DE60307959T2

DE60307959T2 - Abgasbehandlungseinrichtung für Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE60307959T2
Application number: DE60307959T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Kanai; Hideo Numata; Akio Yamamoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2023-10-08
Also published as: EP1416567A3; CA2445128C; EP1598889A1; EP1416567B1; DE60332498D1; US7358002B2; DE60307959D1; US20040106021A1; EP1416567A9; CA2445128A1; EP1416567A2; EP1598889B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, und insbesondere eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, welche Wasserstoff verarbeitet, der aus einem Brennstoffzellensystem abgeführt ist, in welchem Wasserstoff als ein Brennstoff für eine Antriebsquelle eines Elektrofahrzeugs verwendet wird,.
Allgemein ist eine Brennstoffzelle durch die Kathode und die Anode an beiden Enden einer Protonenaustauschmembran oder Polymer-Elektrolytmembran (PEM-Membran) derart definiert, dass Sauerstoff aus der Luft zu der Kathode zugeführt wird, während in einem Brenngas enthaltener Wasserstoff zu der Anode zugeführt wird, um dadurch durch die elektrochemische Reaktion dazwischen Elektrizität zu erzeugen.
Bei einem Brennstoffzellensystem, das eine derartige Brennstoffzelle als eine Antriebsquelle für ein Elektrofahrzeug verwendet, und falls beispielsweise reiner Wasserstoff (im Folgenden einfach als "Wasserstoff" bezeichnet) als Brennstoff verwendet wird, wird zur Verbesserung der Ausnutzungseffizienz des der Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoffs und damit zur Verringerung des Brennstoffverbrauchs ein Rezirkulationssystem eingerichtet. Beispielsweise zeigt die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 6-275300 (siehe Seite 4 und 1) ein derartiges Rezirkulationssystem. Um Wasserstoff zu rezirkulieren, kann das Rezirkulationssystem mit einem Ejektor versehen sein, welcher einen Unterdruck zum Ansaugen von Wasserstoff erzeugt, oder mit einer Vakuumpumpe.
Während einer langdauernden Rezirkulation von Wasserstoff erhöht sich die Konzentration von Verunreinigungen, wie beispielsweise Stickstoff, in dem Rezirkulationssystem, was zu einer Verschlechterung der Erzeugungseffizienz führt. Weiterhin führt in dem Brennstoffzellensystem zurückgehaltene Feuchtigkeit dazu, dass ein Durchfluss von Wasserstoff in dem Anoden-Leitungssystem verstopft. Aus diesem Grund ist ein Abführen erforderlich, um Verunreinigungen, wie beispielsweise Stickstoff und Wasser, an die Umgebung auszuleiten. Da allerdings in dem Anoden-Leitungssystem Wasserstoff eingefüllt ist, wird während des Abführens auch hoch konzentrierter Wasserstoff an die Umgebung abgegeben. Um zu verhindern, dass Wasserstoff (abgeführter Wasserstoff) an die Umgebung abgegeben wird, wird der abgeführte Wasserstoff in einen Abgas-Brennstoff-Verdünner eingeleitet und mit Kathoden-Abgas vermischt. Daher wird der abgeführte Wasserstoff zu einer niedrigeren Konzentration verdünnt und dann an die Umgebung abgegeben.
Die japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 11-191422 (Spalte [0024] und 2) offenbart ein Verfahren, wobei aus der Brennstoffzelle abgegebener Wasserstoff in einem Abgas-Brennstoff-Verdünner mit Luft vermischt wird und verdünnter Wasserstoff an die Umgebung abgegeben wird.
Für den Fall, dass abgeführter Wasserstoff, der an die Umgebung abgegeben wird, dem Abgas-Brennstoff-Verdünner stoßweise zugeführt wird, wird allerdings, da die Fluktuation der Konzentration des abgeführten Wasserstoffs in dem Abgas-Brennstoff-Verdünner mit zunehmender verstrichener Zeit größer wird, die Fluktuation der Konzentration des abgeführten Wasserstoffs, welcher mit Kathoden-Abgas vermischt und vor der Abgabe an die Umgebung verdünnt wird, ebenfalls größer.
In dieser Hinsicht ist es, auch für einen Fall, dass abgeführter Wasserstoff, der an die Umgebung abgegeben wird, stoßweise in den Abgas-Brennstoff-Verdünner eingeleitet wird, gewünscht, dass die Konzentrationsfluktuation des abgeführten Wasserstoffs mit zunehmender verstrichener Zeit nicht größer wird.
Es ist ebenfalls erwünscht, dass die Wasserstoffkonzentration in dem Emissionsgas sehr genau gesteuert/geregelt wird, um die inhärente Leistungsfähigkeit des Abgas-Brennstoff-Verdünners auszunutzen, um die Wasserstoffkonzentration in dem von dem Abgas-Brennstoff-Verdünner an die Umgebung abgegebenen Emissionsgas nicht größer als einen vorbestimmten Grenzwert zu halten, und um so viel abgeführten Wasserstoff wie möglich zu verdünnen und zu verarbeiten.
Das Dokument US 2002/0094469 A1 offenbart eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle der oben genannten Art, wobei Wasserstoff-Abgas, das von der Brennstoffzelle abgeführt ist, und Sauerstoff Abgas von der Brennstoffzelle in einen Verdünner eingeleitet werden, welcher mit internen Trennwänden versehen ist, um eine effektive Vermischungskammer für das Wasserstoffgas und das Abgas bereitzustellen. Wasserstoffgas und Abgas werden auf gleicher Höhe in den Verdünner eingeleitet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wasserstoff-Verdünner mit einem einfacheren Aufbau bereitzustellen, der nicht das Vorsehen von internen Trennwänden benötigt, um eine gründliche Vermischung des Wasserstoffgases und des Kathoden-Abgases sicherzustellen.
Überblick über die Erfindung
Im Hinblick auf das Obige wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 bereitgestellt, wobei aus der Brennstoffzelle abgeführtes Wasserstoffgas mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle vermischt wird, und vor dem Ablassen an die Atmosphäre verdünnt wird. Die Abgasver arbeitungsvorrichtung umfasst: ein Reservoir, in dem von der Brennstoffzelle abgeführtes Wasserstoffgas zurückgehalten und mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle vermischt wird, und einen an einem oberen Abschnitt des Reservoirs vorgesehenen Vermischungsgas-Einführungseinlass. Das abgeführte Wasserstoffgas wird mit an dem Vermischungsgas-Einführungseinlass eingeführten Vermischungsgas vermischt und durch dieses verdünnt.
Mit diesem Aufbau der Abgasverarbeitungsvorrichtung wird Vermischungsgas mit einer relativ hohen Dichte, wie beispielsweise Kathodengas und Kathoden-Abgas, an dem Vermischungsgas-Einführungseinlass eingeleitet, der an einem oberen Abschnitt des Reservoirs vorgesehen ist, im Vergleich zu Wasserstoff mit einer niedrigen Dichte, der wahrscheinlich im Reservoir nach oben strömt. Daher werden der abgeführte Wasserstoff und das Vermischungsgas verrührt und zuverlässig miteinander vermischt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei aus der Brennstoffzelle abgeführtes Wasserstoffgas mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle vermischt wird, und vor der Abgabe an die Atmosphäre verdünnt wird. Die Abgasverarbeitungsvorrichtung umfasst: ein Reservoir, welches einen Einlass aufweist, durch den abgeführter Wasserstoff von der Brennstoffzelle in das Reservoir eingeleitet und dann mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle vermischt wird, und einen an einem oberen Abschnitt des Reservoirs vorgesehenen Vermischungsgas-Einführungseinlass. Der Brennstoffzelle zuzuführendes Kathoden-Abgas wird abgezweigt und dann zu dem Vermischungsgas-Einführungseinlass zugeführt.
Mit diesem Aufbau der Abgasverarbeitungsvorrichtung wird Anodengas, das vorübergehend in dem Reservoir gespeichert wird, mit Kathoden-Abgas, das dem Reservoir zugeführt wird, vermischt und durch dieses verdünnt, so dass die Konzentrationsfluktuation innerhalb des Reservoirs kleiner wird. Dies führt zu einer geringen Konzentrationsänderung des Anodengases, das mit dem Kathoden-Abgas vermischt und durch dieses verdünnt wird, und dann an die Umgebung abgegeben wird.
Ferner wird Kathodengas mit einer relativ hohen Dichte an dem Vermischungsgas-Einführungseinlass, der an einem oberen Abschnitt des Reservoirs vorgesehen ist, eingeleitet, so dass das Kathodengas nach unten zu einem unteren Abschnitt des Reservoirs hin strömt. Daher wird das Kathodengas mit Wasserstoff mit einer niedrigen Dichte vermischt, der wahrscheinlich im Reservoir nach oben strömt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, umfassend: einen Abgas-Brennstoff-Verdünner, welcher ein Reservoir aufweist, in dem von der Brennstoffzelle abgeführter Wasserstoff zurückgehalten, dann mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle vermischt wird und vor der Abgabe an die Umgebung verdünnt wird; eine Vermischungsgasleitung zum Einführen von Vermischungsgas, das sich mit dem in dem Reservoir zurückgehaltenen Wasserstoffgas vermischt; ein Einstellventil zum Einstellen einer Menge an Vermischungsgas; einen Wasserstoffkonzentrations-Detektor zum Erfassen einer Wasserstoffkonzentration von an die Umgebung abgegebenem Emissionsgas; und eine Steuer-/Regelvorrichtung zum Einstellen des Einstellventils auf Grundlage eines Erfassungssignals von dem Wasserstoffkonzentrations-Detektor.
Mit diesem Aufbau der Abgasverarbeitungsvorrichtung erfasst der Wasserstoffkonzentrations-Detektor die Wasserstoffkonzentration des Emissionsgases, wenn in dem Reservoir zurückgehaltenes Wasserstoffgas mit Kathoden-Abgas vermischt und nach außen abgegeben wird. Die Steuer-/Regelvorrichtung steuert/regelt dann das Einstellventil auf Grundlage eines von dem Wasserstoffkonzentrations-Detektors übertragenen Erfassungssignals, um die Menge von Vermischungsgas zu erhöhen oder zu verringern, wodurch die in dem Emissionsgas enthaltene Wasserstoffmenge eingestellt wird. Genauer ausgedrückt, wird mit einer zunehmenden Menge von Vermischungsgas in dem oberen Abschnitt des Reservoirs zurückgehaltener Wasserstoff vermischt, um die in dem Emissionsgas enthaltene Wasserstoffmenge zu erhöhen. Dabei wird bei einer verringerten Menge von Vermischungsgas die vermischte Wasserstoffmenge, die wahrscheinlich im Reservoir nach oben strömt, erhöht, so dass die in dem Emissionsgas enthaltene Wasserstoffmenge verringert ist.
Bei der oben genannten Abgasverarbeitungsvorrichtung gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung steuert/regelt die Steuer-/Regelvorrichtung ein Strömungsraten-Einstellmittel, um die Menge an Kathodengas in einem Fall zu erhöhen, wenn die Menge des zu dem Abgas-Brennstoff-Verdünners zuzuführenden Vermischungsgases nicht größer ist als ein unterer Grenzwert und bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration höher ist als ein vorbestimmter Wert.
Hierbei gibt der Begriff "Strömungsraten-Einstellmittel" zum Beispiel einen Kompressor an, der Luft nach Maßgabe der Drehgeschwindigkeit einleiten kann, oder ein Strömungs-Regulierungsventil, welches die Strömungsrate einstellen kann.
Mit diesem Aufbau der Abgasverarbeitungsvorrichtung steuert/regelt die Steuer-/Regelvorrichtung das Strömungsraten-Einstellmittel, um den Betrag von Kathoden-Abgas zu erhöhen, zum Beispiel in einem Fall, wobei die Menge von Vermischungsgas verringert ist, um die in dem Emissionsgas enthaltene Wasserstoffmenge zu verringern, da die von dem Wasserstoffkonzentrations-Detektor erfasste Wasserstoffkonzentration hoch ist, wenn es unmöglich ist, die Menge an Vermischungsgas weiter zu verringern, das heißt, in einem Zustand gleich oder niedriger als der untere Grenzwert.
Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, umfassend: einen Abgas-Brennstoff-Verdünner mit einem Reservoir, in dem von der Brennstoffzelle abgeführtes Wasserstoffgas zurückgehalten und dann mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle vermischt wird, und vor der Abgabe an die Umgebung verdünnt wird; eine Vermischungsgasleitung zur Zufuhr von Vermischungsgas, welches das in dem Reservoir zurückgehaltene Wasserstoffgas vermischt; und ein Einstellventil zum Einstellen einer Menge von Vermischungsgas. Eine Zufuhr von Vermischungsgas wird in Antwort auf eine Durchführung eines Abführens von der Brennstoffzelle gesteuert/geregelt.
Mit diesem Aufbau der Abgasverarbeitungsvorrichtung wird, wenn Wasserstoff aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, eine Zufuhr von Vermischungsgas in das Reservoir als Antwort auf die Durchführung des Abführens gesteuert/geregelt. Wenn zum Beispiel das Einstellventil gesteuert/geregelt wird, um als Antwort auf die Durchführung des Abführens geschlossen zu werden, senkt sich der Druck im Reservoir auf gleich oder kleiner einem vorbestimmten Wert, so dass abgeführter Wasserstoff ausreichend in das Reservoir gezogen wird.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten rein exemplarisch unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine Draufsicht ist, die ein Elektrofahrzeug darstellt, welches mit einer Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
2 ein Blockdiagramm ist, das eine Brennstoffzellensystem-Box gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 eine Schnittansicht der Abgasverarbeitungsvorrichtung ist;
4 ein Graph ist, der eine Konzentrationsänderung des abgeführten Wasserstoffs mit verstreichender Zeit ist, und zwar an dem Kathodengas-Auslassabschnitt der Abgasverarbeitungsvorrichtung;
5 ein Blockdiagramm ist, das eine Brennstoffzellensystem-Box gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
6 schematisch die Bewegungen der Vermischungsluft und des abgeführten Wasserstoffs innerhalb des Abgas-Brennstoff Verdünners zeigt;
7 ein Steuer-/Regelfluss ist, der die Art und Weise der Verarbeitung von abgeführtem Wasserstoff durch die Abgasverarbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8A ein Zeitdiagramm ist, das Änderungen der Vermischungsluft und des abgeführten Wasserstoffs zeigt, welche durch Einstellventile gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingestellt werden, und
8B ein Zeitdiagramm ist, das Änderungen der Vermischungsluft und des abgeführten Wasserstoffs zeigt, welche durch Einstellventile gemäß einer anderen Ausführungsform eingestellt werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen einer Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Erste Ausführungsform
Wie in 1 gezeigt, ist an einem Elektrofahrzeug 1, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist (im Folgenden einfach als "Fahrzeug" bezeichnet) eine Brennstoffzellensystem-Box 2 unter einem mittleren Abschnitt des Bodens angebracht. In der Brennstoffzellensystem-Box 2 ist ein Brennstoffzellensystem angeordnet, umfassend einen Temperaturregler 3, einen Brennstoffzellenstapel 4, einen Befeuchter 5 und einen Abgas- Brennstoff-Verdünner 6 in der Reihenfolge von vorne nach hinten des Fahrzeugs 1. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen nicht dargestellten Kühler zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 4 und einen Hochdruck-Wasserstoffspeichertank.
Der Brennstoffzellenstapel 4 erzeugt Elektrizität, indem in dem Hochdruck-Wasserstoffspeichertank gespeicherter Wasserstoff als ein Brennstoff und Luft von der Umgebung des Fahrzeugs 1 eingespeist werden, um das Fahrzeug 1 anzutreiben. Der Brennstoffzellenstapel 4 erzeugt während der Erzeugung von Elektrizität Abwasser (im Folgenden einfach als "Wasser" bezeichnet). Um den Brennstoffzellenstapel 4 zuverlässig zu betreiben, stellt der Temperaturregler 3 die Temperaturen von Wasserstoff und Luft, welche in den Brennstoffzellenstapel 4 eingespeist werden, ein, und der Befeuchter 5 befeuchtet den Wasserstoff und die Luft, welche in den Brennstoffzellenstapel 4 eingespeist werden. Der Verdünner 6 für abgelassenen Brennstoff ist eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei abgegebener, abgeführter Wasserstoff von dem Anodenleitungssystem zurückgehalten wird, und danach mit abgegebener Luft vermischt und durch diese verdünnt wird, bevor er zusammen mit Wasser an die Umgebung abgegeben wird.
Um die Ausnutzungseffizienz (Brennstoffeffizienz) zu verbessern, wird einmal in dem Brennstoffzellenstapel 4 verwendeter Wasserstoff durch eine Rezirkulationsleitung 7 zu der stromaufwärtigen Seite des Befeuchters 5 zurückgeführt, um ein Rezirkulationssystem zu bilden. Da ferner nach einer langdauernden Rezirkulation von Wasserstoff die Konzentration von Verunreinigungen ansteigt, oder durch die Erzeugung von Elektrizität erzeugtes Wasser in dem Brennstoffzellenstapel 4 zurückgehalten wird, ist, um derartigen Wasserstoff und derartiges Wasser abzuführen, eine von der Rezirkulationsleitung 7 abzweigende Abführungsleitung 8 mit dem Verdünner 6 für abgelassenen Brennstoff verbunden. Ein Schaltventil 9, welches automatisch oder manuell betrieben wird, ist in der Abführungsleitung 8 vorgesehen. Die Abführungsleitung 8 ist normalerweise geschlossen, aber ist während des Abführens geöffnet.
Um ferner einen Ablauf von der Anode des Brennstoffzellenstapels 4 und einen Ablauf von dem Befeuchter 5 zu verdünnen und abzulassen, sind eine Anodenauslassleitung 10 und eine Befeuchterauslassleitung 11 mit dem Verdünner 6 für abgelassenen Wasserstoff verbunden. Ein Schaltventil 12, 13, welches automatisch oder manuell betrieben wird, ist jeweils in der Anodenauslassleitung 10 und der Befeuchterauslassleitung 11 vorgesehen.
Um ferner Kathoden-Abgas von dem Brennstoffzellenstapel 4 abzulassen, ist eine Kathoden-Abgasleitung 14 mit dem Verdünner 6 für abgelassenen Brennstoff verbunden.
Die Brennstoffzellensystem-Box 2 ist entsprechend aufgebaut. In den Abgas-Brennstoff-Verdünner 6 abgelassener, abgeführter Wasserstoff wird für eine Zeitspanne in dem Verdünner 6 zurückgehalten, und breitet sich aus, wobei sein Volumen expandiert. Da die Kathoden-Abgasleitung 14 durch den Abgas-Brennstoff-Verdünner 6 verläuft, und abgelassene Luft in der Kathoden-Abgasleitung 14 strömt, wird der in dem Abgas-Brennstoff-Verdünner 6 zurückgehaltene Wasserstoff durch Sauglöcher 17, 17 eingesogen und mit der abgelassenen Luft vermischt. Der abgeführte Wasserstoff wird daher zu einer niedrigeren Konzentration verdünnt und an die Umgebung abgegeben. In der abgelassenen Luft von dem Befeuchter 5 oder dem Brennstoffzellenstapel 4 enthaltenes kondensiertes Wasser wird ebenfalls zusammen mit der abgelassenen Luft abgegeben. Ein Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Rückschlagfilter.
Unter Bezugnahme auf 3 wird die Abgasverarbeitung detailliert beschrieben.
Der Verdünner 6 für abgelassenen Brennstoff ist ein Box-artiger Behälter, welcher eine Wand 16 aufweist. Am oberen Abschnitt der Wand 16 befindet sich ein Vermischungsgas-Einführungseinlass 19 zum Einführen von Katho dengas (siehe die in 2 gezeigte "Luft"), welches teilweise von Kathodengas abgezweigt ist, bevor dieses in den Brennstoffzellenstapel 4 eingespeist wird. Ferner ist ein Einlass 20 in der Wand 16 an einer niedrigeren Position als der Vermischungsgas-Einführungseinlass 19 vorgesehen, und abgeführter Wasserstoff, der an der Abführungsleitung 8, der Anodenauslassleitung 10 und der Befeuchterauslassleitung 11 abgelassen ist (2) wird zusammengeführt und an dem Einlass 20 zugeführt. Der Verdünner 6 für abgelassenen Brennstoff bildet darin ein Reservoir 18 zum Zurückhalten von abgeführtem Wasserstoff, welcher an dem Einlass 20 zugeführt wird.
Eine Kathoden-Abgasleitung 14, durch welche abgelassene Luft von dem Kathoden-Abgasleitungssystem strömt, verläuft im unteren Abschnitt des Verdünners 6 für abgelassenen Brennstoff horizontal durch die Wände 16, 22. Der Durchmesser der Abgasleitung 14 ist innerhalb des Reservoirs 18 kleiner als der Durchmesser an der stromaufwärtigen Seite des Verdünners 6 für abgelassenen Brennstoff. Der Auslass 23 mündet in die Umgebung. Sauglöcher 17, 17 sind in der Kathoden-Abgasleitung 14 an einer Position in der Nähe der Wand 16 gebildet. Die Sauglöcher 17, 17 dienen zum Ansaugen und Vermischen von abgeführtem Wasserstoff. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform sind zwei Sauglöcher 17, 17 gebildet, um die Ansaugeffizienz zu erhöhen. Die Anzahl der Sauglöcher 17 kann allerdings zu einer geeigneten Anzahl variiert werden.
Der Druck des an dem Vermischungsgas-Einführungseinlass 19 in das Reservoir 18 eingeführten Kathodengases ist derart eingestellt, dass er etwas höher ist, als der Druck des Kathoden-Abgases, das durch die Kathoden-Abgasleitung 14 strömt.
Aufgrund des Verdünners 6 für abgelassenen Brennstoff wird hochkonzentrierter abgeführter Wasserstoff (Anodengas), der von dem Anodenleitungssystem (die Abführungsleitung 8, die Anodenauslassleitung 10 und die Befeuchterauslassleitung 11) durch den Einlass 20 und in das Reservoir 18 zugeführt wird, wird mit expandiertem Volumen in dem Reservoir 18 zu rückgehalten. Gleichzeitig strömt ein Teil des Kathodengases durch eine Abzweigungsleitung BP, welche von der Kathodengasleitung CP zum Einspeisen von Kathodengas in den Brennstoffzellenstapel abzweigt und zu dem Vermischungsgas-Einführungseinlass 19 verläuft, in das Reservoir 18. Daher wird der in dem Reservoir 18 zurückgehaltene, abgeführte Wasserstoff mit Kathodengas vermischt und durch dieses verdünnt, was zu einer verringerten Abweichung der Konzentration innerhalb des Reservoirs 18 führt.
Dadurch, dass Kathodengas, dessen Dichte größer ist als die von abgeführtem Wasserstoff, von dem Vermischungsgas-Einführungseinlass 19 horizontal abgelassen wird, der an einem oberen Abschnitt des Reservoirs 18 vorgesehen ist, und indem abgeführter Wasserstoff, dessen Dichte niedrig ist, und der wahrscheinlich im Reservoir 18 nach oben strömen wird, an dem Einlass 20 zugeführt wird, der niedriger als der Vermischungsgas-Einführungseinlass 19 angeordnet ist, strömt Kathodengas gegen die gegenüberliegende Wand 22 und strömt im Reservoir 18 nach unten. Daher werden das Kathodengas und der abgeführte Wasserstoff ausreichend verrührt und vermischt.
Als nächstes wird, zusammen mit in dem Reservoir 18 zurückgehaltenem Wasser, abgeführter Wasserstoff unter hohem Druck innerhalb des Reservoirs 18 durch die Sauglöcher 17, 17, welche in der Kathoden-Abgasleitung 14 vorgesehen sind, in die Kathoden-Abgasleitung 14 angesaugt, in der von der Kathode abgelassene Luft mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit und mit niedrigem Druck strömt. Der abgeführte Wasserstoff wird dann mit der von der Kathode abgelassenen Luft, welche mit einer hohen Geschwindigkeit durch die Kathoden-Abgasleitung 14 strömt, vermischt und durch diese verdünnt, und wird durch den Auslass 23 derart an die Umgebung abgegeben, dass er von einer Strömung der von der Kathode abgelassenen Luft angesogen wird. Daher wird der abgeführte Wasserstoff, bevor er an die Umgebung abgegeben wird, ausreichend verdünnt.
In diesem Fall wird eine Änderung der Konzentration des abgeführten Wasserstoffs an dem Auslass (Kathodengasauslass) 23 durch die Linie A von 4 gezeigt. Selbst wenn abgeführter Wasserstoff stoßweise zu dem Reservoir 18 zugeführt wird, ist es, anders als bei der Änderung B der Konzentration von abgeführtem Wasserstoff bei dem herkömmlichen Verdünner, möglich zu verhindern, dass hochkonzentrierter, abgeführter Wasserstoff an die Umgebung abgegeben wird. Daher ist es verglichen mit dem herkömmlichen Verdünner möglich, relativ stabilen abgeführten Wasserstoff ohne eine große Konzentrationsänderung abzulassen.
Zweite Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 1 und 5 bis 8 wird unten eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Hierbei stellt 6 schematisch jeweilige Bauteile dar, um die Bewegungen der Vermischungsluft und des abgeführten Wasserstoffs zu erläutern, und die Relativpositionen dieser Bauteile sind nicht auf diese besondere Ausführungsform begrenzt. Insbesondere können ein Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff und eine Abgasleitung 44 derart gebildet werden, dass die Abgasleitung 44 durch den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff verläuft, wie in 5 gezeigt, oder die Abgasleitung 44 ist mit dem Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff an dessen unterem Ende verbunden, wie in 6 dargestellt.
Wie in 1 gezeigt ist, ist an dem Fahrzeug 31 eine Brennstoffzellensystem-Box 32 unter einem mittleren Abschnitt des Bodens angebracht. In der Brennstoffzellensystem-Box 32 ist ein Brennstoffzellensystem angeordnet, umfassend einen Temperaturregler 33, einen Brennstoffzellenstapel 34, einen Befeuchter 35 und einen Abgas-Brennstoff-Verdünner 36 in der Reihenfolge von vorne nach hinten des Fahrzeugs 31. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen nicht dargestellten Kühler zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 34, einen Hochdruck-Wasserstoffspeichertank 53 und einen Kompressor (ein Strömungsraten-Einstellmittel) 51 zum Einstellen der Menge von abgelassener Luft, wie in 5 gezeigt.
Wie in 5 gezeigt, erzeugt der Brennstoffzellenstapel 34 Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen in dem Hochdruck-Wasserstoffspeichertank 53 gespeichertem Wasserstoff als einem Brennstoff und von dem Kompressor 51 zugeführter Luft (im Folgenden als "Zufuhrluft" bezeichnet). Mit dem unteren Abschnitt des Brennstoffzellenstapels 34 ist eine Anodenauslassleitung 40 zum Ablassen von Ablaufprodukten, wie beispielsweise Wasser, das während der Erzeugung von Elektrizität erzeugt wird. Der Ablauf wird durch die Anodenauslassleitung 40 in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff abgelassen. Ein manuell oder automatisch betätigtes Schaltventil 42 ist in der Anodenauslassleitung 40 angeordnet. Durch Öffnen oder Schließen des Schaltventils 42 strömt in dem Brennstoffzellenstapel 34 erzeugtes Wasser zu dem Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff.
An der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 34 ist eine Wasserstoffzufuhrleitung 52 zum Einspeisen von Wasserstoff aus dem Hochdruck-Wasserstoffspeichertank 53 mit dem Einlass verbunden, und eine Rezirkulationsleitung (ein Rezirkulationssystem) 37 zum Rückführen von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 34 ist mit dem Auslass verbunden. Mit der Rezirkulationsleitung 37 ist eine Abführungsleitung 38 verbunden, durch welche Verunreinigungen, die in dem Wasserstoff in der Rezirkulationsleitung 37 enthalten sind, oder Wasserstoff, der in dem Brennstoffzellenstapel 34 erzeugtes Wasser enthält, abgelassen werden bzw. wird. Wasserstoff in der Rezirkulationsleitung 37 wird stoßweise in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff abgeführt (abgelassen), wenn ein in der Abführungsleitung 38 angeordnetes Abführungsventil 39 in bestimmten Intervallen geöffnet und geschlossen wird, auf Grundlage eines Signals von einer Steuer-/Regeleinrichtung 57, welche später beschrieben werden wird.
An der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 34 ist eine Luftzufuhr leitung 54 zum Einspeisen von Zufuhrluft von dem Kompressor 51 mit dem Einlass verbunden, und eine Abgasleitung 44 zur Abgabe von von dem Brennstoffzellenstapel 34 abgelassener Luft (im Folgenden als "abgelassene Luft (Kathoden-Abgas)" bezeichnet) nach außen ist mit dem Auslass verbunden. Die Abgasleitung 44 verläuft unterhalb des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff, so dass abgelassene Luft, welche durch die Abgasleitung 44 strömt, nach außen geführt wird, während sie unterhalb des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff strömt. Wenigstens ein Saugloch 47 (in 5 sind zwei Sauglöcher gezeigt) ist in der Abgasleitung 44 gebildet. Das Saugloch 47 dient zum Ansaugen eines Gemisches, das Wasserstoff oder Wasser enthält, innerhalb des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff. Eine Vermischungsgasleitung 49 ist von der Abgasleitung 44 stromaufwärts des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff abgezweigt und verläuft zu dem oberen Abschnitt des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff. Ein Teil der abgelassenen Luft, die durch die Abgasleitung 44 strömt, wird als Vermischungsluft zu dem oberen Abschnitt des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff geführt. Ein Rückschlagfilter 45 ist am Auslass der Abgasleitung 44 angeordnet.
Ein Befeuchter 35 ist in der Wasserstoffzufuhrleitung 52 an einer geeigneten Position angeordnet, und eine Befeuchterauslassleitung 41 ist zum Ablassen von Ablauf, wie beispielsweise Wasser, in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff mit dem unteren Abschnitt des Befeuchters 35 verbunden. Ein manuell oder automatisch betätigtes Schaltventil 43 ist in der Befeuchterauslassleitung 41 angeordnet, und durch Öffnen und Schließen des Schaltventils 42 strömen Ablaufprodukte in dem Befeuchter 35 zu dem Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff. Obwohl dies in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, ist die Luftzufuhrleitung 54 ebenfalls mit einem Befeuchter 35, einer Befeuchterauslassleitung 41 und einem Schaltventil 43 versehen, so dass Ablaufprodukte in dem Befeuchter 35 in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff abgelassen werden können.
Der Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff ist ein Behälter mit einem Reservoir, in dem abgeführter Wasserstoff, welcher stoßweise von der Rezirkulationsleitung 337 abgeführt wird, vorübergehend zurückgehalten wird. Der Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff ist ein Hauptbestandteil einer Abgasverarbeitung 55, welche später beschrieben werden wird. Im unteren Abschnitt des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff ist ein Verbindungsloch 36a vorgesehen (siehe 6), das in Verbindung mit dem Saugloch 47 der Abgasleitung 44 steht.
Wie in 6 gezeigt, umfasst die Abgasverarbeitungsvorrichtung 55 den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff, die Vermischungsgasleitung 49, die Abgasleitung 44 und den Kompressor 51. Ferner umfasst die Abgasverarbeitungsvorrichtung 55 ein Einstellventil 49a, einen Luftmengendetektor 49b, einen Wasserstoffkonzentrationsdetektor 56 und eine Steuer-/Regelvorrichtung 57. Das Einstellventil 49a ist an einer geeigneten Position in der Vermischungsgasleitung 49 angeordnet. Das Einstellventil 49a steuert/regelt den Öffnungsgrad auf Grundlage eines von der Steuer-/Regelvorrichtung 57 übertragenen Signals, wodurch die Menge von Vermischungsluft eingestellt wird.
Der Luftmengendetektor 49b ist im Inneren des Einstellventils 49a vorgesehen. Der Luftmengendetektor 49b erfasst den Öffnungsgrad des Ventils, um dadurch die Menge von Vermischungsluft zu erfassen, die in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff eingeleitet wird, und gibt das Erfassungssignal an die Steuer-/Regelvorrichtung 57 aus. Der Wasserstoffkonzentrationsdetektor 56 ist an der Auslassseite der Abgasleitung 44 vorgesehen, insbesondere stromabwärts des Sauglochs 47. Der Wasserstoffkonzentrationsdetektor 56 erfasst die Wasserstoffkonzentration des Gemisches, das durch Vermischen von abgelassener Luft und von dem Saugloch 47 angesogenem Wasserstoff erzeugt wird (die Wasserstoffkonzentration nach der Verdünnung mit abgelassener Luft), und gibt das Erfassungssignal an die Steuer-/Regelvorrichtung 57 aus.
Die Steuer-/Regelvorrichtung 57 steuert/regelt den Öffnungsgrad des Ein stellventils 49a auf Grundlage des Erfassungssignals von dem Wasserstoffkonzentrationsdetektor 56, und steuert/regelt weiterhin die Drehgeschwindigkeit des Kompressors 51 auf Grundlage der Erfassungssignale von dem Luftmengendetektor 49b und dem Wasserstoffkonzentrationsdetektor 56. Ferner überträgt die Steuer-/Regelvorrichtung 57 zu einem Zeitpunkt, wenn die Brennstoffzelle fehlerhaft Elektrizität erzeugt (bei verringerter Spannungserzeugung) oder zu einem vorbestimmten Zeitintervall ein Signal an das Abführungsventil 39, um das Abführungsventil 39 zu öffnen, wodurch Wasserstoff abgelassen wird. Wenn die Steuer-/Regelvorrichtung 57 ein Signal an das Abführungsventil 39 überträgt, bestimmt die Steuer-/Regelvorrichtung 57, dass Wasserstoff abgeführt wird, und steuert/regelt das Einstellventil 49a in Antwort auf die Durchführung des Abführens, um die Zufuhr von Vermischungsluft in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff zu steuern/regeln. Genauer ausgedrückt, führt die Steuer-/Regelvorrichtung 57 eine Steuerung/Regelung gemäß dem in 7 gezeigten Steuer-/Regelfluss durch.
Unter Bezugnahme auf 6 und 7 wird ein Verfahren zum Verarbeiten von abgeführtem Wasserstoff durch die Abgasverarbeitungsvorrichtung 55 beschrieben.
Zuerst wird eine Bestimmung durchgeführt, ob Wasserstoff von der Rezirkulationsleitung 37 abgeführt wird (Schritt S1). Der Abführprozess wird wiederholt zu einem Zeitpunkt durchgeführt, wenn die Spannung der erzeugten Elektrizität fällt, oder zu vorbestimmten Zeitintervallen (z. B. alle 5 bis 10 Sekunden). Wenn in Schritt S1 abgeführter Wasserstoff erfasst wird (Ja), schließt die Steuer-/Regelvorrichtung 57 das Einstellventil 49a, so dass eine Zufuhr von Vermischungsluft zu dem Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff gestoppt wird (Schritt S2). Durch diesen Arbeitsschritt senkt sich der Druck innerhalb des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff zu gleich oder weniger als einem vorbestimmten Wert, so dass abgeführter Wasserstoff ausreichend in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff gesogen wird.
Wenn in Schritt S1 kein Wasserstoff abgeführt wird (Nein), erfasst der Wasserstoffkonzentrationsdetektor 56 die Wasserstoffkonzentration (Schritt S3), und die Steuer-/Regelvorrichtung 57 bestimmt, ob die erfasste Wasserstoffkonzentration innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, zum Beispiel in dem Bereich von 1 bis 1,5% (Schritt S4). Wenn die Wasserstoffkonzentration in Schritt S4 innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, ist die Steuerung/Regelung beendet.
Wenn in Schritt S4 bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration niedriger als der vorbestimmte Bereich ist, bestimmt die Steuer-/Regelvorrichtung, dass Wasserstoff, dessen Dichte kleiner ist als die von Luft, in dem oberen Abschnitt des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff zurückgehalten wird, und daher die von dem Saugloch 47 eingesogene Wasserstoffmenge kleiner wird. In diesem Fall öffnet die Steuer-/Regelvorrichtung 57 das Einstellventil 49a um einen bestimmten Betrag, um die Strömungsrate von in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff eingeführter Vermischungsluft zu erhöhen (Schritt S5). Abgeführter Wasserstoff wird dann von dem Saugloch 47 eingesogen. Danach kehrt die Verarbeitung zu Schritt S3 zurück, um die Wasserstoffkonzentration zu erfassen, und dann zu Schritt S4, um zu bestimmen, ob die Wasserstoffkonzentration innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt. Wenn die Wasserstoffkonzentration durch die erhöhte Menge von Vermischungsluft bis zu dem vorbestimmten Bereich ansteigt, ist die Steuerung/Regelung beendet.
Wie in 7 gezeigt, bestimmt die Steuer-/Regelvorrichtung 57, wenn in Schritt S4 bestimmt wird, dass die Wasserstoffkonzentration höher ist als der vorbestimmte Bereich, dass aufgrund der Vermischungsluft zu viel Wasserstoff von dem Saugloch 47 eingesogen wird. In diesem Fall schließt die Steuer-/Regelvorrichtung 57 das Einstellventil 49a um einen bestimmten Betrag, um die Strömungsrate von in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff eingeführter Vermischungsluft zu verringern (Schritt S6). Als nächstes bestimmt die Steuer-/Regelvorrichtung 57 auf Grundlage des Erfassungssignals von dem Luftmengendetektor 49b, ob die Strömungsrate der Vermischungsluft nicht größer ist als der untere Grenzwert (z. B. Null) (Schritt S7). Wenn die Strömungsrate der Vermischungsluft größer ist als der untere Grenzwert (Nein), kehrt die Verarbeitung zu Schritt S3 zurück, um die Wasserstoffkonzentration zu erfassen, und dann zu Schritt S4, um zu bestimmen, ob die Wasserstoffkonzentration innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt.
Wenn die Steuer-/Regelvorrichtung 57 in Schritt S7 bestimmt, dass die Strömungsrate der Vermischungsluft nicht größer ist als der untere Grenzwert (Ja), erfasst der Wasserstoffkonzentrationsdetektor 56 die Wasserstoffkonzentration erneut (Schritt S8) und es wird eine Bestimmung durchgeführt, ob die Wasserstoffkonzentration höher ist als ein vorbestimmter Wert (z. B. 1,5%) (Schritt S9). Wenn die Steuer-/Regelvorrichtung 57 in Schritt S9 bestimmt, dass die Wasserstoffkonzentration nicht größer ist als der vorbestimmte Wert (Nein), kehrt die Verarbeitung wieder zu Schritt S3 und Schritt S4 zurück. Da allerdings in Schritt S4 die Wasserstoffkonzentration innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, ist die Steuerung/Regelung beendet.
Wenn die Steuer-/Regelvorrichtung 57 in Schritt S9 bestimmt, dass die Wasserstoffkonzentration höher ist als der vorbestimmte Wert (Ja), erhöht die Steuer-/Regelvorrichtung 57 die Drehgeschwindigkeit des Kompressors 51, um die Menge von abgelassener Luft zu erhöhen, die mit durch das Saugloch 47 eingeführtem Wasserstoff vermischt wird (Schritt S10), da es unmöglich ist, die Menge der Vermischungsluft weiter zu verringern. Die Wasserstoffkonzentration wird daher gesenkt. Wenn die Verarbeitung zu Schritt S3 und Schritt S4 zurückkehrt, ist, wenn die Wasserstoffkonzentration aufgrund der vermehrten abgelassenen Luft zu dem vorbestimmten Bereich abfällt, die Steuerung/Regelung beendet.
8A und 8B zeigen jeweils ein Zeitdiagramm, das Änderungen des abgeführten Wasserstoffs und der Vermischungsluft erläutert. Wie in den Figuren gezeigt, ist während des Abführens (Zeitintervalle zwischen T1 und T2 und zwischen T3 und T4) keine Zufuhr von Vermischungsluft gestattet, und die Menge der Vermischungsluft wird gemäß dem Erfassungswert der Wasserstoffkonzentration zu einem Zeitpunkt, wenn das Abführen nicht durchgeführt wird, erhöht oder verringert (Zeitintervall zwischen T2 und T3). Es ist wahrscheinlich, dass die Wasserstoffkonzentration auf einen größeren Wert als den vorbestimmten Wert ansteigt, da eine Zufuhr von Vermischungsluft gestoppt wird (der Betrag der Vermischungsluft Null ist), direkt nachdem das Abführen beendet ist (T2, T4). Daher wird die Menge von Vermischungsluft allmählich erhöht. Hierbei zeigt 8A den Fall, dass ein Linearventil als das Einstellventil 49a verwendet wird. In diesem Fall steigt eine Zufuhr von Vermischungsluft kontinuierlich an. Dagegen zeigt 8B den Fall, dass ein Ventil mit einstellbarer Einschaltdauer als das Einstellventil 49a verwendet wird. In diesem Fall vergrößert sich das AN/AUS-Verhältnis des Ventils 49a allmählich.
Mit der Abgasverarbeitungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die folgenden Vorteile erzielt werden.

(1) Da die Steuer-/Regelvorrichtung 57 das Einstellventil 49a auf Grundlage des Erfassungssignals von dem Wasserstoffkonzentrationsdetektor 56 derart steuert/regelt, dass die Menge des in die Abgasleitung 44 eingesogenen Wasserstoffs mittels der Steuerung/Regelung der Menge der Vermischungsluft eingestellt werden kann, ist es möglich, die Wasserstoffkonzentration des Gemischs, das nach außen abgegeben wird, innerhalb des vorbestimmten Bereichs zu steuern/regeln. Genauer ausgedrückt ist es durch Halten der Wasserstoffkonzentration von Wasserstoff, der an die Umgebung abgegeben wird, nicht größer als der vorbestimmte untere Grenzwert, und durch Vermischen und Verdünnen von so viel abgeführtem Wasserstoff, wie möglich, möglich, den Schwellenwert der Wasserstoffmenge, welche aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, zu verbessern. Da ferner eine erhöhte Wasserstoffmenge abgeführt werden kann, wenn die Erzeugung von Elektrizität instabil ist, wie beispielsweise im Fall einer abfallenden Spannungserzeugung oder des Beginns der Erzeugung von Elektrizität, ist es möglich, die Erzeugung von Elektrizität auf eine stabile Art und Weise zu steuern/regeln.
(2) Selbst wenn eine Steuerung/Regelung des Einstellventils 49a es nicht ermöglicht, dass die Wasserstoffkonzentration des nach außen abgegebenen Gemisches niedriger ist, ist es, da die Menge an abgelassener Luft durch Steuern/Regeln des Kompressors 51 erhöht werden kann, möglich, die Wasserstoffkonzentration des Gemisches innerhalb des vorbestimmten Bereichs zu steuern/regeln.
(3) Da das Einstellventil 49a in Antwort auf die Betätigung des Abführungsventils 39 gesteuert/geregelt werden kann, um den Druck innerhalb des Verdünners 36 für abgelassenen Brennstoff zu senken, ist es möglich, abgeführten Wasserstoff ausreichend in den Verdünner 36 für abgelassenen Brennstoff einzuführen.

Während die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf ihre spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen durchgeführt werden könne, ohne den Rahmen der Ansprüche zu verlassen.
Eine Abgasverarbeitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle ist offenbart. In der Abgasverarbeitungsvorrichtung wird aus der Brennstoffzelle abgeführtes Wasserstoffgas mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle vermischt und vor der Abgabe an die Umgebung verdünnt. Die Abgasverarbeitungsvorrichtung umfasst ein Reservoir, in dem aus der Brennstoffzelle abgeführter Wasserstoff zurückgehalten und mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle vermischt wird, und einen Vermischungsgas-Einführungseinlass, der an einem oberen Abschnitt des Reservoirs vorgesehen ist. Das abgeführte Wasserstoffgas wird mit an dem Vermischungsgas-Einführungseinlass eingeführtem Vermischungsgas vermischt und durch dieses verdünnt.

Claims

Abgasverarbeitungsvorrichtung (2, 32) für eine Brennstoffzelle (4; 34), wobei aus der Brennstoffzelle (4; 34) abgeführtes Wasserstoffgas mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle (4; 34) vermischt wird, und vor dem Ablassen an die Atmosphäre verdünnt wird, wobei die Abgasverarbeitungsvorrichtung (2; 32) umfasst: ein Reservoir (18; 36), in dem von der Brennstoffzelle (4; 34) abgeführtes Wasserstoffgas zurückgehalten und mit Kathoden-Abgas von der Brennstoffzelle (4; 34) vermischt wird; einen in dem Reservoir (18; 36) vorgesehenen Wasserstoffgas-Einlass zum Einführen des aus der Brennstoffzelle (4; 34) abgeführten Wasserstoffgases; und einen Vermischungsgas-Einführungseinlass (19; 49); wobei das abgeführte Wasserstoffgas mit von dem Vermischungsgas-Einführungseinlass (19; 49) eingeführten Vermischungsgas vermischt und durch dieses verdünnt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Vermischungsgas-Einführungseinlass (19; 49) an einem oberen Abschnitt des Reservoirs (18; 36) an einer Position vorgesehen ist, welche höher ist als der Wasserstoffgas-Einlass.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (2; 32) für eine Brennstoffzelle (4; 34) nach Anspruch 1, wobei das Vermischungsgas ein Teil eines zu der Brennstoffzelle (4; 34) zuzuführenden Kathodengases ist.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (2) für eine Brennstoffzelle (4) nach Anspruch 1, wobei das Vermischungsgas Kathodengas ist, welches von einer Abzweigungsleitung (BP) zugeführt ist, die von einer Kathodengasleitung (CP) zur Zufuhr von Kathodengas zu der Brennstoffzelle (4) abzweigt.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (2; 32) für eine Brennstoffzelle (4; 34) nach Anspruch 1, wobei eine Abgasleitung (14; 44), durch welche aus der Brennstoffzelle (4; 34) ausgeleitetes Kathoden-Abgas nach außen geführt wird, sich durch einen unteren Abschnitt des Reservoirs (18; 36) erstreckt, und wobei die Abgasleitung (14; 44) wenigstens ein Saugloch (17; 47) innerhalb des Reservoirs (18; 36) aufweist.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (2; 32) für eine Brennstoffzelle (4; 34) nach Anspruch 4, wobei ein Druck des durch die Abgasleitung (14; 44) strömenden Kathoden-Abgases an dem Reservoir (18; 36) niedriger ist als ein Druck in dem Reservoir (18; 36).
Abgasverarbeitungsvorrichtung (2; 32) für eine Brennstoffzelle (4; 34) nach Anspruch 5, wobei der Durchmesser der Abgasleitung (14; 44) innerhalb des Reservoirs (18; 36) kleiner wird.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (2; 32) für eine Brennstoffzelle (4; 34) nach Anspruch 1, wobei das Vermischungsgas ein Teil eines aus der Brennstoffzelle (4; 34) auszuleitenden Kathoden-Abgases ist.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (2; 32) für eine Brennstoffzelle (4; 34) nach Anspruch 7, wobei das Vermischungsgas Kathoden-Abgas ist, welches von einer Vermischungsgasleitung zugeführt ist, die von einer Abgasleitung (44) abzweigt, durch welche aus der Brennstoffzelle (34) ausgeleitetes Kathoden-Abgas nach außen geführt wird.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (32) für eine Brennstoffzelle (34) nach Anspruch 8, ferner umfassend ein Einstellventil (49a), das in der Vermischungsgasleitung zum Einstellen einer Menge von Vermi schungsgas vorgesehen ist, einen Wasserstoffkonzentrations-Detektor (56) zum Erfassen einer Wasserstoffkonzentration von zu der Atmosphäre abgelassenem Emissionsgas, und eine Steuer-/Regelvorrichtung (57) zum Steuern/Regeln des Einstellventils (49a) auf Grundlage eines Erfassungssignals von dem Wasserstoffkonzentrations-Detektor (56).
Abgasverarbeitungsvorrichtung (32) für eine Brennstoffzelle (34) nach Anspruch 9, wobei die Steuer-/Regelvorrichtung (57) ein Strömungsraten-Einstellmittel steuert/regelt, um eine Menge von Kathoden-Abgas zu erhöhen, wenn die Menge des in das Reservoir (36) eingeführten Vermischungsgases nicht größer als ein unterer Grenzwert ist und die Wasserstoffkonzentration größer als ein vorbestimmter Wert ist.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (32) für eine Brennstoffzelle (34) nach Anspruch 8, wobei sich die Abgasleitung (44) unterhalb des Reservoirs (36) erstreckt, und wobei ein Verbindungsloch (36a), welches in einem Bodenabschnitt des Reservoirs (36) vorgesehen ist, in Verbindung mit einem Saugloch (47) steht, welches in der Abgasleitung (44) vorgesehen ist.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (32) für eine Brennstoffzelle (34) nach Anspruch 9, wobei das Einstellventil (49a) ein Linearventil oder ein Ventil mit einstellbarer Einschaltdauer ist.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (32) für eine Brennstoffzelle (34) nach Anspruch 10, wobei das Strömungsraten-Einstellmittel ein Kompressor (51) ist, der Luft nach Maßgabe der Drehgeschwindigkeit einleiten kann, oder ein Strömungs-Regulierungsventil (49a), welches eine Strömungsrate einstellen kann.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (32) für eine Brennstoffzelle (34) nach Anspruch 8, ferner umfassend ein Einstellventil (49a), welches in der Vermischungsgasleitung zum Einstellen einer Menge von Vermischungsgas vorgesehen ist, und wobei die Zufuhr von Vermischungsgas in Antwort auf ein Abführen von der Brennstoffzelle (34) gesteuert/geregelt ist.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (32) für eine Brennstoffzelle (34) nach Anspruch 14, ferner umfassend eine Rezirkulationsleitung (37), welche sich von einem Auslass zu einem Einlass der Brennstoffzelle (34) erstreckt und nicht reagierten Wasserstoff rezirkuliert, eine mit der Rezirkulationsleitung (37) verbundene Abführungsleitung (38) zum Ausleiten von Verunreinigungen oder Wasser in der Rezirkulationsleitung (37), und ein in der Abführungsleitung (38) vorgesehenes Abführungsventil (39), wobei das Abführungsventil (39) auf Grundlage eines Signals von der Steuer-/Regelvorrichtung (57) geöffnet und geschlossen wird.
Abgasverarbeitungsvorrichtung (32) für eine Brennstoffzelle (34) nach Anspruch 15, wobei die Steuer-/Regelvorrichtung (57) das Abführungsventil (39) zu einem Zeitpunkt öffnet, wenn sich die erzeugte Spannung senkt, oder immer in vorbestimmten Intervallen.