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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist.
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Technischer Hintergrund
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In einem Brennstoffzellensystem, das nach der Zuführung von Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidationsgas) elektrische Leistung erzeugt, wird bewirkt, dass durch eine Heizvorrichtung erwärmtes Wasser zu strömen beginnt, um ein durch niedrige Temperaturen bedingtes Gefrieren in einer Leitung eines Umwälzungssystems für Wasserstoffgas, das als Brenngas dient, zu verhindern (siehe z. B. Patentschrift 1).
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Druckschriftlicher Stand der Technik
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Patentschrift
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- Patentschrift 1: JP2007-294186 A
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Kurzfassung der Erfindung
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Aufgabenstellung der Erfindung
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In einem Brennstoffzellensystem ist insbesondere die Menge bzw. der Betrag der Wärme bzw. der Wärmeleistung unzureichend, die an ein Abgas-/Ableitventil übertragen wird, das zum Abführen: einer aus einem Off-Gas bzw. Abgas von einer Brennstoffzelle gesammelten bzw. aufgefangenen Feuchtigkeit; und eines Verunreinigungen enthaltenden Off-Gases bzw. Abgases nach außen vorgesehen ist. Hauptgrund dafür ist, dass häufig ein elektromagnetisch angetriebenes Ein-Aus-Ventil verwendet wird, da das Öffnen eines Abgas-/Ableitventils nach Bedarf erfolgt und somit das Abgas-/Ableitventil die Wärme eines Abgases und einer Magnetspule nur dann empfängt, wenn das Ventil geöffnet wird. Dementsprechend besteht Bedarf an einem Vorgang, durch den ein Gefrieren verhindert wird, bei dem, wie oben beschrieben, Warmwasser nach Bedarf umgewälzt wird. Dies hat sich jedoch dahingehend als problematisch erwiesen, dass durch die Bereitstellung eines Umwälzungs- bzw. Zirkulationssystems die Abmessungen des Systems vergrößert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist angesichts der vorstehend erläuterten Sachlage erarbeitet worden, und es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das in der Lage ist, eine durch Gefrieren bei niedrigen Temperaturen bewirkte Betriebsstörung zu beseitigen, während gleichzeitig eine Vergrößerung der Systemabmessungen verhindert wird.
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Mittel zur Lösung der Aufgabe
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Zur Lösung der vorstehend angeführten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das aufweisend: eine Brennstoffzelle; einen Verdünner, der ein aus der Brennstoffzelle abgeführtes Brennstoff-Abgas mit einem aus der Brennstoffzelle abgeführten Oxidations-Abgas vermischt, um das resultierende Gas nach außen abzuführen; einen Brennstoff-Abgas-Strömungsweg, der die Brennstoffzelle mit dem Verdünner verbindet; und ein Abführventil, das für den Brennstoff-Abgas-Strömungsweg vorgesehen ist, um das durch den Brennstoff-Abgas-Strömungsweg strömende Brennstoff-Abgas während eines Ventilöffnungsvorgangs nach außen abzuführen, wobei das Abführventil mit den Verdünner einstückig ausgebildet ist.
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In dem aus der Brennstoffzelle abgeführten Oxidations-Abgas ist eine in Verbindung mit einem Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle entstandene Wärme enthalten (die nachstehend als die durch den Leistungserzeugungsbetrieb entstandene Wärme bezeichnet wird), und somit wird der Verdünner, dem das Oxidations-Abgas während des Betriebs zugeführt wird, durch das Oxidations-Abgas erwärmt. Daher kann das Abführventil gemäß der vorstehenden Konfiguration dadurch erwärmt werden, dass es die Wärme von dem Verdünner aufnimmt, und außerdem kann eine thermische Strahlung von dem Abführventil weitestgehend verhindert werden.
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Dementsprechend kann gegenüber dem Fall, wo ein separates Wärmespeichersystem vorgesehen ist, ein Gefrieren des Abführventils bei niedrigen Temperaturen beseitigt werden, während gleichzeitig eine Vergrößerung der Systemabmessungen verhindert wird.
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In dem Brennstoffzellensystem kann der Verdünner, an einem Teil im Inneren des Verdünners, das sich nahe an dessen Auslass befindet, einen Abführ-Leitabschnitt aufweisen, der zur Innenseite des Verdünners vorsteht und der aufweist: ein Ende nahe des Vorsprungs, das als ein auslassseitiger Gaseinlasskanal dient, durch den ein Gas in den Verdünner eingeführt wird; und ein anderes Ende, das als ein auslassseitiger Gasauslasskanal dient, durch den das durch den auslassseitigen Gaseinlasskanal eingeführte Abgas zur Außenseite des Verdünners geleitet wird, wobei ein Teil einer Wand, die den Abführ-Leitabschnitt ausbildet, und ein Teil einer Wand, an der das Abführventil angebracht ist, einstückig miteinander ausgebildet oder verbunden sein können.
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Bei einer derartigen Konfiguration kann der Abstand zwischen dem Abführ-Leitabschnitt in dem Verdünner und dem Abführventil möglichst kurz gehalten werden. Daher kann von dem Abführ-Leitabschnitt, durch den das Abgas strömt, in dem die durch den Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle entstandene Wärme enthalten ist, mehr Wärme an das Abführventil übertragen werden.
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In dem Brennstoffzellensystem kann ein wärmeleitendes Element mit einer höheren thermischen Leitfähigkeit als die der Wände zwischen einer inneren Wand des Abführ-Leitabschnitts und dem Abführventil angeordnet sein.
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Bei einer derartigen Konfiguration ist mittels des eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden wärmeleitenden Elements eine effizientere Wärmeübertragung an das Abführventil möglich.
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Wirkung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem schaffen, das in der Lage ist, eine durch Gefrieren eines Abführventils bei niedrigen Temperaturen verursachte Betriebsstörung zu beseitigen, während gleichzeitig eine Vergrößerung der Systemabmessungen verhindert wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 ist eine Querschnittansicht eines Teils eines Verdünners, anhand derer die Konfiguration des Verdünners verdeutlicht wird.
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3 ist eine perspektivische Ansicht, die ein wärmeleitendes Elements zeigt, das an dem Verdünner angeordnet ist.
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Beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung
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Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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Zunächst erfolgt unter Bezugnahme auf 1 eine Beschreibung der Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 1, bei dem es sich um ein Leistungserzeugungssystem handelt, in dem eine Brennstoffzelle 1 verwendet wird.
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Das Brennstoffzellensystem 1 beinhaltet die Brennstoffzelle 10, die nach der Zuführung von Reaktionsgasen (Oxidationsgas und Brenngas) elektrische Leistung erzeugt, und beinhaltet des Weiteren ein Oxidationsgas-Leitungssystem 2, das der Brennstoffzelle 10 Luft zuführt, die als das Oxidationsgas dient, ein Wasserstoffgas-Leitungssystem 3, das der Brennstoffzelle 10 ein Wasserstoffgas zuführt, das als das Brenngas dient, und ein Kühlungssystem 4, das die Brennstoffzelle 10 kühlt, etc.
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Das Oxidationsgas-Leitungssystem 2 beinhaltet: einen Luftzuführungs-Strömungsweg 20, der der Brennstoffzelle 10 eine durch einen Befeuchter (der in der Figur nicht gezeigt ist) befeuchtete Luft zuführt; einen Luftabführ-Strömungsweg 22, der ein aus der Brennstoffzelle 10 abgeführtes Oxidations-Abgas an einen Verdünner 21 leitet; und einen Abgas-Strömungsweg 23 zum Leiten des Oxidations-Abgases aus dem Verdünner 12 an die Außenseite des Brennstoffzellensystems 1. Der Luftzuführungs-Strömungsweg 20 ist mit einem Luftkompressor 24 versehen, der der Brennstoffzelle 10 Luft zupumpt, und einem Einlassventil 25, das den Luftzuführungs-Strömungsweg 20 öffnet/schließt. Der Luftabführungs-Strömungsweg 22 ist mit einem Luftdruck-Regulierungsventil 26, das den Luftdruck einstellt, und einem Auslassventil 27 versehen, das den Luftabführungs-Strömungsweg 22 öffnet/schließt.
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Das Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 ist versehen mit: einem Wasserstoffzuführungs-Strömungsweg 31 zum Zuführen eines Wasserstoffgases aus einem Wasserstofftank (Brenngas-Zuführquelle) 30, bei dem es sich um eine ein Hochdruck-Wasserstoffgas speichernde Brennstoffzuführquelle handelt, zu der Brennstoffzelle 10; und einem Umwälzungs-Strömungsweg (Brennstoff-Abgas-Strömungsweg) 32 zum Rückführen eines aus der Brennstoffzelle 10 abgeführten Abgases des Wasserstoffgases zu dem Wasserstoffzuführungs-Strömungsweg 31.
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Der Wasserstoffzuführungs-Strömungsweg 31 ist auf der Seite stromauf des Zusammenströmungspunkts in dem Umwälzungs-Strömungsweg 32 mit einem Injektor bzw. einer Einspritzdüse 35 versehen, die die Zuführung des Wasserstoffgases aus dem Wasserstofftank 30 steuert. Bei der Einspritzdüse 35 handelt es sich um ein elektromagnetisch angetriebenes Ein-Aus-Ventil, in dem ein Ventilkörper direkt mittels einer elektromagnetischen Antriebskraft während einer vorbestimmten Antriebszeitspanne angetrieben wird, so dass er aus einem Ventilsitz gehoben wird, wodurch eine Gasströmungsrate und ein Gasdruck gesteuert werden können.
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Ein Abführströmungsweg (Brennstoff-Abgas-Strömungsweg) 38 ist über einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 36 und ein Abgas-/Ableitventil (Abführventil) 37 mit dem Umwälzungs-Strömungsweg 32 verbunden. Der Gas-Flüssigkeitsabscheider 36 fängt die Feuchtigkeit von einem Abgas des Wasserstoffgases auf. Das Abgas-/Ableitventil 37 führt (leitet) die Feuchtigkeit, die in dem Gas-Flüssigkeits-Abscheider 36 aufgefangen worden ist, und ein Verunreinigungen enthaltendes Abgas des Wasserstoffgases im Umwälzungs-Strömungsweg 32 ab.
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Zudem ist der Umwälzungsströmungs-Weg 32 mit einer Wasserstoffpumpe (Umwälzpumpe) 39 versehen, die: das Abgas des Wasserstoffabgases in dem Umwälzungs-Strömungsweg 32, das aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt wird, unter Druck setzt; und das somit resultierende Gas dem Wasserstoffzuführungs-Strömungsweg 31 zuführt, so dass das Gas an die Brennstoffzelle 10 rückgeführt wird. Es ist zu beachten, dass das Abgas des Wasserstoffgases, das über das Abgas-/Abführventil 37 und den Abführungs-Strömungsweg 38 abgeführt wird, in dem Verdünner 21 mit einem Abgas der Luft in dem Luftabführungs-Strömungsweg 22 zusammenströmt und mit demselben verdünnt wird.
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Während des normalen Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird ein Wasserstoffgas durch die Steuerung der Einspritzdüse 35 aus dem Wasserstofftank 30 einer Brennstoffelektrode der Brennstoffzelle 10 über den Wasserstoffzuführungs-Strömungsweg 31 zugeführt, und zudem wird der Oxidationselektrode der Brennstoffzelle 10 über den Luftzuführungs-Strömungsweg 20 durch Antreiben des Luftkompressors 24 Luft zugeführt, wodurch elektrische Leistung erzeugt wird. Das Abgas des Wasserstoffgases, das aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt wird, wird in dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 36 einer Feuchtigkeitsbeseitigung unterzogen und dann in den Wasserstoffzuführungs-Strömungsweg 31 eingeführt, indem die Wasserstoffpumpe 39 angetrieben wird, wodurch es mit einem Wasserstoffgas aus dem Wasserstofftank 30 ordentlich vermischt wird. Das resultierende Gas wird dann erneut der Brennstoffzelle 10 zugeführt.
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Wenn das Abgas-/Abführventil 37 zu einem passenden Zeitpunkt geöffnet wird, werden die in dem Gas-Flüssigkeitsabscheider 36 aufgefangene Feuchtigkeit und das Verunreinigungen enthaltende Abgas des Wasserstoffgases in dem Umwälzungsströmungsweg 32 in den Verdünner 21 eingeführt. Dann werden in dem Verdünner 21 die Feuchtigkeit und das Abgas des Wasserstoffgases verdünnt, indem sie mit dem Abgas der Luft vermischt werden, die aus der Brennstoffzelle 10 über den Luftabführungs-Strömungsweg 22 abgeführt wird, und das resultierende Gas wird über den Abgasströmungsweg 23 nach außerhalb des Brennstoffzellensystems 1 abgeführt.
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Das Kühlsystem 4 weist einen Kühlungs-Strömungsweg 40 auf, der Kühlwasser durch die Brennstoffzelle 10 umwälzt. Der Kühlungs-Strömungsweg 40 ist versehen mit: einer Kühlereinrichtung 41, die die Wärme des Kühlwassers nach außen strahlt; und einer Kühlwasserpumpe 42, die das Kühlwasser zur Umwälzung mit Druck beaufschlagt.
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Der Verdünner 21 ist beispielsweise so aus Harz ausgebildet, dass er einen Innenraum aufweist. Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Abgasweg 51, der mit dem Abgasströmungsweg 23 außerhalb des Verdünners 21 verbunden ist, an einem Teil bzw. Bereich im Inneren des Verdünners 21 angeordnet, der sich in der Nähe eines Auslasses desselben befindet. Dieser Abgasweg 51 wird durch einen Abführ-Leitabschnitt 50 definiert, der beispielsweise die Form eines zur Innenseite des Verdünners 21 vorstehenden Rohres aufweist, und der ein Ende aufweist, das sich in der Nähe des Vorsprungs befindet, das als ein auslassseitiger Gaseinlasskanal fungiert, durch den das Gas in dem Verdünner 21 eingeführt wird; und ein anderes Ende, das als ein auslassseitiger Gasauslasskanal fungiert, durch den das Abgas, das durch den auslassseitigen Gaseinlasskanal eingeführt wird, an die Außenseite des Verdünners 21 geleitet wird. Der Verdünner 21 führt das durch Verdünnen des Abgases des Wasserstoffgases erhaltene Abgas über den Abgasweg 51 zu dem Abgas-Strömungsweg 23.
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Zudem ist nahe des Abgaswegs 51 in dem Verdünner 21 eine Befestigungsöffnung 52 ausgebildet, und eine Befestigung 37a des Abgas-/Ableitventils 37 wird zur Befestigung in die Befestigungsöffnung 52 eingefügt. Insbesondere ist diese Ausführungsform so konfiguriert, dass das Abgas-/Ableitventil 37 in den Verdünner 21 integriert ist, und des Weiteren so konfiguriert, dass die Seite, die sich näher an der eingefügten Befestigung 37a des Abgas-/Ableitventils 37 in einer Wand 51a in dem Abführ-Leitabschnitt 50, der den Abgasweg 51 ausbildet, befindet, einstückig mit der Seite ausgebildet ist, die sich näher an dem Abgasweg 51 in einer Wand 52a befindet, die die Befestigungsöffnung 52 ausbildet. Es ist zu beachten, dass, wenn die Wand 51a und die Wand 52a jeweils separat (als separate Bauteile) ausgebildet sind, die Wände 51a und 51a miteinander in Verbindung gelangen, während sie einander kontaktieren.
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Der Verdünner 21 weist ein wärmeleitendes Element 53 auf, das so angeordnet ist, dass es die Befestigungsöffnung 52 umgibt. Das wärmeleitende Element 53 besteht z. B. aus einem Metallmaterial, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie z. B. Aluminium, und kann z. B. zu einer zylindrischen Form ausgebildet sein, wie in 3 gezeigt ist. Wie weiterhin in 3 gezeigt ist, kann das wärmeleitende Element 53 einen wärmeleitenden Abschnitt 53a mit einem Teil bzw. Bereich aufweisen, der in der axialen Richtung länglich ausgebildet ist, und das wärmeleitende Element 53a kann außerdem auf der Seite des Abgasweges 51 angeordnet sein.
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Wie vorstehend beschrieben, ist gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Erfindung in dem Oxidations-Abgas, das aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt wird, eine durch Leistungserzeugung entstandene Wärme enthalten, die mit der Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle 10 in Zusammenhang steht, und somit wird auch der Verdünner 21, an den das Oxidations-Abgas während des gesamten Betriebs geliefert wird, ebenfalls durch das Oxidations-Abgas erwärmt. Da das Abführ-/Ableitventil 37 in den Verdünner 21 integriert ist, kann das Abgas-/Ableitventil 37 ferner dadurch erwärmt werden, dass es die Wärme von dem Verdünner 21 empfängt, und zudem kann die Wärmestrahlung des Abgas-/Ableitventils 27 möglichst stark unterdrückt werden.
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Dementsprechend kann im Vergleich zu dem Fall, indem ein separates Wärmespeichersystem vorgesehen ist, ein Gefrieren des Abgas-/Ableitventils 37 bei niedrigen Temperaturen beseitigt werden, während gleichzeitig eine Vergrößerung der Systemabmessungen verhindert werden kann.
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Insbesondere sind die Wand 51a des Abführ-Leitabschnitts 50, der den Abgasweg 51 ausbildet, und die Wand 52a, die die Befestigungsöffnung 52 in dem Verdünner 21 ausbildet, einstückig ausgebildet. Somit kann der Abstand zwischen dem Abgasweg 51 und dem Abgas-/Ableitventil 37 so kurz wie möglich gehalten werden. Daher kann auf das Abgas-/Ableitventil 37 aus dem Abgasweg 51, durch den das Abgas strömt, in dem die durch den Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle 10 entstandene Wärme enthalten ist, mehr Wärme übertragen werden.
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Zudem ist das wärmeleitende Element 53 zwischen einer Innenwand des Abgaswegs 51 und dem Abgas-/Ableitventil 37 angeordnet, wobei das wärmeleitende Element 53 eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die von zumindest der Wand 51 des Abführ-Leitabschnitts 50 und der Wand 52a der Befestigungsöffnung 52, die mit der Wand 51a einstückig ausgebildet ist. Dementsprechend ist eine effizientere Übertragung der Wärme an das Abgas-/Ableitventil 37 mit Hilfe des wärmeleitenden Elements 53 möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1: Brennstoffzellensystem, 10: Brennstoffzelle, 21: Verdünner, 32: Umwälzungs-Strömungsweg (Brennstoff-Abgas-Strömungsweg), 38: Abführungs-Strömungsweg (Brennstoff-Abgas-Strömungsweg), 37: Abgas-/Ableitventil (Abführventil), 50: Abführ-Leitabschnitt, 51: Abgasweg, 51a, 52a: Wände, 53: wärmeleitendes Element
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem
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Es wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das in der Lage ist, eine Betriebsstörung zu beseitigen, die durch ein Gefrieren eines Abführventils bei niedriger Temperaturen verursacht wird, während gleichzeitig eine Vergrößerung der Systemabmessungen verhindert wird.
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Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem 1 geschaffen, wobei das System beinhaltet: eine Brennstoffzelle 10; einen Verdünner 21, der ein Brennstoff-Abgas, das aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt wird, mit einem Oxidations-Abgas, das aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt wird, verdünnt, so dass das resultierende Gas nach außen abgeführt wird; einen Brennstoff-Abgas-Strömungsweg 32, der die Brennstoffzelle 10 und den Verdünner 21 verbindet; und ein Abführventil 37, das für den Brennstoff-Abgas-Strömungsweg 32 bereitgestellt ist, so dass ein Brennstoff-Abgas, das durch den Brennstoff-Abgas-Strömungsweg 32 strömt, während eines Ventilöffnungsbetriebs nach außen abgeführt wird. In dem Brennstoffzellensystem 1 ist das Abführventil 37 in den Verdünner 21 integriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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