CN115023836A - 用于燃料电池系统的压力控制的截止阀，燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种压力控制的截止阀(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，所述控制腔室连接到所述空气入口通道(7)上。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压力控制的截止阀，燃料电池系统
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分的特征的压力控制的截止阀，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压力控制的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。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。这些截止阀通常被主动操控，以便中断空气供给。为此需要促动器，该促动器需要额外的安装空间并且导致附加的成本。原则上也可以使用被动式阀，例如呈简单的止回阀的形式，其仅通过作用的压力或存在的流动条件控制。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。
发明内容
因此，本发明的任务在于，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阀，该阀会克服上述缺点。为了解决该任务，提出具有权利要求1特征的截止阀。本发明的有利扩展方案可以在从属权利要求中得到。此外，给出一种具有这种截止阀的燃料电池系统。
本发明提出一种压力控制的截止阀，用于暂时中断燃料电池系统中的燃料电池堆的空气供给。该压力控制的截止阀包括阀活塞，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与空气出口通道的连接。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，而另一端限界连接到空气入口通道上的控制腔室。
通过使用压力控制的、即被动式的截止阀可以节省安装空间和成本。待接通的空气流用作执行能，因此该空气流同时是信息发生器。因此可以省去具有电连接装置的电执行器。
在关停情况下，截止阀的控制腔室不再被加载以高于环境压力的供给压力，而是仅加载以环境压力。因为在另一端在阀活塞上也存在环境压力，所以阀活塞几乎是压力平衡的。因此，阀活塞通过作用在另一端的弹簧的弹力被调设到密封座中，使得中断空气入口通道和空气出口通道之间的连接。如果燃料电池系统随后又提高运行，则截止阀的控制腔室重新加载以供给压力。该供给压力引起气动的压力，该压力大于在另一端作用到阀活塞上的力，使得将阀活塞从密封座抬起。
与简单的止回阀相比，所提出的截止阀在两个流动方向上起作用。即在关闭位态中，来自空气入口通道的空气不进入到空气出口通道中，并且来自空气出口通道的空气也不进入到空气入口通道中。
在本发明的扩展方案中提出，密封座具有基本上相应于阀活塞的导向直径的座直径。该措施有助于截止阀的打开特性不会或至少不显著地受负面影响。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。然而，该效应在至少近似相同直径的情况下是最小的。
此外，阀活塞优选地具有外周侧上的环形槽，用于将空气出口通道与空气出口通道连接。环形槽能够实现密封座的相应于阀活塞的导向直径的座直径。如果在截止阀关闭时在空气出口通道的区域中出现负压，则负压也在环形槽中出现。然而，截止阀的开启特性由此几乎不受负面影响。
根据本发明的一个优选实施方式，阀活塞具有环形凸缘，用于形成与密封座共同作用的密封面。环形凸缘也有助于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锥形或球形地成型。在球形造型的情况下，外轮廓可以凹形或凸形地弯曲。在所有这些情况下，当阀活塞被调设到密封座中时，出现线性环形的密封接触。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。
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。
替代地提出，壳体孔具有至少一个扩宽的环形槽，密封环接收在该环形槽中。以这种方式也可以实现密封。
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。
该附图示出了根据本发明的截止阀的示意性纵截面。
具体实施方式
在附图中所示的用于燃料电池系统的压力控制的截止阀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18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，阀活塞3在壳体孔2内限界控制腔室9，该控制腔室连接到空气入口通道6处，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)。
如果燃料电池系统关停，控制腔室9中的压力下降到环境压力。因此，在控制腔室9中存在与在弹簧室8中相同的压力并且阀活塞3几乎是压力平衡的。弹簧4的弹簧力现在能够将阀活塞3调设到密封座5中。在此，在阀活塞3的环形凸缘10上形成的密封面11贴靠在密封座5上。因为密封面11锥形地成型，所以密封接触是线形或环形的。在该位态中，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。
在关闭位态中，在空气出口通道7的区域中出现负压，该负压引起作用到阀活塞3上的进一步的关闭力，使得对截止阀1的开启特性产生负面影响。为了抵消这一点，座直径Ds选择为基本上等于阀活塞3的导向直径DF。此外，在阀活塞3中形成在与环形凸缘10邻接的外周侧上的环形槽13，通过该环形槽能够在截止阀1的打开位态中建立空气入口通道6与空气出口通道7的连接。
在背离密封面11的一侧上，阀活塞3的环形凸缘10构成止挡面12，该止挡面与壳体侧的行程止挡14共同作用。行程止挡14通过扩宽壳体孔2的环形槽15形成，在该环形槽中接收有阀活塞3的环形凸缘10。由此确保了阀活塞3尽管具有环形凸缘10仍可以往复运动，其中，一方面密封座5和另一方面行程止挡14限定阀活塞3的各端部位置。
在附图中所示的阀活塞3具有另外两个环形槽16，在这两个环形槽中分别接收有一个密封环17。通过密封环17将控制腔室9和弹簧室8相对于壳体孔2密封。

Claims (9)

1.一种压力控制的截止阀(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)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，所述控制腔室连接到所述空气入口通道(7)上。
2.根据权利要求1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)。
3.根据权利要求1或2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(15)，用于将所述空气入口通道(6)与所述空气出口通道(7)连接。
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，所述阀活塞(3)具有环形凸缘(10)，用于形成与所述密封座(5)共同作用的密封面(11)，其中，所述环形凸缘(10)优选地直接邻接于所述环形槽(15)。
5.根据权利要求4所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述环形凸缘(10)在背离所述密封面(11)的一侧上形成止挡面(12)，该止挡面与壳体侧的行程止挡(14)共同作用。
6.根据权利要求4或5所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述壳体孔(2)具有呈环形槽(13)形式的扩宽部，用于接收所述阀活塞(3)的环形凸缘(10)和/或用于形成所述行程止挡(14)。
7.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(16)，在该外周侧上的环形槽中接收有密封环(17)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的截止阀(1)，
其特征在于，所述壳体孔(2)具有至少一个扩宽的环形槽，在该扩宽的环形槽中接收有密封环(17)。
9.一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，用于暂时中断对燃料电池堆的空气供给。
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