DE112010005734B4 - Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, mit Rohrleitungseinheit ausgestattete Brennstoffzelleneinheit und Brennstoffzellensystem - Google Patents

Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, mit Rohrleitungseinheit ausgestattete Brennstoffzelleneinheit und Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10), die mit einer Brennstoffzelle (10) verbunden ist, welche ein Kathodengaszufuhrsammelrohr (M3a, M3b) und ein Kathodengasabgassammelrohr (M4a, M4b) aufweist, die in einer Endplatte (12) ausgebildet sind, wobei die Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) aufweist: einen Kathodengaszufuhr-Durchlass (41), der so angeordnet ist, dass er ein Kathodengas zur Brennstoffzelle (10) liefert; und einen Kathodengasausfuhr-Durchlass (42), der so angeordnet ist, dass er ein Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle (10) ausführt; wobei der Kathodengaszufuhr-Durchlass (41) aufweist: ein Kathodenzufuhrventil (110), das so gestaltet ist, dass es den Strom des Kathodengases steuert; eine vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (100), die mit einem Einlass des Kathodenzufuhrventils (110) verbunden ist; und eine nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (120), die mit einem Auslass des Kathodenzufuhrventils (110) verbunden ist und mit dem Kathodengaszufuhrsammelrohr (M3a, M3b) verbunden ist, der Kathodengasausfuhr-Durchlass (42) aufweist: ein Kathodenauslassventil (310), das so gestaltet ist, dass es den Strom des Kathodenabgases steuert; eine vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung (300), die mit einem Einlass des Kathodenauslassventils (310) verbunden ist und mit dem Kathodengasabgassammelrohr (M4a, M4b) verbunden ist; und eine nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung (320), die mit einem Auslass des Kathodenauslassventils (310) verbunden ist, der Kathodengaszufuhr-Durchlass (41) und der Kathodengasausfuhr-Durchlass (42) über ein Verbindungselement miteinander verbunden sind, das Kathodenzufuhrventil (110) über die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (120) an der Endplatte (12) befestigt ist, ...

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, eine Brennstoffzelleneinheit, die mit der Rohrleitungseinheit ausgestattet ist, und ein Brennstoffzellensystem.
  • Technischer Hintergrund
  • Ein Brennstoffzellensystem weist im Allgemeinen eine Brennstoffzelle und Rohre für Reaktionsgase und Zubehörteile, wie mit der Brennstoffzelle zu verbindende Pumpen und Ventile, auf, und wird in einem begrenzten Raum eingebaut, beispielsweise in einem Fahrzeug. Die Technik der Integrierung eines Teils des Systems oder des ganzen Systems mit der Brennstoffzelle (Zusammenfassung von Elementen zu einer Einheit), um eine Größeneinsparung zu erreichen und dadurch den Einbau des Brennstoffzellensystems zu erleichtern, wurde bereits vorgeschlagen (z. B. PTL1).
  • Bei dem Aufbau, bei dem ein Teil des Brennstoffzellensystems zu einer Einheit zusammengefasst ist, um den Einbau des Brennstoffzellensystems zu erleichtern, ist es erstrebenswert, das Befestigen der zu einer Einheit zusammengefassten Rohre und Zubehörteile an der Brennstoffzelle zu vereinfachen. Bei dem Aufbau, bei dem ein Teil des Brennstoffzellensystems zu einer Einheit zusammengefasst ist, ist es außerdem erstrebenswert, eine Verringerung des Wirkungsgrads, mit dem die Reaktionsgase zur Brennstoffzelle geliefert werden, eine Verringerung der Entwässerung der Brennstoffzelle und eine Verringerung des Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems als Ganzes zu verhindern. Bei dem Aufbau, wo ein Teil des Brennstoffzellensystems für die konzentrierte Anordnung der Brennstoffzelle, der Rohre und Zubehörteile genutzt wird, ist es außerdem erstrebenswert, eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle durch eine Beschädigung eines dieser Rohre und Zubehörteile zu vermeiden. Bisher gibt es keine Maßnahme, die genügt, um diese Anforderungen zu erfüllen.
  • Die JP 2007-324006A offenbart eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Kathodeneinlassventil, einem Kathodenabgasventil und eine Kathodengasumgehung.
  • Die JP 2008-177100A lehrt eine Rohrleitungseinheit zur Befestigung an einer Endplatte einer Brennstoffzelle.
  • Die JP2008-226520A zeigt eine Steuerung für die Zu- und Abfuhr des Oxidationsgases einer Brennstoffzelle mit einem Einlass-, einem Auslass- und einem Bypassventil.
  • Die DE 10 2008 063 540 A1 offenbart ein modulares Brennstoffzellensystem mit einem Wärmetauschmodul, das eine Rohrleitungseinheit für die Zu- und Abfuhr von Kathodengas über die Endplatte der Brennstoffzelle aufweist.
  • Liste der Entgegenhaltungen
  • Patentliteratur
    • PTL1: JP 2006-107979A
    • PTL2: JP 2008-181783A
    • PTL3: JP 2006-221915A
    • PTL4: JP 2008-021439A
    • PTL5: JP 2007-324006A
    • PTL6: JP 2008-177100A
    • PTL7: JP2008-226520A
    • PTL8: DE 10 2008 063 540 A1
  • KURZFASSUNG
  • Technisches Problem
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Technik, mit der ein Teil des Brennstoffzellensystems zu einer Einheit zusammengefasst wird.
  • Lösung des Problems
  • Um zumindest einen Teil des genannten Problems zu lösen, stellt die Erfindung verschiedene Aspekte und Ausführungsformen bereit, die nachstehend beschrieben sind.
  • [Erster Aspekt]
  • Eine Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, die mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, welche ein Kathodengaszufuhrsammelrohr und ein Kathodengasabgassammelrohr aufweist, die in einer Endplatte ausgebildet sind, wobei die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle aufweist:
    einen Kathodengaszufuhr-Durchlass, der so angeordnet ist, dass er ein Kathodengas zur Brennstoffzelle liefert; und
    einen Kathodengasausfuhr-Durchlass, der so angeordnet ist, dass er ein Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle ausführt; wobei
    der Kathodengaszufuhr-Durchlass aufweist: ein Kathodenzufuhrventil, das so gestaltet ist, dass es den Strom des Kathodengases steuert; eine vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung, die mit einem Einlass des Kathodenzufuhrventils verbunden ist; und eine nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung, die mit einem Auslass des Kathodenzufuhrventils verbunden ist und mit dem Kathodengaszufuhrsammelrohr verbunden ist,
    der Kathodengasausfuhr-Durchlass aufweist: ein Kathodenauslassventil, das so gestaltet ist, dass es den Strom des Kathodenabgases steuert; eine vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung, die mit einem Einlass des Kathodenauslassventils verbunden ist und mit dem Kathodengasabgassammelrohr verbunden ist; und eine nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung, die mit einem Auslass des Kathodenauslassventils verbunden ist, und
    der Kathodengaszufuh-Durchlass und der Kathodengasausfuhr-Durchlass über ein Verbindungselement miteinander verbunden sind,
    das Kathodenzufuhrventil über die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung an der Endplatte befestigt ist,
    der Kathodenzufuhrgas-Durchlass eione Kathodenumgehungsrohrleitung aufweist, die so angeordnet ist, dass sie die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung verbindet und einen Teil des Kathodengases zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung umleitet, und ein Umgehungsrohrleitungsventil, das so gestaltet ist, dass es den Strom des Kathodengases in der Kathodenumgehungsrohrleitung steuert, und
    der Kathodengaszufuhr-Durchlass und der Kathodengasausfuhr-Durchlass über die Kathodenumgehungsrohrleitung als Verbindungselement zu einer Einheit integriert sind, und dadurch als eine Einheit an der Brennstoffzelle befestigt sind.
  • Gemäß einem ersten Aspekt
  • sind die Rohre und Ventile zum Ausführen des Kathodenabgases ebenso wie die Rohre und Ventile zum Zuführen des Kathodengases als Einheit zu dieser Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle zusammengefasst und sind als Einheit an der Brennstoffzelle befestigt. Diese Zusammenfassung der Rohre und Ventile für das Kathodengas zu einer Einheit macht die Befestigung der Rohre und Ventile an der Brennstoffzelle einfacher. Durch die Verwendung dieser Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle wird eine Verkleinerung eines Brennstoffzellensystems erreicht.
  • Ferner weist diese Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle die Kathodenumgehungsrohrleitung auf, die die Steuerbarkeit des Kathodengases, das zur Brennstoffzelle geliefert werden soll, verbessert. Der Kathodengaszufuhr-Durchlass und der Kathodengasausfuhr-Durchlass sind über die Kathodenumgehungsrohrleitung als Verbindungselement zu einer Einheit integriert. Dadurch ist eine effizientere Zusammenfassung der Rohre und Ventile zu einer Einheit möglich.
  • [Zweiter Aspekt]
  • Die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt, wobei
    das Kathodenzufuhrventil parallel in einer Ebene zu der Endplatte platziert ist und in Richtung der Schwerkraft oberhalb des Kathodenauslassventils angeordnet ist,
    die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung entlang einer Außenfläche der Endplatte verläuft, um mit dem Kathodenzufuhrventil verbunden zu werden,
    die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung in Richtung der Schwerkraft unterhalb der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung angeordnet ist, so dass sie einen größeren Abstand von der Endplatte aufweist als die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung, und parallel zur vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung verläuft, um mit dem Kathodenauslassventil verbunden zu werden, und
    die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung vom Kathodenauslassventil über das Kathodenzufuhrventil hinaus in Richtung der Schwerkraft nach oben verläuft, um mit dem Kathodengasabgassammelrohr verbunden zu werden.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt
  • ermöglicht diese Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle die schwerkraftbedingte Leitung und Einführung des aus der Brennstoffzelle ablaufenden Wassers in das Kathodenauslassventil und die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung, die in Richtung der Schwerkraft unten angeordnet ist. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Entwässerung der Brennstoffzelle verbessert. Die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung verläuft über das Kathodenzufuhrventil hinaus in Richtung der Schwerkraft nach oben. Dadurch kann der Kathodengaszuführ-Durchlass mit dem Kathodengasausfuhr-Durchlass zu einer Einheit integriert werden.
  • [Dritter Aspekt]
  • Die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt, ferner aufweisend:
    einen Anodengasausfuhr-Durchlass, der so angeordnet ist, dass er ein Anodenabgas aus der Brennstoffzelle ausführt; wobei
    der Anodengasausfuhr-Durchlass aufweist: eine Anodenabgas-Rohrleitung, die mit einem in der Endplatte ausgebildeten Anodengasabgassammelrohr verbunden ist und so gestaltet ist, dass sie eine Gas-Flüssigkeit-Abscheidestruktur aufweist, um Wasser vom Anodenabgas zu scheiden; eine separate Gas-Rohrleitung, die so angeordnet ist, dass sie eine Gaskomponente, die durch die Gas-Flüssigkeit-Abscheidestruktur abgeschieden worden ist, leitet; und ein separate Entwässerungs-Rohrleitung, die so angeordnet ist, dass sie das Wasser, das von der Gas-Flüssigkeit-Abscheidestruktur abgeschieden worden ist, leitet und ausführt,
    die separate Entwässerungs-Rohrleitung eine Bodenfläche aufweist, die so vorgesehen ist, dass sie in Richtung der Schwerkraft oberhalb einer Bodenfläche der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung angeordnet ist, und
    der Anodengasausfuhr-Durchlass zwischen der Endplatte und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung angeordnet und durch die separate Entwässerungs-Rohrleitung, die in Richtung der Schwerkraft abwärts geneigt ist, mit dem Kathodengasausfuhr-Durchlass zu einer Einheit integriert und mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung verbunden ist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt
  • sind der Kathodengaszufuhr-Durchlass und der Anodengasausfuhr-Durchlass in dieser Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle zu einer Einheit integriert. Dies erleichtert die Befestigung der Rohre und Ventile für die Reaktionsgase an der Brennstoffzelle noch weiter. Der Anodengasausfuhr-Durchlass ist zwischen der Endplatte und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung angeordnet. Diese Anordnung verhindert wirksam, dass die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle wegen des Vorhandenseins des Anodengasausfuhr-Durchlasses größer wird. Durch die Verwendung dieser Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle wird eine Verkleinerung eines Brennstoffzellensystems erreicht, welches das Anodenabgas umwälzt und zurückführt.
  • [Vierter Aspekt]
  • Die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem dritten Aspekt, wobei
    die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung mit dem Kathodenauslassventil an einem ersten Verbindungsort verbunden ist und mit der separaten Entwässerungs-Rohrleitung an einem zweiten Verbindungsort verbunden ist, und
    die Kathodenumgehungsrohrleitung zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung schräg verläuft und so mit dieser verbunden ist, so dass sie entweder zum ersten Verbindungsort oder zum zweiten Verbindungsort hin offen ist.
  • Gemäß einem vierten Aspekt
  • kann diese Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle am ersten Verbindungsort oder am zweiten Verbindungsort Wasser durch das Gas, das aus der Kathodenumgehungsrohrleitung strömt, wirksam entfernen. Dadurch wird ein Einfrieren der Ventile und eine Funktionsminderung der Rohre und der Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle vermieden. Dadurch wird entsprechend auch die Startfähigkeit des Brennstoffzellensystems, für welches die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle verwendet wird, in einer Niedertemperaturumgebung verbessert und die Funktionsminderung des Brennstoffzellensystems verhindert.
  • [Fünfter Aspekt]
  • Die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Aspekte 3 oder 4, wobei
    die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung einen ersten Gasrohrabschnitt, der in Richtung der Schwerkraft von einer Verzweigung mit dem Kathodengasabgassammelrohr schräg nach oben verläuft, und einen zweiten Gasrohrabschnitt aufweist, der in Richtung der Schwerkraft vom ersten Gasrohrabschnitt schräg nach unten verläuft.
  • Gemäß einem fünften Aspekt
  • ermöglicht diese Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, dass sich flüssiges Wasser, das im ersten Gasrohrabschnitt der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung nach einer Betriebsunterbrechung der Brennstoffzelle kondensiert hat, im ersten Gasrohrabschnitt sammelt. Dadurch wird verhindert, dass flüssiges Wasser in das Kathodenauslassventil strömt, wodurch verhindert wird, dass das Kathodenauslassventil an Funktionsfähigkeit einbüßt und einfriert.
  • [Sechster Aspekt]
  • Die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Aspekte 3 bis 5, wobei
    die Kathodenumgehungsrohrleitung einen vorgelagerten Rohrabschnitt, der von der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung in entgegengesetzter Richtung zur Endplatte verläuft, und einen nachgelagerten Rohrabschnitt aufweist, der vom vorgelagerten Rohrabschnitt abbiegt und zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung verläuft, die in Richtung der Schwerkraft unterhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts angeordnet ist, und
    das Umgehungsrohrleitungsventil innerhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts angeordnet ist und einen Ventilkegel, der so gestaltet ist, dass er sich entlang einer Rohrleitungsrichtung des nachgelagerten Rohrabschnitts bewegt, und einen Ventilsitz aufweist, der in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Ventilkegels angeordnet ist und so gestaltet ist, dass er den Ventilkegel aufnimmt.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt
  • sind die Kathodenumgehungsrohrleitung und das Umgehungsrohrleitungsventil in dieser Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle kompakt angeordnet. Auch wenn der Ventilkegel aufgrund eines Ausfalls des Umgehungsrohrleitungsventils schwimmt, wird der Ventilkegel durch den Strom des Kathodengases in seine Schließstellung geführt. Dadurch wird ein fortgesetzter Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht, auch wenn das Umgehungsrohrleitungsventil ausfällt.
  • [Siebter Aspekt]
  • Die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Aspekte 1 bis 6, wobei
    das Kathodenzufuhrventil so gestaltet ist, dass es einen Einlass, der so ausgebildet ist, dass er in Richtung der Außenfläche der Endplatte offen ist, und einen Auslass aufweist, der so ausgebildet ist, dass er zur Außenfläche der Endplatte hin offen ist,
    die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung eine Durchlassaußenwand aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie den Außenrand des Auslasses des Kathodenzufuhrventils umgibt, und die in der Richtung entlang der Außenfläche der Endplatte verläuft, um den Kathodengaszufuhrsammelrohr für das Kathodengas abzudecken,
    die Durchlassaußenwand an der Endplatte angebracht ist, um einen luftdichten Hohlraum zwischen einer Innenwandfläche der Außenwand der Durchlassaußenwand und der Außenfläche der Endplatte zu bilden, um den Auslass des Kathodenzufuhrventils mit dem Kathodengaszufuhrsammelrohr zu verbinden, und
    die Außenfläche der Endplatte als Führungswandfläche verwendet wird, um das Kathodengas einzuführen.
  • Gemäß einem siebten Aspekt
  • wird in dieser Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle die Außenfläche der Endplatte als Durchlasswandfläche für das Kathodengas verwendet. Dadurch wird eine Verringerung der Größe und des Gewichtes der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung erreicht. Dies führt zu einer Verringerung der Größe und des Gewichtes der Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle und zu einer Verringerung der Größe und des Gewichtes eines Brennstoffzellensystems, welches die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle enthält.
  • [Achter Aspekt]
  • Die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem siebten Aspekt, wobei
    das Kathodenzufuhrventil ein Tellerventil ist, das durch Bewegen eines Ventilkegels entlang einer Öffnungsrichtung des Einlasses geöffnet und geschlossen wird, und
    die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung eine Querschnittsform aufweist, die von einem vorgelagerten Ende bis zu einem nachgelagerten Ende gleich ist.
  • Gemäß einem achten Aspekt
  • wird in dieser Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle ein leichtes, kompaktes Tellerventil als Kathodenzufuhrventil verwendet. Dadurch ist eine weitere Verkleinerung eines Brennstoffzellensystems erreichbar. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung ist so aufgebaut, dass sie eine Querschnittsform aufweist, die vom vorgelagerten Ende bis zum nachgelagerten Ende im Wesentlichen gleich ist. Dadurch wird ein Druckabfall des Kathodengases verringert und das Verbinden mit externen Rohren erleichtert.
  • [Neunter Aspekt]
  • Eine Brennstoffzelleneinheit, die aufweist:
    eine Brennstoffzelle mit einem Kathodengaszufuhrsammelrohr und einem Kathodengasabgassammelrohr, die in einer Endplatte ausgebildet sind;
    die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß einem der Aspekte 1 bis 8, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist; und
    ein Gehäuse, das vorgesehen ist, um die Brennstoffzelle und die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle darin aufzunehmen, wobei
    das Gehäuse eine Trennwand aufweist, die zwischen der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung der Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle und der Endplatte der Brennstoffzelle ausgebildet ist.
  • Gemäß einem neunten Aspekt
  • schützt die Trennwand in dieser Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, die im Gehäuse ausgebildet ist, die Brennstoffzelle wirksam vor ablaufendem Wasser, das aus der Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle austritt.
  • [Zehnter Aspekt]
  • Ein Brennstoffzellensystem, das aufweist:
    eine Brennstoffzelle mit einem Kathodengaszufuhrsammelrohr und einem Kathodengasabgassammelrohr, die in einer Endplatte ausgebildet sind;
    die Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle gemäß dem sechsten Aspekt, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist;
    einen Controller, der so gestaltet ist, dass er das Öffnen und Schließen des Kathodenauslassventils und des Umgehungsrohrleitungsventils der Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle steuert, um eine Strömungsrate eines Kathodengases, das zur Brennstoffzelle geliefert werden soll, zu regulieren; und
    einen Detektor für einen in einer offenen Stellung blockierten Zustand, der so gestaltet ist, dass er eine Blockierung des Umgehungsrohrleitungsventils in einer offenen Stellung erfasst, wobei
    der Controller das Kathodenauslassventil in die geschlossene Stellung steuert, wenn der Detektor für einen in einer offenen Stellung blockierten Zustand erfasst, dass das Umgehungsrohrleitungsventils in einer offenen Stellung blockiert ist, um eine Strömungsrate eines Gases, das in das Umgehungsrohrleitungsventil strömt, zu erhöhen und dadurch eine externe Kraft, die an den Ventilkegel angelegt wird, zu erhöhen.
  • Gemäß einem zehnten Aspekt
  • kann aufgrund der Gestaltung dieses Brennstoffzellensystems auch dann, wenn es zu einer Blockierung des Umgehungsrohrleitungsventils in der offenen Stellung kommt, der Zustand der Blockierung in der offenen Stellung durch die einfache Betätigung beseitigt werden.
  • Die Erfindung kann anhand irgendeiner von zahlreichen Anwendungen verwirklicht werden, beispielsweise als Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, als Brennstoffzelleneinheit, die durch die Befestigung einer solchen Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle an einer Brennstoffzelle bereitgestellt wird, als Brennstoffzellensystem, das eine solche Brennstoffzelleneinheit aufweist, und als Fahrzeug, das mit einem solchen Brennstoffzellensystem ausgestattet ist.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Darstellung der Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform:
  • 2A und 2B sind schematische perspektivische Ansichten der Vorderseite und der Rückseite einer Rohrleitungseinheit;
  • 3A und 3B sind schematische Ansichten der Frontfläche und der oberen Fläche der Rohrleitungseinheit;
  • 4A und 4B sind schematische Ansichten der linken Seitenfläche und der rechten Seitenfläche der Rohrleitungseinheit;
  • 5 zeigt eine Anbauposition der Rohrleitungseinheit an der Brennstoffzelle;
  • 6A und 6B sind eine schematische Frontansicht und eine schematische Draufsicht, die den Aufbau eines Kathodengaszufuhr-Durchlasses darstellen;
  • 7A bis 7E sind schematische Querschnittsansichten, die den Aufbau einer vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung und eines Kathodenzufuhrventils darstellen;
  • 8A und 8B sind eine schematische Querschnittsansicht, die den Querschnitt einer nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung darstellt, bzw. eine Skizze, die den Installationsbereich einer Wasserstoffpumpe darstellt;
  • 9A und 9B sind Skizzen, die eine nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung als Vergleichsbeispiel darstellen;
  • 10A und 10B sind eine Frontansicht und eine linke Seitenansicht, die das Äußere einer Kathodenumgehungsrohrleitung zeigen;
  • 11 ist eine Skizze, die den inneren Aufbau der Kathodenumgehungsrohrleitung darstellt;
  • 12A und 12B sind schematische Darstellungen des Aufbaus eines Kathodengasausfuhr-Durchlasses;
  • 13A bis 13C sind schematische Querschnittsansichten, die den Aufbau einer vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung darstellen;
  • 14A und 14B sind eine linke Seitenansicht und eine Draufsicht, die den Aufbau eines Anodengasabfuhr-Durchlasses darstellen;
  • 15A und 15B sind schematische Ansichten, die den inneren Aufbau des Anodengasabfuhr-Durchlasses darstellen;
  • 16 ist eine Skizze, die die Verbindungsorte der Kathodenumgehungsrohrleitung und der separaten Entwässerungs-Rohrleitung mit einer nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung darstellt;
  • 17A bis 17C sind Skizzen, die einen Ablauf beim Zusammenbau der Rohrleitungseinheit darstellen;
  • 18 ist eine Skizze, die einen Kathodengaszufuhr-Durchlass gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt;
  • 19 ist eine Skizze, die eine Rohrleitungseinheit gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt;
  • 20A bis 20C sind Skizzen, die den Strom eines Kathodengases in nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitungen gemäß anderen Aufbaubeispielen darstellen;
  • 21 ist eine Skizze, die eine Rohrleitungseinheit gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt;
  • 22A bis 22C sind schematische Darstellungen, die den Aufbau eines Kathodenzufuhrventils gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellen;
  • 23A bis 23C sind Skizzen, die eine Rohrleitungseinheit gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellen;
  • 24A und 24B sind Skizzen, die eine Rohrleitungseinheit gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellen;
  • 25A und 25B sind Skizzen, die eine Kathodenumgehungsrohrleitung gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellen;
  • 26 ist eine Skizze, die eine Kathodenumgehungsrohrleitung gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt;
  • 27A und 27B sind Skizzen, die ein anderes Aufbaubeispiel für eine Verbindung zwischen einer vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung und einem Kathodenauslassventil darstellen;
  • 28 ist eine schematische Ansicht, die eine Anodenabgas-Rohrleitung gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt;
  • 29 ist eine Skizze, die eine nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung und eine separate Entwässerungs-Rohrleitung gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt;
  • 30 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
  • 31 zeigt eine Vorgehensweise bei der Überwachung eines Umgehungsventils;
  • 32 zeigt ein Beispiel für ein Kennfeld, das von einem Umgehungsventilmonitor verwendet wird;
  • 33 ist eine schematische Draufsicht, die den Aufbau einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt;
  • 34A und 34B sind eine schematische linke Seitenansicht und eine schematische rechte Seitenansicht der Brennstoffzelleneinheit der dritten Ausführungsform;
  • 35 ist eine schematische Frontansicht, die den Aufbau der Brennstoffzelleneinheit gemäß der dritten Ausführungsform darstellt; und
  • 36A und 36B sind Skizzen, die die Funktionen einer wasserfesten Wand und von ersten bis dritten Vorsprüngen darstellen.
  • BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • A. Erste Ausführungsform
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Dieses Brennstoffzellensystem 1000 ist an einem beweglichen Körper, beispielsweise einem Fahrzeug, angebaut, um die erzeugte elektrische Leistung zu einem Motor, der eine Antriebskraft erzeugt, und an verschiedene elektrische Komponenten zu liefern. Das Brennstoffzellensystem 1000 weist eine Brennstoffzelle 10, einen Luftverdichter 20, eine Anodengaszufuhreinrichtung 30, eine Rohrleitungseinheit 40, eine Wasserstoffpumpe 50 und einen Controller 70 auf. Das Brennstoffzellensystem 1000 weist außerdem eine Kühlmittel-Zufuhreinrichtung auf, die ein Kühlmittel zur Brennstoffzelle 10 liefert und darin umwälzt, und die hier nicht eigens beschrieben ist.
  • Die Brennstoffzelle 10 ist als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle vorgesehen, die mit zugeführter Luft (Kathodengas) und zugeführtem Wasserstoff (Anodengas) als Reaktionsgasen Elektrizität erzeugt. Die Brennstoffzelle 10 ist jedoch nicht auf die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle beschränkt, und kann irgendeine andere von verschiedenen Arten von Brennstoffzellen sein. Die Brennstoffzelle 10 weist eine Mehrzahl von Einzelzellen bzw. Einheitszellen 11, die in Reihe gestapelt sind, als Leistungsgenerator und eine erste Endplatte 12 und eine zweite Endplatte 13 auf, die in Stapelrichtung jeweils an den Enden angeordnet sind.
  • Jede Einzelzelle 11 weist eine Membran-Elektroden-Anordnung (nicht dargestellt) auf, mit Elektroden, die auf den jeweiligen Oberflächen einer Elektrolytmembran ausgebildet sind, die im feuchten Zustand eine gute Protonenleitfähigkeit aufweist. Reaktionsgaszufuhrsammelrohre und Reaktionsgasabgassammelrohre (nicht dargestellt) sind in Form von Durchgangsbohrungen, die entlang der Stapelrichtung verlaufen, am Rand der Membran-Elektroden-Anordnungen der jeweiligen Einzelzellen 11 ausgebildet. Spannelemente 15 zum Festspannen der jeweiligen Einzelzellen 11 sind so am Rand der Membran-Elektroden-Anordnungen angeordnet, dass sie in Stapelrichtung durch die jeweiligen Einzelzellen 11, die erste Endplatte 12 und die zweite Endplatte 13 verlaufen.
  • Die Ströme der Reaktionsgase in der Brennstoffzelle 10 sind in 1 von gestrichelten Pfeilen dargestellt. Der Einfachheit halber sind der gestrichelte Pfeil, der den Strom des Kathodengases darstellt, und der gestrichelte Pfeil, der den Strom des Anodengases darstellt, getrennt voneinander auf der oberen Seite der Abbildung bzw. auf der unteren Seiten der Abbildung dargestellt. In der Brennstoffzelle 10 sind die oben beschriebenen Sammelrohre in der ersten Endplatte 12 ausgebildet, während in der zweiten Endplatte 13 keine Sammelrohre ausgebildet sind. In der Brennstoffzelle 10 strömt das Reaktionsgas, das von der Seite der ersten Endplatte 12 geliefert wird, dementsprechend über das Zufuhrsammelrohr in die Membran-Elektroden-Anordnungen der jeweiligen Einzelzellen 11 und strömt dann zur Seite der zweiten Endplatte 13. Ein Abgas, welches das nicht-umgesetzte Gas enthält, das aus der Membran-Elektroden-Anordnungen der jeweiligen Einzelzellen 11 ausgeführt wird, strömt andererseits von der Seite der zweiten Endplatte 13 über das Abgassammelrohr zur Seite der ersten Endplatte, um ausgeführt zu werden.
  • Der Luftverdichter 20 ist über ein Rohr 21 mit der Rohrleitungseinheit 40 verbunden. Der Luftverdichter 20 gibt die stark verdichtete Luft, die durch Verdichten der angesaugten Luft erhalten wird, als Kathodengas aus und liefert sie zur Brennstoffzelle 10. Die Anodengaszufuhreinrichtung 30 beinhaltet beispielsweise einen Wasserstofftank oder einen Reformer, der dazu dient, Wasserstoff zu erzeugen, und der über eine Anodengaszufuhr-Rohrleitung 31 mit dem Anodenzufuhrsammelrohr der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, um den unter hohem Druck stehenden Wasserstoff zu liefern. Ein Regler 32 zum Steuern des Wasserstoffdrucks und ein Ein/Aus-Ventil 33 zum Steuern des Wasserstoffstroms sind in der Anodengaszufuhr-Rohrleitung 31 platziert.
  • Die Rohrleitungseinheit 40 ist vorgesehen, um Gasrohre und Ventile für die Reaktionsgase, die mit der Brennstoffzelle 10 zu verbinden sind, zu einer Einheit zu integrieren und dadurch einen Teil des Brennstoffzellensystems 1000 zu einer Einheit zusammenzufassen. Das Vorhandensein dieser Rohrleitungseinheit 40 verringert vorteilhafterweise die Größe des Brennstoffzellensystems 1000. Im Folgenden werden die Funktionen der Rohre und der Ventile beschrieben, die als Einheit zu der Rohrleitungseinheit 40 zusammengefasst werden.
  • Die Rohrleitungseinheit 40 weist einen Kathodengaszufuhr-Durchlass 41, der so angeordnet ist, dass er das Kathodengas zur Brennstoffzelle 10 liefert, und einen Kathodengasausfuhr-Durchlass 42 auf, der so angeordnet ist, dass er Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle 10 ausführt. Die Rohrleitungseinheit 40 weist außerdem einen Anodengasausfuhr-Durchlass 43 auf, der so angeordnet ist, dass er Anodenabgas aus der Brennstoffzelle 10 ausführt. Der Kathodengaszufuhr-Durchlass 41 weist eine vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100, ein Kathodenzufuhrventil 110, eine nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120, eine Kathodenumgehungsrohrleitung 200 und ein Umgehungsrohrleitungsventil 210 auf.
  • Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 ist eine Leitung, die so angeordnet ist, dass sie das Rohr 21, das mit dem Luftverdichter 20 verbunden ist, mit dem Einlass des Kathodenzufuhrventils 110 verbindet. Die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 ist eine Leitung, die so angeordnet ist, dass sie den Auslass des Kathodenzufuhrventils 110 mit den Kathodenzufuhrsammelrohren verbindet, die in der ersten Endplatte 12 ausgebildet sind. Das Kathodenzufuhrventil 110 ist ein Ein/Aus-Ventil, das als Reaktion auf die Zufuhr des Kathodengases, dessen Druck bei oder über einem vorgegebenen Druckpegel liegt, geöffnet wird und das beispielsweise als Tellerventil vorgesehen sein kann.
  • Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 ist eine Leitung, die so angeordnet ist, dass sie die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 mit einer nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 des Kathodengasausfuhr-Durchlasses 42 verbindet. Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 ist so angeordnet, dass sie einen Teil des Kathodengases, das in die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 strömt, zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 umleitet. Das Umgehungsrohrleitungsventil 210 ist in der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 platziert, um die Strömungsrate des Kathodengases, das in die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 strömt (nachstehend als „Kathodenumgehungsgas” oder „Umgehungsgas” bezeichnet), steuert.
  • Der Kathodengasausfuhr-Durchlass 42 weist eine vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300, ein Kathodenauslassventil 310 und die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 auf. Die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohleitung 300 ist eine Leitung, die so angeordnet ist, dass sie die Kathodenabgassammelrohre, die in der ersten Endplatte 12 ausgebildet sind, mit dem Einlass des Kathodenausfuhrventils 310 verbindet.
  • Die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohleitung 320 ist eine Leitung, die so angeordnet ist, dass sie ein Abgas, welches das Kathodenabgas und Ablaufwasser aus der Brennstoffzelle 10 enthält, aus dem System ausführt. Die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 ist mit dem Auslass des Kathodenauslassventils 310 und mit der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 und einer separaten Entwässerungs-Rohleitung 420 des Anodengasausfuhr-Durchlasses 43 verbunden. Das Kathodenauslassventil 310 dient als Ventil, um den Druck des Kathodenabgases zu steuern.
  • Der Anodengasausfuh-Durchlass 43 weist eine Anodenabgas-Rohrleitung 400, die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 und die separate Abgas-Rohrleitung 430 auf. Die Anodenabgas-Rohleitung 400 ist eine Leitung, die mit dem Anodenabgassammelroh verbunden ist, das in der Endplatte 12 ausgebildet ist, und weist einen Gas-Flüssigkeit-Abscheider 410 und ein Wassersammelbecken 411 auf. Der Gas-Flüssigkeit-Abscheider 410 dient dazu, Wasser vom einströmenden Anodenabgas zu scheiden, und leitet das abgeschiedene Wasser in das Wassersammelbecken 411, während er das verbliebene Anodenabgas in die separate Abgas-Rohrleitung 430 leitet.
  • Die separate Abgas-Rohleitung 430 ist mit der Wasserstoffpumpe 50 verbunden. Die Auslassseite der Wasserstoffpumpe 50 ist mit der Anodengaszufuhr-Rohleitung 31 verbunden, um das Anodenabgas, das den nicht-umgesetzten Wasserstoff enthält, zur Brennstoffzelle 10 umzuwälzen. Das Wassersammelbecken 411 ist über ein Anodenablaufventil 415 mit der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 verbunden, und die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 ist ferner mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden. Das ablaufende Wasser auf der Anodenseite, das vom Anodenabgas geschieden worden ist, sammelt sich im Allgemeinen im Wassersammelbecken 411 und wird durch die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 ausgeführt, wenn das Anodenablaufventil 415 geöffnet ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 1000 weist verschiedene Sensoren auf, beispielsweise Druckmesser und Strömungsmesser, die vorgesehen sind, um die Drücke und Strömungsraten der Reaktionsgase und der Abgase zu messen, Thermometer, die vorgesehen sind, um die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 10 und die Umgebungstemperatur zu erfassen, und ein Voltmeter und ein Ammeter, die vorgesehen sind, um die Elektrizitätsmenge zu messen, die von der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird. Diese Sensoren sind hierin nicht eigens dargestellt oder beschrieben. Diese Sensoren senden die Messergebnisse an den Controller 70.
  • Der Controller 70 ist aus einem Mikrocomputer aufgebaut, der eine zentrale Verarbeitungseinheit und eine Hauptspeichereinheit aufweist, und steuert die Ströme der Reaktionsgase im Brennstoffzellensystem 1000 auf Basis der Leistungsanforderungen von externen Verbrauchern und den Messergebnissen der Sensoren. Genauer steuert der Controller 70 den Luftverdichter 20, um den Druck und die Strömungsrate des Kathodengases zu regeln, das aus dem Luftverdichter 20 ausgegeben wird. Der Controller 70 steuert außerdem die Öffnung des Umgehungsrohrleitungsventils 210, um die Strömungsrate des Kathodenumgehungsgases zu regeln und dadurch den Druck und die Strömungsrate des Kathodengases, das zur Brennstoffzelle 10 geliefert wird, zu regeln.
  • Die Öffnungs-/Schließungssteuerung des Ventils reagiert im Allgemeinen empfindlicher als die Ausgangssteuerung des Luftverdichters. In diesem Brennstoffzellensystem 1000 führt der Controller 70 die Öffnungs-/Schließungssteuerung des Umgehungsrohrleitungsventils 210 zusätzlich zu der Ausgangssteuerung des Luftverdichters 20 durch. Dadurch ist eine schnellere Regulierung des Drucks und der Strömungsrate des Kathodengases möglich.
  • Der Controller 70 kann so gestaltet sein, dass er die Öffnung des Umgehungsrohrleitungsventils 210 für den Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 10, beispielsweise in einer Niedertemperaturumgebung, öffnet. Im Allgemeinen verringert die im Vergleich zur Anodengaszufuhr verringerte Kathodengaszufuhr zur Brennstoffzelle den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle. Eine Fortsetzung des Betriebs der Brennstoffzelle mit dem niedrigen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung erhöht die Wärmemenge, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird, relativ zur erzeugten Elektrizitätsmenge. Anders ausgedrückt kann im Brennstoffzellensystem 1000 dieser Ausführungsform unter einer Niedertemperaturbedingung die Brennstoffzelle 10 durch Öffnen des Umgehungsrohrleitungsventils 210, um die Kathodengaszufuhr zu verringern, und durch Bewirken, dass die Brennstoffzelle 10 ihren Betrieb mit dem niedrigen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung fortsetzt, aufgewärmt werden.
  • Während des Aufwärmbetriebs mit dem niedrigen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung wird die Kathodengaszufuhr vorzugsweise fast auf einen Grenzwert geregelt, der die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 noch nicht unterbricht. Wie oben beschrieben, wird im Brennstoffzellensystem 1000 dieser Ausführungsform durch Steuern des Umgehungsrohrleitungsventils 210 eine schnellere Regulierung der Strömungsrate des Kathodengases möglich. Dadurch wird eine angemessene Steuerung des Kathodengases für den Aufwärmbetrieb möglich.
  • Es ist allgemein bekannt, dass eine Verringerung der Kathodengaszufuhr zur Brennstoffzelle relativ zur Anodengaszufuhr die Menge an Wasserstoff, der in den einzelnen Einzelzellen von der Anodenseite zur Kathodenseite wandert, vergrößert. Dies führt zu einer Vergrößerung der Wasserstoffmenge, die im Kathodenabgas enthalten ist. Im Brennstoffzellensystem 1000 dieser Ausführungsform wird jedoch für den Aufwärmbetrieb, bei dem das Umgehungsrohrleitungsventil 210 geöffnet wird, das Umgehungsgas verwendet, um Wasserstoff, der im Kathodenabgas enthalten ist, zu diffundieren und Wasserstoff zu verdünnen und die Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas zu senken.
  • Der Controller 70 steuert außerdem das Öffnen des Kathodenauslassventils 310, um den Druck des Kathodengases in der Brennstoffzelle 10 zu regulieren. Der Controller 70 steuert außerdem den Regler 32 und das Ein/Aus-Ventil 33, das in der Anodengaszufuhr-Rohrleitung 31 platziert ist, um die Strömungsrate und den Druck des Anodenabgases, das zur Brennstoffzelle 10 geliefert werden soll, zu regulieren. Ferner öffnet der Controller 70 das Anodenablaufventil 415 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt, um das Ablaufwasser, das sich im Wassersammelbecken 411 gesammelt hat, ablaufen zu lassen.
  • 2 bis 4 sind schematische Ansichten, die das Äußere der Rohrleitungseinheit 40 darstellen. Dreidimensionale Pfeile X, Y und Z, die orthogonal zueinander sind, sind in 2 bis 4 dargestellt, um die Zuordnung zu erleichtern. Die Rohrleitungseinheit 40 ist an einer (später beschriebenen) vorgegebenen Stelle auf der Außenfläche der ersten Endplatte 12 der Brennstoffzelle 10 angebaut. Im Brennstoffzellensystem 1000 ist die Brennstoffzelle 10 in einer (später beschriebenen) vorgegebenen Ausrichtung angeordnet. Die Rohrleitung 40 wird dementsprechend in der vorgegebenen Ausrichtung im Brennstoffzellensystem 1000 angeordnet und verwendet.
  • Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z in den jeweiligen Ansichten sind auf der Basis der Ausrichtung der Rohrleitungseinheit 40, die im Brennstoffzellensystem 1000 verwendet wird, dargestellt. Genauer stellt der Pfeil Z die Richtung dar, die der Richtung der Schwerkraft entgegengesetzt ist (Höhenrichtung). Der Pfeil Y stellt die Richtung dar, die entlang der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 10 von der zweiten Endplatte 13 zur ersten Endplatte 12 verläuft. Der Pfeil X stellt die Richtung nach links dar, gesehen von der Richtung, die dem Pfeil Y entgegengesetzt ist, wenn der Pfeil Z in die vertikale Aufwärtsrichtung gebracht ist.
  • In der vorliegenden Beschreibung wird eine Oberfläche der Rohrleitungseinheit 40, die aus der Richtung betrachtet wird, die dem Pfeil Y entgegengesetzt ist, als „Frontfläche” bezeichnet, und eine Oberfläche, die der Frontfläche entgegengesetzt ist, wird als „Rückenfläche” bezeichnet. Eine Oberfläche der Rohrleitungseinheit 40, die aus der Richtung des Pfeils X betrachtet wird, wird als „rechte Seitenfläche” bezeichnet, und eine Oberfläche, die der rechten Seitenfläche entgegengesetzt ist, wird als „linke Seitenfläche” bezeichnet. Eine Oberfläche der Rohrleitungseinheit 40, die aus der Richtung betrachtet wird, die dem Pfeil Z entgegengesetzt ist, wird als „obere Fläche” bezeichnet, und eine Oberfläche, die der oberen Fläche entgegengesetzt ist, wird als „Bodenfläche” bezeichnet.
  • 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Vorderseite der Rohrleitungseinheit 40 darstellt, und 2B ist eine schematische perspektivische Ansicht, die die Rückseite der Rohrleitungseinheit 40 darstellt. 3A ist eine schematische Ansicht, die die Frontfläche der Rohrleitungseinheit 40 darstellt, und 3B ist eine schematische Ansicht, die die obere Fläche der Rohrleitungseinheit 40 darstellt. 4A ist eine schematische Ansicht, die die linke Seitenfläche der Rohrleitungseinheit 40 darstellt, und 4B ist eine schematische Ansicht, die die rechte Seitenfläche der Rohrleitungseinheit 40 darstellt.
  • Das Kathodenzufuhrventil 110 weist ein Gehäuse mit ungefähr zylindrischer Form auf, wenn die Richtung entlang des Pfeils Y auf die Höhenrichtung eingestellt ist, und ist ungefähr in der Mitte der Rohrleitungseinheit 40 angeordnet. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 ist als Leitung angeordnet, die entlang der Richtung des Pfeils X verläuft und ist mit der zylindrischen Seitenfläche des Gehäuses des Kathodenzufuhrventils 110 verbunden. Ein Auslass 111, der zur Rückseite der Rohrleitungseinheit 40 hin offen ist, ist in der zylindrischen Bodenfläche auf der Rückseite des Kathodenzufuhrventils 110 ausgebildet. Die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 ist am Umfang des Auslasses 111 angeordnet.
  • Die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 ist zur Rückseite der Rohrleitungseinheit 40 (in der Richtung, die dem Pfeil Y entgegengesetzt ist) hin offen. Eine Außenwand, die diese Öffnung begrenzt, ist so ausgebildet, dass sie den Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 rings umgibt und in Richtung der Schwerkraft nach unten allmählich weiter wird. Der Strom des Kathodengases in der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 wird später beschrieben. Ein Flansch 121 ist um den Umfang der Öffnung der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 ausgebildet, um die Rohrleitungseinheit 40 an der ersten Endplatte 12 zu fixieren. Ein dünnwandiger Abschnitt 119 ist an der Rückseite des Flansches 121 ausgebildet. Der dünnwandige Abschnitt 119 wird später beschrieben.
  • Die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 ist als Leitung, die parallel zur vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 verläuft, in Richtung des Pfeils Y an einer Position seitlich von der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und in Richtung der Schwerkraft unterhalb der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 angeordnet. Das Kathodenauslassventil 310 weist ein Gehäuse bzw. eine Kapsel mit einer ungefähr zylindrischen Form auf, wobei die Richtung entlang des Pfeils X auf die Höhenrichtung eingestellt ist, und ist an einer Position unterhalb des Kathodenauslassventils 110 in Reihe mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden. Ein Motor 311, der den Ventilkegel des Kathodenzufuhrventils 110 ansteuert, ist im Anschluss an die Reihenanordnung der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 und des Gehäuses des Kathodenauslassventils 310 platziert.
  • Die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 ist als Leitung angeordnet, die in Richtung der Schwerkraft entlang der Außenfläche des Kathodenzufuhrventils 110 von der zylindrischen Seitenfläche des Gehäuses des Kathodenauslassventils 310 aus nach oben verläuft. Genauer verläuft die nachgelagerte Seite der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 in Richtung der Schwerkraft entlang der zylindrischen oberen Fläche des Gehäuses des Kathodenzufuhrventils 110 nach oben, und ihre vorgelagerte Seite verläuft entlang der zylindrischen Seitenfläche des Gehäuses des Kathodenzufuhrventils 110 zur Rückseite hin. Ein vorgelagertes Ende der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 ist zur Rückseite hin offen, und ein Flansch 301 ist um den Umfang der Öffnung herum ausgebildet, um mit der ersten Endplatte 12 verbunden zu werden.
  • Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 ist an einer Position angeordnet, die an das Kathodenzufuhrventil 110 und die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 angrenzt. Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 besteht aus einem gekrümmten Rohr und weist einen vorgelagerten Rohrabschnitt 201, der von der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 zur Vorderseite verläuft, und einen nachgelagerten Rohrabschnitt 202 auf, der vom vorgelagerten Rohrabschnitt 201 in Richtung der Schwerkraft verläuft, um mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden zu werden. Das Umgehungsrohrleitungsventil 210 ist innerhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 platziert, wie später ausführlich beschrieben wird. Ein Motor 211, der den Ventilkegel des Umgehungsrohrleitungsventils 210 antreibt, ist oberhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 angeordnet.
  • Die Anodenabgas-Rohrleitung 400 ist unterhalb der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 und der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 angeordnet. Die Anodenabgas-Rohrleitung 400 weist eine Öffnung 401 auf, die mit dem Anodenabgassammelrohr zu verbinden ist. Die Öffnung 401 ist zur Rückseite hin offen, und ein Flansch 402 ist um den Umfang der Öffnung 401 herum ausgebildet, um mit der ersten Endplatte 12 verbunden zu werden. Ein dünnwandiger Abschnitt 403 ist an der Rückseite des Flansches 402 ausgebildet.
  • In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform ist der Flansch 402 für die Anodenabgas-Rohrleitung 400 mit dem Flansch 121 für die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 zu einer Einheit integriert. Dieser Aufbau ermöglicht eine Befestigung des Kathodengaszufuhr-Durchlasses 41 und des Anodengasabfuhr-Durchlasses 43 als Einheit an der Brennstoffzelle 10. Diese Flansche 121 und 402 sind so ausgebildet, dass sie die Außenfläche der ersten Endplatte 12 abdecken. Die Flansche 121 und 402 dienen demgemäß als Wärmeisolierung, um eine Wärmeableitung aus der Brennstoffzelle 10 zu verhindern. Der dünnwandige Abschnitt 403, der an der Rückseite des Flansches 402 ausgebildet ist, ist durch die Außenfläche der ersten Endplatte 12 luftdicht abgeschlossen und dient dadurch als Wärmeisolierungsschicht, um eine Wärmeabstrahlung aus der Brennstoffzelle 10 zu verhindern.
  • Der Gas-Flüssigkeit-Abscheider 410 und das Wassersammelbecken 411 sind innerhalb der Anodenabgas-Rohrleitung 400 platziert. Der genaue Aufbau wird später beschrieben. Die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 ist zwischen der Anodenabgas-Rohrleitung 400 und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 angeordnet. Das Anodenablaufventil 415 zum Verbinden des Wassersammelbeckens 411, das innerhalb der Anodenabgas-Rohrleitung 400 angeordnet ist, mit der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 ist über die linken Seitenflächen der Anodenabgas-Rohrleitung 400 und die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 angeordnet. Die separate Abgas-Rohrleitung 430 ist mit der rechten Seitenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400 verbunden. Die separate Abgas-Rohrleitung 430 verläuft in der Richtung, die dem Pfeil X entgegengesetzt ist, unterhalb des Kathodenzufuhrventils 110.
  • Wie oben beschrieben, ist diese Rohrleitungseinheit 40 an einer vorgegebenen Stelle auf der Außenfläche der ersten Endplatte 12 der Brennstoffzelle 10 angebaut. Im Folgenden wird eine konkrete Anbauposition beschrieben.
  • 5 zeigt eine Anbauposition der Rohrleitungseinheit 40 an der Brennstoffzelle 10. In 5 ist die Außenfläche der ersten Endplatte 12 der Brennstoffzelle 10 dargestellt, und die Außenränder der jeweiligen Flansche 121, 402 und 301 im befestigten Zustand der Rohrleitungseinheit 40 sind von den gestrichelten Linien dargestellt. In 5 ist außerdem eine Dichtungsleitung SL, die zwischen der Rohrleitungseinheit 40 und der ersten Endplatte 12 ausgebildet ist, im Zustand der Befestigung der Rohrleitungseinheit 40 durch die Einpunkt-Strich-Linie dargestellt. Außerdem ist in 5 die Position des Auslasses 111 des Kathodenzufuhrventils 110 von der Zweipunkte-Strich-Linie dargestellt, und der Strom des Kathodengases, das aus dem Auslass 111 strömt, ist von den Pfeilen dargestellt.
  • Die erste Endplatte 12 wird von einem Plattenelement mit einer im Wesentlichen rechteckigen Form bereitgestellt. Im Brennstoffzellensystem 1000 ist die Brennstoffzelle 10 so angeordnet, dass die Längsrichtung der ersten Endplatte 12 und die Stapelrichtung der Brennstoffzelle 10 horizontal sind. In 5 ist die Richtung der Schwerkraft in der Anordnung der Brennstoffzelle 10 im Brennstoffzellensystem 1000 von einem Pfeil G dargestellt.
  • Die erste Endplatte 12 weist ein Anodenzufuhrsammelrohr M1 und ein Anodenabgassammelrohr M2 und zwei Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b und zwei Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b auf. Die Sammelrohre M1, M2, M3a, M3b, M4a und M4b sind jeweils entlang der langen Seiten der ersten Endplatte 12 angeordnet. Genauer sind die beiden Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b so vorgesehen, dass sie entlang einer langen Seite der ersten Endplatte 12 angeordnet sind, während die beiden Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b so vorgesehen sind, dass sie entlang der anderen langen Seite der ersten Endplatte 12 angeordnet sind.
  • Das Anodenzufuhrsammelrohr M1 ist auf der gleichen Seite angeordnet wie die Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b, während das Anodenabgassammelrohr M2 auf der gleichen Seite wie die Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b angeordnet ist. Das Anodenzufuhrsammelrohr M1 und das Anodenabgassammelrohr M2 sind so ausgebildet, dass sie diagonal zueinander über einem mittleren Bereich der ersten Endplatte 12 angeordnet sind.
  • Außerdem sind ein Kühlmittelzufuhrsammelrohr M5 und ein Kühlmittelausfuhrsammelrohr M6 so ausgebildet, dass sie einander über dem mittleren Bereich der ersten Endplatte 12 gegenüber liegen und entlang von zwei kurzen Seiten der ersten Endplatte 12 angeordnet sind. Die Spannelemente 15 zum Festspannen der Brennstoffzelle 10 sind an der ersten Endplatte 12 befestigt und verlaufen in der Dickenrichtung durch diese hindurch. Die Spannelemente 15 sind an den vier Ecken der ersten Endplatte 12 und an den Positionen zwischen dem ersten Kathodenzufuhrsammelrohr M3a und dem zweiten Kathodenzufuhrsammelrohr M3b und zwischen dem ersten Kathodenabgassammelrohr M4a und dem zweiten Kathodenabgassammelrohr M4b eingerichtet.
  • Im Brennstoffzellensystem 1000 dieser Ausführungsform ist die Brennstoffzelle 10 so angeordnet, dass die Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b in Richtung der Schwerkraft auf der oberen Seite angeordnet sind, und die Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b in Richtung der Schwerkraft auf der unteren Seite angeordnet sind. Diese Anordnung der Brennstoffzelle 10 bewirkt, dass das Kathodengas entlang der Richtung der Schwerkraft auf der Kathodenseite jeder einzelnen Einzelzelle 11 von der unteren Seite zur oberen Seite strömt. In der Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle ist es im Allgemeinen erstrebenswert, die Elektrolytmembran während des Betriebs in einem feuchten Zustand zu halten. Dieser Strom des Kathodengases in der Brennstoffzelle 10 übt eine gegen die Schwerkraft wirkende Kraft auf das Wasser auf, das in der Elektrolytmembran jeder einzelnen Einzelzelle 11 enthalten ist, und verhindert somit, dass das Wasser entgegen der Schwerkraft wandert. Diese Anordnung der Brennstoffzelle 10 verbessert somit die Wasserrückhaltungsfähigkeit der Elektrolytmembran während des Betriebs der Brennstoffzelle 10.
  • Im Zustand der Befestigung der Pumpeneinheit 40 an der ersten Endplatte 12 ist das Kathodenzufuhrventil 110 zwischen den Kathodenzufuhrsammelrohren M3a und M3b und den Kathodenabgassammelrohren M4a und M4b angeordnet. Der Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 ist zur Außenfläche der ersten Endplatte 12 hin offen. Die beiden Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b sind in Richtung der Schwerkraft in einem unteren Endbereich der Öffnung der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 angeordnet. Das Anodenabgassammelrohr M2 ist mit der Öffnung 401 der Anodenabgas-Rohrleitung 400 verbunden. Die beiden Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b sind in der Öffnung an einem vorgelagerten Ende der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 angeordnet.
  • Dichtungsmaterialien (nicht dargestellt) sind um den Umfang der Öffnungen der jeweiligen Rohrleitungen 120, 300 und 400 eingerichtet, so dass die Dichtungsleitung SL im Zustand der Befestigung der Rohrleitungseinheit 40 an der ersten Endplatte 12 ausgebildet wird. Die Dichtungsleitung SL, die von der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 ausgebildet wird, ist so angeordnet, dass sie den Bereich des Auslasses 111 des Kathodenzufuhrventils 110 und die Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b umgibt.
  • Die Öffnung der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 wird von der Außenfläche der ersten Endplatte 12 verschlossen, so dass die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 einen Hohlraum für eine Verbindung des Auslasses 111 des Kathodenzufuhrventils 110 mit den beiden Zufuhrsammelrohren M3a und M3b begrenzt. Das Kathodengas strömt durch den Hohlraum entlang der Außenfläche der ersten Endplatte 12 und strömt in die Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b. Anders ausgedrückt wird für die Rohrleitungseinheit 40 die Außenfläche der ersten Endplatte 12 als Führungswand verwendet, um das Kathodengas vom Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 in die Zufuhrsammelrohre M3a und M3b zu leiten.
  • Wie oben beschrieben, verbessert der Strom des Kathodengases in einer Richtung, die der Richtung der Schwerkraft entgegengesetzt ist, die Wasserrückhaltefähigkeit der Elektrolytmembran in jeder von den Einzelzellen 11. Bei einer Unterbrechung der Kathodengaszufuhr, beispielsweise nach Anhalten des Betriebs der Brennstoffzelle 10, kann das Wasser auf der Kathodenseite jeder einzelnen Brennstoffzelle 11 aufgrund der Schwerkraft zurück in die Zufuhrsammelrohre M3a und M3b strömen.
  • In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform ist das Kathodenzufuhrventil 110 jedoch oberhalb der ersten und zweiten Zufuhrsammelrohre M3a und M3b angeordnet. Diese Anordnung verhindert wirkungsvoll, dass das Wasser in der Brennstoffzelle 10 nach einem Anhalten des Betriebs in das Kathodenzufuhrventil 110 strömt. Dies verhindert demgemäß das Einfrieren des Kathodenzufuhrventils 110 oder eine Funktionsminderung des Kathodenzufuhrventils 110 in der Niedertemperaturumgebung aufgrund des Rückstroms von Wasser.
  • Wie oben beschrieben wird die Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform durch Integrieren einer Mehrzahl von Rohren und Ventilen für die Zufuhr und Ausfuhr der Reaktionsgase zu einer Einheit aufgebaut und wird als Einheit an der Brennstoffzelle 10 befestigt. Die Komponenten 41 bis 43 der Rohrleitungseinheit 40 sind jeweils kompakt angeordnet und dadurch mit der Brennstoffzelle 10 zu einer Einheit integriert, die im Brennstoffzellensystem 1000 anzuordnen ist. Dadurch wird eine weitere Verkleinerung des Brennstoffzellensystems 1000 erreicht. In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform sind die Komponenten 41 bis 43 jeweils wie nachstehend beschrieben aufgebaut, um den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 zu verbessern und eine Funktionsminderung der Brennstoffzelle 10 zu verhindern.
  • 6 bis 8 stellen den Aufbau des Kathodengaszufuhr-Durchlasses 41 in der Rohrleitungseinheit 40 ausführlicher dar. 6A ist eine schematische Frontansicht, die den Kathodengaszufuhr-Durchlass 41 darstellt. 6B ist eine schematische Draufsicht, die den Kathodengaszufuhr-Durchlass 41 darstellt. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z, die denen von 2 bis 4 ähneln, sind in 6A und 6B dargestellt. In 6A sind die Positionen der Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b und des Spannelements 15 in der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 im Zustand der Befestigung der Rohrleitungseinheit 40 an der Brennstoffzelle 10 von den gestrichelten Linien dargestellt. Die Darstellung der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 ist mit Ausnahme eines Teils ihres vorgelagerten Rohrabschnitts 201 in 6A und 6B weggelassen. Der Flansch 402 für die Anodenabgas-Rohrleitung 400, der mit dem Flansch 121 zu einer Einheit integriert ist, ist in 6A und 6B dargestellt.
  • 7A ist eine schematische Querschnittsansicht des Kathodenzufuhrventils 110 entlang einer Linie A-A in 6A. Das Kathodenzufuhrventil 110 ist ein Tellerventil und weist einen Ventilkegel 112, ein Diaphragma bzw. Trennelement 113, einen Druck ausübenden Mechanismus 114, ein Gehäuse bzw. eine Kapsel 117 und eine Gehäuseabdeckung 118 auf. Der Hauptkörper des Gehäuses 117 ist in einer ungefähr zylindrischen Form ausgebildet, und sein Auslass 111 ist in der Mitte der Bodenfläche als ungefähr kreisförmige Öffnung ausgebildet, und der Flansch 121 ist um den Umfang des Auslasses 111 herum ausgebildet. Ein Einlass 115 ist in der Seitenfläche des Hauptkörpers des Gehäuses 117 als eine ungefähr rechtwinklige Öffnung ausgebildet, die mit der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 110 verbunden ist. Die obere Fläche bzw. Oberseite des Gehäuses 117 ist ganz offen und wird durch Befestigung der Gehäuseabdeckung 118 geschlossen. Ein offenes Ende der Gehäuseabdeckung 118 weist einen Abschnitt auf, der ungefähr in L-Form auswärts gebogen ist, um das offene Ende des Gehäuses 117 abzudecken und abzudichten.
  • Das Trennelement 113 ist eine ungefähr scheibenförmige, dünne Folie mit Elastizität in der Dickenrichtung und wird durch Festspannen seines peripheren Endes zwischen dem Gehäuse 117 und dem offenen Ende der Gehäuseabdeckung 118 festgehalten. Der interne Hohlraum des Kathodenzufuhrventils 110 wird vom Trennelement 113 zweigeteilt, d. h. in den internen Hohlraum auf der Seite des Gehäuses 117 und den internen Hohlraum auf der Seite der Gehäuseabdeckung 118. Der interne Hohlraum auf der Seite des Gehäuses 117 ist durch das Trennelement 113 luftdicht gegen den internen Hohlraum auf der Seite der Gehäuseabdeckung 118 abgedichtet. Der interne Hohlraum auf der Seite der Gehäuseabdeckung 118 steht mit der Außenumgebung in Verbindung und wird dadurch unter Atmosphärendruck gehalten.
  • Der Ventilkegel 112 ist an der Fläche des Trennelements 113 auf der Seite des Gehäuses 117 befestigt, um den Auslass 111 zu schließen. Der Druck ausübende Mechanismus 114 ist an der Fläche des Trennelements 113 auf der Seite der Gehäuseabdeckung 118 befestigt. Der Druck ausübende Mechanismus 114 drückt den Ventilkegel 112 über das Trennelement 113 gegen einen Ventilsitz 116 am Außenrand des Auslasses 111. Dieser Aufbau bewirkt, dass das Kathodenzufuhrventil 110 normalerweise die geschlossene Position einnimmt. Wenn das Kathodengas mit einem vorgegebenen Druck durch den Einlass 115 in den internen Hohlraum auf der Seite des Gehäuses 117 gedrückt wird, wird das Trennelement 113 durch den Gasdruck zur Seite der Gehäuseabdeckung 118 hin gebogen. Der Ventilkegel 112 hat demgemäß einen Abstand zum Ventilsitz 116 am Außenrand des Auslasses 111, um das Kathodenzufuhrventil 110 zu öffnen.
  • Das Kathodenzufuhrventil 110 ist durch den Flansch 121, der am Außenrand der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 ausgebildet ist, an der ersten Endplatte 12 befestigt. Wie oben beschrieben, wird das Kathodenzufuhrventil 110 während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wiederholt entsprechend dem Zufuhrdruck des Kathodengases geöffnet und geschlossen. Die Fixierung des Kathodenzufuhrventils 110 an der ersten Endplatte 12 aus dem Material mit relativ hoher Steifigkeit kann die Vibration, die mit den Öffnungs-/Schließungsbetätigungen des Kathodenzufuhrventils 110 einhergeht, verringern.
  • Im Kathodenzufuhrventil 110 dieser Ausführungsform ist der dünnwandige Abschnitt 119 unter dem Ventilsitz 116 durch Verdünnen der Wand von der Kontaktfläche des Ventilsitzes 116 mit der ersten Endplatte 12 (rechts in der Abbildung) zur Sitzfläche des Ventilsitzes 116 (links in der Abbildung) ausgebildet. Das Vorhandensein des dünnwandigen Abschnitts 119 verringert das Gesamtgewicht des Kathodenzufuhrventils 110.
  • 7B ist eine schematische Querschnittsansicht, die ein Kathodenzufuhrventil 110a als Vergleichsbeispiel darstellt. Der Aufbau von 7B ist dem Aufbau von 7A ungefähr gleich, mit Ausnahme der davon verschiedenen Wandverdünnungsrichtung eines dünnwandigen Abschnitts 119a. Im Kathodenzufuhrventil 110a des Vergleichsbeispiels ist der dünnwandige Abschnitt 119 unter dem Ventilsitz 116 durch Verdünnen der Wand in der lateralen Richtung des Gehäuses 117 (d. h. in der vertikalen Richtung der Abbildung) ausgebildet. Bei diesem Aufbau kann die Ausbildung des dünnwandigen Abschnitts 119a eine für eine Stützung der Sitzfläche des Ventilsitzes 116 entgegen der Druckausübungsrichtung des Ventilkegels 112 ungenügende Steifigkeit bewirken. Dies kann zu einer schlechten Dichtungseigenschaft zwischen dem Ventilsitz 116 und dem Ventilkegel 112 führen.
  • Dagegen ist im Kathodenzufuhrventil 110 dieser Ausführungsform (7A) der dünnwandige Abschnitt 119 unter Zurücklassung der Wände (Rippen) zum Stützen der Sitzfläche des Ventilsitzes 116 ausgebildet. Dieser Aufbau kann das Gesamtgewicht des Kathodenzufuhrventils 110 verringern und gleichzeitig eine Abnahme der Steifigkeit des Ventilsitzes 116 verhindern.
  • 7C ist eine schematische Querschnittsansicht der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und des Kathodenzufuhrventils 110 entlang einer Linie C-C in 6B. In 7C ist das Kathodenzufuhrventil 110 mit Ausnahme des Gehäuses 117 in der Abbildung weggelassen, und die Pfeile stellen den Strom des Kathodengases dar. 7D und 7E sind schematische Querschnittsansichten der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 entlang einer Linie D-D bzw. einer Linie E-E in 7C. Die Dreirichtungspfeile X, Y und Z sind in 7C bis 7E für die Zwecke der Zuordnung zu 6 dargestellt.
  • Im Allgemeinen weist der Querschnitt des vorgelagerten Strömungswegs der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 vorzugsweise eine ungefähr kreisförmige Form auf, um die Verbindung mit externen Rohrleitungen und die Befestigung eines Teils, beispielsweise einer wasserdichten Dichtungshülse, zu erleichtern. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 dieser Ausführungsform ist demgemäß so ausgebildet, dass sie einen ungefähr kreisförmigen stromaufwärtigen Strömungswegquerschnitt aufweist (7D). Der Querschnitt des nachgelagerten Strömungswegs der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 weist andererseits vorzugsweise eine Form auf, die der Form der Öffnung des Einlasses 115 des Kathodenzufuhrventils 110 entspricht.
  • Im Kathodenzufuhrventil 110 ist die vergrößerte Öffnungsfläche des Einlasses 115 bevorzugt, um eine Steigerung des Druckabfalls des einströmenden Kathodengases zu verhindern, während die verringerte Öffnungsweite des Einlasses 115 in der Richtung entlang des Pfeils Y für eine Verkleinerung des Gehäuses 117 bevorzugt ist. Außerdem ist im Kathodenzufuhrventil 110 die vergrößerte Strömungswegbreite des Einlasses 115 in der Richtung entlang des Pfeils Z in Bezug auf den Auslass 111 für die verbesserte Steuerbarkeit des Kathodengases, das vom Einlass 115 zum Auslass 111 strömt, bevorzugt. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Einlass 115 des Kathodenzufuhrventils 110 dadurch als rechteckige Öffnung ausgebildet, wobei die Umfangsrichtung des Gehäuses 117 auf die langen Seiten eingerichtet ist (7A).
  • Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 dieser Ausführungsform weist demgemäß einen länglichen Querschnitt des nachgelagerten Strömungswegs auf mit der größeren Strömungswegbreite in der Richtung des Pfeils Z entsprechend der Form der Öffnung des Einlasses 115 und der kleineren Strömungswegbreite in der Richtung entlang des Pfeils Y (7E). Wie gerade beschrieben, ist die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 dieser Ausführungsform so aufgebaut, dass sie die variierende Form des Strömungswegquerschnitts von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite aufweist. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 weist vorzugsweise den im Wesentlichen festen Strömungswegquerschnitt von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite auf, um eine Zunahme des Druckabfalls des Kathodengases zu verhindern, und eine sanftere Änderung der Form des Strömungswegquerschnitts ist von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite bevorzugt.
  • 8A ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Querschnitt der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 entlang einer Linie D-D in 6A darstellt. In dem Zustand, der in 8A dargestellt ist, ist die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 an der ersten Endplatte 12 angebracht. Das Spannelement 15 ist zwischen dem ersten Kathodenzufuhrsammelrohr M3a und dem zweiten Kathodenzufuhrsammelrohr M3b platziert. In der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 kann ein Vorsprung der Oberseite des Spannelements 15, der über die Außenfläche der ersten Endplatte 12 übersteht, den Strom des Kathodengases behindern und den Druckabfall des Kathodengases erhöhen. In der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 dieser Ausführungsform wird jedoch eine konvexe Krümmung 122 durch Auswärtskrümmen der Außenwand in einem bestimmten Bereich, der die Oberseite des Spannelements 15 abdeckt, ausgebildet, um zu verhindern, dass der Strömungswegquerschnitt in dem betreffenden Bereich kleiner wird. Dementsprechend wird eine schlechte Steuerbarkeit des Kathodengases zur zweiten Zufuhrzweigleitung M3b verhindert.
  • 8B ist eine schematische Skizze, die den Installationsbereich der Wasserstoffpumpe 50 zeigt. 8B ist 5 weitgehend gleich, außer dass der Bereich, wo die Wasserstoffpumpe 50 installiert ist, schraffiert dargestellt ist. Im Brennstoffzellensystem 1000 dieser Ausführungsform wird das Anodenabgas über die Wasserstoffpumpe 50 zum Anodengaszufuhr-Durchlass 31 gewälzt (1). Die Rohrleitungseinheit 40 weist die separate Abgas-Rohrleitung 430 auf, um das Anodenabgas zu leiten. Für die Verkleinerung des Brennstoffzellensystems 1000 ist es bevorzugt, dass die Wasserstoffpumpe 50 zwischen der Rohrleitungseinheit 40 und dem Anodenzufuhrsammelrohr M1 angeordnet ist. In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform ist die Außenwand der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 wie nachstehend beschrieben vorgesehen, um die Installation der Wasserstoffpumpe 50 angrenzend an die Rohrleitungseinheit 40 zu ermöglichen.
  • Wie oben beschrieben, ist die Außenwand der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 so ausgebildet, dass sie vom Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 zum ersten Kathodenzufuhrsammelrohr M3a und zum zweiten Kathodenzufuhrsammelrohr M3b allmählich breiter wird. Die Außenwand der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 weist eine Biegung 123 auf, die zur Seite des Strömungswegs hin zurückweicht, an einer Stelle, die an den Installationsbereich der Wasserstoffpumpe angrenzt. Das Vorhandensein dieser Biegung 123 verringert den Strömungswegquerschnitt, der von der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 begrenzt wird, an der Außenfläche der ersten Endplatte 12 und stellt den Installationsbereich der Wasserstoffpumpe 50 sicher.
  • Der Gasströmungsweg stromabwärts von der Stelle, wo die Biegung 123 ausgebildet ist, weist den verringerten Strömungswegquerschnitt auf und wirkt sich demgemäß erhöhend auf den Druckabfall aus. Das Vorhandensein des Spannelements 15 stromabwärts von der Biegung 123 kann zu einer weiteren Erhöhung des Druckabfalls stromabwärts von der Biegung 123 führen. Um die Steuerbarkeit des Kathodengases zu den ersten und zweiten Zufuhrsammelrohren M3a und M3b zu verbessern, ist es bevorzugt, dass die Biegung 123 an einer Stelle angeordnet ist, die dem zweiten Zufuhrsammelrohr M3b näher ist als die Position der konvexen Krümmung 122. Dadurch bleibt der Strömungswegquerschnitt stromabwärts von der Biegung 123 erhalten und eine Erhöhung des Druckabfalls wird verhindert.
  • 9 sind Skizzen, die die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120a eines Vergleichsbeispiels zeigen. 9A und 9B zeigen schematisch die Brennstoffzelle 10, die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100, das Kathodenzufuhrventil 110 und die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120a, wobei die anderen Komponenten des Brennstoffzellensystems in der Abbildung weggelassen sind. 9A zeigt den Zustand während des Betriebs der Brennstoffzelle 10, und 9B zeigt den Zustand nach einem Anhalten des Betriebs der Brennstoffzelle 10. Im Aufbau dieses Vergleichsbeispiels besteht die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120a aus einem Harzrohr und ist so angeordnet, dass sie das Kathodenzufuhrventil 110, das entfernt von der ersten Endplatte 12 angeordnet ist, mit den Kathodenzufuhrsammelrohren der ersten Endplatte verbindet. Die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung dieses Vergleichsbeispiels hat ein Strömungswegvolumen, das um den Abstand des Kathodenzufuhrventils 110 zur ersten Endplatte 12 größer ist als das Strömungswegvolumen der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 der vorliegenden Ausführungsform.
  • Während der Betrieb der Brennstoffzelle 10 angehalten ist, ist die Zufuhr an Kathodengas unterbrochen, und das Kathodenzufuhrventil 110 ist geschlossen (9B). Das Kathodenauslassventil 310 und das Ein/Aus-Ventil, das in der Anodengaszufuhr-Rohrleitung 31 angeordnet ist, sind ebenfalls geschlossen, aber dies ist nicht eigens dargestellt. Die Brennstoffzelle 10 ist dementsprechend in dem Zustand, wo Reaktionsgas zurückbleibt, abgedichtet. Innerhalb der abgedichteten Brennstoffzelle 10 tritt ein Teil des verbliebenen Wasserstoffs in den einzelnen Einzelzellen 11 durch die Elektrolytmembran hindurch zur Kathodenseite aus, und Sauerstoff auf der Kathodenseite reagiert mit dem austretenden Wasserstoff und wird verbraucht. Nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 10 angehalten worden ist, nimmt der Druck des Reaktionsgases, das in der Brennstoffzelle 10 und stromabwärts vom geschlossenen Ventil zurückgeblieben ist, ab, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 10 sinkt. Nachdem der Betrieb der Brennstoffzelle 10 angehalten worden ist, kann somit ein Unterdruck stromabwärts vom Kathodenzufuhrventil 110 entstehen.
  • Die Erzeugung von Unterdruck stromabwärts vom Kathodenzufuhrventil 110 bewirkt, dass die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120a, die aus dem Harzrohr besteht, in Kontraktionsrichtung verformt wird. Bei einem Neustart des Betriebs der Brennstoffzelle 10 wird die kontrahierte nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120a abrupt in Expansionsrichtung verformt, was zu einem anomalen Geräusch führen kann. Die Wiederholung einer solchen Kontraktionsverformung und Expansionsverformung kann die Funktionsminderung der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120a beschleunigen. Wenn ein Material mit einer hohen Steifigkeit für die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120a verwendet wird, um solche Verformungen zu vermeiden, kann andererseits das Gewicht der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120a deutlich erhöht werden.
  • In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform ist der Abstand zwischen dem Auslass des Kathodenzufuhrventils 110 und den Kathodenzufuhrsammelrohren M3a und M3b jedoch relativ kurz, und die Außenfläche der ersten Endplatte 12 wird als Wandfläche des Gasströmungswegs genutzt. Auch wenn die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 so ausgebildet ist, dass sie eine Außenwand mit erhöhter Steifigkeit aufweist, um eine Verformung der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 aufgrund der Entstehung eines Unterdrucks nach Anhalten des Betriebs der Brennstoffzelle 10 zu vermeiden, bewirkt dieser Aufbau nur eine relativ geringe Gewichtszunahme. Die Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform kann somit eine Verformung der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 und das damit einhergehende Auftreten eines anomalen Geräusches nach einem Anhalten des Betriebs der Brennstoffzelle 10 ohne Weiteres verhindern.
  • Es ist allgemein bekannt, dass die Reaktion des verbliebenen Reaktionsgases in der Brennstoffzelle nach einem Anhalten des Betriebs wie oben beschrieben eine unerwartet hohe Spannung auf der Kathodenseite entstehen lassen und eine Funktionsminderung der Elektrodenkatalysatorschicht bewirken kann. In der Rohrleitungseinheit 40 der vorliegenden Ausführungsform ist das Strömungswegvolumen der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 jedoch relativ klein, und dadurch ist die Menge an Kathodengas, das nach einem Anhalten des Betriebs stromabwärts vom Kathodenzufuhrventil 110 zurückbleibt, verringert. Dadurch wird die Reaktion des in der Brennstoffzelle 10 verbliebenen Reaktionsgases nach dem Anhalten des Betriebs unterdrückt und dadurch die Funktionsminderung der Katalysatorschicht in der Brennstoffzelle 10 verhindert.
  • 10 und 11 sind schematische Ansichten, die den Aufbau der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 ausführlicher darstellen. 10A ist eine Frontansicht, die das Äußere der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 darstellt, und 10B ist eine linke Seitenansicht, die das Äußere der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 darstellt. Ein Teil der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und ein Teil der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320, die jeweils mit der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 verbunden sind, sind in 10A und 10B ebenfalls dargestellt. 11 ist eine Skizze, die den inneren Aufbau der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 darstellt. Die Querschnitte der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320, die jeweils mit der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 verbunden sind, sind in 11 ebenfalls dargestellt. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z, die denen von 2 bis 4 ähneln, sind in 10 und 11 dargestellt.
  • Der vorgelagerte Rohrabschnitt 201 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 ist mit der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 so verbunden, dass die Bodenfläche des Strömungswegs des vorgelagerten Rohrabschnitts 201 in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Bodenfläche der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 an der Verbindungsstelle mit der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 angeordnet ist (11). Wie in 1 beschrieben, strömt das Kathodengas, das vom Luftverdichter 20 aus der Umgebungsluft angesaugt wird, in die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100. Durch die oben geschilderte Verbindung des vorgelagerten Rohrabschnitts 201 mit der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 werden Verunreinigungen, wie Staub oder Regenwasser, die im Kathodengas enthalten sind, durch die Schwerkraft in die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 geleitet. Dieser Aufbau verhindert vorteilhafterweise, dass Regenwasser oder Verunreinigungen, die im Kathodengas enthalten sind, in die Brennstoffzelle 10 strömen, und verhindert dadurch eine Funktionsminderung der Brennstoffzelle 10.
  • Das Umgehungsrohrleitungsventil 210 ist im nachgelagerten Rohrabschnitt 202 platziert. Genauer ist ein Ventilkegel 212, der sich entlang der Rohrleitungsrichtung bewegt, innerhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 angeordnet, und ein Ventilsitz 213 ist in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Ventilkegels 212 angeordnet, um den Ventilkegel 212 aufzunehmen Das heißt, dass der nachgelagerte Rohrabschnitt 202 als Ventilkasten des Umgehungsrohrleitungsventils 210 dient. Der Direktabtriebs-Motor 211 ist oberhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 installiert, um den Ventilkegel 212 anzutreiben. Eine Membran (nicht dargestellt) ist so platziert, dass sie eine Abdichtung zwischen dem Motor 211 und dem nachgelagerten Rohrabschnitt 202 bewirkt.
  • Wie oben beschrieben, ist das Umgehungsrohrleitungsventil 210 so aufgebaut, dass es sich als Reaktion auf eine Bewegung des Ventilkegels 212 in Richtung der Schwerkraft nach unten schließt. Auch wenn der Ventilkegel 212 beispielsweise wegen eines Ausfalls des Motors 211 schwimmt, bestehen gute Chancen dafür, dass der Ventilkegel 212 sich aufgrund der Schwerkraft in die geschlossene Stellung bewegt und durch den Druck des Umgehungsgases am Ventilsitz 213 angelegt wird. Dieser Aufbau vermeidet somit vorteilhafterweise ein übermäßiges Austreten des Kathodengases aufgrund eines Ausfalls des Motors 211 und verhindert, dass der Betrieb der Brennstoffzelle 10 mit dem niedrigen Wirkungsgrad der Leistungserzeugung fortgesetzt wird. Der Motor 211 für das Umgehungsrohrleitungsventil 210 ist in Richtung der Schwerkraft oberhalb des Strömungswegs des Umgehungsgases angeordnet. Dies verhindert, dass Wasser, das in die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 strömt, sich in Richtung auf den Motor 211 bewegt, sowie eine daraus folgende Funktionsminderung des Motors 211.
  • Vorzugsweise ist der nachgelagerte Rohrabschnitt 202 an der Position, die vom Mittelpunkt der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 versetzt ist, angeschlossen, so dass die Mittelachse des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 die Mittelachse der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 nicht schneidet. Eine solche Verbindungsanordnung bewirkt, dass das Umgehungsgas, das in die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 strömt, entlang der Innenwandfläche der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 strömt und dazu neigt, einen Wirbelstrom in der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 zu erzeugen.
  • Die Erzeugung eines Wirbelstroms des Umgehungsgases ermöglicht eine ausreichende Spülung, um das Wasser aus der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 zu entfernen. Der Wirbelstrom diffundiert ferner den Wasserstoff, der im Kathodenabgas enthalten ist, während des mit niedrigem Wirkungsgrad durchgeführten Betriebs für eine Aufwärmung der Brennstoffzelle 10, der oben beschrieben ist, und den Wasserstoff, der im Anodenabgas enthalten ist, das mit dem Ablaufwasser über die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 auf der Anodenseite ausgeführt wird. Anders ausgedrückt ermöglicht der Wirbelstrom eine wirksamere Verdünnung des Wasserstoffs in der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320. Um die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 zu spülen, wird der nachgelagerte Rohrabschnitt 202 so angeschlossen, dass er einen Neigungswinkel zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 aufweist (10A), wie weiter unten ausführlich beschrieben ist.
  • 12 und 13 sind schematische Ansichten, die den Aufbau des Kathodengas-Ausfuhrkanals 42 ausführlicher darstellen. 12A ist eine schematische perspektivische Ansicht, die den Kathodengas-Ausfuhrkanal 42 unter Weglassung der Komponenten der Rohrleitungseinheit 40 abgesehen vom Kathodengas-Ausfuhrkanal 42 in der Abbildung darstellen. 12B ist eine schematische Ansicht, die den inneren Aufbau eines Teils der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300, des Kathodenauslassventils 310 und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 darstellt. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z, die denen von 2 bis 4 ähneln, sind in 12A und 12B ebenfalls dargestellt.
  • Das Kathodenauslassventil 310 ist ein Tellerventil mit einem Ventilkegel 315, der sich in Richtung entlang des Pfeils X bewegt, und weist ein Gehäuse mit einer im Wesentlichen zylindrischen Form auf. Ein Einlass 312 ist in der Seitenfläche des Gehäuses ausgebildet und ist mit der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300, die in Richtung der Schwerkraft nach unten verlaufend angeordnet ist, verbunden. Ein Auslass 313 ist so in der Bodenfläche des Gehäuses angeordnet, dass er in Richtung des Pfeils X offen ist. Ein Motor 311 zum Antreiben des Ventilkegels 315 ist am offenen Ende gegenüber dem Auslass 313 angeordnet.
  • Im Kathodenauslassventil 310 ist ein Ventilsitz 314 rings um den Auslass 313 außerhalb des Gehäuses eingerichtet. Im Kathodenauslassventil 310 ist der Hauptkörper des Ventilkegels 315 demgemäß außerhalb des Gehäuses angeordnet. Das Kathodenauslassventil 310 wird geschlossen, wenn sich der Hauptkörper des Ventilkegels 315 von der Seite der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 zur Gehäuseseite bewegt. Auch wenn der Ventilkegel beispielsweise aufgrund eines Ausfalls des Motors 311 schwimmt, bewirkt diese Anordnung des Ventilkegels 315, dass der Ventilkegel 315 vom Kathodenabgas in die offene Stellung bewegt wird und ermöglicht dadurch einen fortgesetzten Betrieb der Brennstoffzelle 10.
  • 13A bis 13C sind schematische Querschnittsansichten, die den Aufbau einer vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 darstellen. 13A stellt schematisch den Querschnitt der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 und des Gehäuses des Kathodenzufuhrventils 310 dar. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z sind in 13A zum Zwecke der Zuordnung zu 12 dargestellt. Die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 weist einen vorgelagerten Rohrabschnitt 302, der vom Flansch 301 in Richtung auf die Vorderseite der Rohrleitungseinheit 40 (in Richtung des Pfeils Y) verläuft, und einen nachgelagerten Rohrabschnitt 303 auf, der vom vorgelagerten Rohrabschnitt 302 abbiegt und nach unten verläuft.
  • Nach dem Anhalten der Brennstoffzelle 10 kann das Wasser, das im Kathodenabgas enthalten ist, in der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 kondensieren. Das flüssige Wasser W, das in der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 kondensiert und in das Kathodenauslassventil 310 strömt, kann das Kathodenauslassventil 310 in einer Niedertemperaturumgebung, beispielsweise einer Umgebung, in der Minusgrade herrschen, gefrieren lassen.
  • Im Aufbau dieser Ausführungsform ist die Bodenfläche des vorgelagerten Rohrabschnitt 302 der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 stärker aufwärts geneigt als auf der nachgelagerten Seite. Dieser Aufbau macht es möglich, dass sich das flüssige Wasser W, das im vorgelagerten Rohrabschnitt 302 nach einem Anhalten des Betriebs der Brennstoffzelle 10 kondensiert, auf der Bodenfläche des vorgelagerten Rohrabschnitts 302 sammelt, und verhindert, dass das flüssige Wasser W durch den nachgelagerten Rohrabschnitt 303 in das Kathodenauslassventil 310 strömt. Das Vorhandensein des vorgelagerten Rohrabschnitts 302 macht es möglich, dass sich das flüssige Wasser, das von den Abgassammelrohren M4a und M4b während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 ausgeführt wird, vorläufig an der Bodenfläche des vorgelagerten Rohrabschnitts 302 sammelt. Dadurch wird verhindert, dass eine erhebliche Menge an Ablaufwasser auf einmal in das Kathodenauslassventil 310 strömt.
  • 13B und 13C sind schematische Querschnittsansichten der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 entlang einer Linie B-B bzw. einer Linie C-C in 13A.
  • Die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 dieser Ausführungsform hat einen von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite im Wesentlichen festen Strömungswegquerschnitt, um eine Zunahme des Druckabfalls des Kathodenabgases zu verhindern.
  • Die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 ist so aufgebaut, dass sie die Form des Strömungswegquerschnitts von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite allmählich ändert. Genauer ist der Strömungswegquerschnitt des vorgelagerten Rohrabschnitts 302 so ausgebildet, dass seine Breite entlang der Richtung der Gruppierung der Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b zunimmt. Dadurch wird eine Zunahme des Druckabfalls des Kathodenabgases, das von den Abgassammelrohren M4a und M4b in die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 strömt, wirksam verhindert.
  • Dagegen ist der nachgelagerte Rohrabschnitt 303 so ausgebildet, dass er eine Form aufweist, die der Form der Öffnung des Einlasses 312 des Kathodenzufuhrventils 310 entspricht. Genauer ist der Strömungswegquerschnitt des nachgelagerten Rohrabschnitts 303 so ausgebildet, dass seine Breite in Bewegungsrichtung des Ventilkegels 315 des Kathodenauslassventils 310 abnimmt und in Umfangsrichtung des Gehäuses des Kathodenauslassventils 310 zunimmt. Die größere Breite der Öffnung des Einlasses 312 des Kathodenauslassventils 310 in der Umfangsrichtung des Gehäuses verhindert einen Anstieg des Druckabfalls des Kathodenabgases, das in das Kathodenauslassventil 310 strömt. Die geringere Breite der Öffnung des Einlasses 312 in Bewegungsrichtung des Ventilkegels 315 verkleinert andererseits die Abmessung des Kathodenauslassventils 310 in Richtung des Pfeils X und erreicht dadurch eine Verkleinerung des Kathodenauslassventils 310.
  • Eine sanfte Änderung der Form des Strömungswegquerschnitts der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite ist bevorzugt, um die Entstehung des Kontraktionsstroms des Kathodenabgases zu verhindern. Die Ecke der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 kann abgerundet sein, um nicht die Befestigung einer anderen Komponente der Rohrleitungseinheit 40 (beispielsweise eines Verbinders des Motors 211 des Umgehungsrohrleitungsventils 210) zu behindern. Die Krümmung kann sich von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite allmählich ändern.
  • 14A und 14B sind schematische Ansichten, die den Aufbau des Anodengas-Ausfuhrkanals 43 ausführlicher darstellen. 14A ist eine schematische Ansicht, die die linke Seitenfläche des Anodengas-Ausfuhrkanals 43 darstellt. Die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 und die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 sind in 14A dargestellt. 14B ist eine schematische Ansicht, die die obere Fläche des Anodengas-Ausfuhrkanals 43 in Richtung der Schwerkraft gesehen darstellt. Ein Teil der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 und des Flansches 121, der mit dem Flansch 402 zu einer Einheit integriert ist, ist in 14B ebenfalls dargestellt, wo das Kathodenzufuhrventil 110 und die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 von den gestrichelten Linien dargestellt sind. Die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320, die in 14B dargestellt ist, weist eine Vereinigung 205 mit der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 auf. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z, die denen von 2 bis 4 ähneln, sind in 14A und 14B dargestellt.
  • Die Anodenabgas-Rohrleitung 400 weist ein ungefähr sechseckiges Gehäuse auf, dessen obere Fläche als horizontale Ebene ausgebildet ist und dessen Bodenfläche als Ebene ausgebildet ist, die auf der in Strömungsrichtung nachgelagerten Seite stärker abwärts geneigt ist. Der Gas-Flüssigkeit-Abscheider 410 und das Wassersammelbecken 411, die innerhalb der Anodenabgas-Rohrleitung 400 platziert sind, werden weiter unten beschrieben. Die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 verläuft von der unteren Vorderseite der Anodenabgas-Rohrleitung 400 in Richtung des Pfeils X, um ist mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden zu werden. Die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 ist so angeordnet, dass sie einen Unterschied in der Höhe zur Anodenabgas-Rohrleitung 400 aufweist. Genauer wird die obere Fläche der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 von einer horizontalen Ebene gebildet, die unterhalb der oberen Fläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400 angeordnet ist. Die Bodenfläche der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 wird von einer schrägen Ebene gebildet, die unterhalb der Bodenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400 angeordnet ist, und weist einen ähnlichen Neigungswinkel auf wie die Bodenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400.
  • Das Anodenablaufventil 415 ist so angeordnet, dass es an die linke Seitenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400 und die linke Seitenfläche der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 angrenzt. Der Entwässerungsmechanismus des Anodenablaufventils 415 wird weiter unten beschrieben. Die separate Abgas-Rohrleitung 430 besteht aus einem Rohr, das in entgegengesetzter Richtung zum Pfeil X von der rechten Seitenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400 an der relativ zur Anodenabgas-Rohrleitung 400 nachgelagerten Position verläuft. Die separate Abgas-Rohrleitung 430 verläuft nahe und parallel zur nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120. Diese Anordnung macht einen Wärmetausch zwischen dem Kathodengas und dem Anodenabgas möglich.
  • Hier wird angenommen, dass die Brennstoffzelle 10 nicht ausreichend aufgewärmt ist, beispielsweise beim Start des Brennstoffzellensystems 1000. In diesem Fall kann die Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform einen Teil der Abwärme des Kathodengases, das zu einem relativ frühen Zeitpunkt aufgewärmt ist, von der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 auf das Anodenabgas in der separaten Abgas-Rohrleitung 430 übertragen. Wie oben beschrieben, wird das Anodenabgas in der separaten Abgas-Rohrleitung 430 im Brennstoffzellensystem 1000 dieser Ausführungsform über die Wasserstoffpumpe 50 zur Anodengaszufuhr-Rohrleitung 31 umgewälzt (1). Anders ausgedrückt überträgt der Wärmetausch zwischen der separaten Abgas-Rohrleitung 430 und der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 in der Rohrleitungseinheit 40 die Abwärme des Kathodengases über das Anodenabgas auf die Brennstoffzelle 10 und erhöht dadurch die Temperatur der Brennstoffzelle 10 mit hoher Effizienz.
  • In der Rohrleitungseinheit 400 dieser Ausführungsform ist der Flansch 121 der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 mit dem Flansch 402 der Anodenabgas-Rohrleitung 400 zu einer Einheit integriert. Dieser Aufbau ermöglicht die Übertragung der Abwärme des Kathodengases auf das Anodengas über die Flansche 121 und 402, wodurch die Temperatur der Brennstoffzelle 10 mit größerer Effizienz erhöht wird.
  • 15A und 15B sind schematische Ansichten, die jeweils den inneren Aufbau des Anodengasabfuhr-Durchlasses 43 darstellen, der in 14A und 14B dargestellt ist. Die Dreirichtungspfeile X, Y und Z sind in 15A und 15B für die Zwecke der Zuordnung zu 14A und 14B dargestellt. Die Befestigungsposition des Anodenablaufventils 415 und die Position von dessen Einlass 4151 sind von den gestrichelten Linien in 15A dargestellt. Zwei Bodenflächen 412 und 413 der Anodenabgas-Rohrleitung 400 sind auf unterschiedliche Weise durch unterschiedliche Schraffierungen in 15B dargestellt.
  • Der Gas-Flüssigkeit-Abscheider 410 ist innerhalb des Gehäuses der Anodenabgas-Rohrleitung 400 platziert. Die weiter oben liegende Bodenfläche 412 des Gas-Flüssigkeit-Abscheiders 410 ist an einer relativ höheren Position ausgebildet, und seine weiter unten liegende Bodenfläche ist an einer relativ weiter unten liegenden Position ausgebildet. Die weiter oben liegende Bodenfläche 412 weist im Wesentlichen die gleiche Höhe auf wie die Bodenfläche der Öffnung 401 der Anodenabgas-Rohrleitung 400 und ist als kontinuierliche, horizontale Fläche ab der Öffnung 401 bis zu einem Auslass, der mit der separaten Abgas-Rohrleitung 430 verbunden ist, ausgebildet. Die weiter unten liegende Bodenfläche 413 ist auf der Seite des Anodenablaufventils 415 ausgebildet und ist als Bodenfläche aufgebaut, die eine schräge Ebene aufweist, die von der weiter oben liegenden Bodenfläche 412 zurückweicht. Die weiter unten liegende Bodenfläche 413 ist so vorgesehen, dass der Bereich des Einlasses 4151 des Anodenablaufventils 415 an ihrer am weitesten unten liegenden Stelle vorgesehen ist.
  • In 15B ist die weiter oben liegende Bodenfläche 412 in einem rechten oberen Bereich (in der Abbildung) im Gehäuse der Anodenabgas-Rohrleitung 400 ausgebildet, während die weiter unten liegende Bodenfläche 413 in einem linken unteren Bereich (in der Abbildung) im Gehäuse der Anodenabgas-Rohrleitung 400 ausgebildet ist. Es ist eine ungefähr S-förmige Grenze zwischen der weiter oben liegenden Bodenfläche 412 und der weiter unten liegenden Bodenfläche 413 vorhanden.
  • Die Gaskomponente, die im Anodenabgas enthalten ist, das in die Anodenabgas-Rohrleitung 400 strömt, wird von der weiter oben gelegenen Bodenfläche 412 in die separate Abgas-Rohrleitung 430 geleitet (Pfeil aus Einpunkt-Strichlinie). Das Wasser, das im Anodenabgas enthalten ist, wandert aufgrund der Trägheit geradewegs zur Einlassöffnung der Anodenabgas-Rohrleitung 400 und wird von der weiter oben liegenden Bodenfläche 412 durch die Schwerkraft zur weiter unten liegenden Bodenfläche 413 geleitet (gestrichelter Pfeil). Der Gas-Flüssigkeit-Abscheider 410 kann somit das Wasser vom Kathodenabgas von der Seite der weiter oben gelegenen Bodenfläche 412 zur Seite der weiter unten gelegenen Bodenfläche 413 trennen.
  • Vorzugsweise ist die Innenwandfläche 414, die der Öffnung 401 der Anodenabgas-Rohrleitung 400 gegenüber liegt, so ausgebildet, dass sie sich an die weiter unten liegende Bodenfläche 413 anschließt. Diese Anordnung macht es möglich, dass Wasser, das im Anodenabgas enthalten ist und an der Innenwandfläche 414 kondensiert hat, aus Gründen der Schwerkraft zur weiter unten liegenden Bodenfläche 413 geleitet wird, wodurch sichergestellt wird, dass das Wasser, das im Anodenabgas enthalten ist, effizienter aufgefangen wird. Die Innenwandfläche 414 kann so ausgebildet sein, dass sie kleine Unregelmäßigkeiten aufweist, um die Kondensation von Wasser zu beschleunigen.
  • Die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 und die Anodenabgas-Rohrleitung 400 kommunizieren miteinander über das Anodenablaufventil 415. Das Anodenablaufventil 415 besteht aus einem Magnetventil und weist einen Ventilkegel 4153 auf, der im Gehäuse angeordnet ist. Der Einlass 4151 des Anodenablaufventils 415 ist so ausgebildet, dass er an die Innenwandfläche 414 auf der linken Seitenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400 angrenzt. Die Bodenfläche des Einlasses 4151 des Anodenablaufventils 415 hat im Wesentlichen die gleiche Höhe wie die unterste Position der weiter unten liegenden Bodenfläche 413. Der Ventilkegel 4153 wird von einer elektromagnetischen Kraft in der Richtung entlang des Pfeils X getrieben, um den Einlass 4151 zu öffnen und zu schließen. Ein Auslass 4152 des Anodenablaufventils 415 ist parallel zum Einlass 4151 ausgebildet und ist mit der linken Seitenfläche der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 verbunden.
  • Das Anodenablaufventil 415 nimmt normalerweise die geschlossene Stellung ein. In der geschlossenen Stellung des Anodenablaufventils 415 wird das Wasser, das zur Seite der weiter unten gelegenen Bodenfläche 413 geleitet wird, im Bereich der weiter unten gelegenen Bodenfläche 413 der Anodenabgas-Rohrleitung 400 gesammelt. Anders ausgedrückt dient in der Anodenabgas-Rohrleitung 400 die weiter unten gelegene Bodenfläche 413 als Wasserführungsweg, und die Eintiefung in der Anodenabgas-Rohrleitung 400, die durch die weiter unten gelegene Bodenfläche 413 gebildet wird, dient als das Wassersammelbecken 411, das in 1 beschrieben ist.
  • Wenn der Controller 70 (1) das Anodenablaufventil 415 öffnet, um Wasser ablaufen zu lassen, strömt das Wasser, dass sich im Wassersammelbecken 411 der Anodenabgas-Rohrleitung 400 gesammelt hat, aufgrund der Schwerkraft durch das Anodenablaufventil 415 in die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 (15B). Die Gaskomponente des Anodenabgases, die beispielsweise Wasserstoff und Stickstoff enthält, wird zusammen mit dem ablaufenden Wasser auf der Anodenseite zur separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 ausgeführt. Die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 weist eine schräge Bodenfläche auf, die nach unten mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden ist, so dass sie sich übergangslos an die Bodenfläche der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 anschließt. Das ablaufende Wasser strömt demgemäß aus der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 und wird mit dem Kathodenabgas ausgeführt.
  • Wie oben beschrieben, weist die Anodenabgas-Rohrleitung 400 dieser Ausführungsform die weiter oben liegende Bodenfläche 412 und die weiter unten liegende Bodenfläche 413 auf, um die Strömungsrichtung der Gaskomponente, die im Anodenabgas enthalten ist, von der Strömungsrichtung des Wassers, das im Anodenabgas enthalten ist, zu trennen. Dadurch ist eine Gas-Flüssigkeit-Scheidung des Anodenabgases durch den kompakten und einfachen Aufbau möglich. In der Anodenabgas-Rohrleitung 400 dieser Ausführungsform wird das Wassersammelbecken 411 von der Eintiefung (konkaven Krümmung) an der Stelle, die von der Richtung, in der die Gaskomponente eingeführt wird, entfernt ist, gebildet. Dies verhindert, dass das Wasser im Wassersammelbecken 411 durch den Strom der Gaskomponente, die im Anodenabgas enthalten ist, in die separate Abgas-Rohrleitung 430 geleitet wird.
  • Vorzugsweise ist der Strömungsweg für das ablaufende Wasser aus der Anodenabgas-Rohrleitung 400 zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 so ausgebildet, dass der Strom des ablaufenden Wassers geglättet wird, um ein Verspritzen von ablaufendem Wasser zu verhindern. Genauer beabsichtigt die bevorzugte Anordnung des Strömungswegs, den Unterschied in der Höhe zwischen der Bodenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400 und der Bodenfläche der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 und den Unterschied in der Höhe zwischen der Bodenfläche der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 und der Bodenfläche der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 zu minimieren. Die bevorzugte Anordnung des Strömungswegs beabsichtigt außerdem, eine abrupte Änderung der Strömungsrate zu vermeiden, beispielsweise durch Anordnen der Bodenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400 im Wesentlichen parallel zur Bodenfläche der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420.
  • 16 ist eine Skizze, die die Verbindungsorte der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 und der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 darstellt; 16 stellt den inneren Aufbau der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 dar und ist im Wesentlichen ähnlich wie 12B, außer einer expliziten Darstellung der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 und einer Öffnung 425 der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420.
  • Eine erhebliche Menge an ablaufendem Wasser auf der Anodenseite strömt von der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 in die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320. Eine erhebliche Menge an ablaufendem Wasser auf der Kathodenseite strömt über das Kathodenauslassventil 310 in die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320. Wenn dieses ablaufende Wasser in der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 zurückbleibt, nachdem der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1000 angehalten worden ist, können das Kathodenauslassventil 310 oder die Öffnung 425 der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 in der Niedertemperaturumgebung, beispielsweise in einer Umgebung, in der Minusgrade herrschen, einfrieren und blockiert werden. In solchen Fällen ist es schwierig, das Brennstoffzellensystem 1000 erneut zu aktivieren.
  • In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform sind die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 und die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 an den Stellen, die dem Auslass des Kathodenauslassventils 310 nahe sind, mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden. Diese Verbindung ermöglicht eine Spülung des Auslasses des Kathodenauslassventils 310 und der Öffnung 425 der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 durch das Umgehungsgas, das aus der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 strömt, wodurch der verbliebene Wassergehalt in der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verringert wird.
  • In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform befindet sich der Verbindungsort der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 stromabwärts vom Verbindungsort der Kathodenumgehungsrohrleitung 200. Außerdem ist in der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform der nachgelagerte Rohrabschnitt 202 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 mit einem Neigungswinkel mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden. Genauer ist der nachgelagerte Rohrabschnitt 202 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 auf solche Weise angeschlossen, dass ein Winkel α zwischen der Strömungsrichtung des Abgases (Richtung des Pfeils X) in der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 und der Rohrleitungsrichtung des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 größer ist als 90 Grad.
  • Diese Verbindungsanordnung der Strömungswege macht es möglich, dass das Umgehungsgas von der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 zur Öffnung 425 der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 strömt. Dadurch wird eine effizientere Entwässerung aus der Öffnung 425 der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 durch das Umgehungsgas sichergestellt. Die Richtung des Umgehungsgases, das zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 strömt, ist schräg zur Strömungsrichtung des Abgases in der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320. Dadurch wird der Druckabfall des Umgehungsgases, das in die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 strömt, verringert.
  • 17A bis 17C sind Skizzen, die einen Zusammenbauprozess der Rohrleitungseinheit 40 darstellen, wobei die jeweiligen Komponenten der Rohrleitungseinheit 40 getrennt dargestellt sind. 17A bis 17C sind linke Seitenansichten, und die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z, die denen von 2 bis 4 ähneln, sind in 17A bis 17C dargestellt. Ränder für die Verbindung sind durch Schraffierungen in den jeweiligen Komponenten 41 bis 43 in 17B und 17C dargestellt.
  • In einem ersten Schritt wird in dem Prozess die Gehäuseabdeckung 118 des Kathodenzufuhrventils 110 an den Kathodengas-Ausfuhrkanal 42 angefügt, der vorab bereitgestellt wird (17A). In einem zweiten Schritt werden in dem Prozess der Anodengas-Ausfuhrkanal 43 und die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 am Kathodengas-Ausfuhrkanal 42 angebracht (17B). Genauer werden in dem Prozess die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 und der nachgelagerte Rohrabschnitt 202 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 an vorgegebenen Verbindungsorten an der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 angebracht, um mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 zusammengefügt zu werden.
  • In einem dritten Schritt werden in dem Prozess das Gehäuse 117 des Kathodenzufuhrventils 110, an dem die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 befestigt ist, und der Ventilkegel 112, das Trennelement 113 und der Druck ausübende Mechanismus 114 bereitgestellt, um das Kathodenzufuhrventil 110 aufzubauen (17C). Das Gehäuse 117 des Kathodenzufuhrventils 110 weist die Flansche 121 und 402 auf. In dem Prozess werden anschließend das Ende des vorgelagerten Rohrabschnitts 201 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 und das Ende der Anodenabgas-Rohrleitung 400 in die Öffnungen für Verbindungen, die in der Seitenfläche und dem Flansch 402 der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 ausgebildet sind, eingeführt und angefügt.
  • In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform ist die Richtung, in der das Ende des vorgelagerten Rohrabschnitts 201 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 eingeführt wird, so angeordnet, dass sie parallel ist zur Richtung, in der das Ende der Anodenabgas-Rohrleitung 400 eingeführt wird. Durch diese Anordnung ist der Zusammenbau der Rohrleitungseinheit 40 erleichtert. Dichtungsmaterialien, wie O-Ringe, sind am Ende des vorgelagerten Rohrabschnitts 201 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200, am Ende der Anodenabgas-Rohrleitung 400 und an den jeweiligen Öffnungen zur Verbindung mit den entsprechenden Enden eingerichtet, aber auf ihre Darstellung und Beschreibung wird hier verzichtet.
  • Im Zusammenbauschritt von 17C wird das offene Ende der Gehäuseabdeckung 118, die an der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 befestigt ist, in das offene Ende des Gehäuses 117 des Kathodenzufuhrventils 110 eingepasst und durch Abdichten zusammengefügt. Der Ventilkegel 112, das Trennelement 113 und der Druck ausübende Mechanismus 114 werden dann an vorgegebenen Positionen im Gehäuse 117 oder in der Gehäuseabdeckung 118 platziert.
  • In der Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform werden die Gehäuseabdeckung 118 des Kathodenzufuhrventils 310 und die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 entsprechend aneinander gefügt. Dadurch wird die Einheitlichkeit des Kathodengaszufuhr-Durchlasses 41 und des Kathodengasausfuhr-Durchlasses 42 in der Rohrleitungseinheit 40 verbessert. Im Zustand der Befestigung der Rohrleitungseinheit 40 an der Brennstoffzelle 10 ist das Kathodenzufuhrventil 110 zwischen der ersten Endplatte 12 und der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 platziert angeordnet. Dadurch wird die Vibration verringert, die durch die Öffnungs-/Schließungsbetätigungen des Kathodenzufuhrventils 110 während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 verursacht wird.
  • Der Zusammenbauschritt von 17C implementiert die Verbindung der jeweiligen Rohrleitungen 200 und 400 gleichzeitig mit dem Zusammenbau des Kathodenzufuhrventils 110. Im Zusammenbauschritt von 17C kann das Greifen des Trennelements 113, das zwischen das Gehäuse 117 und die Gehäuseabdeckung 118 platziert ist, statt der Einführungstiefe der jeweiligen Enden der Rohrleitungen 200 und 400 in die entsprechenden Öffnungen als Markierung genommen werden. Mit dem Zusammenbauschritt von 17(C), der diese Markierung verwendet, kann eine weitere Verbesserung der Dichteigenschaft des Gehäuses 117 durch das Trennelement 113 erreicht werden.
  • Wie oben beschrieben, wird die Rohrleitungseinheit 40 dieser Ausführungsform durch Integrieren der Gasrohre und der Ventile für die Reaktionsgase als Einheit aufgebaut und wird als Einheit an der Brennstoffzelle 10 befestigt. Dadurch wird die Befestigung der Rohre und der anderen Komponenten an der Brennstoffzelle 10 erleichtert und eine Verkleinerung des Brennstoffzellensystems 1000 wird erreicht. Außerdem wird dadurch der Druckabfall in den Leitungen für die Reaktionsgase verringert, wodurch die Zufuhr und Abgabe der Reaktionsgase effizienter wird und gleichzeitig ein effizientes Spülen zur Entfernung des verbliebenen Wassers in den Rohren ermöglicht wird.
  • Die Ventile 110, 210, 310 und 415 sind jeweils integral an der ersten Endplatte 12 befestigt. Dieser Aufbau verringert die Vibration oder das Betriebsgeräusch während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1000. Dieser Aufbau verringert außerdem die Reaktionsgase und das Wasser, die innerhalb der Brennstoffzelle 10 oder innerhalb der Rohrleitungseinheit 40 nach dem Anhalten der Brennstoffelle 10 zurückbleiben, wodurch eine Funktionsminderung der Brennstoffzelle 10 und der Rohrleitungseinheit 40 verhindert wird.
  • B. Andere Beispiele für den Aufbau der Rohrleitungseinheit
  • Die in der ersten Ausführungsform beschriebene Rohrleitungseinheit kann durch Ändern des Aufbaus oder der Anordnung der jeweiligen Komponenten 41 bis 43 wie nachstehend beschrieben modifiziert werden.
  • B1. Anderes Aufbaubeispiel 1
  • 18 ist eine Skizze, die einen Kathodengaszufuhr-Durchlass 41A gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt. Der Aufbau von 18 ist dem Aufbau von 6A im Wesentlichen ähnlich, bis auf die folgenden Unterschiede. Im Aufbau von 18 ist das Kathodenzufuhrventil 110 in einer anderen Ausrichtung angeordnet. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 ist durch eine vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 110A mit einer anderen Querschnittsform ersetzt, die ebenfalls in 18 dargestellt ist. Der innere Aufbau des Kathodenzufuhrventils 110 ist von der gestrichelten Linie in 18 dargestellt. Der Aufbau der anderen Komponenten 42 und 43 in der Rohrleitungseinheit 40 ist identisch mit dem der ersten Ausführungsform, die oben beschrieben ist.
  • Das Kathodenzufuhrventil 110 dieses Aufbaubeispiels ist ein Tellerventil wie dasjenige, das in der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist. In diesem Aufbaubeispiel ist jedoch die ungefähr kreisförmige Öffnung, die in der Bodenfläche des Gehäuses ausgebildet ist, als Einlass 115 vorgesehen, während die ungefähr rechteckige Öffnung, die in der Seitenfläche des Gehäuses ausgebildet ist, als Auslass 111 vorgesehen ist. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100A besteht aus einem Rohr mit einer ungefähr zylindrischen Form.
  • Im Aufbau der ersten Ausführungsform ändert sich die Querschnittsform der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite entsprechend der Öffnungsform des Einlasses 115 des Kathodenzufuhrventils 110 (7C bis 7E). Dagegen wird im Aufbaubeispiel von 18 der Einlass 115 des Kathodenzufuhrventils 110 von der ungefähr kreisförmigen Öffnung gebildet, so dass die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100A so ausgebildet ist, dass sie von der vorgelagerten Seite zur nachgelagerten Seite die ungefähr kreisförmige Querschnittsform aufweist.
  • Dieses Aufbaubeispiel verhindert somit wirksam eine Zunahme des Druckabfalls des Kathodengases mit einer Änderung der Querschnittsform der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100A. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100A dieses Aufbaubeispiels kann auf den speziellen Rohrabschnitt, der in der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 der ersten Ausführungsform vorgesehen ist, um die Querschnittsform sanft zu ändern, damit der Druckabfall verringert wird, verzichten. Anders ausgedrückt ermöglicht dieses Aufbaubeispiel eine kürzere Rohrlänge der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100A und erreicht dadurch eine weitere Verkleinerung der Rohrleitungseinheit 40. Die breitere Öffnungsform des Auslasses 111 des Kathodenzufuhrventils 110 verbessert die Steuerbarkeit des Kathodengases.
  • B2. Anderes Aufbaubeispiel 2
  • 19 ist eine Skizze, die eine Rohrleitungseinheit 40B gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt, und ist genauer eine schematische Frontansicht, die den Zustand der Befestigung der Rohrleitungseinheit 40B an einer Brennstoffzelle 10B darstellt. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z, die denen von 2 bis 4 ähneln, und der Pfeil G, der die Richtung der Schwerkraft darstellt, sind ebenfalls in 19 dargestellt.
  • Die Brennstoffzelle 10B, an der die Rohrleitungseinheit 40B dieses Aufbaubeispiels angebracht ist, ähnelt der Brennstoffzelle 10 der ersten Ausführungsform, außer dass die Positionen der Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b (von den gestrichelten Linien dargestellt) und die Positionen der Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b (von den gestrichelten Linien dargestellt) vertauscht sind. Genauer sind in der Brennstoffzelle 10B die Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b in Richtung der Schwerkraft auf der oberen Seite angeordnet, während die Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b in Richtung der Schwerkraft auf der unteren Seite angeordnet sind.
  • In der Rohrleitungseinheit 40B dieses Aufbaubeispiels unterscheidet sich die Stelle, wo sich das Kathodenzufuhrventil 110B befindet, von der Stelle, wo sich das Kathodenzufuhrventil 110 in der ersten Ausführungsform befindet. In der Rohrleitungseinheit 40B ändern sich die Bauweisen der Komponenten 41B bis 43B jeweils mit der Änderung der Stelle, wo sich das Kathodenzufuhrventil 110B befindet. Genauer weisen die Komponenten 41B bis 43B jeweils die folgenden Bauweisen auf.
  • Die Rohrleitungseinheit 40B weist einen Kathodengaszufuhr-Durchlass 41B, einen Kathodengasausfuhr-Durchlass 42B und einen Anodengasausfuhr-Durchlass 43B auf. Der Kathodengaszufuhr-Durchlass 41B weist eine vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100B, ein Kathodenzufuhrventil 110B stromabwärts von der Kathodengas-Rohrleitung 120B und eine Kathodenumgehungsrohrleitung 200B auf.
  • Das Kathodenzufuhrventil 110B ist ein Tellerventil wie das Kathodenzufuhrventil 110, das in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, und weist einen Einlass 115, der an der Seitenfläche des Gehäuses 117 ausgebildet ist, und einen Auslass 111 auf, der in der Mitte der Bodenfläche des Gehäuses 117 ausgebildet ist. Der Einlass 115 und der Auslass 111 sind als ungefähr kreisförmige Öffnungen von im Wesentlichen der gleichen Größe vorgesehen und sind so ausgebildet, dass ihre virtuellen Mittelachsen orthogonal zueinander sind.
  • Das Kathodenzufuhrventil 110B ist im Wesentlichen auf der gleichen Höhe angeordnet wie die beiden Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b in der Ebene der ersten Endplatte 12. Anders ausgedrückt, ist das Kathodenzufuhrventil 110B an der Position angeordnet, die in Richtung des Pfeils X an die beiden Zufuhrsammelrohre M3a und M3b angrenzt, wenn es aus der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 10B betrachtet wird. Das Kathodenzufuhrventil 110B ist so angeordnet, dass sein Auslass 111 zu der Richtung, die dem Pfeil X entgegengesetzt ist, offen ist, und sein Einlass 115 zur Richtung der Schwerkraft offen ist.
  • Die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120B besteht aus einem Gefäß mit einer ungefähr würfelähnlichen Form, und ihre linke Seitenfläche ist mit dem Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 11B zu verbinden, und ihre Rückenfläche, die eine vollständige Öffnung aufweist, ist mit den beiden Zufuhrsammelrohren M3a und M3b zu verbinden. Ein Flansch 121 zum Befestigen der ersten Endplatte 12 ist rings um die vollständige Öffnung der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120B ausgebildet. Der Strom des Kathodengases in der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120B wird später beschrieben.
  • Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100B besteht aus einem Rohr, dessen Strömungswegquerschnitt eine ungefähr zylindrischen Form aufweist. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100B verläuft in der Richtung der Schwerkraft vom Einlass 115 des Kathodenzufuhrventils 110B und biegt dann ab und verläuft in der Richtung, die dem Pfeil X entgegengesetzt ist. Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200B ist mit der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100B verbunden.
  • Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200B ist ähnlich aufgebaut wie die Kathodenumgehungsrohrleitung 200, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, außer dass die Rohrlänge eines nachgelagerten Rohrabschnitts 202B anders ist. Der nachgelagerte Rohrabschnitt 202B der Kathodenumgehungsrohrleitung 200B ist mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden. Dementsprechend ist die Kathodengas-Zufuhrleitung 41B mit dem Kathodengasabfuhr-Durchlass 42b zu einer Einheit integriert.
  • Der Kathodengasausfuhr-Durchlass 42B weist einen ähnlichen Aufbau auf wie der Kathodengasausfuhr-Durchlass 42, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, außer dass die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 durch eine vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300B mit der kürzeren Rohrlänge ersetzt ist, die an einer anderen Stelle angebracht ist. Das Kathodenauslassventil 310 und die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 des Kathodengas-Ausfuhrkanals 42B sind entlang der langen Seite der ersten Endplatte 12 unterhalb der Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b angeordnet. Wie die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 der ersten Ausführungsform verläuft die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300B in Richtung des Pfeils Y von der Verbindungsstelle mit den Abgassammelrohren M4a und M4b aus und ist in Richtung der Schwerkraft gebogen, um mit dem Kathodenauslassventil 310 verbunden zu werden.
  • Der Anodengas-Ausfuhrkanal 43B weist eine ähnlichen Aufbau auf wie der Anodengas-Ausfuhrkanal 43, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, außer dass eine separate Entwässerungs-Rohrleitung 420B und eine separate Abgas-Rohrleitung 430B in unterschiedlichen Formen gemäß den Anordnungen der anderen Komponenten 41B und 42B ausgebildet sind. Die separate Abgas-Rohrleitung 430B beginnt an der rechten Seitenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400, verläuft zwischen dem nachgelagerten Rohrabschnitt 202 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200B und der ersten Endplatte 12 und verläuft weiter entlang der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100B in der Richtung, die dem Pfeil X entgegengesetzt ist. Die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420B verläuft in Richtung der Schwerkraft nach unten und ist mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden. Diese Anordnung ermöglicht eine Integrierung des Anodengasabfuhr-Durchlasses 43B mit dem Kathodengasausfuhr-Durchlass 42B.
  • Wie oben beschrieben, ist der Kathodengaszufuhr-Durchlass 41B oberhalb des Kathodengasausfuhr-Durchlasses 42B angeordnet. Anders als bei der Rohrleitungseinheit 40 der ersten Ausführungsform gibt es keine Verbindungsstelle zwischen dem Kathodenzufuhrventil 110E und der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300B. In der Rohrleitungseinheit 40B ist die Steuerbarkeit des Stroms des Kathodengases durch Ändern der Stelle, wo sich das Kathodenzufuhrventil 110B befindet, gegenüber der ersten Ausführungsform verbessert, wie nachstehend beschrieben.
  • 20A ist eine schematische Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in 19, und ist genauer eine Skizze, die den Strom des Kathodengases in der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120B darstellt. Die Pfeile, die den Strom des Kathodengases darstellen, sind in 20A mit den dreidimensionalen Pfeilen X, Y und Z zum Zwecke der Zuordnung zu 19 dargestellt. Das Kathodengas, das aus dem Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 strömt, strömt entlang der Richtung, die dem Pfeil X entgegengesetzt ist, und teilt sich in die beiden Zufuhrsammelrohre M3a und M3b.
  • 20B und 20C sind Skizzen, die Kathodengaszufuhr-Durchlässe 41b 1 und 41b 2 als Vergleichsbeispiele darstellen, die dem Aufbau von 20A ähneln, bis auf die Ausrichtung und den Ort des Kathodenzufuhrventils 110B. Die Rohrleitungseinheiten der jeweiligen Bezugsbeispiele, die in 20B und 20C dargestellt sind, weisen die gleichen Komponenten auf wie diejenigen, die in 19 beschrieben sind, abgesehen von den Kathodengaszufuhr-Durchlässen 41b 1 und 41b 2.
  • Im Kathodengaszufuhr-Durchlass 41b 1 von 20B ist das Kathodenzufuhrventil 110B an der Position, die näher am ersten Zufuhrsammelrohr M3a ist, mit einer solchen Ausrichtung angeordnet, dass der Auslass 111 zu den Zufuhrsammelrohren M3a und M3b hin offen ist. Im Kathodengaszufuhr-Durchlass 41b2 von 20C ist das Kathodenzufuhrventil 110B an der Position, die von den ersten und zweiten Zufuhrsammelrohren M3a und M3b etwa gleich weit entfernt ist, mit einer ähnlichen Ausrichtung wie in 20B angeordnet.
  • Im Aufbau von 20B ist der Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110B an der Position, die näher am ersten Zufuhrsammelrohr M3a ist, offen. Dieser Aufbau begünstigt eine Erhöhung der Strömungsrate des Kathodengases, das durch das erste Zufuhrsammelrohr M3a strömt. Anders ausgedrückt bewirkt dieser Aufbau die schlechte Steuerbarkeit des Stroms des Kathodengases zu den ersten und zweiten Zufuhrsammelrohren M3a und M3b. Im Aufbau von 20C sind die ersten und zweiten Zufuhrsammelrohre M3a und M3b dagegen so angeordnet, dass sie vom Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110E etwa gleich weit entfernt sind. Dieser Aufbau verbessert die Steuerbarkeit des Stroms des Kathodengases im Vergleich zum Aufbau von 20B.
  • Bei beiden Bauweisen von 20B und 20C ist der Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 zur Außenfläche der ersten Endplatte 12 hin offen. Bei einem solchen Aufbau ist eine größere Länge L zwischen dem Auslass 111 und der Außenfläche der ersten Endplatte 12 erstrebenswert, um den Druckabfall des Kathodengases, das aus dem Auslass 111 strömt, zu verringern. Bei den Bauweisen von 20B und 20C lässt man das Kathodenzufuhrventil 110B in Stapelrichtung der Brennstoffzelle 10B zusätzlich zum Abstand L vorragen, um den Druckabfall des Kathodengases zu verringern. Dies kann zu einer unerwünschten Vergrößerung der Rohrleitungseinheit führen.
  • Im Aufbau von 20A ist das Kathodenzufuhrventil 110E jedoch an der Seitenfläche der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120B angeordnet. Dieser Aufbau stellt eine ausreichende Länge des Strömungswegs zwischen dem Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110B und der gegenüber liegenden Wandoberfläche der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120B sicher, um den Strom des Kathodengases in die jeweiligen Zufuhrsammelrohre M3a und M3b zu trennen. Dieser Aufbau verhindert außerdem wirksam eine Zunahme des Druckabfalls aufgrund einer abrupten Änderung der Strömungsrichtung des Kathodengases in der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120B. Außerdem kann dieser Aufbau ein Vorragen des Kathodenzufuhrventils 110E in der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 10B vermeiden. Dieser Aufbau erreicht somit eine Verkleinerung der Rohrleitungseinheit, während er gleichzeitig die Steuerbarkeit des Stroms und den Druckabfall des Kathodengases in der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120B verbessert.
  • B3. Anderes Aufbaubeispiel 3
  • 21 ist eine Skizze, die eine Rohrleitungseinheit 40C gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt, und ist genauer eine schematische Frontansicht, die den Zustand der Befestigung der Rohrleitungseinheit 40C an der Brennstoffzelle 10B darstellt. Der Aufbau von 21 ist dem Aufbau von 19 im Wesentlichen ähnlich, abgesehen vom unterschiedlichen Aufbau eines Kathodengaszufuhr-Durchlasses 41C. In diesem Aufbaubeispiel beinhaltet ein Kathodenzufuhrventil 110C des Kathodengaszufuhr-Durchlasses 41C Membranventile, die an den Positionen angeordnet sind, wo die Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b ausgebildet sind. Der Aufbau des Kathodenzufuhrventils 110C wird weiter unten beschrieben.
  • Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100C ist so angeordnet, dass sie vom Kathodenzufuhrventil 110C aus entlang der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 10B verläuft. Eine Kathodenumgehungsrohrleitung 200C weist einen vorgelagerten Rohrabschnitt 201C auf, der in der Richtung verläuft, die dem Pfeil X entgegengesetzt ist, und mit der Seitenfläche des vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 1000 verbunden ist. Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200C weist außerdem einen nachgelagerten Rohrabschnitt 202C auf, der von der Höhe der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 1000 in Richtung der Schwerkraft in einem schrägen Winkel abwärts verläuft, um mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden zu werden.
  • 22A bis 22C sind schematische Darstellungen, die den Aufbau des Kathodenzufuhrventils 110C darstellen; 22A ist eine schematische Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A in 21. 22B und 22C sind schematische Querschnittsansichten entlang einer Linie B-B in 22A. 22B zeigt ein Membranventil 155 in der geschlossenen Stellung, und 22C zeigt das Membranventil 155 in der offenen Stellung. Die Dreirichtungspfeile X, Y und Z sind in 22A bis 22C für den Zweck der Zuordnung zu 21 dargestellt.
  • Das Kathodenzufuhrventil 110C weist ein Gehäuse 117C, eine Ventilsitzplatte 150 und Membranventile 155 auf. Das Gehäuse 117C ist ein zylindrischer Körper mit einer ungefähr würfelähnlichen Form und weist eine erste Öffnung 141 und eine zweite Öffnung 142 auf, die einander entgegengesetzt sind. Die ersten und zweiten Zufuhrsammelrohre M3a und M3b sind mit der ersten Öffnung 141 verbunden. Ein Flansch 143 zur Befestigung an der ersten Endplatte 12 ist rings um die erste Öffnung 141 ausgebildet. In diesem Aufbaubeispiel dient das Gehäuse 117C des Kathodenzufuhrventils 110C demgemäß als nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung.
  • Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 1000 ist mit der zweiten Öffnung 142 verbunden. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 1000 weist einen zylindrischen Rohrabschnitt 101 mit einer ungefähr zylindrischen Form, der entlang der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 10B verläuft, und einen Verbindungsrohrabschnitt 102 mit einem nachgelagerten konischen Ende auf. Das Kathodengas, das über den zylindrischen Rohrabschnitt 101 zugeführt wird, strömt durch den Verbindungsrohrabschnitt 102 und wird im Gehäuse 117C des Kathodenzufuhrventils 110C vollständig diffundiert.
  • Die Ventilsitzplatte 150 ist im Gehäuse 117C platziert, um den inneren Hohlraum des Gehäuses 117C in eine vorgelagerte Seite und eine nachgelagerte Seite zu teilen. Die Ventilsitzplatte 150 ist zu den Zufuhrsammelrohren M3a und M3b gebogen, so dass sie in etwa eine V-Form aufweist, wenn man sie aus der Richtung entlang des Pfeils X betrachtet (22B). Die Ventilsitzplatte 150 weist dementsprechend zwei Plattenoberflächen 151 und 152 mit einer ungefähr rechteckigen Form auf, die jeweils in entgegengesetzten Richtungen schräg verlaufen.
  • Jede der beiden Plattenoberflächen 151 und 152 weist eine Mehrzahl von Fensteröffnungen 153 auf, die im Wesentlichen in gleichen Abständen entlang der Gruppierungsrichtung der beiden Zufuhrsammelrohre M3a und M3b angeordnet sind. Das Membranventil 155, das aus einem folienartigen elastischen Element besteht, ist an jeder Fensteröffnung 153 angebaut, um die Fensteröffnung 153 von der nachgelagerten Seitenfläche aus zu verschließen. Nur eine vorgelagerte Seite des Membranventils 155 ist an der Ventilsitzplatte 150 befestigt. Wenn das Kathodengas mit einem Druckpegel, der das Membranventil 155 ablenkt, in das Gehäuse 117 strömt, ermöglicht dieser Aufbau, dass die anderen, nicht befestigten peripheren Seiten des Membranventils 155 einen Abstand von der Wandoberfläche der Ventilsitzplatte 150 aufweisen und dadurch die Fensteröffnung 153 öffnen (22C).
  • Wie oben beschrieben, wird das Kathodengas in diesem Aufbaubeispiel in der Strömungsrichtung entlang der Stapelrichtung der Brennstoffzelle 10B in die Zufuhrsammelrohre M3a und M3b eingeführt. Dieser Aufbau verringert wirksam den Druckabfall des Kathodengases im Kathodengaszufuhr-Durchlass 41C. Die Ausbildung der Mehrzahl von Fensteröffnungen 153 in der Ventilsitzplatte 150 entlang der Gruppierungsrichtung der Zufuhrsammelrohre M3a und M3b verbessert die Steuerbarkeit des Stroms des Kathodengases.
  • B4. Anderes Aufbaubeispiel 4
  • 23A ist eine Skizze, die eine Rohrleitungseinheit gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt. Genauer ist 23A eine schematische Vorderansicht, die einen Kathodengaszufuhr-Durchlass 41D darstellt, der in der Rohrleitungseinheit dieses Aufbaubeispiels vorgesehen ist. Der Aufbau von 23A ist dem Aufbau von 6A im Wesentlichen ähnlich, außer dass die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 weggelassen wurde. Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200, die im Kathodengaszufuhr-Durchlass 41D enthalten ist, weist einen ähnlichen Aufbau auf wie in der ersten Ausführungsform, jedoch ist hier nur ihr vorgelagerter Rohrabschnitt 201 dargestellt. Der Kathodengas-Ausfuhrkanal 42 und der Anodengas-Ausfuhrkanal 43, die in der Rohrleitungseinheit dieses Aufbaubeispiels enthalten sind, sind ähnlich aufgebaut wie diejenigen der ersten Ausführungsform und werden daher hier nicht eigens dargestellt oder beschrieben.
  • Der Kathodengaszufuhr-Durchlass 41D dieses Aufbaubeispiels weist keine nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 auf wie oben beschrieben. Ein flacher, plattenähnlicher Flansch 121D mit der gleichen Außenrandform wie der Flansch 121 der ersten Ausführungsform ist um den Außenrand des Kathodenzufuhrventils 110 herum ausgebildet. Bei diesem Aufbau macht die Verwendung einer nachstehend beschriebenen ersten Endplatte 12D für die Brennstoffzelle 10 die Ausbildung des Strömungswegs für das Kathodengas zwischen dem Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 und den Zufuhrsammelrohren M3a und M3b möglich.
  • 23B ist eine schematische Ansicht, die den Aufbau der ersten Endplatte 12D darstellt, an der die Rohrleitungseinheit dieses Aufbaubeispiels angebracht ist. Die erste Endplatte 12D ist der ersten Endplatte 12 (5), die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, im Wesentlichen ähnlich, mit Ausnahme des Vorhandenseins einer dünnwandigen Eintiefung 16, die an ihrer Außenfläche ausgebildet ist. Der Bereich, wo der Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 angeordnet ist, und der Bereich, wo die Flansche 121D und 402 angeordnet sind, sind durch die gestrichelten Linien in 23B dargestellt.
  • Die Eintiefung 16 weist eine Öffnungsform auf, die der Öffnungsform der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, ähnlich ist. Die Stelle, wo sich die Eintiefung 16 befindet, ähnelt der Stelle, wo sich die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 (dargestellt durch die gestrichelte Linie in 5) in der Endplatte 12, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, befindet. Die beiden Zufuhrsammelrohre M3a und M3b und das Spannelement 15, das zwischen diesen Zufuhrsammelrohren M3a und M3b angeordnet ist, sind in der Eintiefung 16 angeordnet.
  • 23C ist eine schematische Querschnittsansicht, die den Zustand der Befestigung des Kathodengaszufuhr-Durchlasses 41D an der ersten Endplatte 12D darstellt. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z sind in 23C zum Zwecke der Zuordnung zu 23A dargestellt. Im Zustand der Befestigung des Kathodengaszufuhr-Durchlasses 41D an der ersten Endplatte 12D ist die Eintiefung 16 vom Kathodenzufuhrventil 110 und vom Flansch 121D verschlossen. Der Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110 ist zur Eintiefung 16 hin offen. Das Kathodengas strömt dementsprechend durch die Eintiefung 16 als dem Gasströmungsweg in die Zufuhrsammelrohre M3a und M3b.
  • Wie oben beschrieben, dient in diesem Aufbaubeispiel die Eintiefung 16, die in der ersten Endplatte 12D ausgebildet ist, als nachgelagerter Kathodengas-Strömungsweg. Dadurch wird der Aufbau der Rohrleitungseinheit noch mehr vereinfacht. In der Rohrleitungseinheit dieses Aufbaubeispiels kann die Außenfläche der ersten Endplatte 12D ebenso wie die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120 der ersten Ausführungsform als Führungswandfläche zur Leitung des Kathodengases betrachtet werden. Hier wird angenommen, dass die Positionen der Zufuhrsammelrohre M3a und M3b durch die Änderung des Designs der Brennstoffzelle 10 verlagert sind. Auch in solchen Fällen ändert dieses Ausführungsbeispiel den Strömungsweg für das Kathodengas durch Änderung der Form der Eintiefung 16 in der ersten Endplatte 12D. Dieses Aufbaubeispiel erfordert keine wesentlichen Änderungen des Aufbaus der Rohrleitungseinheit einhergehend mit der Änderung der Positionen der Zufuhrsammelrohre M3a und M3b.
  • B4. Anderes Aufbaubeispiel 5
  • 24A und 24B sind Skizzen, die eine Rohrleitungseinheit 40E gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellen. 24A ist eine schematische Frontansicht, die die Rohrleitungseinheit 40E darstellt, die an der Brennstoffzelle 10E angebracht ist. Die intern angeordneten Komponenten sind jeweils durch die gestrichelten Linien in 24A dargestellt. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z, die denen von 2 bis 4 ähneln, und der Pfeil G, der die Richtung der Schwerkraft darstellt, sind ebenfalls in 24 dargestellt.
  • Die Brennstoffzelle 10E dieses Aufbaubeispiels ähnelt derjenigen, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, außer dass ein Strömungskanal 17 für das Kathodengas an der Außenfläche einer ersten Endplatte 12E ausgebildet ist. In der Brennstoffzelle 10E sind die Kathodenzufuhrsammelrohre M3a und M3b in Richtung der Schwerkraft unterhalb der Kathodenabgassammelrohre M4a und M4b angeordnet. Der Strömungskanal 17, der in der ersten Endplatte 12E ausgebildet ist, verläuft von der Mitte der unteren Endfläche der ersten Endplatte 12E in Richtung der Schwerkraft nach oben und verzweigt sich vor dem Spannelement 15, um sich mit den beiden Zufuhrsammelrohren M3a und M3b zusammenzuschließen.
  • Die Rohrleitungseinheit 40E weist einen Kathodengaszufuhr-Durchlass 41E, einen Kathodengasausfuhr-Durchlass 42E und einen Anodengasabfuhr-Durchlass 43E auf. Der Kathodengaszufuhr-Durchlass 41E weist eine vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100E, ein Kathodenzufuhrventil 110E, ein Strömungskanal-Verschlusselement 124 und eine Kathodenumgehungsrohrleitung 200E auf. Das Kathodenzufuhrventil 110E ist an einer Position angeordnet, die sich von der Position der ersten Ausführungsform unterscheidet, und ist an der in der Richtung der Schwerkraft unteren peripheren Endfläche der ersten Endplatte 12E eingerichtet.
  • 24B ist eine schematische Ansicht, die das Kathodenzufuhrventil 110E und das Strömungskanal-Verschlusselement 124 aus der Richtung des Pfeils X gesehen im Zustand der Befestigung an der Brennstoffzelle 10E darstellt. Der innere Aufbau des Kathodenzufuhrventils 110E und des Strömungskanal-Verschlusselements 124 sind schematisch in 24B dargestellt. Die Zufuhrsammelrohre M3a und M3b und der Strömungskanal 17 der ersten Endplatte 12E sind durch die gestrichelten Linien dargestellt. Die anderen Komponenten in der Rohrleitungseinheit 40E sind in der Abbildung von 24B weggelassen.
  • Das Kathodenzufuhrventil 110E ist ein Tellerventil wie das Kathodenzufuhrventil 110, das in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, und weist einen Einlass 115, der an der Seitenfläche des Gehäuses 117 ausgebildet ist, und einen Auslass 111 auf, der in der Mitte der Bodenfläche des Gehäuses 117 ausgebildet ist. Der Einlass 115 und der Auslass 111 sind als ungefähr kreisförmige Öffnungen von im Wesentlichen der gleichen Größe ausgebildet und sind so ausgebildet, dass ihre virtuellen Mittelachsen orthogonal zueinander sind. Das Kathodenzufuhrventil 110E ist so angeordnet, dass sein Einlass 115 zur Richtung des Pfeils X offen ist und sein Auslass 111 mit dem unteren Ende des Strömungskanals 17 der ersten Endplatte 12E verbunden ist.
  • Das Strömungskanal-Verschlusselement 124 ist vorgesehen, um den Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110E, die Öffnung des Strömungskanals 17 und die Zufuhrsammelrohre M3a und M3b abzudecken und zu verschließen. Ein Flansch ist am Außenrand des Strömungskanal-Verschlusselements 124 ausgebildet, um an der Bodenfläche des Kathodenzufuhrventils 110E auf der Seite des Auslasses 111 und der Außenfläche der ersten Endplatte 12E befestigt zu werden. Das Strömungskanal-Verschlusselement 124 dient dementsprechend als das Element für eine feste Verbindung des Kathodenzufuhrventils 110E. Die Befestigung des Strömungskanal-Verschlusselements 124 bewirkt, dass das Kathodengas, das aus dem Auslass 111 des Kathodenzufuhrventils 110E strömt, durch den Strömungshohlraum, der durch das Strömungskanal-Verschlusselement 124 begrenzt wird, und den Strömungskanal 17 in die Zufuhrsammelrohre M3a und M3b strömt.
  • Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100E besteht aus einem Rohr, dessen Strömungswegquerschnitt in etwa eine Kreisform aufweist. Die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100E verläuft in der Richtung des Pfeils X vom Einlass 115 des Kathodenzufuhrventils 110E aus, und ihre Seitenfläche ist mit einem vorgelagerten Rohrabschnitt 201 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200E verbunden. Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200E ist ähnlich aufgebaut wie die Kathodenumgehungsrohrleitung 200, die in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, außer dem vorgelagerten Rohrabschnitt 201 und dem nachgelagerten Rohrabschnitt 202, die unterschiedliche Rohrlängen aufweisen. Die Kathodengaszufuhr-Durchlass 41E und der Kathodengasausfuhr-Durchlass 42E sind über die Kathodenumgehungsrohrleitung 200E zu einer Einheit integriert.
  • Der Kathodengasausfuhr-Durchlass 42E ist ähnlich aufgebaut wie der Kathodengasausfuhr-Durchlass 42, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, abgesehen vom vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300E, der eine andere Rohrlänge aufweist. Das Kathodenauslassventil 310 und die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 des Kathodengasausfuhr-Durchlasses 42E sind in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Kathodenzufuhrventils 110E und der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100E angeordnet, so dass sie von der ersten Endplatte 12E weiter entfernt sind als das Kathodenzufuhrventil 110E und die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120E, und ist parallel zur vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100E. Wie die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 verläuft die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300E vom Verbindungselement mit den Abgassammelrohren M4a und M4b aus in Richtung des Pfeils Y und ist in Richtung der Schwerkraft gebogen, um mit dem Kathodenauslassventil 310 verbunden zu werden.
  • Der Anodengasausfuhr-Durchlass 43E ist ähnlich aufgebaut wie der Anodengasausfuhr-Durchlass 43, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist, außer dass eine separate Entwässerungs-Rohrleitung 420E und eine separate Abgas-Rohrleitung 430E, die unterschiedlich geformt sind, entsprechend der Anordnungen der anderen Komponenten 41E und 42E ausgebildet sind. Die separate Abgas-Rohrleitung 430E beginnt an der rechten Seitenfläche der Anodenabgas-Rohrleitung 400, verläuft zwischen der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300E und der ersten Endplatte 12E und verläuft weiter in entgegengesetzter Richtung zum Pfeil X. Die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420E verläuft in Richtung der Schwerkraft nach unten und ist mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden. Der Anodengasausfuhr-Durchlass 43E und der Kathodengasausfuhr-Durchlass 42E sind über die Entwässerungs-Rohrleitung 420E zu einer Einheit integriert.
  • Wie oben beschrieben, muss das Kathodenzufuhrventil 110E nicht in der Ebene der ersten Endplatte 12E angeordnet sein, sondern kann auch an der Außenrand-Endfläche der ersten Endplatte 12E befestigt sein. Bei diesem Aufbau kann das Kathodengas durch den Strömungskanal 17 für das Kathodengas, der an der Außenfläche der ersten Endplatte 12E ausgebildet ist, in die Zufuhrsammelrohre M3a und M3b geliefert werden.
  • B6. Anderes Aufbaubeispiel 6
  • 25A ist eine Skizze, die eine Kathodenumgehungsrohrleitung 200F gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt. 25A stellt die gesamte Kathodenumgehungsrohrleitung 200F dar. Der Aufbau von 25A ist dem Aufbau von 6B im Wesentlichen ähnlich, abgesehen von der Stelle, wo sein vorgelagerter Rohrabschnitt 201 mit der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 verbunden ist. Der übrige Aufbau dieses Aufbaubeispiels ist abgesehen von der Anschlussstelle der Kathodenumgehungsrohrleitung 200F dem der ersten Ausführungsform ähnlich und wird somit hier nicht eigens dargestellt oder beschrieben. In diesem Aufbaubeispiel ist der vorgelagerte Rohrabschnitt 201 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200F von der Richtung, die dem Pfeil Y entgegengesetzt ist, an der Stelle, wo die Breite des Strömungswegs der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 in Richtung des Pfeils Y dazu tendiert, schmäler zu werden, angeschlossen.
  • 25B stellt schematisch den Querschnitt an der Vereinigungsstelle zwischen der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und dem vorgelagerten Rohrabschnitt 201 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200F dar. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z sind in 25B zur Zuordnung zu 25A dargestellt, und die Pfeile, die den Strom des Kathodengases darstellen, sind auch in 25B dargestellt.
  • In diesem Aufbaubeispiel ragt eine Innenwandfläche 204 des vorgelagerten Rohrabschnitts 201 innerhalb der Rohrleitung vor, wenn man die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 aus der Richtung betrachtet, die dem Pfeil X entgegengesetzt ist. Anders ausgedrückt ragt die Innenwandfläche des vorgelagerten Rohrabschnitts 201 in der Richtung vor, in der sie den Strom des Kathodengases in der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 behindert, so dass die Menge des Gasstroms, der in die Kathodenumgehungsrohrleitung 200F geleitet wird, vergrößert wird. Dadurch wird der Druckabfall des Umgehungsgases, das in den vorgelagerten Rohrabschnitt 201 strömt, ebenfalls verringert, und dadurch wird eine weitere Verkleinerung des Umgehungsrohrleitungsventils 210 durch den verringerten Druckabfall des Umgehungsgases erreicht.
  • Wie oben beschrieben, ist es bevorzugt, dass der Verbindungsort und die Verbindungsausrichtung der Kathodenumgebungs-Rohrleitung 200F so bestimmt werden, dass sie die Menge des Gasstroms aus der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 in die Kathodenumgehungsrohrleitung 200F in der offenen Stellung des Umgehungsrohrleitungsventils 210 erhöhen. In einem anderen in Frage kommenden Beispiel für die Verbindungsausrichtung der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 kann der vorgelagerte Rohrabschnitt 201 schräg zur vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 verlaufen und mit dieser verbunden sein.
  • B7. Anderes Aufbaubeispiel 7
  • 26 ist eine Skizze, die eine Kathodenumgehungsrohrleitung 200G gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt. Der Aufbau von 26 ist dem Aufbau von 12B im Wesentlichen ähnlich, abgesehen davon, dass ein nachgelagerter Rohrabschnitt 202 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200G in einem anderen Winkel als in der ersten Ausführungsform mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verbunden ist. Der andere Aufbau dieses Aufbaubeispiels ist mit Ausnahme des Verbindungswinkels der Kathodenumgehungsrohrleitung 200G dem der ersten Ausführungsform ähnlich und wird daher hier nicht eigens dargestellt oder beschrieben.
  • In diesem Aufbaubeispiel ist der nachgelagerte Rohrabschnitt 202 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200G auf solche Weise angeschlossen, dass ein Winkel α zwischen der Strömungsrichtung des Abgases (Richtung des Pfeils X) in der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 und der Rohrleitungsrichtung des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 kleiner ist als 90 Grad. Diese Verbindung bewirkt, dass der nachgelagerte Rohrabschnitt 202 zum Kathodenauslassventil 310 hin offen ist, und verbessert somit die Spülwirkung zur Entfernung des Wassers aus dem Kathodenauslassventil 310 durch das Umgehungsgas.
  • In diesem Aufbaubeispiel besteht die Möglichkeit, dass das Umgehungsgas gegen den Strom des Kathodenabgases strömt und den Druckabfall des Kathodenabgases verstärkt. Der Aufbau der ersten Ausführungsform ist bevorzugt, um eine Erhöhung des Druckabfalls des Kathodenabgases zu verhindern. In diesem Aufbaubeispiel kann der Verbindungsort des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 auf der Seite stromabwärts vom dargestellten Verbindungsort (links in der Abbildung) liegen. Dadurch wird die Spülwirkung an der Verbindung zwischen der separaten Entwässerungs-Rohrleitung 420 und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 durch das Umgehungsgas verbessert.
  • B8. Anderes Aufbaubeispiel 8
  • 27A und 27B sind Skizzen, die ein anderes Aufbaubeispiel für eine Verbindung zwischen der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 und dem Kathodenauslassventil 310 darstellen. 27A ist eine schematische Darstellung, die den Aufbau der ersten Ausführungsform darstellt, und ist 13A im Wesentlichen ähnlich, mit der Ausnahme einer anderen Darstellung von flüssigem Wasser W, das sich an der Innenwandfläche gesammelt hat. 27A stellt den Ablauf der Bewegung des flüssigen Wassers W, dass sich an der Innenwandfläche der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 niedergeschlagen und gesammelt hat, dar.
  • Das Kathodenabgas enthält eine erhebliche Menge an Wasser. Wenn die Strömungsrichtung des Kathodenabgases gekrümmt ist, wie in der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300, ist es sehr gut möglich, dass Wasser auf die Innenwandfläche 303 außerhalb der Krümmung trifft und dort kondensiert. Das flüssige Wasser W, das sich an der Innenwandfläche 303 niedergeschlagen und gesammelt hat, bewegt sich aufgrund der Schwerkraft und aufgrund des Stroms des Kathodenabgases entlang der Innenwandfläche 303 in Richtung auf das Kathodenausfuhrventil 310.
  • Wenn eine Biegung Ind zwischen der Innenwandfläche 303 und der Innenwandfläche des Gehäuses des Kathodenauslassventils 310 ausgebildet ist, kann der Tropfen des flüssigen Wassers W an der Biegung Ind durch den Strom des Kathodenabgases fortgeblasen und zerstiebt werden. Eine Ansammlung des Spritzwassers an einer bestimmten Stelle, wo die Wasserentfernung durch Spülen schwierig ist, bewirkt ein Einfrieren und eine Funktionsminderung des Kathodenauslassventils 310. Die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 kann somit mit dem Kathodenauslassventil 310 verbunden sein wie nachstehend beschrieben.
  • 27B ist eine schematische Ansicht, die ein anderes Aufbaubeispiel für die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 und das Kathodenauslassventil 310 dargestellt. Der Aufbau von 27B ist dem Aufbau von 27A im Wesentlichen ähnlich, abgesehen vom Verbindungsort der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 mit dem Gehäuse des Kathodenauslassventils 310 und der Verfolgung der Bewegung des flüssigen Wassers W.
  • In diesem Aufbaubeispiel ist die Position des Kathodenzufuhrventils 310 in entgegengesetzter Richtung zum Pfeil Y so verlagert, dass sich die Innenwandfläche 303 der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 glatt an die Innenwandfläche des Gehäuses des Kathodenzufuhrventils 310 anfügt. Dadurch kann sich das flüssige Wasser W, das sich an der Innenwandfläche 303 niedergeschlagen und angesammelt hat, ungehindert von der Innenwandfläche 303 zur Innenwandfläche des Gehäuses des Kathodenzufuhrventils 310 wandern, wodurch die Gefahr des Zerstiebens bzw. Verspritzens wie oben beschrieben verringert ist. Die Position des Kathodenzufuhrventils 310 ist im Aufbau von 27B verlagert, aber der Neigungswinkel der Innenwandfläche 303 kann geändert werden, um die Ausbildung der Biegung Ind zu vermeiden.
  • B9. Anderes Aufbaubeispiel 9
  • 28 ist eine schematische Ansicht, die eine Anodenabgas-Rohrleitung 400I gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt. Der Aufbau von 28 ist dem Aufbau von 15B im Wesentlichen ähnlich, außer dass eine Trennwand 413w zusätzlich an der unteren Bodenfläche 413 ausgebildet ist, und dass ein Pfeil Dd hinzugefügt ist, der die Neigungsrichtung der unteren Bodenfläche 413 darstellt. Der andere Aufbau dieses Aufbaubeispiels ist mit Ausnahme der Anodengas-Rohrleitung 400I dem der ersten Ausführungsform ähnlich und wird daher hier nicht eigens dargestellt oder beschrieben.
  • Die Trennwand 413w ist eine Teilungswand, die an einer Position, die dem Einlass 4151 des Anodenablaufventils 415 gegenüber liegt, angeordnet ist. Diese Trennwand 413w dient als Führungswand, um das Wasser, das im Anodenabgas enthalten ist, zum Anodenablaufventil 415 zu leiten. Die Trennwand 413w dient außerdem als Sperre, um zu verhindern, dass das Wasser, dass sich im Wassersammelbecken 411 gesammelt hat, durch die Gaskomponente des Kathodenabgases zur separaten Abgas-Rohrleitung 430 mitgenommen wird.
  • Wie oben beschrieben, stellt die Ausbildung der Trennwand 413w im Gas-Flüssigkeit-Abscheider 410 die wirksamere Trennung von Wasser vom Anodenabgas sicher. Vorzugsweise ist die weiter unten gelegene Bodenfläche 413 so geneigt, dass sie in Richtung des Pfeils Dd sinkt, um das Wasser, das sich auf der Seite der Trennwand 413w gesammelt hat, wo sich die separate Abgas-Rohrleitung 430 befindet, zum Einlass 4151 des Anodenablaufventils 415 zu leiten.
  • B10. Anderes Aufbaubeispiel 10
  • 29 ist eine Skizze, die die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120J und die nachgelagerte Abgas-Rohrleitung 430J gemäß einem anderen Aufbaubeispiel darstellt. Ein Kathodengaszufuhr-Durchlass 41J und ein Anodengasabfuhr-Durchlass 43J sind in 29 dargestellt. Um die Darstellung klarer zu machen, sind in 29 die inneren Bauweisen der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120J und der separaten Abgas-Rohrleitung 430J von den schematischen Querschnittsansichten dargestellt, während die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 100 und das Kathodenzufuhrventil 110 von den gestrichelten Linien dargestellt sind. Der Aufbau der Rohrleitungseinheit 40J dieses Aufbaubeispiels abgesehen von dem, der nachstehend beschrieben ist, ist dem Aufbau der Rohrleitungseinheit 40 der ersten Ausführungsform im Wesentlichen ähnlich.
  • In diesem Aufbaubeispiel ist die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung 120J mit der separaten Abgas-Rohrleitung 430J zu einer Einheit integriert, und der Strömungsweg für das Kathodengas und der Strömungsweg für das Anodenabgas grenzen aneinander an mit einer gemeinsamen Trennwand 432 dazwischen. Dieser Aufbau stellt den wirksameren Wärmetausch zwischen dem Anodenabgas und dem Kathodenabgas sicher und erwärmt daher die Brennstoffzelle 10 mit einem höheren Wirkungsgrad als oben mit Bezug auf 14B beschrieben.
  • C. Zweite Ausführungsform
  • 30 ist ein schematisches Blockdiagramm, das die Gestaltung eines Brennstoffzellensystems 1000K gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Die Gestaltung von 30 ist der Gestaltung von 1 im Wesentlichen ähnlich, außer dass der Controller 70 durch einen Controller 70K ersetzt ist, und dass ein Spannungssensor 80 mit der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Der Controller 70K weist einen Umgehungsventilmonitor 71 und einen Ventilwiederherstellungsprozessor 72 auf. Der Spannungssensor 80 misst die Spannung, die von den einzelnen Einzelzellen 11 der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, und sendet die gemessene Spannung zum Controller 70K. Das Brennstoffzellensystem 1000K dieser Ausführungsform weist die Brennstoffzelle 10 auf, an der die Rohrleitungseinheit 40 angebracht ist wie in der ersten Ausführungsform beschrieben. Wie der Controller 70 der ersten Ausführungsform steuert der Controller 70K jeweils das Öffnen/Schließen der Ventile 210, 310 und 415 der Rohrleitungseinheit 40, um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 zu regulieren.
  • Im Brennstoffzellensystem 1000K kann die Strömungsrate des Kathodengases, das zur Brennstoffzelle 10 geliefert wird, durch Steuern der Öffnung des Umgehungsrohrleitungsventils 210 mehr linear reguliert werden. Es besteht jedoch die Gefahr, dass Verunreinigungen, die vom Luftverdichter 20 zusammen mit dem Kathodengas angesaugt werden, in die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 gelangen (11). Wenn solche Verunreinigungen zwischen dem Ventilkegel 212 und dem Ventilsitz 213 hängen bleiben, kann das Umgehungsrohrleitungsventil 210 in den „in der offenen Stellung blockierten” Zustand geraten, der eine Änderung in die vollständig geschlossene Stellung verhindert. Im Umgehungsrohrleitungsventil 210 kann der in oder offenen Stellung blockierte Zustand aufgrund einer Lücke zwischen dem Ventilkegel 212 und dem Ventilsitz 213 wegen einer nicht axialen Ausrichtung des Ventilkegels 212, und nicht nur aufgrund von Verunreinigungen, auftreten.
  • In dem in der offenen Stellung blockierten Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 kann ein Teil des Kathodengases, das vom Luftkompressor 20 angesaugt wird, kontinuierlich in die Kathodenabgas-Rohrleitung 200 austreten. Dieser Austritt verringert die Kathodengaszufuhr und senkt den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10. Um eine Senkung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 zu verhindern, ist es erstrebenswert, den in der offenen Stellung blockierten Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 schnell zu erfassen und die erforderlichen Schritte für eine Wiederherstellung zu unternehmen. Im Brennstoffzellensystem 1000K dieser Ausführungsform führt der Controller 70K demgemäß einen nachstehend beschriebenen Umgehungsventil-Überwachungsprozess durch.
  • 31 ist ein Ablaufschema, das den Ablauf eines Umgehungsventil-Überwachungsprozesses zeigt, der vom Controller 70K durchgeführt wird. Der Controller 70K führt diesen Prozess in regelmäßigen Abständen beim Start und während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1000K durch. In Schritt S10 erfasst der Umgehungsventilmonitor 71 des Controllers 70K, ob der in der offenen Stellung blockierte Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 vorliegt. Nachstehend wird der konkrete Ablauf dieser Erfassung beschrieben.
  • Der Controller 70K regelt die Öffnung des Kathodenauslassventils 310 gemäß einem Zielwert für die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10 (Zielspannungswert Vt) während der Ausgangsleistungssteuerung der Brennstoffzelle 10. Genauer wird die Öffnung des Kathodenauslassventils 310 bei einem höheren Sollspannungswert Vt stärker verkleinert, um den Druck des Kathodengases in der Brennstoffzelle 10 zu erhöhen.
  • Wie oben beschrieben, kommt es in dem in der offenen Stellung blockierten Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 zu einem Austritt des Kathodengases aus der Kathodenumgehungsrohrleitung 200. Daher ist es schwierig, den Sollspannungswert Vt durch einfaches Steuern der Öffnung des Kathodenauslassventils 310 zu erreichen. Der Umgehungsventilmonitor 71 dieser Ausführungsform erfasst demgemäß die Senkung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 und bestimmt, dass der in der offenen Stellung blockierte Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 vorliegt, als Reaktion auf die Erfassung der Senkung. Genauer verwendet der Umgehungsventilmonitor 71 ein Kennfeld, das vorab bereitgestellt wird, um eine Senkung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 zu erfassen, und bestimmt, ob der in der offenen Stellung blockierte Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 vorliegt.
  • 32 stellt ein Beispiel für das Kennfeld dar, das vom Umgehungsventilmonitor 71 für die Erfassung in Schritt S10 verwendet wird. Das Kennfeld MP für den in der offenen Stellung blockierten Zustand weist eine Öffnung VOL des Kathodenauslassventils 310 als Abszisse und eine erwartete Ausgangsleistung EO als Ordinate auf. „Erwartete Ausgangsleistung EO” bedeutet hierin einen Ausgangsspannungswert, dessen Ausgabe durch die Brennstoffzelle bei der jeweiligen Öffnung VOL des Kathodenauslassventils 310 erwartet wird. Die erwartete Ausgangsleistung EO wird vorab festgelegt, beispielsweise aufgrund von Versuchsergebnissen.
  • Der Umgehungsventilmonitor 71 nimmt Bezug auf dieses Kennfeld MP für den in der offenen Stellung blockierten Zustand, um die erwartete Ausgangsleistung EO bei einem aktuellen Öffnungsbefehl des Kathodenauslassventils 310 zu lesen. Der Umgehungsventilmonitor 71 ermittelt dann einen Ausgangsspannungswert Vm der Brennstoffzelle 10 aufgrund des Messwerts des Spannungssensors 80, der an der Brennstoffzelle 10 angebracht ist, und vergleicht den Ausgangsspannungswert Vm mit der erwarteten Ausgangsleistung EO, die aus dem Kennfeld MP gelesen wird. Genauer berechnet der Umgehungsventilmonitor 71 den Unterschied zwischen dem Ausgangsspannungswert Vm und der erwarteten Ausgangsleistung EO und bestimmt, dass der in der offenen Stellung blockierte Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 vorliegt, wenn der Ausgangsspannungswert Vm deutlich niedriger ist als die erwartete Ausgangsleistung EO, d. h. wenn der Unterschied größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
  • Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 10 wird außer von der Öffnung des Kathodenauslassventils 310 durch verschiedene andere Faktoren beeinflusst. Beispielsweise ändert sich die Ausgangsspannung mit Variationen der Strömungsrate und des Drucks des Wasserstoffs, der zur Brennstoffzelle 10 geliefert wird. Im Erfassungsschritt S10 kann somit die Senkung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 unter Berücksichtigung solcher Faktoren außer der Öffnung des Kathodenauslassventils 310 erfasst werden. Genauer sind Kennfelder, die dem Kennfeld MP für den in der offenen Stellung blockierten Zustand in Bezug auf verschiedene Wasserstoffzufuhr-Strömungsraten und Wasserstoffzufuhr-Drücke vorgesehen. Der Umgehungsventilmonitor 71 wählt ein passendes Kennfeld, das für die Erfassung zu verwenden ist, entsprechend der Wasserstoffzufuhr-Strömungsrate und dem Wasserstoffzufuhr-Druck aus.
  • Wenn in Schritt S10 bestimmt wird, dass der in der offenen Stellung blockierte Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 nicht vorliegt, beendet der Controller 70K diesen Umgehungsventil-Überwachungsprozess und setzt den normalen Betrieb des Systems fort (31). Wenn in Schritt S10 bestimmt wird, dass der in der offenen Stellung blockierte Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 vorliegt, unterbricht der Controller 70K dagegen den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1000K und bewirkt, dass der Ventilwiederherstellungsprozessor 72 einen Wiederherstellungsprozess durchführt, um den in der offenen Stellung blockierten Zustand zu eliminieren (Schritt S20). Der Controller 70K kann den Anwender des Brennstoffzellensystems 1000K nach seiner Zustimmung oder Ablehnung des Wiederherstellungsprozesses fragen, bevor er den Betrieb der Brennstoffzelle 1000K anhält.
  • In Schritt S30 steuert der Ventilwiederherstellungsprozessor 72 das Kathodenauslassventil 310, um die Öffnung zu verkleinern. Alternativ dazu kann der Ventilwiederherstellungsprozessor 72 das Kathodenauslassventil 310 in die geschlossene Stellung steuern. In Schritt S40 gibt der Ventilwiederherstellungsprozessor 72 das Kathodengas mit einem vorgegebenen Druck für eine vorgegebene Zeit an den Luftkompressor 20 aus. Die Durchführung der Schritte S30 und S40 erhöht den Druck und die Strömungsrate des Kathodengases, das in die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 strömt. Der Strom des Kathodengases bläst die Verunreinigungen als die Ursache des in der offenen Stellung blockierten Zustands weg und gibt eine externe Kraft zum Ventilkegel 212 als dem Auslöser zur Korrektur der zur Achse verschobenen Bedingung, wodurch der in der offenen Stellung blockierte Zustand eliminiert wird.
  • In Schritt S50 führt der Controller 70K einen Wiederherstellungsprozess durch, um den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1000K, der in Schritt S20 angehalten worden ist, neu zu starten. Genauer können die Öffnungen der Ventile 210 und 310 und die Ausgangsleistung des Luftverdichters 20 jeweils wieder zu ihren normalen Bedingungen zurückgebracht werden, die sie vor dem Anhalten des Betriebs in Schritt S20 hatten. Alternativ dazu können die Öffnungen der Ventile 210 und 310 und die Ausgangsleistung des Luftverdichters 20 in den Anfangszustand unmittelbar nach der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 1000K zurückgebracht werden.
  • Wenn im Brennstoffzellensystem 1000K dieser Ausführungsform der Umgehungsventilmonitor 71 den in der offenen Stellung blockierten Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 erfasst, führt der Ventilwiederherstellungsprozessor 72 die Verarbeitung durch, um den in der offenen Stellung blockierten Zustand zu beseitigen, wie oben beschrieben. Dadurch wird eine Senkung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 wegen des in der offenen Stellung blockierten Zustands des Umgehungsrohrleitungsventils 210 verhindert und dementsprechend die Senkung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung des Brennstoffzellensystems 1000K verhindert.
  • Die in der ersten Ausführungsform beschriebene Rohrleitungseinheit 40 in der ersten Ausführungsform wird im Brennstoffzellensystem 1000K dieser Ausführungsform übernommen wie oben beschrieben. Die Rohrleitungseinheit 40 ist von geringer Größe, mit den kurzen Rohrlängen der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und der Kathodenumgehungsrohrleitung 200. Dadurch ist eine sofortige Änderung des Drucks und der Strömungsrate des Umgehungsgases in der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 durch Regeln des Drucks und der Strömungsrate des Kathodengases in den Schritten S30 und S40 möglich. Im Vergleich zu einem Brennstoffzellensystem mit einem ähnlichen Systemaufbau ohne die Rohrleitungseinheit 40 führt der Systemaufbau dieser Ausführungsfonm die Verarbeitung wirkungsvoller durch, um den in der offenen Stellung blockierten Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils 210 zu beseitigen.
  • D. Dritte Ausführungsform
  • 33 bis 35 sind schematische Ansichten, die den Aufbau einer Brennstoffzelleneinheit 500 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellen. Die dreidimensionalen Pfeile X, Y und Z, die denen von 2 bis 4 ähneln, sind in 33 und 35 dargestellt. 33 ist eine schematische Draufsicht auf die Brennstoffzelleneinheit 500 mit dem inneren Aufbau eines Gehäuses 90. 34A und 34B sind eine schematische linke Seitenansicht bzw. eine schematische rechte Seitenansicht der Brennstoffzelleneinheit 500 mit dem inneren Aufbau des Gehäuses 90. 35 ist eine schematische Vorderansicht der Brennstoffzelleneinheit 500 mit dem inneren Aufbau des Gehäuses 90.
  • Rohrleitungen und Verdrahtungen, die mit der Brennstoffzelleneinheit 500 verbunden sind, sind aus der Abbildung von 33 und 35 weggelassen. Das Gehäuse 90 der Brennstoffzelleneinheit 500 weist Einlässe und Öffnungen auf, durch die Rohrleitungen und Verdrahtungen in das Gehäuse 90 gezogen werden können, die in der Abbildung von 33 und 35 ebenfalls weggelassen sind.
  • Die Brennstoffzelleneinheit 500 weist eine Brennstoffzelle 10, eine Rohrleitungseinheit 40 und das Gehäuse 90 auf. Der Aufbau der Brennstoffzelle 10 und der Rohrleitungseinheit 40 ist identisch mit dem, der in der ersten Ausführungsform beschrieben ist und wird somit hier nicht eigens beschrieben. Das Gehäuse 90 ist ein Gehäuse von etwa würfelförmiger Form, um die Brennstoffzelle 10, an der die Rohrleitungseinheit 40 angebracht ist, aufnehmen zu können.
  • Die Brennstoffzelle 10 und die Rohrleitungseinheit 40 sind als Einheit im Gehäuse 90 platziert. Dies verhindert eine Funktionsminderung der Brennstoffzelle 10 und der Rohrleitungseinheit 40 durch Staub oder Wasser, die von außen eindringen. Dies verhindert außerdem, dass das Betriebsgeräusch der Öffnungs-/Schließungsbetätigungen der jeweiligen Ventile 110, 210, 310 und 415 der Rohrleitungseinheit 40 während des Betriebs der Brennstoffzelle 10 nach außen dringt. Das Gehäuse 90 kann beispielsweise aus Eisen oder Edelstahl bestehen.
  • Das Gehäuse 90 weist eine Basis 98 auf, die an seinem Boden angeordnet ist, und die Brennstoffzelle 10 ist an der Basis 98 in der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Ausrichtung angebaut. Eine wasserfeste Wand 91 ist innerhalb des Gehäuses 90 platziert. Die wasserfeste Wand 91 ist eine Teilungswand, die an der Position zwischen dem Kathodenauslassventil 310 mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 und der vorgelagerten Anodenabgas-Rohrleitung 400 mit der separaten Abgas-Rohrleitung 430 angeordnet ist. Genauer ist die wasserfeste Wand 91 die Teilungswand, die auf die Bodenfläche des Gehäuses 90 gestellt ist, so dass sie sich in Richtung des Pfeils X erstreckt und die linken und rechten Seitenwände des Gehäuses 90 miteinander verbindet. Die wasserfeste Wand 91 weist eine Eintiefung 94 mit abnehmender Höhe auf, damit die separate Entwässerungs-Rohrleitung 420 hindurch verlaufen kann. Die wasserfeste Wand 91 hat abgesehen von der Eintiefung 94 eine Höhe, die der Höhe der Verbindung zwischen der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 und dem Kathodenauslassventil 310 im Wesentlichen gleich ist.
  • Vorsprünge 92a bis 92c mit vorstehenden Enden sind an der Innenwandfläche des Gehäuses 90 und an der Wandfläche der wasserfesten Wand 91 angeordnet. Die ersten und zweiten Vorsprünge 92a und 92b sind an der vorderen Innenwandfläche des Gehäuses 90 angeordnet, und der dritte Vorsprung 92 ist am oberen Rand der wasserfesten Wand 91 angeordnet. Der erste Vorsprung 92a ist so angeordnet, dass sein nach unten weisendes Ende sich nahe an der Verbindung zwischen der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 und dem Kathodenzufuhrventil 310 befindet.
  • Der zweite Vorsprung 92 ist vertikal unterhalb des ersten Vorsprungs 92a angeordnet, so dass sein Ende sich nahe an der unteren Fläche des Gehäuses des Kathodenauslassventils 310 befindet. Der dritte Vorsprung 92c ist so angeordnet, dass sein Ende sich nahe an der Verbindung zwischen der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 und dem Kathodenzufuhrventil 310 befindet. Vorzugsweise bestehen die ersten bis dritten Vorsprünge 92a bis 92c aus Materialien mit einer höheren Steifigkeit als das Material der Teile der Rohrleitungseinheit 40, die sich in der Nähe der jeweiligen vorstehenden Enden befinden.
  • 36A ist ein Schema, das die Funktionen der wasserfesten Wand 91 darstellt. 36A ist eine schematische linke Seitenansicht, die der von 34A ähnelt, stellt aber nur die Seite der Brennstoffzelleneinheit 500, wo sich die Rohrleitungseinheit 40 befindet, dar. Im dargestellten Zustand von 36A erscheint ein Riss CR im unteren Abschnitt der Seitenfläche der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 320 und bewirkt ein Austreten von ablaufendem Wasser aus der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 320.
  • Auch wenn in der Brennstoffzelleneinheit 500 ein Riss CR an der Wandfläche der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 erscheint, wodurch bewirkt wird, dass ablaufendes Wasser austritt, blockiert die wasserfeste Wand 91 den Strom des ausgetretenen ablaufenden Wassers W in die Brennstoffzelle 10, wie oben beschrieben. Anders ausgedrückt bildet die wasserfeste Wand 91 ein Wassersammelbecken für das ausgetretene ablaufende Wasser W im Gehäuse 90. In der Brennstoffzelleneinheit 50 verhindert dieser Aufbau wirksam die Funktionsverschlechterung und elektrische Leckströme der Brennstoffzelle 10 aufgrund einer Beschädigung der Rohrleitungseinheit 40.
  • 36B ist ein Schema, das die Funktionen der ersten bis dritten Vorsprünge 92a bis 92c darstellt. 36B ist eine schematische rechte Seitenansicht, die 34B ähnelt, stellt aber nur die Seite der Brennstoffzelleneinheit 500 dar, wo der sich die Rohrleitungseinheit 40 befindet. In dem in 36B dargestellten Zustand wird eine externe Kraft auf die Vorderseite der Brennstoffzelleneinheit 500 ausgeübt, beispielsweise durch Aufschlagen eines externen Objekts, so dass die Vorderfläche der Brennstoffzelleneinheit 500 zerdrückt ist.
  • In diesem Fall dringen bzw. stechen die jeweiligen vorstehenden Enden der ersten bis dritten Vorsprünge 92a bis 92c in die jeweiligen benachbarten Teile der Rohrleitungseinheit 40 ein, um willkürlich einen Riss in der Rohrleitungseinheit 40 zu bewirken. Genauer dringen die vorstehenden Enden der ersten und der dritten Vorsprünge 92a und 92c jeweils in die Verbindung zwischen der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 und dem Kathodenauslassventil 310 ein, während der zweite Vorsprung 92b in die untere Fläche des Gehäuses des Kathodenauslassventils 310 eindringt.
  • Durch das Eindringen der ersten und dritten Vorsprünge 92a und 92c wird das Kathodenauslassventil 310 von der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 getrennt. In diesem Zustand dienen die ersten und dritten Vorsprünge 92a und 92c als Druckelemente, um zu verhindern, dass das Kathodenauslassventil 310 über die wasserfeste Wand 91 zur Seite der Brennstoffzelle 10 springt. Der zweite Vorsprung 92b dient als Halteelement, um ein Herunterfallen des Kathodenauslassventils 310 zu verhindern. Außerdem dienen die ersten und dritten Vorsprünge 92a und 92c als Randeinfassungselemente, um zu verhindern, dass das ablaufende Wasser über die wasserfeste Wand 91 zur Seite der Brennstoffzelle 10 spritzt.
  • Im Falle einer Ablösung des Kathodenauslassventils 310 ist es bevorzugt, dass die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320, die wahrscheinlich eine erhebliche Menge an abgelaufenem Wasser enthält, in das Wassersammelbecken entleert wird, das von der wasserfesten Wand 91 gebildet wird. Zu diesem Zweck ist es erstrebenswert, die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 zu zerbrechen und die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 von der vorgelagerten Kathodenumgehungsrohrleitung 100 zu trennen. Um ein Austreten und ein Verspritzen von austretendem Wasser zu verhindern, ist es bevorzugt, den vorgelagerten Abschnitt der Kathodenumgehungsrohrleitung 200, der relativ wahrscheinlich kein Wasser enthält, stromaufwärts vom Umgehungsrohrleitungsventil 210 zu zerbrechen.
  • In der Rohrleitungseinheit 40 ist die Steifigkeit des Materials, das für die Wandfläche der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 verwendet wird, so eingerichtet, dass sie von der nachgelagerten Seite zur vorgelagerten Seite des Umgehungsrohrleitungsventils 210 abnimmt. Genauer ist die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 so angeordnet, dass sie stromaufwärts vom Umgehungsrohrleitungsventil 210 eine Dicke der Rohrleitungs-Wandfläche aufweist, die geringer ist als die Dicke der Rohrleitungs-Wandfläche stromabwärts vom Umgehungsrohrleitungsventil 210 (11). Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Kathodenumgehungsrohrleitung stromaufwärts vom Umgehungsrohrleitungsventil 210 zerbrochen wird.
  • Materialien mit unterschiedlichen Steifigkeiten können für den vorgelagerten und den nachgelagerten Abschnitt der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 stromaufwärts und stromabwärts vom Umgehungsrohrleitungsventil 210 verwendet werden. Der vorgelagerte Rohrabschnitt 201 der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 kann so ausgebildet sein, dass er einen dünnwandigen Abschnitt aufweist, um den Bruch zu induzieren.
  • Wenn die Rohrleitungseinheit durch die ersten bis dritten Vorsprünge 92a bis 92c zerbrochen wird, wie oben beschrieben, tritt ablaufendes Wasser durch den Bruch aus und wird im Wassersammelbecken, das in 36A beschrieben ist, gesammelt. Auch wenn die ganze Brennstoffzelle 500 zerdrückt wird, verhindert dies, dass das ablaufende Wasser in der Rohrleitungseinheit 40 in die Brennstoffzelle 10 hinein austritt. Gemäß dieser Ausführungsform bilden die ersten bis dritten Vorsprünge 92a bis 92c im Falle eines Unfalls den Wasserablauf, um das ablaufende Wasser in das Wassersammelbecken auszuführen.
  • In der Brennstoffzelleneinheit 500 dieser Ausführungsform schützt die wasserfeste Wand 91 des Gehäuses 90 die Brennstoffelle 10 selbst dann vor ablaufendem Wasser, wenn das ablaufende Wasser aus der Rohrleitungseinheit 40 austritt, wie oben beschrieben. Auch wenn die Brennstoffzelleneinheit 500 durch einen Unfall zerdrückt wird, legen die ersten bis dritten Vorsprünge 92a bis 92c die Stellen fest, wo Risse in der Rohrleitungseinheit 40 entstehen, und bewirken, dass das ablaufende Wasser durch diese Risse in das Wassersammelbecken austritt. Somit kann die Brennstoffzelleneinheit 500 dieser Ausführungsform insgesamt verhindern, dass ausgetretenes ablaufendes Wasser W zur Brennstoffzelle 10 wandert.
  • E. Modifikationen
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen oder die verschiedenen anderen Aufbaubeispiele beschränkt, sondern es kann eine Vielzahl von Varianten und Modifikationen der Ausführungsformen und der verschiedenen anderen Aufbaubeispiele vorgenommen werden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der in der ersten Ausführungsform beschriebene Aufbau passend mit einer Mehrzahl von Bauweisen kombiniert werden, die in den anderen Aufbaubeispielen beschrieben sind. Einige Beispiele für mögliche Modifikationen sind nachstehend beschrieben.
  • E1. 1. Modifikation
  • In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform ist der Kathodengaszufuhr-Durchlass 41 durch die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 an der Verbindung zwischen der Gehäuseabdeckung 118 des Kathodenzufuhrventils 110 und der vorgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 300 mit dem Kathodengasausfuhr-Durchlass 42 verbunden. Der Kathodengaszufuhr-Durchlass 41 und der Kathodengasausfuhr-Durchlass 42 können über ein anderes Verbindungselement miteinander verbunden sein. Beispielsweise kann eine Stützstange vorgesehen sein, die mit der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 120 zu verbinden ist. In einem anderen Beispiel kann der Flansch 121 mit dem Flansch 301 zu einer Einheit integriert sein. In einem weiteren Beispiel können die Außenwandflächen der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und der nachgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 120 miteinander in Kontakt stehen und zusammengefügt sein.
  • E2. 2. Modifikation
  • In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform weist die Rohrleitungseinheit 40 die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 auf. Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 kann jedoch weggelassen werden. In der oben beschriebenen ersten Ausführungsform weist die Rohrleitungseinheit 40 den Anodengasausfuhr-Durchlass 43 auf. Der Anodengas-Ausfuhrdurchlass 43 kann jedoch weggelassen werden.
  • E3. 3. Modifikation
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform weist die Brennstoffzelle 10 die Anodensammelrohre M1 und M2, die Kathodensammelrohre M3a, M3b, M4a und M4b und die Kühlmittelsammelrohre M5 und M6 auf. Die Anordnungen und die Anzahl der Sammelrohre für die Reaktionsgase und das Kühlmittel der Brennstoffzelle 10 sind jedoch nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und können auf verschiedene Weise modifiziert werden. Die Ausrichtung der Brennstoffzelle 10 ist nicht auf die in der oben beschriebenen Ausführungsform beschriebene Richtung beschränkt.
  • E4. 4. Modifikation
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Anodengasausfuhr-Durchlass 43 an der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 angebracht und dann am Flansch 402 angebaut und angefügt (17A und 17B). Der Anodengasausfuhr-Durchlass 43 kann jedoch auch am Flansch 402 angebaut und dann an der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 befestigt und angefügt sein.
  • E5. 5. Modifikation
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform weist die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 den vorgelagerten Rohrabschnitt 201, der von der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 110 in umgekehrter Richtung zur ersten Endplatte 12 (Richtung des Pfeils Y) verläuft, und den nachgelagerten Rohrabschnitt 202 auf, der vom vorgelagerten Rohrabschnitt 201 abbiegt und zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 verläuft, die in Richtung der Schwerkraft unterhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts 202 angeordnet ist. Die Kathodenumgehungsrohrleitung 200 muss jedoch nicht aus einem solchen gebogenen Rohr bestehen, sondern kann beispielsweise aus einem linearen Rohr bestehen. Das Kathoden-Rohrleitungsventil 210 kann ein Schmetterlingsventil statt des Tellerventils sein.
  • E6. 6. Modifikation
  • In der oben beschriebenen Ausführungsform weist die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 300 den vorgelagerten Rohrabschnitt 302 auf, der vom Flansch 301 in Richtung des Pfeils Y verläuft, und ihre Bodenfläche verläuft auf der nachgelagerten Seite steiler nach oben. Die Bodenfläche des vorgelagerten Rohrabschnitts 302 muss jedoch nicht auf der nachgelagerten Seite steiler nach oben verlaufen.
  • E7. 7. Modifikation
  • In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform verwendet der Umgehungsventilmonitor 71 das Kennfeld MP für einen in der offenen Stellung blockierten Zustand, um eine Senkung des Wirkungsgrads der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 10 zu erfassen, um zu bestimmen, ob der in der offenen Stellung blockierte Zustand des Umgehungsventils 210 vorliegt. Der Umgehungsventilmonitor 71 kann jedoch eine andere Einrichtung verwenden, um zu bestimmen, ob der in der offenen Stellung blockierte Zustand des Umgehungsventils 210 vorliegt. Beispielsweise kann ein Luftstrommesser stromabwärts vom Umgehungsventil 210 angeordnet sein, und der Umgehungsventilmonitor 71 kann auf Basis von dessen Messergebnis bestimmen, ob der in der offenen Stellung blockierte Zustand vorliegt oder nicht. In einem anderen Beispiel kann ein Luftstrommesser stromabwärts von der Verbindungsstelle zwischen der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung 100 und der Kathodenumgehungsrohrleitung 200 angeordnet sein, und der Ventilmonitor 71 kann das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen des in oder offenen Stellung blockierten Zustands auf Basis des Vergleichs zwischen dessen Messergebnis und der Betriebsbedingung des Luftverdichters 20 bestimmen.
  • E8. 8. Modifikation
  • In der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform steuert der Ventilwiederherstellungsprozessor 72 das Kathodenauslassventil 310 und den Luftverdichter 20 als Prozess zur Beseitigung des in der offenen Stellung blockierten Zustands des Umgehungsventils 210 (Schritt S30 und S40 in 31). Der Ventilwiederherstellungsprozessor 72 kann jedoch einen anderen Prozess durchführen, um den in der offenen Stellung blockierten Zustand des Umgehungsventils 210 durchzuführen. Beispielsweise kann der Ventilwiederherstellungsprozessor 72 die Öffnungs-/Schließungsbetätigungen des Umgehungsventils 210 über eine vorgegebene Zeit ständig wiederholen.
  • E9. 9. Modifikation
  • In der oben beschriebenen dritten Ausführungsform sind die ersten bis dritten Vorsprünge 92a bis 92c im Gehäuse 90 der Brennstoffzelleneinheit 500 ausgebildet. Es können jedoch einer, zwei oder alle dieser ersten bis dritten Vorsprünge 92a bis 92c weggelassen werden. In einem anderen Beispiel kann eine Mehrzahl von Vorsprüngen zusätzlich zu den ersten bis dritten Vorsprüngen 92a bis 92c ausgebildet sein. Ein Vorsprung, der den ersten bis dritten Vorsprüngen 92a bis 92c ähnelt, kann an der Position ausgebildet sein, die sich von denen unterscheidet, die in der dritten Ausführungsform beschrieben sind. Beispielsweise kann ein Vorsprung an der Position ausgebildet sein, die ein Reißen der Wandoberfläche der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 ermöglicht. Vorzugsweise sind diese Vorsprünge an den Positionen ausgebildet, wo im Wesentlichen keine Gefahr eines Kontakts mit dem an der Rohrleitungseinheit 40 angebrachten stromführenden Körper, beispielsweise einem Motor oder einer Verdrahtung, besteht.
  • E10. 10. Modifikation
  • In der oben beschriebenen dritten Ausführungsform ist die wasserfeste Wand 91 im Gehäuse 90 der Brennstoffzelleneinheit 500 dort, wo das Kathodenauslassventil 310 und die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung 320 platziert sind, so vorgesehen, dass sie das Wassersammelbecken bildet. Die wasserfeste Wand 91 muss jedoch nicht vorgesehen sein, um das Wassersammelbecken zu bilden. Die wasserfeste Wand 91 kann als Wandelement vorgesehen sein, das zwischen dem Kathodenauslassventil 310 mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 und der ersten Endplatte 12 angeordnet ist. Beispielsweise kann die Wandfläche der Bodenfläche des Gehäuses 90 demgemäß von der wasserfesten Wand getrennt sein. In diesem modifizierten Aufbau verhindert die wasserfeste Wand 91, dass ausgetretenes ablaufendes Wasser aus dem Kathodenauslassventil 310 und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung 320 zur Brennstoffzelle 10 spritzt und schützt dadurch die Brennstoffzelle 10.
  • Bezugszeichenliste
    • 10, 10b, 10E
    Brennstoffzelle
    11
    Einzelzelle
    12, 12E
    erste Endplatte
    13
    zweite Endplatte
    15
    Spannelement
    16
    Eintiefung
    17
    Strömungskanal
    20
    Luftverdichter
    21
    Rohr
    30
    Anodengaszufuhreinrichtung
    31
    Anodengaszufuhr-Rohrleitung
    32
    Regler
    33
    Ein/Aus-Ventil
    40, 40B, 40C, 40E, 40J
    Rohrleitungseinheit
    41, 41A, 41B, 41C, 41D, 41E, 41J
    Kathodengaszufuhr-Durchlass
    42, 42B, 42E
    Kathodengasausfuhr-Durchlass
    43, 43B, 43E, 43J
    Anodengasausfuhr-Durchlass
    50
    Wasserstoffpumpe
    70, 70K
    Controller
    71
    Umgehungsventilmonitor
    72
    Ventilwiederherstellungsprozessor
    80
    Spannungssensor
    90
    Gehäuse
    91
    wasserfeste Wand
    92a
    erster Vorsprung
    92b
    zweiter Vorsprung
    92c
    dritter Vorsprung
    94
    Eintiefung
    95
    Basis
    100, 100A, 100B, 100C, 100E
    vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung
    101
    zylindrischer Rohrabschnitt
    102
    verbindender Rohrabschnitt
    110, 110B, 110C, 110E
    Kathodenzufuhrventil
    111
    Auslass
    112
    Ventilkegel
    113
    Trennelement
    114
    Druck ausübender Mechanismus
    115
    Einlass
    116
    Ventilsitz
    117
    Gehäuse
    118
    Gehäuseabdeckung
    119
    dünnwandiger Abschnitt
    120, 120B, 120J
    nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung
    121, 121D
    Flansch
    122
    konvexe Krümmung
    123
    Biegung
    124
    Strömungskanal-Verschlusselement
    141
    erste Öffnung
    142
    zweite Öffnung
    143
    Flansch
    150
    Ventilsitzplatte
    151, 152
    Plattenoberflächen
    153
    Fensteröffnung
    155
    Membranventil
    200, 200B, 200C, 200E, 200F, 200G
    Kathodenumgehungsrohrleitung
    201, 201C, 201E
    vorgelagerter Rohrabschnitt
    202, 202B, 202C
    nachgelagerter Rohrabschnitt
    204
    Innenwandfläche
    205
    Verbindungselement
    210
    Umgehungsrohrleitungsventil
    211
    Motor
    212
    Ventilkegel
    213
    Ventilsitz
    300, 300B, 300E
    vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung
    301
    Flansch
    302
    vorgelagerter Rohrabschnitt
    303
    nachgelagerter Rohrabschnitt
    310
    Kathodenauslassventil
    310
    Auslassventil
    311
    Motor
    312
    Einlass
    313
    Auslass
    314
    Ventilsitz
    315
    Ventilkegel
    320
    nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung
    400
    Anodenabgas-Rohrleitung
    401
    Öffnung
    402
    Flansch
    403
    dünnwandiger Abschnitt
    410
    Gas-Flüssigkeit-Abscheider
    411
    Wassersammelbecken
    412
    weiter oben liegende Bodenfläche
    413
    weiter unten liegende Bodenfläche
    413w
    Trennwand
    414
    Innenwandfläche
    415
    Anodenablaufventil
    4151
    Einlass
    4152
    Auslass
    4153
    Ventilkegel
    420, 420B, 420E
    separate Entwässerungs-Rohrleitung
    425
    Öffnung
    430, 430B, 403E, 430J
    separate Abgas-Rohrleitung
    432
    Trennwand
    500
    Brennstoffzelleneinheit
    1000
    Brennstoffzellensystem
    CR
    Riss
    Ind
    Biegung
    M1
    Anodenzufuhrsammelrohr
    M2
    Anodenabgassammelrohr
    M3a
    erstes Kathodenzufuhrsammelrohr
    M3b
    zweites Kathodenzufuhrsammelrohr
    M4a
    erstes Kathodenabgassammelrohr
    M4b
    zweites Kathodenabgassammelrohr
    M5
    Kühlmittelzufuhrsammelrohr
    M6
    Kühlmittelausfuhrsammelrohr
    MP
    Kennfeld zur Erfassung eines in der offenen Stellung blockierten Zustands
    SL
    Dichtungsleitung
    W
    flüssiges Wasser, ausgetretenes ablaufendes Wasser

Claims (10)

  1. Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10), die mit einer Brennstoffzelle (10) verbunden ist, welche ein Kathodengaszufuhrsammelrohr (M3a, M3b) und ein Kathodengasabgassammelrohr (M4a, M4b) aufweist, die in einer Endplatte (12) ausgebildet sind, wobei die Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) aufweist: einen Kathodengaszufuhr-Durchlass (41), der so angeordnet ist, dass er ein Kathodengas zur Brennstoffzelle (10) liefert; und einen Kathodengasausfuhr-Durchlass (42), der so angeordnet ist, dass er ein Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle (10) ausführt; wobei der Kathodengaszufuhr-Durchlass (41) aufweist: ein Kathodenzufuhrventil (110), das so gestaltet ist, dass es den Strom des Kathodengases steuert; eine vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (100), die mit einem Einlass des Kathodenzufuhrventils (110) verbunden ist; und eine nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (120), die mit einem Auslass des Kathodenzufuhrventils (110) verbunden ist und mit dem Kathodengaszufuhrsammelrohr (M3a, M3b) verbunden ist, der Kathodengasausfuhr-Durchlass (42) aufweist: ein Kathodenauslassventil (310), das so gestaltet ist, dass es den Strom des Kathodenabgases steuert; eine vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung (300), die mit einem Einlass des Kathodenauslassventils (310) verbunden ist und mit dem Kathodengasabgassammelrohr (M4a, M4b) verbunden ist; und eine nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung (320), die mit einem Auslass des Kathodenauslassventils (310) verbunden ist, der Kathodengaszufuhr-Durchlass (41) und der Kathodengasausfuhr-Durchlass (42) über ein Verbindungselement miteinander verbunden sind, das Kathodenzufuhrventil (110) über die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (120) an der Endplatte (12) befestigt ist, der Kathodenzufuhrgas-Durchlass (41) eine Kathodenumgehungsrohrleitung (200) aufweist, die so angeordnet ist, dass sie die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (100) mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung (320) verbindet und einen Teil des Kathodengases zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung (320) umleitet, und ein Umgehungsrohrleitungsventil (210), das so gestaltet ist, dass es den Strom des Kathodengases in der Kathodenumgehungsrohrleitung (200) steuert, und der Kathodengaszufuhr-Durchlass (41) und der Kathodengasausfuhr-Durchlass (42) über die Kathodenumgehungsrohrleitung (200) als Verbindungselement zu einer Einheit integriert sind, und dadurch als eine Einheit an der Brennstoffzelle (10) befestigt sind.
  2. Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 1, wobei, in einem dreidimensionalen Koordinatensystem mit den Pfeilen X, Y und Z, die Kathodengas-Rohrleitung (100) entlang einer Richtung eines Pfeils X verläuft, ein Pfeil Y entlang einer Stapelrichtung der Brennstoffzelle (10) verläuft und ein Pfeil Z eine Richtung darstellt, die einer Richtung der Schwerkraft entgegengesetzt ist, wobei die Pfeile X, Y und Z orthogonal zueinander sind, das Kathodenzufuhrventil (110) parallel in einer Ebene zu der Endplatte (12) platziert ist und in Richtung der Schwerkraft oberhalb des Kathodenauslassventils (310) angeordnet ist, die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (100) entlang einer Außenfläche der Endplatte (12) verläuft und mit dem Kathodenzufuhrventil (110) verbunden ist, die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung (320) in Richtung der Schwerkraft unterhalb der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung (100) angeordnet ist, so dass sie einen größeren Abstand von der Endplatte (12) aufweist als die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (100) und parallel zur vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung (100) verläuft und mit dem Kathodenauslassventil (310) verbunden ist, und wobei die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung (300) vom Kathodenauslassventil (310) über das Kathodenzufuhrventil (110) hinaus in Richtung der Schwerkraft nach oben verläuft und mit dem Kathodengasabgassammelrohr (M4a, M4b) verbunden ist.
  3. Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 2, ferner aufweisend: einen Anodengasausfuhr-Durchlass, (43) der so angeordnet ist, dass er ein Anodenabgas aus der Brennstoffzelle (10) ausführt; wobei der Anodengasausfuhr-Durchlass (43) aufweist: eine Anodenabgas-Rohrleitung (400), die mit einem Anodengasabgassammelrohr, das in der Endplatte (12) ausgebildet ist, verbunden ist und so gestaltet ist, dass sie eine Gas-Flüssigkeit-Abscheidestruktur (410) aufweist, um Wasser vom Anodenabgas zu scheiden, eine separate Gas-Rohrleitung (430), die so angeordnet ist, dass sie eine Gaskomponente, die durch die Gas-Flüssigkeit-Abscheidestruktur (410) abgeschieden worden ist, leitet; und eine separate Entwässerungs-Rohrleitung (420), die so angeordnet ist, dass sie das Wasser, das von der Gas-Flüssigkeit-Abscheidestruktur (410) abgeschieden worden ist, leitet und ausführt, die separate Entwässerungs-Rohrleitung (420) eine Bodenfläche aufweist, die so vorgesehen ist, dass sie in Richtung der Schwerkraft oberhalb einer Bodenfläche der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung (320) angeordnet ist, und der Anodengasausfuhr-Durchlass (43) zwischen der Endplatte (12) und der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung (320) angeordnet ist und mit dem Kathodengasausfuhr-Durchlass (42) durch eine separate Entwässerungs-Rohrleitung (420), die in Richtung der Schwerkraft abwärts geneigt ist, zu einer Einheit integriert ist und mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung (320) verbunden ist.
  4. Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 3, wobei die nachgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung (320) an einem ersten Verbindungsort mit dem Kathodenauslassventil (310) verbunden ist und mit der separaten Entwässerungs-Rohrleitung (420) an einem zweiten Verbindungsort verbunden ist, und die Kathodenumgehungsrohrleitung (200) schräg verläuft und mit der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung (320) so verbunden ist, dass sie entweder zum ersten Verbindungsort oder zum zweiten Verbindungsort hin offen ist.
  5. Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die vorgelagerte Kathodenabgas-Rohrleitung (300) einen ersten Gasrohrabschnitt, der in Richtung der Schwerkraft von einem Verbindungselement (301) mit dem Kathodengasabgassammelrohr (M4a, M4b) schräg nach oben verläuft, und einen zweiten Gasrohrabschnitt aufweist, der in Richtung der Schwerkraft vom ersten Gasrohrabschnitt nach unten verläuft.
  6. Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Kathodenumgehungsrohrleitung (200) einen vorgelagerten Rohrabschnitt (201), der von der vorgelagerten Kathodengas-Rohrleitung (100) in entgegengesetzter Richtung zur Endplatte (12) verläuft, und einen nachgelagerten Rohrabschnitt (202) aufweist, der vom vorgelagerten Rohrabschnitt (201) abbiegt und zur nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung (320) verläuft, die in Richtung der Schwerkraft unterhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts (202) angeordnet ist, und das Umgehungsrohrleitungsventil (210) innerhalb des nachgelagerten Rohrabschnitts (202) angeordnet ist und einen Ventilkegel (212), der so gestaltet ist, dass er sich entlang einer Rohrleitungsrichtung des nachgelagerten Rohrabschnitts (202) bewegt, und einen Ventilsitz (213) aufweist, der in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Ventilkegels (212) angeordnet ist und so gestaltet ist, dass er den Ventilkegel (212) aufnimmt.
  7. Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) nach einem der der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Kathodenzufuhrventil (110) so gestaltet ist, dass es einen Einlass (115), der so ausgebildet ist, dass er in Richtung entlang der Außenfläche der Endplatte (12) offen ist, und einen Auslass (111) aufweist, der so gestaltet ist, dass er zur Außenfläche der Endplatte (12) hin offen ist, die nachgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (120) eine Durchlassaußenwand aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie den Außenrand des Auslasses (111) des Kathodenzufuhrventils (110) umgibt, und in der Richtung entlang der Außenfläche der Endplatte (12) verläuft, um das Kathodengaszufuhrsammelrohr (M3a, M3b) für das Kathodengas abzudecken, die Durchlassaußenwand an der Endplatte (12) angebracht ist, um einen luftdichten Hohlraum zwischen einer Innenwandfläche der Durchlassaußenwand und der Außenfläche der Endplatte (12) zu bilden, um den Auslass (111) des Kathodenzufuhrventils (110) mit dem Kathodengaszufuhrsammelrohr (M3a, M3b) zu verbinden, und die Außenfläche der Endplatte (12) als Führungswandfläche verwendet wird, um das Kathodengas einzuführen.
  8. Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) nach einem der der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kathodenzufuhrventil (110) ein Tellerventil ist, das durch Bewegen eines Ventilkegels (112) entlang einer Öffnungsrichtung des Einlasses (115) geöffnet und geschlossen wird, und die vorgelagerte Kathodengas-Rohrleitung (100) eine Querschnittsform aufweist, die von einem vorgelagerten Ende bis zu einem nachgelagerten Ende gleich ist.
  9. Brennstoffzelleneinheit (500), aufweisend: eine Brennstoffzelle (10) mit einem Kathodengaszufuhrsammelrohr (M3a, M3b) und einem Kathodengasabgassammelrohr (M4a, M4b), die in einer Endplatte (12) ausgebildet sind; die Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, die mit der Brennstoffzelle (10) verbunden ist; und ein Gehäuse (90), das vorgesehen ist, um die Brennstoffzelle (10) und die Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) darin aufzunehmen, wobei das Gehäuse (90) eine Trennwand (91) aufweist, die zwischen der nachgelagerten Kathodenabgas-Rohrleitung (320) der Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) und der Endplatte (12) der Brennstoffzelle (10) ausgebildet ist.
  10. Brennstoffzellensystem (1000), aufweisend: eine Brennstoffzelle (10) mit einem Kathodengaszufuhrsammelrohr (M3a, M3b) und einem Kathodengasabgassammelrohr (M4a, M4b), die in einer Endplatte (12) ausgebildet sind; die Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) gemäß Anspruch 6, die mit der Brennstoffzelle (10) verbunden ist; einen Controller (70K), der so gestaltet ist, dass er das Öffnen und Schließen des Kathodenauslassventils (310) und des Umgehungsrohrleitungsventils (210) der Rohrleitungseinheit (40) für eine Brennstoffzelle (10) steuert, um eine Strömungsrate eines Kathodengases, das zur Brennstoffzelle (10) geliefert werden soll, zu regulieren; und einen Detektor (71) für einen in einer offenen Stellung blockierten Zustand, der so gestaltet ist, dass er einen in der offenen Stellung blockierten Zustand des Umgehungsrohrleitungsventils (210) erfasst, wobei der Controller (70K) das Kathodenauslassventil (310) in die geschlossene Stellung steuert, wenn der Detektor (71) für einen in der offenen Stellung blockierten Zustand erfasst, dass das Umgehungsrohrleitungsventil (210) in einer offenen Stellung blockiert ist, um eine Strömungsrate eines Gases, das in das Umgehungsrohrleitungsventil (210) strömt, zu erhöhen und dadurch eine externe Kraft, die an den Ventilkegel (112) angelegt wird, zu erhöhen.
DE112010005734.6T 2010-07-13 2010-07-13 Rohrleitungseinheit für eine Brennstoffzelle, mit Rohrleitungseinheit ausgestattete Brennstoffzelleneinheit und Brennstoffzellensystem Active DE112010005734B4 (de)

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