DE112008002831B4

DE112008002831B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008002831B4
Application number: DE112008002831.1T
Authority: DE
Inventors: Koji Katano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2008-10-14
Publication date: 2019-12-19
Anticipated expiration: 2028-10-15
Also published as: US20100261093A1; JP2009123586A; CN101861672B; US8697299B2; WO2009063713A1; DE112008002831T5; JP4488061B2; CN101861672A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem, welches eine Verdünnungsvorrichtung umfasst, während es die Höhe eines Brennstoffzellengehäuses so niedrig wie möglich hält, da es den unteren Raum im Gehäuse effektiv ausnutzt. Ein Brennstoffzellensystem (8) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (12), der eine Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Gas, das der Anodenseite zugeführt wird, und einem Gas, das einer Kathodenseite zugeführt wird, erzeugt, eine Verdünnungsvorrichtung (18) zum Verdünnen eines Anodenabgases, das von dem Brennstoffzellenstapel (12) abgeführt wird, mit einem Kathodenabgas, und Abführen des verdünnten Gases, und ein Brennstoffzellengehäuse (10) zum Aufnehmen des Brennstoffzellenstapels (12) und der Verdünnungsvorrichtung (18). In diesem Brennstoffzellensystem ist eine laterale Öffnung (13a) des Brennstoffzellengehäuses (10) zum Passieren einer Abgasleitung (34), die sich zum Abgas stromabwärts der Verdünnungsvorrichtung (18) erstreckt, übehalb des untersten Abschnitts (38) der Innenfläche der Verdünnungsvorrichtung (18) bezüglich der Gravitationsrichtung angebracht.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eine Emissionsvorrichtung in Verbindung mit einer Verdünnungsvorrichtung zum Verdünnen und Emittieren eines Anodenabgases, das von einem Brennstoffzellenstapel abgelassen wird.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren sind aufgrund ihres niedrigeren Einflusses auf die Umwelt Brennstoffzellenstapel in Automobilen oder anderen Fahrzeugen montiert worden. Ein Brennstoffzellenstapel führt zum Beispiel ein Brenngas, wie zum Beispiel Wasserstoffgas oder dergleichen, einer Anodenseite einer Brennstoffzelle zu, und ein Oxidationsgas, das Sauerstoff zum Beispiel in Form von Luft enthält, der Kathodenseite derselben, und erhält bzw. erzeugt benötigte elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion, die durch eine Elektrolytmembran auftritt.
Ein Kathodenabgas, das ausgelassen wird wenn das Oxidationsgas, das der Kathodenseite zugeführt wird, von dem Brennstoffzellenstapel augelassen wird, enthält reaktionserzeugtes Wasser, das in einer elektrochemischen Reaktion erzeugt wird. Währenddessen enthält ein Anodenabgas, das ausgelassen wird, wenn das Brenngas, das der Anodenseite zugeführt wird, vom Brennstoffzellenstapel ausgelassen wird, ebenso reaktionserzeugtes Wasser, das durch eine Elektrolytmembran der Brennstoffzelle passiert ist.
Das Anodenabgas wird an eine Verdünnungsvorrichtung durch Öffnen, in einem vorbestimmten Zeitpunkt, eines Spülventils, das an einer Leitung vorgesehen ist, die zwischen dem Anodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels und der Verdünnungsvorrichtung angeschlossen ist, geleitet. Das Kathodenabgas wird ebenso durch eine Leitung der Brennstoffzelle zur Verdünnungsvorrichtung geleitet. In der Verdünnungsvorrichtung wird das Anodenabgas mit dem Kathodenabgas zum Verdünnen gemischt, bevor es nach Außen emittiert wird. Obenstehend wird außerdem reaktionserzeugtes Wasser, das im Kathodenabgas und dem Anodenabgas enthalten ist, ausgelassen.
Die Leitung, welche den Anodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels und das Spülventil verbindet, und die Leitung, welche das Spülventil und die Verdünnungsvorrichtung verbindet, sind bevorzugt so angebracht, dass sie entsprechend stromabwärts in Abgasemissionsrichtung verlaufen, um das reaktionserzeugte Wasser, das im Anodenabgas enthalten ist, zuverlässig auszulassen. Darüber hinaus, um eine elektrische Isolation des Brennstoffzellenstapels zwischen dem Spülventil und der Verdünnungsvorrichtung zu gewährleisten, werden das Spülventil und die Verdünnungsvorrichtung im Allgemeinen unter Verwendung von zum Beispiel einer Gummiröhre verbunden, die aus einem isolierenden Teil besteht. In diesem Fall muss eine Gummiröhre einer bestimmten Länge verwendet werden, um eine ausreichende Isolation zu einem Hochspannungsbrennstoffzellenstapel zu gewährleisten. Wenn eine solche Röhre verwendet wird, muss eine hohe Differenz von zum Beispiel mehreren zehn Zentimetern zwischen dem Anodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels und dem Anodenabgaseinlass der Verdünnungsvorrichtung gewährleistet sein, um einen Auslass und einen ausreichenden Isolationseffekt zu gewährleisten.
JP 2005 - 163 812 A offenbart zum Beispiel, dass eine Leitung zum Einführen von Wasser, das vom Brennstoffzellensystem an eine Emissionsleitung bzw. Auslassleitung ausgelassen wird, stromabwärts in Flüssigkeitsdurchflussrichtung angebracht ist, so dass eine Flüssigkeit bzw. ein Fluid einfach in die Leitung fließen kann.
DE 603 07 959 T2 und US 2004/0 062 975 A1 beschreiben jeweils ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Verdünnungsvorrichtung und einem Brennstoffzellengehäuse. In der Verdünnungsvorrichtung wird das Anodenabgas durch ein Ventil eingespritzt und das Kathodenabgas wird durch das Rohr zugeführt.
Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Es sind Versuche unternommen worden, einen Brennstoffzellenstapel und entsprechende Elemente in einem Brennstoffzellengehäuse bereitzustellen, und das Gehäuse in einem Raum unterhalb des Bodens eines Fahrzeugs zu montieren. Das Brennstoffzellengehäuse sollte so niedrig wie möglich sein, um soviel Platz wie möglich im Inneren des Fahrzeugs zu gewährleisten.
Allerdings benötigt eine Struktur, in welcher eine Verdünnungsvorrichtung im Inneren eines Brennstoffzellengehäuses platziert wird, während eine Höhendifferenz von mehreren zehn Zentimetern gewährleistet wird, wie obenstehend beschrieben, ein Gehäuse mit einer großen Höhe. Überdies wird eine große Verdünnungsvorrichtung benötigt, um einen großen Innenraum zu gewährleisten, für ein ausreichendes Mischen und Verdünnen. Daher behindert beim Montieren eines Brennstoffzellengehäuses unterhalb eines Bodens eine Struktur zum Bereitstellen einer Verdünnungsvorrichtung im Inneren des Gehäuses eine Reduzierung der Höhe des Gehäuses.
Im Hinblick auf das Obenstehende ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, welches einen unteren Raum im Inneren eines Brennstoffzellengehäuses effizient ausnutzt, um das Bereitstellen einer Verdünnungsvorrichtung in dem Gehäuse zu gewährleisten, während die Höhe des Gehäuses so stark wie möglich reduziert wird.
Mittel zum Lösen des Problems
Die oben genannte Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ein System gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Gas, das einer Anodenseite zuzuführen ist, und einem Gas, das einer Kathodenseite zuzuführen ist; eine Verdünnungsvorrichtung zum Verdünnen eines Anodenabgases, das von der Brennstoffzelle ausgelassen wird, mit einem Kathodenabgas, und Emittieren bzw. Auslassen des Anodenabgases, wobei die Verdünnungsvorrichtung eine Einführungsleitung, ein Verdünnungsteil und eine Emissionsleitung aufweist; und ein Brennstoffzellengehäuse zum Aufnehmen der Brennstoffzelle und der Verdünnungsvorrichtung in dessen Inneren, wobei eine Seitenflächenöffnung des Brennstoffzellengehäuses, durch welche die sich vom Verdünnungsteil stromabwärts in Emissionsrichtung der Verdünnungsvorrichtung erstreckende Emissionsleitung geht, in Gravitationsrichtung höher als ein unterster Abschnitt einer Innenfläche des Verdünnungsteils liegt; wobei das Anodenabgas in einen Kathodenabgasfluss mit einer diesen Kathodenabgasfluss entgegengesetzten Ausstoßrichtung in die Verdünnungsvorrichtung ausgestoßen wird; wobei das Verdünnungsteil eine untere Fläche mit einer absteigenden Neigung in Emissionsrichtung hin zum untersten Abschnitt aufweist; wobei die Emissionsleitung eine untere Fläche mit einer ansteigenden Neigung in Emissionsrichtung von dem untersten Abschnitt der Innenfläche des Verdünnungsteils aus aufweist, und wobei ein herausragender Abschnitt zum Verhindern eines Rückflusses von Wasser auf der unteren Fläche der Emissionsleitung ausgebildet ist.
Da die Seitenflächenöffnung des Brennstoffzellengehäuses, durch welche eine Emissionsleitung geht, die sich stromabwärts in Emissionsrichtung der Verdünnungsvorrichtung erstreckt, in einer Position in Gravitationsrichtung oberhalb des untersten Abschnitts der Innenfläche der Verdünnungsvorrichtung ausgebildet ist, ist es mit dieser Struktur möglich, einen Raum unterhalb der Seitenflächenöffnung im Inneren des Gehäuses als einen Raum zum Montieren einer Verdünnungsvorrichtung effizient auszunutzen, während für die Seitenflächenöffnung des Brennstoffzellengehäuses eine ansteigende Flanke bzw. Kante von der unteren Fläche in Richtung der Seitenflächenöffnung der Verdünnungsvorrichtung gewährleistet werden kann. Dies ermöglicht es, die Kapazität bzw. das Aufnahmevolumen der Verdünnungsvorrichtung im Inneren des Gehäuses zu maximieren.
In dem Brennstoffzellensystem kann bevorzugt ein Ausstoßauslass, durch welchen das Anodengas in das Innere des Verdünnungsteils ausgestoßen wird, in einer Position stromaufwärts, in Emissionsrichtung des untersten Abschnitts der Innenfläche des Verdünnungsteils, ausgebildet sein.
Selbst wenn erzeugtes Wasser von der Emissionsleitung in das Innere der Verdünnungsvorrichtung zurückkehrt, sammelt sich das zurückgekehrte Wasser mit dieser Struktur im untersten Abschnitt der Innenfläche, und selbst wenn das gesammelte Wasser aufgrund der niedrigeren Außentemperatur gefriert, kann das Schließen des Ausstoßauslasses, der Stromaufwärts des untersten Abschnitts der Innenfläche angeordnet ist, gehemmt werden.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann bevorzugt der Ausstoßauslass, durch welchen das Anodenabgas in das Innere des Verdünnungsteils ausgestoßen wird, in Gravitationsrichtung höher als der unterste Abschnitt der Innenfläche des Verdünnungsteils angeordnet sein.
Selbst falls das erzeugte Wasser von der Emissionsleitung in das Innere der Verdünnungsvorrichtung zurückkehrt, sammelt sich das zurückgekehrte Wasser mit dieser Struktur im untersten Abschnitt der Innenfläche, und selbst wenn das gesammelte Wasser aufgrund der niedrigeren Außentemperatur gefriert, kann das Schließen des Ausstoßauslasses, der in einer Position in Gravitationsrichtung höher als der unterste Abschnitt der Innenfläche angeordnet ist, gehemmt werden.
In dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Anodenabgas in einem Kathodenabgasfluss mit einer diesem Kathodenabgasfluss entgegengesetzten Ausstoßrichtung in die Verdünnungsvorrichtung ausgestoßen.
Hierbei sollte beachtet werden, dass sich das obenstehend erwähnte „entgegengesetzt“ nicht ausschließlich auf einen Fall bezieht, in welchem das Anodenabgas in eine Richtung ausgestoßen wird, die vollständig entgegengesetzt der Auslassrichtung des Kathodenabgases ist, sondern alle Ausstoßrichtungen umfasst, welche, wenn eine Anodenabgasausstoßrichtung anhand einer Vektoranalyse betrachtet wird, eine Richtungskomponente umfassen, die vollständig entgegengesetzt der Auslassrichtung des Kathodenabgases sind.
Gemäß dieser Struktur stößt das ausgestoßene Anodenabgas in den Durchflusses eines Kathodenabgases in einer dazu entgegengesetzten Weise. Dies begünstigt das Mischen der entsprechenden Abgase und ermöglicht somit eine effiziente Verdünnung in einem kleineren Raum der Verdünnungsvorrichtung. Dies hat eine vorteilhafte Reduzierung der Größe einer Verdünnungsvorrichtung zur Folge.
In dem Brennstoffzellensystem kann eine Emissionsleitung derart verbunden sein, dass ein Luftbefeuchter bzw. Befeuchter zum Befeuchten eines Gases, das der Kathodenseite der Brennstoffzelle zuzuführen ist, in Emissionsrichtung stromabwärts der Verdünnungsvorrichtung angeordnet sein kann.
Gemäß dieser Struktur kann erzeugtes Wasser, das in dem Anodenabgas und dem Kathodenabgas enthalten ist, in einem Befeuchter gesammelt werden, und zum Befeuchten des Kathodengases wieder verwendet werden. Dies ermöglicht eine effiziente Befeuchtung.
Figurenliste

1 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das in den Fahrzeug- bzw. Automobil montiert ist;
2 zeigt ein schematisches Strukturdiagramm des Brennstoffzellensystems;
3 zeigt eine Querschnittsansicht, in Gravitationsrichtung, einer Verdünnungsvorrichtung des Brennstoffzellensystems, das in 2 dargestellt ist;
4A zeigt ein Diagramm, das eine Verdünnungsvorrichtung und ein damit verbundenes Ölventil von oben betrachtet darstellt;
4B zeigt ein Diagramm, ähnlich zu 4A, das eine Verdünnungsvorrichtung und ein damit verbundenes Spülventil von oben betrachtet schematisch darstellt;
5 zeig ein Diagramm, das ein modifiziertes Beispiel einer Verdünnungsvorrichtung darstellt;
6 zeigt ein Diagramm, das ein modifiziertes Beispiel mit zwei Verbindungsleitungen darstellt, die zwischen einem Spülventil und einer Verdünnungsvorrichtung vorgesehen sind.

Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenauto
2: Vordersitz
8: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellengehäuse
11: Bodenfläche oder untere Fläche
12: Brennstoffzellenstapel
13: Seitenfläche
13a: Öffnung
13b: Kante
14: Spülventil
15: Verbindungsleitung
16: Luftdruckeinstellventil
18: Verdünnungsvorrichtung
20: Brennstofftank
22: Injektor
24: Leitung
26: Druckmesser
27: Zirkulationsverstärker
28: Luftabstellventil
30: Einführungsleitung
32: Verdünnungsteil
33: Ausstoßauslass
34: Injektionsleitung
36: untere Fläche
38: unterster Abschnitt der unteren Fläche
40: Befeuchter
42: Oxidationsgasquelle
44: Luftkompressor
50: elastisches Teil

Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Untenstehend wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme der beigefügten Figuren beschrieben. In dieser Beschreibung sind spezifische Formen, Materialien usw. lediglich Beispiele zum vereinfachten Verständnis der vorliegenden Erfindung und können hinsichtlich Verwendung, Zweck, Spezifizierung, usw. beliebig verändert werden.
1 zeigt ein Diagramm, das eine schematische Struktur eines Brennstoffzellenautos 1 darstellt, das mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Das Brennstoffzellenauto 1 weist ein Brennstoffzellengehäuse (hiernach als „FC-Gehäuse“ bezeichnet) 10 auf, oder ein Strukturelement eines Brennstoffzellensystems, das unterhalb eines Bodens unter einem Vordersitz 2 montiert ist.
2 stellt eine schematische Struktur eines Brennstoffzellensystems 8 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. 2 stellt ein Brennstoffzellensystem 8 von oben betrachtet dar. Das Brennstoffzellensystem 8 umfasst Elemente einschließlich eines Brennstoffzellenstapels 12, der als Brennstoffzelle und dergleichen dient, die in dem FC-Gehäuse 10 aufgenommen sind, einen Befeuchter 40, der mit den inneren Strukturelementen des FC-Gehäuses 10 verbunden ist, usw. Das FC-Gehäuse 10 ist aus einem komprimiert-rechteckigen Gehäuse ausgebildet, dessen Höhen in Gravitationsrichtung kürzer als andere Kanten des FC-Gehäuses ist. Das FC-Gehäuse 10 wird z. B. durch Biegen, Schweißen, und Schrauben einer Metallplatte hergestellt. Im Inneren des FC-Gehäuses 10 sind der Brennstoffzellenstapel 12, ein Spülventil 14, ein Luftdruckeinstellventil 16, eine Verdünnungsvorrichtung 18, usw. aufgenommen. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist an der unteren Fläche oder einer Bodenfläche des FC-Gehäuses 10 über ein Isolationsteil (nicht dargestellt) fixiert.
Der Brennstoffzellenstapel 12 umfasst eine Mehrzahl von Einheitszellen, die aufeinander gestapelt sind, wobei jede Einheitszelle eine MEA (Membran Elektrolyt Anordnung) aufweist, und Separatoren, die an den entsprechenden äußeren Seiten der MEA angebracht sind, um die MEA sandwichartig einzuschließen, wobei die MEA eine Elektrolytmembran und Katalysatorelektrodenschichten aufweist, die an den entsprechenden Seiten der Elektrolytmembran angebracht sind. Der Brennstoffzellenstapel 12 hat eine Funktion zum Erzeugen von Leistung durch eine elektrochemische Reaktion, die durch eine Elektrolytmembran mit einem Brenngas, wie z. B. Wasserstoff oder dergleichen, welcher der Anodenseite zugeführt wird, und einem Oxidationsgas enthaltenden Sauerstoff wie z. B. Luft, das der Kathodenseite zugeführt wird, auftritt, um dadurch eine benötigte elektrische Leistung zu erhalten bzw. zu erzeugen.
In den Gaseinlass an der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 wird ein Wasserstoffgas von einem Brennstofftank 20, welcher außerhalb des Gehäuses installiert ist, über einen Injektor 22, der im Gehäuse angebracht ist, zugeführt. Der Injektor 22 hat eine Funktion zum Einstellen eines Wasserstoffgases vom Brennstofftank 20, um einen angemessenen Druck und Durchflussbetrag zu haben und das resultierende Wasserstoffgas auszustoßen. Ein Druckmesser 26 ist mit einer Leitung 24 verbunden, die von dem Injektor 22 in den Brennstoffzellenstapel 12 ragt. Der Druckmesser 26 erfasst den Druck eines Wasserstoffgases, das dem Brennstoffzellenstapel 12 zuzuführen ist. Dabei ist zu beachten, dass obwohl in 2 der Injektor 22 und der Druckmesser 26 im Inneren des FC-Gehäuses 10 angebracht sind, dies kein ausschließliches Beispiel darstellt, und der Injektor 22 und der Druckmesser 26 auch außerhalb des FC-Gehäuses 10 angebracht sein können.
Der anodenseitige Auslass des Brennstoffzellenstapels 12 ist mit der Verdünnungsvorrichtung 18 über das Spülventil 14 verbunden. Das Spülventil 14 wird gesteuert um in einem vorbestimmten Zeitpunkt vorübergehend geöffnet zu sein. Wenn das Spülventil 14 geschlossen ist, wird das Anodenabgas bzw. dessen Fluss, das von dem anodenseitigen Auslass ausgelassen wird, z. B. durch einen Zirkulationsverstärker 27 oder eine Pumpe verstärkt, und zurück zum anodenseitigen Einlass des Brennstoffzellenstapels 12 geführt, um wieder verwendet zu werden. Während der Wasserstoff wie obenstehend beschrieben zirkuliert, wird er im Anodenabgas durch eine elektrochemische Reaktion verbraucht, so dass eine Wasserstoffkonzentration verringert wird, und somit mehr Stickstoff und elektrochemisch reaktionserzeugtes Wasser enthält, das durch eine Elektrolytmembran von der Kathodenseite zur Anodenseite passiert. Die Verdünnungsvorrichtung 18 mischt das Anodenabgas, welches Wasserstoff, Wasser usw. enthält, das vom Brennstoffzellenstapel 12 ausgelassen wird, mit einem Kathodenabgas, um dadurch das Anodenabgas zu verdünnen, und emittiert anschließend das verdünnte Anodenabgas von dem FC-Gehäuse 10 nach außen.
Stromabwärts in Emissionsrichtung ist die Verdünnungsvorrichtung 18 mit dem Befeuchter 40 über ein Luftabstellventil 28 verbunden, das außerhalb des Gehäuses vorgesehen ist. Wenn ein Teil, der unter Verwendung einer Isolationsleitung, wie z. B. einer Gummiröhre oder dergleichen, verbunden ist, zwischen der Verdünnungsvorrichtung 18 und dem Luftabstellventil 28, oder zwischen dem Luftabstellventil 28 und dem Befeuchter 40 vorgesehen ist, ist eine elektrische Isolation außerhalb des FC-Gehäuses gewährleistet. Wenn das Luftabstellventil 28 geöffnet ist, wird ein Auslassgas von der Verdünnungsvorrichtung 18 durch ein poröses Teil im Befeuchter 40 entfeuchtet, während es den Befeuchter 40 passiert und bevor es über einen Schalldämpfer (auch als Abgasendtopf bezeichnet) emittiert wird (nicht dargestellt).
Das Brennstoffzellenauto 1 weist eine Oxidationsgasquelle 42 oder eine Zuführquelle eines Oxidationsgases, wie z. B. Sauerstoff, welcher der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zuzuführen ist, auf, wobei die Zuführquelle außerhalb des Gehäuses vorgesehen ist. Tatsächlich kann Luft, welche Sauerstoff enthält, als Oxidationsgasquelle 42 verwendet werden. Luft bzw. deren Fluss aus der Oxidationsgasquelle 42 wird durch einen Luftkompressor (ACP) 44 verstärkt bzw. verdichtet und anschließend angemessen befeuchtet, während sie den Befeuchter 40 passiert, bevor sie dem kathodenseitigen Einlass des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt wird. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform die Oxidationsgasquelle 42 und der Luftkompressor 44 entgegengesetzt zum Brennstofftank 20 relativ zu dem FC-Gehäuse 10 vorgesehen sind, zeigt dies kein ausschließliches Beispiel, da die Oxidationsgasquelle 42 und der Luftkompressor 44 auch auf derselben Seite wie der Brennstofftank 20 relativ zum FC-Gehäuse 10 angebracht sein können. Eine solche Struktur hat den Vorteil, dass die Länge des Luftzuführweges von dem Luftkompressor 44 zum Befeuchter 40 verkürzt werden kann.
Der kathodenseitige Auslass des Brennstoffzellenstapels 12 ist mit der Verdünnungsvorrichtung 18 über das Luftdruckeinstellventil 16 verbunden. Das Luftdruckeinstellventil 16 wird auch als Gegendruckventil bezeichnet, und hat eine Funktion zum Einstellen eines Gasdrucks an einem kathodenseitigen Auslass und des Durchflussbetrags der Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 12 zuzuführen ist. Für das Luftdruckeinstellventil 16 kann ein Ventil, wie z. B. ein Schmetterlingsventil bzw. eine Drosselklappe, die das effektive Öffnen eines Durchflusswegs einstellen kann, verwendet werden. Ein Kathodenabgas, das von dem Kathodenauslass ausgelassen wird, wird als ein Verdünnungsgas zum Verdünnen des Wasserstoffs, der im Anodenabgas enthalten ist, in der Verdünnungsvorrichtung verwendet, so dass eine Wasserstoffkonzentration auf eine vorbestimmte Konzentration oder kleiner reduziert wird. Das Kathodenabgas enthält Wasser, das durch eine elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt wird.
3 zeigt eine Querschnittsansicht in Gravitationsrichtung der Verdünnungsvorrichtung 18, oder ein Strukturelement einer Emissionsvorrichtung des Brennstoffzellensystems 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Verdünnungsvorrichtung 18 umfasst eine Einführungsleitung 30 zum Einführen von Luft, oder eines Kathodenabgases; ein Verdünnungsteil 32 zum Verdünnen des Anodenabgases, das von dem Spülventil 14 ausgestoßen wird, durch Mischen des Anodenabgases mit Luft; und eine Emissionsleitung 34 zum Auslassen des verdünnten Emissionsgases. Die Verdünnungsvorrichtung 18 ist in der Nähe der Bodenfläche 11 des FC-Gehäuses 10 angebracht.
Bevorzugt hat der Verdünnungsteil 32 der Verdünnungsvorrichtung 18 einen großen Innenraum um eine ausreichende Verdünnung des Anodenabgases zu unterstützen, und ist aus einem Zylinder bzw. Schließkanal hergestellt, der z. B. einen runden, ovalen, im wesentlichen quadratischen oder dergleichen Querschnitt aufweist, in Richtung rechtwinklig zur Emissionsrichtung. Die untere Fläche 36, die einen Teil der Innenfläche des Verdünnungsteils 32 ausmacht, ist absteigend in Richtung stromabwärts in Emissionsrichtung ausgebildet, so dass ein Teil davon, wo die untere Fläche 36 in eine Steigung übergeht; d. h., eine Grenze zur stromabwärtsseitigen Emissionsleitung 34, den untersten Abschnitt 38 bildet. Hierbei ist zu beachten, dass die obere Fläche und die untere Fläche des Verdünnungsteils 32 parallel zueinander ausgebildet sein können, und dass die Verdünnungsvorrichtung 18 schräg installiert sein kann, so dass deren untere Fläche schräg absteigend bzw. nach unten verläuft. Alternativ kann die untere Fläche 36 des Verdünnungsteils 32 horizontal ausgebildet oder platziert sein, so dass die gesamte untere Fläche 36 den niedrigsten Abschnitt bildet.
Wie in 3 dargestellt ist ein Ausstoßauslass 33, über welchen Anodenabgas vom Spülventil 14 ins Innere des Verdünnungsteils 32 ausgestoßen wird, stromaufwärts des untersten Abschnitts 38 in Emissionsrichtung angeordnet. Darüber hinaus ist der Ausstoßauslass 33 in einer Position oberhalb oder höher in Gravitationsrichtung als der unterste Abschnitt 38 ausgebildet, so dass ein Höhenunterschied h relativ zum untersten Abschnitt 38 gewährleistet werden kann. Mit dem Ausstoßauslass 33, der in der obenstehend beschriebenen Position vorgesehen ist, kann ein Schließen des Ausstoßauslasses gehemmt werden, selbst wenn das Wasser, das sich auf der unteren Fläche 36 einschließlich des untersten Abschnitts 38 des Verdünnungsteils 32 sammelt, aufgrund der verringerten Außentemperatur gefriert.
Auch wenn in der vorliegenden Ausführungsform obenstehend beschrieben wird, dass der Ausstoßauslass 33 in einer Position stromaufwärts der Emissionsrichtung, und höher in Gravitationsrichtung, des niedrigsten Abschnitts 38 im Inneren der Verdünnungsvorrichtung 18 ausgebildet ist, stellt dies kein ausschließliches Beispiel dar, und der Ausstoßauslass 33, welcher eine der obenstehend beschriebenen Voraussetzungen erfüllt; d. h., entweder in einer Position stromaufwärts in Emissionsrichtung, oder höher in Gravitationsrichtung vorgesehen ist, gehemmt sein kann, aufgrund von Frost geschlossen zu werden.
4A und 4B zeigen Diagramme, die das Spülventil 14 und die Verdünnungsvorrichtung 18 von oben betrachtet darstellen. Das Spülventil 14 ist in der Nähe der lateralen Seite in Horizontalrichtung des Verdünnungsteils 32 der Verdünnungsvorrichtung 18 angebracht. Das Spülventil 14 und das Verdünnungsteil 32 sind durch eine Verbindungsleitung 15 verbunden, deren Auslass den Ausstoßauslass 33 bildet. Die Verbindungsleitung 15 ist diagonal relativ zur Axialrichtung des Verdünnungsteils 32 verbunden, so dass das Anodenabgas, das über die Verbindungsleitung 15 stromaufwärts in Emissionsrichtung ins Innere des Verdünnungsteils 32 auszustoßen ist, diagonal relativ entgegengesetzt zum Luftfluss des Kathodenabgases ausgestoßen wird. Mit dieser Struktur stößt das ausgestoßene Anodenabgas entgegengesetzt in den Durchfluss des Kathodenabgases, wodurch sich ein hochkonzentrierter Wasserstoff Abschnitt S im Anodenabgas rasch in Emissionsrichtung und diese Richtung kreuzend ausweitet, so dass eine hohe Wasserstoffkonzentration einfach reduziert werden kann; d. h., Wasserstoff einfach verdünnt werden kann. Somit wir eine effiziente Verdünnung auf kleinem Raum erreicht, was vorteilhaft hinsichtlich der Reduzierung der Größe des Verdünnungsteils ist. Ferner wird durch das Bereitstellen des Spülventils 14 an der lateralen Seite in Horizontalrichtung der Verdünnungsvorrichtung 18 die Notwendigkeit, einen großen Höhenunterschied zwischen den Spülventil 14 und der Verdünnungsvorrichtung 18 zu gewährleisten, überflüssig, was vorteilhaft hinsichtlich der Reduzierung der Höhe des FC-Gehäuses 10 ist.
Die Emissionsleitung 34 der Verdünnungsvorrichtung 18 erstreckt sich vom Verdünnungsteil 32 stromabwärts in Emissionsrichtung, passiert eine Öffnung 13a, die an der Seitenfläche 13 des FC-Gehäuses 10 ausgebildet ist, und reicht vom Gehäuse nach außen. Ein elastisches Teil 50, wie z. B. eine Gummitülle oder dergleichen ist an der Öffnung 13a befestigt, um direkten Kontakt zwischen der Kante der Öffnung 13a und der Emissionsleitung 34 zu verhindern und darüber hinaus die Lücke zwischen der Kante und der Öffnung 13a und der Emissionsleitung 34 abzudichten.
Die Öffnung 13a des FC-Gehäuses 10 ist in einer Position oberhalb oder höher in Gravitationsrichtung als der unterste Abschnitt 38 der Innenfläche des Verdünnungsteils 32 angeordnet. Mit der Öffnung 13a, die wie obenstehend beschrieben angeordnet ist, kann der Raum unterhalb der Öffnung 13a im Inneren des Gehäuses effizient als Raum zum montieren der Verdünnungsvorrichtung 18 genutzt werden. Während das Ausbilden einer ansteigenden bzw. nach oben verlaufenden Wand 13b von der unteren Fläche 11 in Richtung der Seitenflächenöffnung 13a gewährleistet werden kann. Dies ermöglicht es, die größtmögliche Kapazität bzw. Aufnahmefähigkeit für die Verdünnungsvorrichtung 18 im Gehäuse zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es möglich, einer Verminderung der Festigkeit des Bereichs, in dem die Öffnung im FC-Gehäuse 10 ausgebildet ist, entgegenzutreten, da die ansteigende Wand 13b als unteres Ende der Öffnung 13a dienen kann, und darüber hinaus ein ringförmiges Dichtungsteil und einfach zuverlässig an der Seiteflächenöffnung 13a zu befestigen.
Untenstehend wird ein Betrieb und eine Auswirkung des Brennstoffzellensystems 8 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
Luft von einer Oxidationsgasquelle 42 wird dem kathodenseitigen Einlass des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt, nachdem sie durch den Luftkompressor 44 verstärkt bzw. verdichtet wird, und anschließend durch den Befeuchter 40 angemessen befeuchtet wird. Währenddessen ist das Wasserstoffgas, das vom Brennstofftank 20 in das FC-Gehäuse 10 geflossen ist, nachdem es durch den Injektor 22 eingestellt ist, einen passenden Druck und einen passenden Durchflussbetrag zu haben, dem anodenseitigen Einlass des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt. Im Brennstoffzellenstapel 12 sind der Sauerstoff und der Wasserstoff, die in der zugeführten Luft enthalten sind, der elektrochemischen Reaktion durch eine Elektrolytmembran ausgesetzt, wodurch Leistung erzeugt wird.
Das Kathodenabgas, das von den kathodenseitigen Auslass des Brennstoffzellenstapels 12 ausgelassen wird, enthält Wasser, das durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt wird, und wird durch das Luftdruckeinstellventil 16 zur Verdünnungsvorrichtung 18 geleitet. Währenddessen wird das Anodenabgas, das von dem anodenseitigen Auslass des Brennstoffzellenstapels 12 ausgelassen wird, und unverbrauchten Wasserstoff und Wasser, was durch eine elektrochemische Reaktion erzeugt wird, enthält, wenn das Spülventil 14 geschlossen ist, wieder dem anodenseitigen Einlass zugeführt, um erneut zirkuliert zu werden, während es durch den Zirkulationsverstärker 27 verstärkt bzw. angetrieben wird. Wenn das Spülventil 14 in einem vorbestimmten Zeitpunkt vorübergehend geöffnet ist, wird das Anodenabgas an den Verdünnungsteil 32 durch das Spülventil 14 und die Verbindungsleitung 15 geleitet.
Im Verdünnungsteil 32 der Verdünnungsvorrichtung 18 wird das Anodenabgas, das von dem Ausstoßauslass 33 ausgestoßen wird, mit den Kathodenabgas, das von der Einführungsleitung 30 gekommen ist, verdünnt bzw. vermengt, und anschließend durch die Emissionsleitung 34 von dem FC-Gehäuse 10 nach außen emittiert. Obenstehend wird das Wasser, das im Anodenabgas und im Kathodenabgas enthalten ist, aufgrund der Stärke des Anodengasflusses, d. h. mit einem hohen Betrag und einer hohen Geschwindigkeit, in Tröpfchen umgewandelt, bevor es aus der Verdünnungsvorrichtung 18 stromabwärts ausgelassen wird. Obenstehend kann sich Wasser auf der unteren Fläche 36 des Verdünnungsteils 32 sammeln. In der Verdünnungsvorrichtung 18 gemäß der vorliegend Ausführungsform kann das Schließen des Ausstoßauslasses 33 verhindert oder gehemmt werden, da der Ausstoßauslass 33 für das Anodenabgas in einer Position stromaufwärts, und höher in Gravitationsrichtung, des untersten Abschnitts 38 der unteren Fläche angeordnet ist, selbst wenn das Wasser, das sich auf der unteren Fläche des Verdünnungsteils 32 sammelt, aufgrund der verminderten Außentemperatur gefriert.
Ein Abgas, das durch Mischen des Anodenabgases und des Kathodenabgases erzeugt wird, fließt von der Emissionsleitung 34 durch das Luftabstellventil 28 in den Befeuchter 40, wo das Wasser, das in dem Abgas enthalten ist, durch ein eingebautes poröses Teil aufgefangen und dadurch gesammelt wird. Das Wasser, das durch das poröse Teil gesammelt wird, wird verwendet um die Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 12 zuzuführen ist, zu befeuchten. Das Abgas, das den Befeuchter 40 passiert hat, wird über einen Schalldämpfer nach außen emittiert.
Die vorliegende Ausführungsform, in welcher der Befeuchter 40 stromabwärts der Verdünnungsvorrichtung 18 angebracht ist, ist vorteilhaft hinsichtlich der Reduzierung der Höhe des FC-Gehäuses 10, da es nicht notwendig ist, einen großen Befeuchter 40 im FC-Gehäuse 10 anzubringen. Zudem tritt für den Fall, dass das poröse Teil im Befeuchter 40 austrocknet, ein Lecken bzw. Austritt (englisch.: cross leak) durch das poröse Teil zum Mischen von Wasserstoff in dem ausgelassenem Gas mit Luft, die der Kathodenseite zuzuführen ist, auf Insbesondere wenn leckender bzw. austretender Wasserstoff (englisch: hydrogen subjected to cross leak) zusammen mit Luft der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt wird, wird Wasser durch eine katalytische Reaktion erzeugt, und das erzeugte Wasser im Kathodenabgas enthalten durch die Verdünnungsvorrichtung 18 dem Befeuchter 40 zugeführt, um gesammelt zu werden. Mit dem Obenstehenden kann der getrocknete bzw. vertrocknete Zustand des Befeuchters 40 schnell modifiziert bzw. geändert werden.
Hierbei ist zu beachten, dass die Verdünnungsvorrichtung 18, die in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben wird, auf verschiedene Arten verändert und modifiziert werden kann. Zum Beispiel kann wie in 5 dargestellt ein herausragender Abschnitt 52 an der unteren Fläche der ansteigenden Emissionsleitung 34 ausgebildet sein. Der herausragende Abschnitt 52 kann Wasser daran hindern, von der Emissionsleitung 34 zurück in den Verdünnungsteil 32 zu fließen. Darüber hinaus, da eine Reduzierung des Querschnittbereichs der Emissionsleitung 34 in einer Position des herausragenden Abschnitts 52 die Durchflussgeschwindigkeit erhöht bzw. beschleunigt, kann das Wasser, das sich stromabwärts des herausragenden Abschnitts 52 sammelt, einfach stromabwärtsseitig gestoßen bzw. geblasen werden. Wenn der herausragende Abschnitt 52 und die Emissionsleitung 34 aus einem isolierenden Teil bestehen, kann die Isolation hinsichtlich des Wassers, das sich auf der unteren Fläche 36 des Verdünnungsteils 32 sammelt, mit einer kurzen Länge der Emissionsleitung gewährleistet werden. Während z. B. ein Hartz, wie z. B. PPS (Polyphenylensulfid), oder dergleichen als das obenstehend beschriebene Isolationsteil verwendet werden kann, kann das Isolationsteil durch Beschichten der Fläche des herausragenden Abschnitts 52 und der Emissionsleitung 34 mit einem solchen Isolationsharz hergestellt sein.
Wie in 6 dargestellt, sind das Spülventil 14 und der Verdünnungsteil 32 durch eine erste Verbindungsleitung 15a verbunden, die mit einem Bereich in der Nähe bzw. angrenzend der unteren Fläche 36 im Inneren des Verdünnungsteils 32 verbunden ist, und einer zweiten Verbindungsleitung 15b, die in einer Position oberhalb in Gravitationsrichtung der ersten Verbindungsleitung 15a vorgesehen ist. Mit dieser Struktur kann das Risiko eines vollständig geschlossenen Zustandes verhindert werden, selbst wenn das Wasser, das sich auf der unteren Fläche 36 des Verbindungsteils 32 ansammelt, gefriert, und die erste Verbindungsleitung 15a somit verschlossen ist, da ein Weg für den Ausstoß des Anodenabgases in Richtung des Interieurs des Verbindungsteils 32 durch die zweite Verbindungsleitung 15b nach wie vor erreichbar bzw. möglich ist. Ferner, da die erste Verbindungsleitung 15a in Verbindung mit einer Position in der Nähe der unteren Fläche 36 des Verdünnungsteils 32 ausgebildet ist, kann eine Höhendifferenz zwischen dem Anodenabgasauslass des Brennstoffzellenstapels 12 der unteren Fläche 36 im Inneren des Verdünnungsteils 32 bestmöglich genutzt werden, um dadurch eine Ausflussleistung zu verbessern. Dabei ist zu beachten, dass die zweite Verbindungsleitung 15b nicht notwendigerweise in einer Position direkt oberhalb der ersten Verbindungsleitung 15a in Gravitationsrichtung verbunden ist, sondern auch in einer Position angebracht sein kann, die horizontal von der ersten Verbindungsleitung 15a verschoben ist, solange diese Position höher als die erste Verbindungsleitung 15a in Gravitationsrichtung ist.

Claims

Brennstoffzellensystem (8), mit: einer Brennstoffzelle (12) zum Erzeugen einer Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Gas, das einer Anodenseite zuzuführen ist, und einem Gas, das einer Kathodenseite zuzuführen ist; einer Verdünnungsvorrichtung (18) zum Verdünnen eines Anodenabgases, das von der Brennstoffzelle (12) ausgelassen wird, mit einem Kathodenabgas, und zum Emittieren des Anodenabgases, wobei die Verdünnungsvorrichtung (18) eine Einführungsleitung (30), ein Verdünnungsteil (32) und eine Emissionsleitung (34) aufweist; einem Brennstoffzellengehäuse (10) zum Aufnehmen der Brennstoffzelle (12) und der Verdünnungsvorrichtung (18) in dessen Inneren, wobei eine Seitenflächenöffnung (13a) des Brennstoffzellengehäuses (10), durch welche die sich vom Verdünnungsteil (32) stromabwärts in Emissionsrichtung der Verdünnungsvorrichtung (18) erstreckende Emissionsleitung (34) geht, in Gravitationsrichtung höher als ein unterster Abschnitt (38) einer Innenfläche des Verdünnungsteils (32) liegt, wobei das Anodenabgas in einen Kathodenabgasfluss mit einer diesen Kathodenabgasfluss entgegengesetzten Ausstoßrichtung in die Verdünnungsvorrichtung (18) ausgestoßen wird, wobei das Verdünnungsteil (32) eine untere Fläche (36) mit einer absteigenden Neigung in Emissionsrichtung hin zum untersten Abschnitt (38) aufweist, wobei die Emissionsleitung (34) eine untere Fläche mit einer ansteigenden Neigung in Emissionsrichtung von dem untersten Abschnitt (38) der Innenfläche des Verdünnungsteils (32) aus aufweist, und wobei ein herausragender Abschnitt (52) zum Verhindern eines Rückflusses von Wasser auf der unteren Fläche der Emissionsleitung (34) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (8) nach Anspruch 1, wobei ein Ausstoßauslass (33), durch welchen das Anodenabgas in das Innere des Verdünnungsteils (32) ausgestoßen wird, in einer Position stromaufwärts, in Emissionsrichtung des untersten Abschnitts (38) der Innenfläche des Verdünnungsteils (32), ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (8) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ausstoßauslass (33), durch welchen das Anodenabgas ins Innere des Verdünnungsteils (32) ausgestoßen wird, in Gravitationsrichtung höher als der unterste Abschnitt (38) der Innenfläche des Verdünnungsteils (32) liegt.
Brennstoffzellensystem (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit einem Befeuchter (40), welcher ein Gas, das der Kathodenseite der Brennstoffzelle (12) zuzuführen ist, befeuchtet, und welcher stromabwärts der Verdünnungsvorrichtung (18) in Emissionsrichtung angebracht und mit der Emissionsleitung (34) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ausstoßauslass (33) zum Auslassen des Anodenabgases aus der Brennstoffzelle (12) mit dem Verdünnungsteil (32) über ein Spülventil (14), das in einen geöffneten oder geschlossenen Zustand gesteuert wird, und eine Verbindungsleitung (15), die zwischen dem Spülventil (14) und dem Verdünnungsteil (32) vorgesehen ist, verbunden ist, wobei die Verbindungsleitung (15) eine erste Verbindungsleitung (15a) und eine zweite Verbindungsleitung (15b) aufweist, wobei die erste Verbindungsleitung (15a) derart angebracht ist, dass sie, in Gravitationsrichtung, näher an der unteren Fläche (36) des Verdünnungsteils (32) liegt als die zweite Verbindungsleitung (15b).