DE112007002889T5 - Fluidsteuerungsventil und Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Fluidsteuerungsventil, das ein Ventilelement mit einer Antriebswelle aufweist, wobei das Fluidsteuerungsventil die Strömungen in einem Strömungsweg durch eine Verschiebung der Antriebswelle blockiert oder zusammenführt, wobei die Antriebswelle durch sowohl eine erste Kraft, die aufgrund eines Differenzdrucks zwischen einer ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer wirkt, die getrennt voneinander ausgeführt sind, als auch eine zweite Kraft angetrieben wird, die in der gleichen Richtung wirkt, wie die erste Kraft, und aufgrund eines Differenzdrucks zwischen einer dritten Druckkammer und einer vierten Druckkammer wirkt, die getrennt voneinander ausgeführt sind.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidsteuerungsventil, das ein Ventilelement mit einer Antriebswelle beinhaltet und das Strömungen innerhalb eines Strömungswegs durch eine Verschiebung der Antriebswelle entlang der Achsrichtung blockiert und zusammenführt. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem, das das Fluidsteuerungsventil beinhaltet.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND
  • Ein Brennstoffzellensystem beinhaltet eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidationsgas (Reaktionsgase) Elektrizität erzeugt, einen Gaszufuhrströmungsweg zum Zuführen der Reaktionsgase zur Brennstoffzelle und einen Gasabführströmungsweg zum Abführen der Reaktionsgase aus der Brennstoffzelle. Darüber hinaus können in einem derartigen Gaszufuhrströmungsweg und einem Gasabführströmungsweg Öffnungs-/Schließventile für eine Brennstoffzelle installiert werden, die Fluidsteuerungsventilen entsprechen.
  • Im Fall eines in der JP 2004-183713 A offenbarten Öffnungs-/Schließventils für eine Brennstoffzelle ist ein Ventilelement mit einem Ständerabschnitt vorgesehen, um eine Strömung in einem Gasströmungsweg zu blockieren und zusammenzuführen, indem der Ständerabschnitt entlang der Achsrichtung verschoben wird. Der Innenraum dieses Öffnungs-/Schließventils für die Brennstoffzelle ist durch eine Membran in zwei Kammern unterteilt. Dieses Ventil ist in einer Wasserstoffabführeinheit zum Abführen eines aus der Brennstoffzelle abzuführenden Wasserstoffs angeordnet, und eine Kammer der beiden Kammern des Ventils ist mit einem Weg verbunden, der von einem Luftzuführweg zum Zuführen der Luft zur Brennstoffzelle abzweigt. Die andere Kammer der beiden Kammern weist eine Schraubenfeder auf, die das Ventilelement bewegt, so dass die andere Kammer geöffnet und das abzuführende Wasserstoffgas abgeführt wird. Wird der einen Kammer im Betrieb Luft zugeführt, wirkt auf die Membran ein Druck ein, so dass bewirkt wird, dass das Ventilelement gegen die Federkraft der Schraubenfeder an einem Ventilsitz anliegt, wodurch die andere Kammer geschlossen wird.
  • Im Fall des in der JP 2004-150090 A offenbarten Brennstoffzellen-Wasserstoffreglerventils ist der Innenraum des Gehäuses durch zwei Membranen, die mit dem Ventilelement verbunden sind, in drei Kammern unterteilt, um dadurch die Öffnung des Ventils an einen Luftdruck, der zugeführt und in eine Reglerkammer der drei Kammern eingeführt wird, einen von der Feder ausgeübten Druck und einen durch das Wasserstoffgas ausgeübten Druck anpassen zu können.
  • Im Fall eines in der JP 2004-183713 A offenbarten Ventils für eine Brennstoffzelle wird ein Strömungsweg zum Abführen des abzuführenden Wasserstoffs geschlossen, indem einer der beiden Kammern Luft zugeführt wird. In anderen Worten wird der Strömungsweg durch den Differenzdruck zwischen den beiden Kammern blockiert. Beim Öffnen des Ventils werden zur Ansteuerung des Ventils außerdem nur der Differenzdruck zwischen den beiden Kammern und die Federkraft der Feder ausgeübt, um die Strömungswege zusammenzuführen. Daher besteht Bedarf, das Ansprechvermögens des angetriebenen Ventils zu verbessern.
  • Wenn dieses Ventil für eine Brennstoffzelle beispielsweise in einer Umgebung verwendet wird, in der Feuchtigkeit vorherrscht, kann die an dem Ventilelementbereich anhaftende Feuchtigkeit gefrieren, wenn das Ventil geschlossen ist, wodurch dann zum Öffnen des Ventils möglicherweise ein hoher Kraftaufwand notwendig wird. Wenn demgegenüber die Gasströmungen in dem Strömungsweg blockiert oder zusammengeführt werden, indem dazu nur die Kraft des Differenzdrucks zwischen den beiden Kammern und die Federkraft der Feder ausgeübt wird, kann dies eine verminderte Ventilantriebskraft bedeuten. Somit besteht Bedarf an einer Konfiguration mit einem verbesserten Ansprechvermögen des Ventils, wenn dieses in Reaktion auf die Eingabe von zum Ansteuern des Ventils dienenden Signalen angetrieben wird.
  • Ferner sind in dem in der JP 2004-150090 A offenbarten Brennstoffzellenventil drei Kammern vorgesehen. Weil die mittlere Kammer eine Atmosphärendruckkammer ist, und weil auf die beiden Kammern von beiden Seiten ein Überdruck ausgeübt wird, wirken die Kraft zum Antreiben des Ventilelements, die durch Einführen des zugeführten Luftdrucks in eine Reglerkammer der beiden Kammern entsteht, und die Kraft zum Antreiben des Ventilelements, die durch den Druck des Wasserstoffgases entsteht, das, von den beiden Kammern, in der Kammer zum Abführen des abzuführenden Wasserstoffs vorhanden ist, in zueinander entgegengesetzten Richtungen. Daher besteht Bedarf, das Ansprechvermögen des angetriebenen Ventils zu verbessern.
  • Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, das Ansprechvermögen des Ventilelements zu verbessern, wenn sein Antrieb in einem Fluidsteuerungsventil und einem Brennstoffzellensystem erfolgt.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Bei einem Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Fluidsteuerungsventil, das ein Ventilelement mit einer Antriebswelle beinhaltet und das die Strömungen in einem Strömungsweg durch eine Verschiebung der Antriebswelle blockiert oder zusammenführt, und in diesem Fluidsteuerungsventil wird die Antriebswelle durch sowohl eine erste Kraft, die aufgrund eines Differenzdrucks zwischen einer ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer wirkt, die voneinander getrennt ausgeführt sind, als auch eine zweite Kraft angetrieben, die in der gleichen Richtung wie die erste Kraft und aufgrund eines Differenzdrucks zwischen einer dritten Druckkammer und einer vierten Druckkammer wirkt, die voneinander getrennt ausgeführt sind.
  • Vorzugsweise dient entweder die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer oder die vierte Druckkammer als ein Strömungsweg, in dem Strömungen durch das Ventil blockiert oder zusammengeführt werden.
  • Noch mehr bevorzugt wird, dass entweder die erste Druckkammer oder die zweite Druckkammer und entweder die dritte Druckkammer oder die vierte Druckkammer miteinander in Verbindung stehen oder zur Atmosphäre bzw. nach außen offen sind.
  • In dem Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung werden von den Kammern bestehend aus der ersten Druckkammer, der zweiten Druckkammer, der dritten Druckkammer und der vierten Druckkammer vorzugsweise zwei beliebige im Inneren des Ventils nicht miteinander verbunden.
  • In dem Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung dient vorzugsweise entweder die erste Druckkammer oder die zweite Druckkammer als ein Strömungsweg, in dem die Strömungen durch das Ventilelement blockiert oder zusammengeführt werden, während die jeweils andere erste Druckkammer oder zweite Druckkammer nach außen offen steht, und entweder die dritte Druckkammer oder die vierte Druckkammer einen Druck von einem Fluid aufnimmt, das mit einem Fluid identisch ist, das in dem Strömungsweg strömt, während die jeweils andere dritte Druckkammer oder vierte Druckkammer nach außen geöffnet ist.
  • Bei dem Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich vorzugsweise um ein normalerweise offenes Sperrventil, das im Normalzustand, in dem die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer und die vierte Druckkammer alle den gleichen Druck aufweisen, in einen offenen Ventilzustand versetzt ist.
  • Das Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein normalerweise geschlossenes Sperrventil, das aufgrund der durch eine elastische Einrichtung bereitgestellten Federkraft im Normalzustand, in dem die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer und die vierte Druckkammer allesamt den gleichen Druck aufweisen und in dem die Antriebswelle in einer Richtung zu einem offenen Ventilzustand durch die erste Kraft und die zweite Kraft, die in der gleichen Richtung wirken, angetrieben wird, in einen geschlossenen Ventilzustand versetzt ist.
  • Das Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung wird als ein Öffnungs-/Schließventil für eine Brennstoffzelle in einem Strömungsweg verwendet, durch den ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas oder mit einem Brenngas verwandtes Gas strömt.
  • Wenn das Fluidsteuerungsventil als das Öffnungs-/Schließventil für die Brennstoffzelle in dem Strömungsweg verwendet wird, durch den ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas oder ein mit einem Brenngas verwandtes Gas strömt, wird vorzugsweise die Antriebswelle durch die erste Kraft und die zweite Kraft, die in der gleichen Richtung wirken, in einer zu dem offenen Ventilzustand führenden Richtung angetrieben, und ein auf der Brennstoffzellenseite befindlicher Strömungsweg ist auf der vorderen Seite in einer Richtung positioniert, entlang der die Antriebswelle aus dem offenen Ventilzustand in den geschlossenen Ventilzustand getrieben wird.
  • In dem Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein offener Bereich des Strömungswegs vorzugsweise einstellbar.
  • In dem Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung bestehen ein die erste Druckkammer ausbildendes Element und ein die zweite Druckkammer ausbildendes Element aus unterschiedlichen Metallen.
  • Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas ermöglicht wird und in dem es sich bei einem Öffnungs-/Schließventil für die Brennstoffzelle in einem Strömungsweg, durch den ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas oder das mit einem Brenngas verwandte Gas strömen, um ein wie oben erläutertes Fluidsteuerungsventil handelt.
  • Weil in dem Fluidsteuerungsventil und dem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung die Antriebswelle des Ventilelements durch sowohl eine erste Kraft, die aufgrund des Differenzdrucks zwischen der ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer wirkt, die getrennt voneinander ausgeführt sind, als auch eine zweite Kraft angetrieben wird, die in der gleichen Richtung wie die erste Kraft und aufgrund des Differenzdrucks zwischen der dritten Druckkammer und der vierten Druckkammer wirkt, die voneinander getrennt ausgeführt sind, kann das Ansprechvermögen der angetriebenen Ventile verbessert werden.
  • Wenn ferner die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer und die vierte Druckkammer entlang der Achsrichtung der Antriebswelle angeordnet sind, kann dadurch die zum Antreiben des Ventils angewendete Kraft verstärkt werden, ohne dafür die Abmessungen der jeweiligen Druckkammern vergrößern zu müssen. In einem herkömmlichen Fluidsteuerungsventil, in dem das Ventil nur durch einen Differenzdruck zwischen zwei Druckkammern angetrieben wird, muss, um die zum Antreiben des Ventils angewendete Kraft zu erhöhen, der Innendurchmesser der einen Druckkammer vergrößert und der Durchmesser einer Membran zwischen den beiden Druckkammern vergrößert werden, um dadurch einen Druckaufnahmebereich der Membran zu vergrößern. In diesem Fall wird der Durchmesser der Druckkammer größer, was in einem Fluidsteuerungsventil mit größeren Abmessungen resultiert. Ein Fluidsteuerungsventil mit größeren Abmessungen kann ein erhöhtes Fahrzeuggewicht oder missglückte Einbauversuche desselben in das Fahrzeug zur Folge haben. Demgegenüber kann bei dem Fluidsteuerungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer oder die vierte Druckkammer entlang der Achsrichtung der Antriebswelle angeordnet sind, die Kraft zum Antreiben des Ventils verstärkt werden, ohne dafür den Innendurchmesser oder jeweiligen Druckkammer übermäßig vergrößern zu müssen.
  • Bei einer Konfiguration, bei der entweder die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer oder die vierte Druckkammer als ein Strömungsweg dienen, in dem die Strömungen durch das Ventilelement blockiert oder zusammengeführt werden, ist ferner die Realisierung eines kleineren Fluidsteuerungsventil gegenüber dem Fall leichter, in dem ein Strömungsweg, in dem die Strömungen durch das Ventilelement blockiert oder zusammengeführt werden, neben der ersten Druckkammer, der zweiten Druckkammer, der dritten Druckkammer oder der vierten Druckkammer bereitgestellt wird.
  • Bei einer Konfiguration, in der das Fluidsteuerungsventil ein normalerweise geschlossenes Sperrventil ist, das aufgrund der durch eine elastische Einrichtung bereitgestellten Federkraft im Normalzustand, in dem die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer und die vierte Druckkammer allesamt den gleichen Druck aufweisen, in den geschlossenen Ventilzustand versetzt ist, und in der die Antriebswelle durch die erste Kraft und die zweite Kraft, die in der gleichen Richtung wirken, in einer zu einem offenen Ventilzustand führenden Richtung angetrieben wird, verstärkt sich der Vorteil der vorliegenden Erfindung, der erhalten wird, indem die Konfiguration der vorliegenden Erfindung übernommen wird. Anders ausgedrückt, wird der offene Ventilzustand wirksam durch die erste Kraft und die zweite Kraft realisiert, selbst wenn die Antriebswelle gegen die Federkraft der elastischen Einrichtung verschoben werden muss. Dadurch vergrößert sich der Vorteil der vorliegenden Erfindung, der durch Übernehmen der Konfiguration der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
  • Gemäß einer Konfiguration, in der das Fluidsteuerungsventil als ein Öffnungs-/Schließventil für die Brennstoffzelle in dem Strömungsweg verwendet wird, durch den ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas oder ein mit einem Brenngas verwandtes Gas strömt; die Antriebwelle entlang der zu einem offenen Ventilzustand führenden Richtung durch die erste Kraft und die zweite Kraft angetrieben wird, die in der gleichen Richtung wirken; und die Brennstoffzellenseite des Strömungswegs auf der Vorderseite in der Richtung positioniert ist, entlang der die Antriebswelle aus dem offenen Ventilzustand in den geschlossenen Ventilzustand getrieben wird, vergrößert sich der Vorteil der vorliegenden Erfindung durch Anwenden der Konfiguration der vorliegenden Erfindung. Weil die Brennstoffzellenseite des Fluidsteuerungsventils mit Unterdruck beaufschlagt wird, wenn durch die Erzeugung von Elektrizität in der Brennstoffzelle Sauerstoff oder Wasserstoff verbraucht wird, muss die Antriebswelle gegen den Unterdruck verschoben werden, um so das Fluidsteuerungsventil aus dem geschlossenen Ventilzustand in den offenen Ventilzustand zu versetzen. Selbst wenn es bei der vorstehenden Konfiguration notwendig ist, die Antriebswelle gegen den Unterdruck zu verschieben, kann der offene Ventilzustand in effektiver Weise durch die erste Kraft und die zweite Kraft realisiert werden. Dies trägt zur Vergrößerung des durch die Anwendung der Konfiguration der vorliegenden Erfindung erhaltenen Vorteils bei.
  • Gemäß einer Konfiguration, in der der Öffnungsbereich des Strömungswegs anpassbar ist, kann das Fluidsteuerungsventil als ein Ventil verwendet werden, das sowohl als ein Reglerventil für eine Brennstoffzelle als auch ein Luftsperrventil für eine Brennstoffzelle in einem Strömungsweg dient, durch den ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas strömt. Wenn dementsprechend das Luftsperrventil, das ermöglichen soll, dass der Öffnungsbereich des Strömungswegs, in dem der Abführströmungsweg für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas angeordnet ist, der zum Abführen des mit einem Oxidationsgas verwandten Gases aus der Brennstoffzelle dient, angepasst werden kann, besteht keine Notwendigkeit, ein weiteres Reglerventil in dem Abführströmungsweg des mit einem Oxidationsgas verwandten Gas anzuordnen, wodurch eine Kostensenkung möglich ist.
  • Bei der Konfiguration, in der das die erste Druckkammer bildende Element und das die zweite Druckkammer bildende Element aus unterschiedlichen Metallen bestehen, kann in Bezug auf sowohl die Wasserbeständigkeit als auch die Gewichtsreduktion dennoch eine Verbesserung erreicht werden, selbst wenn das Fluidsteuerungsventil unter Umständen angewendet wird, in denen das Fluidsteuerungsventil Feuchtigkeit ausgesetzt sein kann, z. B. wenn es unterhalb des Fahrzeugs montiert ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • 1 stellt eine Grundkonfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar;
  • 2 stellt eine Schnittansicht einer Struktur eines Einlasssperrventils (oder eines Auslasssperrventils) in einem offenen Zustand dar, das in dem Brennstoffzellensystem gemäß 1 verwendet werden kann;
  • 3 stellt eine Schnittansicht einer Struktur des gleichen Einlasssperrventils (oder Auslasssperrventils) in einem geschlossenen Zustand dar; und
  • 4 ist eine vergrößerte Abbildung eines Bereichs A von 3, die ein Einlasssperrventil (oder ein Auslasssperrventil) darstellt und ein Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER EXEMPLARISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Erste Ausführungsform
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnung erfolgt nachstehend eine Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Ein Brennstoffzellensystem 10 beinhaltet einen Brennstoffzellenstapel 12, einen Oxidationsgaszuführströmungsweg 14, einen Abführströmungsweg für ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas 16, ein Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18, ein Einlasssperrventil 20 und ein Auslasssperrventil 22.
  • Der Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff. In anderen Worten kann durch Zuführen eines Wasserstoffgases als Brenngas und Luft als Oxidationsgas zu dem Brennstoffzellenstapel 12 in einer Mehrzahl von Brennstoffzellen (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 12 elektrische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff erhalten werden. Die Brennstoffzelle weist beispielsweise eine Membranelektrodenanordnung, die so konfiguriert ist, dass eine Elektrolytmembran fest zwischen einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode fixiert ist, sowie Separatoren auf beiden Enden der Membranelektrodenanordnung auf.
  • Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist in ein Fahrzeug, wie z. B. ein Brennstoffzellenauto, installiert, und der Brennstoffzellenstapel 12 wird als eine Leistungsversorgungseinrichtung für einen Fahrzeugantriebsmo tor verwendet. Natürlich kann das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung auch für andere Zwecke als für den Antrieb eines Fahrzeugs verwendet werden.
  • Der Oxidationsgaszuführströmungsweg 14 ist dafür vorgesehen, dass dem Brennstoffzellenstapel 12 Luft als Oxidationsgas zugeführt wird. Ein Luftkompressor 24 und ein Zwischenkühler 26 sind auf der stromauf befindlichen Seite des Oxidationsgaszuführströmungsweg 14 angeordnet. Die durch den Luftkompressor 24 komprimierte Luft wird in dem Zwischenkühler 26 gekühlt und dann in der Befeuchtungseinrichtung befeuchtet, um dann dem Strömungsweg auf der Kathodenelektrodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt zu werden.
  • Neben einem Hauptweg 30, der die Luft durch die Befeuchtungseinrichtung 28 und weiter zum Brennstoffzellenstapel 12 leitet, ist ein Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsweg 32 in Bezug auf die Gasströmung parallel zum Hauptweg 30 angeordnet. Die durch den Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsweg 32 gelangende Luft wird dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt, ohne vorher durch die Befeuchtungseinrichtung 28 gelangt zu sein. In dem Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsweg 32 ist ein Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 angeordnet.
  • Darüber hinaus ist ein Abführströmungsweg 16 für ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas angeordnet, um aus dem Brennstoffzellenstapel 12 ein Luftabgas (bzw. Air Off-Gas) abzuführen, bei dem es sich um die Luft handelt, die dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt worden und in der elektrochemischen Reaktion in einer jeweiligen Brennstoffzelle verwendet worden ist. Das Luftabgas, das durch den Abführströmungsweg 16 für ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas abgeführt wird, wird über ein Reglerventil 34 an die Befeuchtungseinrichtung 28 übertragen und dann über eine Verdünnungseinrichtung (nicht gezeigt) in die Atmosphäre abgeführt. Das Reglerventil 34 wird derart gesteuert, dass der Druck der aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführten Luft (Gegendruck) einen gemäß einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels 12 angemessenen Druckwert erreicht. Das heißt, dass der Druck der Luft an einer Position eines Drucksensors P2 in dem Abführströmungsweg 16 für ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas durch die Ventilöffnung des Reglerventils 34 angepasst wird. Ferner dient die Befeuchtungseinrichtung 28 dazu, der Luft Feuchtigkeit zuzuführen, die aus der von dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführten Luft erhalten wird, bevor diese dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird, so dass die Luft dementsprechend befeuchtet wird.
  • Obwohl ein Wasserstoffgas-Zuführströmungsweg zum Zuführen von Wasserstoffgas und ein Abführströmungsweg für ein mit einem Wasserstoffgas verwandten Gas zum Abführen eines mit einem Wasserstoffgas verwandten Gases beide mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbunden sind, sind sie in 1 nicht gezeigt.
  • Ferner ist der Brennstoffzellen-Umgehungsweg 36 zwischen dem auf der Seite stromauf befindlichen Verbindungspunkt des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventils 32 und der Befeuchtungseinrichtung 28 entlang dem Hauptweg 30 des Oxidationsgaszuführströmungswegs 14 und der stromabwärtigen Seite der Befeuchtungseinrichtung 28 entlang dem Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas verbunden, so dass der Brennstoffzellen-Umgehungsweg 36 in Bezug auf die Gasströmung parallel mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verläuft. Ein Brennstoffzellen-Umgehungsventil 38 ist in dem Brennstoffzellen-Umgehungsweg 36 angeordnet. Das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 38 wird verwendet, um den Druck der dem Brennstoffzellenstapel12 zugeführten Luft zu steuern. Das heißt, dass der Druck der Luft am Einlassdrucksensor P1 des Oxidationsgas-Zuführströmungswegs 14 durch die Öffnung des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 38 angepasst wird. Der Luftdruck am Einlassdrucksensor P1 kann auch dadurch angepasst werden, dass die Strömungsrate der Luft angepasst wird, die aus dem Luftkompressor 24 abgeführt wird. Es ist natürlich auch möglich, den Luftdruck am Einlassdrucksensor P1 anzupassen, indem sowohl die Ventilöffnung des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 38 als auch die Strömungsrate der durch den Luftkompressore 24 abgeführten Luft gesteuert werden.
  • Ferner erhöht das Brennstoffzellensystem 10 unter Kältebedingungen, z. B. wenn die Lufttemperatur den Gefrierpunkt unterschritten hat (unterhalb dem Gefrierpunkt von Wasser liegt), in wünschenswerter Weise rasch die Temperatur beim Hochfahren des Brennstoffzellenstapels 12. Zu diesem Zweck wird im Vergleich zu der Menge des Wasserstoffgases, das dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird, die Menge der Luft dermaßen reduziert, dass sie geringer ist als die Menge, die normalerweise in einer Reaktion mit Wasserstoffgas zur Erzeugung von Elektrizität verwendet wird. Das heißt, dass durch Reduzieren des stöchiometrischen Verhältnisses der Kathode und durch Erzeugen von Elektrizität bei einer geringeren Effizienz die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 rasch ansteigt. In diesem Fall kann jedoch der Wasserstoff aus dem Strömungsweg auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 durch die Elektrolytmembran dringen und in den Strömungsweg auf der Kathodenseite strömen, um dadurch die Wasserstoffkonzentration in dem Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas zu erhöhen. In einem solchen Fall wird das vorstehende Brennstoffzellen-Umgehungsventil 38 in einen offenen Zustand versetzt und kann zur Senkung der Wasserstoffkonzentration in dem Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas unter Verwendung der Luft verwendet werden, die nicht durch den Brennstoffzellenstapel 12 gelangt. Darüber hinaus kann die Konzentration des Wasserstoffs, der in dem mit einem Wasserstoffgas verwandten Gas vorhanden ist, das aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführt wird, bei dem es sich um das sogenannte Wasserstoffabführgas bzw. Hydrogen-Off-Gas handelt, höher als üblich sein. In einem solchen Fall kann das vorstehende Brennstoffzellen-Umgehungsventil 38 in den offenen Zustand versetzt werden und auch dazu verwendet werden, die Menge der Luft zu erhöhen, die an die Verdünnungseinrichtung übertragen wird, ohne dabei durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu gelangen, um so die Wasserstoffkonzentration in dem abgeführten Gas zu verringern.
  • Ferner sind das Einlasssperrventil 20 und das Auslasssperrventil 22 jeweils auf der stromabwärtigen Seite der Befeuchtungseinrichtung 28 entlang dem Hauptweg 30 des Oxidationsgaszuführströmungswegs 14 und auf der stromauf befindlichen Seite der Befeuchtungseinrichtung 28 entlang dem Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform sind unter dem vorstehend erläuterten Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18, dem Einlasssperrventil 20 und dem Auslasssperrventil 22 Strömungssteuerungsventile gemäß der vorliegenden Ausführungsform zu verstehen, die den Öffnungs- /Schließventilen für die in den Ansprüchen wiedergegebene Brennstoffzelle entsprechen.
  • Das heißt, dass das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18, das Einlasssperrventil 20 und das Auslasssperrventil 22 jeweils als Fluidsteuerungsventile zum Anpassen der Luftströmung in dem Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsweg 32, dem Hauptweg 30 und dem Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas dienen. Ein jedes dieser Ventile 18, 20 und 22 ist über einen Drucksteuerungs-Strömungsweg 40 mit drei PSVs (Pressure Switching Valves = Druckschaltventilen) verbunden, bei denen es sich jeweils um Magnetspulenventile handelt.
  • In anderen Worten ist die Befeuchtungseinrichtung 18 mit drei PSVs verbunden, die die Ventile VbS, VbC und VbO beinhalten. Ferner ist das Einlasssperrventil 20 mit den drei PSVs verbunden, die die Ventile ViS, ViC und CiO beinhalten, während das Auslasssperrventil 22 mit den drei PSVs verbunden ist, die die Ventile VoS, VoC und VoO beinhalten. Diese PSVs sind beispielsweise zwischen dem Luftkompressor 24 und der Befeuchtungseinrichtung 28 auf der Seite stromauf entlang dem Hauptweg 30 des Oxidationsgas-Zuführströmungswegs 14 über den Drucksteuerungsströmungsweg 40 verbunden. Diese PSVs werden durch eine Steuerung, wie z. B. eine ECU (elektronische Steuerungseinheit) (nicht gezeigt), gesteuert.
  • Die Ansteuerung des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventils 18, des Einlasssperrventils 20 und des Auslasssperrventils 22 wird durch die entsprechenden PSVs gemäß dem Zustand des Brennstoffzellenstapels 12 etc. gesteuert.
  • Unter Bezugnahme auf 2 und 3 erfolgt nun eine Beschreibung der Konfigurationen und der Arbeitsweisen des Einlasssperrventils 20 und das Auslasssperrventils 22, indem als repräsentativer Fall vornehmlich auf das Einlasssperrventil 20 Bezug genommen wird. Das Einlasssperrventil 20 und das Auslasssperrventil 22 sind jeweils identisch konfiguriert. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung der Konfiguration des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventils 18.
  • Wie in 2 gezeigt ist, handelt es sich bei dem Einlasssperrventil 20 um ein normalerweise offenes Ventil, durch welches das Ventilelement geöffnet wird und das sich im Normalzustand in einem offenen Ventilzustand befindet, in dem alle Druckkammern darin mit dem gleichen Druck beaufschlagt sind.
  • In dem Einlasssperrventil 20 sind zwei obere und untere Räume ausgebildet, indem der Innenraum des Gehäuses 42, das aus einer Mehrzahl von Gehäuseelementen besteht, unter Verwendung einer Trennwand 44 aufgeteilt wird. Durch Anordnen von jeweils einer Hauptmembran 46 und einer Teilmembran 49 in den beiden Räumen entstehen dadurch auf der obere Oberflächenseite der Hauptmembran 46 eine Ventilschließdruckkammer 50, auf der unteren Oberflächenseite der Hauptmembran 46 eine Ventilöffnungsdruckkammer 52, auf der oberen Oberflächenseite der Teilmembran 48 eine Atmosphärendruckkammer und zudem ein Strömungsweg, der eine Druckkammer 56 auf der unteren Oberflächenseite der Teilmembran 48 ausbildet. Von diesen entspricht der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg der in den Ansprüchen angeführten ersten Druckkammer, während die Atmosphärendruckkammer 54 der in den Ansprüchen angeführten zweiten Druckkammer entspricht. Ferner entspricht die Ventilöffnungsdruckkammer 52 der in den Ansprüchen angeführten dritten oder vierten Druckkammer, während die Ventilschließdruckkammer 50 der in den Ansprüchen angeführten vierten oder dritten Druckkammer entspricht. Die Ventilschließdruckkammer 50, die Ventilöffnungsdruckkammer 52, die Atmosphärendruckkammer 54 und der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg sind voneinander getrennt ausgeführt, und jeweils zwei dieser Druckkammern 50, 52, 54 und 56 sind im Inneren des Einlasssperrventils 20 nicht miteinander verbunden.
  • Ferner sind die Hauptmembran 46 und die Teilmembran 48 mit einem Ventilelement 58 verbunden. Genauer gesagt, weist das Ventilelement 58 eine Antriebswelle 60 im Inneren des Gehäuses 42 auf und ist in dem Gehäuse 42 derart gelagert, dass das Ventilelement 58 entlang der Achsrichtung der Antriebswelle 60 verschoben werden kann. Ein kreisförmiger, plattenförmiger Ventilelementkörper 62 ist mit dem unteren Endbereich der Antriebswelle 60 innerhalb des Ventilelements 58 verbunden. Darüber hinaus ist ein zylindrisch geformtes, rohrförmiges Element mit einem geschlossenen Ende, das einen rohrförmigen Oberflächenbereich 63 auf der Antriebswellenseite von seinem äußeren Umfang aufweist, mit dem unteren Seitenbereich der Antriebswelle 60 verbunden.
  • Ferner wird dadurch, dass der innere Umfangsendbereich der Teilmembran 48, der aus einem elastischen Material (z. B. Gummi oder Elastomer), insbesondere Ethylenpropylenkautschuk, wie z. B. EPDM, besteht, zwischen der unteren Oberfläche des unteren Plattenbereichs des rohrförmigen Elements 64 und der oberen Oberfläche des Ventilelementkörpers 62 festgehalten wird, der innere Umfangsbereich der Teilmembran 48 mit der Antriebswelle 60 verbunden. Der äußere Umfangsendbereich der Teilmembran 48 ist mit dem Innenumfangsbereich des Gehäuses 42 verbunden, so dass er dementsprechend durch die beiden das Gehäuse 42 darstellenden Gehäuseelemente festgehalten wird. Dementsprechend werden die Oberseite und die Unterseite des Raums unter der Trennwand 44 in dem Gehäuse 42 in die atmosphärische Druckkammer 54 bzw. den die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg aufgeteilt. Die Atmosphärendruckkammer 54 und der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg sind luftdicht voneinander abgeschlossen bzw. isoliert.
  • Ferner ist ein membranseitiger rohrförmiger Bereich 66, der elastisch verformt und den rohrförmigen Oberflächenbereich 63 auf der Antriebswellenseite entlang geschoben wird, an einem Bereich der Teilmembran 48 zur Innenseite aus dem zentralen Bereich heraus entlang der radialen Richtung angeordnet. Dann wird in dem in 3 gezeigten geschlossenen Ventilzustand der Druck aus dem die Druckkammer 56 bildenden Strömungsweg an der unteren Oberfläche eines kreisförmigen verformbaren Bereichs 67 der Teilmembran 48 aufgenommen, der zwischen dem rohrförmigen Oberflächenbereich 63 auf der Antriebswellenseite des rohrförmigen Elements 64 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 42 nach oben hin gekrümmt verformt ist. Indem der Druck aus dem die Druckkammer 56 bildenden Strömungsweg an der unteren Oberfläche des kreisförmigen verformbaren Bereichs 67 aufgenommen wird, wie in 2 gezeigt ist, wird die Antriebswelle 60 verschoben, während der obere Bereich des membranseitigen rohrförmigen Bereichs 66 elastisch verformt wird, so dass er aus dem rohrförmigen Oberflächenbereich 63 auf der Antriebswellenseite weggezogen wird.
  • Außerdem ist an einem Bereich hin zur Außenseite des radial mittleren Bereichs der Teilmembran 48 ein zweiter membranseitiger, rohrförmiger Bereich 70 angeordnet, der elastisch verformt wird, so dass er einen gehäuseseitigen, rohrförmigen Oberflächenbereich 68 auf der Innenoberfläche des Gehäuses 42 entlang verschoben wird. Wenn die Antriebswelle 60, wie in 3 gezeigt, aus dem offenen Ventilzustand heraus nach unten verschoben wird, wie in 2 gezeigt ist, wird der zweite membranseitige, rohrförmige Bereich 70 derart elastisch verformt, dass der obere Bereich des zweiten membranseitigen, rohrförmigen Bereichs 70 aus dem rohrförmigen Oberflächenbereich 68 des Gehäuses weggezogen wird.
  • Der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg bildet einen Teil des Oxidationsgaszuführströmungsweg 14 (siehe 1) (Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas für das Auslasssperrventil 22), und stromauf und stromabwärts befindliche Bereiche des die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungswegs werden durch das Ventilelement 58 verbunden und getrennt. Ferner steht die Atmosphärendruckkammer 54 zur Atmosphäre hin offen, da die Atmosphärendruckkammer 54 mit einem mit der Atmosphäre verbundenen Rohr 72 verbunden ist, bei dem ein Ende in Verbindung mit der Atmosphäre ist.
  • Der obere Endbereich des Ventilelements 58 ist ferner mit zwei näherungsweise plattenförmigen Druckerelementen 74a, 74b verbunden, und die Innenumfangsendbereiche der Hauptmembran 46, die aus einem elastischen Material bestehen, das ein Elastomer und dergleichen beinhaltet, wie z. B. Gummi und insbesondere einen Ethylen-Propylen-Kautschuk, wie z. B. EPDM, wird zwischen den beiden Druckerelementen 74a und 74b festgehalten. Der äußere Umfangsendbereich der Hauptmembran 46 ist mit dem Innenumfangsbereich des Gehäuses 42 verbunden, so dass er durch die beiden das Gehäuse 42 darstellenden Gehäuseelemente festgehalten wird. Dementsprechend sind die obere Seite und die untere Seite des Raums über der Trennwand 44 in dem Gehäuse 42 in die Ventilschließdruckkammer 50 bzw. die Ventilöffnungsdruckkammer 52 aufgeteilt. Die Ventilschließdruckkammer 50 und die Ventilöffnungsdruckkammer 52 sind luftdicht voneinander abgesperrt bzw. isoliert. Ferner sind die Ventilschließdruck kammer 50 und die Ventilöffnungsdruckkammer 52 mit einem Zuführ- und Abführrohr 76 verbunden.
  • Ferner ist eine Schraubenfeder 78 als eine elastische Einrichtung zwischen der Trennwand 44 und dem unteren Druckerelement 74a der beiden Druckerelemente 74a und 74b angeordnet, um dem Ventilelement 58 nach oben hin einen elastischen Spielraum zu ermöglichen, d. h. in der Richtung, die in den offenen Ventilzustand führt. Indem das Ventilelement 58 in der unteren Richtung verschoben wird, liegt die untere Oberfläche des Ventilelementkörpers 62 auf einem Ventilsitz 80 auf, und der Strömungsweg ist abgesperrt. Anders ausgedruckt werden die Strömungen in den Strömungsweg durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 entlang der Achsrichtung blockiert oder verbunden. Darüber hinaus ist der Durchmesser des Druckaufnahmebereichs des an der Oberseite befindlichen Bereichs der Antriebswelle 60, der die Hauptmembran 46 beinhaltet, viel größer ausgebildet als der Durchmesser des Druckaufnahmebereichs des auf der unteren Seite befindlichen Bereichs der Antriebswelle 60, der die Teilmembran 48 beinhaltet.
  • In einem derartigen Einlasssperrventil 20 ist die Ventilschließdruckkammer 50 mit dem Drucksteuerungsströmungsweg 40 auf der Seite des als das PSV dienenden Ventils ViC über das Zuführ- und Abführrohr 76 verbunden (2 und 3). Ferner ist die Ventilöffnungsdruckkammer 52 mit dem Drucksteuerungsströmungsweg 40 auf der Seite des als das PSV dienenden Ventils ViO über das Zuführ- und Abführrohr 76 verbunden. Durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 entlang der Achsrichtung wird der mittlere Bereich der Hauptmembran 46 derart verschoben, dass er nach oben und unten hin gekrümmt verformt ist. Natürlich kann auch eine Konfiguration angewendet werden, in der sich die gesamte Hauptmembran 46 in der Aufwärts- und Abwärtsrichtung bewegt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, wird die Luft, die von der Seite stromauf des Oxidationsgas-Zuführströmungswegs 14 (1) zum Einlass 82 des Einlasssperrventils 20 strömt, zur Seite des Brennstoffzellenstapels 12 (1) von einem Auslass 84 des Einlasssperrventils 20 abgeführt, wenn das Ventilelement 58 durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 nach oben verschoben wird. Wie in 3 gezeigt ist, wird der Auslass 84 hingegen blockiert, wenn das Ventilelement 58 durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 nach unten getrieben wird, und die Luft, die aus der Seite stromauf des Oxidationsgas-Zuführströmungswegs 14 zum Brennstoffzellenstapel 12 strömt, wird abgesperrt.
  • Wie in 1 gezeigt ist, sind in dem Auslasssperrventil 22 der Einlass 82 und der Auslass 84 gegenüber denen in dem Einlasssperrventil 20 umgekehrt angeordnet. Wenn das Ventilelement 58 durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 nach oben getrieben wird, wird das Luft-Abgas (bzw. Air-Offgas), das aus der Seite stromauf des Abführströmungswegs 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas zum Einlass 82 des Ausgangssperrventil 22 strömt, vom Auslass 84 des Auslasssperrventils 22 auf die Seite der Befeuchtungseinrichtung 28 abgeführt. Wenn hingegen das Ventilelement 58 durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 nach unten getrieben wird, wird der Einlass 82 blockiert, und das Luftabgas, das aus der Seite stromauf des Abführströmungswegs 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas zur Befeuchtungseinrichtung 28 strömt, wird abgesperrt.
  • Die Verschiebung der Antriebswelle 60 entlang der Achsrichtung wird durch die drei PSVs gesteuert. Das heißt, dass für das Einlasssperrventil 20 drei PSVs, d. h. ViS, ViC und ViO den Druck in der Ventilöffnungsdruckkammer 52 und der Ventilschließdruckkammer 50 steuern. Ferner steuern drei PSVs, d. h. VoS, VoC und VoO, für das Auslasssperrventil 22 den Druck in der Ventilöffnungsdruckkammer 52 und der Ventilschließdruckkammer 50.
  • Wie in 1 gezeigt ist, handelt es sich bei dem Ventil ViS (oder VoS) um ein Dreiwegeventil, d. h. ein Dreiwege-PSV, das entweder die Ventilschließdruckkammer 50 oder die Ventilsöffnungsdruckkammer 52 selektiv mit der Seite stromauf des Luftkompressors 24 verbindet und die andere Druckkammer von der Seite stromauf des Luftkompressors 24 absperrt. Zudem handelt es sich bei allen Ventilen ViC, ViO, VoC und VoO um Zweiwege-PSVs, die als Abgasventile, d. h. Druckentlastungsventile, dienen.
  • Ferner ändert das Ventil ViS (oder VoS) den Verbindungszustand des Strömungswegs gemäß seinem entsprechenden Bestromungszustand. Das Ventil ViS (oder VoS) verbindet die Gasabführseite des Luftkompressors 24 mit der Ventilöffnungsdruckkammer 52, wenn das Ventil Vis (oder VoS) nicht bestromt bzw. betätigt wird (d. h., wenn es sich im unbestromten Zustand befindet). Ferner verbindet das Ventil ViS (oder VoS) die Gasabführseite des Luftkompressors mit der Ventilschließdruckkammer 50, wenn das Ventil ViS (oder VoS) bestromt wird (d. h. sich in einem bestromten bzw. betätigten Zustand befindet). Die Ventile ViC, ViO, VoC und VoO schließen allesamt die in einem unbestromten bzw. unbetätigten Zustand befindlichen Ventile und öffnen die in einem bestromten Zustand befindlichen Ventile.
  • In 1 bis 3 zeigen von der Mehrzahl der Dreiecke, die die Ventile ViC, ViO, VoC und VoO darstellen, die schwarzen Dreiecke einen Zustand an, in dem der Strömungsweg abgesperrt ist, während die weißen Dreiecke einen Zustand anzeigen, in dem die Strömungen in dem Strömungsweg zusammengeführt sind.
  • Um die vorstehende Konfiguration zu erreichen, wenn das Einlassspementil 20 (oder das Auslasssperrventil 22) aus seinem bisherigen geschlossenen Ventilzustand, der in 3 gezeigt ist, in den offenen Zustand versetzt wird, wie in 2 gezeigt ist, wird das Ventil ViC (VoC) in den offenen Ventilzustand versetzt, während das Ventil ViS (oder VoS) in den unbestromten Zustand versetzt wird (1), um dadurch die Ventilschließdruckkammer 50 zur Atmosphäre hin zu öffnen. Dann wird die Druckluft in die Ventilöffnungsdruckkammer 52 über das Zuführ- und Abführrohr 76 auf der Seite der Ventilöffnungsdruckkammer 52 (2 und 3) und den Drucksteuerungsströmungsweg 40 durch den Luftkompressor 24 (1) eingeführt. Auf diese Weise wird eine Druckdifferenz zwischen dem Druck der Ventilöffnungsdruckkammer 52 und dem Druck der Ventilschließdruckkammer 50 (atmosphärischer Druck) erzeugt.
  • Weil außerdem die Druckluft auch in die einen Strömungsweg ausbildende Druckkammer 56, wie in 3 gezeigt ist, aus dem Luftkompressor 24 über den stromauf befindlichen Bereich des Oxidationsgas-Zuführströmungswegs 14 eingeführt wird, entsteht ferner zwischen dem Druck des die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungswegs und dem Druck der Atmosphärendruckkammer 54, die mit der Atmosphäre in Verbindung steht, eine Druckdifferenz. Der Druck des die Druckkammer 56 bildenden Strömungswegs wird auf die untere Oberfläche des kreisförmigen, verformbaren Bereichs 67 der Teilmembran 48 ausgeübt, wie in 3 gezeigt ist. Wenn dementsprechend die Teilmembran 48 das rohrförmige Element 64 nach oben schiebt, wird die Antriebswelle 60 nach oben verschoben, wie in 2 gezeigt ist, und der Querschnitt des kreisförmigen, verformbaren Bereichs 67 wird in Aufwärtsrichtung stärker gekrümmt. Folglich wird die Antriebswelle 60 durch sowohl die Kraft F1, die auf die Antriebswelle 60 in Aufwärtsrichtung aufgrund der Druckdifferenz zwischen dem die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg und der Atmosphärendruckkammer 54 einwirkt, als auch die Kraft F2, die auf die Antriebswelle 60 in Aufwärtsrichtung aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Ventilschließdruckkammer 50 und der Ventilöffnungsdruckkammer 52 einwirkt, und die Federkraft der Schraubenfeder 78 nach oben getrieben. Wenn das Einlasssperrventil 20 vollständig geöffnet ist, wie in 2 gezeigt ist, wird das Ventil ViC (VoC) in den geschlossenen Ventilzustand versetzt, und die Ventilschließdruckkammer 50 wird von der Atmosphäre abgesperrt. Darüber hinaus dient das obere Druckerelement 74b von den beiden Druckerelementen 74a und 74b als ein Anschlag, an dem der obere Bereich im Inneren des Gehäuses 42 anschlägt.
  • Um das Einlasssperrventil 20, wie in 3 gezeigt ist, aus dem offenen Ventilzustand, der in 2 gezeigt ist, zu schließen, wird das ViS (oder VoS) in den bestromten Zustand versetzt, um die Druckluft aus dem Luftkompressor 24 in die Ventilschließdruckkammer 50 über das Zuführ- und Abführrohr 76 und den Drucksteuerungsströmungsweg 40 einzuführen. Ferner wird das Ventil ViO (VoO) in den offenen Ventilzustand versetzt, um dadurch die Ventilöffnungsdruckkammer 52 zur Atmosphäre bin zu öffnen. Folglich wirkt aufgrund des zwischen dem Druck der Ventilschließdruckkammer 50 und dem Druck der Ventilöffnungsdruckkammer 52 (Atmosphärendruck) entstehenden Differenzdrucks eine dritte Kraft F3 in Abwärtsrichtung auf die Antriebswelle 60. Weil die Druckluft durch den Luftkompressor 24 hingegen ebenfalls in den die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg eingeführt wird, die in 2 gezeigt ist, wirkt aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem Druck des die Druckkammer 56 aus bildenden Strömungswegs und dem Drucks der Atmosphärendruckkammer 54, die mit der Luft in Verbindung steht, eine vierte Kraft F4 in Aufwärtsrichtung auf die Antriebswelle 60, d. h., die zur Kraft F3 entgegengesetzte Richtung. In der vorliegenden Ausführungsform ist jedoch der Durchmesser des Druckaufnahmebereichs des oberen Seitenbereichs der Antriebswelle 60, der die Hauptmembran 46 beinhaltet, viel größer ausgeführt als der Durchmesser des Druckaufnahmebereichs des Bereichs auf der unteren Seite der Antriebswelle 60, in dem die Teilmembran 48 beinhaltet ist. Dementsprechend wird die Antriebswelle 60, wie in 3 gezeigt ist, gegen die vierte Kraft F4 und die Federkraft bzw. Federkraft der Schraubenfeder 78 verschoben, und das Ventilelement 62 liegt auf dem Ventilsitz 80 auf.
  • Während das Einlasssperrventil 20 vollständig geschlossen ist, wird dann das Ventil ViS (oder VoS) in den unbestromten Zustand versetzt, um dadurch die Ventilschließdruckkammer 50 vom Luftkompressor 24 abzusperren und einen konstanten Luftdruckwert innerhalb der Ventilschließdruckkammer 50 beizubehalten. In diesem Zustand wird das Ventil ViO (VoO) in den geschlossenen Zustand versetzt, um die Ventilöffnungsdruckkammer 52 von der Atmosphäre abzusperren. In ähnlicher Weise wird der Öffnungs- und Schließvorgang auch am Auslasssperrventil 22 vorgenommen.
  • Das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 wird hingegen normalerweise in einem geschlossenen Zustand beibehalten, in dem das Ventilelement 58 unter Normalbedingungen, in denen alle darin vorgesehenen Druckkammern den gleichen Druck aufweisen, geschlossen ist. Obwohl die ausführliche Struktur des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventils 18 nicht ausführlich dargestellt ist, weist dieses Ventil eine Struktur auf, die ähnlich dem Einlasssperrventil 20 oder dem Auslasssperrventil 22 ist, die in 2 und 3 gezeigt ist, wobei die Schraubenfeder 78 (siehe 2 und 3) zwischen der oberen Oberfläche des unteren Plattenbereichs des rohrförmigen Elements 64 und der unteren Oberfläche der Trennwand 44 angeordnet ist. Alternativ kann das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 als ein normalerweise geschlossenes Sperrventil konfiguriert sein, das eine Schraubenfeder aufweist, die zwischen der oberen Oberfläche eines Elements, das an dem oberen Endbereich des Ventilelements 58 befestigt ist, wie z. B. dem Druckerelement 74b (siehe 2 und 3), und der unteren Oberfläche des Gehäuses 42 (siehe die schematische Figur in 1) angeordnet ist.
  • Wie in 1 gezeigt ist ist in dem Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 die Ventilschließdruckkammer 50 mit dem Drucksteuerungsströmungsweg 40 auf der Seite des Ventils VbC des PSV verbunden, während die Ventilöffnungsdruckkammer 52 mit dem Drucksteuerungsströmungsweg auf der Seite des Ventils VbO des PSV verbunden ist.
  • Wenn das Ventilelement 58 durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 nach oben getrieben wird, wird die von der stromauf befindlichen Seite des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungswegs 32 zum Einlass des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventils 18 strömende Luft aus dem Auslass 84 des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventils 18 zur Seite des Brennstoffzellenstapels 12 abgeführt. Wenn hingegen das Ventilelement 58 durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 nach unten geschoben wird, wird der Auslass 84 blockiert, und die Luft, die von der Seite stromauf des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungswegs 32 zum Brennstoffzellenstapel 12 strömt, wird abgesperrt.
  • Wie in dem Einlasssperrventil 20 und dem Auslasssperrventil 22 wird die Verschiebung der Antriebswelle entlang der Achsrichtung durch die drei PSVs, d. h. die Ventile VbS, VbC und VbO, gesteuert. In 1 zeigen von der Mehrzahl der Dreiecke, die die Ventile VbS, VbC und VbO darstellen, die schwarzen Dreiecke einen Zustand, in dem der Strömungsweg abgesperrt ist, während die weißen Dreiecke einen Zustand anzeigen, in dem die Strömungen in dem Strömungsweg zusammenströmen. Außerdem verbindet das Ventil VbS im unbestromten Zustand die Gasabführseite des Luftkompressors 24 mit der Ventilschließkammer 50 und verbindet die Gasabführseite des Luftkompressors 24 mit der Ventilöffnungskammer 52 im bestromten Zustand.
  • Um dieses Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 zu öffnen, wird die durch den Luftkompressor 24 mit Druck beaufschlagte Luft in die Ventilöffnungsschließkammer 52 eingeführt, und die Ventilschließdruckkammer 50 steht zur Atmo sphäre offen. Folglich wird die Antriebswelle 60 (siehe 2 und 3) in Aufwärtsrichtung gegen die Federkraft der Schraubenfeder durch sowohl die Kraft F1', die auf die Antriebswelle 60 in Aufwärtsrichtung aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg, in den die durch den Luftkompressor 24 mit Druck beaufschlagte Luft eingeführt wird, und der Atmosphärendruckkammer 54 (siehe 2 und 3) einwirkt, als auch die zweite Kraft F2' angetrieben, die auf die Antriebswelle 60 in Aufwärtsrichtung aufgrund des Differenzdrucks zwischen der Ventilschließdruckkammer 50 und der Ventilöffnungsdruckkammer 52 einwirkt. Folglich wird das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 geöffnet.
  • Um das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 zu schließen, wird die durch den Luftkompressor 24 mit Druck beaufschlagte Luft in die Ventilschließdruckkammer 50 eingeführt, und die Ventilöffnungsdruckkammer 52 steht zur Atmosphäre hin offen. Die Antriebswelle 60 wird dann durch die abwärts wirkende Kraft, die auf die Antriebswelle 60 aufgrund des Differenzdruck zwischen der Ventilschließdruckkammer 50 und der Ventilöffnungsdruckkammer 52 einwirkt, und durch die Federkraft der Schraubenfeder 78 nach unten getrieben. Obwohl die nach oben wirkende Kraft auf die Antriebswelle 60 aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg und der Atmosphärendruckkammer 54 einwirkt, wird die Antriebswelle 60 nach unten verschoben, weil der Durchmesser des Druckaufnahmebereichs des auf der oberen Seite befindlichen Bereichs der Antriebswelle 60, der die Hauptmembran 46 beinhaltet (siehe 2 und 3), viel größer ausgeführt ist als der Durchmesser des Druckaufnahmebereichs des auf der unteren Seite befindlichen Bereichs der Antriebswelle 60, der die Teilmembran 48 beinhaltet (siehe 2 und 3). Das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 wird dementsprechend geschlossen.
  • Durch Verwendung des vorstehenden Brennstoffzellensystems kann die Gesamtheit der Ventile bestehend aus dem Einlasssperrventil 20, dem Auslasssperrventil 22 und dem Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 im geschlossenen Ventilzustand beibehalten werden, während das System nicht betrieben wird und sich im Stillstand befindet, d. h. während alle Sätze aus drei PSVs, wobei ein jeweiliger Satz dem Einlasssperrventil 20, dem Auslasssperrventil 22 und dem Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 entspricht, im unbestromten bzw. unbetätigten Zustand beibehalten werden. Dementsprechend kann verhindert werden, dass dem Strömungsweg auf der Seite der Kathodenelektrode des Brennstoffzellenstapels 12 Frischluft zugeführt wird. Somit kann eine Verkürzung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 12 durch ein Element aus oxidiertem Kohlenstoff, dass einen Katalysator beinhaltet, der die Membranelektrodenanordnung darstellt, verhindert werden.
  • Insbesondere weist in der vorliegenden Ausführungsform jeweils das Einlasssperrventil 20, das Auslasssperrventil 22 und das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 eine Konfiguration auf, in der das Ventilelement 58 mit der Antriebswelle 60 bereitgestellt ist; die Strömungen im Strömungsweg durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 blockiert oder zusammengeführt werden; und die Antriebswelle 60 durch sowohl eine erste Kraft Kräfte F1, F1', die aufgrund des Differenzdrucks zwischen der Ventilschließdruckkammer 50 und der Ventilöffnungsdruckkammer 52 einwirkt, die voneinander getrennt ausgeführt sind, als auch eine zweite Kraft F2, F2' angetrieben wird, die in der gleichen Richtung wie eine erste Kraft F1, F1' und aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg und der Atmosphärendruckkammer 54 wirkt, die voneinander getrennt ausgeführt sind. Somit kann das Ansprechvermögen des angetriebenen Ventils verbessert werden.
  • Weil die Ventilschließdruckkammer 50, die Ventilöffnungsdruckkammer 52, die Atmosphärendruckkammer 54 und der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg entlang der Achsrichtung der Antriebswelle 60 angeordnet sind, kann die Kraft zum Antreiben des Ventils verstärkt werden, ohne den Innendurchmesser der jeweiligen Druckkammern 50, 52, 54 und 56 übermäßig vergrößern zu müssen.
  • Weil der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg als der Strömungsweg dient, der durch das Ventilelement 58 blockiert oder zusammengeführt wird, kann eine Verringerung der Abmessungen des Einlasssperrventils 20, des Auslasssperrventils 22 und des Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 ohne Weiteres verglichen mit dem Fall vorgenommen werden, wenn ein Strömungsweg, der durch das Ventilelement 58 blockiert oder verbunden wird, zusätzlich zu einer Druckkammer 50, 52, 54 und 56 angeordnet wird.
  • Ferner handelt es sich bei dem Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 um ein normalerweise geschlossenes Ventil, das durch die Federkraft der Schraubenfeder in den geschlossenen Zustand versetzt wird, wenn alle Druckkammern 50, 52, 54 und 56 den gleichen Druck aufweisen, und in diesem Ventil 18 wird die Antriebswelle 60 entlang der zum offenen Ventilzustand führenden Richtung aufgrund einer ersten Kraft F1' und einer zweiten Kraft F2' angetrieben, die beide in der gleichen Richtung wirken. Dadurch vergrößert sich der Vorteil, der durch Anwenden der Konfiguration erreicht wird, bei der das die Antriebswelle 60 aufweisende Ventilelement 58 vorgesehen ist; die Strömungen in dem Strömungsweg durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 blockiert oder zusammengeführt werden; und die Antriebswelle 60 durch sowohl eine erste Kraft F1', die aufgrund des Differenzdrucks zwischen der Ventilschließdruckkammer 50 und der Ventilöffnungsdruckkammer 52 einwirkt, die getrennt voneinander ausgebildet sind, als auch eine zweite Kraft F2' angetrieben wird, die in der gleichen Richtung wirkt wie die erste Kraft F1' und aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg und der Atmosphärendruckkammer 54 wirkt, die getrennt voneinander ausgebildet sind. Selbst wenn es in anderen Worten notwendig ist, dass die Antriebswelle 60 gegen die Federkraft der Schraubenfeder verschoben werden soll, um das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 aus dem geschlossenen Ventilzustand in den offenen Ventilzustand zu versetzen, kann der offene Ventilzustand wirksam durch die erste Kraft F1' und die zweite Kraft F2' realisiert werden. Dadurch werden die durch Anwenden der vorstehenden Konfiguration erreichten Vorteile verstärkt.
  • Ferner weisen das Einlasssperrventil 20, das Auslasssperrventil 22 und das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 jeweils einen rohrförmigen Oberflächenbereich 63 auf, der auf der Antriebswellenseite des Außenumfangs des rohrförmigen Elements 64 angeordnet ist, das an der Antriebswelle 60 befestigt ist, ein Gehäuse 42 und eine Teilmembran 48, die aus einem elastischen Material gefertigt ist und einen inneren Umfangsbereich aufweist, der mit der Antriebswelle 60 verbunden ist, und einen äußeren Umfangsbereich, der mit dem Gehäuse 42 verbunden ist. Weil durch Aufnehmen des Drucks an dem kreisförmigen verformbaren Bereich 67 der Teilmembran 48 die Antriebswelle 60 verschoben wird, während die Teilmembran 48 elastisch verformt wird, kann eine allmähliche Verschiebung der Antriebswelle 60 aufgrund der Verformungsbeständigkeit der Teilmembran 48 während der Verschiebung der Antriebswelle 60 erreicht werden. In anderen Worten kann dadurch ermöglicht werden, dass die den Druck aufnehmende Teilmembran 48 eine Funktion erfüllt, durch die die Verschiebung der Antriebswelle 60 verlangsamt wird, wodurch Betriebsgeräusche reduziert werden, die entstehen, wenn das Druckerelement 74b, das am Ventilelement 58 befestigt ist, während der Verschiebung der Antriebswelle 60 mit dem Gehäuse 42 in Kontakt gelangt.
  • Ferner werden das Einlasssperrventil 20, das Auslasssperrventil 22 und das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 als Ventile für die Brennstoffzelle in dem Oxidationsgaszuführströmungsweg 14 oder in dem Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas verwendet, und die Antriebswelle 60 wird entlang der in den offenen Ventilzustand führenden Richtung durch die erste Kraft F1, F1' und die zweite Kraft F2, F2' angetrieben, die beide in der gleichen Richtung wirken. Der Strömungsweg, d. h. der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg auf der Seite des Brennstoffzellenstapels 12 ist auf der vorderen Seite in einer Richtung positioniert, entlang der die Antriebswelle 60 aus dem offenen Ventilzustand in den geschlossenen Ventilzustand getrieben wird, d. h. der unteren Seite in 2 und 3. Dies führt zu einer weiteren Vergrößerung des Vorteils, der bei Anwendung der Konfiguration erhalten wird, in der das Ventilelement 58, das die Antriebswelle 60 aufweist, angeordnet ist; und die Strömungen in dem Strömungsweg durch die Verschiebung der Antriebswelle 60 blockiert oder zusammengeführt werden; und die Antriebswelle 60 durch sowohl die erste Kraft F1', die aufgrund des Differenzdrucks zwischen der Ventilschließdruckkammer 50 und der Ventilöffnungsdruckkammer 52 einwirkt, die getrennt voneinander ausgebildet sind, als auch die zweite Kraft F2, F2' angetrieben wird, die in der gleichen Richtung wirkt wie die erste Kraft F1, F1' und aufgrund des Differenzdrucks zwischen dem die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg und der Atmosphärendruck kammer 54 wirkt, die getrennt voneinander ausgebildet sind. Wenn in anderen Worten in dem Brennstoffzellenstapel 12 Sauerstoff und Wasserstoff verbraucht werden, um Elektrizität zu erzeugen, werden die am Brennstoffzellenstapel befindlichen Seiten der Ventile 20, 22 und 18 mit Unterdruck beaufschlagt. Um die Ventile 20, 22 und 18 aus dem geschlossenen Ventilzustand in den offenen Ventilzustand umzuschalten, muss die Antriebswelle 60 gegen den Unterdruck verschoben werden. Selbst wenn in der vorstehenden Konfiguration die Antriebswelle 60 gegen den Unterdruck verschoben werden muss, kann in der vorstehenden Konfiguration der offene Ventilzustand durch die erste Kraft F1, F1' und die zweite Kraft F2, F2' wirksam realisiert werden. Dies führt zu einer Vergrößerung des Vorteils der vorliegenden Erfindung, der erhalten wird, wenn die vorstehende Konfiguration angewendet wird.
  • Wie nur in 3 gezeigt ist, gibt es eine noch effektivere Möglichkeit, um zu verhindern, dass an einem Gleitbereich von beispielsweise einem Lagerbereich zwischen der Antriebswelle 60 und dem Gehäuse 42 Feuchtigkeit haften bleibt, indem ein rohrförmiges Dichtelement 86 angeordnet wird, das sich die Achsrichtung entlang zwischen dem Umfang des mittleren Bereichs der Antriebswelle 60 und der unteren Oberfläche der Trennwand 44 erstrecken kann. Mit einer solchen Konfiguration ist auch eine effektivere Verhinderung der Störung eines reibungslosen Arbeitsablaufs der Antriebswelle möglich, wenn eine am Gehäuse haftende Feuchtigkeit unter Kältebedingungen gefriert.
  • Ferner kann in der vorstehenden Ausführungsform auch ermöglicht werden, dass zumindest entweder das Einlasssperrventil 20, das Auslasssperrventil 22 und das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 nicht nur die Funktion erfüllen, dass die Strömungen in dem Strömungsweg blockiert oder zusammengeführt werden, sondern auch, dass ein Öffnungsbereich des Strömungswegs an gewünschte Abmessungen angepasst werden kann. Wenn z. B. eine Konfiguration angewendet wird, in der eine Feineinstellung des Drucks von zumindest einer Druckkammer von den Druckkammern bestehend aus der Ventilschließdruckkammer 50, der Ventilöffnungsdruckkammer 52, der Atmosphärendruckkammer 54 und dem die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg möglich ist, wird der Öffnungsbereich des Strömungswegs einstellbar, in dem die Antriebswelle 60 in einem halboffenen Zustand zwischen dem vollkommen offenen Zustand und dem vollständig geschlossenen Zustand des Ventils gehalten wird. Wenn bei einer derartigen Konfiguration beispielsweise das Auslasssperrventil 22, das als ein Luftsperrventil mit einer Reglerfunktion dient, in dem Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas angeordnet ist, muss in dem Abführströmungsweg 16 für das mit einem Oxidationsgas verwandte Gas kann andersartiges Reglerventil 34 (1) vorgesehen werden, so dass dadurch eine Kostenreduktion erreicht werden kann.
  • Die Anwendung des Fluidsteuerungsventils gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das vorstehende Einlasssperrventil 20, das Auslasssperrventil 22 und das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 beschränkt, und die vorliegende Erfindung ist auch auf beispielsweise ein Ventil für eine Brennstoffzelle in dem Brenngaszuführströmungsweg oder in dem Abführströmungsweg für ein mit einem Brenngas verwandtes Gas anwendbar, durch das ein Wasserstoffgas als ein mit einem Brenngas verwandtes Gas strömt.
  • Neben der vorliegenden Erfindung wird ferner in einer weiteren von den Erfindern der vorliegenden Erfindung entwickelten Erfindung entweder durch das Einlasssperrventil 20, das Auslasssperrventil 22 oder das Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 gemäß der vorstehenden Ausführungsform eine Magnetspule oder ein Elektromotor verwendet, um das Ventilelement 58 mit der Antriebswelle 60 anzutreiben, anstatt dafür die Ventilöffnungsdruckkammer 52 und die Ventilschließdruckkammer 50 vorzusehen, und die Atmosphärendruckkammer 54 und der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg können unter Verwendung einer Membran voneinander getrennt werden, die der Teilmembran 48 entspricht (siehe 2 und 3), um so die Wirkung der zum Antreiben des Ventils benötigten Kraft zu erhöhen. In anderen Worten kann auch ein Fluidsteuerungsventil angewendet werden, in dem ein Ventilelement 58 mit einer Antriebswelle 60 vorgesehen ist; Strömungen in den Strömungsweg durch die Verschiebung einer Antriebswelle entlang der Achsrichtung blockiert oder zusammengeführt werden; und die Antriebswelle 60 durch sowohl eine Kraft F1 angetrieben wird, die durch die Magnetspule oder den Elektromotor erzeugt wird, als auch eine Kraft F2, die aufgrund des Differenzdrucks zwischen den voneinander getrennt ausgeführten ersten und zweiten Druckkammern in der gleichen Richtung wie die Kraft F1 wirkt.
  • Zweite Ausführungsform
  • 4 ist eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs A von 3, die das Einlasssperrventil (oder das Auslasssperrventil) darstellt, aus denen das Brennstoffzellensystem gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht. Wie in 4 gezeigt ist, ist die Teilmembran 48 des Einlasssperrventils 20 (oder des Auslasssperrventils 22; wobei nachstehend die Beschreibung des „Einlasssperrventils 20” so zu verstehen ist, dass diese auch Gültigkeit für das Auslasssperrventil 22 hat) wie in der vorstehenden ersten Ausführungsform mit der Antriebswelle 60 verbunden (siehe 2 und 3). Ferner wird der am Außenumfang befindliche Endbereich des Teilmembranbereichs 48 durch ein erstes Gehäuseelement 88 und ein zweites Gehäuseelement 90 festgehalten, die zusammen das Gehäuse 42 darstellen. Ferner ist der die Druckkammer 56 ausbildende Strömungsweg im Inneren des ersten Gehäuseelements 88 angeordnet, während die Atmosphärendruckkammer 54 in dem zweiten Gehäuseelement 90 angeordnet ist.
  • Ferner sind das erste Gehäuseelement 88 und das zweite Gehäuseelement 90 durch einen Befestigungsbereich miteinander verbunden, an dem beispielsweise eine Schraube (nicht gezeigt), die in die Durchgangsöffnung (nicht gezeigt) in entweder dem ersten Gehäuseelement 88 oder dem zweiten Gehäuseelement 90 eingefügt ist, mit einer Schrauböffnung in dem jeweils anderen ersten Gehäuseelement 88 oder zweiten Gehäuseelement 90 verschraubt ist. Ferner ist entlang einer Seite (der oberen Seite in 4) des Umfangsbereichs des ersten Gehäuseelements 88 ein Außenwulstbereich 98 vorgesehen, der einen näherungsweise kreisförmigen Ringvorsprung ausbildet, während ein näherungsweise kreisförmiger äußerer Abstufungsbereich 94 in Ringform entlang einer Seite (der unteren Seite in 4) des Umfangsbereichs des zweiten Gehäuseelements 90 angeordnet ist und die obere Oberfläche des Außenwulstbereichs 92 in Kontakt mit der seitlichen Oberfläche (der unteren Oberfläche in 4) des äußeren Abstu fungsbereichs 94 ist. Der Bereich, an dem der äußere Abstufungsbereich 94 und der Außenwulstbereich 92 miteinander in Kontakt stehen, bilden einen Verbindungsbereich 96.
  • Ferner ist ein labyrinthartiger Abdichtungsbereich 100 derart konfiguriert, dass in Innenwulstbereich 98, bei dem es sich um einen näherungsweise kreisförmigen Ringvorsprung handelt, der entlang der Achsrichtung (der vertikalen Richtung in 4) des Gehäuses 42 herausragt, auf einer seitlichen Oberfläche (der unteren Oberfläche in 4) des zweiten Gehäuseelements 90 auf der Innenseite des äußeren Abstufungsbereichs 94 entlang der radialen Richtung angeordnet ist, und dass bewirkt wird, dass die obere Oberfläche des Innenwulstbereichs 98 zu einer Oberfläche (der oberen Oberfläche in 4) des ersten Gehäuseelements 88 über einen Zwischenraum gerichtet ist. Der labyrinthartige Abdichtungsbereich 100 ist nämlich auf der Innenseite des Verbindungsbereichs 96 entlang der radialen Richtung des Gehäuses 42 angeordnet. Selbst wenn dementsprechend Wasser von außen über den Verbindungsbereich 96 eindringt, kann effektiv verhindert werden, dass aus dem Inneren des die Druckkammer 56 bildenden Strömungswegs und der Atmosphärendruckkammer 54 durch einen labyrinthartigen Abdichtungsbereich 100 Wasser eindringt.
  • Ferner ist der am Außenumfang befindliche Endbereich der Teilmembran 48 in einem Zwischenraum, der den labyrinthartigen Abdichtungsbereich 100 darstellt, entlang der radialen Richtung des Gehäuses 42 zwischen dem Innenwulstbereich 98 und dem Außenwulstbereich 92 positioniert. Der am Außenumfang befindliche Endbereich der Teilmembran 48 wird zwischen dem ersten Gehäuseelement 88 und dem zweiten Gehäuseelement 90 festgehalten.
  • Ferner bestehen das erste Gehäuseelement 88, das den die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg darstellt, und das zweite Gehäuseelement 90, das die Atmosphärendruckkammer 54 darstellt, aus unterschiedlichen Metallen. Genauer gesagt besteht das erste Gehäuseelement 88 aus rostfreiem Stahl, während das zweite Gehäuseelement 90 aus einem Aluminiummaterial oder einer Aluminiumlegierung besteht. Ferner wird an dem gesamten zweiten Gehäuseelement 90, das den Bereich beinhaltet, der den Verbindungsbereich 96 darstellt, eine Alumitbehandlung vorgenommen, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegenüber einer Salzkorrosion des zweiten Gehäuseelements 90 verbessert wird. Das Gehäuseelement, das den am Außenumfang befindlichen Endbereich der Hauptmembran 46 (siehe 2 und 3) in Kombination mit dem zweiten Gehäuseelement 90 festhält, kann ebenfalls aus einem Aluminiummaterial oder einer Aluminiumlegierung gefertigt sein.
  • Ferner ist eine Breite W1, die entlang der radialen Richtung des Verbindungsbereichs 96 verläuft, an dem der erste Gehäusebereich 88 und der zweite Gehäusebereich 90 miteinander in Kontakt sind, d. h. der Kontaktbereich, sehr gering. Obwohl der Verbindungsbereich 96 den Befestigungsbereich beinhaltet, der derart konfiguriert ist, dass z. B. die Schraube mit der Schrauböffnung in einem Teil des Verbindungsbereichs 96 verschraubt ist (der in 4 nicht gezeigt ist), ist in dem Verbindungsbereich 96 die Breite W1 eines Bereichs, der von dem Befestigungsbereich entlang der Umfangsrichtung verschoben ist, nicht größer als eine Dicke T1 des Hauptrahmenbereichs 102 des ersten Gehäuseelements 88 in der radialen Richtung, auf die der Druck innerhalb des die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungswegs ausgeübt wird. In dem Verbindungsbereich 96 handelt es sich bei dem Bereich, der aus dem Befestigungsbereich entlang der Umfangsrichtung verschoben wird, vorzugsweise um einen linearen Kontaktbereich.
  • Weil in der vorliegenden Ausführungsform das erste Gehäuseelement 88, das den die Druckkammer 56 ausbildenden Strömungsweg darstellt, und das zweite Gehäuseelement 90, das die Atmosphärendruckkammer 54 darstellt, dementsprechend aus unterschiedlichen Metallen gefertigt sind, können viel leichter besser Ergebnisse in Bezug auf eine erhöhte Wasserbeständigkeit und Gewichtseinsparung erzielt werden, selbst wenn das Einlasssperrventil 20 in einer Umgebung zum Einsatz gelangt, in dem an das Sperrventil 20 Feuchtigkeit gelangen kann, wie z. B. wenn das Einlasssperrventil 20 am Unterboden des Fahrzeugs montiert ist.
  • Weil das zweite Gehäuseelement 90 aus Leichtmetallen, wie einem Aluminiummaterial oder einer Aluminiumlegierung, besteht, ist eine Gewichtsreduktion des Ein lasssperrventils 20 möglich. Wenn das zweite Gehäuseelement 90 aus Leichtmetallen, wie z. B. einem Aluminiummaterial oder Aluminiumlegierung, gefertigt wird, und wenn an dem zweiten Gehäuseelement 90 eine Alumitbearbeitung vorgenommen wird, um die Beständigkeit gegenüber einer Salzkorrosion zu verbessern, neigt das Material dazu, dass sich auf der Oberfläche des zweiten Gehäuseelements 90 Risse bilden, wie z. B. auf einem Kontaktbereich wie dem mit dem ersten Gehäuseelement 88 in Kontakt stehenden Verbindungsbereich 96. Wenn daher das erste Gehäuseelement 88 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt wird, an dem eine Alumitverarbeitung vorgenommen wird, neigen die sich am Verbindungsbereich 96 gebildeten Risse dazu, ineinander überzugehen. Somit besteht die Notwendigkeit, das Eindringen von Wasser in das Gehäuse 42 zu verhindern. Weil in der vorliegenden Erfindung rostfreier Stahl, der sich von Aluminium und Aluminiumlegierungen unterscheidet, die zum Ausbilden des zweiten Gehäuseelements 90 verwendet werden, als das Material zum Ausbilden des ersten Gehäuseelements 88 verwendet wird, kann somit effektiv verhindert werden, dass die auf dem Verbindungsbereich 88 gebildeten Risse ineinander übergehen, und es kann ohne Weiteres verhindert werden, dass Wasser durch den Verbindungsbereich 96 eindringt. In anderen Worten ist es gemäß der vorliegenden Erfindung viel einfacher, eine verbesserte Wasserbeständigkeit und Gewichtsreduktion zu erreichen, selbst wenn das Einlasssperrventil 20 in einer Umgebung zum Einsatz gelangt, in der Feuchtigkeit von außen an das Einlasssperrventil 20 gelangen kann.
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist ferner der labyrinthartige Abdichtungsbereich 100 auf der Innenseite des Verbindungsbereichs 96, der aus dem Außenwulstbereich 92 und dem äußeren Abstufungsbereich 94 besteht, die miteinander in Kontakt stehen, entlang der radialen Richtung des Gehäuses 42 angeordnet. Somit kann die Beständigkeit des Einlasssperrventils gegenüber einer Korrosion durch Salz verbessert werden, während verhindert wird, dass eine sich lokal entwickelnde elektrische Korrosion verhindert wird, die durch einen Kontakt zwischen diesen unterschiedlichen Metallen bewirkt werden kann. Wenn das erste Gehäuseelement 88 und das zweite Gehäuseelement 90 aus unterschiedlichen Metallen gefertigt sind, wie in der vorliegenden Ausführungsform, besteht die Tendenz, dass es entsprechend dem Flächenverhältnis zwischen den Metallen zu einer elektrischen Korrosion kommt. Insbesondere wenn das Gehäuseelement 90 aus einem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, und wenn daran eine Alumitbearbeitung vorgenommen wird, besteht auf der Oberfläche des zweiten Gehäuseelements 90, wie oben beschrieben, die Neigung zur Rissbildung, und, wenn keine Behandlung vorgesehen wird, kann Wasser von außen über den Verbindungsbereich 96, an dem der erste Gehäusebereich 88 und der zweite Gehäusebereich 90 miteinander verbunden sind, nach innen eindringen. Daher ist bislang keine Alumitbearbeitung an einem bestimmten Bereich eines Aluminiumelements oder eines Aluminiumlegierungselements vorgenommen worden, das einen Kontaktbereich beinhaltet, an dem das Aluminium- oder Aluminiumlegierungselement mit einem Element aus rostfreiem Stahl in Kontakt gelangt. In diesem Fall kann jedoch die Beständigkeit des Aluminium- oder Aluminiumlegierungselements gegenüber einer Salzkorrosion, d. h. des zweiten Gehäuseelements 90, verringert werden.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform können derartige Nachteile überwunden werden. Genauer gesagt können gemäß der vorliegenden Ausführungsform nämlich die nachstehenden, zueinander in Widerspruch stehenden Bedürfnisse gleichzeitig erfüllt werden:
    • (A) Um eine Gewichtseinsparung zu erreichen, wird ein Element von entweder dem ersten Gehäuseelement 88 oder dem zweiten Gehäuseelement 90 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gefertigt, während das andere Element aus einer rostfreien Legierung besteht, und durch Vornehmen einer Alumitbearbeitung an dem Bereich, der den Kontaktbereich beinhaltet, an dem das eine Element sich mit dem anderen Element in Kontakt befindet, wird die Beständigkeit gegenüber einer Salzkorrosion des Gehäuses 42 verbessert;
    • (B) und wird effektiv verhindert, dass Wasser durch den Kontaktbereich eindringen kann, an dem beide Elemente 88 und 90 miteinander in Kontakt sind.
  • Weil der labyrinthartige Abdichtungsbereich 100 auf der Innenseite des Verbindungsbereichs 96, der aus dem Außenwulstbereich 92 und dem äußeren Abstufungsbereich 94 besteht, die miteinander in Kontakt stehen, entlang der radialen Richtung des Gehäuses 42 angeordnet ist, kann, indem die Breite W1 des Verbindungsbereichs entlang der radialen Richtung verringert wird, der Kontaktdruck des Kontaktbereichs 96 verstärkt werden und die Abdichtungseigenschaft des Kontaktbereichs 96 zusätzlich zu der überlegenen Abdichtungseigenschaft verbessert werden, die durch den labyrinthartigen Abdichtungsbereich 100 erhalten wird, wodurch die Abdichtungseigenschaften des gesamten Ventils deutlich verbessert werden, um so beiden Anforderungen (A) und (B) gleichzeitig gerecht zu werden.
  • Es besteht zudem die Möglichkeit, das Gehäuseelement, das den am Außenumfang befindlichen Endbereich der Hauptmembran 46 (siehe 2 und 3) in Kornbination mit dem zweiten Gehäuseelement 90 festhält, aus einem anderen Metall als dem des zweiten Gehäuseelements 90 zu bilden, wie z. B. rostfreiem Stahl. Obwohl in der vorliegenden Ausführungsform beschrieben worden ist, dass die Gehäuseelemente, die miteinander in Kontakt stehen, unter Verwendung einer Kombination aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und rostfreiem Stahl hergestellt werden, können in der vorliegenden Ausführungsform die mit einander in Kontakt stehenden Gehäuseelemente unter Verwendung einer Kombination aus anderen zueinander unterschiedlichen Metallen gefertigt werden. Ferner können im Fall von entweder einem der beiden oder bei sowohl dem Auslasssperrventil 22 als auch dem Befeuchtungseinrichtungs-Umgehungsventil 18 (siehe 1) die beiden Gehäuseelemente, die die unterschiedlichen Druckkammern darstellen, aus unterschiedlichen Metallen hergestellt sein, wie in dem Gehäuse 42 des Einlasssperrventils 20. Weitere Konfigurationen und Wirkweisen, die mit denen der ersten Ausführungsform identisch sind, sind hierin mit den gleichen Bezugszeichen wie in der ersten Ausführungsform bezeichnet, und auf eine Beschreibung derselben wird verzichtet.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung ist zur Verwendung in einem Fluidsteuerungsventil und einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Brennstoffzellensystem anwendbar, das in einem Fahrzeug installiert ist und einen Brennstoffzellenstapel als eine Leistungszuführeinrichtung für einen Fahrzeugantriebsmotor verwendet.
  • Zusammenfassung
  • Fluidsteuerungsventil und Brennstoffzellensystem
  • Ein Einlasssperrventil (20) oder ein Auslasssperrventil (22) weisen eine Hauptmembran (46) und eine Teilmembran (48) auf, wobei eine Ventilschließdruckkammer (50) und eine Ventilöffnungsdruckkammer (52) jeweils auf der oberen Oberflächenseite und der unteren Oberflächenseite der Hauptmembran (46) angeordnet sind. Ferner sind jeweils eine Atmosphärendruckkammer (54) und eine Druckkammer (56), die einen Kanal ausbilden, jeweils auf der oberen Oberflächenseite und der unteren Unterflächenseite der Teilmembran (48) angeordnet. Eine Antriebswelle (60), die ein Ventilelement (58) darstellt, wird in der Richtung zum Herbeiführen eines offenen Ventilzustands durch die beiden Kräfte (F1, F2) angetrieben, d. h. eine erste Kraft (F1), die durch einen Differenzdruck zwischen der Ventilschließdruckkammer (50) und die Ventilöffnungsdruckkammer (52) einwirkt, und eine zweite Kraft (F2), die durch einen Differenzdruck zwischen der Atmosphärendruckkammer (54) und der einen Kanal darstellenden Druckkammer (56) und in der gleichen Richtung wie die erste Kraft (F1) wirkt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 2004-183713 A [0003, 0005]
    • - JP 2004-150090 A [0004, 0007]

Claims (11)

  1. Fluidsteuerungsventil, das ein Ventilelement mit einer Antriebswelle aufweist, wobei das Fluidsteuerungsventil die Strömungen in einem Strömungsweg durch eine Verschiebung der Antriebswelle blockiert oder zusammenführt, wobei die Antriebswelle durch sowohl eine erste Kraft, die aufgrund eines Differenzdrucks zwischen einer ersten Druckkammer und einer zweiten Druckkammer wirkt, die getrennt voneinander ausgeführt sind, als auch eine zweite Kraft angetrieben wird, die in der gleichen Richtung wirkt, wie die erste Kraft, und aufgrund eines Differenzdrucks zwischen einer dritten Druckkammer und einer vierten Druckkammer wirkt, die getrennt voneinander ausgeführt sind.
  2. Fluidsteuerungsventil nach Anspruch 1, wobei entweder die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer oder die vierte Druckkammer als der Strömungsweg dienen, in dem die Strömungen durch das Ventilelement blockiert oder zusammengeführt werden.
  3. Fluidsteuerungsventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei entweder die erste Druckkammer oder die zweite Druckkammer und entweder die dritte Druckkammer oder die vierte Druckkammer entweder miteinander in Verbindung stehen oder zur Atmosphäre hin offen sind.
  4. Fluidsteuerungsventil nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeweils zwei beliebige der Druckkammern bestehend aus der ersten Druckkammer, der zweiten Druckkammer, der dritten Druckkammer und der vierten Druckkammer innerhalb des Ventils nicht miteinander in Verbindung stehen.
  5. Fluidsteuerungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei: entweder die erste Druckkammer oder die zweite Druckkammer als der Strömungsweg dient, in dem die Strömungen durch das Ventilelement blockiert oder zusammengeführt werden, während die jeweils andere erste Druckkammer oder zweite Druckkammer zur Atmosphäre offen steht; und entweder die dritte Druckkammer oder die vierte Druckkammer einen Druck von einem Fluid aufnimmt, das mit einem Fluid identisch ist, das in dem Strömungsweg strömt, während die jeweils andere dritte Druckkammer oder vierte Druckkammer zur Atmosphäre offen steht.
  6. Fluidsteuerungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Fluidsteuerungsventil ein normalerweise offenes Sperrventil ist, das im Normalzustand, in dem die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer und die vierte Druckkammer allesamt den gleichen Druck aufweisen, in einen offenen Ventilzustand versetzt ist.
  7. Fluidsteuerungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: das Fluidsteuerungsventil ein normalerweise geschlossenes Sperrventil ist, das aufgrund der durch eine elastische Einrichtung bereitgestellten Federkraft in einem Normalzustand, in dem die erste Druckkammer, die zweite Druckkammer, die dritte Druckkammer und die vierte Druckkammer allesamt den gleichen Druck aufweisen, in einen geschlossenen Ventilzustand versetzt ist; und die Antriebswelle durch die erste Kraft und die zweite Kraft, die in der gleichen Richtung wirken, in einer zu einem offenen Ventilzustand führenden Richtung angetrieben wird.
  8. Fluidsteuerungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Fluidsteuerungsventil als ein Öffnungs-/Schließventil für eine Brennstoffzelle in einem Strömungsweg verwendet wird, durch den ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas oder ein mit einem Brenngas verwandtes Gas strömt.
  9. Fluidsteuerungsventil nach Anspruch 8, wobei: die Antriebswelle durch die erste Kraft und die zweite Kraft, die in der gleichen Richtung wirken, in einer zu einem offenen Ventilzustand führenden Richtung angetrieben wird; und eine Brennstoffzellenseite des Strömungswegs auf der Vorderseite in einer Richtung positioniert ist, entlang der die Antriebswelle aus dem offenen Ventilzustand in den geschlossenen Ventilzustand getrieben wird.
  10. Fluidsteuerungsventil nach Anspruch 1, wobei ein Element, das die erste Druckkammer darstellt, und ein Element, das die zweite Druckkammer darstellt, aus unterschiedlichen Metallen gefertigt sind.
  11. Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas aufweist, wobei ein Öffnungs-/Schließventil für die Brennstoffzelle, das in einem Strömungsweg angeordnet ist, durch den ein mit einem Oxidationsgas verwandtes Gas oder ein mit einem Brenngas verwandtes Gas strömt, das Fluidsteuerungsventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 ist.
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