CN116209848A - 燃料电池系统和用于在燃料电池系统中调节氧气的阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在燃料电池系统(11)中调节氧气的阀(10)，包括阀壳体(12)和阀杆(15)，所述阀壳体具有阀座(13)和在所述阀座(13)上的贯通开口(14)，所述阀杆具有构造在其上的阀盘(16)，用于在阀(10)的封闭状态下封闭所述阀座(13)上的贯通开口(14)，并且在阀(10)的释放状态下释放所述贯通开口(14)，和包括调节器件(17)，所述调节器件用于所述阀盘(16)在打开状态下的打开位置和封闭状态下的封闭位置之间的线性运动，在打开状态下，所述阀盘(16)与所述阀座(13)间隔开地定位；在所述封闭状态下，所述阀盘(16)定位在所述阀座(13)上，以及所述调节器件用于使所述阀盘(16)在所述打开位置和释放状态下的释放位置之间枢转得旋转运动，在所述释放状态下，所述阀盘(16)的至少一部分比在所述打开位置中与所述阀座(13)更远地间隔开。本发明还涉及具有至少一个根据本发明的阀(10)的燃料电池系统(11)。

Description

燃料电池系统和用于在燃料电池系统中调节氧气的阀

技术领域

本发明涉及一种用于在燃料电池系统中调节氧气的阀，包括具有阀壳体和阀杆，所述阀壳体具有阀座和在阀座处的贯通开口，所述阀杆具有构造在其上的阀盘，用于在阀的封闭状态下封闭在阀座处的贯通开口和用于在阀的释放状态下释放贯通开口。本发明还涉及一种具有这种阀的燃料电池系统。

背景技术

此类阀在燃料电池系统中与空气供应系统结合地使用，用于调节向燃料电池系统的燃料电池堆叠的氧气或空气供应。阀是保护系统的重要组成部分，该保护系统用于防止向燃料电池堆叠供应过量的氧气或空气，例如在调低和/或停止燃料电池系统时。在燃料电池系统的运行期间，阀负责向燃料电池堆叠供应氧气，并且在燃料电池系统的关闭和/或停用状态下，必须借助阀确保没有氧气或尽可能少的氧气到达燃料电池堆叠。

在已知的燃料电池系统中通常使用简单的执行阀或截止阀，其中阀盘沿着线性运动压到阀座上，以便将阀切换到封闭状态中，并且阀盘沿着相反的线性运动与阀座间隔开，以便将阀切换到释放状态中。这些阀必须能够实施长的线性行程用于实现小的压力降，以便释放足够的通流横截面。这导致大的安装空间，尤其对于具有大的标称直径的阀。

对于在已知的燃料电池系统中的氧气调节，还已知蝶阀和/或相应的节流阀。该阀类型的优点在于，阀在释放位置中释放大的管路横截面。此外，这些阀可以相对紧凑地构造。然而，在这些阀的运行期间，大的剪切应力作用到所使用的密封件上。这会导致空气回路被磨粒污染并且导致相对较短的产品使用寿命。此外，制造具有高密封性的蝶阀是困难的和/或昂贵的。

发明内容

在本发明的范畴内，现在提供一种改进的阀和具有这种阀的燃料电池系统。尤其提出根据权利要求1所述的阀和相关的根据权利要求10所述的燃料电池系统。本发明的另外的实施方式由从属权利要求、说明书和附图得出。在此，结合阀所描述的特征当然也适用于结合根据本发明的燃料电池系统，反之亦然，使得关于本发明各个方面的公开总是相互引用和/或能够引用。

根据本发明的第一方面，在燃料电池系统中提供用于调节氧气的阀。该阀具有阀壳体和阀杆，所述阀壳体具有阀座和在阀座处的贯通开口，所述阀杆具有在其上构型的阀盘，用于在阀的封闭状态下封闭在阀座处的贯通开口，并且在阀的释放状态下释放贯通开口。该阀还包括调节器件，用于阀盘在打开状态下的打开位置(阀盘与阀座间隔开地定位)和封闭状态下的封闭位置(阀盘定位在阀座上)之间的线性运动，以及用于阀杆的旋转运动，以便阀盘在打开位置和释放状态下的释放位置之间枢转，在所述释放状态下，阀盘的至少一部分比在打开位置中与阀座更远地间隔开。

通过线性运动和枢转运动的组合，借助根据本发明的调节器件可以在释放状态下实现通过贯通开口的相对较大的贯通横截面和在封闭状态下通过阀盘在阀座上实现相应地高的按压力，用于相应地大的密封效果。这种组合借助已知的阀至少以可比较的成本和/或复杂性到目前为止不能实现。到目前为止，在燃料电池系统中用于氧气调节的此类阀始终关注于阀盘的一种运动类型或其它运动类型。与已知的蝶阀(其中阀盘或节流阀瓣绕着中心轴线和/或轴旋转或转动)相比，阀盘通过所提出的调节器件，优选通过相对于阀盘偏心和/或与阀盘间隔开地布置的枢转轴线枢转。即阀可以具有相对于阀盘偏心地定位的和/或相对于阀盘间隔开的枢转轴线，该阀盘绕着所述枢转轴线在打开状态或相应的打开位置与释放状态或相应的释放位置之间可枢转地定位和/或构型。由此可以防止，阀盘在释放状态下居中地定位在贯通开口中并且在那里导致在阀中引导的流体湍流。相反地，当前阀的阀盘可以枢转到贯通开口的边缘区域中。通过将阀盘枢转到释放状态或释放位置中，还可以进一步增大在打开状态下的现有打开区域。

氧气调节可以理解为对含氧流体、尤其空气的调节。因此，阀配置和构型为尤其用于燃料电池系统中的空气调节。调节可以理解为控制和/或调节从氧气源到燃料电池系统的燃料电池堆叠的氧气供应和/或控制和/或调节从燃料电池堆叠返回到氧气源和/或燃料电池堆叠的周围环境中的氧气排出。

调节器件配置和构型为用于阀盘在打开状态或打开位置与封闭状态或封闭位置之间的线性运动，可以理解为，该调节器件配置和构型为用于将阀盘从阀座间隔开以释放贯通开口和/或用于将阀从封闭状态调节到打开状态中以及用于将阀盘定位和/或按压到阀座上以封闭贯通开口和/或用于将阀从打开状态调节到封闭状态中。释放贯通开口可以理解为将阀盘与阀座间隔开，由此氧气或含氧流体如空气可以通过贯通开口流动。封闭贯通开口可以理解为将阀盘按压到阀座上，由此可以防止氧气或含氧流体如空气通过贯通开口的流动。

阀壳体具有壳体容积，其中，阀盘和阀杆定位在壳体容积中。尤其，阀杆优选地完全位于壳体容积中和/或延伸不超过阀壳体的外壁。

根据本发明的另一实施方式可以是，在阀中，调节器件具有齿轮并且阀杆具有齿条区段，其中，齿轮针对阀盘的线性运动而与齿条区段啮合。由此可以实现简单且成本低的解决方案，用于实现所希望的线性运动。此外，这种解决方案可以节省空间地实现。阀可以具有一个轴，齿轮抗扭地安装在该轴上，并且齿轮能够通过该轴在阀中转动。为了转动齿轮，齿轮可以通过轴与驱动马达作用连接。齿条区段可以理解为线性和/或笔直延伸的齿部区段。因此，齿条区段不强制必须构型为杆形。

此外可以是，在根据本发明的阀中，调节器件具有针对阀杆的旋转运动的基体，用于在线性运动期间引导阀杆和用于在旋转运动期间固定阀杆的导向器件，以及对于旋转运动而用于将齿轮锁止在基体上的锁止器件。因此，线性运动和旋转运动可以节省空间地并且借助简单的机械器件实现。基体和阀杆可以分别板状地构型并且构型为彼此接触，尤其彼此直接接触和/或彼此齐平地接触。基体的外表面和阀杆的外表面可以相互平行地布置。导向器件可以具有多个彼此间隔开的导向元件。特别优选地，导向器件包括四个导向销，这些导向销展开一个假想的矩形。两个导向销对之间的距离分别优选地相应于阀杆的宽度或略大于阀杆的宽度。在旋转运动期间固定阀杆可以理解为在旋转运动期间防止阀杆与基体和/或与齿轮的相对运动。

此外可以是，在根据本发明的阀中，锁止器件销形地构型。因此，锁止器件能够特别节省空间和成本低地构型在阀中。锁止器件优选凸起状地从齿轮的侧面平行于上述枢转轴线和/或平行于轴的上述旋转轴线延伸。即锁止器件的纵轴线可以与齿轮的旋转轴线平行和/或间隔开地延伸。锁止器件为了锁止齿轮优选能够沿锁止器件的纵向方向和/或沿上述枢转轴线的纵向方向来回移动。为此，阀可以具有移动器件，用于移动，尤其用于锁止器件沿着锁止器件的纵向方向自动地移动，用于将齿轮锁止在基体上以进行旋转运动。上述轴可以至少穿过基体的贯通开口的一部分延伸。齿轮也可以布置在贯通开口中。因此，阀可以特别紧凑地构型。

此外，在根据本发明的阀中，导向器件可以凸起状地从基体突出。导向器件尤其具有多个彼此间隔开的导向销，这些导向销凸起状地从调节器件的基体的外表面突出。因此，导向器件能够简单且成本低地实现。导向器件优选固定在基体上。尤其，导向器件，例如呈多个导向销的形式，可以构型为基体的集成的和/或整体的组成部分。

根据本发明的另一构型变型，调节器件可以在阀中对于阀杆的旋转运动配置为用于使阀盘在30°至最大180°之间的范围内枢转。通过该限制可以防止阀盘过度旋转

和从而在阀上和/或阀中的损坏。尤其，调节器件可以在阀中对于阀杆的旋转运动配置和构型为用于使阀盘在80°至最大100°之间的范围内枢转。根据一个优选的扩展方案，阀可以为此具有阻挡器件，用于在阀盘的封闭位置中阻挡阀盘的旋转运动。因此不但可以防止阀盘超过最大枢转角度的过度旋转或过量枢转，而且可以防止当阀盘仍位于阀座上时阀盘的意外扭转。因此，通过阻挡器件可以实现对于阀的提高的运行安全性。此外，当阀处于封闭状态下时，通过阻挡器件可以实现阀盘稳定地定位在阀座上。阻挡器件优选地配置和构型为用于在阀盘的封闭状态下阻挡旋转运动并且在此或同时用于能够实现线性运动。

此外，在根据本发明的阀中，在阀杆上可以构型用于与用于阻挡旋转运动的阻挡器件力锁合和/或形状锁合地连接的阻挡器件接收部。因此，还可以改善上述对于阻挡器件所描述的功能。尤其，在封闭状态下，阀盘因此可以特别可靠地保持在阀座上。阻挡器件接收部可以构型为在阀杆中和/或阀杆上的侧凹部(Hinterschneidnung)、凹槽、沟槽和/或凹陷部。在阻挡器件接收部上可以构型具有导向半径的导向面，用于在阀盘枢转期间将阻挡器件引入到阻挡器件接收部中。

根据本发明的另一构型变型可以是，在阀处于释放状态中时，阀盘的至少一部分穿过阀座平面延伸并延伸到贯通开口中。因此，阀盘可以用作有效的流体引导面，用于改善地引导氧气和/或含氧流体通过阀壳体。因此，阀盘可以满足相应的双重功能。在阀处于释放状态中时，阀盘的至少一部分穿过阀座平面延伸并延伸到贯通开口中，可以理解为，在阀杆转动并且阀盘最大枢转用于产生最大可能的贯通开口或最大可能的流体贯通横截面的释放状态中，阀盘的至少一部分穿过阀座平面延伸到贯通道开口中和/或远离调节器件地超过阀座平面延伸。

根据本发明的另一方面，提出一种燃料电池系统，其具有燃料电池堆叠、氧气源和至少一个如上详细所述的用于调节燃料电池堆叠与氧气源之间的氧气输送的阀。因此，根据本发明的燃料电池系统带来了与参照根据本发明的阀详细描述的相同的优点。燃料电池系统尤其具有两个所提到的阀，其中，一个阀提供用于从氧气源向燃料电池堆叠的氧气供应，另一个阀提供用于从燃料电池堆叠向氧气源的氧气排出。

附图说明

改进本发明的另外的措施由下面对本发明的不同实施例的描述得出，这些实施例在附图中示意性地示出。由权利要求、说明或附图突出的所有特征和/或优点，包含结构上的细节和空间布置不但单独地而且以不同的组合对于本发明是重要的。

附图分别示出了：

图1：根据本发明第一实施方式的阀在释放状态下的示意性立体视图；

图2：根据本发明第一实施方式的阀在封闭状态下的示意性立体视图；

图3至图6：用于阐述将根据本发明的阀从封闭状态调节到释放状态中以及从释放状态调节到封闭状态中的调节过程的截面图，和

图7：用于示出根据本发明的燃料电池系统的方框图。

具有相同功能和作用方式的元件在附图中分别具有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出根据一个优选实施方式的用于在图7所示的燃料电池系统11中进行氧气调节的阀10。所示的阀10具有阀壳体12，该阀壳体具有阀座13和在阀座13处的贯通开口14。阀10还具有阀杆15，该阀杆具有构型在其上的阀盘16，用于在阀10的封闭状态下封闭在阀座13处的贯通开口14，并且用于在阀10的释放状态下释放贯通开口14。此外，阀10包括调节器件17，用于阀盘16在打开状态下的打开位置(其中阀盘16与阀座13间隔开地定位)和封闭状态下的封闭位置(其中阀盘16定位在阀座13上)之间的线性运动，以及用于阀杆15的旋转运动，以便阀盘16在打开位置和释放状态下的释放位置之间枢转，在所述释放状态下，阀盘16的至少一部分比在打开位置中与阀座13更远地间隔开。所示的阀10还具有齿轮18，该齿轮固定在轴20上。

图1所示的阀10处于释放状态下，在该释放状态下，阀盘16处于释放位置中，即与阀座13间隔开。图2所示的阀10处于封闭状态下，在该封闭状态下，阀盘16处于封闭位置中，即在阀座13上。

参照图3至图6，接下来描述两种不同的调节过程。首先将阀10从封闭状态调节到释放状态中，然后将阀10从释放状态调节回封闭状态中。

在图3中，阀10处于封闭状态下。如在图3中还可看到，调节器件17具有齿轮18并且阀杆15具有齿条区段19，其中，齿轮18对于阀盘16的线性运动而与齿条区段19啮合。调节器件17还具有用于阀杆15的旋转运动的基体23、用于在线性运动期间引导阀杆15和在旋转运动期间固定阀杆15的具有四个导向销的导向器件21，以及对于所述旋转运动而用于将齿轮18锁止在基体23上的销形的锁止器件22。此外，阀10具有销形的阻挡器件24，用于在阀盘16的封闭位置中阻挡阀盘16的旋转运动。此外，在阀杆15上构型阻挡器件接收部25，该阻挡器件接收部呈具有带有曲率半径的导向面的侧凹部形式，为了与用于阻挡旋转运动的阻挡器件24力锁合和形状锁合的连接。

为了将阀10调节到打开状态中，阀盘16，如在图4中所示地，通过转动齿轮18首先从阀座13抬起。即阀盘16从图3所示的封闭位置线性运动到图4所示的打开位置中。在此，阻挡器件24从阻挡器件接收部25中运动或阻挡器件接收部25为了释放阀杆15从阻挡器件24中运动，以便进行阀杆15的旋转运动。现在，齿轮18通过锁止器件22固定在基体23上。到目前为止仅松动地支承在轴20上的基体23现在也可以通过轴转动。通过轴20的转动，尤其是借助驱动马达，不但齿轮18和基体23，而且阀杆15和从而阀盘16也通过导向器件21转动，如图5所示的地，从打开位置枢转约90°到释放位置中。阀最终达到的释放状态如图6所示。如在图6中所示地，在释放状态下，阀盘16的一部分穿过阀座平面26延伸并且延伸到贯通开口14中。

如果现在要将阀10又调节到封闭状态中，则将阀盘16首先从释放位置又枢转回到打开位置中，直到阀杆15在该阀杆15的止挡位置处碰撞在阻挡器件24上和/或贴靠在那里。现在，在齿轮18通过轴20继续旋转时，锁止器件22对于所述线性运动而压抵着基体23的棱边或配合面，并且因此，锁止器件22从基体23松开或者说基体23和齿轮18之间的机械连接由锁止器件22通过锁止器件22沿该锁止器件22的纵向方向的线性运动取消。然后，齿轮18通过轴20和驱动马达旋转，由此引起阀盘16从打开位置返回到封闭位置中的线性运动。阻挡器件24在此又运动回到阻挡器件接收部25中。

在图7中示出具有燃料电池堆叠27、氧气源28和两个上面详细描述的用于调节燃料电池堆叠27和氧气源28之间的氧气输送的阀10的燃料电池系统11。一个阀10提供作为入口阀，用于向燃料电池堆叠27受调节地供应含氧流体、尤其是空气，另一个阀10提供作为出口阀，用于将含氧流体从燃料电池堆叠27受调节地排出。

除所示的实施方式外，本发明还允许另外的构型原则。即本发明不应局限于参照附图阐述的实施例。

Claims (10)

1.一种用于在燃料电池系统(11)中调节氧气的阀(10)，包括阀壳体(12)和阀杆(15)，所述阀壳体具有阀座(13)和在所述阀座(13)处的贯通开口(14)，所述阀杆具有构造在其上的阀盘(16)，用于在阀(10)的封闭状态下封闭在所述阀座(13)处的贯通开口(14)，并且在阀(10)的释放状态下释放所述贯通开口(14)，

其特征在于，

设置调节器件(17)，所述调节器件用于所述阀盘(16)在打开状态下的打开位置和封闭状态下的封闭位置之间的线性运动，在所述打开状态下，所述阀盘(16)与所述阀座(13)间隔开地定位，在所述封闭状态下，所述阀盘(16)定位在所述阀座(13)上，以及所述调节器件用于所述阀杆(15)的旋转运动，以便所述阀盘(16)在所述打开位置和释放状态下的释放位置之间枢转，在所述释放状态下，所述阀盘(16)的至少一部分比在所述打开位置中与所述阀座(13)更远地间隔开。

2.根据权利要求1所述的阀(10)，

其特征在于，

所述调节器件(17)具有齿轮(18)，并且所述阀杆(15)具有齿条区段(19)，其中，所述齿轮(18)为了所述阀盘(16)的线性运动而与所述齿条区段(19)啮合。

3.根据前述权利要求中任一项所述的阀(10)，

其特征在于，

所述调节器件(17)具有基体(23)、导向器件(21)和锁止器件(22)，所述基体用于所述阀杆(15)的旋转运动，所述导向器件用于在所述线性运动期间引导所述阀杆(15)和用于在所述旋转运动期间固定所述阀杆(15)，所述锁止器件为了所述旋转运动而用于将所述齿轮(18)锁止在所述基体(23)上。

4.根据权利要求3所述的阀(10)，

其特征在于，

所述锁止器件(22)销形地构型。

5.根据权利要求3至4中任一项所述的阀(10)，

其特征在于：

所述导向器件(21)凸起状地从所述基体(23)突出。

6.根据权利要求3至4中任一项所述的阀(10)，

其特征在于，

所述调节器件(17)为了所述阀杆(15)的旋转运动而配置为用于使所述阀盘(16)在30°至最大180°之间的范围内枢转。

7.根据前述权利要求中任一项所述的阀(10)，

其特征在于，

设置阻挡器件(24)，用于在所述阀盘(16)的封闭位置中阻挡该阀盘(16)的旋转运动。

8.根据权利要求7所述的阀(10)，

其特征在于，

在所述阀杆(15)上构型阻挡器件接收部(25)，以便与阻挡器件(24)力锁合和/或形状锁合地连接，用于阻挡所述旋转运动。

9.根据前述权利要求中任一项所述的阀(10)，

其特征在于，

在所述释放状态下，所述阀盘(16)的至少一部分穿过阀座平面(26)延伸并且延伸到所述贯通开口(14)中。

10.一种燃料电池系统(11)，具有燃料电池堆叠(27)，氧气源(28)和至少一个根据前述权利要求中任一项所述的阀(10)，所述阀用于调节所述燃料电池堆叠(27)和所述氧气源(28)之间的氧气输送。

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