CN116464800A - 阀装置、燃料电池组件和燃料电池运行的车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阀装置，尤其用于控制燃料电池组件中的气体流动，阀装置具有阀壳体，在阀壳体中布置有能沿纵轴线并且通过促动器运动的阀元件，阀元件具有第一盘状区域和第二盘状区域，第一盘状区域分别与第一阀座和第二阀座共同作用，用于打开和关闭燃料电池堆叠区域与排气系区域之间或空气流体机械区域与排气系区域之间或空气流体机械区域与燃料电池堆叠区域之间的气体流动，并且第二盘状区域分别与第三阀座和第四阀座共同作用，用于打开和关闭燃料电池堆叠区域与排气系区域之间或空气流体机械区域与排气系区域之间或空气流体机械区域与燃料电池堆叠区域之间的气体流动。此外，本发明涉及燃料电池组件和燃料电池运行的车辆。

Description

阀装置、燃料电池组件和燃料电池运行的车辆
技术领域
本发明涉及一种阀装置，如该阀装置尤其用于控制气体流动，例如用于控制对于在燃料电池组件中向燃料电池供应的气体的气体流动。该燃料电池组件例如应用在燃料电池运行的车辆中。
背景技术
在车辆领域中，具有燃料电池驱动器的车辆发挥着越来越重要的作用。在此，燃料电池系统具有至少一个燃料电池，向该燃料电池供应氧气和氢气。然后在燃料电池中反应形成水或水蒸气。因此，通过电化学转化提供电功率，该电功率用作燃料电池运行的车辆的驱动能。燃料电池必须在阳极侧和阴极侧上分别隔开地供应相应的气体。在对于氧气的气体供应部中设置截止阀，以便在燃料电池不运行时切断该燃料电池的进一步氧气供应。否则，氧气将从阴极侧通过燃料电池的隔膜扩散到阳极侧上，这将导致所谓的空气-空气启动并且对燃料电池有害。
此外，燃料电池系统通常包括多个以堆叠布置的燃料电池或燃料电池堆叠，也称为“堆垛”。
这种截止阀如上所述由现有技术已知。例如，DE 10 2016 224 273 A1示出一种用于控制气流的阀，该阀借助电磁促动器控制，其中，在此，使阀元件运动用于打开和关闭通流横截面，并且该阀元件与密封座相互作用。
此外，在一些情况下，燃料电池组件的空气系统虽然应输送空气，但该空气没有进入到堆垛中。例如，如果在上述情况下(在阴极中没有新鲜的氧气)，阳极应被冲洗或充满氢气，则可能出现这种情况。然后，从阳极经由阀流出的氢气必须与足够的空气混合，并且由此稀释到安全临界极限以下，通常为1％的氢气含量。为此，空气可以通过旁路引导，该旁路在正常运行时关闭。
发明内容
根据本发明的阀装置具有如下优点：以结构设计上简单的方式仅用一个结构部件确保整个燃料电池组件的可靠运行。
为此，尤其用于控制燃料电池系统中的气体流动的阀装置具有阀壳体，在该阀壳体中布置有能够沿纵轴线并且通过促动器运动的阀元件。阀元件还具有第一盘状区域和第二盘状区域。第一盘状区域分别与第一阀座和第二阀座共同作用，用于打开和关闭燃料电池堆叠区域与排气系区域之间或空气流体机械区域与排气系区域之间或空气流体机械区域与燃料电池堆叠区域之间的气体流动。第二盘状区域分别与第三阀座和第四阀座共同作用，用于打开和关闭燃料电池堆叠区域与排气系区域之间或空气流体机械区域与排气系区域之间或空气流体机械区域与燃料电池堆叠区域之间的气体流动。
因此，仅用一个结构部件，即阀装置和仅用一个电促动器不但可以截止燃料电池堆叠区域，而且可以打开旁路，即与排气系区域的连接。因此，阀装置可以代替大量所需的阀，并且因此实现结构设计上简单的节约成本的结构空间优化。此外，用于操纵阀装置所需的力很小。
在有利的第一扩展方案中设置，阀元件具有一个销状区域，该销状区域在阀壳体的开口中被接收、被引导并且能够沿着纵轴线运动。因此，以简单的方式可以实现阀装置的盘结构，该盘结构具有高密封性。
在本发明的另一构型中有利地设置，燃料电池堆叠区域和排气系区域或空气流体机械区域和排气系区域或空气流体机械区域和燃料电池堆叠区域能够经由阀装置的内部空间连接。有利地，内部空间能够借助阀元件分隔成第一子内部空间、第二子内部空间和第三子内部空间。有利地，燃料电池堆叠区域和排气系区域能够经由第一子内部空间连接。有利地，排气系区域能够经由第三子内部空间与空气流体机械区域连接。有利地，空气流体机械区域和燃料电池堆叠区域能够经由第二子内部空间连接。有利地，燃料电池堆叠区域与排气系区域之间经由第一子内部空间的连接和空气流体机械区域与燃料电池堆叠区域之间经由第二子内部空间的连接能够同时打开和关闭。因此，以结构设计上简单的方式通过阀装置打开和/或关闭燃料电池组件的多个子区域的连接。
在本发明的另一构型中有利地设置，燃料电池堆叠区域、排气系区域和空气流体区域相对于阀装置的纵轴线径向地布置。
所描述的阀装置，尤其用于控制气体流动，优选地适用于燃料电池组件。
所描述的阀装置，尤其用于控制气体流动，优选地适用于具有燃料电池驱动器的车辆。
附图说明
在附图中示出根据本发明的阀装置的实施例，该阀装置尤其用于控制燃料电池组件和燃料电池运行的车辆中的气体流动。具有相同功能的构件用相同的附图标记标明。
附图示出了：
图1：具有根据本发明的阀装置的可能的燃料电池组件的极其简化的示意图；
图2：根据本发明的阀装置的一个可能的实施例在第一位置I中的纵截面，该阀装置尤其用于控制燃料电池系统中的气体流动；
图3：根据本发明的阀装置的一个可能的实施例在第二位置II中的纵截面，该阀装置尤其用于控制燃料电池系统中的气体流动；
图4：根据本发明的阀装置的一个可能的实施例在第三位置III中的纵截面，该阀装置尤其用于控制燃料电池系统中的气体流动；
图5：具有燃料电池组件和根据本发明的阀装置的燃料电池运行的车辆的示意图。
具体实施方式
图1以极其简化的示意图示出具有阀装置1的燃料电池组件100的可能实施方式。燃料电池组件100具有在此没有详细地示出的阳极供应路径26，该阳极供应路径向燃料电池101供给以氢气。
燃料电池101包括阳极区域102和阴极区域103。此外，燃料电池组件100具有阴极流入区域33，该阴极流入区域向燃料电池101供应空气。在此，来自燃料电池组件100的周围环境22的空气借助空气流体机械24吸入并且被压缩和供应给燃料电池101的阴极区域103。
在此例如仅示出一个燃料电池101。通常，燃料电池组件100具有多个呈燃料电池堆叠形式的燃料电池101。
在空气流体机械24和燃料电池101之间布置有阀装置1，该阀装置在图2中详细示出。
此外，在燃料电池组件100中布置有阴极流出区域34，该阴极流出区域将未使用的空气或氧气或由氧气、氮气、少量氢气组成的空气混合物从燃料电池101经由阀装置1引导并且必要时又释放到周围环境22中。
图2示出根据本发明的阀装置1的一个可能的实施例在第一位置I中的纵截面，该阀装置尤其用于控制燃料电池组件100的阴极流入区域33中的气体流动。
阀装置1具有阀壳体10，在该阀壳体中布置有阀元件30，该阀元件能够沿着纵轴线99并且通过促动器44运动。在阀壳体10中布置有内部空间80，在该内部空间中形成第一凸缘区域70、第二凸缘区域60和第三凸缘区域50。此外，内部空间80具有上方的阀壳体区域503，在该阀壳体区域处形成用于阀元件30的第一阀座981。
在第一凸缘70处形成用于阀元件30的第二阀座982。此外，在第二凸缘60处形成用于阀元件30的第三阀座983，在第三凸缘50处形成用于阀元件30的第四阀座984。
阀元件10具有一个销状区域303、第一盘状区域301和第二盘状区域302。销状区域303借助密封元件502接收在上方的阀壳体区域503的开口501中，并且能够借助促动器44沿着纵轴线99运动。此外，在第一位置I中，阀元件30将内部空间80划分为第一子内部空间82和第二子内部空间83。
此外，阀装置1包括多个连接通道12、14、16、18，这些连接通道与内部空间80流体连通。
连接通道12与排气系区域3连接，气态介质，尤其空气能够通过该排气系区域从燃料电池组件100导出到周围环境22中。
此外，连接通道14与空气流体机械区域4连接，气态介质，尤其被空气流体机械24压缩的氧气可以通过该空气流体机械区域流到阀装置1的内部空间80中。
连接通道16、18与燃料电池堆叠区域2连接。在此，气态介质，尤其空气从连接通道16流到阀装置1的内部空间80中，并且气态介质，尤其空气从内部空间80通过连接通道18引导到燃料电池堆叠区域2中。
燃料电池堆叠区域2、排气系区域3和空气流动区域4相对于阀装置1的纵轴线99径向地布置。
阀元件10的第一盘状区域301分别与第一阀座981和第二阀座982共同作用，用于打开和关闭燃料电池堆叠区域2与排气系区域3之间或者空气流体机械区域4与排气系区域3之间或者空气流体机械区域4与燃料电池堆叠区域2之间的气体流动。阀元件10的第二盘状区域302分别与第三阀座983和第四阀座984共同作用，用于打开和关闭燃料电池堆叠区域2与排气系区域3之间或空气流体机械区域4与排气系区域3之间或空气流体机械区域4与燃料电池堆叠区域2之间的气体流动。
在第一位置I中，阀元件10的第一盘状区域301布置在第一阀座981上，并且阀元件10的第二盘状区域302布置在第三阀座983上。
图3示出图2的根据本发明的阀装置1的实施例在第二位置II中的纵截面。
图3的实施例在结构和工作方式上与图1的实施例很大程度地相应。在此，阀装置1或阀元件30布置在第二位置II中，使得内部空间80具有一个第三子内部空间81。
燃料电池堆叠区域2和排气系区域3能够通过第一子内部空间82连接。排气系区域3和空气流体机械区域4能够通过第三子内部空间81连接。如在图2和图3中所示地，空气流体机械区域4和燃料电池堆叠区域2能够可以通过第二子内部空间83连接。
在第二位置II中，阀元件10的第一盘状区域301布置在第二阀座982上，并且阀元件10的第二盘状区域302布置在第四阀座984上。
图4示出图2的根据本发明的阀装置1的实施例在第三位置III中的纵截面。
图4的实施例在结构和工作方式上与图2的实施例很大程度地相应。阀装置1或阀元件30在此布置在第一位置I和第二位置II之间。
在第三位置III中，阀元件10的第一盘状区域301和阀元件10的第二盘状区域302既没有布置在第一阀座981、第二阀座982、第三阀座983上，也没有布置在第四阀座984上。
燃料电池堆叠区域2在此与排气系区域3流体连通。空气流体机械区域4在此不但与燃料电池堆叠区域2而且与排气系区域3流体连通。
阀装置1的工作方式如下：在燃料电池组件100的运行中，阀装置1借助促动器44保持在第一位置I中，如图2所示的那样。即阀元件10的第一盘状区域301置于第一阀座981上，阀元件10的第二盘状区域302置于第三阀座983上，从而打开燃料电池堆叠区域2与排气系区域3之间的气体流动，以及打开空气流体机械区域4与燃料电池堆叠区域2之间的气体流动。
因此，借助空气流体机械24压缩的空气可以从空气流体机械区域4通过阀装置1朝燃料电池101的方向输送。在此，经压缩的空气通过连接通道14流到第二子内部空间83中，并且通过连接通道18朝燃料电池101的方向引导到燃料电池堆叠区域2中(参见箭头92)。
对于燃料电池组件100的最优运行而言，除通过阴极流入区域33供给的压缩空气外，该燃料电池组件还通过阳极流入路径26供给以氢气。
未使用的压缩空气或排气以空气混合物的形式，该空气混合物包括氮气、氧气和极少量的氢气，通过连接通道16从燃料电池堆叠区域2经由第一子内部空间82朝排气系区域3的方向引导到连接通道12中，以便将该空气混合物从燃料电池组件100通过在此未示出的阀导出到周围环境22中(参见箭头91)。
在燃料电池系统中经常使用涡轮机作为空气流体机械24，因为涡轮机高效且体积小。然而，涡轮机不能完全独立地调整空气压力和空气质量流。因此，特别是高压在低质量流时很难调整。
如在图4中所示地，借助促动器44可以将阀装置1在运行期间带到第三位置中。因此，空气流体机械区域4和排气系区域3之间的连接也被打开，压缩空气从空气流体机械区域4不但朝燃料电池堆叠区域2的方向流动，而且流到排气系区域3中(参见箭头94)。因为空气流体机械区域4和燃料电池堆叠区域2之间存在的压力高于燃料电池堆叠区域2和排气系区域3之间的压力，所以可以确保空气流动仅从空气流体机械区域4朝排气系区域3的方向进行，而不是其它方向。
在阀装置1的第三位置中，空气流体机械24必须输送额外的空气质量流，这又导致空气流体机械24能够提供更高的压力。在特殊的运行条件下，例如对于在燃料电池101或燃料电池堆叠中的湿度管理，需要更高的压力。
如果燃料电池组件100的运行被中断或终止，则氧气或空气不应再流到燃料电池堆叠区域2中和从而流到燃料电池101，以便保护燃料电池免受可能的损坏。
因此，如在图3中所示地，阀装置1借助促动器44被带到第二位置II中。即阀元件10的第一盘状区域301置于第二阀座982上，阀元件10的第二盘状区域302置于第四阀座984上，因此打开空气流体机械区域4和排气系区域3之间的气体流动。此外，燃料电池堆叠区域2和排气系区域3之间的气体流动以及空气流体机械区域4和燃料电池组件区域2之间的气体流动同时被阻止。
来自空气流体机械区域4的压缩空气(该压缩空气从连接通道14流入到内部空间80中)，现在经由第三子内部空间81直接被引导到排气系区域3中的连接通道12中，并且因此不流动通过燃料电池101。燃料电池堆叠区域2因此通过阀元件10截止。因此，当燃料电池101不处于正常工作状态中时，空气或氧气不再能够朝燃料电池的方向流动。
图5示意性地示出燃料电池运行的车辆90，其具有燃料电池组件100和根据本发明的阀装置1。因此，具有根据本发明的阀装置1的燃料电池组件100可以作为燃料电池运行的车辆90中的驱动器使用。

Claims (11)

1.一种阀装置(1)，尤其用于控制燃料电池组件中的气体流动，所述阀装置具有阀壳体(10)，在所述阀壳体(10)中布置有能够沿纵轴线(99)并且通过促动器(44)运动的阀元件(30)，所述阀元件(30)具有第一盘状区域(301)和第二盘状区域(302)，所述第一盘状区域(301)分别与第一阀座(981)和第二阀座(982)共同作用，用于打开和关闭燃料电池堆叠区域(2)与排气系区域(3)之间或空气流体机械区域(4)与排气系区域(3)之间或空气流体机械区域(4)与燃料电池堆叠区域(2)之间的气体流动，并且所述第二盘状区域(302)分别与第三阀座(983)和第四阀座(984)共同作用，用于打开和关闭燃料电池堆叠区域(2)与排气系区域(3)之间或空气流体机械区域(4)与排气系区域(3)之间或空气流体机械区域(4)与燃料电池堆叠区域(2)之间的气体流动。
2.根据权利要求1所述的阀装置(1)，其特征在于，所述阀元件(30)具有销状区域(303)，所述销状区域(303)在所述阀壳体(10)的开口(501)中被接收、被引导并且能够沿着纵轴线(99)运动。
3.根据权利要求1或2所述的阀装置(1)，其特征在于，所述燃料电池堆叠区域(2)和所述排气系区域(3)或所述空气流体机械区域(4)和所述排气系区域(3)或所述空气流体机械区域(4)和所述燃料电池堆叠区域(2)能够经由所述阀装置(1)的内部空间(80)连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的阀装置(1)，其特征在于，所述内部空间(80)能够借助所述阀元件(30)分隔成第一子内部空间(82)、第二子内部空间(83)和第三子内部空间(81)。
5.根据前述权利要求所述的阀装置(1)，其特征在于，所述燃料电池堆叠区域(2)和所述排气系区域(3)能够经由所述第一子内部空间(82)连接。
6.根据权利要求4或5所述的阀装置(1)，其特征在于，所述排气系区域(3)和所述空气流体机械区域(4)能够经由所述第三子内部空间(81)连接。
7.根据权利要求5所述的阀装置(1)，其特征在于，所述空气流体机械区域(4)和所述燃料电池堆叠区域(2)能够经由所述第二子内部空间(83)连接。
8.根据前述权利要求所述的阀装置(1)，其特征在于，所述燃料电池堆叠区域(2)与所述排气系区域(3)之间经由所述第一子内部空间(82)的连接和所述空气流体机械区域(4)与所述燃料电池堆叠区域(2)之间经由所述第二子内部空间(83)的连接能够同时打开和截止。
9.根据前述权利要求中任一项所述的阀装置(1)，其特征在于，所述燃料电池堆叠区域(2)、所述排气系区域(3)和所述空气流体区域(4)相对于所述阀装置(1)的纵轴线(99)径向地布置。
10.一种燃料电池组件(100)，具有根据前述权利要求中任一项所述的阀装置(1)。
11.一种燃料电池运行的车辆(90)，具有根据权利要求1至9中任一项所述的阀装置(1)，所述阀装置尤其用于控制气体流动。
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