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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das einen
Luftreiniger aufweist, und einen mobilen Körper, der das
Brennstoffzellensystem enthält.
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Technischer Hintergrund
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Ein
Brennstoffzellen-Fahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem
ausgestattet ist, ist bekann (z. B.
japanische Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2004-182220 ). 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
japanische Patentanmeldungsveröffentlichung
Nr. 2004-182220 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 Einfrieren 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.
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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 Einfrieren des Luftreinigers sogar bei einer niedrigen Temperatur,
beispielsweise am Gefrierpunkt, zu hemmen. Ferner kann dadurch,
dass ein Einfrieren gehemmt wird, verhindert werden, dass ein Luftstrom in
dem Luftreiniger behindert wird, wodurch eine Luftströmungsrate
zur Brennstoffzelle sichergestellt wird.
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Vorzugsweise
besteht das Heizmittel aus einer Heizung, die mit dem 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 Einfrieren 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 einfriert, während gleichzeitig
der Verbrauch von Wärmeenergie eingeschränkt wird.
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Gemäß einem
anderen bevorzugten Modus weist das Brennstoffzellensystem 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.
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Falls
beispielsweise die angesaugte Luftmenge oder die unter Druck zugeführte
Luftmenge abnimmt, dann kann mit dieser Anordnung ein Einfrieren
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 Einfrieren des Luftreinigers gehemmt werden, während
gleichzeitig der Verbrauch von Wärmeenergie eingeschränkt
wird.
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Ein
mobiler Körper gemäß der vorliegenden Erfindung,
der die gestellte Aufgabe erfüllt, ist mit dem oben beschriebenen
Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestattet.
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Diese
Anordnung hemmt ein Einfrieren 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.
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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 anliegen, 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 vom Umwälzweg 23 abzweigt und sich wieder mit
diesem vereinigt. 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 hin 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 Einfrieren 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 einfriert, 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 einfrieren könnte
oder schon eingefroren ist. Die Bestimmung, ob ein Einfrieren 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 Einfrieren 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 eingefroren
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 vorlegenden Ausführungsform
das Einfrieren 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 Kühlwasser-Strömungswegs 20 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 Kühlwasser-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 Einfrierens besteht oder
ob der Luftreiniger 13 bereits eingefroren 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.
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Zusammenfassung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems
und eines mobilen Körpers, die in der Lage sind, das Gefrieren von
Luft in einem Luftreiniger zu hemmen. Das Brennstoffzellensystem
weist einen Luftreiniger, der die Luft reinigt, die zu einer Brennstoffzelle
geliefert wird, und eine Heizung, die den Luftreiniger erwärmt, auf.
Statt durch die Verwendung der Heizung kann der Luftreiniger alternativ
dazu durch Zuführen eines Kühlmittels in einem
Kühlmittel-Leitungssystem zum Luftreiniger erwärmt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-182220 [0002, 0004]