CN115004426A - 用于燃料电池系统的截止阀，燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种截止阀(1)，用于暂时中断燃料电池系统中的燃料电池堆的空气供给，所述截止阀包括能够在柱形的壳体孔(2)中往复运动的阀活塞(3)，所述阀活塞能够通过弹簧(4)的弹簧力朝密封座(5)的方向预紧，其中，根据所述阀活塞(3)的轴向位置，建立或中断空气入口通道(6)与空气出口通道(7)的连接。根据本发明，所述阀活塞(3)在所述壳体孔(2)内一端限界弹簧室(8)，而另一端限界控制腔室(9)，所述弹簧室接收所述弹簧(4)并且被加载以环境压力，所述控制腔室能够通过控制阀(10)与所述空气入口通道(7)连接。此外，本发明涉及一种具有根据本发明的截止阀(1)的燃料电池系统。

Description

用于燃料电池系统的截止阀，燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分的特征的截止阀，用于暂时中断燃料电池系统中的燃料电池堆的空气供给。本发明还涉及一种具有这种截止阀的燃料电池系统。
背景技术
在燃料电池系统中需要在停止时中断燃料电池堆与空气供给装置的连接的阀。由此应防止空气或氧气继续到达布置在阴极和阳极之间的隔膜的阴极侧上。因为空气或氧气会通过隔膜从阴极侧扩散到阳极侧上，并且因此在系统重启时出现“空气对空气启动(Air-to-Air Start)”，其对于燃料电池系统是有害的。
借助所谓的截止阀可以引起空气供给的中断。这些截止阀可以被动地动作或主动地被控制。使用被动式阀，例如呈简单的止回阀的形式，是一种成本有利的解决方案。然而，在关闭方向上作用的弹簧的设计经证明是困难的，因为弹簧力一方面必须足够大，以便保持止回阀可靠地关闭，另一方面不能太大，以便阀的打开在系统重启时不会延迟。因为在空气供给中断之后，应尽快再次达到100％的空气流量，以避免燃料电池中的暂时的局部差，该局部差可能导致系统退化。此外，经典的止回阀也只能在一个流动方向上使用并且带来增加的压力损失。在主动控制的情况下需要附加的促动器经证明为不利的，使得提高了安装空间需求。
发明内容
本发明的任务是给出一种用于中断燃料电池系统中的燃料电池堆的空气供给的截止阀，该截止阀克服被动和主动控制的截止阀的上述缺点。该任务通过具有权利要求1特征的截止阀来解决。本发明的有利扩展方案可以由从属权利要求得到。此外给出一种具有这种截止阀的燃料电池系统。
本发明提出一种用于暂时中断燃料电池系统中的燃料电池堆的空气供给的截止阀。该截止阀包括阀活塞，该阀活塞能够在柱形的壳体孔中往复运动并且通过弹簧的弹力朝密封座的方向预紧。根据阀活塞的轴向位置，建立或中断空气入口通道和空气出口通道之间的连接。根据本发明，阀活塞在壳体孔内一端限界接收弹簧并加载以环境压力的弹簧室，而在另一端限界通过控制阀与空气入口通道连接的控制腔室。
借助控制阀主动地控制所提出的截止阀。为此，控制阀利用借助截止阀待接通的空气流作为执行能。因为不是主流，而是仅小的旁流或控制流必须被接通，所以可以使用相对较小的控制阀。尤其与直接开关相比，附加的安装空间需求仅略微增加。与被动控制阀相比，所提出的截止阀的优点是，即使在空气供给系统已经提高运行时仍然可以主动关闭截止阀。这导致在系统应用方面的更大灵活性。
在本发明的扩展方案中提出，控制腔室能够通过控制阀或通过节流器卸载压力。通过控制阀或节流器卸载压力促使用于关闭截止阀所需的控制腔室和弹簧室之间的压力平衡，从而使截止阀更快地关闭。如果控制腔室能够通过节流器卸载压力，则该节流器优选地构造在流出通道中或在将控制腔室与弹簧室连接的连接通道中。连接通道例如可以由贯穿阀活塞的轴向孔形成。
设置为用于主动控制截止阀的控制阀优选是2/2换向阀或3/2换向阀。如果控制阀仅应用于接通朝截止阀的控制腔室的方向的控制流，则简单的2/2换向阀就足够了。如果通过控制阀同时应引起控制腔室的压力卸载，则作为3/2换向阀的实施方式是合适的。通过控制阀的另一接头可以将控制腔室连接到流出通道上。
此外提出，密封座具有基本上相应于阀活塞的导向直径的座直径。因为在截止阀关闭时，在空气出口通道的区域中可能出现负压，该负压施加额外的关闭力到阀活塞上并且因此对截止阀的打开特性产生负面影响。然而，如果选择座直径近似地等于导向直径，则可以使该负面效应最小化。
此外，阀活塞优选地具有外周侧的环形槽，用于将空气出口通道与空气出口通道连接。通过环形槽能够将密封座设定到基本上相应于阀活塞的导向直径的座直径上。如果在截止阀关闭时在空气出口通道的区域中和从而在环形槽中出现负压，则截止阀的开启特性由此很大程度上不受影响。
根据本发明的一个优选实施方式，阀活塞具有用于形成与密封座共同作用的密封面的环形凸缘。该环形凸缘也有助于使密封座的座直径可以基本上相应于阀活塞的导向直径。为了提高密封座中的密封效果，环形凸缘上的密封面例如可以圆锥形或球形地成型。在球形造型的情况下，外轮廓可以是凹形或凸形弯曲的。在所有这些情况下，当阀活塞被调设到密封座中时，发生线性的环形密封接触。形成密封面的环形凸缘优选地直接邻接于阀活塞的环形槽。
此外提出，环形凸缘在背离密封面的一侧上形成止挡面，该止挡面与壳体侧的行程止挡共同作用。阀活塞的第一端部位置通过与壳体侧密封座结合地构造在环形凸缘上的密封面预给定，但也构造在环形凸缘上的止挡面与行程止挡结合地限定第二端部位置。阀活塞因此在两个端部位置之间往复运动。即阀活塞的行程受限制。以这种方式促进截止阀的快速关闭。
此外优选地，接收阀活塞的壳体孔具有呈环形槽形式的扩宽部，用于接收阀活塞的环形凸缘和/或用于形成行程止挡。环形槽能够实现柱形的壳体孔，该壳体孔除了环形槽的区域外连续地具有相同的内直径，用于引导阀活塞。此外，必要时由环形槽构成的行程止挡优选地与在阀活塞的环形凸缘上形成的止挡面共同作用，如果设置了这样的止挡面的话。
有利地，阀活塞具有至少一个外周侧的环形槽，密封环接收在该环形槽中。通过至少一个密封环引起控制腔室和/或弹簧室在柱形壳体孔内的密封。因此，阀活塞优选地在其两端区域中分别具有环形槽，该环形槽具有接收在其中的密封环。以这种方式实现控制腔室和弹簧室的密封。
此外提出的燃料电池系统的特点在于，其包括根据本发明的用于暂时中断燃料电池堆的空气供给的截止阀。该截止阀确保在关停情况下没有空气和氧气进入到燃料电池堆的阴极侧。
附图说明
下面根据附图更详细地阐述本发明的优选实施方式。附图示出了：
图1根据本发明的第一截止阀的示意性纵截面，
图2根据本发明的第二截止阀的示意性纵截面，和
图3根据本发明的第三截止阀的示意性纵截面。
具体实施方式
在图1中所示的截止阀1用于暂时中断对燃料电池系统中的燃料电池堆的空气供给。为此，截止阀1包括可往复运动地接收在柱形的壳体孔2中的阀活塞3，该阀活塞在壳体孔2内限界弹簧室8，在该弹簧室中接收有弹簧4。通过弹簧4的弹簧力将阀活塞3在轴向方向上，即沿纵轴线A的方向抵着壳体侧的密封座5预紧。弹簧室8通过通道22与周围环境连接，使得在弹簧室8中存在环境压力。在背离弹簧室8的一侧上，阀活塞3在壳体孔2内限界控制腔室9，该控制腔室通过控制阀10连接到空气入口通道6上，使得在控制腔室9中存在与空气入口通道6中相同的压力，即供给压力。该供给压力高于环境压力并且因此引起将阀活塞3抵抗弹簧4的弹簧力保持在打开位态中的打开力。在该位态中建立空气入口通道6与空气出口通道7的连接，使得空气被供应给燃料电池系统的燃料电池堆(未示出)。
在图1中，实施为2/2换向阀的控制阀10关闭。在控制阀10关闭时，控制腔室9中的压力相应于环境压力，因为该压力通过构造在流出通道12中的节流器11适配于周围环境。因此阀活塞3处于压力平衡状态下，使得弹簧4的弹簧力将阀活塞3压到密封座5中。在此，在阀活塞3的环形凸缘15上形成的密封面16贴靠在密封座5上。因为密封面16锥形地成型，所以密封接触是线形或环形的。在该位态，即关闭位态中，空气入口通道6和空气出口通道7之间的连接中断。即不再给燃料电池系统的燃料电池堆供应空气。
如果燃料电池系统或空气供应再次提高，则控制阀10打开，使得控制腔室9加载以在空气入口通道6中存在的供给压力。控制腔室9中的压力升高，使得引起作用到阀活塞3上的打开力，该打开力克服弹簧4的弹力将阀活塞3从密封座5抬起。通过阀活塞3的打开行程建立空气入口通道6与空气出口通道7之间的连接，具体而言通过在阀活塞3中形成的外周侧的环形槽14。在此，阀活塞3的打开行程通过壳体侧的行程止挡18限制，该行程止挡通过扩宽壳体孔2的环形槽19构成并且与在阀活塞3上形成的止挡面17共同作用。
通过设置在阀活塞3上的外周侧的环形槽14，密封座5的座直径Ds可以选择得与阀活塞3的导向直径DF基本上相同。如果在截止阀1关闭时，在空气出口通道7的区域中和从而在环形槽14中出现负压，则以这种方式使附加地作用到阀活塞3上的关闭力最小化。因此，截止阀1的打开特性不会或仅略微受负面影响。
此外，阀活塞3具有另外两个环形槽20，在这两个环形槽中分别接收有一个密封环21。通过密封环21将控制腔室9以及弹簧室8相对于壳体孔2密封。
从图2中得到根据本发明的另一截止阀1。该截止阀与图1的截止阀的不同之处在于，节流器11没有布置在流出通道12中，而是布置在连接通道13中，该连接通道在轴向方向上贯穿阀活塞3并且因此在控制腔室9和弹簧室8之间建立连接。连接通道13加速了用于关闭截止阀1所需的在控制腔室9和弹簧室8之间的压力平衡，从而使截止阀1更快地关闭。
代替通过节流器11，也可以通过流出通道12'引起压力平衡，该流出通道能够通过控制阀10与控制腔室9连通。该实施方式在图3中示例性地示出。为此，控制阀10实施为3/2换向阀。

Claims (10)

1.一种截止阀(1)，用于暂时中断燃料电池系统中的燃料电池堆的空气供给，所述截止阀包括能够在柱形的壳体孔(2)中往复运动的阀活塞(3)，所述阀活塞通过弹簧(4)的弹簧力朝密封座(5)的方向预紧，其中，根据所述阀活塞(3)的轴向位置建立或中断空气入口通道(6)与空气出口通道(7)之间的连接，
其特征在于，所述阀活塞(3)在所述壳体孔(2)内一端限界弹簧室(8)，而另一端限界控制腔室(9)，所述弹簧室接收所述弹簧(4)并且被加载以环境压力，所述控制腔室能够通过控制阀(10)与所述空气入口通道(7)连接。
2.根据权利要求1所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述控制腔室(9)能够通过所述控制阀(10)或通过节流器(11)卸载压力，其中，所述节流器(11)优选地构造在流出通道(12)中或构造在将所述控制腔室(9)与所述弹簧室(8)连接的连接通道(13)中。
3.根据权利要求1或2所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述控制阀(10)是2/2换向阀或3/2换向阀。
4.根据前述权利要求中任一项所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述密封座(5)具有座直径(Ds)，该座直径基本上相应于所述阀活塞(3)的导向直径(DF)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述阀活塞(3)具有外周侧上的环形槽(14)，用于将所述空气入口通道(6)与所述空气出口通道(7)连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述阀活塞(3)具有环形凸缘(15)，用于形成与所述密封座(5)共同作用的密封面(16)，其中，所述环形凸缘(15)优选地直接邻接于所述环形槽(14)。
7.根据权利要求6所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述环形凸缘(15)在背离所述密封面(16)的一侧上形成止挡面(17)，该止挡面与壳体侧的行程止挡(18)共同作用。
8.根据权利要求6或7所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述壳体孔(2)具有呈环形槽(19)形式的扩宽部，用于接收所述阀活塞(3)的环形凸缘(15)和/或用于形成所述行程止挡(18)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述阀活塞(3)具有至少一个外周侧上的环形槽(20)，在该外周侧上的环形槽中接收有密封环(21)。
10.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的截止阀(1)的燃料电池系统，用于暂时中断燃料电池堆的空气供给。
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