzelle weitergeleitet wird, nachdem der Betrieb der
Brennstoffzelle gestoppt worden ist. In diesem Fall sind das Heizgerät,
die Kühlmittelpumpe und dergleichen mit einer Sekundärbatterie
(wiederaufladbaren Batterie) verbunden, und die Leistungsversorgung
erfolgt durch die Sekundärbatterie. Weil jedoch die Entladekapazität
einer Sekundärbatterie begrenzt ist, kann der Trocknungsvorgang
der Brennstoffzelle möglicherweise nicht zufriedenstellend
ausgeführt werden, weil beispielsweise nach der Hälfte
des Trocknungsvorgangs die verbleibende bzw. restliche Batteriekapazität
zur Neige geht.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Vor
dem vorstehend beschriebenen Hintergrund ist es eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen,
das in der Lage ist, die Brennstoffzelle zu trocknen, selbst wenn
die Restkapazität der Sekundärbatterie unzureichend
ist.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem
geschaffen, das eine Kühlmittelpumpe zum Befördern
eines Kühlmittels aufweist, wobei die Kühlmittelpumpe
in einer Kühlmittelleitung angeordnet ist, in der das Kühlmittel zu
einer Brennstoffzelle weitergeleitet wird; eine Heizeinrichtung
zum Erwärmen des Kühlmittels, wenn der Betrieb
der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, wobei die Heizeinrichtung
in der Kühlmittelleitung angeordnet ist; und eine Sekundärbatterie
zum Zuführen von einer Leistung zur Kühlmittelpumpe
und zur Heizeinrichtung, wobei die Sekundärbatterie mit
der Kühlmittelpumpe und der Heizeinrichtung verbunden ist,
wobei, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden ist,
das erwärmte Kühlmittel an die Brennstoffzelle
weitergeleitet, um die Brennstoffzelle zu trocknen, wobei das Brennstoffzellensystem
ferner eine externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung zum
Zuführen einer Leistung von einer externen Leistungsquelle
zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung aufweist, wobei
die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung mit der Kühlmittelpumpe
und der Heizeinrichtung verbunden ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen,
dass das Brennstoffzellensystem ferner eine Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung
zum Abschätzen einer Restkapazität der Sekundärbatterie
aufweist; eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Restkapazität
der Sekundärbatterie, die durch die Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung
abgeschätzt wurde; und eine Benachrichtigungseinrichtung
zum Benachrichtigen, dass die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung
mit der externen Leistungsquelle verbunden werden soll, wenn die
Bestimmungseinrichtung bestimmt, dass die Restkapazität
der Sekundärbatterie kleiner oder gleich einer vorbestimmten
Kapazität ist.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine bewegliche
Karosserie vorgesehen, die ein Brennstoffzellensystem beinhaltet,
das eine Kühlmittelmittel zum Befördern eines Kühlmittels
aufweist, wobei die Kühlmittelpumpe in einer Kühlmittelleitung
angeordnet ist, die das Kühlmittel zur Brennstoffzelle
weiterleitet; eine Heizeinrichtung zum Aufheizen bzw. Erwärmen
des Kühlmittels, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt worden
ist, wobei die Heizeinrichtung in der Kühlmittelleitung
angeordnet ist; und eine Sekundärbatterie zum Zuführen
von einer Leistung zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung,
wobei die Sekundärbatterie mit der Kühlmittelpumpe
und der Heizeinrichtung verbunden ist, wobei, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle
gestoppt worden ist, das erwärmte Kühlmittel zur
Brennstoffzelle weitergeleitet, um die Brennstoffzelle zu trocknen,
wobei das Brennstoffzellensystem ferner eine externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung
zum Zuführen einer Leistung von einer externen Leistungsquelle
zur Kühlmittelpumpe und zur Heizeinrichtung aufweist, wobei
die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung mit der Kühlmittelpumpe
und der Heizeinrichtung verbunden ist.
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Gemäß noch
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es zu bevorzugen,
dass die bewegliche Karosserie das Brennstoffzellensystem beinhaltet,
das ferner eine Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung
zum Abschätzen einer Restkapazität der Sekundärbatterie
aufweist; eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Restkapazität
der Sekundärbatterie, die durch die Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung
abgeschätzt wird; und eine Benachrichtigungseinrichtung
zum Benachrichtigen, dass die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung
mit der externen Leistungsquelle verbunden werden soll, wenn die
Bestimmungseinrichtung bestimmt hat, dass die Restkapazität
der Sekundärbatterie kleiner oder gleich einer vorbestimmten
Kapazität ist.
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Wie
vorstehend beschrieben, kann durch Verwendung des Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden Erfindung, die Brennstoffzelle
getrocknet werden, selbst wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie
unzureichend ist, weil Leistung von einer externen Leistungsquelle
zugeführt werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine Struktur eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
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Eine
ausführliche Beschreibung einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erfolgt nachstehend unter Bezugnahme
auf die Zeichnung.
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1 zeigt
eine Struktur eines Brennstoffzellensystems 10. Das Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet
eine Brennstoffzelle 12, eine Brenngaszuführvorrichtung 14,
die der Brennstoffzelle 12 ein Brenngas zuführt,
eine Oxidationsgaszuführvorrichtung 16, die der
Brennstoffzelle 12 ein Oxidationsgas zuführt,
eine Sekundärbatterie 18 und eine Steuerungsvorrichtung 20.
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Die
Funktion der Brennstoffzelle 12 ist es, elektrische Leistung
durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas, wie
z. B. Wasserstoff, und einem Oxidationsgas, wie z. B. Sauerstoff,
zu erzeugen. Die Brennstoffzelle 12, wie z. B. die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle 12,
beinhaltet einen Stapel, der dadurch gebildet wird, dass eine Mehrzahl
von einzelnen Zellen aneinander gestapelt wird. In diesem Fall wird
eine einzelne Zelle dadurch gebildet, dass Katalysatorschichten
jeweils auf beiden Seiten einer Elektrolytmembran angeordnet werden,
und eine Gasdiffusionsschicht auf jeder der Katalysatorschichten
angeordnet wird, wodurch eine Membranelektrodenanordnung entsteht,
und zusätzlich ein Separator auf der Membranelektrodenanordnung
angeordnet wird. Ferner kann durch Anordnen von Stromkollektoren
auf beiden Seiten eines solchen Stapels ein elektrischer Strom durch
diese Stromkollektoren erfasst werden.
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Eine
der Funktionen der Elektrolytmembran ist es, Wasserstoffionen, die
auf der Seite der Anodenelektrode erzeugt werden, so zu bewegen,
dass diese auf die Seite der Kathodenelektrode gelangen. Als ein
Material für die Elektrolytmembran wird ein chemisch stabiles
Harz auf Fluorbasis, wie z. B. eine Perfluorkohlenstoff-Schwefelsäure- Ionenaustauschmembran,
verwendet. Als die Perfluorkohlenstoff-Schwefelsäure-Ionenaustauschmembran
kann eine Nafion-Membran (ein eingetragenes Warenzeichen der Firma
DuPont) oder dergleichen verwendet werden.
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Die
Funktion der Katalysatorschichten ist es, eine Oxidationsreaktion
von Wasserstoff auf der Seite der Anodenelektrode oder eine Reduktionsreaktion
von Sauerstoff auf der Kathodenelektrodenseite zu beschleunigen.
Die Katalysatorschichten beinhalten jeweils einen Katalysator einen
Katalysator und einen Katalysatorträger. Um die aktive
Elektrodenfläche zu vergrößern, wird
der Katalysator typischerweise in der Form von Partikeln verwendet,
die am Katalysatorträger haften. Als Katalysator werden
Elemente der Platingruppe, wie z. B. Platin und dergleichen, verwendet,
die in Bezug auf eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff oder eine
Reduktionsreaktion von Sauerstoff eine geringe Aktivierungsüberspannung aufweisen.
Für den Katalysatorträger werden Kohlenstoffmaterialien,
wie z. B. Ruß und dergleichen, verwendet.
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Die
Funktion der Gasdiffusionsschicht ist es, Wasserstoff, der als ein
Brennstoff dient, oder Sauerstoff, der als ein Oxidationsmittel
dient, durch die Katalysatorschicht hindurch zu diffundieren, die
Elektronen und andere Funktionen zu bewegen. Als Gasdiffusionsschicht
kann Kohlefasergewebe, Kohlepapier und ähnliches verwendet
werden, bei denen es sich um elektrisch leitfähige Materialen
handelt. Die Membranelektrodenanordnung kann beispielsweise durch Aneinanderstapeln
und Heißpressen der Elektrolytmembran, der Katalysatorschichten
und der Gasdiffusionsschichten hergestellt werden.
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Der
Separator wird auf die Gasdiffusionsschicht der Membranelektrodenanordnung
gestapelt, und es ist seine Funktion, den als Brenngas dienenden
Wasserstoff und die als ein Oxidationsmittel dienende Luft für
die benachbarten einzelnen Zellen abzuscheiden. Ferner ist es die
Funktion des Separators, eine elektrische Verbindung zwischen einer
einzelnen Zelle und einer weiteren einzelnen Zelle herzustellen.
Der Separater kann beispielsweise durch Pressen einer Titanlage,
einer Lage aus rostfreiem Stahl oder ähnlichem gebildet
werden.
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Die
Funktion einer Widerstandsmessvorrichtung 22 ist es, einen
Innenwiderstand (Impedanz) der Brennstoffzelle 12 zu messen,
und diese ist beispielsweise auf der Brennstoffzelle 12 angeordnet. Je
mehr Wasser in der Brennstoffzelle 12 zurückbleibt,
desto geringer ist der Widerstandswert. Je weniger Wasser in der
Brennstoffzelle 12 zurückbleibt, desto höher
der Widerstandswert. Somit kann durch Messen des Widerstandswerts
der Brennstoffzelle 12 abgeschätzt werden, wie
trocken die Brennstoffzelle 12 ist. Die durch die Widerstandsmessvorrichtung 22 gemessenen
Widerstandswertdaten werden an die Steuerungsvorrichtung 20 übertragen.
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Ein
Brenngaszuführsystem des Brennstoffzellensystems 10 beinhaltet
die Brenngaszuführvorrichtung 14 zum Zuführen
eines Brenngases, wie z. B. Wasserstoff, zur Brennstoffzelle 12,
eine Brenngaszuführleitung 24 zum Weiterleiten
des Brenngases zur Anode der Brennstoffzelle 12 und eine
Brenngasumwälzleitung 26 zum Umwälzen
des Brenngases, das von der Anode der Brennstoffzelle 12 an
die Brenngaszuführleitung 24 abgegeben wird.
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Die
Brenngaszuführleitung 14 besteht beispielsweise
aus einem Hochdrucktank, einer Wasserstoffspeicherungslegierung,
einer Reformiereinrichtung und ähnlichem. Die Brenngaszuführleitung 24 ist
mit einem Sperrventil, das eine Zuführung und einen Zuführstopp
des Brenngases von der Brenngaszuführvorrichtung 14 steuert,
einem Drucksensor, der den Druck des Brenngases erfasst, einem Druckregelventil,
das den Druck des Brenngases reguliert, einem Sperrventil, das eine
Brenngaszuführöffnung der Brennstoffzelle 12 öffnet
und schließt, und ähnlichem versehen.
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Die
Brenngasumwälzleitung 26 ist mit einem Sperrventil,
das das Brenngas abführt, einem Drucksensor, der den Druck
des Brenngases erfasst, einer Umwälzpumpe, die durch einen
Elektromotor angetrieben wird, einem Rückschlagventil,
das verhindert, dass das Brenngas in der Brenngaszuführleitung 24 rückwärts
in die Brenngasumwälzleitung 26 strömt, und ähnlichem
versehen. Basierend auf der durch einen Steuerungsabschnitt vorgenommenen
Steuerung setzt die Umwälzpumpe das Brenngas, dessen Druck
abgefallen ist, wenn es durch die Anode der Brennstoffzelle 12 gelangt,
unter Druck, um den Gasdruck auf einen entsprechenden Wert zu erhöhen, und
befördert das Brenngas zurück zur Brenngaszuführleitung 24.
Das Brenngas strömt mit dem von der Brenngaszuführvorrichtung 14 durch
die Brenngaszuführleitung 24 zugeführten
Brenngas zusammen und wird der Brennstoffzelle 12 zur Wiederverwendung
zugeführt. Ferner wird das Brenngas, das aufgrund der wiederholten
Umwälzung durch die Brennstoffzelle 12 eine erhöhte
Verunreinigungskonzentration aufweist, durch eine Brenngasabführleitung 28 ausgestoßen.
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Ein
Oxidationsgaszuführsystem des Brennstoffzellensystems 10 beinhaltet
die Oxidationsgaszuführvorrichtung, die eine unter Druck
stehende Luft als ein Oxidationsgas zuführt, eine Oxidationsgaszuführleitung 30,
deren Funktion es ist, das Oxidationsgas an die Kathode der Brennstoffzelle 12 weiterzuleiten,
und eine Oxidationsgasabführleitung 32, deren
Funktion es ist, das von der Kathode der Brennstoffzelle 12 ausgestoßene
Oxidationsgas abzuführen.
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Die
Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 beinhaltet eine
Luftpumpe oder einen Luftkompressor, der durch einen Elektromotor
angetrieben wird und als eine Pumpeinrichtung zum Befördern
des Oxidationsgases fungiert. Ferner ist die Luftpumpe oder der
Luftkompressor beispielsweise mit einem Luftfilter versehen, der
Staubpartikel oder dergleichen entfernt, die in der aus der Atmosphäre
eingeführten Luft enthalten sind. Die Oxidationsgaszuführleitung 30 oder
die Oxidationsgasabführleitung 32 ist beispielsweise
mit einem Drucksensor, der den Druck des Oxidationsgases erfasst,
und einem Druckregulierventil versehen, dessen Funktion es ist,
den Drucks des Oxidationsgases an der Kathode zu regulieren.
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Eine
Befeuchtungseinrichtung 34 ist zwischen der Brennstoffzelle 12 und
der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 angeordnet,
und es ist deren Funktion, die Feuchtigkeit zwischen einem Oxidationsgas,
das aufgrund des infolge der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 12 erzeugten Wassers
in einen hochfeuchten Zustand versetzt worden ist, und einem feuchtigkeitsarmen
Oxidationsgas, das von der Atmosphäre eingeführt
wird, auszutauschen. Somit kann die Befeuchtungseinrichtung 34 das
aus der Atmosphäre eingeführte, feuchtigkeitsarme
Oxidationsgas befeuchten.
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Ein
Kühlmittelsystem des Brennstoffzellensystems 10 ist
beispielsweise mit einer Kühlmittelleitung 36 versehen,
die ein Kühlmittel zur Brennstoffzelle 12 weiterleitet,
um darin umgewälzt zu werden, einer Kühleinrichtung 38,
die die Wärme des Kühlmittels nach außen
abstrahlt, einem Kühlmittelmengen-Regulierventil 40,
das die Menge des in die Kühleinrichtung 38 einströmenden
Kühlmittels reguliert, und mit einer Kühlmittelpumpe 42,
die das Kühlmittel unter Druck setzt und befördert.
Ferner ist die Kühlmittelleitung 36 mit einer
Umgehungsleitung 44 parallel zur Kühleinrichtung 38 versehen,
um die in die Kühleinrichtung 38 strömende
Kühlmittelmenge zu reduzieren.
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Die
Funktion des Kühlmittelmengen-Regulierventils 40 ist
es, die Menge des Kühlmittels, das in die Kühleinrichtung 38 strömt,
zu regulieren, und dieses Ventil 40 ist in der Kühlmittelleitung 36 angeordnet.
Um die Brennstoffzelle 12 zu kühlen, wird die Menge
des Kühlmittels, das in die Kühleinrichtung 38 strömt,
basierend auf einer Steuerung durch die Steuerungsvorrichtung 20 erhöht,
und das durch die Kühleinrichtung 38 gekühlte
Kühlmittel kann der Brennstoffzelle 12 zugeführt
werden. Um dagegen die Brennstoffzelle 12 zu erwärmen,
wird das Kühlmittelmengen-Regulierventil 40 basierend
auf einem Steuerungsvorgang durch die Steuerungsvorrichtung 20 umgeschaltet,
um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel durch die
Umgehungsleitung 44 strömen kann, die parallel
zur Kühleinrichtung 38 angeordnet ist, so dass
die in die Kühleinrichtung 38 strömende
Kühlmittelmenge reduziert werden kann. Für das
Kühlmittelmengen-Regulierventil 40 kann beispielsweise
ein Dreiwegeventil oder dergleichen verwendet werden.
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Ein
Kühlmitteltemperatursensor 46 ist in der Kühlmittelleitung 36 auf
der Seite angeordnet, von der das Kühlmittel abgeführt
wird, und es ist die Funktion dieses Sensors 46, die Temperatur
des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten Kühlmittels
zu messen. Somit kann durch Messen der Temperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten
Kühlmittels die Temperatur in der Brennstoffzelle 12 abgeschätzt
werden. Als der Kühlmitteltemperatursensor 46 kann
ein normales Thermometer, ein Thermoelement oder ähnliches
verwendet werden. Die Kühlmitteltemperaturdaten, die durch
den Kühlmitteltemperatursensor 46 gemessen werden,
werden an die Steuerungsvorrichtung 20 übertragen.
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Eine
Kühlmittelheizvorrichtung 48 fungiert als Heizeinrichtung
zum Erwärmen des Kühlmittels, während
die Brennstoffzelle 12 nicht in Betrieb ist, und sie ist
in der Umgehungsleitung 44 oder einer anderen Stelle in
der Kühlmittelleitung 36 angeordnet. Indem das
Kühlmittel, das durch die Kühlmittelheizvorrichtung 48 erwärmt
worden ist, unter Verwendung der Kühlmittelpumpe 42 zur
Brennstoffzelle 12 befördert wird, kann die Brennstoffzelle 12 erwärmt werden.
Für die Kühlmittelheizvorrichtung 48 kann beispielsweise
eine Widerstandsheizungs-Heizeinrichtung oder dergleichen verwendet
werden.
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Die
Sekundärbatterie 18 ist mit der Kühlmittelpumpe 42 und
der Kühlmittelheizvorrichtung 48 verbunden, und
es ist deren Funktion, die Kühlmittelpumpe 42 und
die Kühlmittelheizvorrichtung 48 mit Leistung
zu versorgen. Für die Sekundärbatterie 18 kann
beispielsweise eine Bleisäurebatterie, eine Nickelmetallhydrid-Batterie,
eine Lithiumionenbatterie oder ähnliches verwendet werden.
Es ist zu beachten, dass die Sekundärbatterie 18 nicht
auf die Sekundärbatterien 18 der vorstehend beschriebenen Typen
begrenzt ist. Ein Inverter 50, eine Gleichspannungswandler-
bzw. Chopper-Steuerungsschaltung 52 oder ähnliches
ist entweder zwischen der Sekundärbatterie 18 und
der Kühlmittelpumpe 42 oder zwischen der Sekundärbatterie 18 und
der Kühlmittelheizvorrichtung 48 angeordnet.
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Ferner
kann die Sekundärbatterie 18 mit der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 verbunden
sein, so dass der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 Leistung
zugeführt werden kann. Dementsprechend ist ein Inverter 54 oder ähnliches
zwischen der Sekundärbatterie 18 und der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 angeordnet.
Indem während des Aufwärmens der Brennstoffzelle 12 unter
Verwendung des erwärmten Kühlmittels ein Oxidationsgas
durch die Brennstoffzelle 12 strömen darf, kann
ein in der Brennstoffzelle 12 zurückgebliebenes
Wasser während eines Trocknungsvorgangs noch effektiver
abgeführt werden. Ferner kann die Sekundärbatterie 18 mit
einem Elektromotor über einen Inverter verbunden sein,
der als eine zusätzliche Leistungsquelle für die
Brennstoffzelle 12 verwendet werden soll.
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Eine
Messeinrichtung 56 für die Restkapazität
der Batterie fungiert als eine Restkapazitäts-Abschätzeinrichtung
zum Abschätzen der Restkapazität der Sekundärbatterie 18 und
ist z. B. an der Sekundärbatterie 18 angeordnet.
Als die Messeinrichtung 56 für die Restkapazität
der Batterie kann beispielsweise eine Batterie-Restkapazitätsmesseinrichtung verwendet
werden, die die Restkapazität der Sekundärbatterie 18 abschätzt,
indem entweder die spezifische Dichte eines flüssigen Elektrolyts,
der in der Sekundärbatterie 18 verwendet wird,
oder die Spannung der Sekundärbatterie 18 gemessen
wird. Die Restkapazitätsdaten der Sekundärbatterie 18,
die abgeschätzt werden, werden an die Steuerungsvorrichtung 20 übertragen.
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Ein
Außenlufttemperatursensor 58 fungiert als eine
Temperaturmesseinrichtung zum Messen der Temperatur der Außenluft.
Für den Außenluft-Temperatursensor 58 kann
ein normales Thermometer, ein Thermoelement oder ähnliches
verwendet werden. Die Außenlufttemperaturdaten, die durch
den Außenlufttemperatursensor 58 gemessen werden,
werden an die Steuerungsvorrichtung 20 übertragen.
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Ein
Stecker 60 für die externe Leistungsquelle ist
mit der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 verbunden
und fungiert als eine externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung, die
der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 Leistung
von einer externen Leistungsquelle 62 zuführen
können. Indem der Stecker 60 für die
externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden
wird, kann Leistung von der externen Leistungsquelle 62 der
Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 zugeführt
werden. Die externe Leistungsquellen-Verbindungseinrichtung ist
nicht auf Stecker begrenzt, sondern kann auch ein Verbinder oder
dergleichen sein. Wenn ferner eine Wechselstromversorgungsquelle,
wie z. B. ein Hausnetzanschluss, als die externe Leistungsquelle 62 verwendet
wird, ist ein Wandler 64 an einer Position angeordnet,
die sich zwischen dem Stecker 60 für die externe
Leistungsquelle und der Kühlmittelpumpe 42 und
zwischen dem Stecker 60 für die externe Leistungsquelle
und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 befindet.
Es ist zu beachten, dass die externe Leistungsquelle 62 nicht auf
Wechselstromversorgungsquellen begrenzt ist, und eine Gleichstromversorgungsquelle
ebenso verwendet werden kann.
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Ferner
kann der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle
mit der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 verbunden
werden, so dass der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 Leistung
von der externen Leistungsquelle 62 zugeführt
werden kann. Indem also der Stecker 60 für die
externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden
wird, kann der Oxidationszuführvorrichtung 16 Leistung von
der externen Leistungsquelle 62 zugeführt werden.
Weil somit der Kühlmittelpumpe 42, der Kühlmittelheizvorrichtung 48 und
der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 von der
externen Leistungsquelle 62 Leistung zugeführt
werden kann, kann ein in der Brennstoffzelle 12 verbliebenes
Wasser während eines Trocknungsvorgangs noch effektiver
abgeführt werden, indem ein Oxidationsgas während
des Erwärmens der Brennstoffzelle 12 unter Verwendung des
erwärmten Kühlmittels durch die Brennstoffzelle 12 strömen
darf.
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Die
Steuerungsvorrichtung 20 ist als ein Mikrocomputer konstruiert,
der darin eine CPU, einen RAM und einen ROM beinhaltet und der den
Betrieb eines jeweiligen Abschnitts der Brennstoffzellensystems 10 gemäß einem
in dem ROM gespeicherten Programm steuert. Die Steuerungsvorrichtung 20 empfängt
Sensorsignale von den Temperatursensoren und den Drucksensoren,
die für die Leitungen vorgesehen sind, und steuert die
Elektromotoren entsprechend dem Betriebszustand der Zelle (beispielsweise
einer Stromlast) an, um die Anzahl der Umdrehungen der Kühlmittelpumpe 42 und ähnliches
anzupassen, und steuert zudem beispielsweise die verschiedenen Arten
von Ventilen, so dass deren Ventilöffnungswinkel vergrößert,
verkleinert oder angepasst werden. Die Steuerungsvorrichtung 20 ist
mit den Pumpen, den Sensoren und den Ventilen durch beispielsweise
Stromkabel verbunden, die in der Zeichnung nicht gezeigt sind.
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Ein
Bestimmungsabschnitt 66 fungiert als Bestimmungseinrichtung
zum Bestimmen der Restkapazität der Sekundärbatterie 18,
die durch die Messeinrichtung 56 für die Restkapazität
der Batterie abgeschätzt wurde, und ist zudem in der Steuerungsvorrichtung 20 angeordnet.
Der Bestimmungsabschnitt 66 ist in der Lage, zu bestimmen,
ob es sich bei der Restkapazität der Sekundärbatterie 18 um eine
Kapazität kleiner oder gleich einer vorbestimmten Kapazität
handelt, indem die Restkapazität der Sekundär batterie 18,
die durch die Messeinrichtung 56 für die Restkapazität
der Batterie abgeschätzt wurde, mit der zuvor eingestellten,
vorbestimmten Kapazität verglichen wird. Ferner kann es
die Funktion des Bestimmungsabschnitts 66 sein, den Widerstandswert
der Brennstoffzelle 12 zu bestimmen, der durch die Widerstandsmessvorrichtung 22 gemessen
wurde. Der Bestimmungsabschnitt 66 ist in der Lage, zu
bestimmen, ob es sich bei dem gemessenen Widerstandswert um einen
Widerstandswert handelt, der kleiner oder gleich einem vorbestimmten Widerstandswert
ist oder nicht, indem die Widerstandswertdaten, die von der Widerstandsmessvorrichtung 22 übertragen
werden, mit dem zuvor eingestellten vorbestimmten Widerstandswert
verglichen werden. Ferner kann es die Funktion des Bestimmungsabschnitts 66 sein,
die Außenlufttemperatur zu bestimmen, die durch den Außenlufttemperatursensor 58 gemessen
wurde. Der Bestimmungsabschnitt 66 ist in der Lage, zu
bestimmen, ob es sich bei der Außenlufttemperatur um eine
Temperatur handelt, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur
ist, indem die Außenlufttemperaturdaten, die von dem Außenlufttemperatursensor 58 übertragen
werden, mit der zuvor eingestellten vorbestimmten Temperatur verglichen
werden. Ferner kann es die Funktion des Bestimmungsabschnitts 66 sein,
die Temperatur des aus der Brennstoffzelle 12 abgeführten
Kühlmittels zu bestimmen, das durch den Kühlmitteltemperatursensor 46 gemessen
wurde. Der Bestimmungsabschnitt 66 ist in der Lage, zu
bestimmen, ob es sich bei der Kühlmitteltemperatur um eine Temperatur
handelt, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Temperatur
ist, indem die Kühlmitteltemperaturdaten, die von dem Kühlmitteltemperatursensor 46 übertragen
werden, mit der zuvor eingestellten, vorbestimmten Temperatur verglichen
werden. Die Steuerungsvorrichtung 20 ist in der Lage, die
Ergebnisse der Bestimmung der Restkapazität der Sekundärbatterie 18,
des Widerstandswerts der Brennstoffzelle 12, der Außenlufttemperatur
und der Kühlmitteltemperatur an eine Kommunikationsvorrichtung 68 zu übertragen,
auf die in der Beschreibung später eingegangen wird.
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Die
Kommunikationsvorrichtung 68 fungiert als Benachrichtigungseinrichtung
zum Benachrichtigen des Fahrzeugführers oder ähnlichem,
dass der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle
mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden werden soll, wenn
die Steuerungsvorrichtung 20 bestimmt, dass die Restkapazität
der Sekundärbatterie 18 kleiner oder gleich der
vorbestimmten Kapazität ist. Die Kommunikationsvor richtung 68 ist
in der Lage, zu bewirken, dass eine Nachricht wie etwa „Vermeiden
Sie Frostbildung im Brennstoffzellensystem und verbinden Sie bitte
den Stecker für die externe Leistungsquelle mit der externen
Leistungsquelle” auf einem Anzeigebildschirm eines Datenendgeräts 70,
wie z. B. eines schlüssellosen Zugangsgeräts oder
einer Navigationsvorrichtung, angezeigt wird, um dem Fahrzeugführer
oder ähnlichem mitzuteilen, dass der Stecker 60 für
die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle verbunden
werden soll.
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Anschließend
erfolgt eine Beschreibung eines Betriebs des oben beschriebenen
Brennstoffzellensystems 10.
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Nachdem
der Betrieb der Brennstoffzelle 12 während eines
Stillstands des Fahrzeugs gestoppt worden ist, bestimmt der Bestimmungsabschnitt 66, der
in der Steuerungsvorrichtung 20 angeordnet ist, ob es sich
bei einem Widerstandswert der Brennstoffzelle 12, der von
der Widerstandsmessvorrichtung 22 übertragen wird,
um einen Widerstandwert handelt, der kleiner oder gleich einem vorbestimmten
Widerstandwert ist. Ferner bestimmt der Bestimmungsabschnitt 66,
ob es sich bei den Außenlufttemperaturdaten, die von dem
Außenlufttemperatursensor 58 übertragen
werden, um eine Temperatur handelt, die kleiner oder gleich einer
vorbestimmten Temperatur ist. Wenn der Widerstandswert der Brennstoffzelle 12 kleiner
oder gleich dem vorbestimmten Widerstandswert ist, und die Außenlufttemperatur
kleiner oder gleich der vorbestimmten Temperatur ist, führt
das Brennstoffzellensystem 10 einen Trocknungsvorgang für
die Brennstoffzelle 12 aus, weil das in der Brennstoffzelle 12 verbleibende
Wasser gefrieren kann. In diesem Fall kann der Bestimmungsabschnitt 66 bestimmen,
ob es sich, anstatt bei der Außenlufttemperatur, bei einer
Kühlmitteltemperatur, die von dem Kühlmitteltemperatursensor 46 übertragen
wird, um eine Temperatur kleiner oder gleich einer vorbestimmten
Temperatur handelt oder nicht. Wenn ferner die Kühlmitteltemperatur
kleiner oder gleich der vorbestimmten Temperatur ist, führt
das Brennstoffzellensystem 10 einen Trocknungsvorgang für
die Brennstoffzelle 12 aus, weil das in der Brennstoffzelle 12 verbleibende
Wasser gefrieren kann.
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Der
Bestimmungsabschnitt 66 bestimmt, ob es sich bei der Restkapazität
der Sekundärbatterie 18 um eine Kapazität
handelt, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten Kapazität
ist, indem die Restkapazität der Sekundärbatterie 18,
die durch die Messeinrichtung 56 für die Restkapazität
der Batterie abgeschätzt wird, mit der zuvor eingestellten
vorbestimmten Kapazität verglichen wird. Wenn die Restkapazität
der Sekundärbatterie 18 größer
als die vorbestimmte Kapazität ist, werden der Kühlmittelpumpe 42 und
der Kühlmittelheizvorrichtung 48 von der Sekundärbatterie 18 eine
Leistung zugeführt. Dann wird das durch die Kühlmittelheizvorrichtung 48 erwärmte
Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe 42 befördert
und durch die Kühlmittelleitung 36 an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet.
Die Brennstoffzelle 12 wird durch das erwärmte
Kühlmittel aufgeheizt, so dass ein Trocknungsvorgang ausgeführt
wird. Wenn zudem die Sekundärbatterie 18 und die
Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 miteinander
verbunden sind, führt die Sekundärbatterie 18 der
Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 eine Leistung
zugeführt. Dann wird ein Oxidationsgas an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet
und der Trocknungsvorgang für die Brennstoffzelle 12 weiter
verbessert, indem ein Oxidationsgas verwendet wird, um ein in der
Brennstoffzelle 12 verbleibendes Wasser abzuführen.
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Wenn
der Bestimmungsabschnitt 66 bestimmt, dass die Restkapazität
der Sekundärbatterie 18 kleiner oder gleich der
vorbestimmten Kapazität ist, überträgt
die Steuerungsvorrichtung 20 ein Bestimmungsergebnis an
die Kommunikationsvorrichtung 68. Die Kommunikationsvorrichtung 68,
die das Ergebnis der Bestimmung von der Steuerungsvorrichtung 20 empfangen
hat, liefert an ein schlüsselloses Zugangsgerät 20 eines
Fahrzeugführers eine Benachrichtigung, die darauf hinweist,
dass der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle
mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden werden soll.
Die Kommunikationsvorrichtung 68 bewirkt, dass eine Nachricht,
wie z. B. „Vermeiden Sie Frostbildung im Brennstoffzellensystem
und verbinden Sie bitte den Stecker für die externe Leistungsquelle
mit einer externen Leistungsquelle”, auf einem Anzeigebildschirm
einer schlüssellosen Zugangsgeräts oder dergleichen
angezeigt wird. In Reaktion darauf verbindet der Fahrzeugführer
den Stecker 60 für die externe Leistungsquelle
mit der externen Leistungsquelle 62.
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Nachdem
der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle
mit der externen Leistungsquelle 62 verbunden worden ist,
wird der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 von
der externen Leistungsquelle 62 Leistung zugeführt.
Dann wird das Kühlmittel, das durch die Kühlmittelheizvorrichtung 48 erwärmt
worden ist, durch die Kühlmittelpumpe 42 befördert
und durch die Kühlmittelleitung 36 an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet.
Die Brennstoffzelle 12 wird durch das erwärmte
Kühlmittel erwärmt, so dass ein Trocknungsvorgang
ausgeführt werden kann. Wenn zudem der Stecker 60 für die
externe Leistungsvorrichtung und die Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 miteinander
verbunden sind, wird der Oxidationsgaszuführvorrichtung 16 von der
externen Leistungsquelle 62 Leistung zugeführt. Ein
Oxidationsgas wird an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet
und der Trocknungsvorgang für die Brennstoffzelle 12 weiter
verbessert, indem ein Oxidationsgas verwendet wird, um so das in
der Brennstoffzelle 12 verbliebene Wasser abzuführen.
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Der
Bestimmungsabschnitt 66 bestimmt, ob der von der Widerstandsmessvorrichtung 22 übertragene
Widerstandswert größer als der zuvor eingestellte
vorbestimmte Widerstandswert ist. Wenn der Widerstandswert kleiner
oder gleich dem vorbestimmten Widerstandswert ist, setzt das Brennstoffzellensystem 10 den
Trocknungsvorgang auf die Feststellung bzw. Bestimmung hin fort,
dass die Brennstoffzelle 12 nicht ausreichend getrocknet
worden ist. Wenn der Widerstandswert größer als
der vorbestimmte Widerstandswert ist, beendet das Brennstoffzellensystem 10 den
Trocknungsvorgang basierend auf der Feststellung bzw. Bestimmung, dass
die Brennstoffzelle 12 ausreichend getrocknet worden ist.
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Es
ist zu beachten, dass, selbst wenn bestimmt wird, dass die Restkapazität
der Sekundärbatterie 18 größer
als die vorbestimmte Kapazität ist, ein Fahrzeugführer
den Stecker 60 für die externe Leistungsquelle
mit der externem Leistungsquelle 62 verbinden kann, um
zu ermöglichen, dass der Kühlmittelpumpe 42,
der Kühlmittelheizvorrichtung 48 und der Oxidationsgasvorrichtung 16 Leistung
von der externen Leistungsquelle 62 zugeführt
werden kann. Ferner sind bewegliche Karosserien, die das vorstehend
beschriebene Brennstoffzellensystem 10 beinhalten, nicht
auf Automobile be grenzt, sondern es kann sich bei diesen auch um
beliebige Karosserien wie Schiffe oder Flugzeuge handeln.
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Weil
bei der vorstehend beschriebenen Struktur der Stecker für
die externe Leistungsquelle mit der externen Leistungsquelle verbunden
wird, um dadurch zu ermöglichen, dass der Kühlmittelpumpe, der
Kühlmittelheizvorrichtung und der Oxidationsgasvorrichtung
von der externen Leistungsquelle Leistung zugeführt wird,
kann der Trocknungsvorgang der Brennstoffzelle auch dann ausgeführt
werden, wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie
unzureichend ist.
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Weil
bei der vorstehend beschriebenen Struktur das Brennstoffzellensystem
die Messeinrichtung für die Restkapazität der
Batterie, die eine Restkapazität der Sekundärbatterie
abschätzt, den Bestimmungsabschnitt, dessen Funktion es
ist, die Restkapazität der Sekundärbatterie zu
bestimmen, die durch die Messeinrichtung für die Restkapazität der
Sekundärbatterie abgeschätzt wurde, und die Kommunikationsvorrichtung
beinhaltet, die, wenn der Bestimmungsabschnitt bestimmt, dass die
Restkapazität der Sekundärbatterie kleiner oder
gleich der vorbestimmten Kapazität ist, eine Benachrichtigung
erteilt, dass der Stecker für die externe Leistungsquelle mit
der externen Leistungsquelle verbunden werden soll, kann ein Fahrzeugführer
ersehen, dass die Restkapazität der Sekundärbatterie
unzureichend ist und den Stecker für die externe Leistungsquelle
mit der externen Leistungsquelle verbinden, so dass der Trocknungsvorgang
der Brennstoffzelle ermöglicht wird.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Das
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist für beliebige Anwendungen von Nutzen, in
denen eine Brennstoffzelle verwendet wird, doch kann es insbesondere
auf Brennstoffzellen angewendet werden, die in Fahrzeugen verwendet
werden.
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem und
bewegliche Karosserie unter Verwendung des Brennstoffzellensystems
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Ein
Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet eine Kühlmittelpumpe 42 zum
Befordern eines Kühlmittels, wobei die Kühlmittelpumpe 42 in
einer Kühlmittelleitung 36 angeordnet ist, in
der das Kühlmittel an eine Brennstoffzelle 12 weitergeleitet
wird; eine Kühlmittelheizvorrichtung 48 zum Erwärmen
des Kühlmittels, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 12 gestoppt
worden ist, wobei die Kühlmittelheizvorrichtung 48 in
der Kühlmittelleitung 36 angeordnet ist; und eine
Sekundärbatterie 18 zum Zuführen einer Leistung
zur Kühlmittelpumpe 42 und zur Kühlmittelheizvorrichtung 48,
wobei die Sekundärbatterie 18 mit der Kühlmittelpumpe 42 und
der Kühlmittelheizvorrichtung 48 verbunden ist,
wobei, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 12 gestoppt
worden ist, das erwärmte Kühlmittel an die Brennstoffzelle 12 weitergeleitet
wird, so dass die Brennstoffzelle 12 getrocknet wird. Das
Brennstoffzellensystem 10 weist ferner einen Stecker 60 für
eine externe Leistungsquelle auf, um der Kühlmittelpumpe 42 und
der Kühlmittelheizvorrichtung 48 von einer externen
Leistungsquelle 62 Leistung zuzuführen, wobei
der Stecker 60 für die externe Leistungsquelle
mit der Kühlmittelpumpe 42 und der Kühlmittelheizvorrichtung 48 verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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