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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, die mit
Brennstoffzellen und Brennstoffzellen-Betriebsverfahren des Befeuchtungstyps ausgestattet
sind, und im Besonderen eine Verbesserung mittels eines Auftaumechanismus
zum Auftauen von gefrorenem Wasser, welches zur Befeuchtung vorhanden
ist.
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Als
Maßnahme
zur Bekämpfung
der Umweltprobleme, insbesondere der weltweiten Umweltprobleme,
die durch Luftverschmutzung und von Kraftfahrzeug-Abgasemissionen
verursachten Kohlendioxid-Emissionen hervorgerufen werden, sind
in den letzten Jahren Brennstoffzellen als brauchbare Technologien,
die eine Möglichkeit
bieten, saubere Abgase bei einer gleichzeitig hohen Energieleistung
zu emittieren, in den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses gerückt. Bei
der Brennstoffzelle handelt es sich um ein Energieumwandlungssystem,
das aus einem Elektrolyt-/Elektroden-Katalysator-Verbundkörper besteht,
welcher dazu geeignet ist, mit reformiertem Gas, Wasserstoff oder
einem wasserstoffhaltigen Gas als Brennstoff sowie mit Luft gespeist
zu werden, um eine elektrochemische Reaktion herbeizuführen, durch
die chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Hierbei
erweist sich eine Brennstoffzelle des Festpolymerelektrolyttyps,
bei der eine Festpolymermembran als Elektrolyt eingesetzt wird, als
kostengünstig,
kann leicht kompakt ausgeführt werden
und weist eine hohe Leistungsabgabedichte auf und wird daher aller
Wahrscheinlichkeit nach in Kraftfahrzeugen als Energieversorgung
für sich
bewegende Gegenstände
angewandt.
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Bei
der oben beschriebenen Brennstoffzelle des Festpolymerelektrolyttyps
wird die Festpolymermembran mit gesättigtem Wasser in Verbindung
gebracht und hat die Funktion eines Ionen leitenden Elektrolyts,
durch den Wasserstoff und Sauerstoff voneinander getrennt werden.
Ist die Menge an gesättigtem
Wasser der Festpolymermembran zu gering, so steigt der Ionenwiderstand
und verursacht ein Vermischen von Wasserstoff und Sauerstoff, wodurch
die Brennstoffzelle nicht mehr in der Lage ist, die elektrische
Leistungsabgabe zu erzeugen.
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Wenn
hingegen von einer Wasserstoff-Elektrode abgespaltene Wasserstoffionen
durch die Elektrolytmembran dringen, tritt mit den Wasserstoffionen auch
Wasser hindurch, so dass die Wasserstoff-Elektrode dazu neigt, auszutrocknen.
Wenn zudem die Menge an in dem zugeführten Wasserstoff und in der Luft
enthaltenem Wasserdampf gering ist, weist die Festpolymermembran
in der Nähe
der jeweiligen Reaktionsgas-Einlässe
Bereiche auf, die zum Austrocknen neigen.
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Aus
diesen Gründen
besteht die Notwendigkeit, dass der Festpolymermembran der Brennstoffzelle
des Festpolymerelektrolyttyps von außen Feuchtigkeit zugeführt wird,
um diese zuverlässig
zu befeuchten, so dass zu diesem Zweck ein Befeuchtungsmittel zum
Befeuchten von zugeführtem
Wasserstoff und Luft enthalten ist.
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Bei
dem Befeuchtungsmittel der Brennstoffzelle des Festpolymerelektrolyttyps
ist es jedoch in Anbetracht der Tatsache, dass die Brennstoffzelle
in einer kalten Region eingesetzt werden kann, notwendig, dass eine
Maßnahme
gegen ein Gefrieren des Befeuchtungswassers ergriffen wird. Wird
die Brennstoffzelle des Festpolymerelektrolyttyps als Stromversorgung
für ein
Elektro-Fahrzeug eingesetzt, so treten beim reibungslosen Start
Probleme auf, wenn das Befeuchtungswasser bei der Verwendung in
einer kalten Region gefroren ist.
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Zur
Lösung
derartiger Schwierigkeiten ist in der japanischen offen gelegten
Patentanmeldung Nr. 2000-149970 eine Technologie offenbart, bei
der eine Kühlmittel-Zuführleitung
einer Brennstoffzelle benachbart zu einem Wasserbehälter, in
dem Wasser zur Befeuchtung gespeichert ist, angeordnet ist, um den
Wasserbehälter
durch erwärmte
Kühlmittelflüssigkeit
beim Start in einem gefrorenen Zustand zu erwärmen und so das gefrorene Wasser
in dem Wasserbehälter
aufzutauen.
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 9, wie es in dem Dokument WO 0065676 A offen gelegt
ist, umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der eine Brennstoffzellen-Befeuchtungsanlage
mit einem Betriebswasserbehälter
enthält,
in dem Betriebswasser zum Speisen der Befeuchtungsanlage mittels
einer Betriebswasserpumpe gespeichert ist. Ein von einer Brennstoffverarbeitungsvorrichtung
erzeugter Heißgasstrom kann
zum Schmelzen des Eises in dem Betriebswasserbehälter verwendet werden. Die
von der Brennstoffzelle erzeugte Wärme wird dazu eingesetzt, die Temperatur
des frosttoleranten Kühlmittels
anzuheben. Wenn der Wasserbehälter
Eis enthält,
wird das erwärmte
frosttolerante Kühlmittel
im Wasserbehälter zirkuliert,
um das Eis darin zu schmelzen.
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Die
US 2001/039802 A1 offenbart ein Stirling-Kühlsystem, welches einen in
einem isolierten Behälter
vorgesehenen Wärmetauscher
umfasst, der einen Hauptkörper
enthält,
von dem sich Rippen nach oben und unten erstrecken, wobei die Oberfläche der
Rippen einen Neigungswinkel aufweist, der es dem Oberflächenbereich
des Wasserspiegels, welcher von den Wärmetauscher-Rippen umgeben ist,
ermöglicht,
sich mit dem Anstieg des Wasserspiegels zunehmend zu vergrößern.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Bei
einem derartigen Aufbau, bei dem die Kühlmittelzuführleitung lediglich benachbart
zu dem Wasserbehälter
angeordnet ist, wie es in der oben erläuterten Technologie in Betracht
gezogen wird, kann eine Wärmeübertragungsfläche nur
schwierig erweitert werden, so dass sich hieraus das Problem einer unzureichenden
Auftauleistung ergibt. Um die Wärmeübertragungsfläche unter
Anwendung eines solchen Verfahrens zu erweitern, ist es aufgrund
der großen
Dimensionierung des Wasserbehälters schwierig,
den Anforderungen gerecht zu werden, insbesondere in einem Fall,
in dem das Brennstoffzellensystem zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug miniaturisiert
ist.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
und ein damit verbundenes Betriebsverfahren anzugeben, die es selbst
bei einem miniaturisierten Wasserbehälter ermöglichen, eine ausreichende
Auftauleistung sowie ein reibungsloses Starten auch in einer kalten
Region zu erzielen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 bzw. 9 gelöst. Weitere
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine strukturelle Gesamtansicht, die ein Beispiel eines Stromerzeugungssystems
eines Elektrofahrzeugs zeigt, auf welches die vorliegende Erfindung
angewandt wird;
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel eines in
einem Wasserspeicherungsbehälter
angeordneten Auftaumechanismus zeigt;
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3 ist
eine Draufsicht einer Wärmeableitungsplatte;
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4 ist
eine typische Ansicht, welche darstellt, wie sich ein Oberflächenbereich
einer Wasseroberfläche
infolge des Anstiegs eines Wasserspiegels vergrößert;
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5A und 5B sind
typische Ansichten, die die Gegebenheiten in einem Gefrierzustand
darstellen;
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6A und 6B sind
typische Ansichten, die die Gegebenheiten in einem Auftauzustand
darstellen;
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7 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer abgewandelten Form einer
Wärmeableitungsplatte;
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8 ist
eine Draufsicht der abgewandelten Form der Wärmeableitungsplatte;
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9 ist
eine typische Ansicht eines Beispiels eines Wasserzirkulationssystems;
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10 ist eine strukturelle Gesamtansicht eines
Kreislaufaufbaus in einem Fall, in dem Verbrennungsabgas in Kombination
verwendet wird;
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11 ist
eine schematische Querschnittsansicht eines Aufbaus eines Wasserspeicherungsbehälters, in
den Verbrennungsabgas eingeleitet wird;
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12 ist
eine perspektivische Ansicht eines Endabschnitts einer Abgasleitung,
die in den Wasserspeicherungsbehälter
eingeleitet ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Im
Folgenden wird ein Brennstoffzellensystem, auf das die vorliegende
Erfindung angewandt ist, ausführlich
mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Dieses
Ausführungsbeispiel
betrifft ein Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung, das
bei einem Stromerzeugungssystem eines Elektrofahrzeugs angewandt
wird, welches als Antriebsquelle eines mit einer Brennstoffzelle
betriebenen Elektrofahrzeugs genutzt wird.
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1 zeigt
eine Gesamtansicht eines Stromerzeugungssystems für ein Elektrofahrzeug. Das
Elektrofahrzeug-Stromerzeugungssystem umfasst im Wesentlichen einen
als Antriebsquelle des Elektrofahrzeugs dienenden Brennstoffzellenstapel 1,
ein Brennstoff-/Luftzufuhrsystem 2, das dem Brennstoffzellenstapel 1 Wasserstoff
(oder wasserstoffhaltiges Gas) als Brennstoff und ein Oxidationsmittel
(Luft) zuführt,
eine Befeuchtungsanlage 3, die als Befeuchtungsmittel dient,
um dem Brennstoffzellenstapel 1 Wasser zur Befeuchtung
zuzuführen,
und eine Kühlvorrichtung 4,
die als Kühlmittel
zum Kühlen des
Brennstoffzellenstapels 1 dient.
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Der
Brennstoffzellenstapel 1 weist einen Aufbau auf, der mehrere
Schichten aufeinander gestapelter Stromerzeugungszellen enthält, von
denen jede eine zur Speisung mit Wasserstoff geeignete Brennstoffelektrode
und eine zur Speisung mit Sauerstoff (Luft) geeignete Luftelektrode
umfasst, zwischen denen ein Elektrolyt-/Elektroden- Katalysator-Verbundkörper angeordnet
ist, wobei durch eine elektrochemische Reaktion chemische Energie
in elektrische Energie umgewandelt wird. Wird die Brennstoffelektrode
mit Brennstoff gespeist, so werden Wasserstoffionen und Elektronen
voneinander abgespalten, wobei die Wasserstoffionen durch den Elektrolyt
laufen und die Elektronen durch einen externen Stromkreis laufen,
um eine elektrische Leistungsabgabe zu erzeugen, die jeweils an
die Luftelektrode geleitet wird. An der Luftelektrode reagieren zudem
der in der zugeführten
Luft enthaltene Sauerstoff mit den Wasserstoffionen und den Elektronen, wodurch
Wasser gebildet wird, das nach außen hin abgeleitet wird.
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Als
Elektrolyt des Brennstoffzellenstapels 1 wird ein Festpolymerelektrolyt
aufgrund der erzielbaren hohen Energiedichte, der niedrigen Kosten
und des geringen Gewichts verwendet. Der Festpolymerelektrolyt besteht
aus einer Polymermembran mit einer hohen Ionenleitfähigkeit
(Protonenleitfähigkeit), wie
beispielsweise einer aus Fluoridharz bestehenden Ionenaustauschmembran,
und, wie oben erläutert,
ist es aufgrund der Wassersättigung
zur Gewährleistung
der Funktion eines ionenleitfähigen Elektrolyts
erforderlich, dass der Brennstoffzellenstapel 1 mit Wasser
gespeist und befeuchtet wird.
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Damit
der Brennstoffzellenstapel 1 die elektrische Leistungsabgabe
erzeugen kann, müssen
als Brennstoff dienender Wasserstoff und als Oxidationsmittel dienende
Luft jeweils der Brennstoffelektrode und der Luftelektrode zugeführt werden,
wobei zu diesem Zweck das Brennstoff-/Luftzufuhrsystem 2 vorgesehen
ist. Das Brennstoff-/Luftzufuhrsystem 2 besteht
aus einem Brennstoff-Zufuhrweg 21 zur Zufuhr von Wasserstoffgas
oder wasserstoffhaltigem Gas und einem Luftzufuhrweg 22 zur
Zufuhr von Luft, wobei der Brennstoffzufuhrweg 21 mit einer
Brennstoffzufuhröffnung
des Brennstoffzellenstapels 1 und der Luftzufuhrweg 22 mit
einer Luftzufuhröffnung
des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden ist.
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Der
Brennstoffzufuhrweg 21 wird mit Wasserstoff gespeist, der
aus einem nicht dargestellten Wasserstoffbehälter zugeführt wird und dessen Druck durch
ein Druckreduktionsventil gesenkt wird, wobei der Wasserstoff im
Folgenden durch ein Drucksteuerventil, das durch eine Steuereinheit
wie beispielsweise einen Mikrocom puter gesteuert wird, auf einen
gewünschten
Druck eingestellt wird, um einem Betriebszustand zu entsprechen.
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Die
Befeuchtungsanlage 3 dient dazu, wenigstens einen der Festpolymerelektrolyte
des Brennstoffzellenstapels 1 zu befeuchten, sowohl den als
Brennstoff dienenden Wasserstoff als auch Luft, und besteht aus
einem Befeuchtungswasser-Zufuhrweg 31 zum Zuführen von
Befeuchtungswasser, einem Wasserrückführweg 32 zum Rückführen von überschüssigem Wasser,
einem Wasserspeicherungsbehälter 33,
in dem Befeuchtungswasser gespeichert ist, und einer Wasserpumpe 34,
die Wasser aus dem Wasserbehälter 33 zieht.
Von der Wasserpumpe 34 wird Wasser aus dem Wasserspeicherungsbehälter 33 angesaugt
und durch den Befeuchtungswasser-Zufuhrweg 31 zu
dem Brennstoffzellenstapel 1 geleitet, um diesen zu befeuchten,
wobei überschüssiges Wasser über den
Wasserrückführweg 32 zu
dem Wasserspeicherungsbehälter 33 zurückgeleitet
wird. Selbst wenn kein Befeuchtungswasser direkt zu dem Brennstoffzellenstapel 1 geleitet
wird, kann eine Befeuchtungsanlage zum Befeuchten von Gas (wasserstoffhaltiges
Gas und Luft), das dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird, dazu
verwendet werden, Befeuchtungswasser zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zu
leiten.
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An
einer Einlassöffnung
des Befeuchtungswasser-Zufuhrwegs 31 ist ein Siebeinsatz 35 angebracht,
der ein Eindringen von Fremdgegenständen verhindert. Der Wasserspeicherungsbehälter 33 ist zudem
mit einer Wärmeübertragungsfläche, wie
zum Beispiel Rippen, ausgebildet, um ein Gefrieren von Speicherwasser
zu verhindern, wie nachfolgend ausführlich erläutert wird.
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Außerdem weist
der Brennstoffzellenstapel 1 des Festpolymerelektrolyttyps
eine geeignete Betriebstemperatur auf, die auf einem relativ niedrigen Niveau
von etwa 60°C
bis 100°C
liegt, so dass dieser bei übermäßiger Erwärmung gekühlt werden
muss. Aus diesem Grund ist bei dem Brennstoffzellen-Stromerzeugungssystem
für Elektrofahrzeuge eine
Kühlvorrichtung 4 zum
Kühlen
des Brennstoffzellenstapels 1 vorgesehen. Die Kühlvorrichtung 4 enthält einen
Zirkulationsweg 41, welcher es ermöglicht, dass eine als Kühlmittel
dienende Frostschutzmittellösung
(eine Flüssigkeit
mit einem niedrigeren Gefrierpunkt als Reinwasser) den Brennstoffzellenstapel 1 kühlt, um
diesen auf einer optimalen Temperatur zu halten. Anstelle der oben
ge nannten Frostschutzmittellösung
kann als Kühlmittel
auch ein anderes Medium verwendet werden, doch ist es im Hinblick
auf die Wahrscheinlichkeit, dass der Brennstoffzellenstapel 1 in
einer kalten Region eingesetzt wird, vorteilhaft, wenn eine Frostschutzmittellösung mit
einem niedrigen Gefrierpunkt verwendet wird.
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In
dem Zirkulationsweg 41 der Kühlvorrichtung 4 ist
ein Radiator angeordnet, der das durch das Kühlen des Brennstoffzellenstapels 1 erwärmte Kühlmittel
abkühlt.
Parallel zu dem Radiator 42 ist ein mit einem Wärmetauscher 43 in
Verbindung stehender Zweigweg 44 angeordnet, der in dem
Fall, in dem der Brennstoffzellenstapel 1 beim Kaltstart
in einer kalten Region auf die entsprechende Temperatur erwärmt werden
muss, Frostschutzmittellösung
durch Betätigung
von Durchlauf-Umschaltventilen A, B zu dem Wärmetauscher 43 leitet,
um die Frostschutzmittellösung
dort zu erwärmen
und die erwärmte
Frostschutzmittellösung
zu dem Brennstoffzellenstapel 1 zu leiten. Folglich dient
die Frostschutzmittellösung
in einem solchen Fall als Heißmedium.
Der Zirkulationsweg 41 ist zudem mit einem Heißmedium-Durchlaufkanal
verbunden, um die in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 der Befeuchtungsanlage 3 gebildete
Wärmeübertragungsfläche zu erwärmen, so
dass bei einem Kaltstart in einer kalten Region erwärmte Frostschutzmittellösung als
Heißmedium
zum Auftauen von Wasser in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 verwendet
wird.
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Der
Wärmetauscher 43 nutzt
als Wärmequelle
eine Wasserstoff-Verbrennungseinrichtung 45, wobei
als Brennstoff für
die Wasserstoff-Verbrennungseinrichtung 45 Wasserstoffgas
(wasserstoffhaltiges Gas) und Luft des Brennstoff-/Luftzufuhrsystems 2 verwendet
werden. Das heißt,
dass sich auf halber Strecke des Brennstoffzufuhrwegs 21 und
des Luftzufuhrwegs 22 des oben genannten Brennstoff-/Luftzufuhrsystems 2 jeweils
Durchlauf-Umschaltventile 46, 47 befinden, von
denen aus ein abgezweigter Brennstoffzufuhrweg 48 und ein
abgezweigter Luftzufuhrweg 49 mit der oben erwähnten Wasserstoff-Verbrennungseinrichtung 45 verbunden sind.
Die Wärme
des von der Wasserstoff-Verbrennungseinrichtung 45 stammenden
Verbrennungsgases wird von dem Wärmetauscher 43 absorbiert,
und anschließend
wird das Verbrennungsgas nach außen abgeleitet.
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Bei
dem Stromerzeugungssystem für
ein Elektrofahrzeug, das den oben erläuterten Aufbau aufweist, sind
bei normaler Fahrt die Durchlauföffnungen
A1 und A2 des Durchlauf-Umschaltventils A der Kühlvorrichtung 4 und
die Durchlauföffnungen
B1 und B2 des Durchlauf-Umschaltventils B in Verbindung miteinander
und bilden so einen Kreislauf, durch den Frostschutzmittellösung zwischen
dem Brennstoffzellenstapel 1 und dem Radiator 42 zirkulieren
kann. In einem solchen Fall hat die Frostschutzmittellösung die
Funktion eines Kühlmittels, welches
es ermöglicht,
in dem Brennstoffzellenstapel 1 angestaute Wärme in dem
Radiator 42 abzuleiten und somit die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 1 einzustellen.
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Beim
Kaltstart in einer kalten Region hingegen werden die Durchlauföffnungen
A1 und A3 des Durchlauf-Umschaltventils A und die Durchlauföffnungen
B1 und B3 des Durchlauf-Umschaltventils B miteinander in Verbindung
gebracht und bilden so einen Kreislauf, durch den Frostschutzmittellösung zwischen
dem Brennstoffzellenstapel 1 und dem Wärmetauscher 43 zirkulieren
kann. In einem solchen Fall wird Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges
Gas von dem nicht dargestellten Wasserstoffbehälter zu der Wasserstoff-Verbrennungseinrichtung 45 geleitet,
und das resultierende Verbrennungsgas dient als Heizmedium zum Erwärmen der
Frostschutzmittellösung
mittels des Wärmetauschers 43. Die
Frostschutzmittellösung
dient dann als Heißmedium
und läuft
durch den Brennstoffzellenstapel 1, um diesen zu erwärmen, und
fließt
anschließend durch
einen Heißmedium-Durchlaufkanal
des Wasserspeicherungsbehälters 33,
um das Wasser in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 zu erwärmen, und wird
dann zu dem Wärmetauscher 43 zurückgeleitet. Wenn
Wasserstoffgas oder wasserstoffhaltiges Gas der Wasserstoff Verbrennungseinrichtung 45 zugeführt wird,
wird die Frostschutzmittellösung
erwärmt und
fließt
durch die Heißmedium-Durchlaufkanäle des Brennstoffzellenstapels 1 und
des Wasserspeicherungsbehälters 33,
die dabei erwärmt
werden. Ist das Wasser in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 gefroren,
so bewirkt das Erwärmen
durch die Frostschutzmittellösung
ein Auftauen des Wassers in dem Wasserspeicherungsbehälter 33.
Anschließend
wird durch die Frostschutzmittellösung aufgetautes Wasser über den
Befeuchtungswasser-Zufuhrweg 31, der mit der Wasserpumpe 34 verbunden
ist, zu dem Brennstoffzellenstapel 1 geleitet und zum Befeuchten
von diesem eingesetzt.
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Um
eine reibungslose Inbetriebnahme beim Kaltstart zu erreichen, wie
oben dargelegt, spielt die Auftauleistung der als Heißmedium
dienenden Frostschutzmittellösung
eine extrem wichtige Rolle. Das heißt, dass bei einer hohen Auftauleistung
gefrore nes Wasser selbst bei einem miniaturisierten Wasserspeicherungsbehälter 33 schnell
aufgetaut werden kann, wodurch ein reibungsloser Start erzielt werden
kann. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Wasserspeicherungsbehälter 33 mit
der Wärmeübertragungsfläche ausgebildet,
so dass hierdurch ein effizientes Auftauen bewirkt wird. Im Folgenden
wird der Aufbau eines in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 vorgesehenen
Auftaumechanismus konkret beschrieben.
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Wie
in 2 und 3 gezeigt, umfasst der Wasserspeicherungsbehälter 33 in
seinem Inneren eine Wärmeableitungseinheit 51,
die im Inneren den Heißmedium-Durchlaufkanal aufweist
und derart angeordnet ist, dass als Heißmedium dienendes Frostschutzmittel
durch die Wärmeableitungseinheit 51 durchgelassen
wird und so Wasser (Eis) in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 erwärmt werden
kann. Die Wärmeableitungseinheit 51 weist
eine Vielzahl von rahmenartigen Wärmeübertragungsplatten auf, die
eine rechteckige flache Form haben, wobei in diesem beispielhaften
Fall die Wärmeableitungsplatten 52, 53, 54, 55 in
unterschiedlichen Größen quartettartig
angeordnet sind. Hierbei bildet die äußerste Wärmeableitungsplatte 55 gleichzeitig
den äußeren Umfangsbehälter des
Wasserspeicherungsbehälters 33,
wobei dessen Oberseite mit einem Deckelelement 56 verschlossen
und dessen Umfang mit einem Wärme
isolierenden Material 57 umgeben ist. Obwohl eine Luftöffnung zum
Verhindern eines Anstiegs des Innendrucks, ein Temperaturmesser
zum Erfassen der Wassertemperatur und ein Wasserpegelmesser zum
Messen der Wassermenge in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 angebracht
sind, werden diese Komponenten hier weggelassen.
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Mit
einem Teil der oberen Endbereiche der jeweiligen Wärmeableitungsplatten 52, 53, 54, 55, die
die Wärmeableitungseinheit 51 bilden,
ist eine Heißmedium-Einlassöffnung 58 verbunden,
die mit dem Zirkulationsweg 41 der Kühlvorrichtung 4 in
Verbindung steht und durch die als Heißmedium dienende Frostschutzmittellösung zu
den Heißmedium-Durchlaufkanälen der
jeweiligen Wärmeableitungsplatten 52, 53, 54, 55 durchgelassen
wird. In gleicher Weise ist mit einem Teil der Bodenbereiche der
jeweiligen Wärmeableitungsplatten 52, 53, 54, 55 eine
Heißmedium-Austrittsöffnung 59 verbunden,
die mit einer stromabwärtigen
Seite des Zirkulationswegs 41 in Verbindung steht und als
Auslassöffnung dient,
durch welche durch die Heißmedium-Durchlaufkanäle durchgelassene
Frostschutzmittellösung zu
dem Zirkulationsweg 41 zurückgeleitet wird.
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Bei
der Wärmeableitungseinheit 51 mit
einem derartigen Aufbau, wie oben beschrieben, haben die Innenumfangsflächen 52a, 53a, 54a, 55a und die
Außenumfangsflächen 52b, 53b, 54b, 55b der
jeweiligen Wärmeableitungsplatten 52, 53, 54, 55 aufgrund
der Einleitung von Frostschutzmittellösung durch die Heißmedium-Durchlaufkanäle die Funktion von
Wärmeübertragungsflächen. Durch
die Möglichkeit,
mittels dieser Wärmeübertragungsflächen Wärme von
der Frostschutzmittellösung
auf das Wasser (Eis) in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 zu übertragen,
wird das Wasser (Eis) in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 erwärmt und
aufgetaut.
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Die
jeweiligen Wärmeübertragungsflächen, d.h.
die Innenumfangsflächen 52a, 53a, 54a, 55a und die
Außenumfangsflächen 52b, 53b, 54b, 55b der
jeweiligen Wärmeableitungsplatten 52, 53, 54, 55 haben
Oberflächenbereiche,
die mit einer Wasseroberfläche
in Kontakt sind, die von den Wärmeübertragungsflächen umgeben
ist, welche jeweils Neigungswinkel aufweisen, die sich mit einem
Anstieg des Wasserspiegels fortschreitend vergrößern. Um die innerste Wärmeableitungsplatte 52 beispielhaft
zu erläutern,
ist deren Innenumfangsfläche 52a um
den Neigungswinkel θ geneigt
(siehe 2) und ermöglicht
so, dass sich ein Abstand zwischen gegenüber liegenden Flächen nach
oben erweitert. Nun ergibt ein Vergleich zwischen dem Abstand W1
nahe dem Bodenbereich und dem Abstand W2 nahe dem oberen Endbereich
die Formel W1 < W2
(siehe 2). Das Gleiche resultiert aus einem Abstand zwischen einander
rechts und links gegenüber
liegenden Flächen
und aus einem Abstand zwischen einander oben und unten gegenüber liegenden
Flächen.
Wie in 4 erkennbar, vergrößert sich somit der Oberflächenbereich
der Wasseroberfläche,
die von der Innenumfangsfläche 52a der
Wärmeableitungsplatte 52 umgeben
ist, mit einem Anwachsen der Wasseroberfläche (bzw. der Eisoberfläche), so
dass ein Oberflächenbereich
S2 der Wasseroberfläche
bei hohem Wasserstand größer als
ein Oberflächenbereich
S1 der Wasseroberfläche
bei niedrigem Wasserstand ist.
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Die
oben beschriebene Beziehung kann in gleicher Weise auf den Abstand
zwischen anderen Wärmeableitungsflächen angewandt
werden, und insbesondere sind die jeweiligen Wärmeableitungsflächen derart
geneigt, dass sich der Abstand zwischen gegenüber liegenden Flächen bei
nach oben verlaufendem Abstand fortschreitend vergrößert, und zwar
selbst bei den Beziehungen zwischen der Außenumfangsfläche 52b der
Wärmeableitungsplatte 52 und
der Innenumfangsfläche 53a der
Wärmeableitungsplatte 53,
zwischen der Außenumfangsfläche 53b der
Wärmeableitungsplatte 53 und
der Innenumfangsfläche 54a der
Wärmeableitungsplatte 54 und zwischen
der Außenumfangsfläche 54b der
Wärmeableitungsplatte 54 und
der Innenumfangsfläche 55a der
Wärmeableitungsplatte 55.
Dies führt
zu einem Aufbau, bei dem sich eine jegliche von einer Wärmeableitungsfläche umgebene
Wasseroberfläche
mit einem Anwachsen des Wasserspiegels vergrößert.
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Des
Weiteren ist der Wasserspeicherungsbehälter 33 mit einem
Ablauf 60 für
Reinwasser an einer Position ausgebildet, durch die die oberen Enden der
Wärmeableitungsplatten 52, 53, 54, 55,
d.h. die Position der oberen Enden der jeweiligen Wärmeableitungsflächen, höher liegen
als eine obere Grenze des in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 befindlichen
Speicherwassers.
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Der
Auftaumechanismus des Wasserspeicherungsbehälters 33, der eine
Struktur aufweist, wie sie oben angegeben ist, hat die nachfolgend
dargelegten Vorteile. Erstens kann eine vergrößerte Wärmeübertragungsfläche (bei
der einer innere Seitenwand und eine Wärmeübertragungsfläche des
Behälters
miteinbezogen sind) erzielt werden, ohne dass der Behälter vergrößert werden
muss, so dass gefrorenes Reinwasser wirksam erwärmt und aufgetaut wird. Außerdem hat
die Heizvorrichtung die Doppelfunktion als Mittel zum Erwärmen des
Brennstoffzellenstapels 1 sowie auch zum Auftauen von Eis
in dem Wasserspeicherungsbehälter 33,
wodurch Kosten gesenkt werden können.
Hinzu kommt, dass durch die Verwendung von Kühlmittel des Brennstoffzellenstapels 1 als
Heißmedium
für den
Wasserspeicherungsbehälter
keine spezielle Zirkulationsvorrichtung für das Heißmedium erforderlich ist, so
dass hierdurch die Kosten weiter gesenkt werden können. Zudem
wird durch die Verwendung der Wasserstoff-Verbrennungseinrichtung 45 als
Heizvorrichtung die für
den Start des Brennstoffzellenstapels 1 benötigte elektrische
Energie bereitgestellt, welche geringer ist als die bei Verwendung
einer elektrischen Heizvorrichtung erforderliche Energie, so dass
in dem Fall, in dem ein Brennstoffzellenstapel 1 in einem
Fahr zeug eingebaut ist, eine Sekundärbatterie für den Start nicht groß dimensioniert
werden muss.
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Zweitens,
obwohl bei einem Frost befürchtet wird,
dass das Innere des Wassers zu gefrieren beginnt, nachdem die Oberfläche bereits
gefroren ist (da Eis ein niedrigeres spezifisches Gewicht als Wasser
hat), und dass dies mit einer Volumenausdehnung und einer daraus
resultierenden Wirkkraft einhergeht, durch die Verformung und Risse
in den Wärmeübertragungsflächen auftreten,
sind durch die Ausbildung der Wärmeableitungsflächen mit
den Neigungswinkeln, durch die sich die Oberflächenbereiche der Wasserspeicherungsabschnitte
bei einem Höhenanstieg
der oberen Bereiche nach oben ausdehnen, die Eisoberflächen von
den Wärmeableitungsflächen getrennt,
wenn diese einer Volumenausdehnung des Eises ausgesetzt sind, so
dass die auf die Wärmeableitungsflächen wirkende
Kraft gemindert wird. Von der Eisoberfläche aus gesehen wird auf diese
keine Kraft von den Wärmeableitungsflächen ausgeübt, so dass
die Eisoberfläche
leicht angehoben werden kann.
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5A und 5B sind
Ansichten von Wasseroberflächen,
die von den Innenumfangsflächen 52a der
innersten Wärmeableitungsplatte 52 umgeben
sind. Wie in 5A gezeigt, gefriert bei sinkender
Temperatur und bei beginnendem Gefrieren des Wassers W als erstes
das Wasser nahe der Oberfläche
und bildet Eis I. Bei fortschreitendem Gefrieren beginnt das Wasser
W unterhalb des Eises I zu gefrieren und durch die aus dem Gefrieren
resultierende Volumenausdehnung wird eine Kraft, die eine nach außen in horizontale
Richtung gehende Ausdehnung des Eises verursacht, in eine Kraft
umgewandelt, die bewirkt, dass sich das Eis aufgrund der Neigung
der Innenumfangsfläche 52a der
Wärmeableitungsplatte 52 nach
oben bewegt, so dass die Oberfläche
des Eises I steigt. Wenn dies stattfindet, hat das Eis I auf der
Höhe, auf
der sich die Oberfläche
des Eises I befindet, aufgrund der Tatsache, dass der von der Innenumfangsfläche 52a der
Wärmeableitungsplatte 52 umgebene
Oberflächenbereich
vergrößert ist,
einen kleineren Oberflächenbereich
als derjenige der zugehörigen
Innenumfangsfläche 52a und
ist losgelöst
von der Innenumfangsfläche 52a,
die die Wärmeableitungsfläche bildet,
wie in 5B gezeigt. Folglich wirkt keine
Kraft des Eises I auf die die Wärmeableitungsfläche bildende
Innenumfangsfläche 52a,
so dass die Haltbarkeit der Wärmeableitungsfläche deutlich
verbessert wird.
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Wenn
das Eis I jedoch in seiner Größe zunehmend
kleiner wird, da die Wärmeableitungsfläche den
Neigungswinkel aufweist, wie in 6B gezeigt, sinkt
die Position des Eises I mit abnehmendem Wasserspiegel, während die
Seitenflächen
des Eises I kontinuierlich in Kontakt mit der als Wärmeableitungsfläche dienenden
Innenumfangsfläche 52a gehalten
werden. Dadurch wird der Zeitraum, in dem das Eis I in Kontakt mit
der Wärmeableitungsfläche gehalten
wird, verlängert,
so dass ein wirksames Auftauen erzielt wird.
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Drittens,
da die im Inneren des Wasserspeicherungsbehälters vorgesehene Wärmeableitungsfläche ein
oberes Ende aufweist, das höher
als die Wasseroberfläche
(Eisoberfläche)
ist, kann verhindert werden, dass das Eis nur innerlich aufgetaut
wird und einen Hohlraum bildet, in dem Luft mit niedriger Wärmeleitfähigkeit
dazwischen liegt und eine Verschlechterung der Auftauleistung verursacht.
Als Bezugswert betragen die jeweiligen Wärmeleitzahlen {W/m/K} für Eis =
2,6, für
Wasser (0°C)
und Luft (0°C) =
0,024.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist ein modifiziertes Beispiel einer Form der Wärmeableitungseinheit 51,
die in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 angeordnet
ist, dargestellt. Der Grundaufbau des Stromerzeugungssystems für ein Elektrofahrzeug
ist ähnlich
demjenigen, der in 1 dargestellt und oben beschrieben
ist.
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Wie
in 7 und 8 gezeigt, sind bei diesem Ausführungsbeispiel
die Innenumfangsflächen bzw.
die Außenumfangsflächen (Wärmeableitungsflächen) der
jeweiligen Wärmeableitungsplatten 52, 53, 54, 55 der
Wärmeableitungseinheit 51,
die sich in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 befindet,
so angeordnet, dass der Neigungswinkel umso größer wird, je näher sich
die Wärmeableitungsfläche an einer
Außenseite
des Wasserspeicherungsbehälters 33 befindet.
Genauer gesagt ist die Anordnung derart, dass die Innenumfangsfläche 54a der
Wärmeableitungsplatte 54 einen
größeren Neigungswinkel aufweist
als die Innenumfangsfläche 53a der
Wärmeableitungsplatte 53,
und die Innenumfangsfläche 55a der
Wärmeableitungsplatte 55 weist
einen größeren Neigungswinkel
auf als die Innenumfangsfläche 54a der
Wärmeableitungsplatte 54.
Auch bei einem solchen Aufbau der Wärmeableitungseinheit 51 weist die
Wasseroberfläche
zwischen den jeweiligen Wärmeableitungsflächen einen Oberflächenbereich
auf, der sich mit einem Anwachsen des Wasserspiegels vergrößert.
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Somit
hat das vorliegende Ausführungsbeispiel
denselben Effekt wie das erste Ausführungsbeispiel. Bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel wird
zudem der Neigungswinkel umso größer, je
näher die
Wärmeableitungsfläche an einer
Außenseite des
Wasserspeicherungsbehälters 33 angeordnet ist,
wodurch der Außenumfang
bzw. die Wärmeableitungsflächen des
Wasserspeicherungsbehälters
gegen eine Verformung oder Risse geschützt werden. Aufgrund der Möglichkeit,
das Volumen der Heißmedium-Durchlaufkanäle zwischen
den Wärmeableitungsflächen in
dem Wasserspeicherungsbehälter 33 zu
minimieren, kann die Speicherkapazität von Reinwasser (= Reinwassermenge/Außenvolumen
des Behälters)
erhöht
werden, so dass der Wasserspeicherungsbehälter 33 kleiner dimensioniert
werden kann als ein Wasserspeicherungsbehälter, der dieselbe Wassermenge
speichert.
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(Drittes Ausführungsbeispiel)
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Dieses
Ausführungsbeispiel
stellt einen Aufbau dar, der ein Wasserzirkulationssystem zum Zirkulieren
von Wasser des Wasserspeicherungsbehälters 33 umfasst.
Der Grundaufbau des Stromerzeugungssystems für ein Elektrofahrzeug ist ähnlich demjenigen,
der in 1 dargestellt und oben beschrieben ist.
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Wie
in 9 gezeigt, ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
in einem Befeuchtungswasser-Zufuhrweg 31 stromabwärts der
Wasserpumpe 34 ein Ventil D angeordnet, von dem ein Zirkulationsweg 61 abgezweigt
ist. Der Zirkulationsweg 61 dient dazu, getautes Wasser,
das von der Wasserpumpe 34 angesaugt wurde, zu dem Wasserspeicherungsbehälter 33 zurückzuführen, wobei
auf halber Strecke des Zirkulationswegs ein Deionisationsfilter 62 vorgesehen
ist.
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Das
vorliegende Ausführungsbeispiel
ist demnach so ausgebildet, dass das Wasserzirkulationssystem getautes
Wasser durch die Wasserpumpe 34, deren Wasser-Einlassöffnung nahe
der Bodenwandung liegt, zieht und das Wasser wieder zu dem Wasserspeicherungsbehälter 33 leitet,
wobei das zuzuführende
getaute Wasser durch das Ventil D umgeleitet wird. Beim Zuführen von
Reinwasser zu dem Brennstoffzellenstapel 1 sind insbesondere
die Öffnungen
D1 und D2 miteinander in Ver bindung, und beim Rückführen von getautem Wasser zu
dem Wasserspeicherungsbehälter 33 sind
die Öffnungen
D1 und D3 in Verbindung miteinander. Durch das Vorhandensein des
Deionisationsfilters 62 auf halber Strecke des Zirkulationswegs
wird eine übermäßige Anzahl
von Ionen in dem zu dem Wasserspeicherungsbehälter 33 zurückzuführenden
Tauwasser von dem Deionisationsfilter 62 entfernt, um auf
diese Weise eine Senkung der elektrischen Leitfähigkeit herbeizuführen.
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Aus
der obigen Beschreibung zeigt sich, dass das vorliegende Ausführungsbeispiel
die folgenden Vorteile aufweist. Erstens wird durch das Entfernen
von überschüssigem Tauwasser
aus dem Wasserspeicherungsbehälter 33 eine
Kontaktfläche zwischen
den Wärmeableitungsflächen der
Wärmeableitungseinheit 51,
die in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 angeordnet
ist, und dem Eis vergrößert, so
dass der Auftaueffekt gefördert
wird. Außerdem
erfolgt durch das Zuführen
von zirkuliertem Wasser zu dem Wasserspeicherungsbehälter 33 entlang
der Wärmeableitungsflächen eine
Konvektion in dem Tauwasser, so dass die Wärmeübertragung zwischen der Wärmeableitungsfläche und
dem Tauwasser gefördert
wird. Des Weiteren ermöglicht
ein Zirkulieren von getautem Wasser über den mit dem Deionisationsfilter 62 ausgestatteten
Zirkulationsweg 61, dass die Leitfähigkeit des reinen Wassers
selbst nach einem Stillstand über
einen langen Zeitraum herabgesetzt wird, bevor das Wasser dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird.
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(Viertes Ausführungsbeispiel)
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Wärme
des von der Wasserstoff-Verbrennungseinrichtung
ausgestoßenen
Verbrennungsgases nicht nur zum Erwärmen der Frostschutzmittellösung, sondern
auch zum Auftauen verwendet.
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Wie
in 10 und 11 gezeigt,
ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine Auslassleitung 63 zum Ableiten von Verbrennungsgas
aus der Wasserstoff-Verbrennungseinrichtung 45 in
den Wasserspeicherungsbehälter 33 eingeleitet.
Auf halber Strecke der Auslassleitung 63 ist ein Ventil
E angeordnet, durch das zuzuführendes
Verbrennungsabgas zu einem Einlass des Wasserspeicherungsbehälters 33 bzw.
zu einer Auslassseite umgeleitet wird. In einem Endbereich der Auslassleitung,
der in den Wasserspeicherungsbehälter 33 eingeführt wird,
sind in vorgegebenen Abständen
Auslassöffnungen 64 vorgesehen,
wie in 12 gezeigt, wobei der End bereich
durch den Bodenbereich des Wasserspeicherungsbehälters 33 eingeführt wird.
In einem oberen Bereich des Wasserspeicherungsbehälters 33 befindet
sich zudem eine Entgasungsleitung 65, die sich in einem
Abstand oberhalb der Wasseroberfläche erstreckt und aufgestiegenes
Verbrennungsabgas rasch über
diese ableitet.
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Bei
der oben erläuterten
Kreislaufstruktur wird das von dem Wärmetauscher 43 ausgestoßene Verbrennungsabgas über das
Ventil E oder über
den Wasserspeicherungsbehälter 33 in
die Außenumgebung
des Fahrzeugs abgegeben. Der Betriebszustand des Ventils E umfasst
im Wesentlichen einen ersten Zustand (um eine Verbindung zwischen
den Öffnungen
E1 und E2 herzustellen) während
des Erwärmens
des Wasserspeicherungsbehälters
und einen zweiten Zustand (um eine Verbindung zwischen den Öffnungen
E1 und E3 herzustellen) während
der Wasserspeicherungsbehälter
nicht erwärmt
wird. Beim Erwärmen
des Wasserspeicherungsbehälters 33 wird
von dem Wärmetauscher 43 ausgestoßenes Verbrennungsabgas über die Öffnungen
E1 und E2 in den Wasserspeicherungsbehälter 33 geleitet und anschließend in
die Außenumgebung
des Fahrzeugs abgeleitet. Wird der Wasserspeicherungsbehälter 33 nicht
erwärmt,
so wird von dem Wärmetauscher 43 ausgestoßenes Verbrennungsabgas über die Öffnungen
E1 und E3 direkt in die Außenumgebung
des Fahrzeugs abgeleitet.
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Bei
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden
der Heizwert des Verbrennungsabgases und die Erwärmung der Frostschutzmittellösung in
Kombination verwendet, was zu einer weiteren Verbesserung der Auftauleistung
führt.
Hinzu kommt, dass in dem Tauwasser aufgrund des Aufsteigens von
Verbrennungsabgas eine Konvektion stattfindet, wodurch das Auftauen
gefördert
wird.
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Wenngleich
die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die verschiedenen Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist diese nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern
es können
verschiedene Modifikationen durchgeführt werden. Obwohl in den verschiedenen
oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
die in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 vorgesehenen
Wärmeübertragungsflächen eine
rechteckige Form aufweisen, damit eine Zunahme des Außenvolumens
des Wasserspeicherungsbehälters 33 bei
einer Vergrößerung der
Wärmeübertragungs flächen verhindert
wird, können
die Wärmeübertragungsflächen auch
eine beliebige andere Form, wie zum Beispiel eine polygonale Form oder
eine Form mit einer andersartigen Kontur, aufweisen, die entsprechend
den Befestigungsmöglichkeiten
der verschiedenen in dem Wasserspeicherungsbehälter 33 angeordneten
Sensoren geeignet ist. Es ist ebenso möglich, dass nur eine Wärmeübertragungsfläche eines
Paars gegenüber
liegender Wärmeübertragungsflächen mit
einem Neigungswinkel ausgebildet ist.
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Die
vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der japanischen
Patentanmeldung Nr. P2002-262003, die am 6. September 2002 eingereicht
wurde.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung oben mit Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele
der Erfindung erläutert
wurde, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
so dass der Fachmann in Anbetracht der Lehren Modifikationen vornehmen
kann. Der Schutzumfang der Erfindung ist mit Bezug auf die nachfolgenden
Patentansprüche
definiert.