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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das eine
Brennstoffzelle, die über eine elektrochemische Reaktion
zwischen einem Oxidierungsgas und einem Brenngas Elektrizität
erzeugt, und ein Fluidsteuerventil aufweist, das gemäß einer
Verlagerung eines einen Antriebsschaft aufweisenden Ventilelements
in einer axialen Richtung einen Gasströmungsweg öffnet
oder schließt.
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Technischer Hintergrund
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Ein
Brennstoffzellensystem weist auf: eine Brennstoffzelle, die über
eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem
Oxidierungsgas (zwischen Reaktionsgasen) Elektrizität erzeugt,
einen Gas-Zufuhrströmungsweg, der die Reaktionsgase zu
der Brennstoffzelle liefert, und einen Gas-Abfuhrströmungsweg,
der die Reaktionsgase aus der Brennstoffzelle abführt.
Auf/Zu-Ventile für die Brennstoffzelle, die dem Fluidsteuerventil
entsprechen, können im Gas-Zufuhrströmungsweg
und im Gas-Abfuhrströmungsweg vorgesehen sein.
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Beispielsweise
weist ein Auf/Zu-Ventil für eine Brennstoffzelle, das in
JP 2004-183713 A offenbart
ist, ein Ventilelement auf, das einen Säulenabschnitt aufweist,
der in seiner axialen Richtung bewegt werden kann, um die Gasströmungswege
zu schließen oder zu öffnen. Das Auf/Zu-Ventil
für eine Brennstoffzelle weist eine Membran auf, die einen
Innenraum in zwei Teile teilt. Das Auf/Zu-Ventil ist in einem Wasserstoff-Abfuhrabschnitt
vorgesehen, der Wasserstoff, der aus der Brennstoffzelle ausgestoßen
wird, abführt. Ein Weg, der von einem Luft-Zufuhrweg abzweigt,
der Luft zu der Brennstoffzelle liefert, ist mit einer von den beiden
Kammern des Auf/Zu-Ventils verbunden. Eine Spiralfeder ist in der anderen
von den beiden Kammern vorgesehen. Die Spiralfeder legt eine elastische
Federkraft an das Ventilelement an, um die andere Kammer zu öffnen und
den abgeführten Wasserstoff abzuführen. Wenn während
des Betriebs einer Kammer des Ventils Luft zugeführt wird,
wirkt ein Fluiddruck auf die Membran und bewirkt, dass das Ventilelement
entgegen der Federkraft mit einem Ventilsitz in Berührung
kommt, während die andere Kammer geschlossen wird.
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Ein
in
JP 2004-185831
A offenbartes Brennstoffzellensystem weist auf: eine Drucksteuereinheit, die
in einem Gas-Zufuhrströmungsweg vorgesehen ist, der ein
anodenseitiges Brenngas zu einem Brennstoffzellenstapel liefert,
und ein Sperrventil, das stromaufwärts von der Drucksteuereinheit
vorgesehen ist. Das Sperrventil weist ein Ventilelement auf, das
mit einem Plunger verbunden ist, der sich von einem Ventilsitz löst,
um das Ventil zu öffnen, wenn sein Magnetventil erregt
wird. Das Ventilelement ist relativ zur Oben-Unten-Richtung der
Zeichnungsoberfläche geneigt (siehe
7 von
JP 2004-185831 A ).
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Ein
in
JP 2006-32134
A offenbartes Brennstoffzellensystem weist ein Gasabfuhrrohr
auf, das mit einem Dampf/Flüssigkeit-Separator verbunden ist,
der Gas und Fluid aus einem anodenseitigen Brenngas abtrennt. Ein
Abfuhrventil, das im Gasabfuhrrohr vorgesehen ist, weist einen Ventilsitz
und ein Ventilelement auf, die relativ zu der Richtung, in der die
Schwerkraft wirkt, in einem Winkel von über 0 und unter
90 Grad (z. B. 45 Grad) entgegengesetzt zur Abfuhrrichtung des aus
der Anode abgeführten Gases geneigt sind.
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Eine
Ablassvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, das in
JP 2004-311222 A offenbart
ist, weist ein Auf/Zu-Ventil auf, das an einer schrägen Oberfläche
befestigt ist, die in einem unteren Abschnitt eines Wasservorratstanks
ausgebildet ist. Das Auf/Zu-Ventil öffnet und schließt
sich ansprechend auf ein Ventilöffnungssignal oder ein
Ventilschließungssignal.
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Gemäß dem
Auf/Zu-Ventil für eine Brennstoffzelle, das in
JP 2004-183713 A offenbart
ist, sind das Ventilelement und der Ventilsitz nicht relativ zu der
Richtung, in der die Schwerkraft wirkt, geneigt. Bei laufendem oder
angehaltenem Betrieb der Brennstoffzelle kann daher Wasser oder
verflüssigter Wasserdampf, falls in dem im Strömungsweg
strömenden Gas enthalten, im Bereich des Ventilsitzes, wo
der Ventilsitz das Ventilelement berührt, haften bleiben.
Wenn das zurückgebliebene Wasser am Gefrierpunkt oder unter
dem Gefrierpunkt gefriert, kann es sein, dass das Auf/Zu-Ventil
sich nicht ordnungsgemäß öffnen und schließen
kann.
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In
einem Brennstoffzellensystem kann beispielsweise Gas, das in einem
Gasströmungsweg strömt, aus jedem der folgenden
zwei Gründe Wasser oder Wasserdampf enthalten. Der eine
Grund ist, dass, wenn ein Befeuchter in einem Gas-Zufuhrströmungsweg
vorgesehen ist, um den Wirkungsgrad der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle
zu erhöhen, Wasserdampf, der in dem Gas enthalten ist,
sich stromabwärts vom Befeuchter verflüssigen
kann, wenn der Befeuchter das Gas befeuchtet. Der andere Grund dafür,
dass das Gas, das im Gasströmungsweg strömt, Wasser
oder Wasserdampf enthalten kann, ist, dass Wasser ein Nebenprodukt
der Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle ist und in dem Gas,
das aus der Brennstoffzelle abgeführt wird, enthalten sein
kann. Wen das Gas Wasser oder Wasserdampf enthält, wie
oben beschrieben, kann Wasser im Bereich von Druckflächen
des Ventilelements und des Ventilsitzes, die gegeneinander gepresst
werden, zurückbleiben. Wenn das Wasser gefriert, kann es
sein, dass das Auf/Zu-Ventil sich nicht ordnungsgemäß öffnen
und schließen kann.
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Nun
ist gemäß dem Abfuhrventil, das in dem Brennstoffzellensystem
vorgesehen ist, das in
JP 2006-32134
A offenbart ist, eine Oberfläche des Ventilsitzes,
die gegen das Ventilelement gepresst werden soll, relativ zur Richtung,
in der die Schwerkraft wirkt, d. h. zur vertikalen Richtung, geneigt.
Jedoch ist die Druckfläche des Ventilsitzes, die gegen
das Ventilelement gepresst werden soll, auf der in Strömungsrichtung
des Gases oberen Seite eines Gasströmungsweges unten angeordnet,
und auf der in Strömungsrichtung unteren Seite oben. Wenn
die Druckoberfläche des Ventilsitzes geneigt ist, kann der
Gasstrom bei laufendem Betrieb bewirken, dass Wasser entlang der
Druckfläche nach oben strömt. Anders ausgedrückt
kann der Gasstrom verhindern, dass Wasser aufgrund der Schwerkraft
entlang der Schräge der Druckfläche nach unten
fällt bzw. fließt. Kurz gesagt kann die Wirkung
der Schwerkraft, die bewirkt, dass das Wasser entlang der Druckfläche nach
unten fällt, von der Wirkung des Gasstroms, der bewirkt, dass
das Wasser sich entlang der Druckfläche nach oben bewegt,
aufgehoben werden. Wenn das Brennstoffzellensystem in Betrieb ist,
kann es daher sein, dass der geneigte Aufbau des Ventilsitzes nicht
effizient genutzt werden kann, um das Wasser von der Druckfläche
des Ventilsitzes zu entfernen, und dass es nicht möglich
ist, ein Gefrieren des zurückgebliebenen Wassers zu verhindern.
Somit kann es sein, dass das Ventil in einer Niedertemperatur-Umgebung
sich nicht ordnungsgemäß öffnen und schließen
kann.
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Gemäß dem
Sperrventil des in
JP 2004-185831
A offenbarten Brennstoffzellensystems sind zwar das Ventilelement
und der Ventilsitz relativ zur Oben-Unten-Richtung auf der Zeichnungsfläche geneigt,
aber das Sperrventil weist keine Struktur auf, die relativ zu der
Richtung, in der die Schwerkraft wirkt, geneigt ist. Auch wenn die
Oben-Unten-Richtung, relativ zu der das Ventilelement und der Ventilsitz
geneigt sind, die Richtung ist, in der die Schwerkraft wirkt, ist
die Druckfläche des Ventilsitzes, die gegen das Ventilelement
gepresst werden soll, auf der in Strömungsrichtung des
Gases oberen Seite des Strömungswegs unten angeordnet und
auf der in Strömungsrichtung unteren Seite oben. Daher
kann es sein, dass das Sperrventil mit ähnlichen Widrigkeiten
zu kämpfen hat wie das Abfuhrventil, das in
JP 2006-32134 A offenbart
ist.
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Gemäß dem
Auf/Zu-Ventil, das an der am unteren Abschnitt des Wasservorratstanks
ausgebildeten geneigten Oberfläche befestigt ist und das
in
JP 2004-311222
A offenbart ist, wird das Auf/Zu-Ventil nicht verwendet,
um den Gasströmungsweg, in dem Gas strömt, zu öffnen
oder zu schließen, und kann daher nicht als Fluidsteuerventil
fungieren, das gemäß einer Verlagerung eines Ventilelements
mit einer Antriebswelle in einer axialen Richtung den Gasströmungsweg
schließt oder öffnet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, in einem Brennstoffzellensystem
ein problemloses Öffnen und Schließen eines Fluidsteuerventils
auch in einer Niedertemperatur-Umgebung effizient zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Brennstoffzellensystem, das aufweist:
eine Brennstoffzelle, die über eine elektrochemische Reaktion
zwischen einem Oxidierungsgas und einem Brenngas Elektrizität
erzeugen kann, und ein Fluidsteuerventil, das dafür ausgelegt
ist, gemäß einer Verlagerung eines Ventilelements
mit einer Antriebswelle in einer axialen Richtung einen Gasströmungsweg
zu schließen oder zu öffnen, wobei das Ventilelement
und ein Ventilsitz Pressflächen aufweisen, die gegeneinander gepresst
werden und die relativ zu der Richtung, in der die Schwerkraft wirkt,
geneigt sind, und wobei die Druckflächen des Ventilelements
und des Ventilsitzes auf einer in Strömungsrichtung des
Gases oberen Seite des Strömungswegs oben und auf einer
in Strömungsrichtung des Gases unteren Seite unten angeordnet
sind.
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Vorzugsweise
ist das Fluidsteuerventil ein Auslass-Sperrventil, das in einem
Abfuhrströmungsweg für das mit der Oxidation in
Beziehung stehende Gas vorgesehen ist, auf dem ein mit der Oxidation
in Beziehung stehendes Gas aus der Brennstoffzelle abgeführt
wird. Weiter ist es bevorzugt, dass ein Einlass-Sperrventil in einem
Oxidierungsgas-Zufuhrströmungsweg vorgesehen ist, der ein
Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle liefert, und dass das Einlass-Sperrventil
so ausgelegt ist, dass es gemäß einer Verlagerung
eines Ventilelements mit einer Antriebswelle in der axialen Richtung
den Gasströmungsweg schließt oder öffnet,
wobei das Ventilelement und der Ventilsitz des Einlass-Sperrventils Druckflächen
aufweisen, die gegeneinander gepresst werden und die relativ zu
der Richtung, in der die Schwerkraft wirkt, geneigt sind, und dass
die Druckflächen des Ventilelements und des Ventilsitzes
des Einlass-Sperrventils auf einer in Strömungsrichtung
des Gases oberen Seite des Strömungswegs unten und auf
einer in Strömungsrichtung des Gases unteren Seite oben
angeordnet sind, und wobei in dem Einlass-Sperrventil und dem Auslass-Sperrventil
eine der Brennstoffzelle nahe Seite des Strömungswegs auf
der in der Richtung, in der der Antriebsschaft aus einem Ventilöffnungszustand in
einen Ventilschließungszustand getrieben wird, vorderen
Seite angeordnet ist.
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Ferner
ist in dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung der Gasstrom in zwei Rohren, die mit dem Fluidsteuerventil
in Bezug auf die Gasströmungsrichtung an dessen beiden
Seiten verbunden sind, vorzugsweise zumindest im Bereich eines Abschnitts,
der mit dem Fluidsteuerventil verbunden ist, horizontal ausgerichtet.
Außerdem weisen vorzugsweise ein in Strömungsrichtung
oberes Rohr und ein in Strömungsrichtung unteres Rohr, die
mit dem Fluidsteuerventil verbunden sind, zentrale Achsen oder Unterseiten
auf, die auf einer einzigen virtuellen Ebene liegen, die sich in
der horizontalen Richtung erstreckt.
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In
dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung weist das Fluidsteuerventil das Ventilelement und den
Ventilsitz auf, deren Druckflächen, die gegeneinander gepresst
werden, in Bezug auf die Richtung, in der die Schwerkraft wirkt,
geneigt sind. Auch wenn Gas, das Wasser oder verflüssigten
Wasserdampf enthält, im Gasströmungsweg strömt
und das Wasser an der Druckfläche des Ventilelements oder
des Ventilsitzes haften bleibt, kann daher das Wasser entlang der
Druckfläche fallen, ohne auf der Druckfläche zurückzubleiben.
Ferner sind die Druckflächen des Ventilelements und des
Ventilsitzes auf der in Strömungsrichtung des Gases oberen
Seite im Gasströmungsweg oben und auf der in Strömungsrichtung
des Gases unteren Seite unten angeordnet. Wenn die Brennstoffzelle
in Betrieb ist, kann daher das Wasser aufgrund der Schwerkraft problemlos
entlang der Druckflächen fallen, ohne von dem Gas, das
im Gasströmungsweg strömt, zurückgedrängt
zu werden. Genauer kann selbst dann, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb
ist, das Wasser aufgrund der Wirkung des strömenden Gases
und der Wirkung der Schwerkraft effektiv entlang der Druckflächen
fallen. Daher kann das Fluidsteuerventil effizient ein Öffnen
und Schließen durchführen, so dass es auch in
einer Niedertemperatur-Umgebung problemlos funktioniert.
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Ferner
kann die vorliegende Erfindung den Abschnitt, der das Fluidsteuerventil
und die Rohre, die mit beiden Enden des Fluidsteuerventils verbunden
sind, in der vertikalen Richtung verkleinern. Genauer kann, wenn
das Fluidsteuerventil ein Ventilelement aufweist, das in der vertikalen
Richtung bewegt werden kann, ein Rohr mit einem Verbindungsabschnitt,
der in der vertikalen Richtung verläuft, als eines der
beiden Rohre verwendet werden, die mit dem Fluidsteuerventil verbunden
sind. Daher ist der Abschnitt, der das Fluidsteuerventil und das
Rohr enthält, in der vertikalen Richtung eher groß.
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Jedoch
ist in der vorliegenden Erfindung die Antriebsrichtung des Antriebsschafts,
der Bestandteil des Ventilelements ist, relativ zur vertikalen Richtung geneigt.
Daher können beide Rohre in der horizontalen Richtung mit
dem Fluidsteuerventil verbunden werden. Der Abschnitt, der das Fluidsteuerventil
und die Rohre enthält, kann in der vertikalen Richtung verkleinert
werden. Infolgedessen kann das Brennstoffzellensystem leicht in
einem Kraftfahrzeug oder dergleichen installiert werden. Wenn die
beiden Rohre, die mit dem Fluidsteuerventil verbunden sind, so angeordnet
sind, dass sie sich ganz in der horizontalen Richtung erstrecken,
muss ferner keines der beiden Rohren an einem Ende senkrecht oder
steil gebogen werden. Infolgedessen kann die vorliegende Erfindung
einen Druckverlust des Gases, das im Gasströmungsweg strömt,
verringern.
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Gemäß der
Ausgestaltung, in der das Fluidsteuerventil als Auslass-Sperrventil
verwendet wird, das in dem Abfuhrströmungsweg für
das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas vorgesehen ist, durch
den das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas aus der Brennstoffzelle
abgeführt wird, kann die Wirkung, die durch die Verwendung
des Aufbaus der vorliegenden Ausführungsform erhalten wird,
verstärkt werden. Genauer strömt eine große Menge
an Wasser als Nebenprodukt der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle
in dem Abfuhrströmungsweg für das mit der Oxidation
in Beziehung stehende Gas. Das Wasser neigt dazu, im Strömungsweg
zurückzubleiben. Gemäß dem herkömmlichen
Brennstoffzellensystem, welches das Auslass-Sperrventil aufweist,
das in dem Abfuhrströmungsweg für das mit der
Oxidation in Beziehung stehende Gas vorgesehen ist und das keine
Struktur aufweist, die verhindern kann, dass Wasser im Bereich der
Druckflächen des Ventilelements und des Ventilsitzes des
Auslass-Sperrventils, die gegeneinander gepresst werden, gefriert,
kann sich das Ventil nicht problemlos öffnen und schließen.
Dagegen weist das Brennstoffzellensystem gemäß der
vorliegenden Erfindung das Fluidsteuerventil auf, das verhindern
kann, dass Wasser auf den Druckflächen zurückbleibt,
und das außerdem sogar dann, wenn die Brennstoffzelle in
Betrieb ist, bewirken kann, dass das Wasser aufgrund der Wirkung
des strömenden Gases und der Wirkung der Schwerkraft effektiv
entlang der Druckflächen fällt. Daher kann die
Wirkung der vorliegenden Erfindung, die durch Verwenden der Ausgestaltung,
in der „die Druckflächen des Ventilelements und
des Ventilsitzes, die gegeneinander gepresst werden, relativ zu
der Richtung, in der die Schwerkraft wirkt, geneigt sind, und die
Druckflächen des Ventilelements und des Ventilsitzes auf
der in Strömungsrichtung des Gases oberen Seite im Gasströmungsweg
oben und auf der in Strömungsrichtung des Gases unteren
Seite unten angeordnet sind”, verstärkt werden.
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Generell
ist das Rohr, das Bestandteil des Abfuhrströmungswegs für
das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas ist, eher dicker
als das Rohr, das Bestandteil des Strömungswegs ist, auf dem
das Gas strömt, das mit dem Brennstoff in Beziehung steht.
Genauer ist die Sauerstoffkonzentration des Oxidierungsgases (z.
B. Luft), das der Brennstoffzelle zugeführt wird, niedrig,
nämlich etwa 1/5 der Wasserstoffkonzentration im Brenngas
(z. B. Wasserstoffgas). Wenn die Sauerstoffmenge und die Wasserstoffmenge,
die für die Leistungserzeugungsreaktion benötigt
werden, berücksichtigt werden, wird außerdem der
Volumenstrom des Oxidierungsgases, das der Brennstoffzelle zuzuführen
ist, größer als der Volumenstrom des Wasserstoffgases,
das der Brennstoffzelle zuzuführen ist. Dies ist der Grund
dafür, dass das Rohr, das Bestandteil des Abfuhrströmungswegs
für das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas ist,
eher dicker ist als das das Rohr, das Bestandteil des Strömungswegs
ist, auf dem das Gas strömt, das mit dem Brennstoff in
Beziehung steht. Gemäß dem herkömmlichen
Abfuhrströmungsweg für das mit der Oxidation in
Beziehung stehende Gas ist daher der Abschnitt, der das Fluidsteuerventil
und dessen Rohr enthält, eher groß. Dagegen kann
das Fluidsteuerventil, das in dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden
Erfindung vorgesehen ist, den Abschnitt, der das Fluidsteuerventil und
dessen Rohr enthält, in der vertikalen Richtung verkleinern.
Daher kann die Wirkung der Ausgestaltung, dass „die Druckflächen
des Ventilelements und des Ventilsitzes, die gegeneinander gepresst
werden, relativ zur Richtung, in der die Schwerkraft wirkt”,
geneigt sind, verstärkt werden.
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Gemäß der
Ausgestaltung, dass das Einlass-Sperrventil im Oxidierungsgas-Zufuhrströmungsweg
vorgesehen ist, der das Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle liefert, und
dass das Einlass-Sperrventil so ausgelegt ist, dass es gemäß einer
Verlagerung des Ventilelements, das den Antriebsschaft aufweist,
in einer axialen Richtung den Gasströmungsweg schließt
oder öffnet, wobei das Ventilelement und der Ventilsitz
des Einlass-Sperrventils Druckflächen aufweisen, die gegeneinander gepresst
werden und die relativ zu der Richtung, in der die Schwerkraft wirkt,
geneigt sind, und dass die Druckflächen des Ventilelements
und des Ventilsitzes auf der in Strömungsrichtung des Gases
oberen Seite im Gasströmungsweg unten und auf der in Strömungsrichtung
des Gases unteren Seite oben angeordnet sind, und wobei die der
Brennstoffzelle nahe Seite des Strömungswegs im Einlass-Sperrventil
und im Auslass-Sperrventil in der Richtung, in der der Antriebsschaft
vom Ventilöffnungszustand in den Ventilschließungszustand
getrieben wird, vorne angeordnet ist, kann darüber hinaus
die Kraft, die in Ventilschließungsrichtung auf das Ventilelement wirkt,
erhöht werden, wenn das Ventilelement gegen den Ventilsitz
gepresst wird. Genauer wird, wenn die Brennstoffzelle Sauerstoff
und Wasserstoff verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen,
der Druck im brennstoffzellenseitigen Strömungsweg des
Fluidsteuerventils wegen der verringerten Menge des Gases, das im
Strömungsweg strömt, negativ. Daher kann die Kraft,
die in der Ventilschließungsrichtung auf das Ventilelement
wirkt, erhöht werden.
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Dank
der Ausgestaltung, dass der Gasstrom in den beiden Rohren, die mit
dem Fluidsteuerventil in Bezug auf die Gasströmungsrichtung
an dessen zwei Seiten verbunden sind, zumindest in der Umgebung
des Abschnitts, der mit dem Fluidsteuerventil verbunden ist, horizontal
ausgerichtet ist, kann der Abschnitt, der das Fluidsteuerventil
und die Rohre enthält, die mit dem Fluidsteuerventil verbunden sind,
weiter verkleinert werden.
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Dank
der Ausgestaltung des in Strömungsrichtung oberen Rohrs
und des in Strömungsrichtung unteren Rohrs, die mit dem
Fluidsteuerventil verbunden sind und deren Mittelachsen oder Unterseiten auf
der einen virtuellen Ebene liegen, die sich in der horizontalen
Richtung erstreckt, kann der Abschnitt, der das Fluidsteuerventil
und die mit dem Fluidsteuerventil verbundenen Rohre enthält,
in der vertikalen Richtung weiter verkleinert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
einen grundsätzlichen Aufbau eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer Struktur eines Auslass-Sperrventils
(oder eines Einlass-Sperrventils), das in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem
verwendet werden kann und das die offene Ventilstellung einnimmt.
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3 ist
eine ähnliche Querschnittsansicht wie 2 und
stellt ein Beispiel für ein Auslass-Sperrventil gemäß einer
anderen Erfindung dar, das eine Antriebswelle aufweist, die in der
vertikalen Richtung bewegt werden kann.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Ein
Beispiel gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. 1 und 2 zeigen
die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der
vorliegenden Ausführungsform. Ein Brennstoffzellensystem 10 weist
auf: einen Brennstoffzellenstapel 12, einen Oxidierungsgas-Zufuhrströmungsweg 14 und
einen Abfuhrströmungsweg für das mit der Oxidation
in Beziehung stehende Gas 16, ein Befeuchter-Umgehungsventil 18,
ein Einlass-Sperrventil 20 und ein Auslass-Sperrventil 22.
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Der
Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt über eine elektrochemische
Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff Elektrizität.
Genauer werden der Wasserstoff, der als Brenngas dient, und die
Luft, die als Oxidierungsgas dient, zum Brennstoffzellenstapel 12 geliefert.
Elektrische Energie kann von einer Vielzahl von Brennstoffzellen
(nicht dargestellt) in dem Brennstoffzellenstapel 12 über
die elektrochemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff
erhalten werden. Die Brennstoffzelle weist beispielsweise eine Film/Elektroden-Anordnung
aus Elektrolytfilmen, die jeweils zwischen einer anodenseitigen
Elektrode und einer kathodenseitigen Elektrode angeordnet sind, und
Separatoren auf, die an beiden Enden der Film/Elektroden-Anordnung
angeordnet sind.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung kann beispielsweise in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug,
gemäß dem der Brennstoffzellenstapel 12 als
Leistungsquelle für einen Fahrmotor dient, installiert
und verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem gemäß der
vorliegenden Ausführungsform kann außer für
das Fahrzeug auch für beliebige andere Vorrichtungen verwendet
werden.
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Die
Luft, die als Oxidierungsgas dient, wird über den Oxidierungsgas-Zufuhrströmungsweg 14 zum
Brennstoffzellenstapel 12 geliefert. Ein Luftkompressor 24 und
ein Ladeluftkühler 26 sind auf der in Strömungsrichtung
des Gases oberen Seite des Oxidierungsgas-Zufuhrströmungswegs 14 vorgesehen. Die
Luft, die vom Luftkompressor 24 verdichtet wird, wird vom
Ladeluftkühler 26 gekühlt und von einem Befeuchter 28 befeuchtet.
Dann wird die Luft zu einem Strömungsweg auf der Seite
der kathodenseitigen Elektrode des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert.
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Zusätzlich
zu einem Hauptweg 30, der Luft über den Befeuchter 28 zum
Brennstoffzellenstapel 12 liefert, ist ein Befeuchter-Umgehungsweg 32 in Bezug
auf die Strömungsrichtung des Gases parallel zum Hauptweg 30 vorgesehen.
Die Luft, die im Befeuchter-Umgehungsweg 32 strömt,
wird dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt,
ohne durch den Befeuchter 28 zu strömen. Das Befeuchter-Umgehungsventil 18 ist
an einer geeigneten Stelle des Befeuchter-Umgehungswegs 32 vorgesehen.
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Ein
Luftabgas, d. h. die Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt
und für die elektrochemische Reaktion in den einzelnen
Brennstoffzellen verwendet wurde, wird über den Abfuhrströmungsweg
für das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 aus
dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführt. Das Luftabgas,
das über den Abfuhrströmungsweg für das
mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 abgeführt
wird, wird über ein Druckregelventil 34 zum Befeuchter 28 geschickt.
Dann wird das Luftabgas über einen Verdünner (nicht
dargestellt) in die Atmosphäre abgeführt. Das
Druckregelventil 34 wird gesteuert, um den Druck (Gegendruck)
der Luft, die aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführt
wird, auf einen geeigneten Druckwert gemäß einem
Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 12 zu regeln.
Genauer kann der Luftdruck in dem Abfuhrströmungsweg für
das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16, der
der Position eines Drucksensors P2 entspricht, gemäß einem
Ventilöffnungsgrad des Druckregelventils 34 geregelt
werden. Der Befeuchter 28 hat die Aufgabe, frische Luft,
die zum Brennstoffzellenstapel 12 geliefert wird, durch
Entfernen von Wasser aus der Luft, die aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführt
wird, und Hinzusetzen des entfernten Wassers zu der frischen Luft
zu befeuchten.
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Der
Brennstoffzellenstapel 12 ist mit einem Wasserstoffgas-Zufuhrströmungsweg,
der das Wasserstoffgas liefert, und mit einem Abfuhrströmungsweg
für das mit dem Wasserstoff in Beziehung stehende Gas verbunden,
der ein mit dem Wasserstoff in Beziehung stehendes Gas abführt,
aber diese Strömungswege sind in 1 nicht
dargestellt.
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Ein
Brennstoffzellen-Umgehungsweg 36 ist zwischen der in Strömungsrichtung
oben befindlichen Verbindungsstelle des Befeuchter-Umgehungswegs 32 und
dem Befeuchter 28 entlang des Hauptweges 30 des
Oxidierungsgas-Zufuhrströmungswegs 14 und stromabwärts
vom Befeuchter 28 entlang des Abfuhrströmungswegs
für das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 angeschlossen.
Der Brennstoffzellen-Umgehungsweg 36 verläuft
in Bezug auf den Gasstrom parallel zum Brennstoffzellenstapel 12.
Ein Brennstoffzellen-Umgehungsventil 38 ist im Brennstoffzellen-Umgehungsweg 36 vorgesehen.
Das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 38 kann verwendet
werden, um den Druck der Luft, die zum Brennstoffzellenstapel 12 geliefert
wird, zu steuern. Genauer kann der Duck der Luft im Oxidierungsgas-Zufuhrströmungsweg 14,
der einer Position eines Einlassdrucksensors P1 entspricht, durch
den Ventilöffnungsgrad des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 38 geregelt
werden. Der Luftdruck, der der Position des Einlassdrucksensors P1
entspricht, kann auch durch den Volumenstrom der Luft, die aus dem
Luftkompressor 24 abgeführt wird, geregelt werden.
Natürlich können sowohl der Ventilöffnungsgrad
des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 38 als auch der Volumenstrom
der Luft, die aus dem Luftkompressor 24 abgeführt
wird, verwendet werden, um den Luftdruck entsprechend der Position
des Einlassdrucksensors P1 zu regeln.
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Es
ist angezeigt, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 beim
Starten unter kalten Bedingungen, beispielsweise wenn die Lufttemperatur
unter dem Gefrierpunkt (unter dem Gefrierpunkt von Wasser) liegt,
schnell zu erhöhen. Zu diesem Zweck kann die Luftmenge,
die einem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt
wird, im Gegensatz zu einer Menge an Wasserstoffgas, die dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt
wird, verringert werden, so dass sie kleiner ist als die Menge,
die normalerweise für eine Reaktion mit dem Wasserstoffgas,
um Elektrizität zu erzeugen, verwendet wird. Genauer kann
der stöchiometrische Anteil der Kathode verringert werden,
um Elektrizität mit einem niedrigeren Wirkungsgrad zu erzeugen
und die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 schnell
zu erhöhen. Jedoch kann die Wasserstoffkonzentration im
Abfuhrströmungsweg für das mit der Oxidation in
Beziehung stehende Gas 16 aufgrund dessen, dass das Wasserstoffgas
von einem anodenseitigen Strömungsweg über den
Elektrolytfilm im Brennstoffzellenstapel 12 zu einem kathodenseitigen
Strömungsweg übertragen wird, höher werden.
In diesem Fall kann als ein Beispiel für die Verwendung
des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 38 das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 38 in
einer geöffneten Ventilstellung gehalten werden, um die
Wasserstoffkonzentration in dem Abfuhrströmungsweg für
das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 mittels
der Luft, die den Brennstoffzellenstapel 12 umgeht, zu
senken. Ebenso kann die Konzentration des Wasserstoffs, der im Wasserstoffabgas
(d. h. in dem mit Wasserstoff in Beziehung stehenden Gas, das aus
dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführt wird)
enthalten ist, über einen normalen Wert steigen. In diesem
Fall kann das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 38 in der
offenen Ventilstellung gehalten werden, um die Luftmenge, die in
den Verdünner strömt, ohne durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu
strömen, zu erhöhen. Infolgedessen kann die Wasserstoffkonzentration
im abgeführten Gas verringert werden.
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Das
Einlass-Sperrventil 20 ist stromabwärts vom Befeuchter 28 im
Hauptweg 30 des Oxidierungsgas-Zufuhrströmungswegs 14 vorgesehen.
Das Auslass-Sperrventil 22 ist stromaufwärts vom
Befeuchter 28 in dem Abfuhrströmungsweg für
das mit der Oxi dation in Beziehung stehende Gas 16 vorgesehen.
In der vorliegenden Ausführungsform dient das Auslass-Sperrventil 22 als
Fluidsteuerventil, das in den Ansprüchen beschrieben ist
und entspricht einem Auf/Zu-Ventil für eine Brennstoffzelle.
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Genauer
kann das Auslass-Sperrventil 22 als Fluidsteuerventil dienen,
das den Strom der Luft im Abfuhrströmungsweg für
das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 regelt.
Drei PSVs (Druckumschaltventile), bei denen es sich um elektromagnetische
Ventile handelt, sind mit dem Befeuchter-Umgehungsventil 18,
dem Einlass-Sperrventil 20 bzw. dem Auslass-Sperrventil 22 über
einen Drucksteuerungs-Strömungsweg 40 verbunden.
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Genauer
sind drei PSVs VbS, VbC und VbO mit dem Befeuchter-Umgehungsventil 18 verbunden. Drei
PSVs Vis, ViC und ViO sind mit dem Einlass-Sperrventil 22 verbunden.
Drei PSVs VoS, VoC und VoO sind mit dem Auslass-Sperrventil 22 verbunden.
Diese PSVs sind über den Drucksteuerungs-Strömungsweg 40 mit
der in Strömungsrichtung des Gases oberen Seite des Hauptströmungswegs 30 des
Oxidierungsgas-Zufuhrströmungsweg 40 verbunden,
beispielsweise an einer Stelle zwischen dem Luftkompressor 24 und
dem Befeuchter 28. Diese PSVs können von einer
Steuereinheit (nicht dargestellt), wie einer ECU (elektronischen Steuereinheit),
gesteuert werden.
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Die
Ansteuerung des Befeuchter-Umgehungsventils 18, des Einlass-Sperrventils 20 und
des Auslass-Sperrventils 22 werden gemäß dem
Zustand des Brennstoffzellenstapels 12 usw. von den entsprechenden
PSVs gesteuert.
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Nun
werden mit Bezug auf 2 die Anordnung und die Funktionen
des Einlass-Sperrventils 20 und des Auslass-Sperrventils 22 hauptsächlich
mit Bezug auf das Auslass-Sperrventil 22 als Beispielsfall
beschrieben. Das Einlass-Sperrventil 20 und das Auslass-Sperrventil 22 sind ähnlich
aufgebaut. Ein Aufbau des Befeuchter-Umgehungsventils 18 wird später
beschrieben.
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Wie
in 2 dargestellt, ist das Auslass-Sperrventil 22 ein
Sperrventil, das normalerweise offen ist und das in einem normalen
Zustand, dem Ventilöffnungszustand, wo alle inneren Druckkammern
auf dem gleichen Druck gehalten werden, offen ist.
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Das
Auslass-Sperrventil 22 weist in einem Gehäuse 42,
das aus einer Vielzahl von zusammengesetzten Gehäuseelementen
besteht, obere und untere Räume auf, die von einem Teilungselement 44 getrennt
werden. Eine Hauptmembran 46 ist in einem der abgetrennten
Räume vorgesehen, und eine Hilfsmembran 48 ist
im anderen Raum vorgesehen. Eine Ventilschließungs-Druckkammer 50 ist
an einer Oberseite der Hauptmembran 46 vorgesehen. Eine Ventilöffnungs-Druckkammer 52 ist
an einer Unterseite der Hauptmembran 46 vorgesehen. Eine
Atmosphärendruckkammer 54 ist an einer Oberseite
der Hilfsmembran 48 vorgesehen. Eine einen Strömungsweg
bildende Druckkammer 56 ist an einer Unterseite der Hilfsmembran 48 vorgesehen.
Die Ventilschließungs-Druckkammer 50, die Ventilöffnungs-Druckkammer 52,
die Atmosphärendruckkammer 54 und die einen Strömungsweg
bildende Druckkammer 56 sind voneinander getrennt. Es können niemals
zwei dieser Druckkammern 50, 52, 54 und 56 miteinander
kommunizieren.
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Die
Hauptmembran 46 und die Untermembran 48 sind mit
einem Ventilelement 58 verbunden. Genauer befindet sich
das Ventilelement 58, das einen Antriebsschaft 60 aufweist,
im Gehäuse 42. Das Ventilelement 58 wird
vom Gehäuse 42 so gelagert, dass es in der axialen
Richtung des Antriebsschafts 60 verlagert werden kann.
Das Ventilelement 58 weist den Antriebsschaft 60 und
einen scheibenförmigen Ventilelementkörper 62 auf,
der an einem unteren Randabschnitt des Antriebsschafts 60 befestigt ist.
Der Antriebsschaft 60 ist in Bezug auf die vertikale Richtung
(Oben-Unten-Richtung in 2), bei der es sich um die Richtung
handelt, in der die Schwerkraft wirkt, geneigt. Der Antriebsschaft 60 kann
in einer Richtung, die mit Bezug auf die vertikale Richtung geneigt
ist, bewegt werden. Dementsprechend ist ein Abschnitt des Gehäuses 42,
das den Außenbereich und das obere Ende des Antriebsschafts 60 umgibt, in
Bezug auf die vertikale Richtung geneigt. Ein zylindrisches Element 64 mit
einem Bodenabschnitt ist mit einem unteren Abschnitt des Antriebsschafts 60 in dessen
mittlerem Bereich verbunden.
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Ein
Innenumfangs-Endabschnitt der Untermembran 48, die aus
einem elastischen Element (z. B. einem Gummi oder einem Elastomer)
besteht, ist zwischen einer Unterseite eines Bodenplattenabschnitts
des zylindrischen Elements 64 und einer Oberseite des Ventilelementkörpers 62 angeordnet. Somit
ist ein Innenumfangsabschnitt der Untermembran 48 am Antriebsschaft 60 befestigt.
Ein Außenumfangs-Endabschnitt der Untermembran 48 ist
mit einem Innenumfangsabschnitt des Gehäuses 42 verbunden,
genauer ist er zwischen zwei Gehäuseelementen angeordnet,
die Bestandteile des Gehäuses 42 sind. Somit wird
ein unterer Raum des Gehäuses 42, der unterhalb
des Teilungselements 44 angeordnet ist, von der Untermembran 48 in
die Atmosphärendruckkammer 54 (einen oberen Abschnitt)
und die einen Strömungsweg bildende Druckkammer 56 (einen
unteren Abschnitt) geteilt. Die Atmosphärendruckkammer 54 und
die einen Strömungsweg bildende Druckkammer 46 sind
hermetisch isoliert.
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Die
Untermembran 48 weist einen membranseitigen zylindrischen
Abschnitt 66 an einem in der radialen Richtung mittleren
Abschnitt auf. Der membranseitige zylindrische Abschnitt 66 wird
an einer äußeren zylindrischen Oberfläche
des zylindrischen Elements 64 elastisch verformt und angedrückt.
Die Untermembran 48 weist einen ring förmigen verformbaren
Abschnitt 67 auf, der zwischen der äußeren
zylindrischen Oberfläche des zylindrischen Elements 64 und
einer Innenfläche des Gehäuses 42 vorhanden
ist. Der ringförmige verformbare Abschnitt 67 wird
so nach oben verformt, dass er einen ringförmigen Chevron
bildet, dessen Unterseite den Druck der einen Strömungsweg
bildenden Druckkammer 56 aufnehmen kann. Wie in 2 dargestellt,
verformt sich die Untermembran 56 elastisch, wenn die Unterseite
des ringförmigen verformbaren Abschnitts 67 den
Druck der einen Strömungsweg bildenden Druckkammer 56 aufnimmt,
und der Antriebsschaft 60 bewegt sich schräg nach
oben.
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Die
Untermembran 48 weist einen zweiten membranseitigen zylindrischen
Abschnitt 70 an einem in der radialen Richtung äußeren
mittleren Abschnitt auf. Der zweite membranseitige zylindrische Abschnitt 70 wird
an einem zylindrischen Oberflächenabschnitt der Innenfläche
des Gehäuses 42 elastisch verformt und angedrückt.
Wenn der Antriebsschaft 60 sich ausgehend von der in 2 dargestellten
offenen Ventilstellung nach unten bewegt, verformt sich der zweite
membranseitige zylindrische Abschnitt 70 elastisch, während
sein oberer Abschnitt vom zylindrischen Oberflächenabschnitt
des Gehäuses 42 weggezogen wird.
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Die
einen Strömungsweg bildende Druckkammer 56 ist
Bestandteil des Abfuhrströmungswegs für das mit
der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 (1)
(des Oxidierungsgas-Zufuhrströmungswegs 14 im
Falle des Einlass-Sperrventils 20). In Strömungsrichtung
obere und untere Seiten der einen Strömungsweg bildenden
Druckkammer 56 werden vom Ventilelement 58 miteinander
verbunden oder voneinander getrennt. Die Atmosphärendruckkammer 54 ist
mit einem Atmosphärenverbindungsrohr 72, von dem
ein Ende mit der Atmosphäre in Verbindung steht, verbunden.
Somit ist die Atmosphärendruckkammer 54 zur Atmosphäre
offen.
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Ein
Dämpfungselement 74 ist mit einem oberen Endabschnitt
des Ventilelements 58 verbunden. Das Dämpfungselement 74 weist
zwei scheibenförmige Elemente auf, die zu einer Einheit
verbunden sind. Ein Innenumfangs-Endabschnitt der Hauptmembran 46,
die aus einem elastischen Element (z. B. Gummi oder Elastomer) besteht,
ist zwischen den zwei scheibenförmigen Elementen, die Bestandteile des
Dämpfungs elements 74 sind, angeordnet. Daher ist
die Hauptmembran 46 an einem Außenumfangsabschnitt
des Dämpfungselements 74 befestigt. Ein Außenumfangs-Endabschnitt
der Hauptmembran 46 ist zwischen zwei Gehäuseelementen
angeordnet, die Bestandteile des Gehäuses 42 sind.
Somit ist der äußere Umfangsabschnitt der Hauptmembran 46 am Innenumfangsabschnitt
des Gehäuses 42 befestigt. Demgemäß wird
ein oberer Raum des Gehäuses 42, der oberhalb
des Teilungselements 44 angeordnet ist, von der Hauptmembran 46 in
die Ventilschließungs-Druckkammer 50 (einen oberen
Abschnitt) und die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 (einen
unteren Abschnitt) geteilt. Die Ventilschließungs-Druckkammer 50 und
die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 sind hermetisch
isoliert. Ein Zufuhr-/Abfuhrrohr 76 ist sowohl mit der
Ventilschließungs-Druckkammer 50 als auch mit
der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 verbunden.
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Eine
Spiralfeder 78, die als Mittel zum Anlegen einer elastischen
Kraft dient, ist zwischen einer Unterseite des Dämpfungselements 74 und
dem Teilungselement 44 vorgesehen. Die Spiralfeder 78 erzeugt
eine elastische Kraft, die in einer schrägen Aufwärtsrichtung
auf das Ventilelement 58 wirkt, genauer so, dass das Ventilelement
in eine Öffnungsstellung gebracht wird. Wenn das Ventilelement 58 sich schräg
abwärts bewegt, wird eine Unterseite des Ventilelementkörpers 62 mit
einem Ventilsitz 80 in Kontakt gebracht und verschließt
den Strömungsweg. Genauer kann der Strömungsweg
entsprechend einer Verlagerung des Antriebsschafts 60 in dessen
axialer Richtung getrennt oder verbunden werden. Der Durchmesser
einer Druckaufnahmefläche eines oberen Abschnitts des Antriebsschafts 60 (der
die Hauptmembran 46 einschließt) ist ausreichend
größer als der Durchmesser einer Druckaufnahmefläche
eines unteren Abschnitts des Antriebsschafts 60 (der die
Untermembran 48 einschließt).
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Im
Gehäuse 42 sind ein einlassseitiger Verbindungsabschnitt 82 und
ein auslassseitiger Verbindungsabschnitt 84 stromaufwärts
und stromabwärts von der einen Strömungsweg bildenden
Druckkammer 56 vorgesehen. Der einlassseitige Verbindungsabschnitt 82 weist
eine dem Ventilelement 58 nahe Seite auf, die in Bezug
auf die vertikale Richtung geneigt ist, und einen Verbindungsrandabschnitt
(den rechten Randabschnitt in 2), der
eine Verbindungsfläche 86 aufweist, die auf die
horizontale Richtung ausgerichtet ist. Der auslassseitige Verbindungsabschnitt 84 ist
auf eine Weise relativ zur vertikalen Richtung geneigt, die der
Richtung der nahe am Ventilelement 58 gelegenen Seite des
einlassseitigen Verbindungsabschnitts 82 entgegengesetzt
ist. Der auslassseitige Verbindungsabschnitt 84 weist einen
verbindungsseitigen Randabschnitt (den linken Randabschnitt in 2)
auf, der eine Verbindungsfläche 88 aufweist, die
auf die horizontale Richtung ausgerichtet ist. Im Falle eines Einlass-Sperrventils 20 sind
der einlassseitige Verbindungsabschnitt 82 und der auslassseitige
Verbindungsabschnitt 84 in Bezug zu denen des Auslasssperrventils 22 entgegengesetzt
angeordnet.
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Der
Gasstrom in zwei Rohren 90, die mit dem Auslass-Sperrventil 22 oder
dem Einlass-Sperrventil 20 in Bezug auf die Gasströmungsrichtung
an dessen beiden Seiten verbunden sind, ist zumindest in der Umgebung
eines Abschnitts, der mit dem Auslass-Sperrventil oder dem Einlass-Sperrventil 20 verbunden
ist, horizontal ausgerichtet. Die Unterseiten der beiden Rohre 90,
die stromaufwärts und stromabwärts vom Auslass-Sperrventil 22 oder
vom Einlass-Sperrventil 20 angeschlossen sind, liegen auf
einer einzigen virtuellen Ebene α, die sich in der horizontalen
Richtung erstreckt.
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Das
Auslass-Sperrventil 22 weist gegenseitige Druckflächen
A und B des Ventilelementkörpers 62 und des Ventilsitzes 80 auf,
die in Bezug auf die vertikale Richtung geneigt sind, genauer in
Bezug auf die Richtung der Schwerkraft. Die Druckflächen
A und B sind so geneigt, dass sie auf der in Strömungsrichtung
des Gases oberen Seite im Gasströmungsweg (der rechten
Seite von 2), d. h. in der einen Strömungsweg
bildenden Druckkammer 56, weiter oben und auf der in Strömungsrichtung
des Gases unteren Seite (der linken Seite von 2)
weiter unten angeordnet sind. Ebenso weist das Einlass-Sperrventil 20 gegenseitige
Druckflächen A und B des Ventilelementkörpers 62 und
des Ventilsitzes 80 auf, die in Bezug auf die vertikale
Richtung geneigt sind. Jedoch ist die Position der Druckflächen
A und B auf der in der Strömungsrichtung des Gases oberen
Seite in der einen Strömungsweg bildenden Druckkammer (der
linken Seite von 2) weiter unten und auf der
in Strömungsrichtung des Gases unteren Seite (der rechten
Seite von 2) weiter oben angeordnet.
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Gemäß dem
Auslass-Sperrventil 22 wird die Ventilschließungs-Druckkammer 50 auf
der Seite des PSV VoC (1) über das Zufuhr-/Abfuhrrohr 76 (2)
mit dem Drucksteuerungs-Strömungsweg 40 verbunden.
Die Ventilöffnungs-Druckkammer wird auf der Seite des PSV
VoO (1) über das Zufuhr-/Abfuhrrohr 76 mit
dem Drucksteuerungs-Strömungsweg 40 verbunden.
Wenn der Antriebsschaft 60 (2) sich
in der axialen Richtung bewegt, bewegt sich ein mittlerer Teil der
Hauptmembran 46 schräg in Bezug auf die vertikale
Richtung, während die Gestalt der Hauptmembran 46 verformt
wird. Natürlich kann die Hauptmembran 46 auch
so gestaltet sein, dass sie sich im Ganzen schräg nach
oben und nach unten bewegt.
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Wenn
das Ventilelement 58 sich aufgrund einer Verlagerung des
Antriebsschafts 60, wie in 2 dargestellt,
nach oben bewegt, öffnet sich beim Auslass-Sperrventil 22 das
Ventil, so dass Luftabgas (mit der Oxidation in Beziehung stehendes
Gas) von seinem Einlass 92 zu seinem Auslass 94 strömen
kann. Daher kann das Luftabgas über den Abfuhrströmungsweg
für das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 von
dessen in Strömungsrichtung oberer Seite zu dessen dem
Befeuchter 28 naher Seite ausgeführt werden. Falls
das Ventilelement sich aufgrund einer Verlagerung des Antriebsschafts 60 nach
unten bewegt, schließt sich das Ventil und unterbricht
den Strom des Luftabgases im Abfuhrströmungsweg für
das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16, der
von der in Strömungsrichtung oberen Seite zum Befeuchter 28 gerichtet
ist.
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Im
Falle des Einlass-Sperrventils 20 sind der Einlass 92 und
der Auslass 94 im Vergleich zu denen des Auslass-Sperrventils 22 entgegengesetzt
angeordnet. Falls das Ventilelement 58 sich aufgrund einer
Verlagerung des Antriebsschafts 60 nach oben bewegt, öffnet
sich das Ventil, um die Luft über den Oxidierungsgas-Zufuhrströmungsweg 14 von
seiner in Strömungsrichtung oberen Seite zum Brennstoffzellenstapel 12 auszuführen.
Wenn das Ventilelement 58 sich aufgrund einer Verlagerung
des Antriebsschafts 60 nach unten bewegt, schließt
sich das Ventil und unterbricht den Strom der Luft im Oxidierungsgas-Zufuhrströmungsweg 14,
der von seiner in Strömungsrichtung oberen Seite zum Brennstoffzellenstapel 12 gerichtet
ist.
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Die
Verlagerung des Antriebsschafts 60 in dessen axialer Richtung
kann durch drei PSVs gesteuert werden. Genauer steuern drei PSVs
VoS, VoC und VoO die Drücke in der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 und
der Ventilschließungs-Druckkammer 50 des Auslass-Sperrventils 22.
Ebenso steuern drei PSVs ViS, ViC und ViO die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 und
die Ventilschließungs-Druckkammer 50 des Einlass-Sperrventils 20.
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Das
in 1 dargestellte VoS (oder ViS) ist ein 3-WAY-PSV,
d. h. ein als Dreiwege-Ventil gestaltetes PSV, das in der Lage ist,
selektiv die Ventilschließungs-Druckkammer 50 oder
die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 mit einer in
Strömungsrichtung des Gases oberen Seite des Luftkompressors 24 zu
verbinden und die jeweils andere Druckkammer von der in Strömungsrichtung
des Gases oberen Seite des Luftkompressors 24 zu trennen.
Jedes VoC, VoO, ViC und ViO ist ein 2-Way-PSV, das als Auslassventil,
d. h. als Druckentlastungsventil dient. Das VoS (oder ViS) kann
den Verbindungszustand des Strömungswegs gemäß einem
Erregungszustand ändern. Wenn das VoS (oder ViS) nicht
erregt ist (d. h. im nicht erregten Zustand ist), verbindet das VoS
(oder ViS) die Gasabfuhrseite des Luftkompressors 24 mit
der Ventilöffnungs-Druckkammer 52. Wenn das VoS
(oder ViS) erregt ist (d. h. in einem erregten Zustand ist), verbindet
das VoS (oder ViS) die Gasabfuhrseite des Luftkompressors 24 mit
der Ventilschließungs-Druckkammer 50. Jedes ViC,
ViO, VoC und VoO schließt das Ventil im nicht erregten Zustand
und öffnet das Ventil im erregten Zustand.
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In 1 und 2,
die jeweils eine Vielzahl von Dreiecken zeigen, die für
VoS (ViS), VoC (ViC) und VoO (ViO) stehen, zeigt ein schwarzes Dreieck jeweils
einen Zustand an, wo der Strömungsweg geschlossen ist,
und ein weißes Dreieck zeigt jeweils einen Zustand an,
wo der Strömungsweg offen ist.
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Wenn
das Auslass-Sperrventil 22 (oder das Einlass-Sperrventil 20),
das die geschlossene Ventilstellung einnimmt, geöffnet
wird, wie in 2 dargestellt, wird das VoS
(oder ViS) (1) im nicht-erregten Zustand
gehalten, und das VoC (ViC) wird in die offene Ventilstellung gebracht,
damit die Ventilschließungs-Druckkammer 50 mit
der Atmosphäre kommunizieren kann. Dann wird Druckluft,
die vom Luftkompressor 24 geliefert wird, über
das Zufuhr-/Abfuhrrohr 76 auf der Seite der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 und
den Drucksteuerungs-Strömungsweg 40 in die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 eingeführt.
Somit tritt ein Druckunterschied zwischen dem Druck in der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 und dem
Druck (dem Atmosphärendruck) in der Ventilschließungs-Druckkammer 50 auf.
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Die
Druckluft wird vom Luftkompressor 24 über einen
in Strömungsrichtung oberen Abschnitt des Oxidationsgas-Zufuhrströmungswegs 14 auch
in die einen Strömungsweg bildende Druckkammer 56 eingeführt.
Daher kommt es zu einem Druckunterschied zwischen dem Druck in der
einen Strömungsweg bildenden Druckkammer 56 und
dem Druck in der Atmosphärendruckkammer 54, die
zur Atmosphäre hin offen ist. Der Druck der einen Strömungsweg
bildenden Druckkammer 56 wird an die Unterseite des ringförmigen
verformbaren Abschnitts 67 der Untermembran 48 angelegt.
Daher schiebt die Untermembran 48 das zylindrische Element 64 nach oben.
Der Antriebsschaft 60 bewegt sich aufwärts wie
in 2 dargestellt. Der ringförmige verformbare Abschnitt 67 wird
in einem stark verformten Zustand gehalten. Infolgedessen wirken
eine erste Kraft F1, die aufwärts wirkt und die dem Druckunterschied
zwischen der einen Strömungsweg bildenden Druckkammer 56 und
der Atmosphärendruckkammer 54 entspricht, eine
zweite Kraft F2, die aufwärts wirkt und dem Druckunterschied
zwischen der Ventilschließungs-Druckkammer 50 und
der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 entspricht,
und die elastische Kraft der Spiralfeder 78 auf den Antriebsschaft 60.
Der Antriebsschaft 60 bewegt sich aufwärts. In dem
Zustand, in dem das Auslass-Sperrventil 22 die vollständig
offene Stellung einnimmt, wie in 2 dargestellt,
wird das VoC (ViC) in der geschlossenen Ventilstellung gehalten,
um die Ventilschließungs-Druckkammer 50 von der
Atmosphäre zu trennen. In diesem Zustand dient eine Oberseite
des Dämpfungselements 74 als Stopper, der am oberen Abschnitt
der Innenfläche des Gehäuses 42 anliegt.
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Um
das Auslass-Sperrventil 22, das die offene Ventilstellung
einnimmt, wie in 2 dargestellt, zu schließen,
wird das VoS (oder ViS) mit Energie versorgt bzw. erregt, um die
Druckluft, die vom Luftkompressor 24 geliefert wird, über
das Zufuhr-/Abfuhrrohr 76 und den Drucksteuerungs-Strömungsweg 40 in
die Ventilschließungs-Druckkammer 76 (2)
einzuführen. Außerdem wird das VoO (ViO) in der
offenen Ventilstellung gehalten, damit die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 mit
der Atmosphäre kommunizieren kann. Infolgedessen wirkt
eine dritte Kraft F3, die abwärts wirkt und die dem Druckunterschied
zwischen dem Druck in der Ventilschließungskammer 50 und
dem Druck (dem Atmosphärendruck) in der Ventilöffnungskammer 52 entspricht,
auf den Antriebsschaft 60. Wie in 2 dargestellt,
wird dabei die Druckluft vom Luftkompressor 24 in die einen Strömungsweg
bildende Druckkammer 56 eingeführt. Eine vierte
Kraft F4, die aufwärts (in der Richtung, die der dritten
Kraft F3 entgegengesetzt ist) wirkt und die dem Druckunterschied
zwischen dem Druck in der einen Strömungsweg bildenden
Druckkammer 56 und dem Druck in der Atmosphärendruckkammer 54,
die mit der Atmosphäre verbunden ist, entspricht, wirkt
auf den Antriebsschaft 60. Jedoch ist in der vorliegenden
Ausführungsform der Durchmesser einer Druckaufnahmefläche
eines oberen Abschnitts des Antriebsschafts 60, der die
Hauptmembran 46 einschließt, ausreichend größer
angesetzt als der Durchmesser einer Druckaufnahmefläche
eines unteren Abschnitts eines Antriebsschafts 60, der
die Untermembran 48 einschließt. Daher bewegt
sich der Antriebsschaft 60 gegen die vierte Kraft F4 und
die elastische Kraft der Spiralfeder 78 nach unten. Der
Ventilelementkörper 62 kann den Ventilsitz 80 berühren.
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In
einem Zustand, wo das Auslass-Sperrventil 22 vollständig
geschlossen ist, wird die Ventilschließungs-Druckkammer 50 vom
Luftkompressor 24 getrennt, wenn das VoS (oder ViS) in
den nicht-erregten Zustand gebracht wird. Infolgedessen wird der Druck
der Luft in der Ventilschließungs-Druckkammer 50 auf
einem konstanten Wert gehalten. Wenn in diesem Zustand dann das
VoO (oder ViO) in eine geschlossene Ventilstellung gebracht wird,
wird die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 von der
Atmosphäre getrennt. Das Einlass-Sperrventil 20 führt ähnliche Öffnungs-/Schließungsoperationen
aus.
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Das
Befeuchter-Umgehungsventil 18 (1) ist als
normalerweise geschlossenes Sperrventil ausgelegt, das normalerweise
im geschlossenen Zustand gehalten wird, wobei das Ventilelement 58 unter
normalen Bedingungen geschlossen ist, wobei seine Druckkammern alle
den gleichen Druck aufweisen. Obwohl in der Zeichnung nicht im Einzelnen dargestellt, ähnelt
der Aufbau des Befeuchter-Umgehungsventils 18 dem des Einlass-Sperrventils 20 oder
des Auslass-Sperrventils 22, das in 2 dargestellt
ist, und weist eine Spiralfeder 78 (siehe 2)
auf, die zwischen einer Oberseite des Bo denplattenabschnitts des
zylindrischen Elements 64 und einer Unterseite des Teilungselements 44 vorgesehen
ist. Alternativ dazu kann das Befeuchter-Umgehungsventil 18 als
normalerweise geschlossenes Sperrventil ausgelegt sein, das eine
Spiralfeder aufweist, die zwischen einer Oberseite eines Elements, das
am oberen Endabschnitt des Ventilelements 58 befestigt
ist (z. B. des Dämpfungselements 74 (siehe 2))
und einer Unterseite des Gehäuses 42 vorgesehen
ist.
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Ebenso
wie das Einlass-Sperrventil 20 weist das Befeuchter-Umgehungsventil 18 gegenseitige Druckflächen
A und B (siehe 2) des Ventilelementkörpers 62 und
des Ventilsitzes 80 auf, die in Bezug auf die vertikale
Richtung geneigt sind. Die Druckflächen A und B ist auf
der in Strömungsrichtung des Gases oberen Seite in der
einen Strömungsweg bildenden Druckkammer (siehe 2) tiefer
und auf der in Strömungsrichtung des Gases unteren Seite
(rechte Seite von 2) höher angeordnet.
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Das
Befeuchter-Umgehungsventil 18 weist, wie in 1 dargestellt,
die Ventilschließungs-Druckkammer 50, die mit
einem Drucksteuerungs-Strömungsweg 40 des PSV
auf der Seite des VbC verbunden ist, und die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 auf,
die mit einem Drucksteuerungs-Strömungsweg des PSV auf
der Seite des VbO verbunden ist. Wenn das Ventilelement 58 sich
aufgrund einer Verlagerung des Antriebsschafts 60 (siehe 2)
nach oben bewegt, öffnet sich das Ventil und führt
die Luft von der in Strömungsrichtung oberen Seite des
Befeuchter-Umgehungswegs 32 zum Brennstoffzellenstapel 12 ab.
Wenn das Ventilelement 58 sich aufgrund einer Verlagerung
des Antriebsschafts 60 nach unten bewegt, schließt
sich das Ventil und unterbricht den Luftstrom, der von der in Strömungsrichtung
oberen Seite des Befeuchter-Umgehungswegs 32 zum Brennstoffzellenstapel 12 gerichtet
ist.
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Ebenso
wie beim Einlass-Sperrventil 20 und beim Auslass-Sperrventil 22 wird
die Verlagerung des Antriebsschafts 60 in dessen axialer
Richtung von drei PSVs VbS, VbC und VbO gesteuert. In 1,
die eine Vielzahl von Dreiecken zeigt, die für VbS, VbC
und VbO stehen, zeigt jedes schwarze Dreieck einen Zustand an, in
dem der Strömungsweg geschlossen ist, und zeigt jedes weiße
Dreieck einen Zustand an, in dem der Strömungsweg offen
ist. Das VbS verbindet im nicht-erregten Zustand die Gasaus lassseite
des Luftkompressors 24 mit der Ventilschließungs-Druckkammer 50.
Das VbS verbindet im erregten Zustand die Gasauslassseite des Luftkompressors 24 mit
der Ventilöffnungs-Druckkammer 52.
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Wenn
das Befeuchter-Umgehungsventil 18 geöffnet wird,
wird die Druckluft, die vom Luftkompressor 24 geliefert
wird, in die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 eingeführt,
und die Ventilschließungs-Druckkammer 50 wird
zur Atmosphäre hin geöffnet. Infolgedessen wirken
eine erste Kraft F1', die aufwärts wirkt und die dem Druckunterschied
zwischen der einen Strömungsweg bildenden Druckkammer 56,
in welche die Druckluft vom Luftkompressor 24 eingeführt
wird, und der Atmosphärendruckkammer 54 (siehe 2)
entspricht, und eine zweite Kraft F2', die aufwärts wirkt
und die dem Druckunterschied zwischen der Ventilschließungs-Druckkammer 50 und
der Ventilöffnungsdruckkammer 52 entspricht, auf
den Antriebsschaft 60 (siehe 2). Daher
bewegt sich der Antriebsschaft 60 gegen die elastische
Kraft der Spiralfeder nach oben. Außerdem wird das Befeuchter-Umgehungsventil 18 geöffnet.
-
Wenn
das Befeuchter-Umgehungsventil 18 geschlossen wird, wird
dagegen die Druckluft vom Luftkompressor 24 zur Ventilschließungs-Druckkammer 50 geliefert,
und die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 wird zur
Atmosphäre geöffnet. Dann wirken eine Kraft, die
abwärts wirkt und die dem Druckunterschied zwischen der
Ventilöffnungs-Druckkammer 52 und der Ventilschließungs-Druckkammer 50 entspricht,
und die elastische Kraft der Spiralfeder auf den Antriebsschaft 60.
Daher bewegt sich der Antriebsschaft 60 nach unten. In
diesem Fall wirkt auch eine Kraft, die aufwärts wirkt und
die dem Druckunterschied zwischen der einen Strömungsweg
bildenden Druckkammer 56 und der Atmosphärendruckkammer 54 entspricht,
auf den Antriebsschaft 60. Jedoch ist der Durchmesser der
Druckaufnahmefläche des oberen Abschnitts des Antriebsschafts 60,
der die Hauptmembran 46 (siehe 2) einschließt,
so angesetzt, dass er ausreichend größer ist als
der Durchmesser der Druckaufnahmefläche des unteren Abschnitts
des Antriebsschafts 60, der die Untermembran 48 einschließt
(siehe 2). Daher bewegt sich der Antriebsschaft 60 nach
unten. Dann wird das Befeuchter-Umgehungsventil 18 geschlossen.
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Wenn
das Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem
oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 10 nicht in Betrieb
ist, können das Einlass-Sperrventil 20, das Auslass-Sperrventil 22 und
das Befeuchter-Umgehungsventil 18 jeweils in der geschlossenen
Ventilstellung gehalten werden, das heißt in dem Zustand,
wo jeweils alle drei PSVs, die dem Einlass-Sperrventil 20,
dem Auslass-Sperrventil 22 bzw. dem Befeuchter-Umgehungsventil 18 entsprechen, in
nicht-erregten Zustand gehalten werden. Daher kann das oben beschriebene
Brennstoffzellensystem eine Zufuhr von frischer Luft zu einem inneren
Strömungsweg auf der Kathodenelektrodenseite des Bennstoffzellenstapels 12 verhindern.
Das oben beschriebene Brennstoffzellensystem 10 kann ferner eine
die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 verkürzende
Oxidation eines Kohlenstoffmaterials, das einen Katalysator enthält,
der Bestandteil der Film/Elektroden-Anordnung ist, verhindern.
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Genauer
sind in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 2 dargestellt,
die Druckflächen A und B des Ventilelementkörpers 62 und
des Ventilsitzes 80 des Einlass-Sperrventils 22,
die gegeneinander gepresst werden, in Bezug auf die vertikale Richtung
geneigt. Auch wenn Wasser oder verflüssigter Wasserdampf,
der in dem Luftabgas, das in der einen Strömungsweg bildenden
Druckkammer 56 strömt, enthalten ist, an der Druckfläche
B des Ventilsitzes 80 haftet, kann das Wasser trotzdem
entlang der Druckfläche B fallen, ohne an der Druckfläche
B zurückzubleiben. Ferner ist die Druckfläche
B des Ventilsitzes 80 auf der in Bezug auf die Strömungsrichtung
des Gases oberen Seite (der rechten Seite in 2) in der
einen Strömungsweg bildenden Druckkammer 56 oben
und auf der in Strömungsrichtung unteren Seite (der linken
Seite in 2) unten angeordnet. Wenn die
Brennstoffzelle in Betrieb ist, kann daher das Wasser aufgrund der
Schwerkraft problemlos entlang der Druckfläche B fallen,
ohne von dem Gas, das im Gasströmungsweg strömt,
zurückgedrängt zu werden. Genauer kann das Wasser auch
dann, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb ist, aufgrund der Wirkung
des strömenden Gases und aufgrund der Schwerkraft effektiv
entlang der Druckfläche B fallen. Daher kann das Auslass-Sperrventil 22 effektiv
ein Öffnen und Schließen durchführen,
so dass es auch in einer Niedertemperaturumgebung problemlos funktioniert.
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Darüber
hinaus kann die vorliegende Ausführungsform die Größe
L1 der Abschnitte, die jeweils ein Ventil (das Auslass-Sperrventil 22,
das Einlass-Sperrventil 20 und das Befeuchter-Umgehungsventil 18)
und die Rohre 90, die mit den beiden Seiten des Ventils
verbunden sind, enthalten, in der Oben-Unten-Richtung L1 verkleinern.
Genauer weist im Vergleich zu der oben beschriebenen Ausführungsform
ein Auslass-Sperrventil 22A gemäß einer anderen
Erfindung das Ventilelement 58 auf, das in der vertikalen
Richtung (Oben-Unten-Richtung in 3) beweglich
ist, wie in 3 dargestellt. Ebenso wie das
Auslass-Sperrventil 22 in der oben beschriebenen Ausführungsform
weist das Auslass-Sperrventil 22A den linken Auslass 94 (oder
den linken Einlass 92) auf, der eine Verbindungsfläche 88A aufweist,
die mit einem (nicht dargestellten) Rohr zu verbinden ist, und die
horizontal ausgerichtet ist, wie in 3 dargestellt.
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Gemäß dem
Auslass-Sperrventil 22A, das das Ventilelement 58 aufweist,
das in der vertikalen Richtung bewegt werden kann, ist eine Verbindungsfläche 86A des
Einlasses 92 (oder des Auslasses 94), die mit
einem Rohr 90A zu verbinden ist, in der vertikalen Richtung
(in der Abwärtsrichtung) ausgerichtet, wie in 3 dargestellt.
Daher ist die Größe L2 des Abschnitts, der das
Auslass-Sperrventil 22A und das Rohr 90A einschließt,
in der vertikalen Richtung eher lang (3). Wenn
sie ihren in 2 dargestellten Gegenstücken ähnlich
sind, werden Abschnitte des Auslass-Sperrventils 22A, das
in 3 dargestellt ist, mit den Bezugszahlen bezeichnet,
die für die vergleichbaren Abschnitte des Auslass-Sperrventils 22,
das in 2 dargestellt ist, verwendet wurden.
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Nun
weist in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 2 dargestellt,
das Auslass-Sperrventil 22 (das Einlass-Sperrventil 20 oder
das Befeuchter-Umgehungsventil 18) den Antriebsschaft 60 auf, der
Bestandteil des Ventilelements 58 ist und der sich in der
Richtung, die in Bezug auf die vertikale Richtung geneigt ist, bewegen
kann. Daher können beide Rohre 90 in der horizontalen
Richtung mit dem Auslass-Sperrventil 22 verbunden werden.
Daher kann die vorliegende Ausführungsform die Größe
L1 in der vertikalen Richtung des Abschnitts, der das Auslass-Sperrventil 22 und
dessen Rohre 90 einschließt, verkleinern. Infolgedessen
kann das Brennstoffzellensystem 10 leicht in einem Kraftfahrzeug
installiert werden. Wenn die beiden Rohre 90, die mit dem
Auslass-Sperrventil 22 verbunden sind, so angeordnet sind,
dass sie sich ganz in der horizontalen Richtung erstrecken, muss
ferner kein Ende der Rohre 90 auf der Seite des Auslass-Sperrventils 22 senkrecht
oder scharf gebogen werden. Infolgedessen kann die vorliegende Ausführungsform
einen Druckverlust des Gases, das im Abfuhrströmungsweg
für das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 strömt (1),
verringern.
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Wie
in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben, kann ferner,
wenn die vorliegende Erfindung auf das Auslass-Sperrventil 22 angewendet wird,
das in dem Abfuhrströmungsweg für das mit der Oxidation
in Beziehung stehende Gas 16 vorgesehen ist, die Wirkung
der vorliegenden Erfindung, die durch die Verwendung der Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung erreicht wird, verstärkt werden. Genauer
strömt eine große Menge an Wasser als Nebenprodukt
der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle in dem Abfuhrströmungsweg
für das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16. Das
Wasser neigt dazu, in dem Abfuhrströmungsweg für
das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 zurückzubleiben.
Gemäß einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem,
welches das Auslass-Sperrventil aufweist, das im Abfuhrströmungsweg
für das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 vorgesehen
ist und das keinerlei Struktur aufweist, die verhindern kann, dass
Wasser im Bereich der Druckflächen des Ventilelements und
des Ventilsitzes des Auslass-Sperrventils, die gegeneinander gepresst werden,
gefriert, kann daher das Ventil nicht problemlos geöffnet
und geschlossen werden.
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Dagegen
kann das Auslass-Sperrventil 22 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform verhindern, dass Wasser an
der Druckfläche B des Ventilsitzes 80 haften bleibt,
und kann außerdem auch dann, wenn die Brennstoffzelle in
Betrieb ist, bewirken, dass Wasser aufgrund der Wirkung des strömenden
Gases und der Wirkung der Schwerkraft effektiv entlang der Druckfläche
B fällt. Daher kann die Wirkung der vorliegenden Erfindung,
die dadurch erhalten wird, das die Ausgestaltung verwendet wird, dass „das
Ventilelement 58 und der Ventilsitz 80 in Bezug
auf die vertikale Ebene geneigt sind und dass die Druckflächen
A und B des Ventilelements 58 und des Ventilsitzes 80 auf
der in Strömungsrichtung des Gases oberen Seite in der
einen Strömungsweg bildenden Druckkammer 56 oben
und auf der in der Strömungsrichtung des Gases unteren
Seite unten angeordnet sind”, verstärkt werden.
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Das
Rohr 90, das den Abfuhrströmungsweg für
das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 einrichtet,
ist eher dicker als das Rohr, das den Strömungsweg einrichtet,
der das mit dem Brennstoff in Beziehung stehende Gas liefert und
der in dem Abschnitt Wirkungen der Erfindung beschrieben ist. Gemäß dem
herkömmlichen Brennstoffzellensystem, das den Abfuhrströmungsweg
für das mit der Oxidation in Beziehung stehende Gas 16 aufweist,
der mit dem Auslass-Sperrventil versehen ist, ist daher der Abschnitt,
der das Auslass-Sperrventil und dessen Rohr enthält, eher
groß. Dagegen kann das Auslass-Sperrventil 22 (2)
gemäß der vorliegenden Ausführungsform
die Größe L1 des Abschnitts, der das Auslass-Sperrventil 22 und
das mit dem Auslass-Sperrventil verbundene Rohr enthält,
in der vertikalen Richtung verkleinert werden. Daher kann die Wirkung
der vorliegenden Erfindung, die dadurch erhalten wird, dass die
Ausgestaltung verwendet wird, dass „die Druckflächen
A und B des Ventilelements 58 und des Ventilsitzes 80,
die gegeneinander gepresst werden, relativ zur vertikalen Richtung”,
geneigt sind, verstärkt werden.
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Ferner ähnelt
in der vorliegenden Ausführungsform der Aufbau des Einlass-Sperrventils 20 dem
Aufbau des Auslass-Sperrventils 22. Die Druckflächen
A und B des Ventilelements 58 und des Ventilsitzes 80,
die gegeneinander gepresst werden, sind auf der in Strömungsrichtung
des Gases oberen Seite in der einen Strömungsweg bildenden
Druckkammer 56 unten und auf der in Strömungsrichtung
des Gases unteren Seite oben angeordnet. Außerdem ist im
Einlass-Sperrventil 20 und im Auslass-Sperrventil 22 die
Seite des Strömungswegs, die dem Brennstoffzellenstapel 12 nahe
ist (die rechte Seite in 2) in der Richtung, in der der
Antriebsschaft 60 vom Ventilöffnungszustand in
den Ventilschließungszustand getrieben wird, vorne angeordnet.
Daher kann die Kraft, die in der Ventilschließungsrichtung auf
das Ventilelement 58 wirkt, erhöht werden, wenn das
Ventilelement 58 gegen den Ventilsitz 80 gepresst
wird. Genauer werden, wenn die Brennstoffzelle Sauerstoff und Wasserstoff
verbraucht, um Elektrizität zu erzeugen, die Drücke
des Einlass-Sperrventils 20 und des Auslass-Sperrventils 22 an
deren nahe am Brennstoffzellenstapel 12 liegenden Seiten
negativ.
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Außerdem
ist der Gasstrom in den beiden Rohren 90, die in Bezug
auf die Gasströmungsrichtung zu beiden Seiten des Auslass-Sperrventils 22 mit
diesem verbunden sind (ein Fall des Einlass-Sperrventils 20 oder
des Befeuchter-Umgehungsventils 22 ist dem Fall des Auslass-Sperrventils 22 ähnlich),
zumindest im Bereich des Abschnitts, der mit dem Auslass-Sperrventil 22 verbunden
ist, parallel zur horizontalen Richtung. Daher kann die Größe
L1 des Abschnitts der das Auslass-Sperrventil 22 und das
mit dem Auslass-Sperrventil 22 verbundene Rohr 90 einschließt,
in der vertikalen Richtung weiter verringert werden.
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Darüber
hinaus weisen zwei Rohre 90, die auf der in Strömungsrichtung
des Gases oberen Seite und auf der in Strömungsrichtung
des Gases unteren Seite mit dem Auslass-Sperrventil 22 verbunden sind
(ein Fall des Einlass-Sperrventils 20 oder des Befeuchter-Umgehungsventils 22 ist
dem Fall des Auslass-Sperrventils 22 ähnlich)
Unterseiten auf, die auf einer einzigen virtuellen Ebene α liegen,
die sich in der horizontalen Richtung erstreckt. Daher kann die
Größe L1 des Abschnitts der das Auslass-Sperrventil 22 und
das mit dem Auslass-Sperrventil 22 verbundene Rohr 90 einschließt,
in der vertikalen Richtung weiter verringert werden. Ferner kann,
wenn bei den oben beschriebenen Ventilen 22, 20 und 18 zwei mit
der in Strömungsrichtung des Gases oberen Seite und der
in Strömungsrichtung des Gases unteren Seite verbundene
Rohre Mittelachsen aufweisen, die auf einer einzigen virtuellen
Ebene α liegen, die sich in der horizontalen Richtung erstreckt,
der Abschnitt, der das Ventil 22, 20 bzw. 18 und
das mit dem Ventil verbundene Rohr einschließt, jeweils
verkleinert werden.
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Das
Fluidsteuerventil, das im Brennstoffzellensystem gemäß der
vorliegenden Erfindung enthalten ist, ist nicht beschränkt
auf das oben beschriebene Auslass-Sperrventil 22. Beispielsweise
kann das Fluidsteuerventil gemäß der vorliegenden
Erfindung auf ein Auf/Zu-Ventil für eine Brennstoffzelle
angewendet werden, das in einem Abfuhrströmungsweg für
das mit dem Brennstoff in Beziehung stehende Gas vorgesehen ist, über
den das Wasserstoffgas (das mit dem Brennstoff in Beziehung stehende
Gas) aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführt
wird.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
vorliegende Erfindung kann auf ein Brennstoffzellensystem angewendet
werden, das einen Brennstoffzellenstapel enthält, beispielsweise
eines, das in einem Kraftfahrzeug installiert ist, bei dem es sich
um ein Brennstoffzellen-Fahrzeug handelt, und kann als Leistungsquelle
für den Fahrzeug-Fahrmotor dienen.
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ZUSAMMENFASSUNG
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
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Ein
Auslass-Sperrventil (22), in dem Druckflächen
(A, B) eines Ventilelements (58) und eines Ventilsitzes
(80), die gegeneinander gepresst werden, relativ zur vertikalen
Richtung geneigt sind, und in dem eine Antriebswelle (60)
in einer Richtung angetrieben werden kann, die relativ zur vertikalen Richtung
geneigt ist. In dem Auslass-Sperrventil (22) sind die Druckflächen
(A, B) auf der in Strömungsrichtung eines Gases oberen
Seite in einer einen Strömungsweg bildenden Druckkammer
(56) oben und auf der in Strömungsrichtung unteren
Seite unten angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2004-183713
A [0003, 0007]
- - JP 2004-185831 A [0004, 0004, 0010]
- - JP 2006-32134 A [0005, 0009, 0010]
- - JP 2004-311222 A [0006, 0011]