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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Aufbau eines Brennstoffzellensystems,
und insbesondere ein Antriebssystem für ein Sperrventil.
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Technischer Hintergrund
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Schema, das den Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine Detail-Querschnittsansicht, die ein Sperrventil im offenen
Zustand im Brennstoffzellensystem gemäß dieser
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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3 ist
eine Detail-Querschnittsansicht, die das Sperrventil im geschlossenen
Zustand im Brennstoffzellensystem gemäß dieser
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beste Weise zur Ausführung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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BRENNSTOFFZELLENSYSTEM
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-221836 [0003, 0005, 0007]
- - JP 2000-3717 [0005]
- - JP 2006-24469 [0006, 0009]
- - JP 2000-3171 [0008]