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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das mit einem Auslassventil ausgestattet ist, um verbrauchtes Brenngas in einem Umwälzsystem, das erzeugtes Wasser enthält, nach außen abzugeben.
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Technischer Hintergrund
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Ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, die eine Zufuhr an Reaktionsgas (an Brenngas und Oxidierungsgas) erhält, um elektrische Leistung zu erzeugen, wurde bereits vorgeschlagen und wird in der Praxis verwendet. Beispielsweise weist das in der
JP 2006-147 440 A offenbarte Brennstoffzellensystem ein Umwälzsystem auf, das ein verbrauchtes Brenngas, das aus einer Brennstoffzelle abgegeben wird, zur Brennstoffzelle umwälzt bzw. zurückführt. Das verbrauchte Brenngas im Umwälzsystem enthält erzeugtes Wasser, das aus einer elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugt wurde. Das Umwälzsystem weist einen Gas/Flüssigkeit-Separator auf, der das verbrauchte Brenngas und das erzeugte Wasser voneinander trennt. Ferner ist eine Abfuhrleitung, die das erzeugte Wasser nach außen abführt, mit einem Wasseraufnahmebehälter des Gas/Flüssigkeit-Separators verbunden, und ein Auslassventil (Entwässerungsventil) ist in der Abfuhrleitung installiert.
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Die Abfuhrleitung weist eine Doppelleitungsstruktur mit einem inneren Rohr, durch welches das erzeugte Wasser strömt, und einem äußeren Rohr, durch das Kühlwasser von der Brennstoffzelle strömt, auf. Bei dieser Anordnung wird das Auslassventil vom Kühlwasser, das von der Abwärme der Brennstoffzelle erwärmt wurde, erwärmt, wodurch verhindert wird, dass das Wasser im Auslassventil gefriert, selbst wenn eine Außentemperatur unter Null liegt.
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Aus der
DE 10 2004 049 623 A1 ist eine Endplatte für einen Brennstoffzellenstapel bekannt. Der Brennstoffzellenstapel enthält zumindest einen Kanal zur Zufuhr und/oder Abfuhr zumindest eines Reaktanden und/oder eines Reaktionsprodukts und/oder eines Kühlmittel, wobei zumindest ein Teil mindestens einer in einem Verlauf des entsprechenden Kanals angeordneten Pumpe zum Fördern des Reaktanden und/oder Reaktionprodukts und/oder Kühlmittels in die Endplatte integriert ist.
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Die
US 2006/0099471 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle, eine Fluidpassage zum Erwärmen, einen Gasflüssigkeitsseparator, eine Zufuhrpassage und ein Rezirkulationsmodul enthält.
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Die
JP 2006 153 223 A beschreibt eine integrationsfähige Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzelle. Ein Ventilkörper bildet eine Integrationventilvorrichtung für eine Brennstoffzelle bestehend aus Aluminium, und ein erstes Magnetventilteil und ein zweites Magnetventilteil verwenden einen Ventilkörper. Ein Einlassanschluss, der Reaktionsgas und/oder verbleibendes Wasser führt, ist an einer vorderen Endoberfläche des Ventilkörpers vorgesehen und ein Auslassanschluss ist an einer hinteren Endoberfläche vorgesehen.
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Aus der
US 2006/0131531 A1 ist ein Magnetventil für die Verwendung für Brennstoffzellen offenbart. Das Magnetventil umfasst ein Ventilgehäuse bestehend aus Aluminium und umfasst darin erste bis dritte Erwärmungsmediumpassagen. Ein an das Ventilgehäuse angeordnetes und daran befestigtes Ventil besteht aus rostfreiem Stahl. Ein Ventilteller umfasst eine Scheibe, die auf einem Ventilsitzelement eines Ventilsitz sitzt und davon gelöst werden kann. Das Ventilteller ist mit einer schraubenförmigen Oberfläche mit dem distalen Ende eines Bewegbarenelements gekoppelt, das verschiebbar ist, wenn ein Magnet erregt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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In der
JP 2006-147 440 A wurde jedoch kein bestimmter Aufbau des Auslassventils offenbart. Gemäß der
JP 2006-147 440 A ist die Doppelleitungsstruktur in das Auslassventil eingebaut; es ist von der Konstruktion her jedoch schwierig, die Doppelleitungsstruktur da zu implementieren, wo das Auslassventil das Schließen einer Leitung (des inneren Rohrs) zwischen einem Ventilsitz und einem Ventilteller durch den Ventilteller ermöglichen soll und dabei vom äußeren Rohr bedeckt sein soll. Auch wenn eine solche Konstruktion möglich wäre, wäre der Aufbau um den Ventilsitz herum äußerst kompliziert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Brennstoffzellensystems, das anhand eines einfachen Aufbaus in der Lage ist, die Temperatur eines Auslassventils zu erhöhen, um ein Einfrieren des Auslassventils zu verhindern.
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Um diese Aufgabe zu lösen, weist ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung auf: ein Umwälzsystem, das ein verbrauchtes Brenngas, das aus einer Brennstoffzelle abgegeben wird, zur Brennstoffzelle zurückführt, ein Auslassventil, das ein Fluid im Umwälzsystem nach außen abführt; und einen Kühlmittel-Strömungsweg, durch den ein Kühlmittel strömt, das zur Brennstoffzelle zurückgeführt wird. Ferner weist das Auslassventil einen Ventilkörper auf, der mit einem Strömungsweg versehen ist, der das Innere des Umwälzsystems und die Außenseite miteinander verbindet, und ein Teil des Kühlmittel-Strömungswegs verläuft durch den Ventilkörper, so dass er vom genannten Strömungsweg unabhängig ist.
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Bei dieser Anordnung strömt das Kühlmittel direkt in den Ventilkörper, wodurch es möglich ist, die Temperatur des Ventilkörpers durch Wärmeleitung zu erhöhen. Dadurch kann ein Einfrieren des Strömungswegs, auf dem ein Fluid abgeführt werden soll, verhindert werden. Ferner sind der Teil des Strömungswegs, durch den ein Fluid abgeführt werden soll, und der Kühlmittel-Strömungsweg im Ventilkörper voneinander unabhängig, wodurch eine Vereinfachung des Aufbaus des Auslassventils möglich ist.
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Das Auslassventil weist einen Ventilsitz und einen Ventilteller auf, der sich vom Ventilsitz weg bewegt oder sich in Anlage zu diesem bewegt, um den Strömungsweg für die Abgabe eines Fluids zu öffnen oder zu schließen, und der Teil des Kühlmittel-Strömungswegs ist so vorgesehen, dass er durch einen Abschnitt des Ventilkörpers in der Nähe des Ventilsitzes hindurch verläuft.
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Bei dieser Anordnung kann das Kühlmittel nahe am Ventilsitz vorbeiströmen, wodurch eine intensive Erwärmung des Ventilsitzes, der von einem Einfrieren betroffen ist, möglich ist.
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Ein weiteres Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Umwälzsystem, ein Auslassventil und einen Kühlmittel-Strömungsweg auf, wie im oben beschriebenen Fall. Ferner berührt ein Rohr, das Bestandteil des Kühlmittel-Strömungswegs ist, über ein wärmeleitfähiges Element hinweg eine Oberfläche des Ventilkörpers des Auslassventils.
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Mit dieser Anordnung kann die Wärme eines Kühlmittels, das durch den Kühlmittel-Strömungsweg fließt, vom Rohr über das wärmeleitfähige Element auf den Ventilkörper übertragen werden. Somit kann die Erwärmungsfähigkeit des Auslassventils verbessert werden, und das Einfrieren des Strömungswegs, auf dem ein Fluid abgeführt werden soll, kann anhand eines einfachen Aufbaus verhindert werden.
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Vorzugsweise kann das wärmeleitfähige Element eine Verspannung sein, die das Rohr des Kühlmittel-Strömungswegs am Ventilkörper befestigt.
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Durch diese Anordnung kann ein einziges Element sowohl als das Element, welches das Rohr des Kühlmittel-Strömungswegs befestigt, als auch als das Element, das Wärme vom Kühlmittel-Strömungsweg auf den Ventilkörper überträgt, dienen. Dadurch ist ein einfacher und kompakter Aufbau in der Nähe des Auslassventils möglich.
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Vorzugsweise kann die Brennstoffzelle aus einem Brennstoffzellenstapel bestehen, der durch Stapeln von Einheitszellen gebildet wird, und der Ventilkörper kann an einer Stelle am Brennstoffzellenstapel befestigt sein.
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Bei dieser Anordnung ist nur eine Wärmebrücke vorhanden, über die Wärme vom Ventilkörper zum Brennstoffzellenstapel entweichen kann, wodurch die Wärmeabstrahlung vom Ventilkörper zum Brennstoffzellenstapel verhindert bzw. begrenzt werden kann. Somit kann die Erwärmung des Ventilkörpers verbessert werden.
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In einem anderen bevorzugten Modus kann der Ventilkörper über eine Konsole bzw. Halterung am Brennstoffzellenstapel befestigt werden. Die Halterung kann mit Ausnahme eines Abschnitts, der am Brennstoffzellenstapel befestigt ist, einen Abstand zum Brennstoffzellenstapel aufweisen.
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Durch diese Anordnung ist es möglich, die Fläche der Wärmebrücke zu verkleinern, und außerdem kann der Ventilkörper besser erwärmt werden.
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Vorzugsweise kann der Ventilkörper an einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels befestigt sein.
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Im Allgemeinen ist die Endplatte mit einem Anschluss zum Verbinden des Kühlmittel-Strömungswegs mit dem Inneren des Brennstoffzellenstapels versehen. Daher ist durch die Befestigung des Ventilkörpers an der Endplatte eine effiziente Nutzung der Endplatte für die Anordnung des Auslassventils am Brennstoffzellenstapel möglich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist ein Blockschema, das einen Hauptabschnitt eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform darstellt.
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2 ist eine Draufsicht auf ein Entgasungs-/Entwässerungsventil gemäß dieser Ausführungsform und auf dessen Umgebung.
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3 ist eine Seitenansicht des Entgasungs-/Entwässerungsventils gemäß dieser Ausführungsform und auf dessen Umgebung aus der Richtung III von 2.
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4 ist ein Querschnitt entlang IV-IV von 2.
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5 ist ein Querschnitt entlang V-V von 4.
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6 ist eine Draufsicht auf ein Entgasungs-/Entwässerungsventil gemäß einem Modifikationsbeispiel und auf dessen Umgebung.
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7 ist eine Draufsicht auf ein Entgasungs-/Entwässerungsventil gemäß einem Modifikationsbeispiel und auf dessen Umgebung.
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8 ist eine Draufsicht auf ein Entgasungs-/Entwässerungsventil gemäß einem Modifikationsbeispiel und auf dessen Umgebung.
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9 ist eine Seitenansicht eines Entgasungs-/Entwässerungsventils gemäß einer zweiten Ausführungsform und auf dessen Umgebung.
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Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
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Nachstehend wird ein Brennstoffzellensystem gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
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Erste Ausführungsform
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Ein in 1 dargestelltes Brennstoffzellensystem ist ein Onboard-System für die Erzeugung elektrischer Leistung für ein Brennstoffzellen-Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem 1 kann auf ein System für die Erzeugung elektrischer Leistung für jede Art von mobilem Körper, wie ein Schiff, ein Flugzeug, einen Zug oder einen schreitenden Roboter, angewendet werden und kann außerdem auf ein stationäres System für die Erzeugung elektrischer Leistung oder dergleichen, das als Anlage für die Erzeugung elektrischer Leistung für ein Gebäude, ein Wohnhaus oder dergleichen verwendet wird, angewendet werden.
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Wie in 1 dargestellt, weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 2, ein Oxidierungsgas-Leitungssystem 3, ein Brenngas-Leitungssystem 4, ein Kühlmittel-Leitungssystem 5 und eine Steuereinrichtung 6 auf.
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Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine Polyelektrolyt-Brennstoffzelle. Wie in 2 und 3 dargestellt, weist die Brennstoffzelle 2 einen Stapelkörper 21 auf, der durch Stapeln einer Vielzahl von Einheitszellen gebildet wird, und weist außerdem eine Anschlussplatte mit einer Ausgangsklemme, eine Isolierplatte und eine Endplatte auf, die in dieser Reihenfolge an der Außenseite der Einheitszellen an beiden Enden des Stapelkörpers 21 gestapelt sind. Die Endplatte 22 ist mit einer Fluidleitungssystem-Verbindung für die Zu- und Abfuhr verschiedener Fluidarten (eines Oxidierungsgases, eines Brenngases und eines Kühlmittels) zum und vom Stapelkörper 21 versehen. Die Anschlussplatte und die Isolierplatte sind in 2 und 3 nicht dargestellt.
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Jede der Einheitszellen weist eine Luftelektrode auf einer Oberfläche einer Elektrolytmembran, eine Brennstoffelektrode auf derer anderen Oberfläche und ein Paar Separatoren auf, welche zu beiden Seiten der Luftelektrode bzw. der Brennstoffelektrode angeordnet sind. Ein Brenngas wird zu einer Brenngasleitung 2a eines Separators geliefert, während ein Oxidierungsgas zu einer Oxidierungsgasleitung 2b des anderen Separators geliefert wird. Ferner wird ein Kühlmittel zu einer Kühlmittelleitung 2c zwischen den Separatoren geleitet. Eine elektrochemische Reaktion läuft in der Einheitszelle ab, zu der das Oxidierungsgas und das Brenngas geliefert wurden, wodurch bewirkt wird, dass die Einheitszelle elektrische Leistung erzeugt. Die elektrochemische Reaktion erzeugt auch Wasser an der Luftelektrode. Ein Teil des erzeugten Wassers kann die Elektrolytmembran durchdringen und zur Brennstoffelektrode wandern. Die elektrochemische Reaktion in der Festpolyelektrolyt-Brennstoffzelle 2 ist eine exotherme Reaktion, aber durch die Zufuhr des Kühlmittels bleibt die Temperatur der Brennstoffzelle 2 bei ungefähr 60 bis 70°C.
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Das Oxidierungsgas und das Brenngas werden mit dem Überbegriff Reaktionsgase bezeichnet. Genauer werden das Oxidierungsgas und das Brenngas, die aus der Brennstoffzelle 2 abgegeben werden, als verbrauchtes Oxidierungsgas und als verbrauchtes Brenngas bezeichnet, und als solche werden sie mit dem Überbegriff Reaktionsabgase bezeichnet. In der folgenden Beschreibung wird Luft als Beispiel für das Oxidierungsgas verwendet und Wasserstoffgas als Beispiel für das Brenngas. Das verbrauchte Brenngas wird als verbrauchtes Wasserstoffgas bezeichnet.
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Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 3 führt das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 2 und von dieser weg. Das Oxidierungsgas-Leitungssystem 3 weist einen Befeuchter 30, einen Zufuhrweg 31, einen Abfuhrweg 32, einen Abgasströmungsweg 33 und einen Kompressor 34 auf. Der Kompressor 34 ist an einem stromaufwärts gelegenen Ende des Zufuhrwegs 31 vorgesehen. Die Luft in der Atmosphäre, die vom Kompressor 34 eingeführt wird, wird unter Druck auf dem Zufuhrweg 31 zum Befeuchter 30 geliefert, vom Befeuchter 30 befeuchtet und dann zur Brennstoffzelle 2 geliefert. Das aus der Brennstoffzelle 2 abgegebene verbrauchte Oxidierungsgas wird auf dem Abfuhrweg 32 in den Befeuchter 30 eingeführt und strömt dann durch den Abgasströmungsweg 33, um nach außen abgegeben zu werden.
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Das Brenngas-Leitungssystem 4 führt das Brenngas zur Brennstoffzelle 2 und von dieser weg. Das Brenngas-Leitungssystem 4 weist einen Wasserstofftank 40, einen Zufuhrweg 41 und einen Umwälzweg 42 auf.
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Der Wasserstofftank 40 ist eine Wasserstoff-Zufuhrquelle, die ein Wasserstoffgas unter hohem Druck (z. B. 70 MPa) speichert. Anstelle des Wasserstofftanks 40 kann auch eine Kombination aus einem Reformer, der ein wasserstoffreiches Reformgas aus einem wasserstoffhaltigen Brennstoff bildet, und einem Hochdruck-Gastank, der ein vom Reformer erzeugtes Reformgas unter hohen Druck setzt und das unter hohem Druck stehende Reformgas ansammelt, als Wasserstoff-Zufuhrquelle verwendet werden. Ferner kann anstelle des Wasserstofftanks 40 ein Tank mit einer Wasserstoff speichernden Legierung verwendet werden.
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Der Zufuhrweg 41 ist ein Strömungsweg, der das Wasserstoffgas im Wasserstofftank 40 zur Brennstoffzelle 2 liefert, und besteht aus einem Hauptströmungsweg 41a und einem Mischströmungsweg 41b, wobei ein Mündungspunkt A deren Grenze bildet. Der Hauptströmungsweg 41a ist mit einem Sperrventil 43, einem Reglerventil 44 und einem Injektor 45 versehen. Das Sperrventil 43 dient als Zufuhrventil des Wasserstofftanks 40. Das Reglerventil 44 senkt den Gasdruck des Wasserstoffgases auf einen voreingestellten Sekundärdruck. Der Injektor 45 ist ein elektromagnetisch angesteuertes Ein/Aus-Ventil und passt die Strömungsrate oder den Druck des Wasserstoffgases, das zum Mischströmungsweg 41b geliefert wird, mit hoher Genauigkeit an.
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Der Umwälzweg 42 ist ein Rücklaufrohr, welches das verbrauchte Wasserstoffgas, das durch einen Wasserstoffgas-Auslass der Brennstoffzelle 2 abgegeben wird, zurück zum Zufuhrweg 41 führt. Die Wasserstoffpumpe 46 verdichtet das verbrauchte Wasserstoffgas im Umwälzweg 42 und führt das verbrauchte Wasserstoffgas unter Druck zur Mündungsstelle A. An der Mündungsstelle A werden das frische Wasserstoffgas vom Wasserstofftank 40 und das verbrauchte Wasserstoffgas von der Wasserstoffpumpe 46 gemischt, und die nach dem Mischen entstandene Wasserstoffgasmischung wird durch den Mischströmungsweg 41b geleitet und zur Brennstoffzelle 2 geliefert. Somit wird der im verbrauchten Wasserstoffgas zurückgebliebene Wasserstoff in die Brennstoffzelle 2 zurückgeführt, um elektrische Leistung zu erzeugen.
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Der Umwälzweg 42 ist über einen Gas/Flüssigkeit-Separator 47 und ein Entgasungs-/Entwässerungsventil 48, das auf der stromaufwärts liegenden Seite der Wasserstoffpumpe 46 vorgesehen ist, mit einem Abfuhrweg 49 verbunden. Das verbrauchte Wasserstoffgas, das durch den Umwälzweg 42 strömt, enthält die Feuchtigkeit des erzeugten Wassers und ein Stickstoffgas, die beide durch die Elektrolytmembran hindurch zur Brennstoffelektrode gelangt sind, wenn ihre Mengen im Vergleich zur Menge des verbrauchten Wasserstoffgases auch äußerst klein sind. Der Gas/Flüssigkeit-Separator 47 trennt eine Flüssigkeit (Feuchtigkeit) von einem Gas (verbrauchtem Wasserstoffgas) im verbrauchten Wasserstoffgas und hält die abgeschiedene Feuchtigkeit vorübergehend zurück. Die zurückgehaltene Feuchtigkeit wird aus dem Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 in den Abfuhrweg 49 abgegeben, um nach außen abgeführt zu werden. Ferner wird auch ein Teil des verbrauchten Wasserstoffgases nach dem Auffangen der Feuchtigkeit vom Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 in den Abfuhrweg 49 abgegeben, um nach außen abgeführt zu werden.
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Somit dient das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 nicht nur als Entwässerungsventil für die Ausfuhr des Wassers als Fluid, das im Umwälzsystem 10 strömt, sondern auch als Entgasungsventil für die Ausfuhr des Verunreinigungen enthaltenden verbrauchten Wasserstoffgases. Wenn das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 geöffnet wird, kann das im Gas/Flüssigkeit-Separator 47 gesammelte Wasser abgelassen werden und die Wasserstoffkonzentration im Wasserstoffabgas kann erhöht werden. Der genaue Aufbau des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 und seiner Umgebung wird später erörtert.
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Das stromabwärts gelegene Ende des Abfuhrwegs 49 kann direkt zur Atmosphäre hin offen sein, oder es kann mit einem nicht dargestellten Verdünner oder mit dem Abgasströmungsweg 33 verbunden sein. Ferner handelt es sich bei dem Umwälzsystem 10 um ein System, in dem der Umwälzweg 42, der Mischströmungsweg 41 und die Brenngasleitung 2a in dieser Reihenfolge aneinander gefügt sind, und welches das verbrauchte Wasserstoffgas zur Brennstoffzelle 2 zurückführt.
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Das Kühlmittel-Leitungssystem 5 führt ein Kühlmittel (z. B. Kühlwasser) zur Brennstoffzelle 2 zurück. Das Kühlmittel-Leitungssystem 5 weist eine Kühlpumpe 50, einen Kühlmittel-Strömungsweg 51, einen Kühlkörper 52, einen Umgehungsweg 53 und ein Schaltventil 54 auf. Die Kühlpumpe 50 führt das Kühlmittel im Kühlmittel-Strömungsweg 51 unter Druck zurück zur Kühlmittelleitung 2c. Das Ende der Leitungsstruktur des Kühlmittel-Strömungswegs 51 mündet in einen Anschluss der Endplatte 22. Wie nachstehend beschrieben, wird ferner das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 von einem Teil des Kühlmittel-Strömungswegs 51 erwärmt. Der Kühlkörper 52 kühlt das aus der Brennstoffzelle 2 abgegebene Kühlmittel. Das Schaltventil 54 schaltet den Kühlwasserstrom zwischen dem Kühlkörper 52 und dem Umgehungsweg 53 um, falls nötig.
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Die Steuereinrichtung 6 besteht aus einem Mikrorechner, der eine CPU, einen ROM und einen RAM aufweist. Die Steuereinrichtung 6 empfängt Informationen, die von einem Stromsensor erfasst werden, sowie Informationen, die von Sensoren erfasst werden, die die unter anderem die Drücke, die Temperaturen und die Strömungsraten von Fluiden erfassen, die durch das Rohrsystem strömen. Dann steuert die Steuereinrichtung 6 Geräte verschiedener Art (den Kompressor 34, das Sperrventil 43, den Injektor 45, die Wasserstoffpumpe 46, das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48, die Kühlpumpe 50, das Schaltventil 54 und dergleichen) im System 1 gemäß den oben genannten erfassten Informationen oder gemäß einer benötigten Menge an elektrischer Leistung, die in der Brennstoffzelle 2 erzeugt werden soll, und führt eine Spüloperation oder dergleichen im Umwälzsystem 10 durch.
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Nun wird der Aufbau des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 und seiner Umgebung beschrieben.
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Wie in 4 und 5 dargestellt, handelt es sich bei dem Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 (dem Auslassventil) um ein elektromagnetisch angesteuertes Ein/Aus-Ventil, das von Steuersignalen von der Steuereinrichtung 6 betätigt wird, um ein Fluid im Umwälzsystem 10 intermittierend in den Abfuhrweg 49 zu entlassen. Das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 weist eine Eckventilstruktur auf und weist einen Ventilkörper 61, einen Ventilsitz 61d und einen Ventilteller 62 auf.
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Im Ventilkörper 61 sind ein Einlasskanal 61a, ein Auslasskanal 61b und ein Ventilgehäuse 61c als Strömungsweg 61e für die Fluide (das Wasser und das verbrauchte Wasserstoffgas), die aus dem Gas/Flüssigkeit-Separator 47 abgeführt werden, ausgebildet. Der Einlasskanal 61a steht über den Gas/Flüssigkeit-Separator 47 mit dem Umwälzweg 42 in Verbindung, während der Auslasskanal 61b über den Abfuhrweg 49 mit der Außenseite in Verbindung steht. Der Ventilsitz 61d ist an der Bodenfläche des Ventilgehäuses 61c ausgebildet und weist eine Öffnung auf, die mit dem Auslasskanal 61b in Verbindung steht.
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Der Ventilteller 62 ist derart im Ventilgehäuse 61c vorgesehen, dass der Ventilteller 62 sich innerhalb eines vorgegebenen Hubs in Richtung einer Achsenlinie X-X bewegen kann. Der Ventilteller 62 liegt am Ventilsitz 61d an, um die Öffnung des Ventilsitzes 61d zu schließen, um damit den Strömungsweg 61e zu schließen. Wenn sich der Ventilteller 62 dagegen vom Ventilsitz 61d weg bewegt, wird die Öffnung des Ventilsitzes 61d frei gegeben, so dass der Strömungsweg 61e geöffnet wird. Eine Membran 63 ist zwischen der Außenfläche des Ventiltellers 62 und einem Rand des Ventilgehäuses 61c ausgebildet und so aufgebaut, dass sie der Bewegung des Ventiltellers 62 folgen kann.
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Der Ventilteller 62 ist am distalen Ende eines Tauchkolbens 64 befestigt, der von einer Feder 64a in Richtung auf den Ventilsitz 61d vorgespannt wird. Der Tauchkolben 64, eine Spule 65 und ein Eisenkern 66 bilden eine Antriebseinheit eines Solenoid-Stellglieds, das den Ventilteller 62 mit einem vorgegebenen Hub in Richtung der Achsenlinie X-X auf und ab bewegt. Durch EIN- oder AUS-Schalten der Stromversorgung für die Spule 65 der Antriebseinheit wird im Grunde bewirkt, dass das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 zwischen zwei Positionen geschaltet wird, nämlich zwischen „offen” und „geschlossen”, wodurch die Fluide (Wasser und verbrauchtes Gas), die aus dem Gas/Flüssigkeit-Separator 47 abgeführt werden sollen, in den Abfuhrweg 49 entlassen werden.
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Das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 ist zusätzlich zu den oben genannten Strukturen mit einer Struktur versehen, die vom Kühlmittel-Leitungssystem 5 erwärmt wird. Genauer verläuft ein Teil des Kühlmittel-Strömungswegs 51 durch den Ventilkörper hindurch. Der Kühlmittel-Strömungsweg 51 ist in einem Abschnitt des Ventilkörpers 61 ausgebildet, der den Einlasskanal 61a, den Auslasskanal 61b und das Ventilgehäuse 61c nicht schneidet, so dass der Kühlmittel-Strömungsweg 51 unabhängig vom Strömungsweg 61e ist oder mit diesem nicht in Konflikt kommt. Im Ventilkörper 61 sind der Kühlmitteleinlass 51a und ein Kühlmittelauslass 51b ausgebildet, und Rohre 51c und 51d des Kühlmittel-Strömungswegs 51 außerhalb des Ventilkörpers 61 sind mit dem Einlass 51a und dem Auslass 51b verbunden. Ein Strömungsweg Sie, der den Einlass 51a und den Auslass 51b verbindet, ist ein L-förmiger Strömungsweg, der schräg unterhalb des Ventilgehäuses 61c verläuft, und ist so ausgebildet, dass der Strömungsweg 51e durch einen Abschnitt hindurch verläuft, der relativ nahe am Ventilgehäuse 61c und am Ventilsitz 61d liegt, so dass er den Auslasskanal 61b von zwei Richtungen umgibt.
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Wenn das Kühlmittel bei einer niedrigen Temperatur durch den Kühlmittel-Strömungsweg 51 strömt, wird bei dieser Anordnung die Wärme des Kühlmittels umgehend auf das Ventilgehäuse 61c und den Ventilsitz 61d übertragen, wodurch das Ventilgehäuse 61c und der Ventilsitz 61d intensiv erwärmt werden. Dadurch wird verhindert, dass Wasser am Ventilgehäuse 61c und am Ventilsitz 61d gefriert. Ferner sind der Strömungsweg 51e für das Kühlmittel und der Strömungsweg 61e für das verbrauchte Wasserstoffgas oder dergleichen unabhängig vom Ventilkörper 61, wodurch ein im Vergleich mit der Doppelleitungsstruktur sehr einfacher Aufbau des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 erzielt wird. Da ein Einfrieren des Strömungswegs 61e verhindert werden kann, braucht der Strömungsweg 61 außerdem keinen großen Durchmesser, um ein Einfrieren zu verhindern, wodurch es möglich ist, die Größe und das Gewicht des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 zu verringern. Außerdem sind der Einlass 51a und der Auslass 51b für das Kühlmittel in einer anderen Richtung als der Fluideinlass in den Einlasskanal 61a und der Fluidauslass aus dem Auslasskanal 61b vorgesehen, wodurch eine Führung der Rohre außerhalb des Ventilkörpers 61b leicht möglich ist.
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Hier handelt es sich bei dem Kühlmittel, das im Ventilkörper 61 strömt, vorzugsweise um das Kühlmittel, das noch nicht in den Kühlkörper 52 geströmt ist. Der Grund dafür ist, dass die Temperatur des Kühlmittels vom Kühlkörper 52 gesenkt wird, und dass es daher besser ist, das Kühlmittel zu verwenden, bevor dessen Temperatur gesenkt wurde, um die Temperatur des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 schneller erhöhen zu können.
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In dem Fall, dass in einer Niedertemperaturumgebung, in der die Temperatur des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 unter einer Temperatur liegt, bei der Wasser gefriert, ein Betrieb mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, kann jedoch eine Steuerung durchgeführt werden, die bewirkt, dass das Kühlmittel in den Umgehungsweg 53 strömt und dabei den Kühlkörper 52 umgeht. Dadurch wird der Unterschied zwischen den Temperaturen des Kühlmittels an einem Einlass- und an einem Auslassende der Brennstoffzelle 2 verringert, so dass entweder das Kühlmittel am Einlassende oder das Kühlmittel am Auslassende der Brennstoffzelle 2 in den Ventilkörper 61 strömen kann. Der Grund dafür ist, dass es dadurch keine wesentlichen Unterschiede in der Wirkung auf die Erwärmung des Ventilkörpers 61 gibt.
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Wie oben beschrieben, ermöglicht gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform der einfache Aufbau die Rückführung eines Kühlmittels durch das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 und ermöglicht auch die Einstellung der Umwälzposition in der Nähe des Ventilsitzes 61d. Somit kann die Abwärme der Brennstoffzelle 2 verwendet werden, um die Temperatur des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 zu erhöhen, und ein Einfrieren des Strömungswegs 61 für das verbrauchte Wasserstoffgas oder dergleichen kann verhindert werden. Insbesondere wenn das Brennstoffzellensystem 1 in einer Niedertemperaturumgebung unterhalb von null Grad gestartet wird, kann die Temperatur des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 umgehend erhöht werden, auch wenn der Strömungsweg 61e teils eingefroren ist, wodurch es möglich ist, das teilweise Einfrieren zu beseitigen.
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Es kann eine Steuerung durchgeführt werden, um das Kühlmittel nur dann zum Ventilkörper 61 zu liefern, wenn die Temperatur niedrig ist, z. B. unter null Grad. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 6 die Rückführung durch das Schaltventil 54 so einstellen, dass das Kühlmittel nur in einer vorgegebenen Niedrigtemperaturumgebung, in der die Temperatur gemäß einem nicht dargestellten externen Temperatursensor oder dergleichen unter null Grad oder dergleichen liegt, zum Ventilkörper 61 geliefert wird.
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Im Folgenden werden Modifikationsbeispiele der oben beschriebenen Ausführungsform beschrieben. Auf eine Beschreibung von Aspekten, die denen der obigen Ausführungsform ähnlich bzw. gleich sind, wird verzichtet, und es werden nur unterschiedliche Aspekte beschrieben.
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Das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 kann fern von der Brennstoffzelle 2 positioniert sein, d. h. fern von der Endplatte 22 (siehe 1). Das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 kann zwar an der Endplatte 22 befestigt sein. Jedoch würde eine einfache Befestigung des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 an der Endplatte 22 bewirken, dass die Endplatte 22 in erheblichem Umfang Wärme vom sich erwärmenden Entgasungs-/Entwässerungsventil aufnimmt. Dadurch würde der Temperaturanstieg des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 wahrscheinlich beeinträchtigt. Daher werden im Folgenden zwei Beispiele für ein bevorzugtes Verfahren zur Befestigung des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48, mit dem die Wärmeabstrahlung zur Endplatte 22 verhindert werden soll, beschrieben.
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Erstes Beispiel
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2 ist ein Schema, das die Strukturen eines Endabschnitts des Stapelkörpers 21 und des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 in Draufsicht zeigt, und 3 ist eine Seitenansicht aus der Richtung III von 2. Die 2 und 3 stellen den Aufbau des Stapelkörpers und des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 vereinfacht dar, und auf eine detaillierte Darstellung von deren Abschnitten wird verzichtet.
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Wie in 2 und 3 dargestellt, wird das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 von einem Bolzen 71 (einem Befestigungselement) über eine Konsole bzw. Halterung 70 an der Endplatte 22 befestigt. Die Halterung 70 weist ein erstes plattenartiges Element 72a auf, das parallel zu einer Oberfläche der Endplatte 22 verläuft, und ein zweites plattenartiges Element 72b, das in einem rechten Winkel von einem unteren Ende des ersten plattenartigen Elements 72a ausgeht. Das erste plattenartige Element 72a wird vom Bolzen 71 an der Endplatte 22 befestigt, und das zweite plattenartige Element 72b ist am Ventilkörper 61 des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 befestigt.
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Die Endplatte 22 weist eine Plansenke bzw. Anflachung 23 auf, die angrenzend an die Oberfläche des ersten plattenartigen Elements 72a ausgebildet ist. Die Anflachung 23 ist so geformt, dass sie größer ist als der Umriss des ersten plattenartigen Elements 72a, und so, dass ihre Bodenfläche 23a einen Auflageabschnitt 24 aufweist, der in Richtung auf das erste plattenartige Element 72a vorsteht. Der Auflageabschnitt 24 ist an einer Stelle ausgebildet, die der Position eines Bolzenlochs des ersten plattenartigen Elements 72a entspricht, und eine Auflagefläche 24a ist um ein Befestigungsloch herum ausgebildet, in das der Bolzen 71 geschraubt wird. Wenn der Ventilkörper 61 über die Halterung 70 an der Endplatte 22 befestigt wird, ist der Abschnitt der Halterung 70, die mit der Endplatte 22 in Kontakt steht, nur der Abschnitt der Auflagefläche 24a.
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Gemäß dem ersten Beispiel ist die Halterung 70 mit Ausnahme des Abschnitts, der an der Endplatte 22 festgeschraubt ist, von der Endplatte 22 beabstandet. Anders ausgedrückt, die Kontaktfläche zwischen der Halterung 70 und der Endplatte 22 ist nur die Auflagefläche 24a, die eine kleine Fläche aufweist. Dadurch ist es möglich, die Wärmeabstrahlung vom Ventilkörper 61 zur Endplatte 22 zu verhindern bzw. zu beschränken.
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Ein Modifikationsbeispiel des ersten Beispiels kann beispielsweise ein Modus sein, der in 6 oder 7 dargestellt ist. Genauer kann, wie in 6 dargestellt, ein Auflageabschnitt 124 am ersten plattenartigen Element 72a der Halterung 70 vorgesehen sein, wobei aber die Anflachung 23 und der Auflageabschnitt 24 fehlen. Auch durch diese Anordnung wird die Kontaktfläche, die einen Weg für die Wärmeleitung vom Ventilkörper 61 zur Endplatte 22 bietet, verkleinert, wie beim oben beschriebenen Aufbau. Somit kann die Wärmeabstrahlung vom Ventilkörper 61 zur Endplatte 22 verhindert bzw. beschränkt werden.
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Wie in 7 dargestellt, kann eine Beilagscheibe 25, beispielsweise ein Federring oder eine Verschlussscheibe, zwischen dem ersten plattenartigen Element 72a und der Endplatte 22 vorgesehen sein, wobei auf den Auflageabschnitt 24 verzichtet wird. Auch dieser Aufbau verkleinert die Kontaktfläche zwischen der Beilagscheibe 25 und dem ersten plattenartigen Element 72a und die Kontaktfläche zwischen der Beilagscheibe 25 und der Endplatte 22, wie der oben beschriebene Aufbau. Somit ist die Wärmeleitfläche auf ähnliche Weise verkleinert, wodurch es möglich ist, die Wärmeabstrahlung vom sich erwärmenden Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 zu verhindern.
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In jedem der Fälle des ersten Beispiels kann die Halterung 70 einstückig mit dem Ventilkörper 61 ausgebildet sein.
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Zweites Beispiel
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8 ist ein Schema, das die Strukturen eines Endabschnitts des Stapelkörpers 21 und des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 in Draufsicht zeigt, ähnlich wie in 2. Im vorliegenden Beispiel ist das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 nur an einem Punkt an der Endplatte 22 befestigt. Genauer wird das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 an einer Halterung 270 befestigt, und die Halterung 270 ist an der Endplatte 22 befestigt, wobei die Halterung 270 und die Endplatte 22 durch einen einzigen Bolzen 271 an einem einzigen Punkt befestigt werden. Durch die Befestigung an einem einzigen Punkt kann die Wärmemenge, die von dem sich erwärmenden Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 auf die Endplatte 22 übertragen wird, verringert werden, wodurch der Temperaturanstieg des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 beschleunigt wird.
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Die Einpunktbefestigung wird vorzugsweise am Schwerpunkt des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 oder in dessen Nähe positioniert. Dadurch kann das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 auch dann stabil von der Endplatte 22 getragen werden, wenn das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 einer Vibration oder einem Schlag aufgrund einer externen Kraft ausgesetzt werden sollte. Die Halterung 270 kann auch einstückig mit einem Ventilkörper 61 ausgebildet sein.
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Zweite Ausführungsform
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Mit Bezug auf 9 wird nun eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Hinblick auf die wesentlichen unterschiedlichen Aspekte beschrieben. Ein Aspekt, der sich von der ersten Ausführungsform unterscheidet, ist, dass der Kühlmittel-Strömungsweg 51 in Kontakt mit der Außenfläche des Ventilkörpers 61 vorgesehen ist und kein Teil des Kühlmittel-Strömungswegs 51 durch den Ventilkörper 61 hindurchgeht. Bauteilen, die denen der ersten Ausführungsform gleich sind, sind gleiche Bezugszeichen zugewiesen, und auf ihre ausführliche Beschreibung wird verzichtet.
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Ein Rohr 151 des Kühlmittel-Strömungswegs 51 ist in der Nähe des Ventilkörpers 61 angeordnet und über eine Verspannung 73 (ein wärmeleitfähiges Element) am Ventilkörper 61 befestigt. Die Verspannung 73 ist ein wärmeleitfähiges plattenähnliches Element, wie ein Metallelement. Ein Ende 73a der Verspannung 73 berührt die Oberfläche des Ventilkörpers 61 und ist mit einem Bolzen oder dergleichen daran befestigt. Die Oberfläche des Ventilkörpers 61, mit der das eine Ende 73a in Berührung steht, befindet sich vorzugsweise nahe an einem Ventilgehäuse 61c oder einem Ventilsitz 61d. Ferner ist das andere Ende 73b der Verspannung 73 so vorgesehen, dass das andere Ende 73b die Oberfläche des Rohrs 151 berührt. Das andere Ende 73b weist beispielsweise einen ungefähr halbbogenförmigen Abschnitt auf und berührt das Rohr 151 derart, dass das andere Ende 73b die Hälfte der äußeren Umfangsfläche des Rohrs 151 bedeckt. Durch diese Anordnung können bestimmte Größen einer Kontaktfläche zwischen der Verspannung 73 und dem Ventilkörper 61 und einer Kontaktfläche zwischen der Verspannung 73 und dem Rohr 151 gesichert werden.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform berührt die Plattenoberfläche der Verspannung 73 den Ventilkörper 61 und das Rohr 151, so dass die Wärme eines Kühlmittels, das durch den Kühlmittel-Strömungsweg 51 strömt, vom Rohr 151 auf die Verspannung 73 und dann von der Verspannung 73 auf den Ventilkörper 61 übertragen wird. Somit ist es durch den Aufbau, der einfacher ist als in der ersten Ausführungsform, möglich, die Erwärmung des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 zu verbessern und ein Einfrieren des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 zu verhindern.
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Wie in der ersten Ausführungsform kann es sich bei dem Kühlmittel, das durch das Rohr 151 strömt, um jedes Kühlmittel handeln, das noch nicht in einen Kühlkörper 52 geströmt ist, und im Falle der Durchführung eines Betriebs mit niedrigem Wirkungsgrad kann es sich bei dem Kühlmittel entweder um das Kühlmittel auf der Einlassseite oder um dasjenige auf der Auslassseite der Brennstoffzelle 2 handeln. Ferner können die Form und die Befestigungsposition der Verspannung 73 so ausgelegt sein, dass die Verspannung 73 andere Elemente, die um den Ventilkörper 61 herum vorgesehen sind, nicht behindert, und dass die nahe Umgebung des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 einfach und kompakt ist.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48 kann so angepasst werden, dass es nur eine Entgasung oder nur eine Entwässerung durchführt. In dem Fall, dass ein eigenes Entwässerungsventil für die Ausfuhr von Wasser, das vom Gas/Flüssigkeit-Separator 47 abgetrennt wurde, und ein eigenes Entgasungsventil für die gemeinsame Ausfuhr von verbrauchtem Wasserstoffgas im Umwälzweg 42 und von Verunreinigungen vorgesehen sind, kann ein Einfrieren dieser Ventile beispielsweise durch die Übernahme des gleichen Aufbaus wie desjenigen des Entgasungs-/Entwässerungsventils 48 für sowohl das Entwässerungsventil als auch das Entgasungsventil verhindert werden. Bei einem solchen Aufbau ist das Entwässerungsventil auf die gleiche Weise mit dem Gas/Flüssigkeit-Separator 47 verbunden wie das Entgasungs-/Entwässerungsventil 48. Das Entgasungsventil dagegen ist in einem Spülkanal installiert, der vom Umwälzweg 42 abzweigt und sich wieder mit diesem vereinigt.
