DE112007000513T5

DE112007000513T5 - Ventil, Ventilsteuerung und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112007000513T5
Application number: DE112007000513T
Authority: DE
Inventors: Masahiro Toyota-shi Takeshita; Tsukuo Toyota-shi Ishitoya
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2009-06-18
Also published as: JP2007242304A; CN101395423A; WO2007102297A1; US20090014089A1

Abstract

Ventil zum Anpassen einer Strömungsrate eines Fluids zu einer sekundären Seite, wobei das Ventil an einem Tank angeordnet ist, so dass die sekundäre Seite eine Abführseite für ein Fluid aus dem Inneren des Tanks ist und die Strömungsrate des Fluids aus dem Tank so ausgelegt ist, dass sie durch eine Laststeuerung anpassbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil, das in der Lage ist, eine Strömungsrate eines Fluids zu einer sekundären Seite anzupassen, eine Ventilsteuerung für das Ventil und ein Brennstoffzellensystem, das mit dem Ventil versehen ist.
Technischer Hintergrund
Zuführsysteme, die einen in einem Tank gespeicherten Kraftstoff einer Kraftstoffverbrauchsvorrichtung zuführen, sind bislang weithin bekannt. In einem in der japanischen Patentveröffentlichung 2005-42924 beschriebenen Zuführsystem wird beispielsweise ein in einem Tank gespeichertes Hydridfluid Halbleiterfertigungseinrichtungen zugeführt. Der Tank ist mit einem Reglerventil mechanischer Bauart zum Anpassen des Drucks des vom Tank nach außen abgeführten Hydridfluids versehen.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber ist eine präzise Anpassung der Strömungsrate eines Kraftstoffs aus einem Tank durch die Verwendung des am Tank angebrachten Reglerventils nicht möglich. Da es sich bei dem Reglerventil zudem um ein Ventil mechanischer Bauart handelt, liegt eine relativ geringe Ansprecheigenschaft vor.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Ventil, das in der Lage ist, eine Strömungsrate eines Fluids aus einem Tank anzupassen, eine Ventilsteuerung für das Ventil und ein das Ventil aufweisendes Brennstoffzellensystem zu schaffen.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe ist ein erfindungsgemäßes Ventil so konfiguriert, dass es eine Strömungsrate eines Fluids zu einer sekundären Seite anpassen kann, und so an einem Tank angeordnet, dass es sich bei der sekundären Seite um eine Abführseite für das Fluid aus dem Inneren des Tanks handelt. Das Ventil ist so konfiguriert, dass die Strömungsrate des Fluids aus dem Tank durch eine Laststeuerung bzw.- regelung angepasst werden kann.
Da das Ventil, das die Strömungsrate des Fluids durch die Laststeuerung anpassen kann, konfigurationsgemäß am Tank angeordnet ist, kann die Strömungsrate des Fluids aus dem Tank mit hoher Genauigkeit angepasst werden.
Im vorliegenden Fall kann für die Konfiguration, bei der das Ventil am Tank angeordnet ist, eine Konfiguration, bei der das Ventil innerhalb des Tanks angeordnet ist, eine Konfiguration, bei der das Ventil direkt oder indirekt an einem Element des Tanks angebracht und außerhalb des Tanks angeordnet ist, oder eine Konfiguration verwendet werden, bei der ein Teil des Ventils innerhalb des Tanks angeordnet ist und das jeweils andere Ventil außerhalb des Tanks angeordnet ist. Beim Anordnen des Ventils kann das Ventil an einem Mündungsstück des Tanks angebracht sein, oder das Ventil und ein weiteres Ventil können eine Ventilanordnung bilden, und die Ventilanordnung kann so festgeschraubt werden, dass sie mit dem Mündungsstück des Tanks verbunden ist.
Das Ventil kann ferner vorzugsweise einen Strömungsraten-Anpassungsmechanismus beinhalten, um die Strömungsrate durch die Laststeuerung anzupassen. Der Strömungsraten-Anpassungsmechanismus kann so konfiguriert sein, dass er die Abführung des Fluids aus dem Tank blockiert.
Konfigurationsgemäß kann bewirkt werden, dass das Ventil als ein Sperrventil dient.
In diesem Fall kann der Strömungsraten-Anpassungsmechanismus einen Ventilkörper, einen Ventilsitz, zu dem der Ventilkörper einen Kontakt herstellt/unterbricht, und eine Magnetspule beinhalten, um den Ventilkörper in Richtungen zu bewegen, in denen der Ventilkörper zum Ventilsitz einen Kontakt herstellt/unterbricht. Bei dieser Konfiguration stimmt eine axiale Richtung des Ventils mit einer Richtung überein, in der der Ventilkörper zum Ventilsitz einen Kontakt herstellt/unterbricht. Der Ventilsitz ist vorzugsweise elastischer ausgeführt als ein Basiselement des Ventils oder der Ventilkörper. Die Funktion des Ventils als ein Sperrventil kann dementsprechend verbessert werden. Das Ventil weist vorzugsweise eine derartige Konfiguration auf, dass der Ventilkörper durch den Druck (Primärdruck) des Tanks mit dem Ventilsitz einen Kontakt herstellt, um die Abführung des Fluids zu blockieren
Die Achslinie des Ventils und die Achslinie des Tanks können vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen oder miteinander übereinstimmen.
Konfigurationsgemäß kann das Ventil so ausgelegt werden, dass es eine praktische Selbstreinigungsstruktur aufweist. Wenn das Ventil beispielsweise die vorstehend angegebene Konfiguration aufweist, können Verunreinigungen, wie z. B. ein pulverförmiger Staubabrieb, der zum Zeitpunkt einer Bewegung des Ventilkörpers entsteht, durch die von der primären Seite zur sekundären Seite stattfindende Strömung des Fluids zur sekundären Seite abgeführt werden.
In Bezug auf seine Längenabmessung besteht bei dem Ventil jedoch im Allgemeinen die Tendenz, sich in der axialen Richtung insgesamt zu vergrößern. Wenn also die Achslinie des Ventils und die Achslinie des Tanks miteinander übereinstimmen, besteht in Bezug auf die Gesamtlänge des Ventils und des Tanks die Tendenz zu einer verlängerten Ausführung.
Vom Standpunkt einer relativen Reduzierung der Gesamtlänge des Ventils und des Tanks, kann das Ventil dementsprechend außerhalb des Tankkörpers positioniert werden, und die Achslinie des Ventils und die Achslinie des Tanks können dabei im Wesentlichen orthogonal zueinander verlaufen.
Konfigurationsgemäß darf der durch die Installation des Ventils und des Tanks eingenommene Einbauraum nicht übermäßig groß sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Tank mit einem Hauptsperrventil versehen sein, das von dem vorstehend angegebenen, für den Tank vorgesehenen Ventil unabhängig ist. Das Hauptsperrventil kann an der primären Seite des vorstehend beschriebenen Ventils positioniert sein.
Konfigurationsgemäß kann der auf das Ventil einwirkende Fluiddruck durch Schließen des Hauptsperrventils unterdrückt werden. Zudem kann für das gesamte Tanksystem eine Ausfallsicherung erreicht werden.
Noch stärker bevorzugt wird eine Positionierung des Hauptsperrventils weiter innen im Tank als am Mündungsstückbereich des Tanks, und das Ventil kann dabei außerhalb des Tankkörpers positioniert sein.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe wird die Laststeuerung des vorstehend erwähnten erfindungsgemäßen Ventils durch eine erfindungsgemäße Ventilsteuerung erreicht.
Mit der Konfiguration kann die Laststeuerung des Ventils angemessen ausgeführt werden und somit die Strömungsrate des Fluids aus dem Tank nach außerhalb präzise angepasst werden.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabe beinhaltet ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem das vorstehend erwähnte Ventil; den Tank; und eine Brennstoffzelle, der ein Oxidationsgas und ein Brenngas zugeführt wird. Bei dem Fluid im Tank handelt es sich um ein Brenngas.
Mit der Konfiguration kann das Brenngas, dessen Strömungsrate durch das Ventil angepasst worden ist, der Brennstoffzelle zugeführt werden. Somit kann ein gewünschtes Brenngas entsprechend der Verbrauchsmenge des Brenngases in der Brennstoffzelle mit einer hohen Ansprecheigenschaft aus dem Tank zugeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das beinhaltet: das vorstehend angegebene Ventil; einen Tank, der ein Brenngas speichern kann; eine Brennstoffzelle, der das Brenngas aus dem Tank zugeführt wird; und ein Hauptsperrventil, das an dem Tank angeordnet ist, so dass das Hauptsperrventil an einer primären Seite des Ventils positioniert ist. Zum Zeitpunkt des Betriebsstillstands des Brennstoffzellensystems ist das Hauptsperrventil geschlossen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
2 ist eine Schnittansicht, die Strukturen eines Ventils und eines Tanks gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
3 ist eine Schnittansicht, die Strukturen eines Ventils und eines Tanks gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt.
Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung eines Brennstoffzellensystems mit einem Ventil gemäß Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. In dem Brennstoffzellensystem ist ein unter Laststeuerung befindliches Ventil an einem Tank angeordnet, um eine Strömungsrate eines Brenngases aus dem Tank anzupassen. Als ein Beispiel für das unter Laststeuerung befindliche Ventil wird nachstehend ein Einspritzventil beschrieben.
Erste Ausführungsform
Wie in 1 gezeigt ist, beinhaltet ein Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 2, ein Oxidationsgas-Leitungssystem 3, das der Brennstoffzelle 2 Luft (Sauerstoff) als Oxidationsgas zuführt, ein Brenngas-Leitungssystem 4, das der Brennstoff zelle 2 ein Wasserstoffgas als Brenngas zuführt, und eine Steuerung 7, die das gesamte System 7 allgemein steuert.
Bei der Brennstoffzelle 2 handelt es sich beispielsweise um eine Festpolymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle, und sie weist eine Stapelstruktur auf, in der mehrere Zelleneinheiten gestapelt sind. Die Zelleneinheit der Brennstoffzelle 2 weist eine Luftelektrode auf einer Oberfläche des Elektrolyts, das aus einer Ionenaustauschmembran gebildet ist, und eine Brennstoffelektrode auf der anderen Oberfläche auf. Die Zelleneinheit weist ein Paar von Separatoren auf, wobei die Luftelektrode und die Brennstoffelektrode dazwischen angeordnet sind. Das Brenngas wird einem Brenngas-Strömungskanal des einen Separators zugeführt, und das Oxidationsgas wird einem Oxidationsgas-Strömungskanal des anderen Separators zugeführt. Die Brennstoffzelle 2 erzeugt mit dem zugeführten Gas eine elektrische Leistung.
Das Oxidationsgas-Leitungssystem 3 beinhaltet eine Zuführleitung 11, in der das der Brennstoffzelle 2 zugeführte Oxidationsgas strömt, und eine Abführleitung 12, in der ein aus der Brennstoffzelle 2 abgeführtes Oxidations-Abgas (bzw. Oxidation-Off-Gas) strömt. Die Zuführleitung 11 ist mit einem Verdichter 14 versehen, der das Oxidationsgas durch ein Filter 13 hineinbläst, und einer Befeuchtungseinrichtung 15, die das durch den Kompressor 14 unter Druck gesetzte und beförderte Oxidationsgas befeuchtet. Das Oxidations-Abgas, das in der Abführleitung 12 strömt, gelangt durch ein Gegendruck-Steuerventil 16, wird durch die Befeuchtungseinrichtung 15 einem Feuchtigkeitsaustausch unterzogen und dann als Abgas aus dem System in die Atmosphäre abgeführt.
Das Brenngasleitungssystem 4 beinhaltet einen Wasserstofftank 21 als Brennstoffquelle, eine Zuführleitung 22, in der das Wasserstoffgas strömt, das aus dem Wasserstofftank 21 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird, eine Zirkulationsleitung 23 zum Rückführen eines Wasserstoff-Abgases (Fuel-Offgas), das aus der Brennstoffzelle 2 an einen Zusammenströmungspunkt A der Zuführleitung 22 abgeführt wird, eine Pumpe 24, die das Wasserstoff-Abgas in der Zirkulationsleitung 23 unter Druck stehend der Zuführleitung 22 zuführt, und eine Abführleitung 25, die von der Zirkulationsleitung 23 abzweigt.
Der Wasserstofftank 21 ist konfiguriert, um das Wasserstoffgas mit 35 MPa oder 70 MPa zu speichern. Wenn ein Hauptsperrventil 26 für den Wasserstofftank 1 geöffnet wird, strömt das Wasserstoffgas in die Zuführleitung 22. Dann wird das Wasserstoffgas in Bezug auf seine Strömungsrate und seinen Druck durch das Einspritzventil 29 angepasst, sein Druck durch ein Druckreduktionsventil, das ein mechanisches Reglerventil 27 beinhaltet, auf z. B. 200 kPa reduziert und dann der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Das Hauptsperrventil 26 und das Einspritzventil 29 sind an einer Ventilanordnung 30 befestigt, die in 1 durch einen gestrichelt linierten Rahmen angezeigt ist, und die Ventilanordnung 30 ist mit dem Wasserstofftank 21 verbunden (wobei Einzelheiten an späterer Stelle beschrieben werden).
Ein Sperrventil 28 ist stromauf des Zusammenströmungspunkts A der Zuführleitung 22 angeordnet. Ein Zirkulationssystem des Wasserstoffgases beinhaltet stromabwärts des Zusammenströmungspunkts A der Zuführleitung 22 einen stromabwärtigen Strömungskanal, einen in dem Separator der Brennstoffzelle 2 ausgebildeten Brenngas-Strömungskanal und die Zirkulationsleitung 23, die sequentiell mit einander in Verbindung gelangen. Ein Ablassventil 33 auf der Abführleitung 35 wird während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 ordnungsgemäß geöffnet oder geschlossen, wodurch Vereinreinigungen im Wasserstoff-Abgas zusammen mit dem Wasserstoff-Abgas an eine nicht gezeigte Wasserstoffverdünnungseinrichtung abgeführt werden. Die Verunreinigungskonzentration des Wasserstoffgases-Abgases in der Zirkulationsleitung 23 wird mit der Öffnung des Ablassventils 33 gesenkt, und die Wasserstoffkonzentration des zirkulierenden Wasserstoff-Abgases wird verbessert.
Die Steuerung 7 besteht aus einem Micro-Computer mit einer CPU, einem darin enthaltenen ROM und RAM. Die CPU führt gewünschte Berechnungen gemäß einem Steuerungsprogramm aus, um verschiedene Prozesse oder eine Steuerung, wie z. B. eine Strömungsratensteuerung des Einspritzventils 29, auszuführen. Der ROM speichert ein Steuerungsprogramm oder Steuerungsdaten, die durch die CPU verarbeitet werden sol len. Der RAM wird als verschiedene Betriebsbereiche für den Steuerungsprozess verwendet. Die Steuerung 7 empfängt Erfassungssignale von verschiedenen Drucksensoren oder Temperatursensoren, die in den Gassystemen (3, 4) oder einem Kühlmittelsystem, das nicht gezeigt ist, verwendet werden, und gibt Steuerungssignale an die Elemente aus. Wie an späterer Stelle beschrieben wird, dient die Steuerung 7 als eine Ventilsteuerung zum Steuern des Einspritzventils 29 durch eine Laststeuerung.
2 ist eine Schnittansicht, die den Umfang des Einspritzventils 29 darstellt, das am Wasserstofftank 21 angeordnet ist.
Zunächst erfolgt jedoch die Beschreibung des Wasserstofftanks 21.
Der Wasserstofftank 21 beinhaltet einen Tankkörper 101, der einen Körper des Wasserstofftanks 21 ausbildet und eine geschlossene zylindrische Form aufweist, und einen Mündungsstückbereich 102, der an einem Ende in der Längsrichtung des Tankkörpers 101 positioniert ist. Das Innere des Tankkörpers 101 dient als ein Behälterraum 104, der das Wasserstoffgas unter einem hohen Druck speichert. Der Tankkörper 2 weist eine zweilagige Struktur aus einer Harz-Innenauskleidung 107 mit einer Gassperreigenschaft und einer Ummantelung bzw. Hülle 108 auf, die das Äußere der Harzauskleidung 107 bedeckt. Die Hülle 108 ist aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt.
Der Mündungsstückbereich 102 (Mündungsbereich) ist aus einem Metall gebildet, wie z. B. einem rostfreiem Stahl, und in der Mitte einer kugelförmigen Endwand des Tanks 101 angeordnet. Die Ventilanordnung 30 kann mit dem Mündungsstückbereich 102 durch Verwendung eines Innengewindes, das in der inneren Umfangsoberfläche des Mündungsstückbereichs 102 ausgebildet ist, verschraubt werden.
Die Ventilanordnung 30 erstreckt sich, zur Innen -und zur Außenseite des Wasserstofftanks 21 und bildet einen Gasabführabschnitt des Wasserstofftanks 21. Die Ventilanordnung 30 weist beispielsweise ein einzelnes Gehäuse 300 auf, und das Hauptsperrventil 26 und das Einspritzventil 29 sind der Reihe nach am Gehäuse 300 befestigt. In dieser Ausführungsform ist das Hauptsperrventil 26 in einem ersten Bereich 301 des in den Wasserstofftank 21 eingefügten Gehäuses 300 angeordnet, und das Einspritzventil 29 ist in einem zweiten Bereich 302 angeordnet, der in Bezug auf den Wasserstofftank 21 freiliegt. Das Gehäuse 300 ist aus einem Metall wie SUS oder Aluminium gebildet.
Obwohl in 2 überwiegend das Einspritzventil 29 und das Hauptsperrventil 26 als Hauptelemente der Erfindung dargestellt sind, können zusätzlich zum Einspritzventil 29 usw. andere Ventile, wie z. B. ein Sicherheitsventil (ein Überdruckventil oder ein Schmelzpfropfenventil) und ein Rückschlagventil, in dem Gehäuse 300 angeordnet sein. Normalerweise ist in dem Gehäuse 300 eine nicht gezeigte Einfüllleitung für das Wasserstoffgas ausgebildet. Das Gehäuse 300 kann aus einem einzelnen Element oder einer Kombination von mehreren Elementen gebildet sein. Das Gehäuse 300 wird zudem als die Körper (Basiselemente) des Hauptsperrventils 26 und des Einspritzventils 29 verwendet, doch können die Körper des Hauptsperrventils 26 und des Einspritzventils 29 unabhängig voneinander ausgebildet sein und diese Körper dann am Gehäuse 300 befestigt werden.
Ein im Ventil befindlicher Strömungskanal 310 ermöglicht, dass der Behälterraum 104 mit der in dem Gehäuse 300 ausgebildeten äußeren Zuführleitung 22 in Verbindung gelangen kann. Der im Ventil befindliche Strömungskanal 310 beinhaltet der Reihe nach vom Behälterraum 104 entfernt einen ersten Strömungskanal 311, einen zweiten Strömungskanal 312 und einen dritten Strömungskanal 313. Der Raum zwischen dem ersten Strömungskanal 311 und dem zweiten Strömungskanal 312 wird durch das Hauptsperrventil 26 geöffnet oder geschlossen. Der zweite Strömungskanal 312 bildet einen primären Strömungskanal des Einspritzventils 29 aus. Der dritte Strömungskanal 313 bildet einen sekundären Strömungskanal des Einspritzventils 29 aus und ist mit dem äußeren Zuführkanal 22 verbunden.
Das Hauptsperrventil 26 (Ein-Aus-Ventil) dient als ein Quellventil für den Wasserstofftank 21 und blockiert die Strömung des Fluids (Wasserstoffgas) aus dem Wasserstofftank 21 zur Zuführleitung 22. Das Hauptsperrventil 26 ist als ein elektromagne tisches Sperrventil konstruiert. Das Hauptsperrventil 26 sperrt den im Ventil befindlichen Strömungskanal 310 ab, beispielsweise wenn sich ein Ventilschieber 321 (beweglich ausgeführt) durch die Erregung einer Magnetspule in der axialen Richtung bewegt, und ein Ventilkörper 322 am Ende des Ventilschiebers 321 mit einem Ventilsitz 323 in Kontakt gelangt. Wenn der Ventilschieber 321 hingegen durch die Demagnetisierung der Magnetspule in der axialen Richtung zurückversetzt wird und der Ventilkörper 322 den Kontakt mit dem Ventilsitz 323 unterbricht, kann das Wasserstoffgas aus dem Behälterraum 104 herausströmen. Die axiale Richtung X-X des Ventilschiebers 321 und des Ventilkörpers 322 entspricht der axialen Richtung des Wasserstofftanks 21. Die axiale Richtung des Hauptsperrventils 26 ist gleichbedeutend mit der Bewegungsrichtung des Ventilkörpers 322 und entspricht in diesem Fall der axialen Richtung X-X des Ventilkörpers 322.
Das Einspritzventil 29 ist außerhalb der äußeren Umfangsoberfläche des Tankkörpers 101 angeordnet und ist mit der Steuerung 7 elektrisch verbunden. Das Einspritzventil 29 ist ein elektromagnetisches Ein-Aus-Ventil, das die Strömungsrate oder den Druck des Wasserstoffgases durch Antreiben des Ventilkörpers 401 in einer vorbestimmten Antriebszeitspanne unter Verwendung einer elektromagnetischen Antriebsleistung anpassen kann, um den Ventilkörper vom Ventilsitz 402 wegzubewegen. Das Einspritzventil 29 kann die Antriebszeitspanne des Ventilkörpers 401 auf einen hohen Ansprechbereich steuern und weist somit eine höhere Ansprecheigenschaft als das mechanische Druckregelventil auf.
Das Einspritzventil 29 weist einen Strömungsraten-Anpassungsmechanismus 290 auf, der die Strömungsrate und den Druck des Wasserstoffgases zur sekundären Seite anpassen kann. Der Strömungsraten-Anpassungsmechanismus 290 beinhaltet im Großen und Ganzen einen Hauptventilbereich 410 und einen Magnetspulenbereich 420. Der Hauptventilbereich 410 und der Magnetspulbereich 420 sind in dem zweiten Bereich 302 des Gehäuses 300 angeordnet und passen die Strömungsrate des Wasserstoffgases aus dem Wasserstofftank 21 durch die Laststeuerung an.
Der Hauptventilbereich 410 beinhaltet den Ventilkörper 401 und den Ventilsitz 402. Der Ventilkörper 401 ist als Tellerventil ausgeführt und aus Metall gefertigt. Die axiale Richtung Y-Y des Ventilkörpers 401 verläuft senkrecht zur axialen Richtung X-X des Wasserstofftanks 21. Die axiale Richtung des Einspritzventils 29 ist gleichbedeutend mit der Bewegungsrichtung des Ventilkörpers 401 und entspricht in diesem Fall der axialen Richtung Y-Y des Ventilkörpers 401.
Der Ventilsitz 402 ist aus einem eine Dichtungseigenschaft und eine druckbeständige Eigenschaft aufweisenden, ringförmigen Harzelement gebildet und weist ein Elastizitätsmodul auf, das höher als das des Gehäuses 300 (Basiselement) ist. Die Mitte des Ventilsitzes 402 ist offen und dient als eine Düsenstrahlöffnung 404, die das Wasserstoffgas zur sekundären Seite ausstößt. Der Öffnungsbereich der Düsenstrahlöffnung 404 ändert sich abhängig von der Position des Ventilkörpers 401 in der axialen Richtung. Wenn der Ventilkörper 401 mit dem Ventilsitz 402 in Kontakt gelangt, ist der Öffnungsbereich der Düsenstrahlöffnung 404 gleich null und das Ausströmen des Wasserstoffgases zur sekundären Seite wird verhindert. Da der Ventilsitz 402 eine elastische Eigenschaft aufweist, kann, wie vorstehend beschrieben, bewirkt werden, dass der Ventilkörper 401 in engen Kontakt mit dem Ventilsitz 402 gelangt, wodurch das Ausströmen des Wasserstoffgases zur sekundären Seite mit einer hohen Abdichtungseigenschaft verhindert wird.
Der Magnetspulenbereich 420 kann eine Vielzahl von Grundstrukturen aufweisen, wie z. B. eine I-förmige Stößelstruktur, die in dieser Ausführungsform für eine Ausführung in Form einer flachen Platte verwendet wird. Insbesondere beinhaltet der Magnetspulbereich 420 eine Spule 421, einen Kern 422 und einen Stößel 423, der die Form einer flachen Platte aufweist, die mit dem Ventilkörper 401 einstückig ausgebildet ist. Zwischen dem Kern 422 und dem Stößel 423 existiert ein Zwischenraum, und eine Feder 425 ist koaxial (in der Y-Y-Richtung) mit dem Ventilkörper 401 angeordnet. Die Feder 425 spannt den Ventilkörper 401 zum Ventilsitz 402 vor.
In dem Einspritzventil 29 wird ein Strom an die Spule 421 angelegt und dann wird der Kern 422 magnetisiert und zieht den Stößel 423 und den Ventilkörper 401 an.
Dementsprechend bewegt sich der Ventilkörper 401 in einer Richtung, in der er sich vom Ventilsitz 402 gegen die Feder 425 löst. Wenn demgegenüber kein Strom mehr an die Spule 421 angelegt wird, d. h., wenn der Magnetspulbereich 420 entmagnetisiert ist, bewegt sich der Ventilkörper 401 durch die Federkraft der Feder 425 in eine Richtung, in der er mit dem Ventilsitz 402 in Kontakt gelangt. Bei dem der Spule 421 zugeführten Strom handelt es sich um einen impulsförmigen Erregerstrom.
Auf diese Weise wird das Einspritzventil 29 konfiguriert, um die Öffnungszeit (EIN-Zeit) oder den Öffnungsbereich der Düsenstrahlöffnung 404 in zwei Stufen, in mehreren Stufen, kontinuierlich (stufenlos) oder linear zu ändern, indem der der Spule 421 zugeführte, impulsförmige Strom ein oder ausgeschaltet wird. Die Düsenstrahlzeit und der Steuerzeitpunkt der Düsenstrahlöffnung 404 werden durch die von der Steuerung 7 ausgegebenen Steuersignale gesteuert, wodurch das Einspritzventil 29 die Strömungsrate und den Druck des Wasserstoffgases mit hoher Präzision anpasst. Das Laststeuerungsverfahren zur Änderung der Lastrate bzw. der relativen Einschaltdauer des impulsförmigen Erregerstroms wird als Steuerungsverfahren der Einspritzventil 29 verwendet. In diesem Fall wird die Lastrate bzw. das Tastverhältnis erhalten, indem die EIN-Zeit des impulsförmigen Erregerstroms durch die Schaltzeitspanne als die Summe der EIN-Zeit und der AUS-Zeit des impulsförmigen Erregerstroms dividiert wird. Durch Ändern der Lastrate bzw. des Tastverhältnisses kann das Einspritzventil 29 einen sekundären Druck auf einen beliebigen Druck von 0 bis zu einem primären Druck (Tankinnendruck) anpassen.
Wie in 2 gezeigt ist, beinhaltet das Einspritzventil 29 einen Handhabungsbereich 430 neben dem Magnetspulenbereich 420. Ein Teil des Handhabungsbereichs 430 ist außerhalb der äußeren Oberfläche des Gehäuses 300 angeordnet, um einem Bediener die Betätigung des Handhabungsbereichs zu ermöglichen. Die axiale Richtung des Handhabungsbereichs 430 ist gleichbedeutend mit der axialen Richtung Y-Y. Ein Außengewinde 431 ist in einem Teil der äußeren Umfangsoberfläche des Handhabungsbereichs 430 ausgebildet, so dass er mit dem Gehäuse 300 verschraubt werden kann. Durch Lösen des Handhabungsbereichs 430 vom Gehäuse 300, kann der Hauptventilbereich 410 und der Magnetspulbereich 420 des Einspritzventils 29 angepasst werden.
Gemäß der vorstehend erwähnten Ausführungsform ist das Einspritzventil 29 am Wasserstofftank 21 angeordnet, und die Strömungsrate und der Druck des Wasserstoffgases kann durch die Verwendung des Einspritzventils 29 angepasst werden, wenn das Wasserstoffgas der Zuführleitung 22 aus dem Wasserstofftank 21 zugeführt wird. Die Strömungsrate (Zuführströmungsrate) des Wasserstoffgases aus dem Wasserstofftank 21 kann der Brennstoffzelle 2 dementsprechend mit höherer Präzision zugeführt werden als in dem Fall, wo ein mechanisches Druckregelventil am Wasserstofftank 21 angeordnet ist. Da das Einspritzventil 29 eine höhere Ansprecheigenschaft aufweist als das mechanische Druckregelventil, kann der Brennstoffzelle 2 darüber hinaus das Wasserstoffgas mit einer Strömungsrate basierend auf der durch die Brennstoffzelle 2 erzeugten Elektrizität, dem Verbrauch des Wasserstoffgases oder dem Betriebszustand zugeführt werden.
Das Einspritzventil 29 kann die Abführung des Wasserstoffgases zur sekundären Seite blockieren, und das Einspritzventil 29 kann als Tankquellventil verwendet werden. Insbesondere da der Wasserstoffgasdruck (Tankinnendruck) der primären Seite zum Zeitpunkt einer Blockierung auf die Oberfläche des Stößels 423, der dem Kern 422 gegenüberliegt, einwirkt, wirkt in der Schließrichtung eine Kraft durch den Stößel 423 auf den Ventilkörper 401 ein. Dementsprechend kann der Grad eines Schließkontakts zwischen dem Ventilkörper 401 und dem Ventilsitz 402 verbessert werden und somit die Blockierungseigenschaft des Strömungskanals im Einspritzventil 29 verbessert werden.
Demgegenüber ist in dieser Ausführungsform das Hauptsperrventil 26 als das Tankquellventil auf der primären Seite des Einspritzventils 29 angeordnet. Durch Schließen des Hauptsperrventils 26 kann bei Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 (zum Zeitpunkt eines Stillstands der Wasserstoffgaszuführung) dementsprechend verhindert werden, dass der Tankinnendruck direkt auf das Einspritzventil 29 einwirkt. Selbst wenn sich die Blockierungseigenschaft des Einspritzventils 29 verschlechtert, kann die Abführung des Wasserstoffgases aus dem Wasserstofftank 21 durch die Ver wendung des Hauptsperrventils 26 blockiert werden, wodurch einen Ausfallsicherung in angemessener Weise erreicht werden kann.
Darüber hinaus werden angesichts der Anordnung des Einspritzventils 29 die nachstehenden Vorteile erreicht.
Da das Einspritzventil 29 außerhalb des Wasserstofftanks 21 angeordnet ist, kann nämlich die Bedienungs- oder Reparaturfreundlichkeit der Einspritzventil 29 verbessert werden. Da dadurch ein Wärmeaustausch des Einspritzventils 29 mit der Außenluft vereinfacht wird, kann der Einfluss eines Temperaturabfalls des Wasserstofftanks 21 zum Zeitpunkt der Abführung eines Gases unterdrückt werden.
Da die axiale Richtung Y-Y des Einspritzventils 29 außerdem senkrecht zur axialen Richtung X-X des Wasserstofftanks 21 verläuft, besteht die Möglichkeit, die Gesamtlänge der Struktur, bei der die Ventilanordnung 20 am Wasserstofftank 21 angeordnet ist, relativ zu reduzieren. Dementsprechend können die Abmessungen insgesamt reduziert werden, und der Einbauraum für den Wasserstofftank 21 reduziert werden. Angesichts des begrenzten Einbauraums kann der Wasserstofftank 21 in der Längsrichtung relativ vergrößert werden, wodurch die Speicherkapazität des Wasserstoffgases verbessert wird. Die axiale Richtung Y-Y des Einspritzventils 29 kann so ausgelegt sein, dass sie die axiale Richtung X-X des Wasserstofftanks 21 schneidet.
Zweite Ausführungsform
Anschließend erfolgt unter Bezugnahme auf 3 eine Beschreibung eines Einspritzventils 29 (Ventil) gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass das Einspritzventil 29 der Ventilanordnung 30 koaxial angeordnet ist. Identische Elemente aus der ersten Ausführungsform sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform versehen, und von einer ausführlichen Beschreibung derselben wird daher abgesehen.
Das Einspritzventil 29 beinhaltet einen Ventilhauptbereich 410, einen Magnetspulenbereich 420 und einen Handhabungsbereich 430. Die Bereiche 410, 420 und 430 sind der Reihe nach entlang der axialen Richtung X-X des Wasserstofftanks 21 am ersten Bereich 301 der Ventilanordnung 30 angeordnet. Das heißt, dass in dieser Ausführungsform die axiale Richtung des Einspritzventils 29 entsprechend der axialen Richtung des Ventilkörpers 410 gleich der axialen Richtung X-X des Wasserstofftanks 21.
Ein ringförmiger Strömungskanal oder mehrere Strömungskanäle 451 sind durch den Handhabungsbereich 430 ausgebildet. Der Strömungskanal 451 erstreckt sich in der axialen Richtung X-X und steht mit dem Strömungskanal 453 im Gehäuse 300 in Verbindung. Der Strömungskanal 451 erstreckt sich in der axialen Richtung X-X, so dass das Wasserstoffgas im äußeren Umfang des Magnetspulenbereichs 420 strömt, und steht mit einem Strömungskanal 455 auf der sekundären Seite des Einspritzventils 29 in Verbindung. Der Strömungskanal 455 ist im Gehäuse 300 ausgebildet und steht mit der Zuführleitung 22 in Verbindung. Dementsprechend strömt das Wasserstoffgas im Behälterraum 104 der Reihe nach durch den Strömungskanal 451, den Strömungskanal 453, die Düsenstrahlöffnung 404 und den Strömungskanal 455 im Einspritzventil 29 und strömt dann zur Zuführleitung 22.
Die zweite Ausführungsform ist dahingehend vorteilhafter ausgeführt als die erste Ausführungsform, dass das Einspritzventil 29 sich aufgrund dessen, dass das Einspritzventil 29 koaxial mit dem Wasserstofftank 21 angeordnet ist, problemlos selbst reinigen kann.
Insbesondere können Verunreinigungen, wie z. B. ein zum Zeitpunkt der Bewegung des Ventilkörpers 401 in der axialen Richtung entstehender Staubabrieb, zusammen mit dem Wasserstoffgas, das im Strömungskanal 453 strömt, an den Strömungskanal 455 abgeführt werden. Dementsprechend verbleiben die Verunreinigungen nicht um den Magnetspulenbereich 420 des Einspritzventils 29, und somit kann das Einspritzventil 29 sich anhand einer einfachen Struktur selbst reinigen. Der Selbstreinigungseffekt ist insbesondere vorteilhaft, wenn die äußere Umfangsoberfläche des Stößels 423 oder die äußere Umfangsoberfläche des Ventilkörpers 401 an der Innenwand des Ge häuses 300 gleitet. Es ist zu beachten, dass 3 nicht den Zustand darstellt, in dem die äußere Umfangsoberfläche des Stößels 423 oder die äußere Umfangsoberfläche des Ventilkörpers 401 gleiten.
In einem modifizierten Beispiel dieser Ausführungsform kann die axiale Richtung des Einspritzventils 29 nicht mit der axialen Richtung X-X des Wasserstofftanks 21 in Übereinstimmung gebracht werden, und die beiden Richtungen können beispielsweise parallel zueinander verlaufen. In diesem Fall können die vorstehend angeführten Vorteile erreicht werden. Es ist zu beachten, dass, obwohl das Hauptsperrventil 26 aus der Ventilanordnung 30 herausgelassen werden kann, das Hauptsperrventil 26 auf der primären Seite des Einspritzventils 29 angeordnet sein kann.
Die in der ersten und zweiten Ausführungsform beschriebenen Einspritzventile 29 können als ein Druckregelventil (Druckreduktionsventil, Regler) betrachtet werden, da der Gasdruck zur sekundären Seite angepasst werden kann.
Industrielle Anwendbarkeit
Das vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 kann an einem zwei- oder vierrädrigen Fahrzeug, einem Zug, einem Flugzeug, einem Schiff, einem Roboter oder anderen mobilen Körpern angebracht werden. Das Brennstoffzellensystem 1 kann stationär ausgelegt sein oder in ein Kraft-Wärmekopplungssystem eingebaut werden. Darüber hinaus kann der Tank mit dem daran angeordneten Einspritzventil 29 ein Wasserstoffspeicher-Legierungstank sein oder andere Kohlenwasserstoff-Brenngase speichern. Der Tank kann beispielsweise ein Druck-Erdgas, z. B. bei 20 MPa, speichern, und die Art des gespeicherten Fluids ist nicht auf ein Gas oder eine Flüssigkeit beschränkt.
Zusammenfassung
Geschaffen werden ein Ventil, das in der Lage ist, eine Strömungsrate eines Fluids aus einem Tank mit hoher Genauigkeit anzupassen, eine Ventilsteuerung und ein Brennstoffzellensystem. Das Ventil ist so konfiguriert, dass es die Strömungsrate eines Fluids zur sekundären Seite anpassen kann. Das Ventil ist so am Tank angeordnet, dass die sekundäre Seite eine Abführseite für ein Fluid aus dem Inneren des Tanks ist. Das Ventil ist konfiguriert, um die Strömungsrate eines Fluids aus dem Tank durch eine Laststeuerung anzupassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2005-42924 [0002]

Claims

Ventil zum Anpassen einer Strömungsrate eines Fluids zu einer sekundären Seite, wobei das Ventil an einem Tank angeordnet ist, so dass die sekundäre Seite eine Abführseite für ein Fluid aus dem Inneren des Tanks ist und die Strömungsrate des Fluids aus dem Tank so ausgelegt ist, dass sie durch eine Laststeuerung anpassbar ist.
Ventil nach Anspruch 1, aufweisend einen Strömungsraten-Anpassungsmechanismus zum Anpassen der Strömungsrate durch die Laststeuerung, wobei der Strömungsraten-Anpassungsmechanismus konfiguriert ist, um eine Abführung des Fluids aus dem Tank zu blockieren.
Ventil nach Anspruch 2, wobei der Strömungsraten-Anpassungsmechanismus einen Ventilkörper, einen Ventilsitz, der zu dem Ventilkörper einen Kontakt herstellt/unterbricht, und eine Magnetspule zum Bewegen des Ventilkörpers in Richtungen, in denen der Ventilkörper zu dem Ventilsitz einen Kontakt herstellt/unterbricht, aufweist.
Ventil nach Anspruch 3, wobei der Ventilsitz eine Öffnung in seiner Mitte aufweist, und wobei ein Bereich der Öffnung abhängig von der Position des Ventilkörpers geändert wird.
Ventil nach Anspruch 3, wobei die Laststeuerung ausgeführt wird, indem eine Lastrate eines der Magnetspule zugeführten, impulsförmigen Erregerstroms geändert wird.
Ventil nach Anspruch 3, wobei der Strömungsraten-Anpassungsmechanismus konfiguriert ist, um einen Druck in dem Tank auf den Ventilkörper in einer Richtung auszuüben, in der der Ventilkörper zum Ventilsitz einen Kontakt herstellt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Achslinie des Ventils und die Achslinie des Tanks im Wesentlichen parallel oder gleich zueinander sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Ventil außerhalb des Körpers des Tanks angeordnet ist, und wobei die Achslinie des Ventils und die Achslinie des Tanks im Wesentlichen orthogonal zueinander sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Hauptsperrventil unabhängig von dem Ventil am Tank angeordnet ist, und wobei das Hauptsperrventil auf einer primären Seite des Ventils positioniert ist.
Ventil nach Anspruch 9, wobei das Hauptsperrventil im Tank positioniert ist.
Ventilsteuerung zum Steuern des Ventils nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durch die Laststeuerung.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: das Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10; den Tank; und eine Brennstoffzelle, der ein Oxidationsgas und ein Brenngas zugeführt werden, wobei das Fluid in dem Tank ein Brenngas ist.
Brennstoffzellensystem, aufweisend: das Ventil nach Anspruch 1; einen ein Brenngas speichernden Tank; eine Brennstoffzelle, der das Brenngas aus dem Tank zugeführt wird; und ein Hauptsperrventil, das an dem Tank angeordnet ist, so dass das Hauptsperrventil an einer primären Seite des Ventils positioniert ist, wobei das Hauptsperrventil zum einem Zeitpunkt des Betriebsstillstands des Brennstoffzellensystems geschlossen ist.