DE112008000866T5 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Elektrizität erzeugt; und ein Sperrventil, das zwischen einem Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle und der Atmosphäre vorgesehen ist,
wobei das Sperrventil einen Ventilsitz und einen Ventilteller aufweist, der mit dem Ventilsitz in Kontakt kommt, um das Oxidierungsgas einzuschließen,
wobei der Ventilteller durch einen negativen Druck im Oxidierungsgas-Strömungsweg in der Brennstoffzelle in Richtung auf den Ventilsitz gesaugt wird.

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft den Aufbau eines Brennstoffzellensystems, und insbesondere ein Antriebssystem für ein Sperrventil.
  • Technischer Hintergrund
  • Eine Brennstoffzelle erzeugt Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidierungsmittel. Die Brennstoffzelle weist auf: eine Membran/Elektroden-Anordnung (MEA), in der eine Brennstoffelektrode und eine Oxidierungsmittelelektrode einander über einen Elektrolyten, der aus einer Ionentauschermembran gebildet ist, hinweg gegenüber liegen; einen Brennstoffseparator, in dem ein Brennstoff-Zufuhrkanal ausgebildet ist, um den Brennstoff zur Brennstoffelektrode zu liefern; und eine Oxidierungsmittelseparator, in dem ein Oxidierungsmittel-Zufuhrkanal ausgebildet ist, um das Oxidierungsmittel zur Oxidierungsmittelelektrode zu liefern. Es werden verschiedene Gase als Brennstoff und als Oxidierungsmittel verwendet. Beispielsweise wird in vielen Arten von Brennstoffzellen Wasserstoff als Brennstoff verwendet, und sauerstoffhaltige Luft wird als Oxidierungsmittel verwendet. Elektrizität wird durch eine elektrochemische Reaktion zwischen diesen erzeugt, und in vielen Arten von Brennstoffzellen wird häufig Wasser an der Oxidierungsmittelelektrode erzeugt.
  • Wie beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2006-221836 gezeigt, bleibt, wenn der Betrieb einer solchen Brennstoffzelle unterbrochen wird, Luft, die als Oxidierungsgas dient, im Oxidierungsgas-Zufuhrkanal auf der Seite der Oxidierungsmittelelektrode zurück, und Wasserstoff, der als Brenngas dient, bleibt auf der Seite der Brennstoffelektrode im Brennstoff-Zufuhrkanal zurück. Indes kommt es in der Brennstoffzelle, deren Betrieb angehalten wurde, zu einem Gasaustausch, wobei Wasserstoff, der als Brenngas dient, durch die Ionentauschermembran zur Oxidierungsmittelelektrode wandert, während Sauerstoff in der Luft, die als Oxidierungsgas dient, durch die Ionentauschermembran zur Brennstoffelektrode wandert. Wenn es zu solch einem Gasaustausch kommt, wird Wasserstoff durch eine chemische Reaktion, die sich von einer Elektrizität erzeugenden Reaktion unterscheidet, an Sauerstoff gebunden, so dass Wasser erzeugt wird.
  • Die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff aufgrund des Gasaustausches hört auf, wenn Sauerstoff in der Luft aufgebraucht ist. Falls jedoch neue Luft in den Oxidierungsmittel-Zufuhrkanal strömt, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, dauert die oben beschriebene Reaktion aufgrund des Gasaustausches an. Dann werden Katalysatoren, die in der Brennstoffelektrode und in der Oxidierungsmittelelektrode enthalten sind, aufgrund eines Anstiegs der Potentiale der Oxidierungsmittelelektrode und der Brennstoffelektrode beeinträchtigt, so dass eine Katalysatorleistung schlechter wird, was zu dem Problem einer Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle führt.
  • Um eine solche Leistungsverschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern, beschreibt die japanische Patentveröffentlichung Nr. 2006-221836 ein Verfahren, bei dem normalerweise geschlossene elektromagnetische Ventile, die durch die Unterbrechung einer Antriebsleistungszufuhr geschlossen werden, in Leitungen am Oxidierungsgaseinlass und -auslass der Brennstoffzelle vorgesehen sind, wodurch die Oxidierungsmittelelektrode auf einfache Weise auch dann abgedichtet werden kann, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist. Ferner beschreibt die japanische Patentveröffentlichung Nr. 2000-3717 ein System, das ein Sperrventil einer Brennstoffzelle durch Luftdruck antreibt.
  • Nun wird als Sperrventil für die Brennstoffzelle in manchen Fällen eine Art von Ventil verwendet (im Folgenden als ein stromaufwärts öffnendes beschrieben), bei dem ein bewegliches Teil des Ventils sich von der stromabwärtigen Seite zur stromaufwärtigen Seite eines Oxidierungsgases bewegt, um das Ventil zu öffnen. In dem derart auf gebauten Ventil wird das bewegliche Teil des Ventils, falls das Oxidierungsgas in eine Gasleitung im Ventil strömt, durch den Druck des Gases in einer Ventilschließungsrichtung (von der stromaufwärtigen Seite zur stromabwärtigen Seite des Oxidierungsgasstroms) geschoben, wie beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2006-24469 beschrieben.
  • Die Sperrventile, die am Oxidierungsgaseinlass und -auslass der Brennstoffzelle vorgesehen sind, müssen immer geöffnet bleiben, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb ist. Um den geöffneten Zustand der Ventile sicherzustellen, wenn die Brennstoffzelle in Betrieb ist, kann somit ein normalerweise offenes Ventil anstelle des in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2006-221836 beschriebenen, normalerweise geschlossenen Ventils verwendet werden. Das normalerweise offene Ventil bleibt offen, wenn eine Antriebsleistung, wie Strom oder Luft, zum Öffnen und Schließen der Ventile, abgestellt wird. Bei einem solchen normalerweise offenen Ventil muss die Antriebsleistung, wie Strom oder Luft, zugeführt werden, damit das Sperrventil geschlossen bleibt, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist. Wenn die Antriebsleistung abgestellt wird, kann sich daher das Sperrventil öffnen, oder die Schließungskraft kann abnehmen, so dass Luft eindringen kann.
  • Ferner sinkt bei der herkömmlichen Technik, die in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2000-3171 beschrieben ist, wenn das Sperrventil durch Luftdruck angetrieben wird, der Druck der Druck erhöhenden Luft in einer Druckerhöhungskammer aufgrund beispielsweise des Austretens von Luft. Somit kann sich das Sperrventil öffnen, oder eine Schließungskraft kann abnehmen, so dass Luft eindringen kann.
  • Da das Oxidierungsgas in der Brennstoffzelle Feuchtigkeit enthält, kann indes das Sperrventil für das Oxidierungsgas in einem geschlossenen Zustand festsitzen oder festfrieren, wenn die Brennstoffzelle in einer Niedertemperaturumgebung verwendet wird. Wenn das Sperrventil als stromaufwärts öffnendes Ventil ausgelegt ist, wie im Stand der Technik, der in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2006-24469 beschrieben ist, wirkt der Druck des Oxidierungsgases, das für den Betriebsstart zugeführt wird, in einer Ventilschließungsrichtung, wodurch das Öffnen des Ventils behindert wird. Infolgedessen kann eine hohe Antriebskraft erforderlich sein.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verbesserung der Dichtungseigenschaften eines Sperrventils während einer Betriebsunterbrechung der Brennstoffzelle und die Verbesserung der Öffnungseigenschaften des Sperrventils, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Elektrizität erzeugt; und ein Sperrventil, das zwischen einem Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle und der Atmosphäre vorgesehen ist, wobei das Sperrventil einen Ventilsitz und einen Ventilteller aufweist, der mit dem Ventilsitz in Kontakt kommt, um das Oxidierungsgas einzuschließen, wobei der Ventilteller durch einen negativen Druck im Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle zum Ventilsitz gesaugt wird. Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ferner einen Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus auf, der am Sperrventil befestigt ist, wobei der Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus das Sperrventil durch eine zugeführte Antriebsleistung öffnet und schließt, wobei der Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus das Sperrventil offen hält, wenn die Zufuhr der Antriebsleistung unterbrochen ist. Vorzugsweise weist der Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus eine Ventilöffnungs-Druckkammer und eine Ventilschließungs-Druckkammer auf, die mit dem Oxidierungsgas beliefert werden, wobei der Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus so ausgelegt ist, dass er das Sperrventil durch einen Druckunterschied zwischen den Druckkammern öffnet und schließt. Vorzugsweise sind die Sperrventile in allen Leitungen zwischen dem Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle und der Atmosphäre vorgesehen.
  • Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ferner auf: ein Atmosphärenablassventil, das zwischen dem Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle und dem Sperrventil vorgesehen ist und das den negativen Druck im Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle in die Atmosphäre ablässt. Wenn die Brennstoffzelle gestartet wird, wird das Sperrventil vorzugsweise geöffnet, nachdem das Atmosphärenablassventil geöffnet wurde.
  • Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Fähigkeit, das Sperrventil abzudichten, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, verbessert werden kann, und dass das Öffnen des Sperrventils beim Starten der Brennstoffzelle erleichtert werden kann.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Schema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine Detail-Querschnittsansicht, die ein Sperrventil im offenen Zustand im Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 3 ist eine Detail-Querschnittsansicht, die das Sperrventil im geschlossenen Zustand im Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
  • Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Wie in 1 dargestellt, weist ein Brennstoffzellensystem 11 in der vorliegenden Ausführungsform auf: eine Brennstoffzelle 13, die durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität erzeugt, wenn ihr Wasserstoff, der als Brenngas dient, und Luft, die als Oxidierungsgas dient, zugeführt werden, einen Luftkompressor 17, der die Luft, die zur Brennstoffzelle 13 geliefert wird, verdichtet, und ein Befeuchtungsmodul 15, das die Luft, die zur Brennstoffzelle 13 geliefert wird, befeuchtet. Der Luftkompressor 17 und das Befeuchtungsmodul 15 sind durch ein Druckluft-Zufuhrrohr 27 miteinander verbunden. Das Befeuchtungsmodul 15 und die Brennstoffzelle 13 sind durch ein Lufteinlassrohr 29 und ein Luftauslassrohr 31 miteinander verbunden. Das Lufteinlassrohr 29 führt die im Befeuchtungsmodul 15 befeuchtete Luft zu einem Lufteinlass 13a, der mit einem Luftströmungskanal der Brennstoffzelle 13 verbunden ist. Das Luftauslassrohr 31 führt die Luft, die aus einem mit einem Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 verbundenen Luftauslass 13b abgegeben wird, zum Befeuchtungsmodul 15. Ein Luftabfuhrrohr 33, das die Luft nach außen abgibt, ist mit dem Befeuchtungsmodul 15 verbunden. Ferner ist ein Umgehungsrohr 35 vorgesehen, welches das Druckluft-Zufuhrrohr 27 mit dem Luftabfuhrrohr 33 verbindet. Der Luftkompressor 17 wird von einem Motor 19 angetrieben. Die Luft, deren Feuchtigkeitsgehalt durch den Luftkompressor 17 erhöht wurde, wird von einem Zwischenkühler 21 gekühlt und dann zum Befeuchtungsmodul 15 geliefert.
  • Ein Lufteinlass-Sperrventil 50 ist am Lufeinlassrohr 29 vorgesehen, und ein Luftauslass-Sperrventil 60 ist am Luftauslassrohr 31 vorgesehen. Ein Luftdruck-Steuerventil 25 ist im Luftauslassrohr 31 zwischen dem Luftauslass 13b der Brennstoffzelle 13 und dem Luftauslass-Sperrventil 60 vorgesehen. Ein Drucksensor 37, der den Auslassluftdruck der Brennstoffzelle 13 misst, ist im Luftauslassrohr 31 stromaufwärts vom Luftdruck-Steuerventil 25 vorgesehen. Ein Drucksensor 34, der den Druck der Druckluft misst, ist am Auslass des Zwischenkühlers 21 vorgesehen. Ein Umgehungsstrom-Steuerventil 23 ist im Umgehungsrohr 35 vorgesehen. Ein Atmosphärenablassrohr 32, das mit einem Atmosphärenablassventil 47 versehen ist, verbindet das Luftauslass-Sperrventil 60 mit dem Luftauslass 13b, der mit dem Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle verbunden ist.
  • Das Lufteinlass-Sperrventil 50 weist einen Ventilhauptkörper 50b und eine Antriebseinheit 50a auf. Der Ventilhauptkörper 50b weist an seinem Gehäuse einen Ventil sitz 58 und einen Ventilteller 56 auf. Ein Ventilstößel bzw. eine Ventilstange 57 ist am Ventilteller 56 befestigt. Die Antriebseinheit 50a wird durch eine Membran 54 in zwei Druckkammern geteilt. Die obere Druckkammer in 1 ist eine Ventilschließungs-Druckkammer 51, die durch die Druckluft, die vom Druckluft-Zufuhrrohr 27 geliefert wird, unter Druck gesetzt wird, um eine Kraft zu erzeugen, die den Ventilteller 56 in einer Ventilschließungsrichtung antreibt. Die untere Druckkammer in 1 ist eine Ventilöffnungs-Druckkammer 52, die durch die Druckluft, die vom Druckluft-Zufuhrrohr 27 geliefert wird, unter Druck gesetzt wird, um eine Kraft zu erzeugen, die den Ventilteller 56 in einer Ventilöffnungsrichtung antreibt. Eine Antriebsscheibe 55, die mit der Ventilstange 57 verbunden ist, um den Ventilteller 56 anzutreiben, ist an der Membran 54 befestigt. Eine Ventilöffnungsfeder 53 ist auf der gleichen Seite der Antriebsscheibe 55 wie die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 vorgesehen. Diese Ventilöffnungsfeder 53 ist an der Wandfläche der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 befestigt und schiebt die Antriebsscheibe 55 zu der Seite, die dem Ventilsitz 58 entgegengesetzt ist, um eine Kraft in der Ventilöffnungsrichtung auszuüben. Das Luftauslass-Sperrventil 60 ist ähnlich aufgebaut wie das Lufteinlass-Sperrventil 50 und weist einen Ventilhauptkörper 60b und eine Antriebseinheit 60a auf. Der Ventilkörper 60b weist einen Ventilsitz 68 und einen Ventilteller 66 auf. Wegen einer Membran 64 ist die Antriebseinheit 60a mit einer Ventilschließungs-Druckkammer 61, die eine Antriebskraft in der Ventilschließungsrichtung erzeugt, und mit einer Ventilöffnungs-Druckkammer 62 versehen, die eine Antriebskraft in der Ventilöffnungsrichtung erzeugt. Die Antriebseinheit 60a ist auch mit einer Antriebsscheibe 65, die mit einer Ventilstange 67 verbunden ist, um den Ventilteller 66 anzutreiben, und mit einer Ventilöffnungsfeder 63 versehen.
  • Ein Ende eines Antriebsluft-Zufuhrrohrs 39, das Antriebsluft für das Lufteinlass-Sperrventil 50 und das Luftauslass-Sperrventil 60 liefert, ist mit dem Druckluft-Zufuhrrohr 27 verbunden. Das andere Ende des Antriebsluft-Zufuhrrohrs 39 ist verzweigt und mit einem Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil und einem Antriebsluft-Umschaltventil 44 für das Luftauslass-Sperrventil verbunden. Jedes der Umschaltventile 41, 44 weist zwei Luftzufuhrauslässe auf. Einer der Luftzufuhrauslässe ist mittels Leitungen 71, 73 mit der Ventilschließungs-Druckkammer 51, 61 des Sperrventils 50, 60 verbunden. Der andere Luftzufuhrauslass ist mittels Leitungen 72, 74 mit den Ventilöffnungsdruckkammern 52, 62 der Sperrventile 50, 60 verbunden. Ferner sind schließungsseitige Abfuhrventile 42, 45, welche die von den Leitungen 71, 73 zugeführte Druckluft über Leitungen 75, 77 an die Atmosphäre abgeben, in den Leitungen 71, 73 vorgesehen. Öffnungsseitige Abfuhrventile 43, 46, welche die von den Leitungen 72, 74 zugeführte Druckluft über Leitungen 76, 78 in die Atmosphäre abgeben, sind in den Leitungen 72, 74 vorgesehen.
  • Der Drucksensor 34, der für das Druckluft-Zufuhrrohr 27 vorgesehen ist, und der Drucksensor 37, der für den Luftauslass 13b der Brennstoffzelle 13 vorgesehen ist, sind mit einem Steuerabschnitt 80 derart verbunden, dass Erfassungssignale in den Steuerabschnitt 80 eingegeben werden. Der Motor 19 des Luftkompressors 17, das Umgehungsstrom-Steuerventil 23, das Luftdruck-Steuerventil 25, das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil, das Antriebsluft-Umschaltventil 44 für das Luftauslass-Sperrventil, die schließungsseitigen Abfuhrventile 42, 45, die öffnungsseitigen Abfuhrventile 43, 46 und das Atmosphärenablassventil 47 sind ebenfalls mit dem Steuerabschnitt 80 verbunden und so ausgelegt, dass sie nach Anweisung des Steuerabschnitts 80 arbeiten. Das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil, das schließungsseitige Abfuhrventil 42 und das öffnungsseitige Abfuhrventil 43 bilden einen Ventilmechanismus, der Teil eines Ventilantriebsmechanismus des Lufteinlass-Sperrventils 50 ist. Das Antriebsluft-Umschaltventil 44 für das Luftauslass-Sperrventil, das schließungsseitige Abfuhrventil 45 und das öffnungsseitige Abfuhrventil 46 bilden einen Ventilmechanismus, der Teil eines Ventilantriebsmechanismus des Luftauslass-Sperrventils 60 ist.
  • Der Aufbau des Lufteinlass-Sperrventils 50, das im Brennstoffzellensystem 11 der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, wird nachstehend ausführlich mit Bezug auf 2 beschrieben. Elemente, die denen von 1 gleichen, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet und auf ihre wiederholte Beschreibung wird verzichtet.
  • Wie in 2 dargestellt, weist ein Gehäuse 50c des Ventilkörpers 50b einen Ventileinlass 50d und einen Ventilauslass 50e auf, die beide mit dem Lufteinlassrohr 29 verbunden sind. Der Ventilsitz 58 ist auf der Seite des Ventilauslasses 50e der Innenflä che des Gehäuses 50c vorgesehen. Der Ventilsitz 58 ist ein ringförmiger Vorsprung, der an der Innenfläche des Gehäuses 50c vorgesehen ist. Die obere Fläche des Ventilsitzes 58 dient als Dichtfläche, mit der der Ventilteller 56 in Kontakt kommt, um die Luft einzuschließen. Die Antriebseinheit 50a ist oben am Ventilkörper 50b befestigt. Die Antriebseinheit 50a wird von der Membran 54, die zwischen einem Antriebseinheitsgehäuse 50f und einer Antriebseinheitsabdeckung 50g angeordnet ist, in die Ventilschließungs-Druckkammer 51 und die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 geteilt.
  • Die Antriebseinheitsabdeckung 50g, die Teil der Ventilschließungs-Druckkammer 51 ist, ist mit einer Luftdüse 51a für die Ventilschließungs-Druckkammer versehen, welche die Antriebsluft in die und aus der Ventilschließungs-Druckkammer 51 bringt. Die Leitung 71, welche die Druckluft liefert, ist mit der Luftdüse 51a für die Ventilschließungs-Druckkammer verbunden. Ferner ist das Antriebseinheitsgehäuse 50f, das Teil der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 ist, mit einer Luftdüse 52a für eine Ventilöffnungs-Druckkammer versehen, welche die Antriebsluft in die und aus der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 bringt. Die Leitung 72, welche die Druckluft liefert, ist mit der Luftdüse 52a für die Ventilöffnungs-Druckkammer verbunden.
  • Die Antriebsscheibe 55, die mit der Ventilstange 57 verbunden ist, um den Ventilteller 56 anzutreiben, ist an der Mitte der Membran 54 befestigt. Die Ventilöffnungsfeder 53 ist zwischen der Antriebsscheibe 55 und dem Antriebseinheitsgehäuse 50f vorgesehen. Die Ventilöffnungsfeder 53 schiebt die Antriebsscheibe 55 in der Ventilöffnungsrichtung an. Der Ventilteller 56, der an der Spitze der Ventilstange 57 befestigt ist, hat die Form eines Tellers bzw. einer Scheibe, und eine Dichtfläche zum Einschließen der Luft ist in dem Teil des Ventiltellers 56 vorgesehen, der der Dichtfläche des Ventilsitzes 58 gegenüber liegt. Wenn die Dichtfläche des Ventiltellers 56 mit der Dichtfläche des Ventilsitzes 58 in Kontakt steht, kommen diese Dichtflächen in engen Kontakt, so dass die Luft eingeschlossen werden kann.
  • Der Ventilteller 56 weist einen Balg 54a auf, der zwischen diesem Ventilteller 56 und dem Gehäuse 50c vorgesehen ist, so dass der Ventilteller 56 sich innerhalb des Gehäuses 50c vertikal bewegen kann. Das Lufteinlass-Sperrventil 50 wird von dem Balg 54a in die Seite des Ventilkörpers 50b und die Seite der Antriebseinheit 50a geteilt. Eine Atmosphärenkammer 59, die über eine Atmosphärenkammer-Luftdüse 59a mit der Atmosphäre in Verbindung steht, ist im Antriebseinheitsgehäuse 50f auf der Seite des Balgs 54a, wo sich die Antriebseinheit 50a befindet, ausgebildet. Das Luftauslass-Sperrventil 60 ist ähnlich aufgebaut wie das Lufteinlass-Sperrventil 50.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem 11 in Betrieb ist, gibt der Steuerabschnitt 80 einen Befehl, das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil auf eine offene Seite umzuschalten, einen Befehl, das schließungsseitige Abfuhrventil 42 für das Lufteinlass-Sperrventil 50 zu öffnen, und einen Befehl, das öffnungsseitige Abfuhrventil 43 für das Lufteinlass-Sperrventil 50 zu schließen, aus. Ansprechend auf diese Befehle wird die Luftzufuhrrichtung des Antriebsluft-Umschaltventils 41 für das Lufteinlass-Sperrventil zur Ventilöffnungsseite hin umgeschaltet, das schließungsseitige Abfuhrventil 42 wird geöffnet, und das öffnungsseitige Abfuhrventil 43 wird geschlossen. Somit wird ein Strömungsweg gebildet, wodurch die Druckluft vom Druckluft-Zufuhrrohr 27 über das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil und die Leitung 72 zur Ventilöffnungs-Druckkammer 52 des Lufteinlass-Sperrventils 50 geliefert wird. Darüber hinaus wird die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 abgedichtet, um eine Abgabe der Druckluft, die dort hinein geströmt ist, in die Atmosphäre zu verhindern, so dass der Druck erhöht werden kann.
  • Da das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil zur Ventilöffnungsseite umgeschaltet wird, ist die Leitung 71, welche die Druckluft zur Ventilschließungs-Druckkammer 51 liefert, dicht abgeschlossen, und das schließungsseitige Abfuhrventil 42, das in der Leitung 75 vorgesehen ist, die mit der Leitung 71 verbunden ist, die mit der Ventilschließungs-Druckkammer 51 verbunden ist, ist offen. Somit steht die Ventilschließungs-Druckkammer 51 mit der Atmosphäre in Verbindung, wodurch der Atmosphärendruck in ihr aufrecht erhalten wird.
  • Ferner wird, wenn die Ventilöffnungsfeder 53 eine Kraft in der Ventilöffnungsrichtung ausübt, um die Antriebsscheibe 55, mit der der Ventilteller 56 durch die Ventilstange 57 verbunden ist, nach oben, entgegengesetzt zum Ventilsitz 58, zu schieben, das Lufteinlass-Sperrventil 50 offen gehalten, wie in 2 dargestellt. Das Luftauslass-Sperrventil 60 wird durch eine ähnliche Operation offen gehalten. Wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist, kann das Ventil ansonsten auch durch Schließen der schließungsseitigen Abfuhrventile 42, 45 der Sperrventile 50, 60 offen gehalten werden, um einen Druckunterschied zwischen den Ventilschließungs-Druckkammern 51, 61 und den Ventilschließungs-Druckkammern 52, 62 aufrechtzuerhalten. In der vorliegenden Ausführungsform sind ferner die Sperrventile 50, 60 als normalerweise offene Ventile ausgelegt, so dass die Sperrventile 50, 60 aufgrund der Vorspannkraft durch die Ventilöffnungsfedern 53, 63 offen gehalten werden, auch wenn die Druckluftzufuhr zu den Druckkammern 51, 52 unterbrochen ist.
  • Wenn das Brennstoffzellensystem 11 angehalten wird, gibt der Steuerabschnitt 80 einen Befehl, das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil zu einer Schließungsseite hin umzuschalten, einen Befehl, das schließungsseitige Abfuhrventil 42 für das Lufteinlass-Sperrventil 50 zu schließen, und einen Befehl, das öffnungsseitige Abfuhrventil 43 für das Lufteinlass-Sperrventil 50 zu öffnen, aus. Ansprechend auf diese Befehle wird die Luftzufuhrrichtung des Antriebsluft-Umschaltventils 41 für das Lufteinlass-Sperrventil zur Ventilschließungsseite umgeschaltet, das schließungsseitige Abfuhrventil 42 wird geschlossen und das öffnungsseitige Abfuhrventil 43 wird geöffnet. Gemäß dem Schalten der Ventile wird ein Strömungsweg gebildet, wodurch die Druckluft vom Druckluft-Zufuhrrohr 27 über das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil und die Leitung 71 zur Ventilschließungs-Druckkammer 51 des Lufteinlass-Sperrventils geliefert wird. Darüber hinaus wird die Ventilschließungs-Druckkammer 51 abgedichtet, um eine Abgabe der Druckluft, die dort hinein geströmt ist, an die Atmosphäre zu verhindern. Somit wird eine Erhöhung des Drucks der Ventilschließungs-Druckkammer 51 zugelassen.
  • Wenn das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil zur Ventilschließungsseite umgeschaltet wird, ist die Leitung 71, welche die Druckluft zur Ventilschließungs-Druckkammer 51 liefert, dicht abgeschlossen, und das öffnungsseitige Abfuhrventil 43, das in der Leitung 76 vorgesehen ist, die mit der Leitung 72 verbunden ist, die mit der Ventilöffnungs-Druckkammer 52 verbunden ist, ist offen. Somit steht die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 mit der Atmosphäre in Verbindung, so dass der Atmosphärendruck in ihr aufrecht erhalten wird. Dann wird die Druckluft vom Luftkompressor 17, der in Betrieb ist, zur Ventilschließungs-Druckkammer 51 geliefert, und eine Kraft, die in einer Schließungsrichtung des Ventiltellers 56 wirkt, wird aufgrund des Druckunterschieds zwischen den Druckkammern 51, 52 an die Antriebsscheibe 55 des Lufteinlass-Sperrventils 50 angelegt. Da diese Kraft in der Ventilschließungsrichtung größer ist als die Kraft in der Ventilöffnungsrichtung, die von der Ventilöffnungsfeder 53 erzeugt wird, kommt der Ventilteller 56 des Lufteinlass-Sperrventils 50 in engen Kontakt mit dem Ventilsitz 58 und wird geschlossen, wie in 3 dargestellt. Wenn die Brennstoffzelle 13 angehalten wird, wird das Luftauslass-Sperrventil 60 durch eine Operation geschlossen, die der des Lufteinlass-Sperrventils 50 ähnlich ist.
  • Wenn die Sperrventile 50, 60 geschlossen wurden, ist der Luftkompressor 17 immer noch in Betrieb, und die Druckluft vom Luftkompressor 17 wird vom Druckluft-Zufuhrrohr 27 über das Antriebsluft-Zufuhrrohr 39, die Umschaltventile 41, 44 und die Leitungen 71, 73 zu den Ventilschließungs-Druckkammern 51, 61 geliefert. Somit wird aufgrund des Druckunterschieds zwischen den Ventilschließungs-Druckkammern 51, 61 und den Ventilöffnungs-Druckkammern 51, 62 eine Kraft in der Ventilschließungsrichtung, die größer ist als die Kraft der Ventilöffnungsfedern 53, 63, an die Ventilteller 56, 66 angelegt, und die Sperrventile bleiben geschlossen.
  • Dann gibt der Steuerabschnitt 80 einen Befehl aus, das Antriebsluft-Umschaltventil 41 für das Lufteinlass-Sperrventil und das Antriebsluft-Umschaltventil 44 für das Luftauslass-Sperrventil zur Ventilöffnungsseite umzuschalten, um die öffnungsseitigen Auslassventile 43, 46 zu öffnen. Ansprechend auf diesen Befehl werden die Umschaltventile 41, 44 zur Ventilöffnungsseite umgeschaltet, und die öffnungsseitigen Abfuhrventile 43, 46 werden offen gehalten. Wenn die Umschaltventile 41, 44 zur Ventilöffnungsseite geschaltet werden, werden die Leitungen 71, 73, die mit den Ventilschließungs-Druckkammern 51, 61 der Schaltventile 41, 44 verbunden sind, abgedichtet. Da die schließungsseitigen Abfuhrventile 42, 45 geschlossen gehalten werden, werden die Ventilschießungs-Druckkammern 51, 61 abgedichtet, so dass der Druck in ihnen gehalten wird. Infolgedessen können auch die Sperrventile 50, 60 durch den gehaltenen Druck geschlossen gehalten werden, selbst wenn keine Antriebsluft zum Öffnen der Ventile zugeführt wird. Infolgedessen hält der Steuerabschnitt 80 den Luftkompressor 17 an. Auch wenn der Luftkompressor 17 angehalten wurde und keine Antriebsluft mehr zugeführt wird, bleiben die Sperrventile 50, 60 durch den Druck, der in den Ventilschließungs-Druckkammern 51, 61 gehalten wird, geschlossen, wie in 3 dargestellt.
  • Wenn sowohl das Lufteinlass-Sperrventil 50 als auch das Luftauslass-Sperrventil 60 geschlossen sind, ist die Brennstoffzelle 13 von der Außenluft abgeschnitten, und es strömt keine Luft, die als Oxidierungsgas dient, dort hinein. Jedoch bleibt Luft, die Sauerstoff enthält, der als Oxidierungsmittel dient, im Luftströmungskanal der Brennstoffzelle 13 zurück. Das Volumen der Luft sinkt aufgrund einer Reaktion zwischen Sauerstoff, der im Luft-Strömungskanal zurückbleibt, und Wasserstoff, der in einem Wasserstoff-Strömungskanal zurückbleibt, so dass der Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 auf einen negativen Druck sinkt.
  • Wie in 3 dargestellt, wird, wenn der Druck im Luft-Strömungskanal in der Brennstoffzelle 13 negativ wird, der Ventilteller 56 des Lufteinlass-Sperrventils 50 der Brennstoffzelle 13 durch den Druckunterschied zwischen dem Atmosphärendruck der Atmosphärenkammer 59 und dem negativen Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13, der an den Ventilauslass 50e angelegt wird, in Richtung auf den Ventilsitz 58 gesaugt, der sich auf der Seite des Luft-Strömungskanals befindet. Falls der negative Druck auf einen bestimmten Grad steigt und die Kraft in der Ventilschließungsrichtung, die durch die Ansaugung des Ventiltellers 56 in Richtung auf die Ventilsitze 58 erzeugt wird, größer ist als die Kraft in der Ventilöffnungsrichtung, die von der Ventilöffnungsfeder 53 erzeugt wird, nimmt die Kraft, durch welche die Dichtfläche des Ventiltellers 56 mit der gegenüber liegenden Dichtfläche des Ventilsitzes in Kontakt kommt, zu, so dass der Ventilteller 56 schon allein durch den negativen Druck geschlossen gehalten werden kann. Auch wenn der Druck in der Ventilschließungs-Druckkammer 51 aufgrund des Austretens der Antriebsluft, sinkt, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist, kann daher das Lufteinlass-Sperrventil 50 durch den negativen Druck im Luftströmungskanal der Brennstoffzelle 13 geschlossen gehalten werden. Da das Luftein lass-Sperrventil 50 durch den negativen Druck der Brennstoffzelle 13 geschlossen gehalten wird, besteht außerdem kein Bedarf an einer Antriebskraft, wie einer elektrischen Leistung, um die Ventile geschlossen zu halten, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist. Wie oben beschrieben, kann das Luftauslass-Sperrventil 60 auch dann geschlossen gehalten werden, wenn der Ventilteller 66 durch den negativen Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 in Kontakt mit dem Ventilsitz 68 kommt, um die Luft einzuschließen.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist, auch das normalerweise offene Ventil durch den Druck, der in den Ventilschließungs-Druckkammern 51, 61 gehalten wird, und durch die Ansaugkraft auf die Ventilteller 56, 66, die aus dem negativen Druck der Brennstoffzelle 13 resultiert, geschlossen gehalten werden, wodurch sich der Vorteil ergibt, dass die Dichtfähigkeit der Sperrventile 50, 60 verbessert ist, während die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist. Darüber hinaus können die Sperrventile 50, 60 auf solche Weise geschlossen gehalten werden, dass die Ventilteller 56, 66 durch den negativen Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 angesaugt werden, und die Sperrventile 50, 60 können auch dann in einem abgedichteten Zustand gehalten werden, wenn die Antriebsluft austritt, wenn die Brennstoffzelle 13 nicht in Betrieb ist, wodurch eine verbesserte Dichtfähigkeit ermöglicht wird. Ferner besteht kein Bedarf an einer Antriebskraft, wie einer elektrischen Leistung, um die Ventile geschlossen zu halten, was den Vorteil bringt, dass die Brennstoffzelle effizient betrieben werden kann.
  • In der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform wird die Dichtfähigkeit der Sperrventile 50, 60 dadurch verbessert, dass man sich den negativen Druck zunutze macht, unter den der Luft-Strömungskanal in der Brennstoffzelle 13 durch einen Druckabfall im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 aufgrund einer Reaktion zwischen zurückgebliebenem Wasserstoff und zurückgebliebener Luft gebracht wird, nachdem die Brennstoffzelle 13 angehalten wurde. Ansonsten könnte der Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 nach Schließen der Sperrventile 50, 60 beispielsweise durch Saugen der Luft aus dem Luft-Strömungskanal unter einen negativen Druck ge bracht werden, und dieser negative Druck könnte verwendet werden, um die Dichtfähigkeit der Sperrventile 50, 60 zu verbessern.
  • Nun wird eine Startoperation ausgehend von dem Zustand, dass der Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13, die angehalten wurde, negativ ist, in dem Brennstoffzellensystem 11 gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben. Wenn der Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 negativ ist, steht, wie in 3 dargestellt, der Ventilteller 56 aufgrund des negativen Drucks in engem Kontakt mit dem Ventilsitz 58 im Lufteinlass-Sperrventil 50, so dass der Ventileinlass 50d unter Atmosphärendruck steht.
  • Der in 1 dargestellte Steuerabschnitt 80 gibt zuerst einen Befehl, das Atmosphärenablassventil 47 zu öffnen, aus. Ansprechend auf diesen Befehl wird das Atmosphärenablassventil 47 geöffnet. Wenn das Atmosphärenablassventil 47 offen ist, kommt Luft vom Atmosphärenablassventil 47 durch das Atmosphärenablassrohr 32 in den Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 und in den Bereich unter negativem Druck, der durch die Sperrventile 50, 60 abgedichtet wird, so dass der negative Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 sinkt. Da der negative Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 sinkt, nimmt die Kraft, die den Ventilteller 56 durch den negativen Druck in Richtung auf den Ventilsitz 58 saugt, ab, und die Kraft, die an den Ventilteller 56 in der Ventilschließungsrichtung angelegt wird, nimmt ab. Dagegen wird die Kraft von der Ventilöffnungsfeder 53 in der Ventilöffnungsrichtung an die Antriebsscheibe 55 angelegt, die an der Ventilstange 57 befestigt ist, mit welcher der Ventilteller 56 verbunden ist. Wenn die Kraft der Ventilöffnungsfeder 53 in der Ventilöffnungsrichtung, die an den Ventilteller 56 angelegt wird, größer ist als die Kraft in der Ventilschließungsrichtung, die aus dem negativen Druck resultiert, bewegt sich der Ventilteller 56 in der Ventilöffnungsrichtung, und die Sitzflächen des Ventilsitzes 58 und des Ventiltellers 56 werden voneinander getrennt, so dass die Luft nicht mehr eingeschlossen werden kann. Dann strömt Luft vom Ventileinlass 50d auch in den Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13, wodurch der negative Druck und die Kraft in der Ventilöffnungsrichtung weiter gesenkt werden. Infolgedessen wird eine größere Kraft in der Ventilöffnungsrichtung an den Ventilteller 56 des Lufteinlass-Sperrventils 50 angelegt, und das Lufteinlass-Sperrventil 50 wird geschlossen. Das Luftauslass-Sperrventil 60 wird ebenfalls geschlossen wie oben beschrieben.
  • Auch wenn der Ventilteller 56 und der Ventilsitz 58 des Lufteinlass-Sperrventils 50 fest aneinander liegen, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist, wird der Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 durch das Öffnen des Atmosphärenablassventils 47 unter Atmosphärendruck gebracht, so dass im Wesentlichen keine Kraft in der Ventilschließungsrichtung als Folge des negativen Drucks im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle 13 vorhanden sein kann. Somit kann das Ventil auch dann geöffnet werden, wenn der Druck, der an die Ventilöffnungs-Druckkammer 52 angelegt wird, niedrig ist.
  • Wie oben beschrieben, liegt der Vorteil der vorliegenden Ausführungsform darin, dass das Öffnen der Sperrventile 50, 60 auch dann erleichtert ist, wenn der Druck im Luftströmungskanal der Brennstoffzelle 13 negativ ist, wenn die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
  • Ein Brennstoffzellensystem (11) weist Sperrventile (50, 60) auf, die zwischen einem Luft-Strömungskanal in einer Brennstoffzelle (13) und der Atmosphäre installiert sind. Die Sperrventile (50, 60) weisen Ventilsitze (58, 68) auf und weisen außerdem Ventilteller (56, 66) auf, die dadurch, dass sie mit den Ventilsitzen (58, 68) in Kontakt kommen, Luft einschließen. Die Ventilteller (56, 66) sind dafür ausgelegt, durch einen negativen Druck im Luft-Strömungskanal in der Brennstoffzelle (13) in Richtung auf die Ventilsitze (58, 68) gesaugt zu werden. Das Brennstoffzellensystem (11) weist ferner ein Atmosphärenablassventil (47) auf, das zwischen dem Luft-Strömungskanal in der Brennstoffzelle (13) und dem Sperrventil (50, 60) installiert ist und das negativen Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle (13) in die Atmosphäre ablässt. Wenn die Brennstoffzelle gestartet wird, werden die Sperrventile (50, 60) geöffnet, nachdem der negative Druck im Luft-Strömungskanal der Brennstoffzelle (13) abgelassen wurde. Infolgedessen ist die Dichtungsleistung der Sperrventile (50, 60), wenn die Brennstoffzelle (13) angehalten ist, verbessert, und das Öffnen der Sperrventile (50, 60) beim Starten der Brennstoffzelle ist erleichtert.
  • 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.
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Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass es aufweist: eine Brennstoffzelle, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brenngas und einem Oxidierungsgas Elektrizität erzeugt; und ein Sperrventil, das zwischen einem Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle und der Atmosphäre vorgesehen ist, wobei das Sperrventil einen Ventilsitz und einen Ventilteller aufweist, der mit dem Ventilsitz in Kontakt kommt, um das Oxidierungsgas einzuschließen, wobei der Ventilteller durch einen negativen Druck im Oxidierungsgas-Strömungsweg in der Brennstoffzelle in Richtung auf den Ventilsitz gesaugt wird.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner aufweist: einen Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus, der am Sperrventil befestigt ist, wobei der Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus das Sperrventil durch eine zugeführte Antriebsleistung öffnet oder schließt, wobei der Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus das Sperrventil offen hält, wenn die Zufuhr der Antriebsleistung unterbrochen ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus eine Ventilöffnungs-Druckkammer und eine Ventilschließungs-Druckkammer aufweist, die mit dem Oxidierungsgas beliefert werden, wobei der Ventilöffnungs/-schließungs-Antriebsmechanismus so aufgebaut ist, dass er das Sperrventil durch einen Druckunterschied zwischen den Druckkammern öffnet und schließt.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperrventile in allen Leitungen zwischen dem Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle und der Atmosphäre vorgesehen sind.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner aufweist: ein Atmosphärenablassventil, das zwischen dem Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle und dem Sperrventil vorgesehen ist und das den negativen Druck im Oxidierungsgas-Strömungskanal in der Brennstoffzelle zur Atmosphäre ablässt.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Start der Brennstoffzelle das Sperrventil geöffnet wird, nachdem das Atmosphärenablassventil geöffnet wurde.
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