DE112007002858B4

DE112007002858B4 - Brennstoffzellensystem mit einer Steuereinheit zum Ansteuern von Ventilen unter Verwendung des Drucks eines durch einen Fluidströmungsweg strömenden Fluids

Info

Publication number: DE112007002858B4
Application number: DE112007002858.0T
Authority: DE
Inventors: Yasuhiro Osada; Tetsuya Bono
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-28
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2022-08-04
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: DE112007002858T5; CN101542807B; US20100068580A1; JP4894481B2; CN101542807A; WO2008069083A1; KR20090074093A; US8252472B2; KR101103398B1; JP2008135285A

Abstract

Fluidsteuerungsventile (ein Befeuchtungs-Modul-Umgehungsventil (30), ein Einlasssperrventil (40A), ein Auslasssperrventil (40B)), die durch den Druck einer Luft, die in einem Fluidströmungsweg (20) strömt, geöffnet und geschlossen werden. Der Druck PI der in dem Fluidströmungsweg (20) strömenden Luft wird reguliert basierend auf einem Ansteuerungsanforderungsdruck, der ausgegeben wird, um die Strömungssteuerungsventile anzusteuern, durch die Strömungsrate einer aus dem Luftkompressor (AP) abgeführten Luft, den Öffnungswinkel eines Brennstoffzellen-Umgehungsventils (80), den Öffnungswinkel eines Luftdruckregelventils (90) etc. Der Ansteuerungsanforderungsdruck zum Ansteuern eines Sperrventils (40) wird beispielsweise derart eingestellt, dass der absolute Wert des Unterdrucks P2 innerhalb des Brennstoffzellenstapels umso größer ist, je höher der Ansteuerungsanforderungsdruck ist, und der Luftdruck P1 wird so gesteuert, dass er dem Ansteuerungsanforderungsdruck entspricht. Da der Druck P1 der in dem Fluidströmungsweg (20) strömenden Luft basierend auf einem Ansteuerungsanforderungsdruck der Fluidsteuerungsventile reguliert wird, sind das Ansprechvermögen der Ansteuerung und Betriebssicherheit der Fluidsteuerungsventile besser als jene in dem Fall, in dem beispielsweise der Druck P1 basierend auf einer Anforderung aus einer Brennstoffzelle reguliert wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und insbesondere eine Technik zum Ansteuern der Öffnung und Schließung von Ventilen unter Verwendung des Drucks eines Fluids, dass durch einen Fluidströmungsweg strömt.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Brennstoffzellensysteme, die ein Brenngas, wie z. B. Wasserstoff, und ein Oxidationsgas, wie z. B. Luft, zur Erzeugung von Elektrizität verwenden, sind hinreichend bekannt. Diese Brennstoffzellensysteme werden beispielsweise verwendet, indem sie in einem Fahrzeug oder dergleichen als die Leistungsquelle für einen Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet werden. Natürlich können Brennstoffzellensysteme auch für andere Anwendungen als Fahrzeuge verwendet werden.
Ein Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle auf, die Elektrizität erzeugt, indem ein Brenngas mit einem Oxidationsgas eine Reaktion eingeht, und einen Fluidströmungsweg, der die Reaktionsgase, nämlich das Brenngas und das Oxidationsgas, der Brennstoffzelle zuführt und der die an der Reaktion beteiligten Gase und das dabei erzeugte Wasser und ähnliches aus der Brennstoffzelle abführt.
Für diese Art von Brennstoffzellensystem sind Vorschläge für eine Vielfalt an Technologien bezüglich der innerhalb des Fluidströmungswegs angeordneten Ventile gemacht worden.
Die JP 2004- 6 166 A offenbart beispielsweise eine Technik zum Abdichten eines Reaktionsgasraums innerhalb einer Brennstoffzelle, indem ein Öffnungs- und Schließventil in einer jeweiligen der Reaktionsgas-Zuführleitungen und - Abführleitungen bereitgestellt wird und diese Öffnungs- und Schließventile geschlossen werden, wenn eine elektrische Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird.
Ferner offenbart die JP 2000- 3 717 A eine Technik zum Steuern der Absperrung eines Gases oder dergleichen, das einer Brennstoffzelle zuführt wird, indem aus einem Luftkompressor Luft zugeführt wird, um ein Luftvorsteuerventil zu steuern.
Die DE 11 2007 002 775 T5 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Fluidströmungsweg, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist, und einem Fluidsteuerungsventil, das innerhalb des Fluidströmungswegs angeordnet ist, und entweder ein normalerweise geöffnetes Ventil ist, das in einem Normalzustand geöffnet ist, oder ein normalerweise geschlossenes Ventil ist, das in einem Normalzustand geschlossen ist. Eine Druckkammer des Fluidsteuerungsventils wird abgedichtet, so dass der offene oder geschlossene Zustand des Fluidsteuerungsventils durch Verwendung eines Drucks innerhalb der Druckkammer aufrechterhalten wird.
Brennstoffzellensysteme mit Fluidsteuerungsventilen sind zudem Gegenstand der JP 2006 - 049 103 A sowie der JP 2005 - 150 090 A .
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Wie vorstehend beschrieben, offenbart die JP 2004- 6 166 A eine Technik zum Abdichten eines Reaktionsgasraums innerhalb einer Brennstoffzelle durch Schließen von Öffnungs- und Schließventilen, wenn die Erzeugung einer elektrischen Leistung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird. Wenn jedoch für diese Öffnungs- und Schließventile elektromagnetischen Ventile verwendet werden, muss dann im Fall eines normalerweise offenen elektromagnetischen Ventils eine Steuerspannung kontinuierlich an das elektromagnetische Ventil angelegt werden, wenn die Erzeugung elektrischer Leistung durch die Brennstoffzelle gestoppt wird, um das elektromagnetische Ventil geschlossen zu halten, wohingegen im Fall eines normalerweise geschlossenen elektromagnetischen Ventils während der Erzeugung elektrischer Leistung durch die Brennstoffzelle eine Steuerspannung kontinuierlich an das elektromagnetische Ventil angelegt werden muss, um das elektromagnetische Ventil offen zu halten, wodurch es zu einem Problem bezüglich einer erhöhten Leistungsaufnahme kommt, das nicht unberücksichtigt bleiben kann.
Ferner offenbart die JP 2000- 3 717 A die Verwendung eines luftbetriebenen Ventils, das innerhalb eines Brennstoffzellensystems durch einen Luftdruck angesteuert wird. Die JP 2000- 3 717 A sieht jedoch keine spezielle Technologie zum Steuern des Luftdrucks vor, der zum Ansteuern des luftbetriebenen Ventils verwendet wird.
Vor diesem Hintergrund haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung unablässig an der Forschung und Entwicklung einer Steuerung der Öffnungs- und Schließzustände von Ventilen gearbeitet, die innerhalb des Fluidströmungswegs eines Brennstoffzellensystems angeordnet sind. Insbesondere haben die Erfinder unablässig an einer Technologie zum Öffnen und Schließen der Ventile unter Verwendung des Drucks eines Fluids geforscht, der durch den Fluidströmungsweg strömt.
Aus dieser Forschungs- und Entwicklungsarbeit ist die vorliegende Erfindung hervorgegangen, und diese weist den Vorteil auf, dass sie eine Technologie ermöglicht, mit der der Druck eines zum Ansteuern eines Ventils verwendeten Fluids gesteuert werden kann.
Zur Realisierung des vorstehenden Vorteils weist ein Brennstoffzellensystem gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle, einen Fluidströmungsweg, der mit der Brennstoffzelle verbunden ist, ein Fluidsteuerungsventil auf, das innerhalb des Fluidströmungswegs angeordnet ist, und entweder ein normalerweise geöffnetes Ventil ist, das in einem Normalzustand geöffnet ist, oder ein normalerweise geschlossenes Ventil ist, das in einem Normalzustand geschlossen ist, und eine Steuerungseinheit. Das Brennstoffzellensystem ist derart ausgestaltet, dass eine Druckkammer des Fluidsteuerungsventils abgedichtet wird, so dass der offene oder geschlossene Zustand des Fluidsteuerungsventils durch Verwendung eines Drucks innerhalb der Druckkammer aufrechterhalten wird. Ein Druck des durch den Fluidströmungsweg strömenden Fluids wird basierend auf einem Ansteuerungsanforderungsdruck, der zum Ansteuern des Fluidsteuerungsventils benötigt wird, und einem Zellenanforderungsdruck, der von der Brennstoffzelle benötigt wird, reguliert. Wenn sich das Fluidsteuerungsventil im Normalzustand befindet, wird der Druck des durch den Fluidströmungsweg strömenden Fluids basierend auf dem Zellenanforderungsdruck reguliert, der von der Brennstoffzelle benötigt wird, und wenn das Fluidsteuerungsventil angesteuert wird, wird der Druck des durch den Fluidströmungsweg strömenden Fluids basierend auf dem Ansteuerungsanforderungsdruck unabhängig von dem Zellenanforderungsdruck reguliert. Die Steuerungseinheit steuert den Druck des durch den Fluidströmungsweg strömenden Fluids derart, dass ein Sollwert des Zellenanforderungsdrucks erreicht wird, wenn die Brennstoffzelle sich in einem Normalbetriebszustand befindet, in welchem die Brennstoffzelle eine elektrische Leistung erzeugt, und steuert den Druck des durch den Fluidströmungsweg strömenden Fluids derart, dass ein Sollwert des Ansteuerungsanforderungsdruck erreicht wird, wenn der Ableitbetrieb der Brennstoffzelle gestartet wird.
Weil die Betriebsabläufe des Öffnens und Schließens des Fluidsteuerungsventils gemäß dieser Konfiguration durch Regulieren des Drucks des Fluids ausgeführt werden können, das durch den Fluidströmungsweg strömt, kann die mit einer Öffnung und Schließung des Fluidsteuerungsventils in Verbindung stehende Leistungsaufnahme reduziert werden, beispielsweise im Vergleich zu dem Fall, wo ein elektromagnetisches Ventil als das Fluidsteuerungsventil verwendet wird. Weil zudem der Fluiddruck basierend auf dem Ansteuerungsanforderungsdruck für das Fluidsteuerungsventil reguliert wird, verbessern sich das Ansprechvermögen und die Betriebssicherheit bezüglich des Ansteuerungsvorgangs des Fluidsteuerungsventils beispielweise gegenüber dem Fall, wo der Fluiddruck den Anforderungen der Brennstoffzelle entsprechend reguliert wird.
In einem bevorzugten Aspekt des Brennstoffzellensystems wird beim Starten des Ableitbetriebs der Brennstoffzelle der Ansteuerungsanforderungsdruck gegenüber dem Zellanforderungsdruck prioritär behandelt, so dass der Druck des durch den Fluidströmungsweg strömenden Fluids basierend auf dem Ansteuerungsanforderungsdruck reguliert wird, und das Fluidsteuerungsventil wird in einen offenen oder geschlossenen Zustand geschaltet, der für den Ableitbetrieb geeignet ist.
In einem weiteren bevorzugten Aspekt des Brennstoffzellensystems wird die Druckkammer des Fluidsteuerungsventils im Anschluss an den Schaltvorgang des Fluidsteuerungsventils in einen offenen oder geschlossenen Zustand, der für den Ableitbetrieb geeignet ist, abgedichtet.
In noch einem weiteren bevorzugten Aspekt weist das Brennstoffzellensystem ferner einen Kompressor auf, der ein Fluid durch den Fluidströmungsweg zirkuliert, und ein Druckregelventil, das innerhalb des Fluidströmungswegs angeordnet ist, wobei der Druck des durch den Fluidströmungsweg strömenden Fluids durch zumindest entweder die Abführströmungsrate aus dem Kompressor oder den Ventilöffnungsgrad bzw. Ventilöffnungswinkel des Druckregelventils reguliert wird.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Technologie zum Steuern des Drucks eines Fluids vor, das zum Ansteuern eines Ventils verwendet wird. In einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise die Leistungsaufnahme, die zum Öffnen und Schließen des Ventils benötigt wird, reduziert werden. Ferner können in einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ansprechvermögen und die Betriebssicherheit des Ansteuerungsvorgangs des Fluidsteuerungsventils verbessert werden.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm der Gesamtstruktur, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Sperrventils beschreibt.
3 ist ein Diagramm, das die Öffnungs- und Schließvorgänge des Sperrventils beschreibt.
4 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Befeuchtungsmoduls-Umgehungsventils beschreibt.
5 ist ein Diagramm, das die Öffnungs- und Schließvorgänge des Befeuchtungsmodul-Umgehungsventils beschreibt.
6 ist ein Diagramm, das einen Schaltvorgang für den Steuerungssollwert für den Luftdruck beschreibt.
7 ist ein Diagramm, das den Zustand während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems beschreibt.
8 ist ein Diagramm, das den Zustand beschreibt, wenn in dem Brennstoffzellensystem ein Stoppbefehl ausgegeben wird.
9 ist ein Diagramm, das den Zustand während des Ableitvorgangs des Brennstoffzellensystem beschreibt.

BESTE ART UND WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nachstehend erfolgt eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
1 ist ein Diagramm der Gesamtstruktur, das eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem von 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 10 und einen Fluidströmungsweg 20 und ähnliches auf, und innerhalb des Fluidströmungswegs 20 sind ein Befeuchtungsmodul-Umgehungsventil (Befeuchtungs-M-Umgehungsventil) 30, ein Einlasssperrventil 40A und ein Auslasssperrventil 40B angeordnet, die als Fluidsteuerungsventile fungieren. Außerdem sind in dem Fluidströmungsweg 20 auch ein Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 und ein Luftdruckregelventil 90 angeordnet, die als Druckregelventile fungieren.
Der Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt dadurch Elektrizität, dass ein Brenngas, das Wasserstoff oder dergleichen aufweist, mit einem Oxidationsgas, das Sauerstoff oder dergleichen aufweist, miteinander eine Reaktion eingehen. In anderen Worten werden das Brenngas und das Oxidationsgas dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt, und durch die Reaktion des Brenngases mit dem Oxidationsgas innerhalb einer Mehrzahl von individuellen elektrischen Zellen (die in der Zeichnung nicht gezeigt sind) in dem Brennstoffzellenstapel 10 wird elektrische Energie erhalten. Diese individuellen elektrischen Zellen sind z. B. im Wesentlichen rechtwinkelige, plattenförmige Zellen, und der Brennstoffzellenstapel 10 wird gebildet, indem eine Mehrzahl von diesen plattenförmigen elektrischen Zellen aneinandergestapelt wird. Eine individuelle elektrische Zelle kann beispielsweise auch zylindrisch geformt sein.
Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform ist beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs angebracht, und der Brennstoffzellenstapel 10 wird als die Leistungsquelle für den Elektromotor verwendet, der das Fahrzeug antreibt. Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Ausführungsform kann natürlich auch in eine andere Vorrichtung oder ein anderes System als ein Fahrzeug eingebaut werden.
Der Fluidströmungsweg 20 fungiert als der Weg zum Zuführen der Reaktionsgase zu dem Brennstoffzellenstapel 10. In anderen Worten wird eines der Reaktionsgases (z. B. die als das Oxidationsgas verwendete Luft) dem Brennstoffzellenstapel 10 über den Fluidströmungsweg 20 zugeführt. Außerdem fungiert der Fluidströmungsweg 20 auch als ein Weg zum Abführen der an der Reaktion beteiligten Gase und des dabei erzeugten Wassers und ähnlichem aus dem Brennstoffzellenstapel 10. Ein Fluidweg zum Zuführen des jeweils anderen Reaktionsgases (z. B. des Wasserstoffgases) ist ebenfalls mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden, doch auf die Darstellung dieses Wegs ist in 1 verzichtet worden.
Das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das Einlasssperrventil 40A und das Auslasssperrventil 40B fungieren als Fluidsteuerungsventile, die die Strömung der Luft durch den Fluidströmungsweg 20 regulieren. Mit jedem dieser drei Fluidsteuerungsventile sind drei PSV (Pressure Switching Valves bzw. Druckschaltventile) über einen Drucksteuerungsweg 70 verbunden.
In anderen Worten sind drei mit VbS, VbC und VO bezeichnete PSVs mit dem Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 verbunden. Ferner sind drei mit ViS, ViC und ViO bezeichnete PSVs mit dem Einlasssperrventil 40A verbunden, und drei mit VoS, VoC und VoO bezeichnete PSVs sind mit dem Auslasssperrventil 40B verbunden. Diese PSVs sind über den Drucksteuerungsweg 70 mit der stromauf befindlichen Seite des Fluidströmungswegs 20 verbunden, beispielsweise an einem Punkt zwischen einem Luftkompressor (AP) und einem Befeuchtungsmodul 50. Ferner werden diese PSVs beispielsweise durch eine in der Zeichnung nicht gezeigte Steuerungseinheit gesteuert.
Das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das Einlasssperrventil 40A und das Auslasssperrventil 40B werden jeweils durch ihre entsprechenden PSVs gesteuert. In der vorliegenden Ausführungsform werden das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das Einlasssperrventil 40A und das Auslasssperrventil 40B gemäß Faktoren gesteuert, wie z. B. dem Zustand des Brennstoffzellenstapels 10. Nachstehend erfolgt eine ausführliche Beschreibung der Steuerung eines jeweiligen der Ventile.
Als Nächstes erfolgt eine Beschreibung der Luftströmung innerhalb des Fluidströmungswegs 20. Die durch den Luftströmungsweg 20 strömende Luft wird aus dem Luftkompressor (AP) in den Fluidströmungsweg 20 eingeführt. Der Luftkompressor führt dem Fluidströmungsweg 20 Luft aus der Atmosphäre zu, beispielsweise über eine Luftreinigungseinrichtung (die in der Zeichnung nicht gezeigt ist). Die aus dem Luftkompressor abgeführte Luft wird dem Befeuchtungsmodul 50, dem Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 und dem Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 zugeführt.
Das Befeuchtungsmodul 50 reguliert die Feuchtigkeit der durch den Fluidströmungsweg 20 strömenden Luft. In anderen Worten wird die Luft beispielsweise durch das Befeuchtungsmodul 50 befeuchtet, um eine Feuchtigkeit zu erhalten, die für die innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 ablaufende chemische Reaktion ideal ist. Die feuchtigkeitsregulierte Luft gelangt dann durch das Einlasssperrventil 40A und wird dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt.
Zudem existiert eine Route bzw. ein Weg zum Zuführen der Luft zum Brennstoffzellenstapel 10, die bzw. der nicht durch das Befeuchtungsmodul 50 führt. Genauer gesagt existiert eine Route, in der dem Brennstoffzellenstapel 10 die Luft aus dem Luftkompressor über das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zugeführt wird, und die durch diese Route gelangende Luft wird dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt, ohne einer Feuchtigkeitsregulierung unterzogen worden zu sein.
Die dem Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 zugeführte Luft wird dem Brennstoffzellenstapel 10 nicht zugeführt, sondern vielmehr über eine Verdünnungseinheit 60 in die Atmosphäre freigelassen. Das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 wird zum Steuern des Drucks (Ausströmdrucks) der Luft verwendet, die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird. In anderen Worten wird der Luftdruck innerhalb des Fluidströmungsweg 20 an der Position einer Druckmesseinrichtung P1 reguliert, indem der Grad bzw. Winkel der Ventilöffnung des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 80 gesteuert wird. Alternativ kann der Ausströmdruck gesteuert werden, indem die aus dem Luftkompressor (AP) abgeführte Luftströmungsrate reguliert wird. Natürlich kann der Ausströmdruck auch unter Verwendung von sowohl dem Ventilöffnungswinkel des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 80 als auch der Luftströmungsrate aus dem Luftkompressor gesteuert werden.
Das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführte Gas (nämlich die an der Reaktion beteiligte Luft) wird dem Luftdruckregelventil 90 zugeführt. Das Luftdruckregelventil 90 wird zum Steuern des Drucks der Luft, die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt wird (nämlich des Gegendrucks) verwendet. In anderen Worten wird der Luftdruck innerhalb des Fluidströmungswegs 20 an der Position eines Druckmessers P2 reguliert, indem der Ventilöffnungswinkel des Luftdruckregelventils 90 gesteuert wird. Der Gegendruck wird beispielsweise so gesteuert, dass ein Sollwert erhalten wird, der eine effiziente Erzeugung elektrischer Leistung durch den Brennstoffzellenstapel 10 ermöglicht.
Weil durch die Regulierung des Gegendrucks auch der Druck innerhalb des Fluidströmungswegs 20 reguliert wird, hat das Luftdruckregelventil 90 auch die Aufgabe eines Druckregelventils zum Regulieren des Luftdrucks innerhalb des Fluidströmungswegs 20.
Bevor sie in die Atmosphäre freigesetzt wird, gelangt die aus dem Luftdruckregelventil 90 abgegebene Luft durch das Auslasssperrventil 40B, das Befeuchtungsmodul 50 und die Verdünnungseinheit 60.
Als Nächstes erfolgt eine ausführliche Beschreibung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30, des Einlasssperrventils 40A und des Auslasssperrventils 40B unter Bezugnahme auf 2 bis 5. Zunächst erfolgt eine Beschreibung des Einlasssperrventils 40A und des Auslasssperrventils 40B unter Zuhilfenahme von 2 und 3.
2 ist ein Diagramm, das die Struktur eines Sperrventils 40 (des Einlasssperrventils 40A und des Auslasssperrventils 40B in 1) beschreibt. Bei dem Sperrventil 40 handelt es sich um ein normalerweise offenes Ventil, so dass der Ventilöffnungsdruck im Normalzustand größer ist als der Ventilschließdruck, was bedeutet, dass ein Ventilelement 41 in einem offenen Zustand positioniert ist.
Das Sperrventil 40 weist eine Membran 42 auf, wobei eine Ventilschließdruckkammer 43 auf der Oberseite der Membran 42 angeordnet ist und eine Ventilöffnungsdruckkammer 44 auf der Unterseite der Membran 42 angeordnet ist.
Die Membran 42 wird entsprechend dem Differenzdruck zwischen dem Druck innerhalb der Ventilschließdruckkammer 43 und dem Druck innerhalb der Ventilöffnungsdruckkammer 44 in einer in der Zeichnung dargestellten Aufwärts- oder Abwärtsrichtung verschoben. In 2 sind beispielsweise der linke und der rechte Rand der Membran 42 fixiert, und der mittlere Bereich der Membran 42 wird über eine nach oben und unten erfolgende Wölbungsbewegung verschoben. Natürlich kann auch eine Konfiguration angewendet werden, in der die gesamte Membran 42 nach oben und nach unten verschoben wird. Wird die Membran 42 verschoben, wird das mit der Membran 42 verbundene Ventilelement 41 ebenfalls verschoben. Dabei wird der Ventilöffnungswinkel für das Sperrventil 40 durch die Verschiebung der Membran 42 reguliert.
Indem beispielsweise das Ventilelement 41 über eine Verschiebung der Membran 42 nach oben getrieben wird, kann die aus dem Fluidströmungsweg 20 zu einem Einlass 46 des Sperrventils 40 strömende Luft in den Fluidströmungsweg 20 von einem Auslass 47 des Sperrventils 40 abgeführt werden. Indem der Auslass 47 durch Ansteuern des Ventilelements 41 über eine Verschiebung der Membran 42 nach unten geschlossen wird, wird hingegen die sich aus dem Fluidströmungsweg 20 auf der Seite des Einlasses 46 zum Fluidströmungsweg 20 auf der Seite des Auslasses 47 bewegende Luftströmung blockiert.
Auf der Unterseite der Membran 42 sind Federn 45 angeordnet, und auf die Membran 42 wird eine nach oben gerichtete Federkraft ausgeübt.
Der Druck innerhalb der Ventilschließdruckkammer 43 und der Druck innerhalb der Ventilöffnungsdruckkammer 44 werden durch die PSVs gesteuert. Wenn nämlich das Sperrventil 40 ein Einlasssperrventil (Symbol 40A in Flg. 1) ist, dann wird der Druck innerhalb einer jeweiligen der Druckkammern durch die drei mit ViS, ViC und ViO bezeichneten PSVs gesteuert. Wenn desgleichen das Sperrventil 40 ein Auslasssperrventil (Symbol 40B in 1) ist, dann wird der Druck innerhalb einer jeweiligen der Druckkammern durch die drei mit VoS, VoC und VoO bezeichneten PSVs gesteuert.
Bei dem ViS (oder VoS) handelt es sich um ein Dreiwege-PSV, das als ein Dreiwegeventil fungiert, das eine der beiden Druckkammern, nämlich entweder die Ventilschließdruckkammer 43 oder die Ventilöffnungsdruckkammer 44, selektiv mit dem Fluidströmungsweg 20 verbindet. In anderen Worten verbindet das ViS den Druckströmungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit entweder dem Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilschließdruckkammer 43 führt, oder dem Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilöffnungsdruckkammer 44 führt.
Bei dem ViS kann es sich beispielsweise um ein elektromagnetisches Ventil handeln, wobei der Verbindungszustand dadurch geändert wird, dass ein Strom durch das Ventil geleitet wird. In einem ungesteuerten Zustand, nämlich bei Abwesenheit eines elektrischen Stroms (im unbestromten bzw. unbetätigtem Zustand), wählt das ViS die Ventilöffnungsdruckkammer 44 aus. In anderen Worten verbindet das ViS im unbestromten Zustand den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilöffnungsdruckkammer 44 führt. Demgegenüber wählt das ViS in einem gesteuerten Zustand, nämlich, wenn Strom zugeführt wird (im bestromten Zustand), die Ventilschließdruckkammer 43 aus. In anderen Worten verbindet das ViS im bestromten Zustand den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilschließdruckkammer 43 führt.
Bei dem ViC (oder VoC) handelt es sich beispielsweise um ein Zweiwege-PSV, das als ein Druckentlastungsventil zum Reduzieren des Drucks innerhalb der Ventilschließdruckkammer 43 dient. Eine Seite des ViC ist mit dem Drucksteuerungsweg 70 verbunden, der zur Ventilschließdruckkammer 43 führt, und die andere Seite des ViC ist zur Atmosphäre bzw. nach außen hin offen.
Bei dem ViC kann es sich beispielsweise um ein elektromagnetisches Ventil handeln, wobei der offene oder geschlossene Zustand geändert wird, indem ein Strom durch das Ventil geleitet wird. In einem ungesteuerten Zustand, nämlich bei Abwesenheit eines elektrischen Stroms (dem unbestromten Zustand), behält das ViC einen geschlossenen Zustand bei. Wenn das Ventil ViC sich dann in einem unbestromten Zustand befindet, wird ein Weg gesperrt, der den Innenraum der Ventilschließdruckkammer 43 mit der Atmosphäre verbindet. Im Gegensatz dazu öffnet sich das Ventil ViC in einem gesteuerten Zustand, nämlich wenn ein Strom zugeführt wird (im bestromten Zustand). Wenn sich das Ventil ViC dementsprechend in einem bestromten Zustand befindet, entsteht ein Weg, der den Innenraum der Ventilschließdruckkammer 43 mit der Atmosphäre bzw. Draußen verbindet.
Bei dem ViO (oder VoO) handelt es sich um ein Zweiwege-PSV, das als ein Druckentlastungsventil zum Reduzieren des Drucks innerhalb der Ventilöffnungsdruckkammer 44 fungiert. Eine Seite des ViO ist mit dem Drucksteuerungsweg 70 verbunden, der zur Ventilöffnungsdruckkammer 44 führt, und die andere Seite des ViO ist zur Atmosphäre bzw. nach außen hin offen.
Bei dem ViO kann es sich beispielsweise um ein elektromagnetisches Ventil handeln, wobei der offene oder geschlossene Zustand geändert wird, indem ein Strom durch das Ventil geleitet wird. In einem ungesteuerten Zustand, nämlich bei Abwesenheit eines elektrischen Stroms (im unbestromten bzw. unbetätigtem Zustand), behält das ViO einen geschlossenen Zustand bei. Wenn sich das ViO dementsprechend in einem unbestromten Zustand befindet, wird ein Weg blockiert, der den Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 44 mit der Atmosphäre verbindet. Im Gegensatz dazu öffnet sich das ViO in einem gesteuerten Zustand, nämlich wenn ein Strom zugeführt wird (im bestromten Zustand). Wenn sich das ViO dementsprechend in einem bestromten Zustand befindet, entsteht ein Weg, der den Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 44 mit der Atmosphäre verbindet.
In der zur Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform herangezogenen Zeichnung stehen von der Mehrzahl von Dreiecken, die verwendet werden, um die Ventile ViS (VoS), ViC (VoC) und ViO (VoO) darzustellen, die schwarz ausgefüllten Dreiecke für einen geschlossen Zustand des Drucksteuerungswegs 70, wohingegen die nichtausgefüllten, weißen Dreiecke für einen offenen Zustand des Drucksteuerungswegs 70 stehen.
Die schwarz ausgefüllten Dreiecke, die in 2 gezeigt sind, zeigen beispielsweise an, dass sich das Ventil Vis (oder VoS) in einem Zustand (einem unbestromten Zustand) befindet, in dem der Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilschließdruckkammer 43 führt, geschlossen ist, wohingegen der Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, und der Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilöffnungsdruckkammer 44 führt miteinander verbunden sind. In 2 ist ferner das Dreieck, dass das Ventil ViC (oder VoC) darstellt, ausgefüllt, was darauf hinweist, dass sich das Ventil ViC (oder VoC) in einem geschlossen Zustand (unbestromten Zustand) befindet. In 2 ist das Dreieck, das das Ventil ViO (VoO) darstellt, ausgefüllt, was darauf hinweist, dass sich das Ventil ViO (oder VoO) ebenfalls in einem geschlossenen Zustand (unbestromten Zustand) befindet.
3 ist ein Diagramm, das die Öffnungs- und Schließvorgänge für das Sperrventil 40 (das Einlasssperrventil 40A und das Auslasssperrventil 40B in 1) beschreibt.
3(A) ist ein Diagramm, das den Ventilöffnungsvorgang für das Sperrventil 40 beschreibt. Insbesondere beschreibt das Diagramm den Vorgang des Bewegens des gesenkten und geschlossenen Ventilelements 41 in einer Aufwärtsrichtung, in der das Ventil geöffnet werden soll.
Zur Öffnung des Sperrventils 40 wird das Ventil ViS (oder VoS) in einen unbestromten Zustand versetzt, wodurch die Ventilöffnungsdruckkammer 44 und der Fluidströmungsweg (Bezugszeichen 20 in 1) miteinander verbunden werden. Ferner wird das Ventil ViO (oder VoO) in einen unbestromten Zustand versetzt, wodurch der Weg, der den Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 44 mit der Atmosphäre verbindet, blockiert wird. Außerdem wird das Ventil ViC (oder VoC) in einen bestromten Zustand versetzt, wodurch ein Weg entsteht, der den Innenraum der Ventilschließdruckkammer 43 mit der Atmosphäre verbindet, und eine Druckentlastung der Ventilschließdruckkammer 43 bewirkt wird.
In diesem Zustand wirken die oben beschriebenen Kräfte auf das Ventilelement 41 des Sperrventils 40 ein. Wird der Ausströmdruck aus dem Luftkompressor (AP in 1) mit P₁ und der Oberflächenbereich der Membran 42 mit A₁ bezeichnet, dann wird zunächst, weil die Ventilöffnungsdruckkammer 44 und der Fluidströmungsweg (Bezugszeichen 20 in 1) miteinander verbunden sind, der Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 44 mit einem Druck P₁ beaufschlagt und eine nach oben gerichtete Kraft P₁A₁ wirkt über die Membran auf das Ventilelement 41 ein.
Weil ferner, wenn der drucktragende Oberflächenbereich des Ventilelements 41 mit A₂ bezeichnet ist, die Luft (Druck P₁) aus dem Einlass 46 des Sperrventils 40 in das Ventil gelangt und das Ventilelement 41 direkt mit Druck beaufschlagt, wirkt daher auch eine nach unten gerichtete Kraft P₁A₂ auf das Ventilelement 41. Wenn außerdem der Unterdruck im Inneren des Brennstoffzellenstapels (Bezugszeichen 10 in 1) mit P₂ bezeichnet ist, dann wirkt daher auch, weil dieser Unterdruck eine Kraft auf das Ventilelement 41 aus dem Auslass 47 des Sperrventils 40 ausübt, wenn der drucktragende Oberflächenbereich des Ventilelements 41 mit A₂ bezeichnet ist, eine nach unten gerichtete Kraft P₂A₂ auf das Ventilelement 41.
Zudem bewirken die Federn 45, dass eine zusätzliche, nach oben gerichtete Kraft Fs über die Membran 42 auf das Ventilelement 41 einwirkt, und wenn Kräfte, wie z. B. Frost, die bewirken, dass das Ventilelement 41 an einem Bereich des Auslasses 47 haften bleibt, berücksichtigt werden, dann wirkt auch eine zusätzliche, nach unten gerichtete Gefrierkraft F_I auf das Ventilelement 41 ein.
Um das Ventilelement 41 nach oben zu bewegen und das Ventil zu öffnen, muss dementsprechend die Beziehung bzw. das Verhältnis zwischen den nach oben und unten gerichteten Kräften, die auf das Ventilelement 41 einwirken, den folgenden Ausdruck erfüllen: $P_{1} A_{1} + F_{S} > P_{1} A_{2} + P_{2} A_{2} + F_{I}$
In der vorliegenden Ausführungsform wird der Ansteuerungsanforderungsdruck zum Ansteuern des Sperrventils 40 so eingestellt, dass sichergestellt ist, dass die Beziehung der Formel (1) erfüllt ist. Dann wird während der Öffnung des Sperrventils 40 der Luftausströmdruck P₁ so gesteuert, dass der Ansteuerungsanforderungsdruck erreicht wird.
Der Luftausströmdruck P₁ wird durch den Ventilöffnungswinkel des Brennstoffzellen-Umgehungsventils (Bezugszeichen 80 in 1) und die Luftströmungsrate aus dem Luftkompressor (AP in 1) gesteuert. Der Luftausströmdruck P₁ kann auch unter Verwendung des Ventilöffnungswinkels des Luftdruckregelventils (Bezugszeichen 90 in 1) gesteuert werden.
Wie in der Formel (1) gezeigt ist, wirkt auf das Ventilelement 41 eine nach unten gerichtete Kraft P₂A₂ ein, die infolge des Unterdrucks P₂ im Inneren des Brennstoffstapels erzeugt wird. Der Unterdruck P₂ im Inneren des Brennstoffzellenstapels fluktuiert unter den Auswirkungen von Faktoren wie der Temperatur und der Stehzeit, die seit der Unterbrechung der Leistungserzeugung durch den Brennstoffzellenstapel verstrichen ist.
Dementsprechend wird in der vorliegenden Ausführungsform der Luftausströmdruck P₁ gemäß dem im Inneren des Brennstoffzellenstapels vorherrschenden Unterdruck P₂ gesteuert. Je kleiner der Unterdruck P₂ (also je größer der absolute Wert des Unterdrucks P₂) ist, desto größer ist der Wert, der für den Ansteuerungsanforderungsdruck zum Ansteuern des Sperrventils 40 eingestellt ist, wobei der Luftausströmdruck P₁ so gesteuert wird, dass der Ansteuerungsanforderungsdruck erreicht wird.
Dabei kann in der vorliegenden Ausführungsform die Variation der Ventilöffnungsdauer für das Sperrventil 40, die begleitend mit den Fluktuationen des Unterdrucks im Inneren des Brennstoffzellenstapels auftritt, im Vergleich zu einem Fall erheblich reduziert werden, in dem der Luftausströmdruck auf einen konstanten Wert eingestellt wird. Selbstverständlich kann auch eine Steuerung durchgeführt werden, so dass die Ventilöffnungsdauer einen konstanten Wert erreicht. Ferner kann in der vorliegenden Ausführungsform das Sperrventil 40 in jenen Fällen, wo der Unterdruck im Inneren des Brennstoffzellenstapels fluktuiert, immer noch mit erhöhter Betriebssicherheit geöffnet werden. Auf diese Weise kann in der vorliegenden Ausführungsform ein stabilerer Ventilöffnungsvorgang realisiert werden, weil der Luftausströmdruck gemäß dem Unterdruck im Inneren des Brennstoffzellenstapels gesteuert wird.
3(B) ist ein Diagramm, das den Ventilschließvorgang für das Sperrventil 40 beschreibt. Insbesondere beschreibt das Diagramm den Vorgang des Bewegens des erhobenen und offenen Ventilelements 41 in einer Abwärtsrichtung, um das Ventil zu schließen.
Zur Schließung des Sperrventils 40 wird das Ventil ViS (oder VoS) in einen bestromten Zustand versetzt, wodurch die Ventilschließdruckkammer 43 und der Fluidströmungsweg (Bezugszeichen 20 in 1) miteinander verbunden werden. Ferner wird das Ventil ViC (oder VoC) in einen unbestromten Zustand versetzt, wodurch der Weg, der den Innenraum der Ventilschließdruckkammer 43 mit der Atmosphäre bzw. Draußen verbindet, blockiert wird. Außerdem wird das Ventil ViO (oder VoO) in einen bestromten Zustand versetzt, wodurch ein Weg entsteht, der den Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 44 mit der Atmosphäre bzw. Draußen verbindet, und eine Druckentlastung der Ventilöffnungsdruckkammer 44 bewirkt wird.
In diesem Zustand wirken die nachstehend beschriebenen Kräfte auf das Ventilelement 41 des Sperrventils 40 ein. Wenn der Ausströmdruck aus dem Luftkompressor (AP in 1) mit P₁ bezeichnet ist und der Oberflächenbereich der Membran 42 mit A₁ bezeichnet ist, dann wird zunächst, da die Ventilschließdruckkammer 43 und der Fluidströmungsweg (Bezugszeichen 20 in 1) miteinander verbunden sind, der Innenraum der Ventilschließdruckkammer 43 mit einem Druck P₁ beaufschlagt, und eine nach unten gerichtete Kraft P₁A₁ wirkt über die Membran 42 auf das Ventilelement 41 ein.
Weil Luft (der Druck P₁) aus dem Einlass 46 des Sperrventils 40 in das Ventil eintritt und das Ventilelement 41 direkt mit Druck beaufschlagt, wirkt dann außerdem, wenn der drucktragende Oberflächenbereich des Ventilelements 41 mit A₂ bezeichnet ist, eine nach oben gerichtete Kraft P₁A₂ ebenfalls auf das Ventilelement 41 ein. Ferner bewirken die Federn 45, dass eine zusätzliche, nach oben gerichtete Kraft Fs über die Membran 42 auf das Ventilelement 41 einwirkt.
Um das Ventilelement 41 nach unten zu bewegen und das Ventil zu schließen, muss die Beziehung bzw. das Verhältnis zwischen den nach oben und nach unten gerichteten Kräften, die auf das Ventilelement 41 einwirken, ebenfalls den folgenden Ausdruck erfüllen: $P_{1} A_{1} > P_{1} A_{2} + F_{S}$
Der Luftausströmdruck P₁ oder dergleichen wird so eingestellt, dass sichergestellt ist, dass die Beziehung der Formel (2) erfüllt ist. Alternativ kann der Ansteuerungsanforderungsdruck zum Ansteuern des Sperrventils 40 so eingestellt werden, dass sichergestellt ist, dass die Beziehung der Formel (2) erfüllt ist, und der Luftausströmdruck P₁ dann so gesteuert wird, dass der Ansteuerungsanforderungsdruck erreicht wird.
In 2 und 3 wurde ein Sperrventil 40 mit zwei Druckkammern beschrieben, doch kann z. B. auch ein Ventil verwendet werden, dass nur die Ventilschließdruckkammer 43 aufweist. Um in dieser Konfiguration das Sperrventil 40 zu schließen, wird die Ventilschließdruckkammer 43 mit einem Druck beaufschlagt, so dass ein Kräfteverhältnis erreicht wird, durch das das Ventilelement 41 nach unten bewegt wird, wohingegen zur Öffnung des Sperrventils 40 der Druck aus der Ventilschließdruckkammer 43 freigegeben wird und durch die Kraft der Federn 45 und den Luftdruck, der aus dem Einlass 46 eintritt, ein Kräfteverhältnis erzeugt wird, das das Ventilelement 41 nach oben bewegt.
Unter Zuhilfenahme von 4 und 5 erfolgt als Nächstes eine Beschreibung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30. 4 ist ein Diagramm, das die Struktur des Befeuchtungsmodul-Umgehungsventils 30 beschreibt. Bei dem Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 handelt es sich um ein normalerweise geschlossenes Ventil, so dass der Ventilschließdruck im Normalzustand größer ist als der Ventilöffnungsdruck, was bedeutet, dass ein Ventilelement 31 in einem geschlossenen Zustand positioniert ist.
Das Sperrventil 30 weist eine Membran 32 auf, wobei auf der Oberseite der Membran 32 eine Ventilschließdruckkammer 33 angeordnet ist und auf der Unterseite der Membran 32 eine Ventilöffnungsdruckkammer 34 angeordnet ist.
Die Membran 32 wird entsprechend dem Differenzdruck zwischen dem Druck innerhalb der Ventilschließdruckkammer 33 und dem Druck innerhalb der Ventilöffnungsdruckkammer 34 in der in der Zeichnung gezeigten Aufwärts- und Abwärtsrichtung verschoben. In 4 sind beispielsweise der rechte und der linke Rand der Membran 32 fixiert, und der mittlere Bereich der Membran 32 wird über eine nach oben und unten ausgeführte Wölbungsbewegung verschoben. Es kann natürlich auch eine Konfiguration angewendet werden, in der die gesamte Membran 32 nach oben und nach unten verschoben wird. Bei einer Verschiebung der Membran 32 verschiebt sich auch das mit der Membran 32 verbundene Ventilelement 31. Dabei wird der Ventilöffnungswinkel für das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 durch die Verschiebung der Membran 32 reguliert.
Indem das Ventilelement 31 über eine Verschiebung der Membran 32 nach oben getrieben wird, kann die aus dem Fluidströmungsweg 20 zu einem Einlass 36 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 strömende Luft aus einem Auslass 37 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 in den Fluidströmungsweg 20 abgeführt werden. Indem der Auslass 37 dadurch geschlossen wird, dass das Ventilelement 31 über eine Verschiebung der Membran 32 nach unten bewegt wird, wird hingegen die sich aus dem Fluidströmungsweg 20 auf der Seite des Einlasses 36 zum Fluidströmungsweg 20 auf der Seite des Auslasses 37 bewegende Luftströmung blockiert.
Auf der Oberseite der Membran 32 sind Federn 35 angeordnet, und auf die Membran 32 wird eine nach unten gerichtete Federkraft ausgeübt.
Der Druck innerhalb der Ventilschließdruckkammer 33 und der Druck innerhalb der Ventilöffnungsdruckkammer 34 werden durch drei PSVs gesteuert. Der Druck innerhalb einer jeweiligen der Druckkammern wird nämlich durch die drei mit VbS, VbC und VbO bezeichneten PSVs gesteuert.
Bei dem Ventil VbS handelt es sich um ein Dreiwege-PSV, das als ein Dreiwegeventil fungiert, das eine der beiden Druckkammern, nämlich entweder die Ventilschließdruckkammer 33 oder die Ventilöffnungsdruckkammer 34, selektiv mit dem Fluidströmungsweg 20 verbindet. In anderen Worten verbindet das Ventil VbS den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit entweder dem Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilschließdruckkammer 33 führt, oder dem Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilöffnungsdruckkammer 34 führt.
Bei dem Ventil VbS kann es sich z. B. um ein elektromagnetisches Ventil handeln, bei dem der Verbindungszustand dadurch geändert wird, dass ein Strom durch das Ventil geleitet wird. In einem ungesteuerten Zustand, nämlich bei Abwesenheit eines elektrischen Stroms (dem unbestromten Zustand), wählt das Ventil VbS die Ventilschließdruckkammer 33 aus. In anderen Worten verbindet das Ventil VbS im unbestromten Zustand den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilschließdruckkammer 33 führt. Demgegenüber wählt das Ventil VbS in einem gesteuerten Zustand, nämlich, wenn ein Strom zugeführt wird (im bestromten Zustand), die Ventilöffnungsdruckkammer 34 aus. In anderen Worten verbindet das Ventil VbS im bestromten Zustand den Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, mit dem Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilöffnungsdruckkammer 34 führt.
Bei dem Ventil VbC handelt es sich z. B. um ein Zweiwege-PSV, das als ein Druckentlastungsventil zum Reduzieren des Drucks innerhalb der Ventilschließdruckkammer 33 fungiert. Eine Seite des Ventils VbC ist mit dem Drucksteuerungsweg 70 verbunden, der zur Ventilschließdruckkammer 33 führt, und die andere Seite des Ventils VbC ist zur Atmosphäre bzw. nach draußen offen.
Bei dem Ventil VbC kann es sich z. B. um ein elektromagnetisches Ventil handeln, wobei der offene oder geschlossene Zustand geändert wird, indem ein Strom durch das Ventil geleitet wird. In einem ungesteuerten Zustand, nämlich bei Abwesenheit eines elektrischen Stroms (dem unbestromten Zustand), behält das Ventil VbC einen geschlossenen Zustand bei. Wenn sich dementsprechend das Ventil VbC in einem unbestromten Zustand befindet, ist ein Weg blockiert, der den Innenraum der Ventilschließdruckkammer 33 mit der Atmosphäre verbindet. Demgegenüber öffnet sich das Ventil VbC in einem gesteuerten Zustand, nämlich wenn ein Strom zugeführt wird (im bestromten Zustand). Wenn sich das Ventil VbC dementsprechend in dem bestromten Zustand befindet, entsteht ein Weg, der den Innenraum der Ventilschließdruckkammer 33 mit der Atmosphäre verbindet.
Bei dem Ventil VbO handelt es sich um ein Zweiwege-PSV, das als ein Druckentlastungsventil zum Reduzieren des Drucks innerhalb der Ventilöffnungsdruckkammer 34 fungiert. Eine Seite des VbO ist mit dem Drucksteuerungsweg 70 verbunden, der zur Ventilöffnungsdruckkammer 34 führt, und die andere Seite des Ventils VbO ist zur Atmosphäre bzw. nach draußen offen.
Bei dem Ventil VbO kann es sich z. B. um ein elektromagnetisches Ventil handeln, bei dem der offene oder geschlossene Zustand geändert wird, indem ein Strom durch das Ventil geleitet wird. In einem ungesteuerten Zustand, nämlich bei Abwesenheit eines elektrischen Stroms (im unbestromten Zustand), behält das Ventil VbO einen geschlossenen Zustand bei. Wenn sich dementsprechend das Ventil VbO in dem unbestromten Zustand befindet, wird ein Weg blockiert, der den Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 34 mit der Atmosphäre verbindet. Im Gegensatz dazu öffnet sich das Ventil VbO in einem gesteuerten Zustand, nämlich wenn ein Strom zugeführt wird (im bestromten Zustand). Wenn sich das Ventil VbO dementsprechend im bestromten Zustand befindet, entsteht ein Weg, der den Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 34 mit der Atmosphäre verbindet.
In der zur Beschreibung der vorliegenden Ausführungsform herangezogenen Zeichnung zeigen von der Mehrzahl der Dreiecke, die verwendet werden, um die Ventile VbS, VbC und VbO darzustellen, die schwarz ausgefüllten Dreiecke einen geschlossen Zustand für den Drucksteuerungsweg 70 an, wohingegen die nicht ausgefüllten, weißen Dreiecke einen offenen Zustand für den Drucksteuerungsweg 70 anzeigen.
Die schwarz ausgefüllten Dreiecke, die in 4 gezeigt sind, zeigen beispielsweise an, dass sich das Ventil VbS in einem Zustand (einem unbestromten Zustand) befindet, in dem der Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilöffnungsdruckkammer 34 führt, geschlossen ist, wohingegen der Drucksteuerungsweg 70, der zum Fluidströmungsweg 20 führt, und der Drucksteuerungsweg 70, der zur Ventilschließdruckkammer 33 führt, miteinander verbunden sind. In 4 ist ferner das Dreieck, das das Ventil VbC darstellt, ausgefüllt, was darauf hinweist, dass sich das Ventil VbC in einem geschlossen Zustand (unbestromten Zustand) befindet. Desgleichen ist in 4 ist das Dreieck, das das Ventil VbO darstellt, ausgefüllt, was darauf hinweist, dass sich das Ventil VbO ebenfalls in einem geschlossenen Zustand (unbestromten Zustand) befindet.
5 ist ein Diagramm, das die Öffnungs- und Schließvorgänge des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 beschreibt. 5(A) ist ein Diagramm, das den Ventilöffnungsvorgang für das Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 beschreibt. Insbesondere beschreibt das Diagramm den Vorgang des Bewegens des gesenkten und geschlossenen Ventilelements 31 in einer Aufwärtsrichtung, in der das Ventil geöffnet werden soll.
Zur Öffnung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 wird das Ventil VbS in einen bestromten Zustand versetzt, wodurch die Ventilöffnungsdruckkammer 34 und der Fluidströmungsweg (Bezugszeichen 20 in 1) miteinander verbunden werden. Ferner wird das Ventil VbO in einen unbestromten Zustand versetzt, wodurch der Weg blockiert wird, der den Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 34 mit der Atmosphäre verbindet. Außerdem wird das Ventil VbC in einen bestromten Zustand versetzt, wodurch ein Weg entsteht, der den Innenraum der Ventilschließdruckkammer 33 mit der Atmosphäre verbindet, und eine Druckentlastung der Ventilschließdruckkammer 33 bewirkt wird.
In diesem Zustand wirken die nachstehend beschriebenen Kräfte auf das Ventilelement 31 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 ein. Wenn der Ausströmdruck aus dem Luftkompressor (AP in 1) mit P₁ bezeichnet ist und der Oberflächenbereich der Membran 32 mit A₁ bezeichnet ist, dann wird zunächst, weil die Ventilöffnungsdruckkammer 34 und der Fluidströmungsweg (Bezugszeichen 20 in 1) verbunden sind, der Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 34 mit einem Druck P₁ beaufschlagt, und eine nach oben gerichtete Kraft P₁A₁ wirkt über die Membran 32 auf das Ventilelement 31 ein.
Weil ferner, wenn der drucktragende Oberflächenbereich des Ventilelements 31 mit A₂ bezeichnet ist, eine Luft (Druck P₁) aus dem Einlass 36 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 in das Ventil gelangt und das Ventilelement 31 direkt mit Druck beaufschlagt, wirkt daher auch eine nach unten gerichtete Kraft P₁A₂ auf das Ventilelement 31 ein. Zudem bewirken die Federn 35, dass eine zusätzliche, nach unten gerichtete Kraft Fs über die Membran 32 auf das Ventilelement 31 einwirkt, und wenn Kräfte, wie z. B. Frost, die bewirken, dass das Ventilelement 31 an einem Bereich des Auslasses 37 haften bleibt, berücksichtigt werden, dann wirkt auch eine zusätzliche, nach unten gerichtete Gefrierkraft F_I auf das Ventilelement 31 ein.
Um das Ventilelement 31 nach oben zu bewegen und das Ventil zu öffnen, muss die Beziehung bzw. das Verhältnis zwischen den nach oben und unten gerichteten Kräften, die auf das Ventilelement 31 einwirken, den folgenden Ausdruck erfüllen: $P_{1} A_{1} > P_{1} A_{2} + F_{S} + F_{I}$
Der Luftausströmdruck P₁ oder dergleichen wird so eingestellt, dass sichergestellt ist, dass die Beziehung der Formel (3) erfüllt ist. Alternativ kann der Ansteuerungsanforderungsdruck zum Ansteuern des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 so eingestellt werden, dass sichergestellt ist, dass die Beziehung der Formel (3) erfüllt wird, und der Luftausströmdruck P₁ dann so gesteuert wird, dass der Ansteuerungsanforderungsdruck erreicht wird.
5(B) ist ein Diagramm, das den Ventilschließvorgang für das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 beschreibt. Genauer gesagt beschreibt das Diagramm den Vorgang des Bewegens des erhobenen und offenen Ventilelements 31 in Abwärtsrichtung, in der das Ventil geschlossen werden soll.
Um das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zu schließen, wird das Ventil VbS in einen unbestromten Zustand versetzt, wodurch die Ventilschließdruckkammer 33 und der Fluidströmungsweg (Bezugszeichen 20 in 1) miteinander verbunden werden. Ferner wird das Ventil VbC in einen unbestromten Zustand versetzt, wodurch der Weg blockiert wird, der den Innenraum der Ventilschließdruckkammer 33 mit der Atmosphäre verbindet. Außerdem wird das Ventil VbO in einen bestromten Zustand versetzt, wodurch ein Weg entsteht, der den Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer 34 mit der Atmosphäre verbindet, und eine Druckentlastung der Ventilöffnungsdruckkammer 34 bewirkt wird.
In diesem Zustand wirken die nachstehend beschriebenen Kräfte auf das Ventilelement 31 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 ein. Wenn der Ausströmdruck aus dem Luftkompressor (AP in 1) mit P₁ bezeichnet ist und der Oberflächenbereich der Membran 32 mit A₁ bezeichnet ist, dann wird zunächst, da die Ventilschließdruckkammer 33 und der Fluidströmungsweg (Bezugszeichen 20 in 1) verbunden sind, der Innenraum der Ventilschließdruckkammer 33 mit einem Druck P₁ beaufschlagt, und eine nach unten gerichtete Kraft P₁A₁ wirkt über die Membran 32 auf das Ventilelement 31 ein.
Weil eine Luft (Druck P₁) aus dem Einlass 36 des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 in das Ventil gelangt und das Ventilelement 31 direkt mit Druck beaufschlagt, wirkt dann ferner, wenn der drucktragende Oberflächenbereich des Ventilelements 31 mit A₂ bezeichnet ist, auf das Ventilelement 31 auch eine nach oben gerichtete Kraft P₁A₂ ein. Ferner bewirken die Federn 35, dass eine nach unten gerichtete Kraft F_s über die Membran 32 auf das Ventilelement 31 einwirkt.
Um das Ventilelement 31 nach unten zu bewegen und das Ventil zu schließen, muss dementsprechend die Beziehung bzw. das Verhältnis zwischen den nach oben und nach unten gerichteten Kräften, die auf das Ventilelement 31 einwirken, den folgenden Ausdruck erfüllen: $F_{S} + P_{1} A_{1} > P_{1} A_{2}$
Der Luftausströmdruck P₁ oder ähnliches wird so eingestellt, dass sichergestellt ist, dass die Beziehung der Formel (4) erfüllt wird. Alternativ kann der Ansteuerungsanforderungsdruck zum Ansteuern des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 so eingestellt werden, dass sichergestellt ist, dass die Beziehung der Formel (4) erfüllt wird und der Luftausströmdruck P₁ dann so gesteuert wird, dass der Ansteuerungsanforderungsdruck erreicht wird.
In 4 und 5 wurde ein Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 mit zwei Druckkammern beschrieben, doch kann beispielsweise auch ein Ventil verwendet werden, dass nur die Ventilöffnungsdruckkammer 34 aufweist. Um in dieser Konfiguration das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zu öffnen, wird die Ventilöffnungsdruckkammer 34 mit einem Druck beaufschlagt, so dass ein Kräfteverhältnis erreicht wird, durch das das Ventilelement 31 nach oben bewegt wird, wohingegen zur Schließung des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 der Druck aus der Ventilöffnungsdruckkammer 34 freigesetzt wird und durch die Kraft der Federn 35 und dergleichen ein Kraftverhältnis erzeugt wird, durch das das Ventilelement 31 nach unten bewegt wird.
Wie vorstehend beschrieben, werden in dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das Einlasssperrventil 40A und das Auslasssperrventil 40B, die als Fluidsteuerungsventile fungieren, unter Verwendung des innerhalb des Fluidströmungswegs 20 vorherrschenden Drucks geöffnet und geschlossen.
Der Luftdruck innerhalb des Fluidströmungswegs 20 weist normalerweise einen Steuerungssollwert auf, der auf einen Anforderungsdruck eingestellt ist, der durch den Brennstoffzellenstapel 10 benötigt wird. Während des Betriebs zur Erzeugung einer elektrischen Leistung unter Verwendung des Brennstoffzellenstapels 10 wird der Luftdruck innerhalb des Fluidströmungswegs 20 beispielsweise so gesteuert, dass ein Sollwert für den Gegendruck des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht wird. Während der Ventilöffnung eines Fluidsteuerungsventils dient der Luftdruck innerhalb des Fluidströmungswegs 20 jedoch vorzugsweise als ein Ansteuerungsanforderungsdruck, der zum Ansteuern des Fluidsteuerungsventils benötigt wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird dementsprechend der Steuerungssollwert für den Druck der durch den Fluidströmungsweg 20 strömenden Luft gemäß der Zeitsteuerung der Öffnungs- und Schließvorgänge für die Fluidsteuerungsventile entsprechend geschaltet.
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Schaltvorgang für den Steuerungssollwert für den Luftdruck beschreibt. Nachstehend erfolgt eine Beschreibung des Verarbeitungsinhalts eines jeweiligen Schritts in dem Flussdiagramm von 6. In der folgenden Beschreibung sind die in 1 dargestellten Elemente (Strukturen) entsprechend den in 1 verwendeten Symbolen benannt.
Wenn eine Antriebsanforderung für ein Fluidsteuerungsventil (das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das Einlasssperrventil 40A oder das Auslasssperrventil 40B) in einem Zustand empfangen wird, in dem der Luftdruck innerhalb des Fluidströmungswegs 20 so gesteuert worden ist, dass ein Gegendrucksollwert P2' für den Brennstoffzellenstapel 10 erzeugt wird (S601), stellt die Steuerungseinheit, die das Brennstoffzellensystem steuert, einen Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert P1' für das Fluidsteuerungsventil ein (S602). Ein Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert P1', der zum Ansteuern des Fluidsteuerungsventils benötigt wird, wird z. B. so eingestellt, dass eine der Kraftverhältnisformeln (1) bis (4) erfüllt wird, die vorstehend unter Verwendung von 3 bis 5 beschrieben wurde.
Anschließend schaltet die Steuerungseinheit den Steuerungssollwert für den Luftdruck vom Gegendrucksollwert P2' auf den Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert PI' um, der zum Ansteuern des Fluidsteuerungsventils benötigt wird (S603), und reguliert dann beispielsweise den Ventilöffnungswinkel des Luftdruckregelventils 90, um den Luftdruck in den Sollwert P 1' umzuändern (S604). Der Luftdruck kann auch durch den Ventilöffnungswinkel des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 80 oder die Luftströmungsrate aus dem Luftkompressor AP gesteuert werden. Indem der Luftdruck gesteuert wird, kann der Luftdruck an den Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert P1' für das Fluidsteuerungsventil angepasst werden, was bedeutet, dass das Fluidsteuerungsventil zuverlässig angesteuert werden kann, wodurch in den offenen oder geschlossenen Zustand des Ventils geschaltet werden kann (S605).
Sobald in den offenen oder geschlossenen Zustand des Fluidsteuerungsventils geschaltet worden ist, schaltet die Steuerungseinheit den Steuerungssollwert für den Luftdruck vom Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert P1' für das Fluidsteuerungsventil auf den Gegendrucksollwert P2' (S606) und reguliert dann z. B. den Ventilöffnungswinkel des Luftdruckregelventils 90, um den Luftdruck in den Sollwert P2' umzuändern (S607). Dabei wird der Gegendruck innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 wieder auf den Gegendrucksollwert P2' eingestellt, der für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 ideal ist.
Der Gegendrucksollwert P2' für den Brennstoffzellenstapel 10 wird in Übereinstimmung mit Faktoren, wie z. B. der Struktur des Brennstoffzellenstapels 10, eingestellt und z. B. auf einen Wert von 120 Kilopascal oder ähnliches eingestellt. Ferner wird der Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert P1' für das Fluidsteuerungsventil in Übereinstimmung mit Faktoren eingestellt, wie z. B. der Struktur des Fluidsteuerungsventils, und z. B. auf einen Wert von 140 Kilopascal oder ähnliches eingestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird während des Ansteuerns des Fluidsteuerungsventils auf diese Weise der Ansteuerungsanforderungsdruck für das Fluidsteuerungsventil gegenüber dem Gegendrucksollwert, der für den Brennstoffzellenstapel 10 benötigt wird, prioritär behandelt, und der Druck des Fluids, das durch den Fluidströmungsweg 20 strömt, wird basierend auf dem Ansteuerungsanforderungsdruck reguliert.
Die Offen- oder Geschlossen-Zustände des Fluidsteuerungsventils des Brennstoffzellensystems, das in 1 dargestellt ist, werden entsprechend dem Systemzustand, wie z. B. dem Normalbetriebszustand, bestimmt, in dem der Brennstoffzellenstapel 10 eine elektrische Leistung erzeugt, einem Ableitzustand für den Ableitbetrieb des Brennstoffzellenstapels 10 oder einem gestoppten Zustand, in dem der Betrieb des Brennstoffzellenstapels gestoppt worden ist. Wenn der Systemzustand z. B. vom Normalbetriebszustand in den Ableitzustand übergeht oder aus dem Ableitzustand in den gestoppten Zustand übergeht oder aus dem gestoppten Zustand in den Normalbetriebszustand übergeht, werden die Offen- oder Geschlossen-Zustände der Fluidsteuerungsventile entsprechend geschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform wird während dieser Übergänge zwischen den jeweiligen Systemzuständen der Ansteuerungsanforderungsdruck für die Fluidsteuerungsventile prioritär behandelt, und der Druck des Fluids, das durch den Fluidströmungsweg 20 strömt, wird basierend auf dem Ansteuerungsanforderungsdruck reguliert.
Die Steuerung eines jeweiligen der Ventile, wenn das Brennstoffzellensystem von 1 von dem Zustand, der während des Normalbetriebs vorliegt, in den Zustand übergeht, der während des Ableitbetriebs vorliegt, wird nachstehend unter Zuhilfenahme von 7 bis 9 beschrieben. 7 bis 9 stellen jeweils ein Diagramm dar, in dem die Strömung der Luft innerhalb des Fluidströmungswegs 20 für das Gesamtstrukturdiagramm des Brennstoffzellensystems gezeigt ist, das in 1 dargestellt ist. Dementsprechend wird auf eine Erläuterung jener Elemente (Strukturen) verzichtet, die bereits unter Zuhilfenahme von 1 beschrieben worden sind.
7 ist ein Diagramm, das den Zustand während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems von 1 beschreibt. Während des Normalbetriebs verwendet das Brennstoffzellensystem den Brennstoffzellenstapel 10, um elektrische Leistung zu erzeugen. In anderen Worten wird dem Brennstoffzellenstapel 10 befeuchtete Luft zugeführt und die an der Reaktion beteiligte Luft aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt.
Während des Normalbetriebs ist das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geschlossen, wohingegen das Einlasssperrventil 40A und das Auslasssperrventil40B beide offen stehen. Ferner befindet sich der Luftkompressor (AP) in Betrieb, und die aus dem Luftkompressor abgeführte Luft wird dem Befeuchtungsmodul 50, dem Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 und dem Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 zugeführt.
Die aus dem Luftkompressor dem Befeuchtungsmodul 50 zugeführte Luft wird durch das Befeuchtungsmodul 50 befeuchtet und wird dann durch das offene Einlasssperrventil 40A bewegt und dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Die aus dem Luftkompressor dem Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zugeführte Luft wird blockiert, weil das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geschlossen ist. Desgleichen ist auch das Brennstoffzellen-Umgehungsventil 80 geschlossen, durch welches die Luftströmung blockiert wird.
Die an der Reaktion beteiligte Luft, die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt wird, gelangt durch das Luftdruckregelventil 90, das den Gegendruck und das offene Auslasssperrventil 40B reguliert, und dann durch das Befeuchtungsmodul 50 und die Verdünnungseinheit 60, bevor sie in die Atmosphäre freigesetzt wird.
Während des Normalbetriebs befinden sich die Ventile ViS, ViC und ViO, die das Einlasssperrventil 40A steuern, allesamt in einem unbestromten Zustand. In anderen Worten wird die Ventilöffnungsdruckkammer (Bezugszeichen 44 in 2) durch das Ventil ViS gewählt, und die Ventile ViC und ViO sind beide geschlossen. In diesem Zustand wird die Ventilöffnungsdruckkammer des Einlasssperrventils 40A mit dem Druck der Luft beaufschlagt, die aus dem Luftkompressor abgeführt wird, und auf das Ventilelement (Bezugszeichen 41 in 2) wird in der Ventilöffnungsrichtung eine Kraft ausgeübt. Ferner üben die Federn (Bezugszeichen 45 in 2) innerhalb des Einlasssperrventils 40A ebenfalls eine Kraft auf das Ventilelement in der Ventilöffnungsrichtung aus, und die Luft, die aus dem Einlass (Bezugszeichen 46 in 2) des Einlasssperrventils 40A eintritt, übt ebenfalls eine Kraft auf das Ventilelement in der Ventilöffnungsrichtung aus. Obwohl sich die Ventile ViS, ViC und ViO allesamt in einem unbestromten Zustand befinden, kann das Einlasssperrventil 40A in einem offenen Zustand, nämlich seinem Normalzustand, gehalten werden.
Ferner befinden sich während des Normalbetriebs die Ventile VoS, VoC und VoO, die das Auslasssperrventil 40B steuern, allesamt in einem unbestromten Zustand. Aus den gleichen Gründen wie den für das Einlasssperrventil 40A beschriebenen kann das Auslasssperrventil 40B in einem offenen Zustand, nämlich dem Normalzustand, beibehalten werden, auch wenn sich die Ventile VoS, VoC und VoO allesamt in einem unbestromten Zustand befinden.
Außerdem befinden sich die Ventile VbS, VbC und VbO, die das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 steuern, während des Normalbetriebs allesamt in einem unbestromten Zustand. In anderen Worten wird die Ventilschließdruckkammer (Bezugszeichen 33 in 4) durch das Ventil Vbs gewählt, und die Ventile VbC und VbO sind beide geschlossen. In diesem Zustand wird die Ventilschließdruckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 mit dem Druck der Luft beaufschlagt, die aus dem Luftkompressor abgeführt wird, und eine Kraft wird auf das Ventilelement (Bezugszeichen 31 in 4) in der Ventilschließrichtung ausgeübt. Ferner üben auch die Federn (Bezugszeichen35 in 4) innerhalb des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 eine Kraft auf das Ventilelement in der Ventilschließrichtung aus, und die Luft, die aus dem Einlass (Bezugszeichen 36 in 4) des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 eintritt, übt ebenfalls eine Kraft auf das Ventilelement in der Ventilschließrichtung aus. Obwohl sich die Ventile VbS, VbC und VbO allesamt in einem unbestromten Zustand befinden, kann folglich das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 in einem geschlossenen Zustand, nämlich seinem Normalzustand, beibehalten werden.
Während des Normalbetriebs wird der Druck der durch den Fluidströmungsweg 20 strömenden Luft so gesteuert, dass ein Sollwert für den Gegendruck des Brennstoffzellenstapels 10 erreicht wird. In anderen Worten wird der Steuerungssollwert für den Luftdruck auf den Gegendrucksollwert P2' eingestellt, und der Ventilöffnungswinkel des Luftdruckregelventils 90 wird so reguliert, dass der Luftdruck den Wert P2' erreicht. Der Luftdruck kann auch durch Verwendung des Ventilöffnungswinkels des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 80 und/oder der Luftströmungsrate aus dem Luftkompressor AP gesteuert werden.
8 ist ein Diagramm, das den Zustand beschreibt, wenn in dem Brennstoffzellensystem von 1 ein Stoppbefehl erteilt wird. Dieser Zustand beschreibt einen Zustand, in dem z. B. ein Benutzer oder dergleichen aus dem Normalbetriebszustand (7) heraus einen Vorgang zum Stoppen des Betriebs des Brennstoffzellensystems ausführt.
Wird ein Stoppbetrieb ausgeführt, führt das Brennstoffzellensystem eine Reihe von Vorgängen durch, um Vorbereitungen für den Ableitbetrieb zu treffen. In anderen Worten entspricht der in 8 gezeigte Zustand dem Zustand beim Start des Ableitbetriebs. Beim Start des Ableitbetriebs wird das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 von einem geschlossen Zustand in einen offenen Zustand geschaltet. Der Betrieb zum Öffnen des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 ist wie vorstehend beschrieben (siehe 5). Genauer gesagt wird das Ventil VbS bestromt, wodurch die Ventilöffnungsdruckkammer (Bezugszeichen 34 in 5) und der Fluidströmungsweg 20 miteinander verbunden werden. Ferner verbleibt das Ventil VbO in einem unbestromten Zustand, so dass der die Ventilöffnungsdruckkammer mit der Atmosphäre verbindende Weg blockiert bleibt. Das Ventil VbC wird bestromt, wodurch eine Druckentlastung der Ventilschließkammer bewirkt wird (Bezugszeichen 33 in 5). Folglich wird das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geöffnet. Wenn das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 geöffnet ist, wird die aus dem Luftkompressor abgeführte Luft dem Brennstoffzellenstapel 10 über das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 zugeführt.
Beim Start des Ableitbetriebs wird das Einlasssperrventil 40A ferner von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand geschaltet. Der Vorgang zum Schließen des Einlasssperrventils 40A ist wie oben beschrieben (siehe 3). Genauer gesagt wird das Ventil ViS bestromt, wodurch die Ventilschließdruckkammer (Bezugszeichen 43 in 3) und der Fluidströmungsweg 20 miteinander verbunden werden. Ferner verbleibt das Ventil ViC in einem unbestromten bzw. unbetätigtem Zustand, so dass der die Ventilschließdruckkammer mit der Atmosphäre verbindende Weg blockiert bleibt. Das Ventil ViO wird bestromt, wodurch eine Druckentlastung der Ventilöffnungsdruckkammer (Bezugszeichen 44 in 3) bewirkt wird. Wenn das Einlasssperrventil 40A geschlossen ist, wird die Luftströmung, die dem Brennstoffzellenstapel 10 über das Einlasssperrventil 40A zugeführt wurde, blockiert.
Wenn der Stoppbefehl erteilt wird, verbleibt das Auslasssperrventil 40B in einem offenen Zustand, dem gleichen Zustand wie dem, der während des Normalbetriebs verwendet wurde (siehe 7). Ferner verbleiben die Ventile VoS, VoC und VoO, die das Auslasssperrventil 40B steuern, allesamt in einem unbestromten Zustand.
Beim Start des Ableitbetriebs wird der Druck der Luft, die durch den Fluidströmungsweg 20 strömt, so gesteuert, dass ein Ansteuerungsanforderungsdruck für die Fluidsteuerungsventile (das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30, das Einlasssperrventil 40A und das Auslasssperrventil 40B) erreicht wird. In anderen Worten wird der Steuerungssollwert für den Luftdruck auf den Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert P 1' eingestellt, und der Ventilöffnungswinkel des Luftdruckregelventils 90 wird so reguliert, dass der Luftdruck den Wert P1' erreicht. Das heißt, dass das Luftdruckregelventil 90 begrenzt wird, so dass der Luftdruck erhöht wird. Der Luftdruck kann auch durch Verwendung des Ventilöffnungswinkels des Brennstoffzellen-Umgehungsventils 80 und/oder der Luftströmungsrate aus dem Luftkompressor AP gesteuert werden.
9 ist ein den Zustand während des Ableitbetriebs des Brennstoffzellensystems von 1 beschreibendes Diagramm. Der Ableitbetrieb wird beispielsweise dazu ausgeführt, ein erzeugtes Wasser und ähnliches aus dem Inneren des Brennstoffzellenstapels 10 abzuführen. In anderen Worten wird dem Brennstoffzellenstapel 10 Luft zugeführt, die keiner Befeuchtung unterzogen wird, und das erzeugte Wasser und ähnliches wird zusammen mit der Luft aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt.
Während des Ableitbetriebs wird das Befeuchtungs-M-Umgehungsventil 30 in einem offenen Zustand gehalten. Um den offenen Zustand des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 beizubehalten, wird die Ventilöffnungsdruckkammer (Bezugszeichen 34 in 4) in der vorliegenden Ausführungsform abgedichtet, um dadurch den Druck innerhalb der Ventilöffnungsdruckkammer beizubehalten. Der Vorgang zum Aufrechterhalten des Drucks und Abdichten der Ventilöffnungsdruckkammer erfolgt wie nachstehend beschrieben.
Zunächst wird ab dem Zustand beim Start des Ableitbetriebs (8), nämlich ab dem Zustand, wo der Druck der durch den Fluidströmungsweg 20 strömenden Luft so gesteuert wird, dass der Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert P1' erreicht wird, um dadurch die Ventilöffnungsdruckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 mit dem Druck P1' zu beaufschlagen, die Bestromung des Ventils VbS gestoppt. Folglich ist der Drucksteuerungsweg 70, der mit der Ventilöffnungsdruckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 verbunden ist, blockiert. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Ventil VbO in einem unbestromten Zustand, was bedeutet, dass der die Ventilöffnungsdruckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 mit der Atmosphäre verbindende Weg ebenfalls blockiert ist. Dementsprechend ist die Ventilöffnungsdruckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 in einem Zustand abgedichtet, in dem ein Druckbeaufschlagungszustand bei Druck P1' aufrechterhalten wird. Das Ventil VbC befindet sich in einem bestromten Zustand, was bedeutet, dass der Druck aus der Ventilschließdruckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 freigesetzt wird.
Folglich wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum der Ventilschließdruckkammer und dem Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer innerhalb des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 eine Kraft auf das Ventilelement (Bezugszeichen 31 in 4) in der Ventilöffnungsrichtung ausgeübt, und diese Kraft ist größer als die Kraft, die durch die Federn (Bezugszeichen 35 in 4) und dergleichen ausgeübt wird, was bedeutet, dass der offene Zustand des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 aufrechterhalten wird.
Zudem wird der geschlossene Zustand des Einlasssperrventils 40A während des Ableitbetriebs beibehalten. Um den geschlossenen Zustand des Sperrventils 40A beizubehalten, wird die Ventilschließdruckkammer (Bezugszeichen 43 in 2) in der vorliegenden Ausführungsform abgedichtet, wodurch der Druck innerhalb der Ventilschließdruckkammer aufrechterhalten wird. Der Vorgang zum Aufrechterhalten des Drucks und zum Abdichten der Ventilschließdruckkammer ist wie nachstehend beschrieben.
Zunächst wird ab dem Zustand beim Start des Ableitbetriebs (8), nämlich ab dem Zustand, wo der Druck der durch den Fluidströmungsweg 20 strömenden Luft so gesteuert wird, dass der Ansteuerungsanforderungsdruck-Sollwert P1' erreicht wird, um dadurch die Ventilöffnungsdruckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 mit dem Druck P1' zu beaufschlagen, die Bestromung des Ventils ViS gestoppt. Folglich ist der Drucksteuerungsweg 70, der mit der Ventilschließdruckkammer des Einlasssperrventils 40A verbunden ist, blockiert. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Ventil ViC in einem unbestromten Zustand, was bedeutet, dass der die Ventilschließdruckkammer des Einlasssperrventils 40A mit der Atmosphäre verbindende Weg ebenfalls blockiert ist. Dementsprechend ist die Ventilschließdruckkammer des Einlasssperrventils 40A in einem Zustand abgedichtet, in dem ein Druckbeaufschlagungszustand bei Druck P1' beibehalten wird. Das Ventil ViO befindet sich in einem bestromten Zustand, was bedeutet, das der Druck aus der Ventilöffnungsdruckkammer des Einlasssperrventils 40A freigesetzt wird.
Folglich wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum der Ventilschließdruckkammer und dem Innenraum der Ventilöffnungsdruckkammer innerhalb des Einlasssperrventils 40A eine Kraft auf das Ventilelement (Bezugszeichen 41 in 2) in der Ventilschließrichtung ausgeübt, und diese Kraft ist größer als die Kraft, die durch die Federn (Bezugszeichen 45 in 3) und dergleichen ausgeübt wird, was bedeutet, dass der geschlossene Zustand des Einlasssperrventils 40A aufrechterhalten wird.
Der Ableitbetrieb wird beispielsweise ausgeführt, um das erzeugte Wasser und ähnliches aus dem Innenraum des Brennstoffzellenstapels 10 abzuführen. Um eine effiziente Abführung des erzeugten Wassers und dergleichen zu erreichen, wird das Luftdruckregelventil 90 während des Ableitbetriebs vorzugsweise vollständig geöffnet. Wenn der Ventilöffnungswinkel des Luftdruckregelventils 90 von einem begrenzten Zustand in einen vollständig geöffneten Zustand geschaltet wird, dann nimmt der Druck der durch den Fluidströmungsweg 20 strömenden Luft ab.
In der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch die Ventilöffnungsdruckkammer des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 abgedichtet, um den offenen Zustand des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 aufrechtzuerhalten, und die Ventilschließdruckkammer des Einlasssperrventils 40A wird abgedichtet, um den geschlossenen Zustand des Einlasssperrventils 40A aufrechtzuerhalten. Selbst wenn folglich der Druck der durch den Fluidströmungsweg 20 strömenden Luft abnimmt, kann der offene Zustand des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 und der geschlossene Zustand des Einlasssperrventils 40A erhalten bleiben.
Dementsprechend wird in der vorliegenden Ausführungsform beim Start des Ableitbetriebs (8) der Ventilöffnungswinkel des Luftdruckregelventils 90 oder ähnlichem so reguliert, dass der Luftdruck vorübergehend den Druck P1' erreicht, und es wird in den offenen oder geschlossenen Zustand des Befeuchtungs-M-Umgehungsventils 30 und des Einlasssperrventils 40A geschaltet. Anschließend kann während des Ableitbetriebs das Luftdruckregelventil 90 in einen vollständig geöffneten oder nahezu vollständig geöffneten Zustand bewegt werden, so dass der Ableitbetrieb ausgeführt werden kann.
Während des Ableitbetriebs verbleibt das Auslasssperrventil 40B in einem offenen Zustand, dem gleichen Zustand wie dem zum Zeitpunkt des Stoppbefehls (siehe 8). Die Ventile VoS, VoC und VoO, die das Auslasssperrventil 40B steuern, verbleiben allesamt in einem unbestromten bzw. unbetätigtem Zustand. Weil das Auslasssperrventil 40B offen ist, gelangt die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführte Luft durch das Luftdruckregelventil 90 und das offene Auslasssperrventil 40B und dann durch das Befeuchtungsmodul 50 und die Verdünnungseinheit 60, bevor sie in die Atmosphäre freigesetzt wird.

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (10), einen Fluidströmungsweg (20), der mit der Brennstoffzelle (10) verbunden ist, ein Fluidsteuerungsventil (30, 40A, 40B), das innerhalb des Fluidströmungswegs (20) angeordnet ist, und entweder ein normalerweise geöffnetes Ventil ist, das in einem Normalzustand geöffnet ist, oder ein normalerweise geschlossenes Ventil ist, das in einem Normalzustand geschlossen ist, und eine Steuerungseinheit, wobei das Brennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass eine Druckkammer (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerungsventils (30, 40A, 40B) abgedichtet wird, so dass der offene oder geschlossene Zustand des Fluidsteuerungsventils (30, 40A, 40B) durch Verwendung eines Drucks innerhalb der Druckkammer (33, 34, 43, 44) aufrechterhalten wird, und ein Druck (P1) des durch den Fluidströmungsweg (20) strömenden Fluids basierend auf einem Ansteuerungsanforderungsdruck, der zum Ansteuern des Fluidsteuerungsventils (30, 40A, 40B) benötigt wird, und einem Zellenanforderungsdruck, der von der Brennstoffzelle (10) benötigt wird, reguliert wird, wobei, wenn sich das Fluidsteuerungsventil (30, 40A, 40B) im Normalzustand befindet, der Druck (P1) des durch den Fluidströmungsweg (20) strömenden Fluids basierend auf dem Zellenanforderungsdruck reguliert wird, der von der Brennstoffzelle (10) benötigt wird, und wenn das Fluidsteuerungsventil (30, 40A, 40B) angesteuert wird, der Druck (P1) des durch den Fluidströmungsweg (20) strömenden Fluids basierend auf dem Ansteuerungsanforderungsdruck unabhängig von dem Zellenanforderungsdruck reguliert wird, und wobei die Steuerungseinheit den Druck (P1) des durch den Fluidströmungsweg (20) strömenden Fluids derart steuert, dass ein Sollwert (P2') des Zellenanforderungsdrucks erreicht wird, wenn die Brennstoffzelle (10) sich in einem Normalbetriebszustand befindet, in welchem die Brennstoffzelle (10) eine elektrische Leistung erzeugt, und den Druck (P1) des durch den Fluidströmungsweg (20) strömenden Fluids derart steuert, dass ein Sollwert (P1') des Ansteuerungsanforderungsdruck erreicht wird, wenn der Ableitbetrieb der Brennstoffzelle (10) gestartet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei wenn der Ableitbetrieb der Brennstoffzelle (10) gestartet wird, der Ansteuerungsanforderungsdruck gegenüber dem Zellenanforderungsdruck prioritär behandelt wird, so dass der Druck (P1) des durch den Fluidströmungsweg (20) strömenden Fluids basierend auf dem Ansteuerungsanforderungsdruck reguliert wird, und das Fluidsteuerungsventil (30, 40A, 40B) in einen offenen oder geschlossenen Zustand geschaltet wird, der für den Ableitbetrieb angemessen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Druckkammer (33, 34, 43, 44) des Fluidsteuerungsventils (30, 40A, 40B) im Anschluss an das Schalten des Fluidsteuerungsventils (30, 40A, 40B) in einen offenen oder geschlossenen Zustand, der für einen Ableitbetrieb geeignet ist, abgedichtet wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner aufweisend: einen Kompressor (AP), der ein Fluid durch den Fluidströmungsweg (20) zirkuliert, und ein Druckregelventil (90), das innerhalb des Fluidströmungswegs (20) angeordnet ist, wobei der Druck (P1) des durch den Fluidströmungsweg (20) strömenden Fluids durch zumindest eines von einer Abführströmungsrate aus dem Kompressor (AP) und einem Ventilöffnungsgrad des Druckregelventils (90) reguliert wird.