DE112007002775B4

DE112007002775B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112007002775B4
Application number: DE112007002775.4T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Osada; Tetsuya Bono; Masahiro Takeshita
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2007-11-07
Publication date: 2020-03-26
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: US20100035106A1; US8343680B2; JP4923969B2; CA2667351A1; DE112007002775T5; WO2008059851A1; CA2667351C; JP2008130237A; KR20090067216A; CN101542803A; CN101542803B; KR101126664B1

Abstract

Ein Sperrventil (40), das auf der Eingangsseite und der Ausgangsseite eines Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, weist eine Membran (42) auf. Eine ventilschließungsseitige Druckkammer (43) ist an der nach oben gerichteten Fläche der Membran (42) vorgesehen, und eine ventilschließungsseitige Druckkammer (44) ist an der nach unten gerichteten Fläche der Membran (42) vorgesehen. Wenn die ventilschließungsseitige Druckkammer (43) des Sperrventils (40) unter Druck steht, wird von ViS, ViC und ViO in einem elektrisch nicht-leitenden Zustand der Druck in der Kammer (43) gehalten. Ebenso wird eine Druckentlastung in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer (44) des Sperrventils (40) aufrechterhalten. Dadurch wirkt eine Kraft, die in Richtung der Schließung eines Ventilelements (41) wirkt, über die Membran (42) auf dieses, wodurch das Sperrventil (40) geschlossen bleibt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem und insbesondere die Technik der Steuerung des offenen/geschlossenen Zustands eines Ventils, das in einem Fluidströmungsweg vorgesehen ist.
Beschreibung der verwandten Technik
Brennstoffzellen, die Leistung unter Verwendung eines Brenngases, wie eines Wasserstoffgases, und eines Oxidierungsgases, wie Umgebungsluft, erzeugen, sind bekannt. Ein Brennstoffzellensystem kann beispielsweise in einem Fahrzeug installiert sein und kann als Leistungsquelle verwendet werden. Natürlich kann das Brennstoffzellensystem abgesehen von Fahrzeugen auch in anderen Vorrichtungen eingebaut sein.
Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle auf, die als Folge einer chemischen Reaktion zwischen dem Brenngas und dem Oxidierungsgas Leistung erzeugt, sowie einen Fluidströmungsweg, der Reaktionsgase, wie das Brenngas und das Oxidierungsgas, zur Brennstoffzelle liefert und Gas oder Flüssigkeit, das bzw. die in der Reaktion erzeugt wird, ausführt.
Es wurde bisher eine Reihe von Techniken in Zusammenhang mit einem Ventil vorgeschlagen, das im Fluidströmungsweg eines solchen Brennstoffzellensystems vorgesehen ist.
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2004 - 006 166 A eine Technik zum Abdichten eines ein Reaktionsgas enthaltenden Raums in der Brennstoffzelle durch Bereitstellen von Auf/Zu-Ventilen in Reaktionsgaszuleitungen und -ableitungen und zum Öffnen der Auf/Zu-Ventile, wenn der Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle unterbrochen ist.
US 2004 / 0 206 400 A1 offenbart ein Brennstoffzellensytem mit einer Brennstoffzelle, einem Fluidströmungsweg, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist, und ein Fluidsteuerventil, das im Fluidströmungsweg vorgesehen ist. Das Fluidsteuerventil ist ein Ventilelement, das ansprechend auf einen Druckunterschied zwischen einem Ventilöffnungsdruck und einem Ventilschließungsdruck aktiviert wird.
DE 11 2005 001 210 B4 , WO 2005/ 117 181 A1 , JP 2000 - 003 717 A und JP 2005 - 150 090 A beschreiben weitere Brennstoffzellensysteme mit Fluidsteuerventilen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Wie oben angegeben, offenbart JP 2004 - 006 166 A eine Technik zum Abdichten des Reaktionsgasraums in der Brennstoffzelle durch Schließen des Auf/Zu-Ventils, wenn der Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle unterbrochen ist. Wenn jedoch ein Magnetventil als das Auf/Zu-Ventil verwendet wird, und wenn es sich dabei um ein Magnetventil handelt, das normalerweise offen ist, muss kontinuierlich eine Steuerspannung an das Magnetventil angelegt werden, um es zu schließen, wenn der Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle unterbrochen ist. Wenn ein Magnetventil verwendet wird, das normalerweise geschlossen ist, ist es auch nötig, die Steuerspannung kontinuierlich an das Magnetventil anzulegen, um es während eines Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle zu öffnen. Dadurch kann es bei dieser Technik zu einem erheblichen Energieverbrauchsproblem kommen.
Angesichts der obigen Ausführungen haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit der Steuerung des geöffneten/geschlossenen Zustands der Ventile untersucht, die in den Fluidströmungswegen des Brennstoffzellensystems vorgesehen sind.
Die vorliegende Erfindung wurde im Laufe dieser Untersuchungen gemacht, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Technik in Bezug auf die Steuerung des geöffneten/geschlossenen Zustands des Ventils, das im Brennstoffzellensystem verwendet wird.
Das oben genannte Ziel wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Brennstoffzelle, einen Fluidströmungsweg, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist, und ein Fluidsteuerventil, das im Fluidströmungsweg vorgesehen ist, auf. Das Fluidsteuerventil weist ein Ventilelement, das ansprechend auf einen Druckunterschied zwischen einem Ventilöffnungsdruck und einem Ventilschließungsdruck aktiviert wird, eine ventilöffnungsseitige Druckkammer, die den Ventilöffnungsdruck an das Ventilelement anlegt sowie eine ventilschließungsseitige Druckkammer, die den Ventilschließungsdruck an das Ventilelement anlegt, auf. Entweder die ventilöffnungsseitige Druckkammer oder die ventilschließungsseitige Druckkammer wird abgedichtet, um den geöffneten/geschlossenen Zustand des Ventilelements aufrechtzuerhalten.
Bei diesem Aufbau wird die ventilöffnungsseitige oder die ventilschließungsseitige Druckkammer abgedichtet, um ihren Innendruck aufrechtzuerhalten. Daher muss nicht kontinuierlich eine Steuerspannung oder dergleichen an das Ventilelement angelegt werden, um das Ventilelement im geschlossenen Zustand zu halten. Infolgedessen kann der Leistungsverbrauch für die Steuerung des Ventils oder dergleichen gesenkt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass zusätzlich zum Innendruck der Druckkammer eine Kraft, die an das Ventilelement angelegt wird, u.a. einen direkten Druck, der von einem ankommenden Fluid auf das Fluidsteuerventil ausgeübt wird, eine Federkraft, die von im Fluidsteuerventil vorgesehenen Federn erzeugt wird, eine Blockierungskraft, die das Ventilelement durch Blockieren fixiert, einschließen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist im normalen bzw. regelmäßigen Zustand ein Ventildruck von den Ventilöffnungs- und Ventilschließungsdrücken des Fluidsteuerventils größer als der andere Ventildruck. Im nicht normalen bzw. Ausnahmezustand ist der andere Ventildruck größer als der eine Ventildruck, wenn die ventilöffnungsseitige Druckkammer oder die ventilschließungsseitige Druckkammer, die dem anderen Ventildruck entspricht, abgedichtet ist.
Bei diesem Aufbau muss im normalen Zustand nicht kontinuierlich eine Steuerspannung oder dergleichen an das Ventilelement angelegt werden, um das Ventilelement im normalen Zustand zu halten. Wenn beispielsweise das Fluidsteuerventil im nicht normalen Zustand verwendet wird, wird die Druckkammer abgedichtet, um einen Druckunterschied zu erzeugen, der dem nicht normalen Zustand entspricht, so dass der nicht normale Zustand aufrecht erhalten werden kann, ohne kontinuierlich die Steuerspannung oder dergleichen an das Ventil anzulegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fluidsteuerventil ein Ventil, das normalerweise offen ist und in dem der Ventilöffnungsdruck größer ist als der Ventilschließungsdruck, um das Ventilelement im normalen Zustand offen zu halten. Das Fluidsteuerventil ist auf einer Eingangsseite und/oder einer Ausgangsseite eines Fluids für die Brennstoffzelle vorgesehen. Im nicht normalen Zustand dient das Fluidsteuerventil als Sperrventil, da es das Ventilelement in den geschlossenen Zustand schaltet, wenn der Ventilschließungsdruck größer ist als der Ventilöffnungsdruck.
Bei diesem Aufbau ist das normalerweise offene Ventil auf mindestens einer Seite und vorzugsweise auf beiden Seiten des Eingangs und des Ausgangs des Fluids für die Brennstoffzelle vorgesehen. Durch Verwenden des normalerweise offenen Ventils als Sperrventil wird eine präzisere Öffnung des Ventils erreicht als bei Verwendung des normalerweise geschlossenen Ventils. Somit wird das normalerweise offene Ventil vorzugsweise als Sperrventil auf der Oxidgasseite der Brennstoffzelle verwendet, wo das Ventil während der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle über einen längeren Zeitraum offen gehalten werden sollte.
Erfindungsgemäß weist das Fluidsteuerventil zwei Druckkammern auf, einschließlich einer ventilöffnungsseitigen Druckkammer, die dem Ventilöffnungsdruck entspricht, und einer ventilschließungsseitigen Druckkammer, die dem Ventilschließungsdruck entspricht. Bei diesem Aufbau kann unter Verwendung des Druckunterschieds ein im Vergleich zur Verwendung des Fluidsteuerventils mit nur einer Druckkammer zuverlässigeres Steuerverfahren erreicht werden, ob es sich dabei nun um die Druckkammer auf der Ventilöffnungsseite oder die Druckkammer auf der Ventilschließungsseite handelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ferner ein Dreiwegeventil auf für die selektive Verbindung einer der beiden Druckkammern des Fluidsteuerventils mit dem Fluidströmungsweg, wodurch der Innendruck der beiden Druckkammern unter Verwendung eines Fluiddrucks, der über das Dreiwegeventil übertragen wird, gesteuert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform verbindet das Dreiwegeventil in einem ungesteuerten Zustand eine der beiden Druckkammern des Fluidsteuerventils mit dem Fluidströmungsweg. In einem gesteuerten Zustand verbindet das Dreiwegeventil die andere Druckkammer von den beiden Druckkammern des Fluidsteuerventils mit dem Fluidströmungsweg. Wie hierin verwendet, bezeichnet „ein ungesteuerter Zustand“ den Zustand, in dem die Steuerspannung (oder der elektrische Strom) oder dergleichen nicht an das Dreiwegeventil angelegt werden muss, und „ein gesteuerter Zustand“ bezeichnet den Zustand, in dem die Steuerspannung (oder der elektrische Strom) oder dergleichen an das Dreiwegeventil angelegt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Druckkammer, die einem Ventildruck von den Ventilöffnung- und den Ventilschließungsdrücken entspricht, der im normalen Zustand größer ist als der andere Ventildruck, mit dem Fluidströmungsweg verbunden, so dass der Druck im Inneren der Druckkammer erhöht wird, um das Fluidsteuerventil im normalen Zustand zu halten. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Druck im Inneren einer Druckkammer von den beiden Druckkammer des Fluidsteuerventils gesenkt, gefolgt von der Erhöhung des Drucks im Inneren der anderen Druckkammer, um das Fluidsteuerventil vom normalen Zustand in den nicht normalen Zustand umzuschalten und umgekehrt.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ferner einen Kompressor auf zum Umwälzen eines Fluids auf dem Fluidströmungsweg, sowie einen Druckentlastungsweg für die Verbindung der Druckkammer des Fluidsteuerventils mit der stromaufwärtigen Seite des Kompressors. Die Druckkammer des Fluidsteuerventils wird unter Verwendung des Drucks von der stromaufwärtigen Seite des Kompressors, der kleiner ist als der Druck von der stromabwärtigen Seite des Kompressors, druckentlastet. Bei diesem Aufbau wird die Druckkammer unter Verwendung eines niedrigen Drucks (z.B. eines negativen Drucks) von der stromaufwärtigen Seite des Kompressors druckentlastet, so dass das Brennstoffzellensystem besser in der Lage ist, auf den Druckentlastungsprozess anzusprechen, als bei einer Druckentlastung der Druckkammer anhand von beispielsweise eines Ablassens des Inneren der Druckkammer an die Außenluft.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Druckkammer des Fluidsteuerventils im Anschluss an das Anhalten des Kompressors, der das Fluid auf dem Fluidströmungsweg umwälzt, mit dem Fluidströmungsweg verbunden, um den Innendruck der Druckkammer des Fluidsteuerventils zu senken. Bei diesem Aufbau kann ein Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, das kein Druckentlastungsventil für die Druckentlastung der Druckkammer des Fluidsteuerventils aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ferner ein Druckentlastungsventil auf für die Senkung des Innendrucks des Fluidsteuerventils. Wenn in dem Druckentlastungsventil für das Fluidsteuerventil ein nicht normaler Zustand eintritt, wird der Kompressor angehalten und die Druckkammer des Fluidsteuerventils wird mit dem Fluidströmungsweg verbunden, um den Druck im Inneren der Druckkammer zu senken.
In einer bevorzugten Ausführungsform steuert das Fluidsteuerventil den Ventilöffnungsdruck und/oder den Ventilschließungsdruck unter Verwendung des Drucks des Fluids, das auf dem Fluidströmungsweg strömt.
Die vorliegende Erfindung schafft vorteilhafterweise eine verbesserte Technik für die Steuerung des offenen/geschlossenen Zustands der Ventile, die im Brennstoffzellensystem verwendet werden. Beispielsweise senken die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung den Leistungsverbrauch für die Steuerung der Ventile. Außerdem ermöglichen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Haltung des Systems entweder im normalen Zustand oder im nicht normalen Zustand ohne die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Anlegung der Steuerspannung oder dergleichen. Ferner schaffen die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine bessere Ansprechempfindlichkeit auf die Druckentlastung der Druckkammer des Fluidsteuerventils. Die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen ferner ein verbessertes Brennstoffzellensystem, das kein Druckentlastungsventil braucht, um den Druck in der Druckkammer des Fluidsteuerventils zu senken.
Figurenliste

1 ist ein Überblick über das gesamte Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Darstellung eines Sperrventils und erläutert dessen Aufbau;
3 ist eine Darstellung eines Sperrventils und erläutert dessen Öffnungs- und Schließungsoperationen;
4 ist eine Darstellung eines Befeuchtungs-M-Ventils und erläutert dessen Aufbau;
5 ist eine Darstellung eines Befeuchtungs-M-Ventils und erläutert dessen Öffnungs- und Schließungsoperationen;
6 ist eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems und erläutert, wie dieses im Normalbetrieb arbeitet;
7 ist eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems und erläutert, wie es arbeitet, wenn ein Befehl zum Unterbrechen des Betriebs ausgegeben wird;
8 ist eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems und erläutert, wie es in einer Reinigungsoperation arbeitet;
9 ist eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems und erläutert, wie es arbeitet, nachdem eine Reinigungsoperation abgeschlossen wurde;
10 ist eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems und erläutert, wie es arbeitet, während der Betrieb unterbrochen ist;
11 ist eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems und erläutert, wie es arbeitet, wenn ein Befehl zum Starten des Betriebs ausgegeben wird;
12 ist eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems und erläutert, wie es nach dem Starten arbeitet;
13 ist ein Ablaufdiagramm und erläutert eine Druckentlastungsoperation; und
14 ist ein Überblick über ein gesamtes Brennstoffzellensystem, in dem Druckentlastungs-PSVs mit der stromaufwärtigen Seite eines Luftkompressors verbunden sind.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, und in 1 ist ein Überblick über das gesamte Brennstoffzellensystem gegeben. Das Brennstoffzellensystem von 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 10, einen Fluidströmungsweg 20 und andere Komponenten auf, wobei der Fluidströmungsweg 20 ein Befeuchtungsmodul-Umgehungsventil (ein Befeuchtungs-M-Umgehungsventil) 30, ein eingangsseitiges Sperrventil 40A, ein ausgangsseitiges Sperrventil 40B usw. aufweist.
Der Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt Leistung dadurch, dass eine Reaktion zwischen einem Brenngas, wie Wasserstoff, und einem Oxidierungsgas, wie Sauerstoff bewirkt wird. Genauer werden das Brenngas und das Oxidierungsgas dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt, und diese Gase reagieren miteinander in mehreren Brennstoffzellen (nicht dargestellt) im Brennstoffzellenstapel 10, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Brennstoffzellen haben die Form von fast rechtwinkligen Platten, und diese Brennstoffzellen sind übereinander gestapelt, um einen Brennstoffzellenstapel 10 zu bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass jede Brennstoffzelle zylindrisch sein kann.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform beispielsweise auch in Fahrzeugen installiert sein kann, so dass der Brennstoffzellenstapel 10 als Leistungsquelle für einen Elektromotor von Fahrzeugen verwendet werden kann. Es ist leicht einzusehen, dass das Brennstoffzellensystem dieser Ausführungsform außer in Fahrzeugen auch in anderen Vorrichtungen und Systemen installiert sein kann.
Der Fluidströmungsweg 20 dient als Strömungsweg, um die Reaktionsgase zum Brennstoffzellenstapel 10 zu liefern. Genauer wird eines der beiden Reaktionsgase (z.B. Luft, die als das Oxidierungsgas verwendet wird) auf dem Fluidströmungsweg 20 in den Brennstoffzellenstapel 10 eingeführt. Er dient auch als Strömungsweg, um das Gas und Wasser, welches während der Reaktion gebildet wird, aus dem Brennstoffzellenstapel 10 auszuführen. Es sei darauf hingewiesen, dass ein anderer Fluidstrom für die Zufuhr des anderen Reaktionsgases (z.B. eines Wasserstoffgases) mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist, auch wenn der andere Strömungsweg in 1 nicht dargestellt ist.
Das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, ein eingangsseitiges Sperrventil 40A und ein ausgangsseitiges Sperrventil 40B dienen als Fluidsteuerventile, um den Luftstrom im Fluidströmungsweg 20 zu regulieren. Drei PSVs (pressure switching valves, Druckschaltventile) sind über einen Drucksteuerungs-Strömungsweg an den drei Ventilen angebracht, jeweils ein PSV pro Ventil.
Genauer sind drei PSVs, die VbS, VbC und VbO einschließen, mit dem Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 verbunden. Ebenso sind drei PSVs die ViS, ViC und ViO einschließen, mit dem eingangseitigen Sperrventil 40A verbunden und weitere drei PSVs, die VoS, VoC, VoO einschließen, sind mit dem ausgangsseitigen Sperrventil 40B verbunden. Diese PSVs sind über einen Drucksteuerungs-Strömungsweg 70 beispielsweise zwischen einem Luftkompressor (AP) und ein Befeuchtungsmodul 50, auf der stromaufwärtigen Seite des Fluidströmungswegs 20 angeordnet. Es sei darauf hingewiesen, dass diese PSVs von einem nicht dargestellten Steuerabschnitt gesteuert werden.
Das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das eingangsseitige Sperrventil 40A und das ausgangsseitige Sperrventil 40B werden jeweils von entsprechenden PSVs gesteuert. In dieser Ausführungsform werden das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das eingangsseitige Sperrventil 40A und das ausgangsseitige Sperrventil 40B jeweils ansprechend auf den Zustand und andere Bedingungen des Brennstoffzellenstapels 10 gesteuert, was später beschrieben wird.
Nun wird der Luftstrom des Fluidströmungswegs 20 beschrieben. Die Luft, die durch den Fluidströmungsweg 20 strömt, wird vom Luftkompressor (AP) angesaugt. Der Luftkompressor saugt Luft von der Umgebungsluft über einen (nicht dargestellten) Luftreiniger oder dergleichen in den Fluidströmungsweg 20. Die vom Luftkompressor ausgestoßene Luft wird in ein Befeuchtungsmodul 50, ein Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 und ein Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 geliefert.
Das Befeuchtungsmodul 50 passt die Feuchtigkeit der Luft, die im Fluidströmungsweg 20 strömt, an. Genauer setzt das Befeuchtungsmodul 50 der Luft Feuchtigkeit zu, so dass diese einen Feuchtigkeitsgehalt aufweist, der beispielsweise der chemischen Reaktion, die im Brennstoffzellenstapel 10 ausgeführt werden soll, angemessen ist. Nach dem Anpassen der Feuchtigkeit wird die Luft über das eingangsseitige Sperrventil 40A in den Brennstoffzellenstapel 10 geliefert.
Es wird ein anderer Weg bereitgestellt, um dem Brennstoffzellenstapel 10 ebenfalls Luft zuzuführen, ohne dass diese durch das Befeuchtungsmodul 50 strömt. Genauer wird die Luft vom Luftkompressor über das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert, so dass die Luft, die auf diesem Weg strömt, dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird, ohne die Feuchtigkeit der Luft anzupassen.
Die Luft, die dem Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 zugeführt wird, wird über eine Verdünnungseinrichtung 60 in die Umgebungsluft ausgeführt und wird nicht in den Brennstoffzellenstapel 10 geliefert. Das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 wird verwendet, um den Druck (oder Auslassdruck) der Luft, die in den Brennstoffzellenstapel 10 geliefert wird, anzupassen. Genauer wird der Druck der Luft im Fluidströmungsweg 20 an einem Druckmesser P1 entsprechend dem Öffnungswinkel des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 80 angepasst. Der Auslassdruck der Luft kann auch ansprechend auf die Strömungsrate der Luft, die aus dem Luftkompressor (AP) ausgeführt wird, angepasst werden. Es liegt auf der Hand, dass der Auslassdruck unter Verwendung von sowohl dem Ventilöffnungswinkel des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 80 als auch der Luftströmungsrate des Luftkompressors angepasst werden kann.
Ein Gas (oder nach der Reaktion die Luft), das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgeführt wird, wird zu einem Luftdruck-Regelventil 90 geliefert. Das Luftdruck-Regelventil 90 wird verwendet, um den Druck (oder Gegendruck) der Luft, die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgeführt wird, anzupassen. Genauer wird der Luftdruck im Fluidströmungsweg 20 an einem Druckmesser P2 gemäß einem Öffnungswinkel des Luftdruck-Regelventils 90 angepasst. Beispielsweise kann der Gegendruck so angepasst werden, dass er einen Sollwert für eine effiziente Leistungserzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht.
Dann strömt die Luft, die aus dem Luftdruck-Regelventil 90 ausgeführt wird, durch das ausgangsseitige Sperrventil 40B, das Befeuchtungsmodul 50 und die Verdünnungseinrichtung 60 und geht dann in die Umgebungsluft.
Nun werden mit Bezug auf 2 - 5 das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das eingangsseitige Sperrventil 40A und das ausgangsseitige Sperrventil 40B ausführlich beschrieben. Zuerst werden das eingangsseitige Sperrventil 40A und das ausgangsseitige Sperrventil 40B beschrieben.
2 ist eine Darstellung eines Sperrventils 40 (eines eingangsseitigen Sperrventils 40A und eines ausgangsseitigen Sperrventils 40B in 1) und erläutert den Aufbau des Ventils. Das Sperrventil 40 ist ein Ventil, das normalerweise offen ist und in dem unter normalen Bedingungen eine Ventilöffnungskraft größer ist als eine Ventilschließungskraft, um ein Ventilelement (einen Ventilkörper) 41 im offenen Zustand zu halten.
Das Sperrventil 40 weist eine Membran 42 auf, und eine ventilschließungsseitige Druckkammer 43 ist auf der nach oben gerichteten Fläche der Membran 42 vorgesehen, während eine ventilöffnungsseitige Druckkammer 44 auf der nach unten gerichteten Fläche der Membran 42 vorgesehen ist.
Die Membran 42 wird ansprechend auf einen Druckunterschied zwischen dem Innendruck der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 43 und dem Innendruck der ventilschließungsseitigen Druckkammer 44 nach oben und nach unten verlagert. In 2 sind beispielsweise laterale Enden der Membran 42 fixiert, so dass der mittlere Teil der Membran 42 nach oben und nach unten verzogen wird. Es liegt auf der Hand, dass auch eine andere Art von Membran 42, bei der die gesamte Membran 42 vertikal verlagert wird, verwendet werden kann. Da die Membran 42 verlagert wird, wird auch das Ventilelement 41, das mit der Membran 42 verbunden ist, verlagert. Infolgedessen wird der Ventilöffnungswinkel des Sperrventils 40 entsprechend der Verlagerung der Membran 42 angepasst.
Wenn beispielsweise das Ventilelement 41 durch die Verlagerung der Membran 42 nach oben bewegt wird, wird die Luft vom Fluidströmungsweg 20 über einen Eingang 46 des Sperrventils 40 zugeführt und über einen Ausgang 47 von diesem in den Fluidströmungsweg 20 ausgeführt. Wenn das Ventilelement 41 durch die Verlagerung der Membran 42 nach unten bewegt wird, um den Ausgang 47 zu schließen, wird dagegen der Luftstrom vom Fluidströmungsweg 20, der von der Seite des Eingangs 46 zur Seite des Ausgangs 47 strömt, unterbrochen.
Federn 45 sind auf der nach unten gerichteten Fläche der Membran 42 vorgesehen, um eine nach oben gerichtete Federkraft daran anzulegen.
Alternativ dazu kann eine Abtrennung vorgesehen sein, die das Innere der Druckkammer vom Äußeren trennt, so dass die Abtrennung, die ansprechend auf den Druckunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Druckkammer bewegt wird, mit dem Ventilelement 41 verbunden wird. In diesem Fall bewegt sich das Ventilelement 41 auf ineinandergreifende Weise mit der Abtrennung, die sich ansprechend auf den Druckunterschied bewegt, um den Öffnungswinkel des Fluidströmungswegs 20 zu ändern.
Der Innendruck der ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 und der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 44 wird von den drei PSVs gesteuert. Genauer wird, wenn das Sperrventil 40 das eingangsseitige Sperrventil ist (in 1 mit 40A bezeichnet), der Innendruck jeder Druckkammer von drei PSVs gesteuert, die ViS, ViC bzw. ViO einschließen. Falls das Sperrventil 40 das ausgangsseitige Sperrventil ist (in 1 mit 40B bezeichnet), wird dagegen der Innendruck jeder Druckkammer von drei PSVs gesteuert, die VoS, VoC bzw. VoO einschließen.
ViS (oder VoS) ist ein Dreiwege-PSV und dient als Dreiwegeventil, das eine der beiden Druckkammern, die eine ventilschließungsseitige Druckkammer 43 und eine ventilöffnungsseitige Druckkammer 44 einschließen, selektiv mit dem Fluidströmungsweg 20 verbindet. Genauer verbindet ViS den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit entweder dem Drucksteuerungsweg 70, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 führt, oder mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur ventilöffnungsseitigen Druckkammer 44 führt.
Beispielsweise wird ViS von einem Magnetventil gebildet, das den offenen/geschlossenen Zustand des Ventils umschaltet, wenn es mit Leistung versorgt wird. Im ungesteuerten Zustand, wo kein elektrischer Strom zugeführt wird (d.h. im nicht-leitenden Zustand), wählt ViS die ventilöffnungsseitige Druckkammer 44 aus. Genauer verbindet ViS, wenn es im nicht-leitenden Zustand ist, den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur ventilöffnungsseitigen Druckkammer 44 führt. Dagegen wählt ViS im gesteuerten Zustand, wo ein elektrischer Strom zugeführt wird (d.h. im leitenden Zustand) die ventilschließungsseitige Druckkammer 43 aus. Genauer verbindet ViS, wenn es im leitenden Zustand ist, den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 führt.
ViC (oder VoC) ist ein Zweiwege-PSV und dient als Druckentlastungsventil, um den Innendruck der ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 zu senken. Ein Ende von ViC ist mit dem Drucksteuerungsweg 70 verbunden, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 führt, und das andere Ende von ViC ist zur Umgebungsluft hin offen.
ViC wird beispielsweise von einem Magnetventil gebildet, das den offenen/geschlossenen Zustand des Ventils umschaltet, wenn es mit Leistung versorgt wird. Im ungesteuerten Zustand, wo kein elektrischer Strom zugeführt wird (d.h. im nicht-leitenden Zustand), hält ViC das Ventil geschlossen. Infolgedessen ist der Strömungsweg, der die Umgebungsluft in die ventilschließungsseitige Druckkammer 43 bringen soll, versperrt, wenn ViC im nicht-leitenden Zustand ist. Dagegen öffnet ViC das Ventil, wenn es im gesteuerten Zustand ist, wo ein elektrischer Strom zum ViC geliefert wird (d.h. im leitenden Zustand). Wenn ViC im leitenden Zustand ist, richtet es somit den Weg zwischen dem Inneren der ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 und der Umgebungsluft ein.
ViO (oder VoO) ist ein Zweiwege-PSV und dient als Druckentlastungsventil, um den Innendruck der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 44 zu senken. Ein Ende des ViO ist mit dem Drucksteuerungsweg 70 verbunden, der zur ventilöffnungsseitigen Druckkammer 44 führt, und das andere Ende des ViO ist zur Umgebungsluft hin offen.
ViO wird beispielsweise von einem Magnetventil gebildet, das den offenen/geschlossenen Zustand des Ventils umschaltet, wenn es mit Leistung versorgt wird. Im ungesteuerten Zustand, wo kein elektrischer Strom zugeführt wird (d.h. im nicht-leitenden Zustand), hält ViO das Ventil geschlossen. Infolgedessen ist der Strömungsweg, der die Umgebungsluft in die ventilöffnungsseitige Druckkammer 44 bringen soll, gesperrt, wenn ViO im nicht-leitenden Zustand ist. Dagegen öffnet ViO das Ventil, wenn es im gesteuerten Zustand ist, wo ein elektrischer Strom zum ViO geliefert wird (d.h. im leitenden Zustand). Wenn ViC im leitenden Zustand ist, richtet es daher einen Weg zwischen dem Inneren der ventilschließungsseitigen Druckkammer 44 und der Umgebungsluft ein.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den Figuren, die im Zusammenhang mit der Erläuterung dieser Ausführungsform verwendet werden, unter einer Vielzahl von Dreiecken, die ViS (VoS), ViC (VoC) und ViO (VoS) darstellen, gefüllte Dreiecke anzeigen, dass der entsprechende Drucksteuerungsweg 70 geschlossen ist, während leere anzeigen, dass derselbe Weg offen ist.
Beispielsweise zeigen die in 2 dargestellten gefüllten Dreiecke an, dass ViS (oder VoS) den Drucksteuerungs-Strömungsweg 70, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 führt, schließt, während der Drucksteuerungs-Strömungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungs-Strömungsweg 70, der zur ventilöffnungsseitigen Drucksteuerkamm 44 führt, verbunden ist (nicht-leitender Zustand). Ebenso sind in 2 die Dreiecke, die ViC (oder VoC) darstellen, gefüllt, was anzeigt, dass ViC (oder VoC) geschlossen (oder im nicht-leitenden Zustand) ist. Die Dreiecke, die ViO (oder VoO) anzeigen, sind in 2 ebenfalls gefüllt, was anzeigt, dass ViO (oder VoO) auch geschlossen (oder im nicht-leitenden Zustand) ist.
3 ist eine Darstellung des Sperrventils 40 (des eingangsseitigen Sperrventils 40A oder des ausgangsseitigen Sperrventils 40B von 1) und erläutert die Öffnungs- und Schließungsoperationen der Ventile.
Mit Bezug auf 3(A) wir die Öffnungsoperation des Sperrventils 40 erläutert. Genauer wird ein Verfahren zum Öffnen des Ventils durch Aufwärtsbewegen des Ventilelements 41, das die gesenkte und geschlossene Stellung einnimmt, erläutert.
Um das Sperrventil 40 zu öffnen, wird ViS (oder VoS) in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, so dass die ventilöffnungsseitige Druckkammer 44 mit dem Fluidströmungsweg (in 1 mit 20 bezeichnet) verbunden wird. Ebenso wird ViO (oder VoO) in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 44 und der Umgebungsluft versperrt wird. Dann wird ViC (oder VoC) in den leitenden Zustand geschaltet, um den Strömungsweg zwischen der schließungsseitigen Druckkammer 43 und der Umgebungsluft einzurichten, so dass der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 gesenkt wird.
In diesem Zustand wird eine Kraft an das Ventilelement 41 des Sperrventils 40 angelegt. Wenn P₁ der Auslassdruck des Luftkompressors (AP) ist und A₁ die Fläche der Membran 42 ist, wird, da die ventilöffnungsseitige Druckkammer 44 mit dem Strömungsweg (in 1 mit 20 bezeichnet) verbunden ist, ein Druck an die ventilöffnungsseitige Druckkammer 44 angelegt, um den Innendruck P₁ zu bilden, wodurch eine nach oben gerichtete Kraft P₁A₁ erzeugt wird, die über die Membran 42 auf das Ventilelement 41 wirkt.
Da die vom Eingang 46 des Sperrventils 40 ankommende Luft (mit dem Druck P₁ ) eine direkte Kraft auf das Ventilelement 41 ausübt, wirkt außerdem eine nach unten gerichtete Kraft P₁A₂ auf das Ventilelement 41, wobei A₂ die druckaufnehmende Fläche des Ventilelements 41 ist. Ferner legt der negative Druck im Brennstoffzellenstapel (in 1 mit 10 bezeichnet), P₂ , über den Ausgang 47 des Sperrventils 40 eine Kraft an das Ventilelement 41 an, um eine nach unteren gerichtete Kraft P₂A₂ zu erzeugen, die auf das Ventilelement 41 wirkt.
Außerdem erzeugen Federn 45 eine nach oben gerichtete Kraft F_s und legen diese über die Membran 42 an das Ventilelement 41 an. Wenn eine Kraft, die das Ventilelement 41 durch Blockieren oder aus anderen Gründen am oder nahe am Ausgang 47 fixiert, in Betracht gezogen wird, wirkt eine nach unten gerichtete Blockierungskraft F_I auf das Ventilelement 41.
Um das Ventilelement 41 nach oben zu bewegen, um das Ventil zu öffnen, sollten daher die Kräfte, die in der vertikalen Richtung auf das Ventilelement 41 wirken, die folgende Relation erfüllen: $P_{1} A_{1} + F_{s} > P_{1} A_{2} + P_{2} A_{2} + F_{l}$
Beispielsweise kann der Auslassdruck der Luft, P₁ , angepasst werden, um die Relation zu erfüllen.
Mit Bezug auf 3(B) wird die Schließungsoperation des Sperrventils 40 erläutert. Genauer wird die Operation, mit der das Ventil durch Abwärtsbewegen des Ventilelements 41, das die angehobene und offene Stellung einnimmt, erläutert.
Um das Sperrventil 40 zu schließen, wird ViS (oder VoS) in den leitenden Zustand geschaltet, so dass die ventilschließungsseitige Druckkammer 44 mit dem Fluidströmungsweg (in 1 mit 20 bezeichnet) verbunden wird. Ebenso wird ViC (oder VoC) in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, so dass der Strömungsweg zwischen Ventil der schließungsseitigen Druckkammer 44 und der Umgebungsluft versperrt wird. Dann wird ViO (oder VoO) in den leitenden Zustand geschaltet, um den Strömungsweg zwischen der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 44 und der Umgebungsluft einzurichten, so dass der Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 43 gesenkt wird.
In diesem Zustand wird Kraft an das Ventilelement 41 des Sperrventils 40 angelegt. Wenn P₁ der Auslassdruck des Luftkompressors (AP) ist und A₁ die Fläche der Membran 42 ist, wird der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 erhöht, um den Innendruck P₁ zu erzeugen, da die ventilschließungsseitige Druckkammer 44 mit dem Strömungsweg (in 1 mit 20 bezeichnet) verbunden ist. Infolgedessen wirkt über die Membran 42 eine nach unten gerichtete Kraft P₁A₁ auf das Ventilelement 41.
Da die Luft (mit dem Druck P₁ ) vom Eingang 46 des Sperrventils 40 hereinkommt, um eine direkte Kraft auf das Ventilelement 41 anzulegen, wirkt, wenn A₂ die druckaufnehmende Fläche des Ventilelements 41 ist, außerdem eine nach oben gerichtete Kraft P₁A₂ auf das Ventilelement 41. Ferner erzeugen Federn 45 eine nach oben gerichtete Kraft F_s und legen diese über die Membran 42 an das Ventilelement 41 an.
Um das Ventilelement 41 nach oben zu bewegen, um das Ventil zu öffnen, sollte daher die Relation der Kräfte, die in der vertikalen Richtung auf das Ventilelement 41 wirken, folgendes erfüllen: $P_{1} A_{1} > P_{1} A_{2} + F_{s}$
Beispielsweise wird u.a. der Auslassdruck der Luft, P₁ , so gesteuert, dass diese Relation erfüllt ist.
Es sei darauf hingewiesen, dass oben im Zusammenhang mit 2 und 3 das Sperrventil 40 beschrieben wurde, das zwei Druckkammern nutzt, aber dass auch beispielsweise eine einzige Druckkammer, beispielsweise eine ventilschließungsseitige Druckkammer 43, verwendet werden kann. In diesem Fall wird der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 erhöht, um das Sperrventil 40 zu schließen, um damit die Relation der Kräfte zu erfüllen, um das Ventilelement 41 nach unten zu bewegen. Dagegen wird der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer 43 gesenkt, um das Sperrventil 40 zu öffnen, um die Relation der Kräfte zu erfüllen, um das Ventilelement 41 unter Verwendung der Federkraft der Federn 45 und des Drucks der vom Eingang 46 kommenden Luft nach oben zu bewegen.
Mit Bezug auf 4 und 5 wird nun das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 erläutert. 4 ist eine Darstellung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 und erläutert den Aufbau des Ventils. Das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 ist ein normalerweise geschlossenes Ventil, bei dem im normalen Zustand die Ventilschlie-ßungskraft größer ist als die Ventilöffnungskraft, um das Ventilelement 31 im geschlossenen Zustand zu halten.
Das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 schließt eine Membran 32 ein, in der eine ventilschließungsseitige Druckkammer 33 an der nach oben gerichteten Fläche der Membran 32 vorgesehen ist, und eine ventilöffnungsseitige Druckkammer 34 an deren nach unten gerichteter Fläche vorgesehen ist.
Die Membran 32 wird ansprechend auf einen Druckunterschied zwischen dem Innendruck der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 33 und dem Innendruck der ventilschließungsseitigen Druckkammer 34 in der vertikalen Richtung der Figur nach oben und nach unten bewegt. In 4 sind beispielsweise laterale Enden der Membran 32 fixiert, daher wird der mittlere Teil der Membran 32 nach oben und nach unten verzogen wird. Es liegt auf der Hand, dass auch eine andere Art von Membran 32, bei der die gesamte Membran 32 vertikal verlagert wird, verwendet werden kann. Da die Membran 32 verlagert wird, wird auch das Ventilelement 31, das mit der Membran 32 verbunden ist, verlagert. Infolgedessen wird der Ventilöffnungswinkel des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 entsprechend der Verlagerung der Membran 32 angepasst.
Wenn beispielsweise das Ventilelement 31 durch die Verlagerung der Membran 32 nach oben bewegt wird, Luft vom Fluidströmungsweg 20 über einen Eingang 36 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 eingeführt und wird über einen Ausgang 37 von diesem in den Fluidströmungsweg 20 ausgeführt. Wenn das Ventilelement 31 dagegen durch die Verlagerung der Membran 32 nach unten bewegt wird, um den Ausgang 37 zu verschließen, wird ein Luftstrom vom Fluidströmungsweg 20, der von der Seite des Eingangs 36 zur Seite des Ausgangs 37 strömt, unterbrochen.
Federn 35 sind auf der unteren Seite der Membran 32 vorgesehen, um eine nach oben gerichtete Federkraft an diese anzulegen.
Der Innendruck der ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 und der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 wird von den drei PSVs gesteuert. Genauer wird der Innendruck jeder Druckkammer vom VbS, vom VbC bzw. vom VbO gesteuert.
VbS ist ein Dreiwege-PSV und dient als Dreiwegeventil, das eine der beiden Druckkammern, die eine ventilschließungsseitige Druckkammer 33 und eine ventilöffnungsseitige Druckkammer 34 einschließen, mit dem Fluidströmungsweg 20 verbindet. Genauer verbindet VbS den Drucksteuerungs-Strömungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, entweder mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 führt, oder mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 führt.
Beispielsweise wird VbS von einem Magnetventil gebildet, das den offenen/geschlossenen Zustand des Ventils umschaltet, wenn es mit Leistung versorgt wird. Im ungesteuerten Zustand, wo kein elektrischer Strom zugeführt wird (d.h. im nicht-leitenden Zustand), wählt VbS die ventilschließungsseitige Druckkammer 33 aus. Genauer verbindet VbS, wenn es im nicht-leitenden Zustand ist, den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 führt. Im gesteuerten Zustand, wo ein elektrischer Strom zugeführt wird (d.h. im leitenden Zustand), wählt VbS dagegen die ventilöffnungsseitige Druckkammer34 aus. Genauer verbindet VbS, wenn es im leitenden Zustand ist, den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 führt.
VbC ist ein Zweiwege-PSV und dient als Druckentlastungsventil, um den Innendruck der ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 zu senken. Ein Ende von ViC ist mit dem Drucksteuerungsweg 70 verbunden, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 führt, und das andere Ende von ViC ist zur Umgebungsluft offen.
VbC wird beispielsweise von einem Magnetventil gebildet, das den offenen/geschlossenen Zustand des Ventils wechselt, sobald es mit Leistung versorgt wird. Im ungesteuerten Zustand, wo kein elektrischer Strom zugeführt wird (d.h. im nicht-leitenden Zustand) hält VbC das Ventil geschlossen. Infolgedessen wird der Strömungsweg, der die Umgebungsluft in die ventilschließungsseitige Druckkammer 33 bringen soll, verschlossen, wenn VbC im nicht-leitenden Zustand ist. Dagegen öffnet VbC das Ventil, wenn es im gesteuerten Zustand ist, wo ein elektrischer Strom zum VbC geliefert wird (d.h. im leitenden Zustand). Wenn ViC im leitenden Zustand ist, richtet es somit den Weg zwischen dem Inneren der ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 und der Umgebungsluft ein.
VbO ist ein Zweiwege-PSV und dient als Druckentlastungsventil, um den Innendruck der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 zu senken. Ein Ende von VO ist mit dem Drucksteuerungsweg 70 verbunden, der zur ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 führt, und das andere Ende von VbO ist zur Umgebungsluft hin offen.
VbO wird beispielsweise von einem Magnetventil gebildet, das den offenen/geschlossenen Zustand des Ventils umschaltet, wenn es mit Leistung versorgt wird. Im ungesteuerten Zustand, wo kein elektrischer Strom zugeführt wird (d.h. im nicht-leitenden Zustand), hält VbO das Ventil geschlossen. Infolgedessen wird der Strömungsweg, der die Umgebungsluft in die ventilöffnungsseitige Druckkammer 34 bringen soll, versperrt, wenn VbO im nicht-leitenden Zustand ist. Dagegen öffnet VbO das Ventil, wenn es im gesteuerten Zustand ist, wo ein elektrischer Strom zum VbO geliefert wird (d.h. im leitenden Zustand). Wenn ViC im leitenden Zustand ist, richtet es daher den Weg zwischen dem Inneren der ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 und der Umgebungsluft ein.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den Figuren, die im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform verwendet werden, von einer Vielzahl von Dreiecken, die VbS, VbC und VbO darstellen, gefüllte Dreiecke anzeigen, dass der Drucksteuerungsweg 70 verschlossen ist, während leere Dreiecke anzeigen, dass der Weg offen ist.
Beispielsweise zeigen die gefüllten Dreiecke in 4 an, dass VbS den Drucksteuerungs-Strömungsweg 70, der zur ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 führt, verschließt, während der Drucksteuerungs-Strömungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungs-Strömungsweg 70, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 führt, verbunden ist (d.h. der nicht-leitende Zustand). Ebenso ist in 4 das Dreieck, das für VbC steht, gefüllt, was anzeigt, dass VbC geschlossen (oder im nicht-leitenden Zustand) ist. Das Dreieck, das für VbO steht, ist in 4 ebenfalls gefüllt, was anzeigt, dass VbO ebenfalls geschlossen (oder im nicht-leitenden Zustand) ist.
5 ist eine Darstellung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 und erläutert die Öffnungs- und Schließungsoperationen. Mit Bezug auf 5(A) wird die Operation zum Öffnen des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 erläutert. Genauer wird ein Prozess zum Öffnen des Ventils durch Aufwärtsbewegen des Ventilelements 31, das die abgesenkte und geschlossene Stellung einnimmt, erläutert.
Um das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zu öffnen, wird VbS in den leitenden Zustand geschaltet, so dass die ventilöffnungsseitige Druckkammer 34 mit dem Fluidströmungsweg (in 1 mit 20 bezeichnet) verbunden wird. Ebenso wird VbO in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 und der Umgebungsluft versperrt wird. Ferner wird VbC in den leitenden Zustand geschaltet, um den Strömungsweg zwischen der ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 und der Umgebungsluft einzurichten, so dass der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 gesenkt wird.
In diesem Zustand wird eine Kraft an das Ventilelement 31 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 angelegt. Wenn P₁ der Auslassdruck des Luftkompressors (AP) ist und A₁ die Fläche der Membran 32 ist, dann wird, wenn die ventilöffnungsseitige Druckkammer 34 mit dem Strömungsweg (in 1 mit 20 bezeichnet) verbunden ist, ein Druck an die ventilöffnungsseitige Druckkammer 34 angelegt, um den Innendruck P₁ zu bilden, wodurch eine nach oben gerichtete Kraft P₁A₁ erzeugt wird, die über die Membran 32 auf das Ventilelement 31 wirkt.
Da die vom Eingang 36 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 ankommende Luft (mit einem Druck P₁ ) eine direkte Kraft auf das Ventilelement 31 ausübt, wirkt außerdem eine nach unten gerichtete Kraft P₁A₂ auf das Ventilelement 31, wobei A₂ die druckaufnehmende Fläche des Ventilelements 31 ist. Ferner erzeugen Federn 35 eine abwärts gerichtete Kraft F_s und legen diese über die Membran 32 an das Ventilelement 31 an. Wenn eine Kraft, die das Ventilelement 31 durch Blockieren oder aus anderen Gründen am oder nahe am Ausgang 37 fixieren soll, in Betracht gezogen wird, wirkt eine abwärts gerichtete Blockierungskraft F_I auf das Ventilelement 31.
Um das Ventilelement 31 aufwärts zu bewegen, um das Ventil zu öffnen, sollten somit die Kräfte, die in der vertikalen Richtung auf das Ventilelement 31 wirken, die folgende Relation erfüllen: $P_{1} A_{1} > P_{1} A_{2} + F_{s} + F_{I}$
Beispielsweise kann der Auslassdruck der Luft, P₁ , angepasst werden, um diese Relation zu erfüllen.
Nun wird mit Bezug auf 5(B) die Operation zum Schließen des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 erläutert. Genauer wird ein Prozess zum Öffnen des Ventils durch Abwärtsbewegen des Ventilelements 31, das die angehobene und offene Stellung einnimmt, erläutert.
Um das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zu schließen, wird VbS in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, so dass die ventilschließungsseitige Druckkammer 33 mit dem Fluidströmungsweg (in 1 mit 20 bezeichnet) verbunden wird. Ebenso wird VbC in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilschließungsseitigen Druckkammer 33 und der Umgebungsluft versperrt wird. Ferner wird VbO in den leitenden Zustand geschaltet, um den Strömungsweg zwischen der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 und der Umgebungsluft einzurichten, so dass der Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer gesenkt wird.
In diesem Zustand wird eine Kraft an das Ventilelement 31 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 angelegt. Wenn P₁ ist der Ablassdruck des Luftkompressors (AP) ist und A₁ die Fläche der Membran 32 ist, dann wird, da die ventilschließungsseitige Druckkammer 33 mit dem Strömungsweg (in 1 mit 20 bezeichnet) verbunden ist, ein Druck an die ventilschließungsseitige Druckkammer 33 angelegt, um den Innendruck P₁ zu bilden, wodurch eine abwärts gerichtete Kraft P₁A₁ erzeugt wird, die über die Membran 32 auf das Ventilelement 31 wirkt.
Da die vom Eingang 36 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 ankommende Luft (mit einem Druck P₁ ) eine direkte Kraft auf das Ventilelement 31 ausübt, wirkt außerdem eine abwärts gerichtete Kraft P₁A₂ auf das Ventilelement 31, wobei A₂ die druckaufnehmende Fläche des Ventilelements 31 ist. Ferner erzeugen Federn 35 eine abwärts gerichtete Kraft F_s und legen diese über die Membran 32 an das Ventilelement 31 an.
Um das Ventilelement 31 abwärts zu bewegen, um das Ventil zu schießen, sollten daher die Kräfte, die in der vertikalen Richtung auf das Ventilelement 31 wirken, die folgende Relation erfüllen: $F_{s} + P_{1} A_{1} > P_{1} A_{2}$
Beispielsweise kann der Ablassdruck der Luft, P₁ , angepasst werden, um diese Relation zu erfüllen.
Es sei darauf hingewiesen, dass oben mit Bezug auf 4 und 5 das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 beschrieben wurde, das zwei Druckkammern verwendet, aber es kann beispielsweise auch nur eine ventilöffnungsseitige Druckkammer 34 verwendet werden. In diesem Fall wird der Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 erhöht, um das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zu öffnen, um die Relation der Kräfte für die Aufwärtsbewegung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 zu erfüllen. Dagegen wird der Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer 34 gesenkt, um die Relation der Kraft zu erfüllen, um das Ventilelement 31 unter Verwendung der Federkraft der Federn 45 nach unten zu bewegen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform werden das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das eingangsseitige Sperrventil 40A und das ausgangsseitige Sperrventil 40B gemäß den Bedingungen und anderen Faktoren des Brennstoffzellenstapels 10 gesteuert. Mit Bezug auf 6 - 12 wird nun ein Prozess für die Steuerung jedes einzelnen Ventils gemäß den Bedingungen und anderen Faktoren des Brennstoffzellenstapels 10 erläutert. Es sei darauf hingewiesen, dass in 6 - 12 der Luftstrom des Fluidströmungswegs 20 und andere Dinge auf der Darstellung des gesamten Brennstoffzellensystems von 1 basieren, so dass Teile, die bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben wurden, nicht wiederholt werden.
6 ist eine Darstellung des Brennstoffzellensystems von 1 und erläutert, wie dieses im Normalbetrieb arbeitet. Im Normalbetrieb erzeugt der Brennstoffzellenstapel 10 des Brennstoffzellensystems Leistung. Genauer wird die befeuchtete Luft in den Brennstoffzellenstapel 10 eingeführt und wird dann nach der Reaktion aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgeführt.
Im Normalbetrieb ist das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geschlossen, und sowohl das eingangsseitige als auch das ausgangsseitige Sperrventil 40A, B sind geöffnet. Der Luftkompressor (AP) ist in Betrieb, so dass die Luft, die aus dem Luftkompressor ausgeführt wird, dem Befeuchtungsmodul 50, dem Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 und dem Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 zugeführt wird.
Die Luft, die vom Luftkompressor zum Befeuchtungsmodul 50 geliefert wird, wird befeuchtet und über das eingangsseitige Sperrventil 40A, das im offenen Zustand ist, zugeführt. Die vom Luftkompressor zum Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 gelieferte Luft wird von dem Ventil blockiert, da dieses geschlossen ist. Ebenso ist das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 geschlossen, um den Luftstrom zu unterbrechen.
Nach der Reaktion wird die aus dem Brennstoffzellensystem 10 ausgeführte Luft in die Umgebungsluft entlassen, nachdem sie ein Luftdruck-Steuerventil 90, das den Gegendruck steuert, das eingangsseitige Sperrventil 40A, das im offenen Zustand ist, das Befeuchtungsmodul 50 und die Verdünnungseinrichtung 60 durchströmt hat.
Im Normalbetrieb sind ViS, ViC und ViO, die das eingangsseitige Sperrventil 40A steuern, im nicht-leitenden Zustand. Genauer hat ViS die ventilöffnungsseitige Druckkammer (in 2 mit 44 bezeichnet) ausgewählt, und ViC und ViO sind geschlossen. In diesem Zustand wird der Druck im Inneren der ventilöffnungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A durch den Auslassdruck der Luft, die aus dem Luftkompressor ausgestoßen wird, erhöht, so dass eine Kraft in der Richtung, die das Ventil öffnet, an das Ventilelement (in 2 mit 41 bezeichnet) angelegt wird. Ebenso legen die Federn (in 2 mit 45 bezeichnet), die im eingangsseitigen Sperrventil 40A vorgesehen sind, eine Kraft in der Richtung, die das Ventil öffnet, an das Ventilelement an. Ferner legt die vom Eingang (in 2 mit 46 bezeichnet) des eingangsseitigen Sperrventils 40A ankommende Luft eine Kraft in der Richtung, die das Ventil öffnet, an das Ventilelement an. Infolgedessen kann der offene Zustand oder der Normalzustand des eingangsseitigen Sperrventils 40A beibehalten werden, auch wenn ViS, ViC und ViO alle im nicht-leitenden Zustand sind.
Außerdem befinden sich VoS, VoC und VoO, die das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 steuern, im Normalbetrieb auch im nicht-leitenden Zustand. Ebenso wie im Fall des eingangsseitigen Sperrventils 40A kann der geschlossene Zustand oder die Normalbedingung des ausgangsseitigen Sperrventils 40B auch dann aufrechterhalten werden, wenn VoS, VoC und VoO alle im nicht-leitenden Zustand sind.
Ferner sind im Normalbetrieb VbS, VbC und VbO, die das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 steuern, auch im nicht-leitenden Zustand. Genauer hat VbS die ventilschließungsseitige Druckkammer (in 4 mit 33 bezeichnet) ausgewählt, und VbC und VbO sind geschlossen. In diesem Zustand wird der Druck im Inneren der ventilschließungsseitigen Druckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 durch den Auslassdruck der Luft, die aus dem Luftkompressor ausgestoßen wird, erhöht, so dass eine Kraft in der Richtung, die das Ventil schließt, an das Ventilelement (in 4 mit 31 bezeichnet) angelegt wird. Außerdem legen die Federn (in 4 mit 35 bezeichnet), die im eingangsseitigen Sperrventil 40A vorgesehen sind, eine Kraft in der Richtung, die das Ventil schließt, an das Ventilelement an. Ferner legt die vom Einlass (in 4 mit 36 bezeichnet) des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 ankommende Luft eine Kraft in der Richtung, die das Ventil schließt, an das Ventilelement an. Infolgedessen kann der offene Zustand oder der Normalzustand des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 beibehalten werden, auch wenn VbS, VbC und VbO alle im nicht-leitenden Zustand sind.
7 ist eine Darstellung des Brennstoffzellensystems von 1 und erläutert, wie dieses arbeitet, wenn ein Befehl zur Unterbrechung des Betriebs ausgegeben wird. Der dargestellte Zustand wird durch eine Betätigung von Benutzern, beispielsweise für eine Unterbrechung des Betriebs des Brennstoffzellensystems, ermöglicht.
Wenn die Anweisung zur Unterbrechung des Betriebs ausgegeben wird, wird die Steuerung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 vom geschlossenen Zustand in den offenen Zustand umgeschaltet. Der Prozess zum Öffnen des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 wurde oben beschrieben (siehe 5). Genauer wird ein elektrischer Strom zum VbS geliefert, so dass die ventilöffnungsseitige Druckkammer (in 5 mit 34 bezeichnet) mit dem Fluidströmungsweg 20 verbunden wird. Dagegen ist VbO im nicht-leitenden Zustand, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilöffnungsseitigen Druckkammer und der Umgebungsluft versperrt ist. Ebenso wird ein elektrischer Strom zum VbC geliefert, so dass der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer (in 5 mit 33 bezeichnet) gesenkt wird. Infolgedessen wird das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geöffnet. Wenn das Ventil geöffnet wird, wird die aus dem Luftkompressor ausgeführte Luft über das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert.
Wenn die Unterbrechungsanordnung ausgegeben wird, werden sowohl das eingangsseitige als auch das ausgangsseitige Sperrventil 40A, B weiter offen gehalten, wie im Normalbetrieb (siehe 6). ViS, ViC und ViO, die das eingangsseitige Sperrventil 40A steuern, sind im nicht-leitenden Zustand. Ebenso sind VoS, VoC und VoO, die das ausgangsseitige Sperrventils 40B steuern, im nicht-leitenden Zustand.
Die Luft, die vom Luftkompressor zum Befeuchtungsmodul 50 geliefert wird, wird befeuchtet und über das eingangsseitige Sperrventil 40A, das im geöffneten Zustand ist, zum Brennstoffzellenstapel 10 geliefert. Das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 wird geschlossen, um den Luftstrom zu unterbrechen.
Nach der Reaktion wird die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgeführte Luft in die Umgebungsluft entlassen, nachdem sie durch das Luftdruck-Steuerventil 90, das den Gegendruck steuert, das eingangsseitige Sperrventil 40B, das die offene Stellung einnimmt, das Befeuchtungsmodul 50 und die Verdünnungseinrichtung 60 geströmt ist
8 ist eine Darstellung eines Brennstoffzellensystems und erläutert, wie es während einer Reinigungsoperation arbeitet. Die Reinigungsoperation wird beispielsweise durchgeführt, um Wasser auszuführen, das im Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt wurde. Beispielsweise wird die Reinigungsoperation in einem Zeitraum ab der Ausgabe des Befehls, den Betrieb zu unterbrechen (siehe 7) bis zur tatsächlichen Unterbrechung des Betriebs im Brennstoffzellensystem durchgeführt.
Während der Reinigungsoperation wird die Steuerung des eingangsseitigen Sperrventils 40A vom offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet. Der Prozess, in dem das eingangsseitige Sperrventil 40A geschlossen wird, wurde oben beschrieben (siehe 3). Genauer wird der elektrische Strom zum ViS geliefert, so dass die ventilschließungsseitige Druckkammer (in 3 mit 43 bezeichnet) mit dem Fluidströmungsweg 20 verbunden wird. ViC ist im nicht-leitenden Zustand, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilschließungsseitigen Duckkammer und der Umgebungsluft versperrt ist. Ebenso wird ViO elektrischer Strom zugeführt, so dass der Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer (in 3 mit 44 bezeichnet) sinkt. Wenn das eingangsseitige Sperrventil 40A geschlossen wird, ist in diesem Zustand der Luftstrom zum Brennstoffzellenstapel 10 über das eingangsseitige Sperrventil 40A unterbrochen.
Während der Reinigungsoperation ist das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 im offenen Zustand, wie in dem Fall der Ausgabe eines Befehls zur Unterbrechung des Betriebs (siehe 7). VbS und VbC, die das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 steuern, sind im leitenden Zustand und VoO ist im nicht-leitenden Zustand. Da das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 offen ist, wird die Luft, die aus dem Luftkompressor ausgeführt wird, dem Brennstoffzellenstapel 10 über das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zugeführt.
Außerdem ist während des Reinigungsbetriebs auch das ausgangsseitige Sperrventil 40B im offenen Zustand, wie im Falle der Ausgabe des Befehls, den Betrieb zu unterbrechen (siehe 7).
VoS, VoC und VoO, die das ausgangsseitige Sperrventil 40B steuern, sind alle im nicht-leitenden Zustand. Da das ausgangsseitige Sperrventil 40B offen ist, wird die Luft, die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgeführt wird, in die Umgebungsluft entlassen, nachdem sie durch das Luftdruck-Steuerventil 90, das den Gegendruck steuert, das eingangsseitige Sperrventil 4B, das im offenen Zustand ist, das Befeuchtungsmodul 50 und die Verdünnungseinrichtung 60 geströmt ist.
Ferner wird vorzugsweise während der Reinigungsoperation das Luftdruck-Steuerventil 90 vollständig geöffnet, um erzeugtes Wasser und dergleichen wirksam aus dem Brennstoffzellenstapel 10 auszuführen. Das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 wird geschlossen, um den Luftstrom abzusperren.
9 ist eine Darstellung des Brennstoffzellensystems und erläutert, wie dieses nach Beendigung der Reinigungsoperation arbeitet, und die Figur zeigt das Brennstoffzellensystem unmittelbar nach der Reinigungsoperation.
Nach der Reinigung wird die Steuerung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet. Der Prozess, mit dem das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geschlossen wird, wurde oben beschrieben (siehe 5). Genauer wird VbS nicht-leitend gemacht, so dass die ventilschließungsseitige Druckkammer (in 5 mit 33 bezeichnet) mit dem Fluidströmungsweg 20 verbunden wird. Ebenso wird VbC nicht-leitend gemacht, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilschließungsseitigen Druckkammer und der Umgebungsluft versperrt wird. VbO wird leitend gemacht, so dass der Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer (in 5 mit 34 bezeichnet) gesenkt wird. Wenn das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geschlossen wird, wird somit der Luftstrom zum Brennstoffzellenstapel 10 über das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 unterbrochen.
Nach der Reinigung wird die Steuerung des Auslass-Sperrventils 40B aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand geschaltet. Der Prozess, in dem das ausgangsseitige Sperrventil 40B geschlossen wird, wurde oben beschrieben (siehe 3). Genauer wird VoS leitend gemacht, so dass die ventilschließungsseitige Druckkammer (in 3 mit 43 bezeichnet) mit dem Fluidströmungsweg 20 verbunden wird. VoC wird nicht-leitend gemacht, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilschließungsseitigen Druckkammer und der Umgebungsluft versperrt wird. Ebenso wird VoO leitend gemacht, so dass der Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer (in 3 mit 44 bezeichnet) sinkt.
Außerdem ist das eingangsseitige Sperrventil 40A nach der Reinigung immer noch geschlossen, wie während der Reinigungsoperation. ViS und ViO, die das eingangsseitige Sperrventil 40A steuern, sind im leitenden Zustand, und ViC ist im nicht-leitenden Zustand. Da das eingangsseitige Sperrventil 40A geschlossen ist, ist der Luftstrom zum Brennstoffzellenstapel 10 über das eingangsseitige Sperrventil 40A unterbrochen.
Ferner ist der Luftkompressor (AP) nach dem Reinigen in Betrieb, so dass der Auslassdruck der Luft, die aus dem Luftkompressor ausgeführt wird, einen Druck auf die ventilschließungsseitigen Druckkammern des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30, des eingangsseitigen Sperrventils 40A und des ausgangsseitigen Sperrventils 40B ausübt. Das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 ist geschlossen, so dass der Luftstrom unterbrochen ist.
10 ist eine Darstellung des Brennstoffzellensystems von 1 und erläutert, wie dieses arbeitet, während der Betrieb unterbrochen ist, und die Figur zeigt das Brennstoffzellensystem unmittelbar nach Beendigung der Reinigungsoperation (oder unmittelbar nach Unterbrechung des Betriebs) bis zur Ausgabe des Befehls, den Betrieb wieder aufzunehmen.
Während der Betriebsunterbrechung werden sowohl das eingangsseitige als auch das ausgangsseitige Sperrventil 40A, B geschlossen gehalten. Um diese Sperrventile 40A, B geschlossen zu halten, wird in dieser Ausführungsform die ventilschließungsseitige Druckkammer (in 2 mit 43 bezeichnet) abgedichtet bzw. verschlossen, um ihren Innendruck aufrechtzuerhalten. Ein Prozess, in dem die Druckkammer abgedichtet wird und ihr Innendruck aufrechterhalten wird, wird nachstehend beschrieben.
Nach der Reinigung empfängt die ventilschließungsseitige Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A den Auslassdruck von der Luft, die aus dem Luftkompressor ausgestoßen wird. In diesem Zustand ist die Zufuhr von elektrischem Strom zum ViS unterbrochen, so dass der Drucksteuerungs-Strömungsweg 70, der zur ventilschließungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A führt, versperrt ist. Dabei ist ViC im nicht-leitenden Zustand, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilschließungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A und der Umgebungsluft ebenfalls versperrt ist. Infolgedessen ist die ventilschließungsseitige Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A abgedichtet, während sie unter Druck steht.
Danach wird der Luftkompressor angehalten und die Zufuhr von elektrischem Strom zum ViO wird ebenfalls unterbrochen. Wenn sowohl ViS und ViO im nicht-leitenden Zustand sind, ist die ventilöffnungsseitige Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A mit dem Fluidströmungsweg 20 verbunden. Da der Luftkompressor angehalten wurde und der Innendruck des Fluidströmungswegs 20 auf Atmosphärendruck gebracht wurde, wird jedoch kein Druck auf die ventilöffnungsseitige Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A ausgeübt. Es sei darauf hingewiesen, dass es nach Anhalten des Luftkompressors möglicht ist, den Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A durch die Zufuhr von elektrischem Strom zum ViO zu senken.
Infolge der oben beschriebenen Operation wird, da ViS, ViC und ViO im nicht-leitenden Zustand sind, wie in 10 dargestellt, die ventilschließungsseitige Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A unter Druck gehalten und wird deren Ventilschließungsseite druckentlastet gehalten (d.h. bei Umgebungsdruck). Somit wird durch den Druckunterschied zwischen der ventilschließungsseitigen Druckkammer und der ventilöffnungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A eine Kraft erzeugt, und diese Kraft wird in der Richtung, die das Ventils schließt, an das Ventilelement (in 2 mit 41 bezeichnet) angelegt. Wenn die Kraft größer ist als beispielsweise die Federkraft der Federn (in 3 mit 45 bezeichnet), wird das eingangsseitige Sperrventil 40A geschlossen gehalten. Wie oben beschrieben (siehe 3), kann eine andere Kraft, die das Ventilelement schließen soll, wie ein negativer Druck im Brennstoffzellenstapel oder die Blockierungskraft, angelegt werden.
Das ausgangsseitige Sperrventil 40B kann durch eine Operation, die derjenigen ähnlich ist, die für das eingangsseitige Sperrventil 40A beschrieben wurde, ebenfalls geschlossen gehalten werden. Genauer wird nach der Reinigung (siehe 9) die Zufuhr von elektrischem Strom zum VoS unterbrochen, der Betrieb des Luftkompressors wird angehalten und die Zufuhr von elektrischem Strom zum VoO wird unterbrochen, so dass das ausgangsseitige Sperrventil 40B geschlossen gehalten wird, wobei VoS, VoC und VoO im nicht-leitenden Zustand sind, wie in 10 dargestellt.
Wie oben beschrieben, ist es in dieser Ausführungsform möglich, das eingangsseitige Sperrventil 40A geschlossen zu halten oder es im Ausnahmezustand zu halten, auch wenn ViS, ViC und ViO im nicht-leitenden Zustand sind. Es ist außerdem möglich, das ausgangsseitige Sperrventil 40B geschlossen zu halten oder es im Ausnahmezustand zu halten, auch wenn VoS, VoC und VoO im nicht-leitenden Zustand sind.
Ferner wird das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geschlossen, wenn der Betrieb unterbrochen wird. Genauer wird das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 nach der Reinigung (siehe 9) geschlossen, und elektrischer Strom wird zum VbO geliefert, um den Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer des Ventils zu senken. Danach wird die Zufuhr von elektrischem Strom zum VbO während der Betriebsunterbrechung unterbrochen, wie in 10 dargestellt, so dass VbS, VbC und VbO alle im nicht-leitenden Zustand sind. Es sei darauf hingewiesen, dass bei angehaltenem Luftkompressor die die ventilschließungsseitige Druckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 nicht unter Druck steht, wie in 10 dargestellt. Dies bewirkt, dass der Innendruck sowohl der ventilöffnungsseitigen wie auch der ventilschließungsseitigen Druckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 beim Atmosphärendruck liegt, so dass das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 durch die Federkraft der Federn (in 4 mit 35 bezeichnet) geschlossen (oder im normalen Zustand) gehalten wird. Wie oben beschrieben (siehe 5), kann auch eine andere Kraft, die das Ventilelement schließen soll, wie der negative Druck im Brennstoffzellenstapel oder die Blockierungskraft, angelegt werden.
Somit können in dieser Ausführungsform alle drei Ventile, einschließlich des eingangsseitigen Sperrventils 40A, des ausgangsseitigen Sperrventils 40B und des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30, im geschlossenen Zustand gehalten werden, wobei alle neun PSVs, die in 10 dargestellt sind, im nicht-leitenden Zustand sind.
11 ist eine Darstellung des Brennstoffzellensystems und erläutert, wie dieses arbeitet, wenn der Befehl zum Starten des Betriebs ausgegeben wird. Der dargestellte Zustand wird durch eine Betätigung von Benutzern ermöglicht, beispielsweise um den Betrieb des Brennstoffzellensystems im Anschluss an den Betriebsunterbrechungszustand wieder aufzunehmen (siehe 10).
Wenn der Befehl zum Starten des Betriebs ausgegeben wird, wird eine Vorbereitungsoperation zum Öffnen der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Ventile 40A, B durchgeführt. Genauer wird elektrischer Strom zum ViC geliefert, um den Druck der ventilschließungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils 40A, das während der Betriebsunterbrechung unter Druck gehalten wird (siehe 10), zu senken. Der elektrische Strom wird auch zum VoC geliefert, um den Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer des ausgangsseitigen Sperrventils 40B, das während der Betriebsunterbrechung unter Druck gehalten wird, zu senken (siehe 10).
Wenn der Startbefehl ausgegeben wird, ist das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 immer noch geschlossen (siehe 10), ebenso wie der Luftkompressor.
12 ist eine Darstellung des Brennstoffzellensystems von 1 und erläutert, wie dieses beim Start arbeitet. Der dargestellte Zustand wird nach Ausgabe des Startbefehls eingerichtet (siehe 1) und wird beibehalten, bis das Brennstoffzellensystem seinen Betrieb aufnimmt.
Beim Starten nimmt der Luftkompressor (AP), der bis zur Ausgabe des Startbefehls angehalten war, seinen Betrieb wieder auf, so dass die Luft, die aus dem Luftkompressor ausgestoßen wird, über das Befeuchtungsmodul 50 zum eingangsseitigen Sperrventil 40A und außerdem zum Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 und zum Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 geliefert wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der Auslassdruck der Luft, die aus dem Luftkompressor ausgestoßen wird, entsprechend dem Ventilöffnungswinkel des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 80 angemessen gesteuert wird. Die Luft durchströmt das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 und wird über die Verdünnungseinrichtung 60 in die Umgebungsluft entlassen.
Somit wird beim Starten der Luftkompressor aktiviert, um den Luftstrom durch den Fluidströmungsweg 20 zu starten. Durch den Auslassdruck der Luft werden sowohl das eingangsseitige als auch das ausgangsseitige Sperrventil 40A, B aus dem geschlossenen Zustand in den offenen Zustand umgeschaltet.
Die Operation, mit der die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Sperrventile 40A, B geöffnet werden, wurde oben beschrieben (siehe 3). Genauer ist Vis (oder VoS) im nicht-leitenden Zustand, so dass die ventilöffnungsseitige Druckkammer (in 3 mit 44 bezeichnet) mit dem Fluidströmungsweg 20 verbunden ist. ViO (oder VoO) ist im nicht-leitenden Zustand, so dass der Strömungsweg zwischen der ventilöffnungsseitigen Druckkammer und der Umgebungsluft versperrt ist. Dann wird der elektrische Strom zum ViC (oder VoC) geliefert, um den Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer (in 3 mit 43 bezeichnet) zu senken. Infolgedessen werden die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Sperrventile 40A, B geöffnet. Danach wird das Brennstoffzellensystem in den Normalbetriebszustand geschaltet, wie in 6 dargestellt.
Genauer wird, wenn die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Sperrventile 40A, B offen sind, wie in 6 dargestellt, die Luft über das eingangsseitige Sperrventil 40A in den Brennstoffzellenstapel 10 geliefert. Nach der Reaktion durchströmt die Luft, die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgestoßen wird, das Luftdruck-Anpassungsventil 90, bevor sie das ausgangsseitige Sperrventil 40B erreicht, und wird von dort ausgeführt, da dieses offen ist. Im Normalbetrieb sind alle in 6 dargestellten PSVs im nicht-leitenden Zustand. Genauer wird der elektrische Strom während des Startens zu ViC und VoC geliefert (siehe 12), aber die Zufuhr von elektrischem Strom wird unterbrochen, wenn der Normalbetrieb beginnt.
Wie oben beschrieben, wird in der in 6 - 12 dargestellten Ausführungsform jedes Ventil gemäß dem Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 gesteuert. Es sei darauf hingewiesen, dass im oben beschriebenen Steuerungsprozess, beispielsweise bei der Startsteuerung, die in 11 dargestellt ist, der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Startventils 40A durch die Zufuhr von elektrischem Strom zum ViC gesenkt wird und der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer durch die Zufuhr von elektrischem Strom zum VoC gesenkt wird. In dieser Ausführungsform kann der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer jedoch gesenkt werden, während ViC und VoC geschlossen gehalten werden.
13 ist ein Ablaufschema, das die Operation erläutert, mit der der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils (in 1 mit 40A bezeichnet) gesenkt wird. Zunächst wird, wenn ein Befehl zum Öffnen des eingangsseitigen Sperrenventils vom Steuerabschnitt oder dergleichen ausgegeben wird (S1301), bestimmt, ob die ventilschließungsseitige Druckkammer (in 2 mit 43 bezeichnet) des Einlass-Sperrventils unter Druck steht oder nicht (S1302). Wenn die ventilschließungsseitige Druckkammer nicht unter Druck steht, wird die Drucksenkungsoperation übersprungen und der Prozess geht zu S1307 weiter, wo die Ventilöffnungsoperation ausgeführt wird.
Wenn die ventilschließungsseitige Druckkammer unter Druck steht, wird bestimmt, ob das Druckentlastungsventil ViC funktionsfähig ist oder nicht (S1303). Wenn ViC funktionsfähig ist, wird elektrischer Strom zum ViC geliefert, um den Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer zu senken (S1306).
Wenn dagegen Verbindungsunterbrechungen oder dergleichen in den Drähten gefunden werden, die den elektrischen Strom zum ViC liefern sollen, wird bestimmt, dass ViC defekt und nicht funktionsfähig ist. Es sei darauf hingewiesen, dass in dieser Ausführungsform auch ohne ViC oder wenn der Drucksteuerungs-Strömungsweg 70 ständig geschlossen ist, wenn ViC angeordnet ist wie in 1 dargestellt, der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils auf die nachstehend beschriebene Weise gesenkt werden kann.
Wenn ViC aufgrund von Defekten oder dergleichen nicht funktionsfähig ist oder wenn ViC nicht vorhanden ist, wird der Luftkompressor (AP) angehalten (S1304). Dann wird elektrischer Strom zum ViS geliefert, um die ventilschließungsseitige Druckkammer mit dem Fluidströmungsweg zu verbinden. Dabei ist der Luftkompressor angehalten und das Innere des Fluidströmungswegs weist Atmosphärendruck auf, so dass der Druck in der ventilschließungsseitigen Druckkammer durch Verbinden der ventilschließungsseitigen Druckkammer mit dem Fluidströmungsweg gesenkt werden kann (S1305).
Wenn die Drucksenkung in der ventilschließungsseitigen Druckkammer abgeschlossen ist, wird die Zufuhr des elektrischen Stroms zum ViS unterbrochen (S1307). Durch Schalten von ViS in den nicht-leitenden Zustand wird die ventilöffnungsseitige Druckkammer mit dem Fluidströmungsweg verbunden. In diesem Zustand wird der Luftkompressor aktiviert und legt Druck an die ventilöffnungsseitige Druckkammer (S1308) an, wodurch ein Druckunterschied zwischen der ventilöffnungsseitigen Druckkammer und der druckentlasteten ventilschließungsseitigen Druckkammer erzeugt wird. Infolgedessen ist das eingangsseitige Sperrventil offen (S1309).
Wie in 13 dargestellt, kann die Drucksenkung in der ventilschließungsseitigen Druckkammer des Einlass-Sperrventils ohne Verwendung von ViC ausgeführt werden. Dieser Drucksenkungsprozess kann angewendet werden, um den Druck in der ventilöffnungsseitigen Druckkammer des eingangsseitigen Sperrventils oder in anderen Druckkammern zu senken. Genauer werden nach dem Anhalten des Luftkompressors VbS, ViS oder VoS auf geeignete Weise betätigt, um die Druckkammer, deren Druck gesenkt werden muss, mit dem Fluidströmungsweg zu verbinden.
In dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem wird ein Ende jedes Druckentlastungs-PSV (VbC, VbO, ViC, ViO, VoC, VoO) mit dem Drucksteuerungs-Fluidströmungsweg 70 verbunden, der zur Druckkammer führt, und das andere Ende des Ventils wird mit der Umgebungsluft verbunden. Stattdessen kann das andere Ende des Druckentlastungs-PSV stromaufwärts vom Luftkompressor angeschlossen werden.
14 ist eine Darstellung eines gesamten Brennstoffzellensystems, in dem die Druckentlastungs-PSVs an der stromaufwärtigen Seite des Luftkompressors angeschlossen sind. In dem Brennstoffzellensystem von 14 ist das andere Ende jedes Druckentlastungs-PSV (VbC, VbO, ViC, ViO, VoC, VoO) an der stromaufwärtigen Seite des Luftkompressors (AP) über den Drucksteuerungs-Fluidströmungsweg 70 angeschlossen.
Der Luftkompressor saugt über den Luftreiniger 100 Luft von der Umgebungsluft durch den Fluidströmungsweg 20 ein. Wenn der Luftkompressor in Betrieb ist, wird auf der stromabwärtigen Seite des Luftkompressors (oder auf der Seite des Druckmessers P1) der Auslassdruck erzeugt. Dagegen wird ein negativer Druck an der stromaufwärtigen Seite des Luftkompressors erzeugt.
In dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem wird jedem einzelnen PSV elektrischer Strom zugeführt, um den Strömungsweg zwischen der entsprechenden Druckkammer, die zu dem jeweiligen PSV gehört, einzurichten, um den Druck in der Druckkammer zu senken.
Dagegen wird in dem in 14 dargestellten Brennstoffzellensystem die Senkung des Drucks in der Druckkammer unter Verwendung des negativen Drucks durchgeführt, der an der stromaufwärtigen Seite des Luftkompressors erzeugt wird. Genauer wird elektrischer Strom zum Druckentlastungs-PSV geliefert, um den Strömungsweg zwischen der entsprechenden Druckkammer, die zur Druckkammer gehört, und der stromaufwärtigen Seite des Luftkompressors einzurichten. Infolgedessen wird der negative Druck auf der stromaufwärtigen Seite des Luftkompressors erzeugt und der Druck in der Druckkammer wird unter Verwendung des negativen Drucks gesenkt.
Im Aufbau von 14 ist der Drucksteuerungs-Strömungsweg 70 vorzugsweise nahe dem Luftkompressor angeschlossen. Es sei darauf hingewiesen, dass der Rest (die anderen Komponenten) des Brennstoffzellensystems von 14 dem Brennstoffzellensystem von 1 ähnlich ist, und seine Beschreibung wird hier nicht wiederholt.

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (10); einen Fluidströmungsweg (20), der mit der Brennstoffzelle (10) verbunden ist; und ein Fluidsteuerventil (30, 40A, 40B), das im Fluidströmungsweg (20) vorgesehen ist, wobei das Fluidsteuerventil (30, 40A, 40B) aufweist: ein Ventilelement (31, 41), das ansprechend auf einen Druckunterschied zwischen einem Ventilöffnungsdruck und einem Ventilschließungsdruck aktiviert wird, eine ventilöffnungsseitige Druckkammer (34, 44), die den Ventilöffnungsdruck an das Ventilelement (31, 41) anlegt, und eine ventilschließungsseitige Druckkammer (33, 43), die den Ventilschließungsdruck an das Ventilelement (31, 41) anlegt, wobei entweder die ventilöffnungsseitige Druckkammer (34, 44) oder die ventilschließungsseitige Druckkammer (33, 43) abgedichtet wird, um den offenen/geschlossenen Zustand des Ventilelements (31, 41) aufrechtzuerhalten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei von den Ventilöffnungs- und Ventilschließungsdrücken des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) in einem normalen Zustand ein Ventildruck größer als der andere Ventildruck ist, und wobei in einem nicht-normalen Zustand der andere Ventildruck größer ist als der eine Ventildruck, wenn die ventilseitige Druckkammer (34, 44) oder die ventilschließungsseitige Druckkammer (33, 43), die dem anderen Ventildruck entspricht, abgedichtet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Fluidsteuerventil (40A, 40B) ein Ventil ist, das im normalen Zustand offen ist und in dem der Ventilöffnungsdruck höher ist als der Ventilschließungsdruck, um das Ventilelement (41) im normalen Zustand offen zu halten, und wobei das Fluidsteuerventil (40A, 40B) auf der Eingangsseite und/oder der Ausgangsseite für ein Fluid der Brennstoffzelle (10) vorgesehen ist und im nicht-normalen Zustand als Sperrventil dient, da es das Ventilelement (41) in den geschlossenen Zustand schaltet, wenn der Ventilschließungsdruck größer ist als der Ventilöffnungsdruck.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: ein Dreiwegeventil (VbS, ViS, VoS) für die selektive Verbindung einer Druckkammer von den beiden Druckkammern (33,34,43,44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) mit dem Fluidströmungsweg (20), wobei ein Innendruck der beiden Druckkammern (33,34,43, 44) unter Verwendung eines Drucks des Fluids, das über das Dreiwegeventil (VbS, ViS, VoS) übertragen wird, gesteuert wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das Dreiwegeventil (VbS, ViS, VoS) in einem ungesteuerten Zustand eine der beiden Druckkammern (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) mit dem Fluidströmungsweg (20) verbindet und in einem gesteuerten Zustand die andere Druckkammer von den beiden Druckkammern (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) mit dem Fluidströmungsweg (20) verbindet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei von den Ventilöffnungs- und Ventilschließungsdrücken des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) die Druckkammer (33, 34, 43, 44), die einem Ventildruck entspricht, der im normalen Zustand größer ist als der andere Ventildruck, mit dem Fluidströmungsweg (20) verbunden wird, so dass der Druck im Inneren der Druckkammer (33, 34, 43, 44) erhöht wird, um das Fluidsteuerventil (30, 40A, 40B) im normalen Zustand zu halten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Druck im Inneren einer Druckkammer von den beiden Druckkammern (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) gesenkt wird, gefolgt von einer Erhöhung des Drucks im Inneren der anderen Druckkammer, um das Fluidsteuerventil (30, 40A, 40B) aus dem normalen Zustand in den nicht-normalen Zustand zu bringen, und umgekehrt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Kompressor (AP) zum Umwälzen eines Fluids auf dem Fluidströmungsweg (20); und einen Druckentlastungs-Strömungsweg (70) für die Verbindung der Druckkammer (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) mit einer stromaufwärtigen Seite des Kompressors (AP), wobei der Druck in der Druckkammer (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) unter Verwendung eines Drucks von der stromaufwärtigen Seite des Kompressors (AP), der kleiner ist als der Druck auf einer stromabwärtigen Seite des Kompressors (AP), gesenkt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Druckkammer (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) mit dem Fluidströmungsweg (20) verbunden wird, gefolgt vom Anhalten des Kompressors (AP) für die Umwälzung des Fluids auf dem Fluidströmungsweg (20), um den Innendruck der Druckkammer (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) zu senken.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, ferner aufweisend: ein Druckentlastungsventil (VbC, VbO, ViC, ViO, VoC, VoO) für die Senkung des Innendrucks einer der Druckkammern (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B), wobei bei Vorliegen eines nicht-normalen Zustands im Druckentlastungsventil (VbC, VbO, ViC, ViO, VoC, VoO) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) der Kompressor (AP) angehalten wird und die Druckkammer (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) mit dem Fluidströmungsweg (20) verbunden wird, um den Innendruck der Druckkammer (33, 34, 43, 44) zu senken.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das Fluidsteuerventil (30, 40A, 40B) auf einer Eingangsseite und/oder einer Ausgangsseite eines Fluids für die Brennstoffzelle (10) vorgesehen ist, und das Ventilelement (31,41) des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) geschlossen wird, nachdem ein Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle (10) unterbrochen wurde, so dass die Eingangsseite und/oder die Ausgangsseite der Brennstoffzelle (10) abgedichtet wird bzw. werden.
Brennstoffzelle (10) nach Anspruch 11, wobei der Ventilöffnungsdruck und/oder der Ventilschließungsdruck des Fluidsteuerventils (30, 40A, 40B) unter Verwendung des Drucks des Fluids, das auf dem Fluidströmungsweg (20) strömt, gesteuert wird.