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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem, insbesondere die Vorbeugung eines Gefrierens einer Brennstoffzelle des Direktoxidationsbrennstoffzellensystems in einer Umgebung mit einer tiefen Temperatur.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen werden beispielsweise als Energiequellen für Fahrzeuge oder als Energiequellen bei Kraft-Wärme-Kopplungen in Haushalten verwendet. In jüngster Zeit werden Anwendungen als Energiequellen in mobilen elektronischen Kleingeräten wie Notebook-Computern, Mobiltelefonen und PDAs (personal digital assistants), Anwendungen als Outdoor-Energiequellen für Freizeitgeräte oder auch als Reserve-Energieversorgung für den Notfall geprüft. Da mit Brennstoffzellen durch ein Nachfüllen eines Brennstoffes eine ununterbrochene Energieerzeugung möglich ist, ist zu erwarten, dass die Anwendungen als Energiequellen für mobile elektronische Kleingeräte oder auch als transportable Energiequelle noch weiter zunehmen können.
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Unter den unterschiedlichen Arten von Brennstoffzellen zeichnet sich eine Direktoxidationsbrennstoffzelle (DOFC: Direct Oxidation Fuel Cell) dadurch aus, dass sie mit einem bei Normaltemperatur flüssigen Brennstoff durch direkte Oxidation elektrische Energie erzeugt. Dadurch lassen sich leicht kompakte Direktoxidationsbrennstoffzellen realisieren. Wenn als Brennstoff Methanol genutzt wird – bei einer sogenannten Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell) – ist sowohl der energetische Wirkungsgrad als auch die elektrische Ausgabespannung anderen Direktoxidations-Brennstoffzellen überlegen, weswegen unter den verschiedenen Arten von DOFCs in die DMFC die höchste Hoffnung für die Zukunft gelegt wird.
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Eine Brennstoffzelle umfasst einen Stapel, in dem mehrere Zellen direkt in Reihe miteinander verbunden sind. Jede Zelle umfasst eine Elektrolytmembran, eine auf beiden Seiten der Elektrolytmembran angebrachte, eine Anode bzw. eine Kathode umfassende Membran/Elektroden-Einheit, einen anodenseitigen Separator, der an die Anode anschließt, sowie einen kathodenseitigen Separator, der an die Kathode anschließt. Der anodenseitige Separator besitzt einen Brennstoff-Kanal zum Versorgen der Anode mit einem Flüssigbrennstoff (eine Brennstoff-Wasser-Lösung). Der kathodenseitige Separator besitzt einen Oxidationsmittel-Kanal zum Versorgen der Kathode mit einem Oxidationsmittel. Die Brennstoffzelle wird mit einer Versorgungsvorrichtung wie z. B. einer Pumpe mit dem Flüssigbrennstoff und dem Oxidationsmittel versorgt.
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Die nachstehenden Formeln (11) bzw. (12) zeigen Reaktionen an einer Anode bzw. einer Kathode einer DMFC. Der in die Kathode geleitete Sauerstoff kommt im Allgemeinen aus der Luft. Anode: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e– (11) Kathode: (3/2)O2 + 6H+ + 6e– → 3H2O (12)
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An der Anode entsteht bei der Reaktion von Methanol und Wasser Kohlendioxid. Ein aus der Anode abfließender Brennstoff, der Kohlendioxid und unverbrauchten Brennstoff enthält, wird zusammen mit frischem Brennstoff, in einen Tank (im Folgenden: Kreislauftank) für einen Kreislauf von Brennstoff und Wasser innerhalb des Systems geführt. Außerdem entsteht in der Kathode das obige Wasser, das an der Anode verwendet wird. Ein Teil eines Fluids, der entstandenes Reaktionswasser und unverbrauchten Sauerstoff enthält, wird ebenfalls zum Kreislauftank geführt.
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Um die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle zu starten, wird einerseits das im Kreislauftank aufbewahrte Wasser mit einem in einem Brennstofftank befindlichen, hochkonzentrierten Methanol gemischt und der Anode der Brennstoffzelle zugeführt, andererseits die als Oxidationsmittel fungierende Luft der Kathode zugeführt.
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Zu diesem Zeitpunkt befinden sich der wasserlösliche Brennstoff und Wasser (die Brennstoff-Wasser-Lösung) in der Brennstoffzelle, in einer die Anode und den Kreislauftank verbindenden Leitung, in einer die Kathode und den Kreislauftank verbindendenden Leitung und in einer Pumpe für den Kreislauf von Brennstoff und Wasser (im Folgenden: Kreislaufpumpe). Dabei könnte die Brennstoff-Wasser-Lösung in einer Umgebung mit einer tiefen Temperatur gefrieren, wobei die Bauteile, aus denen das Kreislaufsystem gebildet ist, durch den Druck der Volumenausdehnung beim Gefrieren beschädigt werden könnten.
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Hinsichtlich dem zuvor Erläuterten ist in Patentliteratur 1 ein Verfahren offenbart, im Rahmen dessen vorgeschlagen wird, dem Gefrieren mittels Wärmeentwicklung bei der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle entgegenzutreten und die elektrische Energieerzeugung zu unterbrechen, wenn sich die Temperatur bis zu einem bestimmten Grad erhöht. In Patentliteratur 2 wird vorgeschlagen, einer Beschädigung der Bauteile durch Gefrieren vorzubeugen, indem bei Tieftemperaturen das durch die Reaktion entstandene Reaktionswasser aus der Brennstoffzelle nach außen abgeführt wird.
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Liste der zitierten Druckschriften
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Patentliteratur
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- Patentliteratur 1: Veröffentlichung JP 2003-151601
- Patentliteratur 2: Veröffentlichung JP 2010-108754
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Wenn, wie in dem in der Patentliteratur 1 offenbarten Verfahren, durch die Wärmeentwicklung bei der elektrischen Energieerzeugung einer Brennstoffzelle dem Gefrieren vorbeugt wird, dann wird die elektrische Energieerzeugung und die Unterbrechung immer wieder wiederholt, und jedes Mal ist Zeit notwendig, um die Brennstoffzelle zu starten und die Temperatur zu erhöhen. Außerdem erhöht sich die Menge des verbrauchten Brennstoffs zur Vorbeugung gegen ein Gefrieren der Brennstoffzelle.
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In Patentliteratur 2 wird offenbart, dass eine Brennstoff-Wasser-Lösung aus dem Inneren eines Kreislaufsystems abgegeben wird, aber da es sich beim Brennstoff einer DMFC um Methanol handelt, ist es nicht wünschenswert, dass so eine Lösung nach außen abgegeben wird.
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Lösung der Aufgabe
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-System, umfassend:
eine Brennstoffzelle, die eine mit einem wasserlöslichen Brennstoff versorgte Anode, eine mit einem Oxidationsmittel versorgte Kathode, sowie eine zwischen der oben genannten Anode und der oben genannten Kathode befindliche, wasserdurchlässige Elektrolytmembran enthält;
einen Brennstofftank zur Aufbewahrung des oben genannten Brennstoffs;
eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtung zum Zuführen einer den oben genannten Brennstoff sowie Wasser umfassenden Brennstoff-Wasser-Lösung zur oben genannten Anode;
eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung zum Zuführen des im oben genannten Brennstofftank aufbewahrten Brennstoffs zur oben genannten ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung;
eine Oxidationsmittelzufuhrvorrichtung zum Zuführen des Oxidationsmittels zur oben genannten Kathode;
einen Temperatursensor zum Messen einer Temperatur FT der oben genannten Brennstoffzelle;
und einen Regelbereich, der sowohl die oben genannte erste Brennstoffzufuhrvorrichtung, die oben genannte zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung sowie die oben genannte Oxidationsmittelzufuhrvorrichtung steuert als auch ein Starten sowie ein Unterbrechen der oben genannten Brennstoffzelle steuert,
wobei in einem Zustand einer unterbrochenen elektrischen Energieerzeugung durch die oben genannte Brennstoffzelle, der oben genannte Regelbereich im Zustand der unterbrochenen elektrischen Energieerzeugung wenigstens einen Versorgungsbetrieb der ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung ausführen lässt, wenn die oben genannte Temperatur FT sowohl unter eine erste Standardtemperatur fällt, bei der Wasser gefriert und oberhalb einer zweiten Standardtemperatur liegt.
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Die vorliegende Erfindung umfasst zum Beispiel:
mindestens einen Brennstoffzellenstapel, besitzend: eine Membran/Elektroden-Einheit, einen einen Brennstoff aufnehmenden Brennstoffeingang, einen einen Brennstoff-Abfluss abgebenden Brennstoffausgang, einen ein Oxidationsmittel einführenden Oxidationsmitteleingang und einen Oxidationsmittelausgang, der ein unverbrauchtes Oxidationsmittel sowie ein Reaktionswasser umfassendes Fluid abgibt;
eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtung zur Zufuhr des oben genannten Brennstoffs zum oben genannten Brennstoffeingang;
eine Oxidationsmittelzufuhrvorrichtung zur Zufuhr des oben genannten Oxidationsmittels zum oben genannten Oxidationsmitteleingang;
einen Kreislauftank zur Aufnahme des oben genannten Brennstoff-Abflusses und eines Teils des oben genannten Reaktionswassers;
einen Brennstoff-Abfluss-Kanal, der den oben genannten Brennstoff-Abfluss zum oben genannten Kreislauftank führt;
einen Reaktionswasser-Abfluss-Kanal, der mindestens einen Teil des oben genannten Reaktionswassers zum oben genannten Kreislauftank führt;
und eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung, die in einen Kanal zwischen dem oben genannten Kreislaufkanal und der oben genannten ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung einen hochkonzentrierten Brennstoff einspritzt, der in einem Brennstofftank aufgenommen ist. Das Brennstoffzellensystem kann die Wärmeentwicklung eines Brennstoffdurchtritts nutzen, um die Temperatur innerhalb des Systems zu erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung kann zum Beispiel auch umfassen:
mindestens einen Brennstoffzellenstapel, besitzend: eine Membran/Elektroden-Einheit, einen einen Brennstoff aufnehmenden Brennstoffeingang, einen einen Brennstoff-Abfluss abgebenden Brennstoffausgang, einen ein Oxidationsmittel einführenden Oxidationsmitteleingang und einen Oxidationsmittelausgang, der ein unverbrauchtes Oxidationsmittel sowie ein Reaktionswasser umfassendes Fluid abgibt;
eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtung zu Zufuhr des oben genannten Brennstoffs zum oben genannten Brennstoffeingang;
eine Oxidationsmittelzufuhrvorrichtung zu Zufuhr des oben genannten Oxidationsmittels zum oben genannten Oxidationsmitteleingang;
einen Kreislauftank zur Aufnahme des oben genannten Brennstoff-Abflusses und eines Teils des oben genannten Reaktionswassers;
einen Brennstoff-Abfluss-Kanal, der den oben genannten Brennstoff-Abfluss zum oben genannten Kreislauftank führt;
einen Reaktionswasser-Abfluss-Kanal, der mindestens einen Teil des oben genannten Reaktionswassers zum oben genannten Kreislauftank führt;
eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung, die in einem Kanal zwischen dem oben genannten Kreislaufkanal und der oben genannten ersten Brennstoffzufuhrvorrichtung einen in einem Brennstofftank aufgenommenen hochkonzentrierten Brennstoff einspritzt;
ein Temperaturmessgerät zum Messen der Temperatur an mindesten einem der folgenden Orte: der oben genannten Brennstoffzelle, der oben genannten erste Brennstoffzufuhrvorrichtung, der oben genannten zweiten Brennstoffzufuhrvorrichtung, dem oben genannten Kreislauftank, dem oben genannten Brennstoff-Ablass-Kanal oder in der Außenatmosphäre (Umgebungstemperatur);
einen Regelbereich, der die elektrische Energieerzeugung der oben genannten Brennstoffzelle steuert;
eine Entscheidungseinheit, die aufgrund des Temperatur-Messerergebnisses des oben genannten Temperaturmessgeräts entscheidet, ob ein Gefrieren möglich ist;
und eine Speichereinheit, in der vorab eine Tabelle gespeichert ist, die die Temperatur und eine notwendige-Wärmeentwicklungsmenge gegenüberstellt. Dabei ist es möglich, entsprechend der oben genannten Tabelle, die die Temperatur und die notwendige-Wärmeentwicklungsmenge gegenüberstellt, eine Wärmeentwicklung durch die elektrische Energieerzeugung der oben genannten Brennstoffzelle und den Brennstoffdurchtritt zu nutzen und eine Erhöhung der Temperatur im Innern des Systems zu erreichen.
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Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Brennstoffverbrauch zu begrenzen und dem Gefrieren der Brennstoffzelle wirkungsvoll vorzubeugen.
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Die neuartigen Besonderheiten der vorliegenden Erfindung sind in den Ansprüchen aufgeführt. Sowohl der Aufbau als auch der Inhalt der vorliegenden Erfindung, verbunden mit anderen Wirkungsweisen und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung, sind mit der ausführlichen Erklärung unten, unter Heranziehen der Zeichnungen, besser verständlich.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockschaltbild, das den allgemeinen Aufbau eines Direktoxidationsbrennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist eine Schnittzeichnung mit einem Beispiel einer Brennstoffzelle, die dieses System verwendet.
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3 ist ein Flussdiagramm, das ein ausführbares Verfahren zur Vorbeugung gegen ein Gefrieren dieses Systems zeigt.
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4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Umgebungstemperatur oder einer Brennstoffzellentemperatur und einer für die Vorbeugung des Gefrierens der Brennstoffzelle notwendige Wärmemenge zeigt.
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5 ist ein Diagramm, das die elektrische-Spannung/elektrische-Energie-Kurven bei der elektrischen Energieerzeugung dieser Brennstoffzelle zeigt.
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6 ist ein Diagramm, das ein Fallbeispiel für die Wärmeentwicklung durch an die Umgebungstemperatur oder Brennstoffzellentemperatur angepasste elektrische Energieerzeugung zeigt, für den Fall, dass durch die elektrische Energieerzeugung dem Gefrieren der Brennstoffzelle vorgebeugt wird.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Im Folgenden werden mithilfe der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung von Direktoxidationsbrennstoffzellensystemen erklärt. 1 zeigt anhand eines Blockschaltbilds den allgemeinen Aufbau eines Direktoxidationsbrennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2 zeigt anhand einer Schnittzeichnung ein Beispiel einer Brennstoffzelle, die dieses System verwendet.
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Das abgebildete Direktoxidationsbrennstoffzellensystem 10 (im Folgenden nur: „System 10”) umfasst:
eine Brennstoffzelle 12 der DMFC-Art;
eine Kreislaufpumpe 48 als eine erste Brennstoffzufuhrvorrichtung zum Zuführen einer einen Brennstoff sowie Wasser umfassenden Brennstoff-Wasser-Lösung zu einem Brennstoffeingang der Brennstoffzelle 12;
eine Brennstoffpumpe 60 als eine zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung zum Zuführen eines hochkonzentrierten Brennstoffs aus einem Brennstofftank 56 zu einer Saugseite der Kreislaufpumpe 48;
und eine Luftpumpe 62 als eine Oxidationsmittelzufuhrvorrichtung zum Zuführen eines Oxidationsmittels zu einem Oxidationsmitteleingang der Brennstoffzelle 12. Sowohl ein Brennstoffausgang (Abfluss-Ausgang für unverbrauchten Brennstoff etc.) der Brennstoffzelle 12 als auch ein Oxidationsmittelausgang (Abfluss-Ausgang für unverbrauchtes Oxidationsmittel etc.) der Brennstoffzelle 12 sind direkt an einen Kreislauftank 50 angeschlossen. Der Kreislauftank 50 ist direkt an eine Saugseite der Kreislaufpumpe 48 angeschlossen.
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Die Abgaben (Förder-Durchflussmengen) der Kreislaufpumpe 48, der Brennstoffpumpe 60 und der Luftpumpe 62 werden von einem Regelbereich 58 gesteuert. Im Regelbereich 58 wird beispielsweise ein Microcomputer benutzt, der mit einer Berechnungseinheit 58a, einer Entscheidungseinheit 58b und einer Speichereinheit 58c ausgestattet ist. Die Speichereinheit 58a speichert alle Daten, wie vorab festgelegte Temperaturen, wie beispielsweise eine erste Temperatur T1, eine zweite Temperatur T2 und eine dritte Temperatur T3 und eine Tabelle, die die Brennstoffzellentemperatur und notwendige-Wärmeentwicklungsmenge gegenüberstellt, usf. Die Ausgabe an elektrischer Energie der Brennstoffzelle 12 wird zum Beispiel durch einen DC/DC-Konverter 52 nach außen abgegeben. Es ist wünschenswert, dass System 10 einen Akkumulator 54 umfasst, wobei der die erzeugte elektrische Energie der Brennstoffzelle 12 ladende Akkumulator 54 an der Abgabeseite des DC/DC-Konverters 52 angeschlossen ist.
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Weiterhin umfasst das System 10 eine Temperatur FT der Brennstoffzelle (im Folgenden: Brennstoffzellentemperatur FT) bzw. einen Temperatursensor 64, der später noch erklärt wird, zum Messen der Innentemperatur des Kreislaufsystems. Die durch den Temperatursensor 64 gemessene Brennstoffzellentemperatur FT wird dem Regelbereich 58 zugeführt. Die Brennstoffzellentemperatur FT kann durch Messen an jedem beliebigen Ort des Kreislaufsystems indirekt gemessen werden. Umgekehrt kann die Temperatur jedes beliebigen Ortes des Kreislaufsystems durch Messen der Brennstoffzellentemperatur FT indirekt gemessen werden. Weiterhin kann durch Messen der Umgebungstemperatur die Brennstoffzellentemperatur FT indirekt gemessen werden. Umgekehrt kann die Umgebungstemperatur durch Messen der Brennstoffzellentemperatur FT indirekt gemessen werden. Folglich kann anstelle der Brennstoffzellentemperatur FT, oder um die Brennstoffzellentemperatur FT zu messen, sowohl die Umgebungstemperatur als auch die Temperatur eines beliebigen Teils des Kreislaufsystems gemessen werden.
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Die Brennstoffzelle 12 besitzt einen nicht abgebildeten Brennstoffeingang zum Einführen eines wasserlöslichen Brennstoffs; einen Brennstoffausgang zum Abgeben des Brennstoff-Abflusses; einen Oxidationsmitteleingang zum Einführen des Oxidationsmittels; und einen Oxidationsmittelausgang zum Abgeben eines unverbrauchtes Oxidationsmittel sowie aus der Reaktion entstandenes Wasser umfassenden Fluides (Ausstoß-Fluid). Der Hauptbereich der Brennstoffzelle umfasst in der Regel einen Stapel, in dem mehr als 2 Zellen, elektrisch direkt verbunden, geschichtet sind.
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In 2 wird der Aufbau einer Zelle anhand einer Schnittzeichnung schematisch gezeigt. Eine Zelle 15 ist eine Zelle der Direkt-Methanol-Brennstoffzellen-Art. Sie umfasst: eine Polyelektrolytmembran 17 und eine Anode 14 sowie eine Kathode 16, zwischen denen die Polyelektrolytmembran 17 angeordnet ist. Die Polyelektrolytmembran 17 besitzt Wasserstoff-Ionen-Leitfähigkeit. Als Brennstoff wirkendes Methanol wird der Anode 14 zugeführt. Als Oxidationsmittel wirkende Luft wird der Kathode 16 zugeführt.
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In Schichtungsrichtung der Anode 14, der Polyelektrolytmembran 17 und der Kathode 16 ist auf die Anode 14 ein anodenseitiger Separator 26 geschichtet, und auf den anodenseitigen Separator 26 ist wiederum eine Seitenscheibe 46A angeordnet. Weiterhin ist auf die Kathode 16 (in der Zeichnung in unterer Richtung) ein kathodenseitiger Separator 36 geschichtet, und auf dem kathodenseitigen Separator 36 ist wiederum eine Seitenscheibe 46B angeordnet. Wenn Zelle 15 mehr als 2 Schichtungen umfasst, sind die Seitenscheibe 46A und die Seitenscheibe 46B nicht an jeder Zelle installiert, sondern jeweils eine an den Enden des Stapels angebracht. Jede Seitenscheibe fungiert als Stromabnehmer, welche die von einer Ausgangsklemme 12a und einer Ausgangsklemme 12b der Brennstoffzelle geführte, elektrische Energie sammelt. Die erzeugte elektrische Energie der Brennstoffzelle wird über den DC/DC-Konverter 52 zu einem nicht abgebildeten äußeren elektrischen Verbraucher oder in den Akkumulator 54 geführt.
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Zwischen dem anodenseitigen Separator 26 und der Polyelektrolytmembran 17 ist eine die Anode 14 umschließende Dichtung 42 angebracht, und zwischen dem kathodenseitigen Separator 36 und der Polyelektrolytmembran 17 ist eine die Kathode 16 umschließende Dichtung 44 angebracht. Die Dichtung 42 bzw. die Dichtung 44 beugen jeweils dem Durchsickern von Brennstoff bzw. Oxidationsmittel aus der Anode 14 bzw. der Kathode 16 nach außen vor.
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Die zwei Seitenscheiben 46A und 46B werden von einem nicht abgebildeten Riegel oder einer nicht abgebildeten Feder abgeschlossen, so dass an jedem Separator und die MEA (Membrane Electrode Assembly: Membran/Elektroden-Einheit) ein Druck anliegt, der die Zelle 15 zusammenhält.
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Die Anode 14 umfasst eine Anodenkatalysator-Schicht 18 sowie eine Anodendiffusions-Schicht 20. Die Anodenkatalysator-Schicht 18 grenzt an die Polyelektrolytmembran 17 an. Die Anodendiffusions-Schicht 20 umfasst ein poröses Anoden-Grundmaterial 24 und eine an deren Oberfläche angebrachte, aus äußerst wasserabweisendem Material gefertigte Anoden-Wasserabweisungs-Schicht 22. Die Anoden-Wasserabweisungs-Schicht 22 und das poröse Anoden-Grundmaterial 24 sind, in dieser Reihenfolge, auf der Rückseite der Oberfläche der Polyelektrolytmembran 17, an die die Anodenkatalysator-Schicht 18 angrenzt, gestapelt.
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Die Kathode 16 umfasst eine Kathodenkatalysator-Schicht 28 sowie eine Kathodendiffusions-Schicht 30. Die Kathodenkatalysator-Schicht 28 grenzt an die Rückseite der Oberfläche der Polyelektrolytmembran 17 an, an welche die Anodenkatalysator-Schicht 18 angrenzt. Die Kathodendiffusions-Schicht 30 umfasst ein poröses Kathoden-Grundmaterial 34 und eine an deren Oberfläche angebrachte, aus äußerst wasserabweisendem Material gefertigte Kathoden-Wasserabweisungs-Schicht 32. Die Kathoden-Wasserabweisungs-Schicht 32 und das poröse Kathoden-Grundmaterial 34 sind, in dieser Reihenfolge, auf der Rückseite der Oberfläche der Polyelektrolytmembran 17, an die die Kathodenkatalysator-Schicht 28 angrenzt, gestapelt.
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Die Schichtung aus der Polyelektrolytmembran 17, der Anodenkatalysator-Schicht 18 sowie der Kathodenkatalysatorschicht 28 ist zuständig für die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle und wird CCM (Catalyst Coated Membrane) genannt. Die MEA ist eine Schichtung aus CCM, Anodendiffusionsschicht 20 und Kathodendiffusions-Schicht 30. Die Anodendiffusions-Schicht 20 bzw. die Kathodendiffusions-Schicht 30 sind einerseits zuständig für die gleichmäßige Verteilung des Brennstoffs bzw. des Oxidationsmittels, die der Anode 14 bzw. der Kathode 16 zugeführt werden, andererseits zuständig für das störungsfreie Abführen von bei der Reaktion entstandenem Wasser bzw. Kohlenstoffdioxid.
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Der anodenseitige Separator 26 besitzt einen Brennstoffkanal 38 zum Zuführen eines Brennstoffs zur Grenzfläche der Anode 14 zum porösen Anoden-Grundmaterial 24. Der Brennstoffkanal 38 ist zum Beispiel aus einer Senkung bzw. einem Graben in der oben genannten Grenzfläche gebildet, deren bzw. dessen Öffnung zum porösen Anoden-Grundmaterial 24 führt. Der Brennstoffkanal schließt an den Brennstoffeingang und an den Brennstoffausgang der Brennstoffzelle 12 an.
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Der kathodenseitige Separator 36 besitzt einen Oxidationsmittelkanal 40 zum Zuführen eines Oxidationsmittels (Luft) zur Grenzfläche der Kathode 16 zum porösen Kathoden-Grundmaterial 34. Der Oxidationsmittelkanal 40 ist ebenfalls zum Beispiel aus einer Senkung bzw. einem Graben in der oben genannten Grenzfläche gebildet, deren bzw. dessen Öffnung zum porösen Kathoden-Grundmaterial 34 führt. Der Oxidationsmittelkanal schließt an den Oxidationsmitteleingang und an den Oxidationsmittelausgang der Brennstoffzelle an.
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Die Kreislaufpumpe 48 schließt an den Kreislauftank 50 und die Brennstoffpumpe 60 an. Die Brennstoffpumpe 60 schließt an den einen hochkonzentrierten Brennstoff aufbewahrenden Brennstofftank 56 an. Der hochkonzentrierte Brennstoff wird in ein Rohr 3a gespritzt, das an eine Saugseite der Kreislaufpumpe 48 und den Kreislauftank 50 angeschlossen ist. Dadurch wird das Gemisch aus Wasser und hochkonzentriertem Brennstoff (Brennstoff-Wasser-Lösung) aus dem Brennstofftank 50 über ein Rohr 3b, das an den Brennstoffeingang und die Kreislaufpumpe 48 der Brennstoffzelle anschließt, in die Brennstoffzelle 12 eingeführt.
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Die in die Brennstoffzelle 12 eingeführte Brennstoff-Wasser-Lösung wird vom Brennstoffeingang der Brennstoffzelle 12 in den innenliegenden Brennstoffkanal geführt. Der im Brennstoffkanal fließende Brennstoff läuft, während er bei der elektrischen Energieerzeugung verbraucht wird, durch den Kanal. Zuletzt wird die Brennstoff-Wasser-Lösung, als ein Kohlenstoffdioxid umfassender Brennstoff-Abfluss, aus dem Brennstoffausgang der Brennstoffzelle 12 abgelassen. Die Brennstoffkonzentration im Brennstoff-Abfluss hat sich zwar verringert, aber unverbrauchter Brennstoff ist enthalten. Deswegen wird der Brennstoff-Abfluss, nachdem er von Kohlenstoffdioxid abgeschieden wurde, wiederverwendet. Dafür wird der Brennstoff-Abfluss über das mit dem Brennstoffeingang und dem Kreislauftank 50 der Brennstoffzelle 12 verbundenem Rohr 3c im Kreislauftank 50 gesammelt.
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Das Verfahren, nach dem Kohlenstoffdioxid vom Brennstoff-Abfluss abgeschieden wird, ist nicht näher beschränkt. Es kann zum Beispiel im Kreislauftank 50 ein Fenster installiert sein, und dieses Fenster könnte, verschlossen durch eine für Kohlenstoffdioxid durchlässige Gas-Flüssigkeits-Abscheider-Membran, Kohlenstoffdioxid nach außen ablassen.
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Die Luftpumpe 62 erfüllt die Rolle, von außen Luft anzuziehen und diese als Oxidationsmittel zum Oxidationsmitteleingang der Brennstoffzelle 12 zu leiten. Die Oxidationsmittelzufuhrvorrichtung umfasst mindestens die Luftpumpe 62. Der Teil im Regelbereich 58, der die Luftpumpe 62 steuert, kann auch als ein Teil der Oxidationsmittelzufuhrvorrichtung verstanden werden. Ebenfalls kann der Teil im Regelbereich 58, der die Kreislaufpumpe 48 steuert, als ein Teil der Erste Brennstoffzufuhrvorrichtung verstanden werden, und der Teil im Regelbereich 58, der die Brennstoffpumpe 50 steuert, kann als ein Teil der Zweite Brennstoffzufuhrvorrichtung verstanden werden.
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Luft wird vom Oxidationsmitteleingang der Brennstoffzelle 12 in den Oxidationsmittelkanal geführt. Diese Luft fließt, während sie bei der Oxidation verbraucht wird, durch den Kanal. Zuletzt wird diese Wasserdampf (bei der Reaktion entstandenes Wasser) enthaltende Luft, als Abgas-Fluid, vom Oxidationsmittelausgang der Brennstoffzelle 12 abgelassen. Das Abgas-Fluid wird, durch den Druck der Luftpumpe 62, über ein mit dem Oxidationsmittelausgang und dem Kreislauftank 50 der Brennstoffzelle 12 verbundenes Rohr 3d in den Kreislauftank geführt.
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Im Kreislauftank 50 wird ein Teil des Reaktionswassers aus dem Abgas-Fluid abgeschieden und gesammelt, der Rest wird nach außen abgegeben. Wird als Brennstoff Methanol verwendet, entstehen theoretisch für ein Molekül Wasser, das an der Anode verbraucht wird, drei Moleküle Wasser an der Kathode. Folglich kann dadurch, dass aus dem Reaktionswasser die Menge eines Wassermoleküls gesammelt wird, theoretisch die Wassermenge im System recht regelmäßig bewahrt werden. Die übrigen zwei Wassermoleküle werden an die Außenseite des Kreislauftanks 50 abgegeben. Das abgeschiedene Reaktionswasser wird im Kreislauftank 50 gesammelt.
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Über das obige Verfahren lassen sich Brennstoff und Oxidationsmittel der Brennstoffzelle 12 zuführen und lässt sich elektrische Energie erzeugen. Bei der Erzeugung elektrischer Energie wird durch die Wärmeentwicklung die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht, und eine Temperatur über einem bestimmten Niveau aufrechterhalten. Wenn jedoch bei Unterbrechung der elektrischen Energieerzeugung die Brennstoffzelle sich in einer Tieftemperatur-Umgebung befindet, besteht die Möglichkeit, dass das Wasser gefriert, das sich in der Brennstoffzelle 12, im Brennstofftank 50, in der Kreislaufpumpe 48 und auch in den diese verbindenden Rohren 4a–3b (im Folgenden werden all diese Teile zusammenfassend „Kreislaufsystem” genannt) befindet. Gefriert das Wasser, besteht die Möglichkeit, dass durch den Druck seiner Ausdehnung die einzelnen Teile des Kreislaufsystems Schaden nehmen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird durch die Nutzung der Wärmeentwicklung beim Cross-Over des Brennstoffs einem Gefrieren des Wassers vorgebeugt und so der Beschädigung der Teile des Kreislaufsystems vorgebeugt.
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Im Folgenden wird mithilfe der Zeichnungen erklärt, wie bei Unterbrechung der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle, in einer Tieftemperatur-Umgebung zur Vorbeugung eines Gefrierens der Brennstoffzelle Gefrier-Vorbeugungs-Abläufe ausgeführt werden. 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren der Gefrier-Vorbeugung zeigt. In diesem Verfahren der Gefrier-Vorbeugung werden drei Funktionen zur Gefrier-Vorbeugung ausgeführt. 4 ist ein Diagramm, das die Beziehungen zwischen der Umgebungstemperatur bzw. der Brennstoffzellentemperatur und der für die Vorbeugung des Gefrierens der Brennstoffzelle notwendigen Wärmeproduktion zeigt.
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Zunächst wird entschieden, ob die Temperatur FT der Brennstoffzelle 12 (im Folgenden: Brennstoffzellentemperatur FT) niedriger ist als die während der ersten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion als Standard-Temperatur verwendete erste Temperatur T1 (ST1). Diese Entscheidung wird von der Entscheidungseinheit 58b im Regelbereich 58 vorgenommen. Übersteigt die Brennstoffzellentemperatur FT die erste Temperatur T1 (ST1: Ja), ist das nicht mit Problemen verbunden, weswegen keinerlei Gefrier-Vorbeugungs-Funktionen eingeleitet werden, sondern nach Vergehen einer bestimmten Zeitspanne (beispielsweise 0,1 Sekunden) das Entscheidungsverfahren von ST1 erneut ausgeführt wird. Das Entscheidungsverfahren von ST1 wird immer wieder ausgeführt, bis die Brennstoffzellentemperatur FT niedriger ist als die erste Temperatur T1.
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Ist die Brennstoffzellentemperatur FT geringer als die erste Temperatur T1 (ST1: Nein), wird weiter entschieden, ob die Brennstoffzellentemperatur FT niedriger ist als die während der Gefrier-Vorbeugungs-Funktion Nr. 2 als Standard-Temperatur fungierende Erste Temperatur T2 (T2 < T1) (ST1). Diese Entscheidung wird von der Entscheidungseinheit 58b im Regelbereich 58 vorgenommen. Übersteigt dann die Brennstoffzellentemperatur FT die erste Temperatur T2 (ST2: Ja), d. h. T2 < FT ≤ T1, so steuert der Regelbereich 58 die Kreislaufpumpe 48 für eine bestimmte Durchflussmenge F1, so dass die Gefrier-Vorbeugungs-Funktion Nr. 1 beginnt, damit dem Gefrieren der Brennstoffzelle 12 vorgebeugt wird (ST3). Dadurch wird die im Kreislauftank 50 übriggebliebene Brennstoff-Wasser-Lösung (Methanol-Wasser-Lösung) mit einer erste Konzentration FC1, der Brennstoffzelle 12 zugeführt, das Brennstoff-Cross-Over beginnt, und die Brennstoffzelle 12 entwickelt Wärme. Im Folgenden wird dieser Aspekt genauer erklärt.
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Wenn eine der Temperaturen der Bestandteile des Kreislaufsystems, genauer gesagt eine der Temperaturen des verbliebenen Wassers in der Brennstoffzelle 12, in der Kreislaufpumpe 48, im Kreislauftank 50, dazu im an die Kreislaufpumpe 48 und den Kreislauftank 50 angeschlossenen Rohr 3a, im an die Kreislaufpumpe 48 und die Brennstoffzelle 12 angeschlossenen Rohr 3b, im die Lösung aus unverbrauchtem Brennstoff und Wasser an der Anode aus der Brennstoffzelle 12 zum Kreislauftank 50 führenden Rohr 3c, sowie im das aus der Reaktion an der Kathode entstandenen Reaktionswasser aus der Brennstoffzelle 12 zum Kreislauftank 50 führenden Rohr 3d unter 0°C sinkt, beginnt das Gefrieren. Folglich kann einem Gefrieren vorgebeugt werden, wenn es zum Ziel gemacht wird, alle Temperaturen der Bestandteile des Kreislaufsystems so einzustellen, dass sie über 0°C betragen.
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Es ist vorteilhaft, bei dem oben beschriebenen Verfahren die Erste Temperatur T1, in einem Bereich zwischen 0–5°C festzulegen. Dann kann, während die Temperatur aller Bestandteile des Kreislaufsystems 0°C übersteigt, mit der Gefrier-Vorbeugungs-Funktion Nr. 1 begonnen werden. In der ersten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion wird, indem die Kreislaufpumpe 48 ihre Tätigkeit aufnimmt, die in allen Bestandteilen des Kreislaufsystems (besonders im Kreislauftank 50) befindliche Brennstoff-Wasser-Lösung der ersten Konzentration FC1, zur Anode der Brennstoffzelle 12 geführt. Die Brennstoffkonzentration der in allen Bestandteilen des Kreislaufsystems befindliche Brennstoff-Wasser-Lösung (Methanol-Konzentration, also FC1) beträgt üblicherweise 0,2–0,5 mol/L; ist also eine überaus niedrige Konzentration.
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Mindestens ein Teil des an die Anode geführten Brennstoffs durchdringt die Polyelektrolytmembran, gelangt zur Kathode und wird durch den an der Kathode verbliebenen Sauerstoff oxidiert. Dieses Phänomen wird Brennstoffdurchtritt genannt. Da, wie oben beschrieben, die Brennstoffkonzentration der im Brennstofftank 50 verbliebenen Brennstoff-Wasser-Lösung überaus niedrig ist, ist die Wärmeentwicklung beim oben genannten Brennstoffdurchtritt durch die Oxidation äußerst gering. Daher ist die erste Gefrier-Vorbeugungs-Funktion weniger eine Vorbeugung des Gefrierens des Brennstoffzellensystems 10, sondern wird vielmehr als eine Vorbereitungsmaßnahme für die zweite Gefrier-Vorbeugungs-Funktion ausgeführt, die in Kraft tritt, wenn die Temperatur des Brennstoffzellensystems 10 weiter sinkt. Mit anderen Worten ist es das Ziel der ersten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion, bevor die Temperatur eines Bestandteils des Kreislaufsystems unter 0°C sinkt, die Temperatur des im Kreislaufsystem verbliebenen Wassers vorzuwärmen. Danach wird, auch, wenn die Temperatur eines Teiles des Kreislaufsystems unter 0°C sinkt, dem Gefrieren des in diesem Teil befindlichen Wassers vorgebeugt.
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Wenn mit ST3 die Tätigkeit die Kreislaufpumpe 48 aufgenommen wird, wird nach Vergehen einer bestimmten Zeitspanne (zum Beispiel 0,1 Sekunden) zu ST1 zurückgekehrt. Wenn dann in einer Zeitspanne T2 < FT ≤ T1 vorliegt, werden die Verfahren von ST1, ST2 und ST3 stetig wiederholend ausgeführt. Mit anderen Worten wird in dieser Zeitspanne die erste Gefrier-Vorbeugungs-Funktion ununterbrochen ausgeführt. Andererseits wird, wenn in ST2 entschieden wurde, dass die Brennstoffzellentemperatur FT niedriger ist als die erste Temperatur T2 (ST2: Nein), noch einmal entschieden, ob die Brennstoffzellentemperatur FT niedriger ist als die während der dritten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion als Standard-Temperatur fungierende erste Temperatur T3 (ST4). Diese Entscheidung wird von der Entscheidungseinheit 58b im Regelbereich 58 vorgenommen.
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Übersteigt dann die Brennstoffzellentemperatur FT die erste Temperatur T3 (ST4: Ja), d. h. T3 < FT ≤ T2, so steuert der Regelbereich 58 die Brennstoffpumpe 50 für eine bestimmte Durchflussmenge F2, so dass die Gefrier-Vorbeugungs-Funktion Nr. 2 beginnt, (ST4). Dann wird auch die Kreislaufpumpe 48 ununterbrochen tätig. Dadurch wird eine hochkonzentrierte (zum Beispiel über 50%-ige) Brennstoff(Methanol)-Wasser-Lösung aus dem Brennstofftank 56 dem Kreislaufsystem zugeführt, und eine Brennstoff-Wasser-Lösung mit einer Konzentration Nr. 2, FC2, die noch höher ist als die Konzentration Nr. 1, FC1, wird der Brennstoffzelle 12 zugeführt. Dadurch nimmt die Menge des Brennstoff-Cross-Overs zu, und die Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle 12 nimmt auch, vergleichen mit der ersten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion zu.
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Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die zweite Konzentration FC2, 0,5–5 mol/L beträgt. Es hängt auch von den Brennstoff-Diffusions-Eigenschaften und der Protonen-Leitfähigkeit der MEA ab, doch wenn die zweite Konzentration FC2, geringer ist als 0,5 mol/L, gibt es nur einen geringen Brennstoffdurchtritt, und eine ausreichende Wärmeentwicklung ist nicht zu erwarten. Falls beim Übergang zur unten beschriebenen dritten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle erheblich sinkt, ist eine ausreichende Wärmeentwicklung ist nicht zu erwarten. Weiterhin ist denkbar, dass bei einer Steigung der zweiten Konzentration FC2 über 4 mol/L die Menge des Brennstoffdurchtritts steigt und eine Abreicherung der MEA sowie ein Sinken der elektrischen Energieerzeugung verursacht. In so einer Situation wird die zweite Gefrier-Vorbeugungs-Funktion ausgeführt in dem Fall, dass es möglich ist, die für die durch den Brennstoffdurchtritt entstehende Wärmeentwicklung sich erhöhende Temperatur des Kreislaufsystems notwendige Wärmemenge (im Folgenden lediglich: notwendige Wärmeentwicklungs-Menge) zu erhöhen, wenn Temperatur jedes Bestandteils des Kreislaufsystems weniger als 0°C beträgt. Im Folgenden wird dieser Aspekt genauer erklärt.
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In 4 wird mittels eines Diagramms die Beziehungen zwischen der notwendigen Wärmeentwicklungs-Menge und der Umgebungstemperatur bzw. der Brennstoffzellentemperatur gezeigt. Wie in dieser Zeichnung gezeigt wird, wird die notwendige Wärmeentwicklungs-Menge größer, je weiter die Umgebungstemperatur fällt. Folglich ist die Vorbeugung des Gefrierens der Brennstoffzelle nicht mehr allein durch die Wärmeentwicklung beim Brennstoff-Cross-Over möglich, wenn die Umgebungstemperatur weiter fällt. Folglich wird eine erste Temperatur T3, festgelegt, die etwas höher ist als die Minimaltemperatur, mit der dem Gefrieren der Brennstoffzelle mittels der Wärmeentwicklung beim Brennstoff-Cross-Over vorgebeugt werden kann. Das heißt, dass in dem Zeitraum, in welchem dem Gefrieren der Brennstoffzelle allein durch die beim Brennstoff-Cross-Over entstehende Wärme vorgebeugt werden kann, dem Gefrieren der Brennstoffzelle durch die zweite Gefrier-Vorbeugungs-Funktion oder die erste Gefrier-Vorbeugungs-Funktion vorgebeugt wird. Das heißt, dass bei kleinstem Brennstoffverbrauch dem Gefrieren der Brennstoffzelle vorgebeugt und sparsam Brennstoff verbraucht werden kann.
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In ST5 wird die Tätigkeit der Brennstoffpumpe 60 aufgenommen, und nach einer bestimmten Zeitspanne (beispielsweise 0,1 Sekunden) wieder mit ST1 begonnen. Wenn dann in einer Zeitspanne T3 < FT ≤ T2 vorliegt, werden die Verfahren von ST1, ST2 und ST4 stetig wiederholend ausgeführt. Mit anderen Worten wird in dieser Zeitspanne die zweite Gefrier-Vorbeugungs-Funktion ununterbrochen ausgeführt. Andererseits steuert, wenn in ST4 entschieden wurde, dass die Brennstoffzellentemperatur FT niedriger ist als die Erste Temperatur T3 (ST4: Nein), der Regelbereich 58 den Beginn der Luft-Zufuhr-Funktion der Luftpumpe 62 und den Beginn der elektrischen Energieerzeugung in der Brennstoffzelle 12, damit die Gefrier-Vorbeugungs-Funktion Nr. 3 ausgeführt wird (ST6). Zu diesem Zeitpunkt werden die Tätigkeiten der Kreislaufpumpe 48 und der Kreislaufpumpe 60 fortgeführt, und zum Beispiel Brennstoff-Wasser-Lösung der zweite Konzentration FC2, zur Brennstoffzelle 12 geführt. Dadurch nimmt die Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle 12 auch, verglichen mit der zweiten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion zu. Im Folgenden wird die dritte Gefrier-Vorbeugungs-Funktion genauer erklärt.
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Wie oben beschrieben wurde, setzt die dritte Gefrier-Vorbeugungs-Funktion in dem Fall ein, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 12 noch weiter sinkt und dem Gefrieren mittels der zweiten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion nicht mehr vorgebeugt werden kann. Mit der vorab in der Speichereinheit 58c des Regelbereichs 58 gespeicherten Brennstoffzellentemperatur/notwendige-Wärmeentwicklungsmenge-Tabelle, angepasst an die Brennstoffzellentemperatur FT, erzeugt die Brennstoffzelle 12 so viel elektrische Energie, dass die durch die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle 12 entwickelte Wärmemenge in einem Bereich ist, in dem sie die notwendige Wärmeentwicklungsmenge übersteigt. Damit kann dem Gefrieren vorgebeugt werden, indem durch die bei der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle 12 entwickelten Wärme die Temperatur aller Bestandteile des Kreislaufsystems auf über 0°C erhöht wird. Die Brennstoffzellentemperatur/notwendige-Wärmeentwicklungsmenge-Tabelle fasst die verstreute Gruppe von Daten der im Diagramm der 4 gezeigten Beziehungen zwischen der Brennstoffzellentemperatur (bzw. der Außentemperatur) und der notwendigen Wärmeentwicklungsmenge in Form einer Tabelle zusammen. Alternativ ist es auch möglich, in der Speichereinheit 12c, anstelle einer Brennstoffzellentemperatur/notwendige-Wärmeentwicklungsmenge-Tabelle, die im Diagramm der 4 gezeigten Beziehungen zwischen der Brennstoffzellentemperatur (bzw. der Außentemperatur) und der notwendigen Wärmeentwicklungsmenge in Form einer Formel zu speichern. Im Folgenden wird die Wärmeentwicklung durch die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle genauer beschrieben.
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Die Brennstoffzelle besitzt die Eigenschaft, dass mit dem Ansteigen erzeugten elektrischen Energie auch der Verlust ansteigt. Im Einzelnen treten Verluste auf durch den Widerstand der Kathode, den Widerstand der Anode und dem Widerstand der Polyelektrolytmembran. Diese Verluste verwandeln sich alle in Wärme. Und die Wärmeentwicklungsmenge der Brennstoffzelle nimmt durch die Wärmeentwicklung dieser Verluste und durch die oben beschriebene Wärmeentwicklungsmenge beim Brennstoff-Cross-Over zu. Folglich ist es bei der elektrischen Energieerzeugung zur Vorbeugung eines Gefrierens vorteilhaft, dass die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt, wobei eine Verschiebung vorgenommen wird von einem in 5 auf der Energie/elektrische-Spannung-Kurve gezeigten Punkt Pmax, welcher der Punkt mit dem höchsten Wirkungsgrad an elektrischer Energieerzeugung der Brennstoffzelle ist, hin zu einem Punkt Psht in der Richtung, in der die elektrische Energieerzeugung zunimmt. Beim Verhältnis von der mit dem Punkt Psht korrespondierendem elektrische Energieerzeugung Is zu der mit dem Punkt Pmax korrespondierenden elektrischen Energieerzeugung Ix: RG = Is/1x ist es vorteilhaft, die elektrische Energieerzeugung Is so einzustellen, dass sie sich im Bereich zwischen 1,05–1,15 befindet.
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In der dritten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion ist es nicht unbedingt notwendig, die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle in dem Verhältnis zu erhöhen, wie sich die notwendige Wärmemenge erhöht. Wie in 6 gezeigt, ist es auch möglich, die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle 12 so festzulegen, dass die bei der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle 12 entstehende Wärmemenge FGH einen bestimmten Wärmebereich überschreitet, der den Bereich der notwendige Wärmemenge NHG übertrifft. Mit anderen Worten kann auch die elektrische Energieerzeugung, der Außentemperatur bzw. der Brennstoffzellentemperatur angepasst, schrittweise erhöht werden.
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Darüber hinaus kann in ST4 anstelle der Entscheidung darüber, ob die Brennstoffzellentemperatur FT niedriger ist als die erste Temperatur T3, in ST4 auch entschieden werden, ob während des Ausführens der zweiten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion die Brennstoffzellentemperatur FT weiterhin fällt und darüber entscheiden, ob die dritte Gefrier-Vorbeugungs-Funktion ausgeführt wird oder nicht. Wenn in so einem veränderten Beispiel während des Ausführens der zweiten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion die Brennstoffzellentemperatur FT weiterhin fällt, wird mit ST6 fortgefahren und die dritte Gefrier-Vorbeugungs-Funktion ausgeführt. Wenn andererseits während des Ausführens der zweiten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion die Brennstoffzellentemperatur FT nicht weiter fällt, wird die dritte Gefrier-Vorbeugungs-Funktion nicht ausgeführt, sondern mit ST5 fortgefahren und die zweite Gefrier-Vorbeugungs-Funktion unverändert fortgesetzt.
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Es ist ebenfalls möglich, während des Ausführens der zweiten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion und dritten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion die Lademenge des Akkumulators 54 zu prüfen und, wenn die Lademenge eine bestimmte Menge unterschreitet, unabhängig von der Brennstoffzellentemperatur FT die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle 12 zu beginnen und so den Akkumulator 54 aufzuladen. Es ist denkbar, dass nach dem Starten der ersten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion oder der zweiten Gefrier-Vorbeugungs-Funktion, nachdem eine gewisse Zeit vergangen ist, die Sauerstoffmenge an der Kathode sinkt, deswegen ist es auch möglich, nachdem eine bestimmte Zeit vergangen ist, die Luftpumpe 62 einzusetzen, die eine für die Wärmeentwicklung beim Brennstoff-Cross-Over ausreichende Menge an Luft zur Kathode führt.
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Im obigen erwähnten Ausführungsbeispiel wurde ein System vorgestellt, in dem die erste bis dritte Gefrier-Vorbeugungs-Funktionen kombiniert ausgeführt werden, aber auch Systeme, die nur eine von beiden, die erste Gefrier-Vorbeugungs-Funktion oder die zweite Gefrier-Vorbeugungs-Funktion, alleine ausführen, sind möglich. Weiterhin sind auch Systeme, in denen die erste Gefrier-Vorbeugungs-Funktion und die dritte Gefrier-Vorbeugungs-Funktion kombiniert ausgeführt werden oder Systeme, in denen die zweite Gefrier-Vorbeugungs-Funktion und die dritte Gefrier-Vorbeugungs-Funktion kombiniert ausgeführt werden, möglich. Es sind auch Systeme möglich, in denen die erste Gefrier-Vorbeugungs-Funktion und die zweite Gefrier-Vorbeugungs-Funktion kombiniert ausgeführt werden.
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Wie oben beschrieben, wird im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, wenn während der Unterbrechung der elektrischen Energieerzeugung der Brennstoffzelle die Temperatur der Brennstoffzelle eine mit dem Gefrieren von Wasser verbundenen Standard-Wert unterschreitet, der Brennstoffzelle Brennstoff zugeführt, ohne dass die Brennstoffzelle elektrische Energie erzeugt. Dadurch beginnt das Brennstoff-Cross-Over und durch die dort entstehende Wärmeentwicklung kann die Brennstoffzelle erwärmt werden. So kann bei geringem Brennstoffverbrauch einem Gefrieren der Brennstoffzelle effektiv vorgebeugt werden. Darüber hinaus kann, wenn es nicht möglich ist, dem Gefrieren der Brennstoffzelle allein mit der Wärmeentwicklung beim Brennstoff-Cross-Over vorzubeugen, die elektrische Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestartet und so mit der dadurch entstandenen Wärmeentwicklung der Brennstoffzelle noch verlässlicher einem Gefrieren der Brennstoffzelle vorgebeugt werden.
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist zum Beispiel als Energiequelle in mobilen elektronischen Kleingeräten wie Notebook-Computern, Mobiltelefonen und PDAs (personal digital assistants), als Outdoor-Energiequelle für Freizeitgeräte oder auch als Reserve-Energieversorgung für den Notfall von Vorteil. Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann außerdem als Energiequelle für z. B. Elektro-Motorroller angewendet werden.
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Es wurden zum jetzigen Zeitpunkt zwar vorteilhafte Gegebenheiten der Ausführung der vorliegenden Erfindung erklärt, doch lässt sich so eine Veröffentlichung nicht darauf beschränkend auslegen. Zahlreiche Umformungen und Veränderungen im der vorliegenden Erfindung zugehörigen technischen Gebiet sind einem Experten nach dem Lesen der obigen Veröffentlichung sicherlich offensichtlich. Folglich weicht der angehängte Bereich der Ansprüche nicht vom Wesen und vom Bereich der vorliegenden Erfindung ab, und ist so auszulegen, dass er alle Umformungen und Veränderungen umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellen-System
- 12
- Brennstoffzelle
- 38
- Akkumulator
- 3a, 3b, 3c, 3d
- Pumpen
- 48
- Kreislaufpumpe
- 50
- Kreislauftank
- 54
- Akkumulator
- 56
- Brennstofftank
- 58
- Regelbereich
- 58a
- Berechnungseinheit
- 58b
- Entscheidungseinheit
- 58c
- Speichereinheit
- 60
- Brennstoffpumpe
- 62
- Luftpumpe
- 64
- Temperatursensor
