DE112013002017B4

DE112013002017B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112013002017B4
Application number: DE112013002017.3T
Authority: DE
Inventors: c/o DENSO CORPORATION Furukoshi Takurou; c/o DENSO CORPORATION Nishikawa Michio; c/o DENSO CORPORATION Kakehashi Nobuharu; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHI Kikawa Shunjiro
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2033-04-05
Also published as: CN104428935A; US9601787B2; JP2013218960A; WO2013153782A1; CN104428935B; JP5761110B2; DE112013002017T5; US20150072259A1

Abstract

Brennstoffzellensystem, welches aufweist:eine Brennstoffzelleneinheit (10), welche eine Brennstoffzelle aufweist;einen Zirkulationskreislauf (20), in welchem Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle zirkuliert;einen Kühler (30), welcher in dem Zirkulationskreislauf (20) angeordnet ist und welcher Wärme von dem Kühlmittel zu der Außenseite hin abstrahlt;einen Bypassdurchlass (21), welcher (i) von dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Trennpunkt abgezweigt ist, welcher stromaufwärts von dem Kühler (30) in einer Strömungsrichtung von dem Kühlmittel angeordnet ist, (ii) mit dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Vereinigungspunkt verbunden ist, welcher stromabwärts von dem Kühler (30) in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und (iii) das Kühlmittel zum Umgehen des Kühlers (30) bringt;eine Drei-Wege-Ventileinrichtung (50), welche in dem Zirkulationskreislauf (20) vorgesehen ist, und welche ein Strömungsverhältnis von einem Kühlmittel, welches durch den Kühler (30) strömt, zu einem Kühlmittel, welches durch den Bypassdurchlass (21) strömt, einstellt;eine Pumpeneinheit (60), welche stromabwärts von dem Vereinigungspunkt in dem Zirkulationskreislauf (20) positioniert ist, und welche das Kühlmittel dazu bringt, in dem Zirkulationskreislauf (20) zu zirkulieren; undeinen Druckregler (40, 140), welcher mit dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Verbindungspunkt verbunden ist, welcher stromaufwärts von der Pumpeneinheit (60) in einer Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und welcher einen Druck in dem Zirkulationskreislauf (20) regelt, um in einem vorherbestimmten Druckbereich zu liegen, welcher höher ist als oder gleich ist zu einem Atmosphärendruck an dem Verbindungspunkt, wobeidie Drei-Wege-Ventileinrichtung (50) stromaufwärts von dem Verbindungspunkt in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, undder Druckregler (140) aufweist: einen Kommunikationsdurchlass (141), welcher parallel zu dem Zirkulationskreislauf (20) derart vorgesehen ist, dass ein stromaufwärtiges Ende (141a) und ein stromabwärtiges Ende (141b) mit dem Zirkulationskreislauf (20) in Kommunikation stehen; und ein Druckregelventil (40A), welches in dem Kommunikationsdurchlass (141) vorgesehen ist, und der Verbindungspunkt ein Kommunikationspunkt einer stromabwärtigen Seite ist, wo das stromabwärtige Ende (141b) mit dem Zirkulationskreislauf (20) in Kommunikation steht.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, in welchem Kühlmittel zwischen einer Brennstoffzelleneinheit und einem Kühler zirkuliert, um eine Brennstoffzelle zu kühlen.
Hintergrund der Erfindung
Auf herkömmliche Art und Weise ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, aufzuweisen:

einen Kühler, welcher in einem Zirkulationskreislauf von Kühlmittel vorgesehen ist, welcher eine Brennstoffzelleneinheit kühlt; einen Bypassdurchlass, welcher eine stromaufwärtige Seite von dem Kühler von dem Zirkulationskreislauf und eine stromabwärtige Seite von dem Kühler von dem Zirkulationskreislauf derart verbindet, um das Kühlmittel zum Umgehen des Kühlers zu bringen; eine Pumpeneinrichtung, welche stromabwärts von einem Verbindungspunkt angeordnet ist, wo der Bypassdurchlass mit dem Zirkulationskreislauf verbunden ist; und eine Drei-Wege-Ventileinrichtung, welche an dem Verbindungspunkt vorgesehen ist, wo der Bypassdurchlass mit dem Zirkulationskreislauf verbunden ist, um ein Strömungsverhältnis zwischen einem Kühlmittel, welches durch den Kühler strömt, und einem Kühlmittel, welches durch den Bypassdurchlass strömt, einzustellen (vgl. JP 2010 - 282 808 A )

Gemäß Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Erfindung kann jedoch eine Abnormalität, wie zum Beispiel eine unangemessene Strömungsmenge von einem zirkulierenden Kühlmittel, bei dem konventionellen Brennstoffzellensystem in JP 2010 - 282 808 A auftreten, weil die Pumpeneinrichtung nicht eine ausreichende Effizienz leisten kann. Die Erfinder haben tiefgehende Untersuchungen durchgeführt und herausgefunden, dass eine Kavitation aufgrund eines lokalen Bereichs von niedrigem Druck auftritt, welcher zwischen einem Inneren der Drei-Wege-Ventileinrichtung und einem Inneren der Pumpeneinrichtung vorgesehen wird. Im Ergebnis kann die Pumpeneinrichtung aufgrund der Kavitation nicht die ausreichende Effizienz bieten. Das heißt, die Erfinder haben herausgefunden, dass die Pumpeneinrichtung die ausreichende Effizienz durch ein Einschränken eines Auftretens der Kavitation bieten kann.
DE 10 2005 045 324 A1 zeigt ein bekanntes Brennstoffzellensystem, das Folgendes aufweist: eine Brennstoffzelleneinheit, welche eine Brennstoffzelle aufweist; einen Zirkulationskreislauf, in welchem Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle zirkuliert; einen Kühler, welcher in dem Zirkulationskreislauf angeordnet ist und welcher Wärme von dem Kühlmittel zu der Außenseite hin abstrahlt; einen Bypassdurchlass, welcher (i) von dem Zirkulationskreislauf an einem Trennpunkt abgezweigt ist, welcher stromaufwärts von dem Kühler in einer Strömungsrichtung von dem Kühlmittel angeordnet ist, (ii) mit dem Zirkulationskreislauf an einem Vereinigungspunkt verbunden ist, welcher stromabwärts von dem Kühler in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und (iii) das Kühlmittel zum Umgehen des Kühlers bringt; eine Drei-Wege-Ventileinrichtung, welche in dem Zirkulationskreislauf vorgesehen ist, und welche ein Strömungsverhältnis von einem Kühlmittel, welches durch den Kühler strömt, zu einem Kühlmittel, welches durch den Bypassdurchlass strömt, einstellt; und eine Pumpeneinheit, welche stromabwärts von dem Vereinigungspunkt in dem Zirkulationskreislauf positioniert ist, und welche das Kühlmittel dazu bringt, in dem Zirkulationskreislauf zu zirkulieren, wobei die Drei-Wege-Ventileinrichtung stromaufwärts von dem Verbindungspunkt in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist.
Weitere Brennstoffzellensysteme gemäß dem Stand der Technik sind in US 2006 / 0 019 137 A1 , DE 10 2008 054 370 A1 , US 6 383 672 B1 und EP 1 521 904 B1 gezeigt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereit zu stellen, mit welchem das Auftreten der Kavitation eingeschränkt wird und die Pumpeneinrichtung die ausreichende Effizienz bieten kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Erfindungsgemäß kann an dem Verbindungspunkt, wo der Druckregler mit dem Zirkulationskreislauf verbunden ist, ein Druck in dem Zirkulationskreislauf innerhalb des vorherbestimmten Druckbereichs, welcher höher ist als oder gleich ist zu dem Atmosphärendruck, gehalten werden. Somit ist, selbst wenn ein Druckverlust in der Drei-Wege-Ventileinrichtung groß ist, ein lokaler Bereich von niedrigem Druck, wo die Kavitation auftritt, kaum zwischen einem Inneren der Pumpeneinheit und dem Verbindungspunkt stromabwärts von der Drei-Wege-Ventileinrichtung in der Strömungsrichtung von Kühlmittel gegeben. Im Ergebnis kann die Kavitation an einem Auftreten zwischen dem Verbindungspunkt von dem Druckregler und dem Inneren der Pumpeneinheit eingeschränkt werden. Die Pumpeneinheit ist daher eingeschränkt an (i) einem Ausfallen hinsichtlich eines Sicherstellens von einer genügenden Strömungsmenge und (ii) einem darin Verursachen einer Erosion. Dementsprechend kann die Pumpeneinheit mit ausreichender Effizienz arbeiten.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung, welche ein Brennstoffzellensystem gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche ein drehendes Ventil darstellt, das für das Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird.
3 ist eine Querschnittsansicht entlang einer Linie III-III, welche in der 2 gezeigt ist.
4 ist ein Diagramm, welches eine Steuereigenschaft von einer Wasserpumpe hinsichtlich einer Kühlmitteltemperatur an einem Auslass von einem Brennstoffzellenstapel von dem Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Diagramm, welches eine Steuereigenschaft von einer Wasserpumpe hinsichtlich einer Strahlungsmenge von Wärme von der Brennstoffzelle von dem Brennstoffzellenstapel gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
6 ist ein Diagramm, welches eine Steuereigenschaft von dem drehenden Ventil hinsichtlich der Kühlmitteltemperatur an dem Auslass von dem Brennstoffzellenstapel gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
7 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen einem Betriebswinkel und einem Öffnungsbereich von dem drehenden Ventil gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein Diagramm, welches eine Beziehung zwischen dem Öffnungsbereich des drehenden Ventils und einem Druckverlust gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
9 ist eine Darstellung, welche ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
10 ist eine Darstellung, welche ein Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
11 ist eine Darstellung, welche ein Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt.
12 ist eine Querschnittsansicht, welche einen Reservetank von dem Brennstoffzellensystem gemäß der vierten Ausführungsform darstellt.
13 ist eine Darstellung, welche ein Brennstoffzellensystem gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt.
14 ist eine Darstellung, welche ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Modifikationsbeispiel zeigt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier im Folgenden unter einer Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden. In den Ausführungsformen kann ein Teil, welcher einem Umstand entspricht, der bei einer zuvorigen Ausführungsform beschrieben ist, mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein, und eine redundante Erläuterung für den Teil kann weggelassen werden. Wenn lediglich ein Teil von einer Konfiguration bei einer Ausführungsform beschrieben ist, kann eine andere zuvorige Ausführungsform auf die anderen Teile der Konfiguration angewendet werden. Die Teile können selbst dann kombiniert werden, wenn es nicht ausdrücklich beschrieben ist, dass die Teile kombiniert werden können. Die Ausführungsformen können teilweise kombiniert werden, selbst wenn es nicht ausdrücklich beschrieben ist, dass die Ausführungsformen kombiniert werden können, vorausgesetzt dass es keinen Konflikt der Kombination gibt.
Erste Ausführungsform
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter einer Bezugnahme auf die 1 bis 8 beschrieben werden.
Ein Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform ist zum Beispiel in einem Fahrzeug vorgesehen und kann als eine Stromquelle verwendet werden, welche einen elektrischen Strom an einen elektrischen Motor für ein Fahren des Fahrzeuges oder ähnlichem liefert. Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenstapel 10 (d.h. einen FC-Stapel), einen Zirkulationskreislauf 20, einen Kühler 30, einen Kühlerverschluss 40, ein drehendes Ventil 50, eine Wasserpumpe 60 und eine Steuereinheit 100 (d.h. eine elektronische Steuereinheit ECU).
Der Brennstoffzellenstapel 10 weist Zellen einer Brennstoffzelle auf, welche einen elektrischen Strom unter Verwenden einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt. Als die Brennstoffzelle kann eine Feststoff-Polymer-Brennstoffzelle verwendet werden. Ein Typ der Brennstoffzelle ist nicht auf den obigen Typ beschränkt und die Brennstoffzelle kann eine Brennstoffzelle vom Typ Phosphorsäure, eine Brennstoffzelle vom Typ geschmolzenem Carbonat oder ähnliches sein. Der Brennstoffzellenstapel 10 kann als ein Beispiel von einer Brennstoffzelleneinheit verwendet werden, welche eine Brennstoffzelle aufweist.
Der Zirkulationskreislauf 20 ist ein Kreislauf, welcher ein Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle dazu bringt, außen von dem Brennstoffzellenstapel 10 derart zu zirkulieren, dass das Kühlmittel von dem Brennstoffzellenstapel 10 her strömt und zu dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückfließt. Der Zirkulationskreislauf 20 verbindet einen Kühlmittelauslassanschluss des Brennstoffzellenstapels 10, welcher an einer unteren Seite gezeigt ist, und einen Kühlmitteleinlassanschluss des Brennstoffzellenstapels 10, welcher an einer höheren Seite gezeigt ist. Eine gemischte Lösung von Ethylenglycol und Wasser kann verwendet werden, um das Kühlmittel daran einzuschränken, in einem kaltem Zustand gefroren zu sein.
Der Kühler 30 ist in dem Zirkulationskreislauf 20 vorgesehen und strahlt Wärme von dem Kühlmittel zu der Außenseite hin aufgrund eines Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlmittel und der Außenluft ab. Ein Kühlerverschluss 40 ist zum Beispiel an dem Tankteil von dem Kühler 30 angebracht. Der Kühlerverschluss 40 ist mit einem Reservetank 41 verbunden, welcher ein überschüssiges Kühlmittel speichert. Der Reservetank 41 ist zum Beispiel aus einem künstlichen Harz hergestellt und als ein lichtdurchlässiger Behälter gebildet. Der Reservetank 41 ist in anderen Worten ein Reservetank vom einfach verschlossenen Typ, in welchem ein innerer Druck äquivalent zu einem Atmosphärendruck ist. Der Kühler 30 kann als ein Beispiel eines Kühlers verwendet werden, welcher in dem Zirkulationskreislauf 20 vorgesehen ist, und welcher Wärme von dem Kühlmittel zu der Außenseite hin abstrahlt.
Der Kühlerverschluss 40 weist ein Unterdruckventil und ein Druckventil (d.h. ein Hochdruckventil) auf. Wenn ein Druck in dem Zirkulationskreislauf niedriger wird als oder gleich wird zu dem Atmosphärendruck, öffnet der Kühlerverschluss 40 das Unterdruckventil, um Kühlmittel in dem Reservetank 41 in den Zirkulationskreislauf 20 einzuleiten. Wenn der Druck in dem Zirkulationskreislauf 20 höher wird als oder gleich wird zu dem Atmosphärendruck, öffnet der Kühlerverschluss 40 das Druckventil, um das Kühlmittel in dem Zirkulationskreislauf 20 in den Reservetank 41 einzuleiten. Der Kühlerverschluss 40 ist direkt mit dem Kühler 30, welcher einen Teil von dem Zirkulationskreislauf ausbildet, verbunden. Der Kühlerverschluss 40 kann als ein Beispiel eines Druckreglers verwendet werden, welcher den Druck in dem Zirkulationskreislauf 20 an einem Verbindungspunkt (d.h. einer Verbindungsstelle) regelt, wo der Kühlerverschluss 40 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, um innerhalb eines vorherbestimmten Druckbereichs gehalten zu werden, welcher höher ist als oder gleich ist zu dem Atmosphärendruck.
Der Zirkulationskreislauf 20 weist einen Bypassdurchlass 21 auf, welcher ein Kühlmittel dazu bringt, den Kühler 30 zu umgehen, und in dem Bypassdurchlass 21 zu strömen. Das heißt, der Bypassdurchlass 21 ist von dem Zirkulationskreislauf 20 an einem Trennpunkt (d.h. einer Trennstelle) stromaufwärts von dem Kühler 30 in einer Strömungsrichtung des Kühlmittels abgezweigt und ist mit dem Zirkulationskreislauf 20 an einem Vereinigungspunkt (d.h. einer Vereinigungsstelle) stromabwärts von dem Kühler 30 in der Strömungsrichtung von dem Kühlmittel verbunden.
Das drehende Ventil 50 ist an dem Trennpunkt vorgesehen, wo der Bypassdurchlass 21 von dem Zirkulationskreislauf 20 abgezweigt ist. Das drehende Ventil 50 ist eine Ventileinrichtung, welche ein Strömungsverhältnis von einer Strömungsmenge von Kühlmittel, welches durch den Kühler 30 hindurchgeht, zu einer Strömungsmenge von Kühlmittel, welches in dem Bypassdurchlass 21 strömt, einstellt. Das drehende Ventil 50 kann auf alternative Art und Weise in dem Zirkulationskreislauf 20 vorgesehen sein. Das drehende Ventil 50 kann als ein Beispiel einer Drei-Wege-Ventileinrichtung verwendet werden, welche ein Strömungsverhältnis von Kühlmittel, welches durch den Kühler strömt, zu einem Kühlmittel, welches durch den Bypassdurchlass 21 strömt, einstellt.
Wie es in den 2 und 3 gezeigt ist, weist das drehende Ventil 50 zum Beispiel ein Gehäuse 51 auf, welches aus einem künstlichen Harz oder ähnlichem hergestellt ist, einen Ventilkörper 52, welcher drehbar in dem Gehäuse 51 angeordnet ist, und eine Dichtung 53, welche zwischen dem Gehäuse 51 und dem Ventilkörper 52 eingesetzt ist, und welche aus einem Kautschuk oder ähnlichem hergestellt ist.
Das drehende Ventil 50 ist mit einem Einlass 51a für Kühlmittel an einer unteren Seite in einem Zustand, welcher in der 2 gezeigt ist, versehen. Des Weiteren ist ein erster Auslass 51b (d.h. eine erste Öffnung), welcher das Kühlmittel zum Strömen zu einer Seite von dem Kühler 30 bringt, an einer linken Seite in dem Zustand vorgesehen, welcher in der 2 gezeigt ist, und ein zweiter Auslass 51c (d.h. eine zweite Öffnung), welcher das Kühlmittel zu einem Strömen zu einer Seite von dem Bypassdurchlass 21 an einer rechten Seite in den Zustand bringt, welcher in der 2 gezeigt ist, ist vorgesehen.
Der Ventilkörper 52 weist eine Drehwelle auf, welche sich in einer Richtung obenunten in dem Zustand erstreckt, welcher in der 2 gezeigt ist (d.h. einer Oberflächenrichtung von vorne nach hinten von einem Papier, auf welchem die 3 gezeichnet ist). Der Ventilkörper 52 bringt den Einlass 51a dazu, normalerweise geöffnet zu sein und ändert einen Öffnungsgrad des ersten Auslasses 51b sowie einen Öffnungsgrad des zweiten Auslasses 51c mit einer Drehung des Ventilkörpers 52. Der Ventilkörper 52 ist integriert, um einen einzigen Ventilkörper auszubilden, welcher den Öffnungsgrad des ersten Auslasses 51b und den Öffnungsgrad des zweiten Auslasses 51c ändert. Die 2 zeigt einen Zustand, dass der Ventilkörper 52 lediglich den zweiten Auslass 51c von den beiden Auslässen 51b, 51c öffnet. Die 3 zeigt einen Zustand, dass der Ventilkörper 52 beide der Auslässe 51b, 51c in einem im Allgemeinen gleichen Grad öffnet.
Wie es in der 1 gezeigt ist, ist ein Kühlmitteldurchlass in paralleler Weise zu dem Bypassdurchlass 21 vorgesehen und eine Ionenabsorptionseinheit 75, welche ein Ionenabsorptionsmittel ausbildet, ist in dem Kühlmitteldurchlass angeordnet. Die Ionenabsorptionseinheit 75 ist mit einem Ionenaustauschharz gefüllt. Da Kühlmittel mit der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel 10 in Kontakt steht, werden Ionen absorbiert und von dem Kühlmittel in der Ionenabsorptionseinheit 75 derart entfernt, dass eine Zunahme einer elektrischen Leitfähigkeit von dem Kühlmittel beschränkt wird.
Die Wasserpumpe 60 ist in dem Zirkulationskreislauf 20 an einer stromabwärtigen Seite von dem Vereinigungspunkt in einer Strömungsrichtung von Kühlmittel angeordnet, wo der Bypassdurchlass 21 mit dem Zirkulationskreislauf verbunden ist. Das heißt, die Wasserpumpe 60 ist an der stromabwärtigen Seite von dem Vereinigungspunkt vorgesehen, wo der Bypassdurchlass 21 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, und an einer stromaufwärtigen Seite von dem Brennstoffzellenstapel 10. Die Wasserpumpe 60 ist eine Zirkulationspumpe, um das Kühlmittel zum Zirkulieren in dem Zirkulationskreislauf 20 zu bringen. Die Wasserpumpe 60 kann zum Beispiel eine Pumpeneinheit sein, bei welcher ein Laufrad in einem Pumpengehäuse gedreht wird. Die Wasserpumpe 60 kann als ein Beispiel einer Pumpeneinheit verwendet werden, welche an der stromabwärtigen Seite von dem Vereinigungspunkt vorgesehen ist, wo der Bypassdurchlass 21 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, und welche das Kühlmittel zum Zirkulieren in dem Zirkulationskreislauf 20 bringt.
Ein Temperatursensor 80, welcher ein Temperaturerfassungsmittel ist, welches eine Temperatur von einem Kühlmittel, welches von dem Brennstoffzellenstapel 10 herausströmt, erfasst, ist in dem Zirkulationskreislauf 20 um einen Verbindungsanschluss von dem Brennstoffzellenstapel 10 herum vorgesehen, wo der Kühlmittelauslassanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist.
Ein Kühlmitteldurchlass, welcher den Brennstoffzellenstapel 10 umgeht, ist des Weiteren in dem Zirkulationskreislauf 20 vorgesehen und ein Zwischenkühler 70 ist in dem Kühlmitteldurchlass, welcher den Brennstoffzellenstapel 10 umgibt, angeordnet. Der Zwischenkühler 70 stellt eine Temperatur von Luft, welche zu der Brennstoffzelle geliefert wird, ein, eine bevorzugte Temperatur zu sein.
Bei dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform ist ein Kühlmitteldurchlass, wie zum Beispiel der Zirkulationskreislauf 20 und der Bypassdurchlass 21 durch einen Schlauch ausgebildet. Der Bypassdurchlass 21 und ein Durchlass, welcher mit einer Auslassseite des Kühlers 30 verbunden ist, sind vorzugsweise durch Schläuche ausgebildet, welche aus einem künstlichen Harz hergestellt sind, welches eine relativ hohe Festigkeit aufweist, oder sind aus Metall hergestellt.
Die elektronische Motorsteuereinheit ECU 100 ist ein Steuermittel, welches das System steuert. Ausgangsinformationen von dem Brennstoffzellenstapel 10, wie zum Beispiel eine Wärmeabstrahlungsmenge oder eine physikalische Menge (zum Beispiel eine Menge von elektrischer Stromerzeugung) im Verhältnis zu der Wärmeabstrahlungsmenge und der Temperaturinformation, welche von dem Temperatursensor 80 ausgegeben wird, werden in die elektronische Steuereinheit ECU 100 eingegeben. Die elektronische Steuereinheit ECU 100 steuert einen Betrieb des drehenden Ventils 50 und einen Betrieb der Wasserpumpe 60 basierend auf den Informationen.
Die elektronische Steuereinheit ECU steuert zum Beispiel die Wasserpumpe 60 basierend auf der Temperaturinformation des Kühlmittels, welche durch den Temperatursensor 80 an einem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10 erfasst wird, und der Information hinsichtlich einer Menge einer Wärmestrahlung von dem Brennstoffzellenstapel 10. Die elektronische Steuereinheit ECU 100 speichert vorab eine Steuercharakteristik (d.h. eine Drehzahlrate R1) der Wasserpumpe 60 hinsichtlich einer Kühlmitteltemperatur an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10, als ein Beispiel, welches in der 4 gezeigt ist. Die elektronische Steuereinheit ECU 100 speichert vorab des Weiteren eine Steuercharakteristik (d.h. eine Drehzahlrate R2) der Wasserpumpe 60 hinsichtlich der Menge einer Wärmeabstrahlung des Brennstoffzellenstapels 10 als ein Beispiel, welches in der 5 gezeigt ist. Die elektronische Steuereinheit ECU 100 vergleicht einen Wert der Drehzahlrate R1 mit einem Wert der Drehzahlrate R2, welche basierend auf den Eingabeinformationen und den vorab gespeicherten Steuercharakteristiken berechnet sind. Die elektronische Steuereinheit ECU 100 betreibt die Wasserpumpe 60 bei dem Wert von der Drehzahlrate R1 oder dem Wert der Drehzahlrate R2, je nachdem welcher höher ist.
Die elektronische Steuereinheit ECU 100 steuert das drehende Ventil 50 basierend auf der Temperaturinformation des Kühlmittels, welche durch den Temperatursensor 80 an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10 erfasst wird. Die elektronische Steuereinheit ECU 100 speichert vorab eine Steuercharakteristik (d.h. einen Betriebswinkel (oder einen Rotationswinkel) von dem Ventilkörper 52) von dem drehenden Ventil 50 relativ zu der Kühlmitteltemperatur an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10 als ein Beispiel, welches in der 6 gezeigt ist. Die elektronische Steuereinheit ECU 100 steuert einen Betrieb des Ventilkörpers 52 des drehenden Ventils 50, um ein Betriebswinkel zu sein, welcher von der Eingangstemperaturinformation und der Steuereigenschaft berechnet wird.
Wenn zum Beispiel die Kühlmitteltemperatur an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels höher ist als oder gleich ist zu 70 °C, öffnet die elektronische Steuereinheit ECU 100 vollständig den ersten Auslass 51b und schließt vollständig den zweiten Auslass 51c, so dass die gesamte Menge von Kühlmittel, welches in dem Zirkulationskreislauf 20 zirkuliert, durch den Kühler 30 strömt. Wenn die Kühlmitteltemperatur an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10 niedriger ist als oder gleich ist zu 60 °C, schließt die elektronische Steuereinheit ECU 100 vollständig den ersten Auslass 51b und öffnet vollständig den zweiten Auslass 51c, derart, dass die gesamte Menge von Kühlmittel, welches in dem Zirkulationskreislauf 20 zirkuliert, durch den Bypassdurchlass 21 strömt.
Wenn die Kühlmitteltemperatur an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10 zwischen 60 °C und 70 °C liegt, wird der Betriebsgrad des Ventilkörpers 52 auf einen dazwischenliegenden Öffnungsgrad eingestellt, wo sowohl der erste Auslass 51b als auch der zweite Auslass 51c offen sind, so dass Kühlmittel durch sowohl den Kühler 30 als auch den Bypassdurchlass 21 strömt. Eine Temperatur der Brennstoffzelle, welche durch das Kühlmittel eingestellt wird, wird dementsprechend zu in etwa 65 °C. In der 6 ist ein Beispiel gegeben, dass eine Charakteristik eines Betriebswinkels sich während dem dazwischenliegenden Öffnungsgrad linear relativ zu der Kühlmitteltemperatur an dem Auslass des Brennstoffzellenstapels 10 ändert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf das Beispiel beschränkt.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform ist der Kühlerverschluss 40 angeordnet, um mit dem Zirkulationskreislauf 20 an der stromaufwärtigen Seite von der Wasserpumpe 60 in der Strömungsrichtung des Kühlmittels verbunden zu sein. Der Kühlerverschluss 40 regelt einen Druck an dem Verbindungspunkt (d.h. der Verbindungsstelle) in dem Zirkulationskreislauf 20, um innerhalb des vorherbestimmten Druckbereichs gehalten zu sein, welcher höher ist als oder gleich ist zu dem Atmosphärendruck. Das drehende Ventil 50 ist in dem Zirkulationskreislauf 20 an der stromaufwärtigen Seite des Verbindungspunktes von dem Kühlerverschluss 40 in der Strömungsrichtung des Kühlmittels vorgesehen. Das heißt, der Kühlerverschluss 40 ist zwischen dem drehenden Ventil 50 und der Wasserpumpe 60 in dem Zirkulationskreislauf 20 angeordnet.
Dementsprechend kann an dem Verbindungspunkt, wo der Kühlerverschluss 40 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, der Druck in dem Zirkulationskreislauf 20 in dem vorherbestimmten Druckbereich, welcher höher ist als oder gleich ist zu dem Atmosphärendruck, gehalten werden. Selbst wenn der Druckverlust aufgrund des drehenden Ventils 50 groß ist, ist daher ein lokaler Bereich eines niedrigen Drucks, wo eine Kavitation auftritt, kaum zwischen dem Verbindungspunkt des Kühlerverschlusses 40, welcher an der stromabwärtigen Seite von dem drehenden Ventil 50 angeordnet ist, und der Wasserpumpe 60 vorgesehen (noch genauer im Inneren der Wasserpumpe 60). Dementsprechend kann ein Auftreten der Kavitation eingeschränkt werden. Die Wasserpumpe 60 ist somit eingeschränkt an (i) einem Ausfallen beim Gewährleisten einer genügenden Strömungsmenge und (ii) einem Verursachen einer Erosion dort darin. Die Wasserpumpe 60 kann dementsprechend mit einer ausreichenden Effizienz arbeiten.
Bei dem Zirkulationskreislauf 20 des Brennstoffzellensystems 1 ist es oft der Fall, dass ein Kühlmittel in einer großen Strömungsmenge im Vergleich zu einem Kühlmittel eines Zirkulationskreislaufes von einer Brennkraftmaschine strömt. Der Grund hierfür ist, dass eine Temperaturverteilung in dem Brennstoffzellenstapel 10 gefordert ist, gering zu sein, um die Effizienzen der mehreren Brennstoffzellen zu verbessern. Obwohl die Kavitation leicht zwischen dem Inneren des drehenden Ventils 50 und einem Inneren der Wasserpumpe 60 auftritt, wenn ein Kühlmittel in dem Zirkulationskreislauf 20 bei einer großen Strömungsmenge strömen gelassen wird, kann das Auftreten der Kavitation gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Erfindung eingeschränkt werden.
Der Kühlerverschluss 40 wird als in Beispiel des Druckreglers verwendet, welcher den Druck in dem Zirkulationskreislauf 20 an dem Verbindungspunkt (d.h. einer Verbindungsstelle) regelt, wo der Kühlerverschluss 40, welcher in dem Kühler 30 vorgesehen ist, mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, um in einemvorherbestimmten Temperaturbereich, welcher höher ist als oder gleich ist zu dem Atmosphärendruck, gehalten zu werden. Der Kühlerverschluss 40 kann als ein Beispiel des Druckreglers verwendet werden.
Die Kavitation kann dementsprechend an einem Auftreten zwischen dem Verbindungspunkt des Kühlerverschlusses 40 und einem Inneren der Wasserpumpe 60 durch eine einfache Konfiguration eingeschränkt werden, dass der Kühlerverschluss 40, welcher vorgesehen ist (z.B. direkt angebracht ist), mit dem Kühler 30 verbunden zu sein, zwischen dem drehenden Ventil 50 und der Wasserpumpe 60 des Zirkulationskreislaufs 20 angeordnet ist.
Gemäß dem drehenden Ventil 50, welches die obige Konfiguration aufweist, ist eine Gesamtheit der Öffnungsbereiche bei dem dazwischenliegenden Öffnungsgrad, wo sowohl der erste Auslass 51b als auch der zweite Auslass 51c offen sind, geringer als ein Öffnungsbereich in einem Fall, dass einer von dem ersten Auslass 51b und dem zweiten Auslass 51 c vollständig offen ist, wie es zum Beispiel in der 7 gezeigt ist. In der 7 zeigt eine Linie mit einem Punkt Öffnungsbereiche der Öffnungen 51b, 51c relativ zu dem Betriebswinkel von jeweils dem Ventilkörper 52 und eine durchgezogene Linie zeigt die Gesamtheit der Öffnungsbereiche der Öffnungen 51b, 51c. Gemäß dem drehenden Ventil 50 der vorliegenden Ausführungsform ist die Gesamtheit der Öffnungsbereiche minimiert, wenn ein Öffnungsgrad des ersten Auslasses 51b im Allgemeinen gleich ist zu einem Öffnungsgrad des zweiten Auslasses 51c. Wie es bei einem Beispiel der 8 gezeigt ist, nimmt ein Druckverlust (d.h. ein Strömungswiderstand) des Kühlmittels, welches durch die Öffnung hindurchströmt, zu, wenn die Gesamtheit der Öffnungsbereiche abnimmt.
Wenn dementsprechend der Ventilkörper 52 auf den dazwischenliegenden Öffnungsgrad eingestellt wird, wo sowohl der erste Auslass 51b als auch der zweite Auslass 51c offen sind, nimmt der Druckverlust des Kühlmittels, welches durch das drehende Ventil 50 strömt, zu, im Vergleich zu dem Fall, dass einer von dem ersten Auslass 51b und dem zweiten Auslass 51c offen ist. Das heißt, wenn der Ventilkörper 52 auf den dazwischenliegenden Öffnungsgrad eingestellt wird, wird der Bereich eines lokalen niedrigen Drucks leicht an der stromabwärtigen Seite von dem Ventilkörper 52 vorgesehen werden. Selbst wenn das drehende Ventil 50, welches solch eine Charakteristik aufweist, verwendet wird, kann die Kavitation an einem Auftreten zwischen dem Verbindungspunkt des Kühlerverschlusses 40, welcher stromabwärts von dem drehenden Ventil 50 in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und einem Inneren der Wasserpumpe 60 eingeschränkt werden.
Zweite Ausführungsform
Eine zweite Ausführungsform wird hier im Folgenden unter einer Bezugnahme auf die 9 beschrieben werden.
Die zweite Ausführungsform ist ein Beispiel, dass die vorliegende Erfindung an einem System angewendet wird, welches einen Reservetank vom sogenannten vollständig abgedichteten Typ aufweist. Ein Teil, welcher einem Umstand entspricht, der bei der ersten Ausführungsform beschrieben ist, wird mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden und eine redundante Erläuterung für den Teil wird weggelassen werden.
Wie es in der 9 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform einen Druckregelmechanismus 140 auf. Der Druckregelmechanismus 140 weist einen Kommunikationsdurchlass 141 auf, welcher parallel zu dem Zirkulationskreislauf 20 vorgesehen ist, einen Reservetank 41A, welcher in dem Kommunikationsdurchlass 141 vorgesehen ist, und einen Verschluss 40A, welcher an dem Reservetank 41A angebracht ist. Der Druckregelmechanismus 140 kann als ein Beispiel eines Druckreglers verwendet werden und der Verschluss 40A kann als ein Beispiel eines Druckregelventils verwendet werden, welches in dem Kommunikationsdurchlass 141 vorgesehen ist.
Der Kommunikationsdurchlass 141 weist ein stromaufwärtiges Ende 141a und ein stromabwärtiges Ende 141b auf, welche mit dem Zirkulationskreislauf 20 in Kommunikation stehen. Bei dem vorliegenden Beispiel ist das stromaufwärtige Ende 141a mit einem Tankteil des Kühlers 30, welcher einen Teil des Zirkulationskreislaufs 20 ausbildet, verbunden, um mit dem Inneren des Kühlers 30 in Kommunikation zu stehen. Auf der anderen Seite ist das stromabwärtige Ende 141b mit einem Teil des Zirkulationskreislaufs 20 an einer stromabwärtigen Seite von dem Kühler 30 und stromaufwärts von dem Vereinigungspunkt des Bypassdurchlasses 21 verbunden, um mit dem Inneren des Zirkulationskreislaufs 20 in Kommunikation zu stehen. Ein Kommunikationspunkt einer stromabwärtigen Seite, wo das stromabwärtige Ende 141b und der Zirkulationskreislauf 20 miteinander verbunden sind, kann somit einem Verbindungspunkt, wo der Druckregler mit dem Zirkulationskreislauf verbunden ist, entsprechen.
Der Verschluss 40A weist eine ähnliche Konfiguration wie der Kühlerverschluss 40, welcher bei der ersten Ausführungsform beschrieben ist, auf. Der Reservetank 41A ist somit der Reservetank vom sogenannten vollständig abgedichteten Typ, bei welchem ein Druck in dem vorherbestimmten Druckbereich geregelt wird, welcher höher ist als oder gleich ist zu dem Atmosphärendruck.
Gemäß der Ausgestaltung der vorliegenden Ausführungsform können ähnliche Wirkungen, welche ähnlich zu denjenigen der ersten Ausführungsform sind, ausgeführt werden. Des Weiteren wird die Kavitation an einem Auftreten zwischen einem Inneren der Wasserpumpe und dem Verbindungspunkt des stromabwärtigen Endes 141b von dem Kommunikationsdurchlass 141 durch solch eine einfache Konfiguration eingeschränkt, dass das stromabwärtige Ende 141b des Kommunikationsdurchlasses 141, in welchem ein Druck durch den Verschluss 40A geregelt wird, zwischen dem drehenden Ventil 50 und der Wasserpumpe 60 vorgesehen wird, welche in dem Zirkulationskreislauf 20 vorgesehen sind.
Dritte Ausführungsform
Eine dritte Ausführungsform wird hier im Folgenden unter einer Bezugnahme auf die 10 beschrieben werden.
Bei der dritten Ausführungsform ist ein Verbindungspunkt, wo das stromabwärtige Ende 141b des Kommunikationsdurchlasses 141 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform geändert. Ein Teil, welcher einem Umstand entspricht, der bei den ersten und zweiten Ausführungsformen beschrieben ist, wird mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine redundante Erläuterung für den Teil wird weggelassen werden.
Wie es in der 10 gezeigt ist, ist bei dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform das stromabwärtige Ende 141b des Kommunikationsdurchlasses 141 mit dem Zirkulationskreislauf 20 an der stromabwärtigen Seite von dem Vereinigungspunkt, wo der Bypassdurchlass 21 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, und einer stromaufwärtigen Seite von der Wasserpumpe 60 derart verbunden, um mit einem Inneren des Zirkulationskreislaufs 20 in Kommunikation zu stehen. Ein Kommunikationspunkt einer stromabwärtigen Seite, wo das stromabwärtige Ende 141b und der Zirkulationskreislauf 20 miteinander verbunden sind, kann einer Verbindungsstelle entsprechen, wo der Druckregler und der Zirkulationskreislauf 20 miteinander verbunden sind.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das drehende Ventil 50 an dem Vereinigungspunkt angeordnet, wo der Bypassdurchlass 21 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist. Daher wird der Einlass 51a, welcher bei der ersten Ausführungsform beschrieben ist, ein Auslass für Kühlmittel und beide Auslässe 51b, 51c werden ein Einlass für Kühlmittel.
Gemäß der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform können ähnliche Wirkungen wie diejenigen von der zweiten Ausführungsform erzielt werden. Das drehende Ventil 50 kann an dem Trennpunkt, wo der Bypassdurchlass 21 von dem Zirkulationskreislauf 20 abgezweigt wird, angeordnet werden.
Vierte Ausführungsform
Eine vierte Ausführungsform wird hier im Folgenden unter einer Bezugnahme auf die 11 und 12 beschrieben werden.
Bei der vierten Ausführungsform ist des Weiteren eine Druckeinrichtung, welche ein Inneres des Reservetanks unter Druck setzt, vorgesehen, im Vergleich zu der zweiten Ausführungsform. Ein Teil, welcher einem Umstand entspricht, der bei der ersten und zweiten Ausführungsform beschrieben ist, wird mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine redundante Erläuterung für den Teil wird weggelassen werden.
Wie es in der 11 gezeigt ist, weist das Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden Ausführungsform eine Druckeinrichtung 90 auf. Die Druckeinrichtung 90 weist einen Kompressor 91, welcher Luft komprimiert, ein Einleitrohr 92, welches die komprimierte Luft, welche in dem Kompressor 91 komprimiert wird, in einen Reservetank 41B einleitet und ein Rückschlagventil 93 auf, welches ein Fluid in dem Einleitrohr 92 an einem Strömen in eine entgegengesetzte Richtung hindert. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist das Einleitrohr 92 ein stromaufwärtiges Ende auf, welches abgezweigt ist von und verbunden ist mit einem Versorgungsrohr 95, welches die komprimierte Luft, welche in dem Kompressor 91 komprimiert wird, zu der Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels 10 durch den Zwischenkühler 70 liefert.
Der Reservetank 41B der vorliegenden Ausführungsform ist ein Reservetank vom sogenannten vollständig abgedichteten Typ, ähnlich zu der zweiten und dritten Ausführungsform. Jedoch ist, wie es in der 12 gezeigt ist, der Reservetank 41B von dem Reservetank 41A dahingehend verschieden, dass der Reservetank 41A einen Lufteinlass 413 aufweist. Ein stromaufwärtiges Ende von dem Einleitrohr 92 ist mit dem Lufteinlass 413 verbunden.
Der Reservetank 41B ist zum Beispiel aus einem synthetischen Harz hergestellt und einem lichtdurchlässigen Behälter gebildet. Der Reservetank 41B weist einen Einlass 411 und einen Auslass 412 für Kühlmittel auf. Der Kommunikationsdurchlass 141 weist einen stromaufwärtigen Teil auf, der sich von dem stromaufwärtigen Ende 141a her erstreckt, und ein stromabwärtiges Ende 141b von dem stromaufwärtigen Teil ist mit dem Einlass 411 verbunden. Der Kommunikationsdurchlass 141 weist einen stromabwärtigen Teil auf, der sich zu dem stromabwärtigen Ende 141b hin erstreckt, und ein stromaufwärtiges Ende von dem stromabwärtigen Teil ist mit dem Auslass 412 verbunden.
Bei dem Reservetank 41B ist eine Trennwand 414 vorgesehen, um sich von einem unteren Teil von dem Reservetank 41B her zu erstrecken und ein Inneres von dem Reservetank 41B in zwei Speicherteile aufzuteilen. Der Einlass 411 ist an einer Stelle angrenzend zu dem Speicherteil vorgesehen, welches an der linken Seite in der 12 gezeigt ist, und der Auslass 412 ist an einer Stelle angrenzend zu dem Speicherteil vorgesehen, welches an der rechten Seite in der 12 gezeigt ist. Dementsprechend kann Kühlmittel, welches von dem Einlass 411 her strömt und über die Trennwand 414 strömt, von dem Auslass 412 herausströmen. Der Lufteinlass 413 ist an einem Deckenteil des Reservetanks 41B vorgesehen.
Gemäß einer Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform können ähnliche Wirkungen wie diejenigen von der zweiten Ausführungsform erzielt werden.
Des Weiteren setzt die Druckeinrichtung 90 ein Inneres von dem Kommunikationsdurchlass 141 durch den Reservetank 41B unter Druck. Dementsprechend kann ein Druck in dem Kommunikationsdurchlass 141, welcher durch den Verschluss 40A geregelt wird, relativ hoch sein innerhalb des vorherbestimmten Druckbereichs, welcher höher ist als oder gleich ist wie der Atmosphärendruck. An dem Verbindungspunkt, wo das stromabwärtige Ende 141b von dem Kommunikationsdurchlass 141 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, kann somit ein Druck in dem Zirkulationskreislauf 20 relativ hoch sein innerhalb des vorherbestimmten Druckbereichs, welcher höher ist als oder gleich ist zu dem Atmosphärendruck. Daher kann die Kavitation auf sichere Art und Weise an einem Auftreten zwischen einem Inneren der Wasserpumpe 60 und dem Verbindungspunkt, wo das stromabwärtige Ende 141b mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, eingeschränkt werden.
Des Weiteren weist der Druckregelmechanismus 140 den Reservetank 41B auf, welcher in dem Kommunikationsdurchlass 141 vorgesehen ist, und ein überschüssiges Kühlmittel speichert. Die Druckeinrichtung 90 weist den Kompressor 91 und das Einleitrohr 92 auf, welches die komprimierte Luft, welche in dem Kompressor 91 komprimiert wird, in den Reservetank 41B einleitet. Ein Inneres von dem Kommunikationsdurchlass 141 kann demensprechend leicht unter Druck gesetzt werden durch das Einleiten der komprimierten Luft, welche in dem Kompressor 91 komprimiert wird, in den Reservetank 41B durch das Einleitrohr 92.
Des Weiteren ist das Versorgungsrohr 95 vorgesehen, um die komprimierte Luft, welche in dem Kompressor 91 komprimiert wird, zu der Brennstoffzelle zu liefern. Die komprimierte Luft, welche in dem Kompressor 91 komprimiert wird, kann dementsprechend auch zu der Brennstoffzelle durch das Versorgungsrohr 95 geliefert werden. Somit kann der Kompressor 91 sowohl als eine Quelle eines Unterdrucksetzens des Kommunikationsdurchlasses 141 als auch als eine Quelle eines Lieferns von Luft für die Brennstoffzelle verwendet werden. In anderen Worten ist es nicht erforderlich, einen zweckgebundenen Kompressor für die Quelle eines Unterdrucksetzens des Kommunikationsdurchlasses 141 vorzusehen. Eine Konfiguration des Brennstoffzellensystems kann daher vereinfacht werden.
Wenn eine Menge einer Erzeugung von elektrischem Strom in dem Brennstoffzellenstapel 10 groß ist, wird eine Auslasskapazität des Kompressors 91 erhöht, da die Brennstoffzelle ein großes Volumen an Luft benötigt. Wenn des Weiteren die Menge einer Erzeugung von elektrischem Strom in dem Brennstoffzellenstapel 10 groß ist, erhöht sich die Drehzahlrate der Wasserpumpe 60, da die Menge einer Wärmeabstrahlung von dem Brennstoffzellenstapel 10 sich proportional erhöht. Wenn die Drehzahlrate der Wasserpumpe 60 zunimmt, kann sich ein Druck leichter an der Saugseite der Wasserpumpe 60 verringern. Eine Lieferkapazität des Kompressors 91 für ein Liefern der komprimierten Luft nimmt jedoch proportional aufgrund der obigen Begründung zu. Die Druckeinrichtung 90, welche eine erhöhte Lieferkapazität für ein Liefern der komprimierten Luft aufweist, kann also ein Inneres des Kommunikationsdurchlasses 141 auf sichere Weise unter Druck setzen, wenn die Menge einer Erzeugung von elektrischem Strom in dem Brennstoffzellenstapel 10 zunimmt.
Das Einleitrohr 92 weist das Rückschlagventil 93 auf. Dementsprechend kann Luft von dem Reservetank 41B an einem Strömen in dem Einleitrohr 92 in einer entgegengesetzten Richtung beschränkt werden und ein Inneres von dem Reservetank 41B kann leicht gehalten werden, einen hohen Druck aufzuweisen. Die komprimierte Luft wird somit durch das Einleitrohr 92 nur eingeleitet, wenn der Druck in dem Reservetank 41B niedriger wird als ein Auslassdruck des Kompressors 91. Dementsprechend kann eine Arbeitslast des Kompressors 91 an einer Zunahme gehindert werden.
Des Weiteren kann Luft und Kühlmittel in den Reservetank 41B sicher daran gehindert werden, in das Einleitrohr 92 in der entgegengesetzten Richtung zu strömen und zu dem Kompressor 91 und dem Brennstoffzellenstapel 10 zu strömen, zum Beispiel wenn der Kompressor 91 gestoppt wird. Der Lufteinlass 413, mit welchem das Einleitrohr 92 verbunden ist, ist an dem Deckenteil des Reservetanks 41B vorgesehen und befindet sich angrenzend zu einem Luftspeicherbereich, welcher nach oben von einem Kühlmittelspeicherteil liegt. Das Kühlmittel in dem Reservetank 41B kann somit auf noch sicherere Art und Weise an einem Strömen in dem Einleitrohr 92 in der entgegengesetzten Richtung und einem Strömen zu dem Kompressor 91 und dem Brennstoffzellenstapel 10 gehindert werden.
Fünfte Ausführungsform
Eine fünfte Ausführungsform wird hier im Folgenden unter einer Bezugnahme auf die 13 beschrieben werden.
Bei der fünften Ausführungsform ist der Verbindungspunkt, wo das stromabwärtige Ende 141b des Kommunikationsdurchlasses 141 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, im Vergleich zu der vierten Ausführungsform geändert. Ein Teil, welcher einem Umstand entspricht, der bei der ersten bis vierten Ausführungsform beschrieben ist, wird mit dem gleichen Bezugszeichen bezeichnet und eine redundante Erläuterung für den Teil wird weggelassen werden.
Wie es in der 13 gezeigt ist, ist gemäß dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform das stromabwärtige Ende 141b des Kommunikationsdurchlasses 141 mit dem Zirkulationskreislauf 20 an einer Stelle verbunden, welche stromabwärts von dem Vereinigungspunkt liegt, wo der Bypassdurchlass 21 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, und welcher stromaufwärts von der Wasserpumpe 60 liegt, um mit dem Zirkulationskreislauf 20 in Kommunikation zu stehen, ähnlich zu der dritten Ausführungsform.
Des Weiteren ist das drehende Ventil 50 an dem Vereinigungspunkt angeordnet, wo der Bypassdurchlass 21 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, ebenso ähnlich zu der dritten Ausführungsform. Gemäß einer Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform können ähnliche Wirkungen, welche ähnlich sind zu denjenigen der vierten Ausführungsform, erzielt werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann das drehende Ventil 50 an dem Trennpunkt angeordnet werden, wo der Bypassdurchlass 21 von dem Zirkulationskreislauf 20 abgezweigt ist, ähnlich zu der dritten Ausführungsform.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind oben beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die obigen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Änderungen können ohne ein Abweichen von dem Umfang der vorliegenden Erfindung gemacht werden.
Obwohl der Kühlerverschluss 40, welcher vorgesehen ist, um mit dem Kühler 30 verbunden zu sein, als ein Beispiel des Druckreglers verwendet wird, welcher ein Druckregelmittel gemäß der ersten Ausführungsform ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann ein Verschluss, welcher eine ähnliche Konfiguration aufweist, welche ähnlich zu der Konfiguration des Kühlerverschlusses 40 ist, vorgesehen sein, um mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden zu sein.
Obwohl der Verschluss 40A, welcher an dem Reservetank befestigt ist, als ein Beispiel des Druckregelventils von dem Druckregelmechanismus 140 gemäß der zweiten bis fünften Ausführungsform verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt. Der Verschluss 40A kann zum Beispiel in dem Kommunikationsdurchlass 141 angeordnet sein.
Obwohl das stromaufwärtige Ende 141a des Kommunikationsdurchlasses mit dem Kühler 30 gemäß den zweiten bis fünften Ausführungsformen verbunden ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt. Das stromaufwärtige Ende 141a kann zum Beispiel mit einem Teil verbunden sein, welcher stromaufwärts von dem Kühler 30 in dem Zirkulationskreislauf 20 liegt.
Obwohl das drehende Ventil 50 als die Drei-Wege-Ventileinrichtung gemäß den obigen Ausführungsformen verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann ein Ventilkörper, welcher sich gleitend in einer geraden Linie bewegt, das Strömungsverhältnis einstellen.
Obwohl die Gesamtheit von Öffnungsbereichen in dem Fall, dass das drehende Ventil 50 an dem dazwischenliegenden Öffnungsgrad geöffnet ist, geringer ist als derjenige von dem Öffnungsbereich in dem Fall, dass einer der Auslässe vollständig offen ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt. Die gesamten Öffnungsbereiche an dem dazwischenliegenden Öffnungsgrad können zum Beispiel gleich sein zu dem Öffnungsbereich in einem Fall, dass eine der Öffnungen vollständig offen ist. Auf alternative Weise kann die Gesamtheit der Öffnungsbereiche an dem dazwischenliegenden Öffnungsgrad größer sein als diejenige von dem Öffnungsbereich in einem Fall, dass einer der Auslässe vollständig offen ist.
Obwohl das stromabwärtige Ende 141b des Kommunikationsdurchlasses 141b durch die Druckeinrichtung 90 durch den Reservetank 41B unter Druck gesetzt wird, der mit dem Zirkulationsdurchlass 20 zwischen dem drehenden Ventil 50 und der Wasserpumpe 60 verbunden ist, gemäß der vierten und fünften Ausführungsform, ist die vorliegende Erfindung nicht auf das Beispiel beschränkt.
Das stromabwärtige Ende 141b kann zum Beispiel mit einem Teil in dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden sein, welcher stromaufwärts von dem drehenden Ventil 50 liegt, wie es in der 14 gezeigt ist. Das heißt, es gibt keine Beschränkung so lange die Druckeinrichtung 90 ein Inneres von dem Kommunikationsdurchlass 141 unter Druck setzt. Der Druck im Inneren des Kommunikationsdurchlasses 141 kann relativ hoch sein innerhalb des vorherbestimmten Druckbereichs, welcher durch den Verschluss 40A geregelt wird, um höher zu sein als oder gleich zu sein zu dem Atmosphärendruck. Dementsprechend kann an dem Verbindungspunkt, wo das stromabwärtige Ende 141b des Kommunikationsdurchlasses 141 mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, der Druck im Inneren des Zirkulationskreislaufs 20 relativ hoch innerhalb des vorherbestimmten Druckbereichs sein, welcher höher ist als oder gleich ist zu dem Atmosphärendruck. Selbst wenn das drehende Ventil 50 zwischen einem Inneren von der Wasserpumpe 60 und dem Verbindungspunkt, wo das stromabwärtige Ende 141b mit dem Zirkulationskreislauf 20 verbunden ist, angeordnet ist, wird ein innerer Druck zwischen ihnen überall erhöht und der Bereich eines lokalen niedrigen Drucks, wo die Kavitation auftritt, wird kaum vorhanden sein. Die Kavitation kann somit auf sichere Art und Weise an einem Auftreten eingeschränkt werden.

Claims

Brennstoffzellensystem, welches aufweist: eine Brennstoffzelleneinheit (10), welche eine Brennstoffzelle aufweist; einen Zirkulationskreislauf (20), in welchem Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle zirkuliert; einen Kühler (30), welcher in dem Zirkulationskreislauf (20) angeordnet ist und welcher Wärme von dem Kühlmittel zu der Außenseite hin abstrahlt; einen Bypassdurchlass (21), welcher (i) von dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Trennpunkt abgezweigt ist, welcher stromaufwärts von dem Kühler (30) in einer Strömungsrichtung von dem Kühlmittel angeordnet ist, (ii) mit dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Vereinigungspunkt verbunden ist, welcher stromabwärts von dem Kühler (30) in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und (iii) das Kühlmittel zum Umgehen des Kühlers (30) bringt; eine Drei-Wege-Ventileinrichtung (50), welche in dem Zirkulationskreislauf (20) vorgesehen ist, und welche ein Strömungsverhältnis von einem Kühlmittel, welches durch den Kühler (30) strömt, zu einem Kühlmittel, welches durch den Bypassdurchlass (21) strömt, einstellt; eine Pumpeneinheit (60), welche stromabwärts von dem Vereinigungspunkt in dem Zirkulationskreislauf (20) positioniert ist, und welche das Kühlmittel dazu bringt, in dem Zirkulationskreislauf (20) zu zirkulieren; und einen Druckregler (40, 140), welcher mit dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Verbindungspunkt verbunden ist, welcher stromaufwärts von der Pumpeneinheit (60) in einer Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und welcher einen Druck in dem Zirkulationskreislauf (20) regelt, um in einem vorherbestimmten Druckbereich zu liegen, welcher höher ist als oder gleich ist zu einem Atmosphärendruck an dem Verbindungspunkt, wobei die Drei-Wege-Ventileinrichtung (50) stromaufwärts von dem Verbindungspunkt in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und der Druckregler (140) aufweist: einen Kommunikationsdurchlass (141), welcher parallel zu dem Zirkulationskreislauf (20) derart vorgesehen ist, dass ein stromaufwärtiges Ende (141a) und ein stromabwärtiges Ende (141b) mit dem Zirkulationskreislauf (20) in Kommunikation stehen; und ein Druckregelventil (40A), welches in dem Kommunikationsdurchlass (141) vorgesehen ist, und der Verbindungspunkt ein Kommunikationspunkt einer stromabwärtigen Seite ist, wo das stromabwärtige Ende (141b) mit dem Zirkulationskreislauf (20) in Kommunikation steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Druckeinrichtung (90), welche ein Inneres von dem Kommunikationsdurchlass (141) unter Druck setzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei der Druckregler (140) einen Reservetank (41B) aufweist, welcher in dem Kommunikationsdurchlass (141) vorgesehen ist, und welcher einen Überschuss des Kühlmittels speichert, und die Druckeinrichtung (90) einen Kompressor (91) aufweist, welcher Luft komprimiert, und ein Einleitrohr (92), welches eine komprimierte Luft, welche in dem Kompressor (91) komprimiert wird, in den Reservetank (41B) einleitet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, weiterhin aufweisend ein Versorgungsrohr (95), welches die komprimierte Luft, welche in dem Kompressor (91) komprimiert wird, zu der Brennstoffzelle liefert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Drei-Wege-Ventileinrichtung (50) einen einzigen Ventilkörper (52) aufweist, welcher einen Öffnungsgrad einer ersten Öffnung (51b), welche eine Verbindung zu dem Kühler (30) herstellt, und einen Öffnungsgrad einer zweiten Öffnung (51c), welcher eine Verbindung zu dem Bypassdurchlass (21) herstellt, ändert, und eine Gesamtheit von Öffnungsbereichen in einem Fall, dass der Ventilkörper (52) in einem Zwischenöffnungsgrad geöffnet ist, um sowohl die erste Öffnung (51b) als auch die zweite Öffnung (51c) zu öffnen, kleiner ist als ein Öffnungsbereich in einem Fall, dass der Ventilkörper (52) die erste Öffnung (51b) oder die zweite Öffnung (51c) öffnet.
Brennstoffzellensystem, welches aufweist: eine Brennstoffzelleneinheit (10), welche eine Brennstoffzelle aufweist; einen Zirkulationskreislauf (20), in welchem Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle zirkuliert; einen Kühler (30), welcher in dem Zirkulationskreislauf (20) angeordnet ist und welcher Wärme von dem Kühlmittel zu der Außenseite hin abstrahlt; einen Bypassdurchlass (21), welcher (i) von dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Trennpunkt abgezweigt ist, welcher stromaufwärts von dem Kühler (30) in einer Strömungsrichtung von dem Kühlmittel angeordnet ist, (ii) mit dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Vereinigungspunkt verbunden ist, welcher stromabwärts von dem Kühler (30) in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und (iii) das Kühlmittel zum Umgehen des Kühlers (30) bringt; eine Drei-Wege-Ventileinrichtung (50), welche in dem Zirkulationskreislauf (20) vorgesehen ist, und welche ein Strömungsverhältnis von einem Kühlmittel, welches durch den Kühler (30) strömt, zu einem Kühlmittel, welches durch den Bypassdurchlass (21) strömt, einstellt; eine Pumpeneinheit (60), welche stromabwärts von dem Vereinigungspunkt in dem Zirkulationskreislauf (20) positioniert ist, und welche das Kühlmittel dazu bringt, in dem Zirkulationskreislauf (20) zu zirkulieren; und einen Druckregler (40, 140), welcher mit dem Zirkulationskreislauf (20) an einem Verbindungspunkt verbunden ist, welcher stromaufwärts von der Pumpeneinheit (60) in einer Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und welcher einen Druck in dem Zirkulationskreislauf (20) regelt, um in einem vorherbestimmten Druckbereich zu liegen, welcher höher ist als oder gleich ist zu einem Atmosphärendruck an dem Verbindungspunkt, wobei die Drei-Wege-Ventileinrichtung (50) stromaufwärts von dem Verbindungspunkt in der Strömungsrichtung des Kühlmittels angeordnet ist, und die Drei-Wege-Ventileinrichtung (50) einen einzigen Ventilkörper (52), welcher einen Öffnungsgrad einer ersten Öffnung (51b), welche eine Verbindung zu dem Kühler (30) herstellt, und einen Öffnungsgrad einer zweiten Öffnung (51c), welcher eine Verbindung zu dem Bypassdurchlass (21) herstellt, ändert, und eine Gesamtheit von Öffnungsbereichen in einem Fall, dass der Ventilkörper (52) in einem Zwischenöffnungsgrad geöffnet ist, um sowohl die erste Öffnung (51b) als auch die zweite Öffnung (51c) zu öffnen, kleiner ist als ein Öffnungsbereich in einem Fall, dass der Ventilkörper (52) die erste Öffnung (51b) oder die zweite Öffnung (51c) öffnet.