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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen Luftreiniger aufweist, und die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems in einem mobilen Körper.
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Technischer Hintergrund
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Ein Brennstoffzellen-Fahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, ist bekannt (z.B.
JP 2004 182 220 A ). Das Brennstoffzellen-Fahrzeug saugt Außenluft mit einer Pumpe durch einen Luftreiniger an und liefert die angesaugte Außenluft als Oxidierungsgas unter Druck zu einer Brennstoffzelle. Der Luftreiniger weist ein Gehäuse auf, in das Außenluft eingeführt wird, und Fremdstoffe bzw. Verunreinigungen werden in dem Gehäuse von der Außenluft getrennt bzw. abgesondert. Die Außenluft, die durch die Absonderung gefiltert wurde, wird in eine Zuleitung außerhalb des Gehäuses abgeführt und der Brennstoffzelle zugeführt.
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Offenbarung der Erfindung
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Wenn ein Brennstoffzellen-Fahrzeug in einem Gebiet fährt, in dem es schneit, kann es passieren, dass Außenluft, der Schnee beigemischt ist, in einen Luftreiniger eingeführt wird. Der eingeführte Schnee wird in diesem Fall zusammen mit den Verunreinigungen abgesondert; jedoch sammelt sich der abgesonderte Schnee gelegentlich im Gehäuse an und schmilzt nicht vollständig. In einer Umgebung, wo Temperaturen um den Gefrierpunkt herrschen, kann es ferner vorkommen, dass die Feuchtigkeit, die abgeschieden wurde oder die sich im Gehäuse angesammelt hat, im Gehäuse kondensiert und gefriert. Falls Schnee sich ansammelt oder Feuchtigkeit gefriert, kann es passieren, dass ein Strömungsweg oder ein Filter in dem Gehäuse verstopft wird. Infolgedessen kann eine Pumpe ein Oxidierungsgas nicht mit einer ausreichenden Strömungsrate zu einer Brennstoffzelle liefern, was bewirkt, dass eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle einer geforderten Antriebskraft eines Fahrmotors nicht gerecht wird.
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Die
JP 2004 182 220 A erörtert das genannte Problem nicht und lässt daher Platz für Verbesserungen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems und eines mobilen Körpers, die in der Lage sind, das Zufrieren eines Luftreinigers zu hemmen.
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Um dieses Ziel zu erreichen, weist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle, einen Luftreiniger, der Luft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, reinigt, und ein Heizmittel auf, das den Luftreiniger erwärmt. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Kompressor, der Luft über die Zwischenstufe eines Luftreinigers ansaugt und der die Luft unter Druck zur Brennstoffzelle liefert, und eine Steuereinrichtung auf, die den Grad der Erwärmung des Luftreinigers durch das Heizmittel auf der Basis der in den Luftreiniger gesaugten Luftmenge und/oder der Temperatur der angesaugten Luft und/oder der Druckzufuhrmenge und/oder der Druckzufuhrtemperatur von Luft aus dem Luftreiniger steuert. Die Steuereinrichtung bestimmt, ob der Luftreiniger zufrieren kann oder zugefroren ist undsteuert das Heizmittel, um den Luftreiniger zu erwärmen, falls sie bestimmt, dass der Luftreiniger zufrieren kann oder zugefroren ist.
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Erfindungsgemäß weist der Luftreiniger zudem ein Gehäuse mit einem Lufteinlass und einem Luftauslass auf, und die Steuereinrichtung steuert den Grad der Erwärmung des Luftreinigers durch das Heizmittel auf der Basis der Außenlufttemperatur und/oder der Temperatur der Luft, die zum Luftreiniger gesaugt wird, und/oder der Temperatur der unter Druck zugeführten Luft aus dem Inneren des Gehäuses, und fährt, wenn der Luftreiniger erwärmt wird, damit fort, auf der Basis der Ansaugtemperatur zu bestimmen, ob die Gefahr eines Zufrierens in dem Gehäuse besteht, und erfasst außerdem auf der Basis der Temperatur der unter Druck zugeführten Luft einen Temperaturanstieg im Gehäuse, um den Grad der Erwärmung durch das Heizmittel zu bestimmen.
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Mit dieser Anordnung kann beispielsweise selbst dann, wenn Schnee in den Luftreiniger eingeführt wird, der Schnee durch Erwärmen des Schnees geschmolzen werden. Dadurch ist es möglich, ein Zufrieren des Luftreinigers sogar bei einer niedrigen Temperatur, beispielsweise am Gefrierpunkt, zu hemmen. Ferner kann dadurch, dass ein Zufrieren gehemmt wird, verhindert werden, dass ein Luftstrom in dem Luftreiniger behindert wird, wodurch eine Luftströmungsrate zur Brennstoffzelle sichergestellt wird.
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Falls beispielsweise die angesaugte Luftmenge oder die unter Druck zugeführte Luftmenge abnimmt, dann kann mit dieser Anordnung ein Zufrieren des Luftreinigers, von dem angenommen wird, dass es diese Abnahme bewirkt hat, durch Erwärmen umgehend beseitigt werden. Ferner kann auch dann, wenn beispielsweise die Ansaugtemperatur oder die Druckzufuhrtemperatur, die nahe einer Außenlufttemperatur liegt, am Gefrierpunkt liegt, der Luftreiniger erwärmt werden. Somit kann durch Steuern des Erwärmungsgrads auf der Basis der angesaugten Luftmenge und/oder der Temperatur der angesaugten Luft, und/oder der Druckzufuhrmenge und/oder der Druckzufuhrtemperatur das Zufrieren des Luftreinigers gehemmt werden, während gleichzeitig der Verbrauch von Wärmeenergie eingeschränkt wird.
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Vorzugsweise besteht das Heizmittel aus einer Heizung, mit der der Luftreiniger ausgestattet ist.
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Diese Anordnung ermöglicht die Erwärmung des Luftreinigers mit einem einfachen Aufbau.
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Es ist ferner bevorzugt, dass der Luftreiniger ein Gehäuse mit einem Lufteinlass und einem Luftauslass und einen Filter aufweist, der in dem Gehäuse zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass angeordnet ist. Die Heizung ist an einer Außenfläche des Gehäuses vorgesehen.
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Mit dieser Anordnung kann ein vorhandener Luftreiniger verwendet werden, und die Temperatur des Gehäuseinneren kann erhöht werden.
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In einem anderen bevorzugten Modus weist das Brennstoffzellensystem ein Kühlsystem auf, das ein Kühlmittel zu Komponenten des Brennstoffzellensystems liefert. Das Heizmittel besteht aus einem Teil des Kühlsystems, der ein Kühlmittel, das die Komponente passiert hat, zum Luftreiniger liefert.
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Mit dieser Anordnung kann die Temperatur des Luftreinigers durch die Abwärme des Kühlmittels, das die Komponente des Brennstoffzellensystems passiert hat, erhöht werden. Somit kann die Abwärme der Brennstoffzellensystem-Komponente effektiv genutzt werden, wodurch die Notwendigkeit, eine eigene Wärmequelle, beispielsweise eine Heizung, vorzusehen, entfällt.
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Vorzugsweise ist die genannte Komponente eine Brennstoffzelle.
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Somit kann die Temperatur eines Luftreinigers unter Verwendung der Abwärme der Brennstoffzelle, die Wärme aus einer elektrochemischen Reaktion erzeugt, erhöht werden.
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Es ist ferner bevorzugt, dass der Luftreiniger ein Gehäuse mit einem Lufteinlass und einem Luftauslass und einen Filter aufweist, der zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass in dem Gehäuse angeordnet ist. Ein Strömungsweg, der einen Teil des Kühlsystems bildet, welches das Heizmittel darstellt, ist in dem Gehäuse ausgebildet.
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Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem einen Temperatursensor, der die Temperatur der Außenluft erfasst, und eine Steuereinrichtung auf, die den Grad der Erwärmung des Luftreinigers durch das Heizmittel auf der Basis eines Erfassungsergebnisses des Temperatursensors erfasst.
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Mit dieser Anordnung wird der Luftreiniger nicht überflüssigerweise erwärmt, wenn beispielsweise die Temperatur der Außenluft nicht bewirkt, dass der Luftreiniger gefriert. Wenn die Temperatur der Außenluft jedoch so ist, dass sie ein Zufrieren des Luftreinigers bewirken kann, z. B. wenn die Temperatur der Außenluft am Gefrierpunkt liegt, oder wenn der Luft Schnee beigemischt ist, dann kann der Luftreiniger erwärmt werden. Dadurch kann verhindert werden, dass der Luftreiniger zufriert, während gleichzeitig der Verbrauch von Wärmeenergie eingeschränkt wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung des vorstehend diskutierten Brennstoffzellensystems in einem mobilen Körper.
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Diese Anordnung hemmt ein Zufrieren des Luftreinigers, so dass selbst dann, wenn der mobile Körper beispielsweise in einer Region mit Schneefall oder in einer kalten Region fährt, oder wenn der mobile Körper in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen verwendet wird, eine Luftströmungsrate, die einer geforderten Antriebskraft des mobilen Körpers entspricht, zur Brennstoffzelle geliefert werden kann. Somit kann die Antriebskraftforderung des mobilen Körpers erfüllt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist ein Blockschema, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt;
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2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Luftreinigers und einer Heizung gemäß der ersten Ausführungsform;
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3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Luftreinigers und einer Heizung gemäß einem Modifikationsbeispiel der ersten Ausführungsform;
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4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Luftreinigers und eines Kühlkreislaufs gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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5 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Luftreinigers und eines Kühlkreislaufs gemäß einem ersten Konstruktionsbeispiel der zweiten Ausführungsform; und
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6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Luftreinigers und eines Kühlkreislaufs gemäß einem zweiten Konstruktionsbeispiel der zweiten Ausführungsform.
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Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
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Im Folgenden werden ein Brennstoffzellensystem und ein mobiler Körper gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Das Brennstoffzellensystem ist durch einen Aufbau gekennzeichnet, der eine Erwärmung eines Luftreinigers ermöglicht. In der folgenden Beschreibung wird ein Fahrzeug als Beispiel für einen mobilen Körper, der mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, verwendet.
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Erste Ausführungsform
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Wie in 1 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem 1 auf: eine Brennstoffzelle 2, ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 3, das Luft (Sauerstoff) als Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 liefert, ein Brenngas-Leitungssystem 4, das ein Wasserstoffgas als Brenngas zur Brennstoffzelle 2 liefert, ein Kühlmittel-Leitungssystem 5, das ein Kühlmittel zur Brennstoffzelle 2 liefert, um die Brennstoffzelle 2 zu kühlen, ein elektrisches Leistungssystem 6, das eine Aufladung/Entladung der elektrischen Leistung des Systems 1 durchführt, und eine Steuereinrichtung 7, die das gesamte System 1 steuert.
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Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle und weist eine Stapelstruktur auf, die durch Stapeln mehrerer Einheitszellen gebildet wird. Eine Einheitszelle der Brennstoffzelle 2 weist eine Luftelektrode an einer Oberfläche einer Elektrolytmembran, eine Brennstoffelektrode an derer anderen Oberfläche und ein Paar Separatoren, die zu beiden Seiten an der Luftelektrode bzw. der Brennstoffelektrode anlegen, auf. Ein Oxidierungsgas wird zu einer Oxidierungsgasleitung 2a in einem Separator geliefert, während ein Brenngas zu einer Brennstoffleitung 2b im anderen Separator geliefert wird. Eine elektrochemische Reaktion zwischen den zugeführten Brenn- und Oxidierungsgasen bewirkt, dass die Brennstoffzelle 2 elektrische Leistung erzeugt. Die elektrochemische Reaktion in der Brennstoffzelle 2 ist eine Reaktion, bei der Wärme entsteht, wobei die Temperatur der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle 2 im Bereich von etwa 60 bis etwa 80°C liegt.
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Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 3 weist einen Zufuhrweg 11, durch den das Oxidierungsgas strömt, das der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden soll, und einen Abfuhrweg 12 auf, durch den ein Oxidierungsabgas, das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt wird, strömt. Der Zufuhrweg 11 ist mit einem Kompressor 14 (einer Verdichtungsmaschine), der das Oxidierungsgas durch einen Luftreiniger 13 ansaugt, und einem Befeuchter 15, der das vom Kompressor 14 unter Druck zugeführte Oxidierungsgas befeuchtet, ausgestattet. Das Oxidierungsabgas, das den Abfuhrweg 12 passiert, strömt durch ein Gegendruck-Regelventil 16 zurück und wird einem Feuchtigkeitsaustausch im Befeuchter 15 unterzogen und dann schließlich als Abgas in die Atmosphäre außerhalb des Systems abgeführt.
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Das Brenngas-Leitungssystem 4 weist auf: eine Wasserstoff-Zufuhrquelle 21, einen Zufuhrweg 22, durch den ein Wasserstoffgas, das der Brennstoffzelle 2 von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 21 zugeführt werden soll, strömt, einen Umwälzweg 23, der das Wasserstoffabgas, das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt wird, zu einem Mündungspunkt A des Zufuhrwegs 22 zurückführt, eine Pumpe 24, die das Wasserstoffabgas im Umwälzweg 23 unter Druck in den Zufuhrweg 22 liefert, und einen Spülweg 25, der mit dem Umwälzweg 23 verbunden ist und von diesem abzweigt. Das Öffnen eines Zufuhrventils 26 bewirkt, dass das Wasserstoffgas, das von der Wasserstoff-Zufuhrquelle 21 in den Zufuhrweg 22 ausgeströmt ist, über ein Reglerventil 27 und andere Druckregulierungsventile und ein Sperrventil 28 zur Brennstoffzelle 2 geliefert wird. Der Spülweg 25 ist mit einem Spülventil 33 ausgestattet, um das Wasserstoffabgas zu einem externen Wasserstoffverdünner (nicht dargestellt) abzuführen.
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Das Kühlmittel-Leitungssystem (Kühlsystem) 5 weist auf: einen Kühlmittel-Strömungsweg 41, eine Kühlpumpe 42, einen Kühlkörper 43, einen Umgehungsweg 44 und ein Schaltventil 45. Der Kühlmittel-Strömungsweg 41 steht mit einem Kühlungsweg 2c in der Brennstoffzelle 2 in Verbindung. Der Kühlmittel-Strömungsweg 41 weist einen Temperatursensor 46, der nahe einem Kühlmitteleinlass der Brennstoffzelle 2 vorgesehen ist, und einen Temperatursensor 47 auf, der nahe einem Kühlmittelauslass der Brennstoffzelle 2 vorgesehen ist. Die Kühlmitteltemperatur, die vom Temperatursensor 47 erfasst wird, gibt die Innentemperatur der Brennstoffzelle 2 (im Folgenden als „Temperatur der Brennstoffzelle 2” bezeichnet) wieder. Die Kühlpumpe 42, die im Kühlmittel-Strömungsweg 41 vorgesehen ist, wälzt das Kühlmittel im Kühlmittel-Strömungsweg 41 durch Antreiben eines Motors zur Brennstoffzelle 2 um. Der Kühlkörper 43 kühlt das aus der Brennstoffzelle 2 abgeführte Kühlmittel ab. Der Umgehungsweg 44 umgeht den Kühlkörper 43. Das Schaltventil 45 stellt die Umwälzung des Kühlwassers auf den Kühlkörper 43 und den Umgehungsweg 44 ein.
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Das elektrische Leistungssystem 6 weist einen Hochspannungs-DC/DC-Wandler 61, eine Batterie 62, einen Traktionswechselrichter 63, einen Fahrmotor 64 und verschiedene Zubehörwechselrichter 65, 66 und 67 auf. Der Hochspannungs-DC/DC-Wandler 61 verwirklicht die Aufladung/Entladung der Batterie 62 und steuert außerdem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2. Der Traktionswechselrichter 63 wandelt Gleichstrom in Dreiphasen-Wechselstrom um und liefert den Dreiphasen-Wechselstrom zum Fahrmotor 64. Der Fahrmotor 64 ist ein Dreiphasen-AC-Motor, der eine Haupt-Bewegungskraftquelle eines Fahrzeugs 90 darstellt, das mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestattet ist, und ist mit Rädern 91L und 91R des Fahrzeugs 90 verbunden. Die Zubehörwechselrichter 65, 66 und 67 steuern die Ansteuerung der Motoren des Kompressors 14, der Pumpe 24 bzw. der Kühlpumpe 42.
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Die Steuereinrichtung 7 ist als Mikrocomputer aufgebaut, der eine CPU, einen ROM und einen RAM enthält. Die CPU führt eine gewünschte Operation gemäß einem Steuerprogramm aus, um verschiedene Verarbeitungs- oder Steuerungsarten auszuführen, beispielsweise die Steuerung eines Erwärmungsgrads, die später erörtert wird. Der ROM speichert ein Steuerprogramm und Steuerdaten, die von der CPU verwaltet werden. Der RAM wird in verschiedenen Arbeitsbereichen hauptsächlich für die Steuerungsverarbeitung verwendet. Die Steuereinrichtung 7 empfängt Erfassungssignale von verschiedenen Sensoren, wie dem Drucksensor und dem Temperatursensor (46, 47), die für die Gassysteme (3, 4) und das Kühlmittelsystem 5 verwendet werden, einen Gaspedal-Öffnungsgradsensor, der den Öffnungsgrad des Gaspedals des Fahrzeugs 90 erfasst, und einen Außentemperatursensor 71, der die Temperatur der Außenluft erfasst. Dann gibt die Steuereinrichtung 7 Steuersignale an Komponenten aus.
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2 ist eine Querschnittsansicht, die den Aufbau des Luftreinigers 13 schematisch darstellt.
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Wie in 2 dargestellt, weist der Luftreiniger 13 ein kastenförmiges Gehäuse 81 auf. Beispielsweise ist ein Papier-Luftfilter 82, der den Staub in einem durchströmenden Gas (Luft) adsorbiert, im Gehäuse 81 angeordnet. Der Luftfilter 82 definiert einen Ansaugraum 81a und einen Ausfuhrraum 81b im Gehäuse 81.
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Im Gehäuse 81 ist ein Lufteinlass 83 im Ansaugraum 81a vorgesehen, und ein Luftauslass 84 ist im Ausfuhrraum 81b vorgesehen. Der Lufteinlass 83 ist zur Atmosphäre bin offen. Der Luftauslass 84 ist mit dem Zufuhrweg 11 verbunden, der mit dem Kompressor 14 verbunden ist. Ein Ablassventil 86 ist mit einem Bodenabschnitt 81c des Gehäuses 81 verbunden. Die Position des Ablassventils 86 ist nicht besonders beschränkt, obwohl seine Position vorzugsweise im Ansaugraum 81a ist, bei dem es sich um einen Raum handelt, der sich auf der Seite stromaufwärts vom Luftfilter 82 befindet.
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Wenn in dem oben beschriebenen Aufbau der Kompressor 14 angetrieben wird, wird Außenluft durch den Lufteinlass 83 in den Ansaugraum 81a eingeführt, und die Außenluft passiert den Luftfilter 82 im Luftreiniger 13. Dann wird die Außenluft, die während ihres Durchgangs durch Entfernen des Staubs gereinigt worden ist, in den Ausfuhrraum 81b geschickt und durch den Luftauslass 84 in den Kompressor 14 gesaugt, um zur Brennstoffzelle 2 geliefert zu werden. Wenn das Ablassventil 86 geöffnet wird, kann ferner die Feuchtigkeit, die sich am Boden des Gehäuses 81 angesammelt haben kann, nach außen abgeführt werden.
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Wenn das Fahrzeug 90 beispielsweise in einer Region, in der es schneit, oder in einer kalten Region fährt, oder wenn das Fahrzeug 90 in einer Umgebung verwendet wird, in der niedrige Temperaturen herrschen, kann hierbei Schnee zusammen mit der Außenluft in den Luftreiniger 13 gesaugt werden. Der angesaugte Schnee würde vom Luftfilter 82 festgehalten, wie andere Verunreinigungen auch, und unverändert am Luftfilter 82 verbleiben und dadurch zu einem Luftstrom-Blockierungsfaktor werden. Somit wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Heizung 100 als Heizmittel zum Erwärmen des Luftreinigers 13 vorgesehen, um ein Zufrieren bzw. Vereisen des Luftreinigers 13 zu hemmen.
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Die Heizung 100 ist entweder so vorgesehen, dass sie eine Außenfläche des Gehäuses 81 berührt oder so, dass sie diese nicht berührt. Hier ist die Heizung 100 so vorgesehen, dass sie mit einer Außenfläche des Gehäuses 81 in Berührung steht. Durch diese Anordnung kann das Innere des Gehäuses 81 umfassend erwärmt werden, wodurch die Temperatur im Gehäuse 81 schnell erhöht werden kann.
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Jedoch ist die Heizung 100 nicht auf diese Position und dergleichen beschränkt, solange ihr Aufbau es möglich macht, dass die Temperatur im Gehäuse 81 steigt. Beispielsweise kann die Heizung 100 alternativ im Gehäuse 81 vorgesehen sein. In einem anderen Modus ist die Heizung 100 ferner vorzugsweise nahe dem Luftfilter 82 vorgesehen, Dadurch kann der Luftfilter 82 intensiv erwärmt werden. Falls der Luftfilter 82 zufriert, kann der Luftfilter 82 somit schnell enteist werden. Falls der Luftfilter 100 außerhalb des Gehäuses 81 vorgesehen wird, dann wird das Gehäuse 81 unter Berücksichtigung der Wärmeleitung in das Gehäuse 81 vorzugsweise aus einem Material mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet.
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Die Heizung 100 ist elektrisch mit der Steuereinrichtung 7 verbunden, und ihre Heiztemperatur, ihre Heizdauer, der Zeitpunkt des Heizbeginns, der Grad der Erwärmung und dergleichen werden von der Steuereinrichtung 7 gesteuert. Ein Betreiben der Heizung 100 ohne die Notwendigkeit einer Erwärmung des Luftreinigers 13 ist ungünstig, da der Wirkungsgrad des Systems sich verschlechtern würde. Somit wird die Heizung 100 vorzugsweise nur dann betrieben, wenn bestimmt wird, dass der Luftreiniger 13 zufrieren könnte oder schon zugefroren ist. Die Bestimmung, ob ein Zufrieren stattgefunden hat, kann beispielsweise anhand der folgenden vier Verfahren durchgeführt werden.
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In einem ersten Verfahren wird der Außentemperatursensor 71 verwendet. Genauer treibt die Steuereinrichtung 7 die Heizung 100 an, wenn eine vom Außenluft-Temperatursensor 71 erfasste Temperatur beispielsweise am Gefrierpunkt (0°C) liegt, und steuert den Erwärmungsgrad der Heizung 100 derart, dass ein Zufrieren im Gehäuse 81 verhindert wird. Falls dagegen die vom Außenluft-Temperatursensor 71 erfasste Temperatur den Gefrierpunkt (0°C) übersteigt, dann lässt die Steuereinrichtung 7 die Heizung 7 ausgeschaltet.
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In einem zweiten Verfahren wird ein Strömungsmesser 72 verwendet, der stromabwärts vom Kompressor 14 vorgesehen ist. Falls eine vom Strömungsmesser 72 erfasste Luftströmungsrate unter einem für die Brennstoffzelle 2 notwendigen Wert liegt, dann wird bestimmt, dass der Luftfilter 82 durch Schnee verstopft wurde und dass der Luftreiniger 13 zugefroren ist. In diesem Fall sollte daher die Streuereinrichtung 7 die Heizung 100 antreiben, um den Frost im Gehäuse 81 zu eliminieren. Falls dagegen die vom Strömungssensor 72 erfasste Luftströmungsrate dem für die Brennstoffzelle 2 notwendigen Wert entspricht, dann bleibt die Heizung 100 ausgeschaltet.
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In einem dritten Verfahren wird der Vergleich zwischen einer notwendigen Antriebskraft des Fahrmotors 64 und einer tatsächlichen Antriebskraft genutzt, dies ist jedoch nicht dargestellt. Falls eine notwendige Antriebskraft des Fahrmotors 64 nicht erreicht wird, dann wird angenommen, dass der Luftfilter 82 durch Frost verstopft wurde, wie im zweiten Verfahren beschrieben, und es wird keine Luftströmungsrate, die der notwendigen Antriebskraft entspricht, zur Brennstoffzelle 2 geliefert. In diesem Fall sollte daher die Steuereinrichtung 7 die Heizung 100 betreiben, um den Frost im Gehäuse 81 zu beseitigen. Falls dagegen die notwendige Antriebskraft des Fahrmotors 64 erreicht wurde, dann kann die Heizung 100 ausgeschaltet bleiben.
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Ein viertes Verfahren nutzt Erfassungsergebnisse verschiedener Zustandsgrößen, die mit dem Luftreiniger 13 in Beziehung stehen. Wie in 3 dargestellt, sind ein Temperatursensor 121 und ein Strömungsmesser 122 auf der Seite des Lufteinlasses 83 vorgesehen, und ein Temperatursensor 131 und ein Strömungsmesser 132 sind auf der Seite des Luftauslasses 84 vorgesehen, und diese sind elektrisch mit der Steuereinrichtung 7 verbunden. Der Temperatursensor 121 und der Strömungsmesser 122 messen die Einlasstemperatur bzw. die Einlassmenge der Außenluft, die in das Gehäuse 81 gesaugt werden soll. Ebenso messen der Temperatursensor 131 und der Strömungsmesser 132 die Druckzufuhrtemperatur bzw. die Druckzufuhrmenge der Außenluft, die unter Druck aus dem Gehäuse 81 abgeführt wird.
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Wenn die Heizung 100 nicht angetrieben wird, sind die Ansaugtemperatur und die Druckzufuhrtemperatur, die von den Temperatursensoren 121 und 131 gemessen werden, praktisch der Außenlufttemperatur gleich. Somit kann anstelle des Außenlufttemperatursensors 71 der Temperatursensor 121 oder 131 verwendet werden, um die Heizung 100 auf die gleiche Weise zu steuern wie im ersten Verfahren. Falls die Heizung 100 angetrieben wird, dann wird die Bestimmung, ob die Gefahr eines Gefrierens im Gehäuse 81 besteht, vom Temperatursensor 131 fortgesetzt, und ein Temperaturanstieg im Gehäuse 81 wird vom Temperatursensor 131 erfasst, um den Erwärmungsgrad der Heizung 100 zu bestimmen.
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Falls die Ansaugluftmenge und die Druckzufuhrmenge, die von den Strömungsmessern 122 und 132 gemessen werden, unter einem für die Brennstoffzelle 2 notwendigen Wert liegen, dann wird angenommen, dass der Luftfilter 82 durch Frost verstopft ist, wie im zweiten Verfahren beschrieben. In diesem Fall sollte daher die Steuereinrichtung 7 die Heizung 100 antreiben, um den Frost im Gehäuse 81 zu beseitigen. Falls die Heizung 100 angetrieben wird, dann sollte der Umfang der Frostbeseitigung vom Strömungsmesser 132 erfasst werden, um den Erwärmungsgrad der Heizung 100 zu bestimmen.
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Wenn die Heizung 100 anhand des vierten Verfahrens gesteuert wird, können sowohl die Ansaugtemperatur, die Ansaugmenge, die Druckzufuhrtemperatur als auch die Druckzufuhrmenge erfasst werden; alternativ dazu kann jedoch auch nur eine dieser Größen erfasst werden. Ferner können natürlich die ersten bis vierten Verfahren kombiniert angewendet werden.
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Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Ausführungsform das Zufrieren des Luftreinigers 13 von der Heizung 100 gehemmt werden. Beispielsweise kann selbst in einer Umgebung, in der niedrige Temperaturen herrschen, eine gewünschte Strömungsrate für die Brennstoffzelle 2 aufrechterhalten werden. Anders ausgedrückt, Luft mit einer Strömungsrate, die für eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 2 notwendig ist, kann zur Brennstoffzelle 2 geliefert werden, wodurch einer gewünschten Antriebskraft des Fahrmotors 64 entsprochen werden kann. Ferner sammelt sich der von der Heizung 100 geschmolzene Schnee in Form einer Flüssigkeit am Boden des Gehäuses 81 an, aber der geschmolzene Schnee kann durch ein Ablassventil 86, das an dessen Boden vorgesehen ist, nach außen abgelassen werden. Dadurch kann das Gefrieren am Boden des Gehäuses 81 ebenfalls gehemmt werden.
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Der Betrieb der Heizung 100 kann unmittelbar nach einem Start des Fahrzeugs 90 gestartet werden; aber eine Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 2 ist unmittelbar nach dem Starten nicht erforderlich, daher ist es möglich, die Heizung 100 nur anzutreiben, wenn das Fahrzeug 90 fährt, da hierbei eine Ausgangsleistung erforderlich ist.
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Zweite Ausführungsform
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Nun wird mit Bezug auf 4 bis 6 das Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform unter Betrachtung der wesentlichen unterschiedlichen Aspekte erläutert. Ein Aspekt, der sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet, ist, dass ein Kühlmittel-Leitungssystem 5 statt der Heizung 100 als Heizmittel zum Erwärmen eines Luftreinigers 13 verwendet wird. Die anderen Aspekte sind gleich, so dass sie die gleichen Bezugszahlen bekommen und auf ihre ausführliche Beschreibung verzichtet wird.
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Wie in 4 dargestellt, ist ein Teil des Kühlmittel-Leitungssystems 5 so aufgebaut, dass es das Kühlmittel, das die Brennstoffzelle 2 passiert hat, zum Luftreiniger 13 liefert, so dass es ein Heizmittel bildet. In einem Beispiel besteht ein Teil des Kühlmittel-Leitungssystems 5, welches das Heizmittel darstellt, hauptsächlich aus dem Umgehungsweg 44. Die Temperatur des Kühlmittels im Umgehungsweg 44 wurde durch eine Reaktion der Brennstoffzelle 2, bei der elektrische Leistung entsteht, auf eine vorgegebene Temperatur (die Temperatur der Brennstoffzelle 2) erhöht, so dass das Kühlmittel verwendet werden kann, um den Luftreiniger 13 zu erwärmen.
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Natürlich kann nicht nur der Umgehungsweg 44 verwendet werden; jedoch ist das Kühlmittel, das zum Erwärmen des Luftreinigers 13 verwendet wird, vorzugsweise ein Kühlmittel, das aus der Brennstoffzelle 2 abgegeben wurde und das nicht vom Kühlkörper 43 gekühlt wurde. Ferner kann das Kühlmittel, das zum Erwärmen des Luftreinigers 13 verwendet wird, alternativ dazu eines sein, das in einem abzweigenden Strömungsweg strömt, der vom Umgehungsweg 44 abzweigt und sich mit dem Kühlmittel-Strömungsweg 41 vereinigt.
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Es können beispielsweise zwei Konstruktionen für das Kühlmittel-Leitungssystem 5, das den Luftreiniger 13 erwärmt, in Betracht gezogen werden.
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In einer ersten Konstruktion ist ein Kühlmittel-Strömungsweg 200, der den Teil des Umgehungswegs 44 bildet, in einem Gehäuse 81 selbst ausgebildet, wie in 5 dargestellt. In diesem Fall ist es günstig, wenn das Rohr des KühlmittelStrömungswegs 200 in die Umfangswand des Gehäuses 81 eingebettet ist, so dass das Gehäuse 81 aus der Umfangsrichtung erwärmt werden kann. Beispielsweise kann das Rohr des Kühlmittel-Strömungswegs 200 spiralartig im Gehäuse 81 eingebettet sein, um das Gehäuse 81 intensiv erwärmen zu können. Es ist jedoch noch mehr bevorzugt, wenn das Rohr des Kühlmittel-Strömungswegs 200 nahe dem Luftfilter 82 vorgesehen ist.
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In einer zweiten Konstruktion ist die Außenumfangsfläche eines Rohrs 210, das den Teil des Umgehungswegs 44 bildet, in Kontakt mit einer Außenfläche des Gehäuses 81 vorgesehen, wie in 6 dargestellt. Auch in diesem Fall berührt das Rohr 210 vorzugsweise das Gehäuse 81 über einem großen Bereich und in spiralförmigem Kontakt mit der Außenfläche des Gehäuses 81 nahe dem Luftfilter 82.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann der Luftreiniger 13 vom Kühlmittel das im Kühlmittel-Strömungsweg 200 oder im Rohr 210 strömt, erwärmt werden. Somit ist es möglich, ein Gefrieren im Luftreiniger 13 zu hemmen und einer notwendigen Antriebskraft des Fahrmotors 64 zu entsprechen, wie in der ersten Ausführungsform, ohne eine separate Wärmequelle, wie die Heizung 100 der ersten Ausführungsform, vorsehen zu müssen.
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Obwohl nicht im Einzelnen beschrieben, sollte auch in der vorliegenden Ausführungsform gemäß den ersten bis vierten Verfahren, die in der vierten Ausführungsform beschrieben sind, bestimmt werden, ob die Gefahr eines Zufrierens besteht oder ob der Luftreiniger 13 bereits zugefroren ist, und dann bestimmt werden, ob der Luftreiniger 13 erwärmt werden sollte, Der Grad der Erwärmung des Luftreinigers 13 sollte durch Steuern der Stellung des Schaltventils 45 oder des Umfangs der Kühlung durch den Kühlkörper 43 (z. B. der Drehzahl eines Ventilators, der im Kühlkörper 43 vorgesehen ist) gesteuert werden.
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In einer anderen Ausführungsform wird ein Kühlmittel, das eine Komponente passiert hat, bei der es sich nicht um die Brennstoffzelle 2 handelt, zum Luftreiniger 13 geführt, um den Luftreiniger 13 zu erwärmen. Beispielsweise kann ein Kühlmittel, das eine Komponente wie die Pumpe 24 oder dergleichen passiert hat, oder ein Kühlmittel, das eine der Komponenten des elektrischen Leistungssystems 6, z. B. den Hochspannungs-DC/DC-Wandler 61, den Traktionswechselrichter 63 und die Zubehörwechselrichter 65, 66 und 67 passiert hat, zum Luftreiniger 13 geführt werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kann außer in einem zwei- oder vierrädrigen Kraftfahrzeug auch in einem Zug, einem Flugzeug, einem Schiff, einem Roboter oder einem anderen mobilen Körper installiert werden Außerdem kann das Brennstoffzellensystem 1 als ein stationäres System verwendet werden und Teil eines Blockheizkraftwerks sein.
