CN118119788A - 燃料电池系统、气体罐设备和用于气体罐设备的截止装置 - Google Patents

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Abstract

一种截止装置包括用于与高压罐连接的第一接头；用于与供给管路连接的第二接头；主阀室，所述主阀室具有与所述第一接头流体传导地连接的第一开口、与所述第二接头流体传导地连接的第二接头和第一控制开口；构造为能切换的电磁阀的主阀，所述主阀具有布置在所述主阀室中的主阀针，所述主阀针能够在关闭位态和打开位态之间运动，在所述关闭位态中，所述主阀针贴靠在围绕所述第二开口的主阀座上；在所述打开位态中，所述主阀针从所述主阀座抬起，其中，所述主阀针将所述主阀室分为出口空间和控制空间，所述第一和第二开口通到所述出口空间中，所述第一控制开口通到所述控制空间中，并且所述控制空间与所述出口空间流体传导地连接；与所述主阀室空间上分开的伺服阀室，所述伺服阀室具有与所述第一控制开口流体传导地连接的第二控制开口和与所述第二接头流体传导地连接的伺服开口；构造为能切换的电磁阀的伺服阀，所述伺服阀具有布置在所述伺服阀室中的伺服阀针，所述伺服阀针能够在关闭位态和打开位态之间运动，在所述关闭位态中，所述伺服阀针贴靠在围绕所述伺服开口的伺服阀座上，在所述打开位态中，所述伺服阀针从所述伺服阀座抬起。

Description

燃料电池系统、气体罐设备和用于气体罐设备的截止装置
技术领域
本发明涉及一种燃料电池系统、尤其用于燃料电池系统的气体罐设备和用于气体罐设备的截止装置。
背景技术
燃料电池系统通常包括燃料电池组件，例如呈具有多个电串联连接的燃料电池的堆叠形式，气态燃料，例如氢气从罐经由燃料供应管路被供应给所述燃料电池组件。不但在固定应用中而且在移动应用中，例如在车辆中，气态燃料在罐中通常处于高压下，该高压例如可以为高达700bar或更高。因此，罐构成高压储存器。燃料电池组件被供应通常具有较低压力的燃料，例如在2bar至20bar之间的范围内的压力。燃料供应管路可以例如通过压力调节装置与罐连接，在所述压力调节装置中燃料的压力减小。罐和压力调节装置之间的管路通常实施为高压管路并且在下面称为供给管路，因为燃料电池系统经由该供给管路被供给燃料。罐通常设有截止阀，以便截止从罐中的燃料流出，例如当燃料电池组件停止使用时或在故障情况下。
用于高压气体罐的截止阀通常设计为无电流地闭合的电磁阀。通常，阀针通过弹簧抵着密封座预紧并且能够通过磁力抵抗弹簧的预紧力从密封座抬起，所述磁力能够借助线圈产生。由于罐中的高压，根据阀的结构类型而定需要大的打开力。这需要功率强的线圈并且使阀的小型化变得困难。
DE 10 2006 027 712 A1公开一种用于氢压力罐的截止阀，该截止阀具有壳体和阀杆，所述壳体具有第一阀座和第二阀座，所述阀杆能够通过电线圈运动，所述阀杆在其外周上间隔开地承载第一和第二密封元件。在阀的关闭位态中，密封元件通过弹簧抵着阀座预紧，以便将入口相对于构造在壳体中的阀座之间的出口密封。阀杆具有第一开口，该第一开口在入口和第一密封元件的高压侧之间形成流体连接。由此，由于在入口处作用的压力而施加关闭力到第一密封元件上。此外，阀杆具有将位于第二密封元件的低压侧上的子腔室与入口连接的通孔。由此，打开力被施加到第二密封元件上，该打开力与作用到第一密封体上的关闭力相反地作用。该结构的目标是降低由于压差而作用到阀杆或密封元件上的力，以便减小通过电磁线圈待产生的、用于打开阀的打开力。
发明内容
根据本发明设置一种具有权利要求1特征的用于气体罐设备的截止装置、一种具有权利要求8特征的气体罐设备和一种具有权利要求10特征的燃料电池系统。
根据本发明的第一方面，用于气体罐设备的截止装置包括用于与高压罐连接的第一接头；用于与供给管路连接的第二接头；主阀室，该主阀室具有与第一接头流体传导地连接的第一开口，与第二接头流体传导地连接的第二开口和第一控制开口；构造为可切换的电磁阀的主阀，该主阀具有布置在主阀室中的主阀针，该主阀针能够在关闭位态和打开位态之间运动，在所述关闭位态中，主阀针贴靠在围绕第二开口的主阀座上，以便将第二开口相对于第一开口密封，在所述打开位态中，主阀针从主阀座抬起。主阀针将主阀室分成出口空间和控制空间，第一和第二开口通到该出口空间中，第一控制开口通到该控制空间中并且该控制空间与出口空间流体传导地连接。
截止装置还包括与主阀室空间上分开的伺服阀室，该伺服阀室具有与第一控制开口流体传导地连接的第二控制开口和与第二接头流体传导地连接的伺服开口；构造为可切换的电磁阀的伺服阀，该伺服阀具有布置在伺服阀室中的伺服阀针，该伺服阀针能够在关闭位态和打开位态之间运动，在所述关闭位态中，伺服阀针贴靠在围绕伺服开口的伺服阀座上，以便将伺服开口相对于第二控制开口密封，在所述打开位态中，伺服阀针从伺服阀座抬起。
根据本发明的第二方面设置一种尤其用于燃料电池系统的气体罐设备。根据本发明的气体罐设备包括用于接收气体，例如氢气的高压气体罐和根据本发明的第一方面的截止装置，其中，截止装置的第一接头与高压气体罐的出口开口连接。
根据本发明的第三方面，燃料电池系统包括燃料电池组件，该燃料电池组件具有至少一个燃料电池、用于供应气态燃料的燃料入口、用于供应氧化气体的氧化气体入口和用于导出反应产物的产物出口，与燃料入口连接的燃料供应管路和根据本发明的第二方面的气体罐设备，其中，截止装置的第二接头与燃料供应管路连接。
本发明所基于的思想在于实现一种截止装置，在所述截止装置中，主阀和伺服阀分别空间上彼此分开地布置。尤其，主阀针布置在第一腔室或主阀室中并且能够借助第一线圈在打开位态和关闭位态之间运动，而伺服阀针布置在空间上与主阀室隔开地布置并且与该主阀室流体传导地连接的第二腔室或伺服阀室中并且能够借助自身的第二线圈在打开位态和关闭位态之间运动。在此，主阀针在第一腔室中可移动地引导并且将该第一腔室分成控制空间和出口空间，该控制空间与第二腔室流体传导地连接，该出口空间具有与高压接头或第一接头连接的第一开口和与供给接头或第二接头连接的第二开口，该第二开口在主阀针的关闭位态中被该主阀针覆盖或封闭。第二腔室经由伺服开口也与供给接头流体传导地连接，所述伺服开口被伺服阀针在其关闭位态中覆盖或封闭。
本发明的优点在于伺服阀和主阀或它们的阀针容纳在空间上分开的腔室中并且能够通过自身的线圈运动。这便于伺服阀和主阀的结构空间优化的布置。通过打开伺服阀可以以相对较小的打开力在第二接头或者说供给接头与主阀室的控制空间之间建立流体传导的连接，所述第二接头或者说供给接头设置为用于与低压储存器如燃料供应管路连接。因为控制空间经由出口空间与第一接头或者说高压接头流体传导地连接，该第一接头或者说高压接头设置为用于与高压储存器如气体罐流体连接，所以在第二接头和控制空间之间存在压力平衡。在此，一方面，控制空间中的压力减小，同时第二接头中的压力升高。由此，在主阀针的关闭位态中产生远离主阀座指向的并且由此在主阀针从主阀座抬起时辅助主阀的线圈的力。由此，主阀针的线圈可以尺寸设计得更小，这进一步便于截止装置的小型化。
有利的构型和扩展方案由另外的从属权利要求以及由参照附图的描述得出。
根据一些实施方式可以设置，主阀室和伺服阀室构造在共同的壳体中。通过主阀室和伺服阀室在壳体中的空间上分开的布置，阀针可以相对彼此任意地取向，这进一步便于结构空间优化的布置或构型。
根据一些实施方式可以设置，第一控制开口和第二控制开口通过连接孔连接。
根据一些实施方式可以设置，主阀室的出口空间和控制空间之间的流体传导的连接如此设计尺寸，使得该流体传导的连接在伺服阀打开时并且主阀关闭时作为用于流体从出口空间流到控制空间中的节流部起作用。由此减慢了出口空间和控制空间之间的压力平衡，并且由此进一步增大作用到主阀针上的打开力。
根据一些实施方式可以设置，主阀室的出口空间和控制空间通过主阀针中的孔流体传导地相互连接。根据替代的实施方式可以设置，主阀室的出口空间和控制空间通过在主阀针的外周和围绕主阀室的壁之间形成的间隙流体传导地相互连接。间隙的宽度可以例如通过设置在壁与主阀针之间的配合，例如间隙配合限定。然而，间隙也可以仅局部地构造，例如通过在阀针的壁中和/或外周中形成槽。因此，实现控制空间和出口空间之间的结构简单且能成本低地制造的连接管路。
根据一些实施方式可以设置，主阀构造为无电流地闭合的电磁阀并且具有将主阀针预紧到关闭位态中的弹簧。
根据一些实施方式可以设置，伺服阀构造为无电流地闭合的电磁阀并且具有将伺服阀针预紧到关闭位态中的弹簧。
根据一些实施方式可以设置，截止装置接收在高压气体罐的出口开口中。
附图说明
在下面参照附图阐述本发明。从附图中示出：
图1：根据本发明的实施例的燃料电池系统的液压线路图的示意图；和
图2：根据本发明的实施例的截止装置的示意性剖视图。
在附图中，除非另有说明，相同的附图标记标明相同或功能相同的部件。
具体实施方式
在图1中示例性地并示意性地示出燃料电池系统300。如在图1中示意性地所示的那样，燃料电池系统300包括燃料电池组件310、燃料供应管路302、可选的压力调节装置320和气体罐设备200。
燃料电池装置310在图1中仅作为方框示出并且具有至少一个燃料电池(未示出)、燃料入口311、氧化气体入口313和产物出口314。燃料电池组件可以例如具有多个电串联连接的燃料电池，例如呈所谓的堆叠形式。每个燃料电池具有阳极、阴极和布置在阳极和阴极之间的例如呈隔膜形式的电解质层。气态燃料，例如氢气可以经由燃料入口311被供应给阳极。以相同的方式，氧化气体，例如含氧的环境空气可以经由一个或多个燃料电池的氧化气体入口313被供应给阴极。反应产物可以经由产物出口314从阴极被导出。因此，至少一个燃料电池设置为用于将存储在燃料中的化学能与氧化气体一起直接转化为电能。
气体罐设备200具有高压气体罐210和截止装置100。在下面为了清楚起见，高压气体罐210也仅称为罐，其构造为用于接收气体、例如氢气，并且气体例如可以在高达700bar的压力下储存。如在图1中示意性地所示的那样，罐210例如可以构造为基本上柱形的罐。罐210的出口开口211例如可以布置在罐210的轴向端部上。截止装置100在图1中仅象征性地示出并且在下面还详细地阐述。如在图1中示意性地示出的那样，截止装置100与罐210的出口开口211和气体罐设备200的低压接头261连接。可选地，止回阀220可以与截止装置100并联，如这在图1中示例性地所示的那样。燃料供应管路302将气体罐设备200的低压接头261与燃料电池组件310的燃料入口311连接。可选的压力调节装置320在燃料供应管路302中布置低压接头261和燃料入口311之间并且设置为用于减小从罐210流出的气体的压力和/或改变流量。例如，压力调节装置320可以具有流量可调节的节流阀。
图2示意性地并示例性地示出如可以安装在图1中的气体罐设备200中的截止装置100。如在图2中示意性地所示的那样，截止装置100具有第一接头11、第二接头12、主阀室2、主阀3、伺服阀室4和伺服阀5。
如在图2中所示地，主阀室2和伺服阀室4空间上彼此分开地布置。通常，腔室2、4分别限定例如被壁20、40围绕的空腔。如在图2中纯示意性地所示的那样，主阀室2和伺服阀室4可以构造在共同的壳体1中。
第一接头11设置为用于与高压罐210连接并且例如可以构造为壳体1上的开口或连接接管。第二接头12设置为用于与供给管路或燃料供应管路302连接并且也可以构造为壳体1上的开口或连接接管。
主阀室2具有第一开口21、第二开口22和第一控制开口23。如在图2中示例性地所示的那样，第一和第二开口21，22可以分别构造在主阀室2的第一端部区域中。例如，第一开口21可以构造在周壁上，第二开口22可以构造在横向于周壁延伸的第一端壁中，如这在图2中示例性地所示的那样。第一控制开口23可以尤其构造在主阀室2的第二端部区域中，例如在与第一端壁相对的第二端壁中，如在图2中所示的那样。
第一开口21例如经由孔或管路14与第一接头11流体传导地连接。第二开口22例如经由孔或管路15与第二接头12流体传导地连接，如这在图2中示例性地所示的那样。
如在图2中进一步所示地，伺服阀室4具有第二控制开口41和伺服开口42。伺服开口42例如可以构造在伺服阀室4的端壁中，并且第二控制开口41例如可以构造在横向于端壁延伸的周壁40中，如这在图2中示例性地所示的那样。
主阀室2的第一控制开口23和伺服阀室4的第二控制开口例如经由孔或管路13流体传导地相互连接，如这在图2中示意性地所示的那样。伺服开口42例如经由孔或管路16与第二接头12流体传导地连接。
主阀3实施为无电流地闭合的电磁阀3并且具有主阀针30、弹簧31和线圈32。主阀针30布置在主阀室2中并且在其外周30a上通过壁20、尤其周壁可轴向移动地引导。如在图2中示意性地所示的那样，主阀针30例如可以具有柱状或圆柱形的主区段35和导向区段36，所述导向区段在主区段35的第一轴向端部上从该主区段径向地突出。主区段35的第二轴向端部具有密封面35a，该密封面例如可以锥形地构型。导向区段36例如可以具有在壁20上引导的圆柱形外周面。
如在图2中示意性地所示的那样，主阀针30将主阀室2分为出口空间2A和控制空间2B。例如，导向区段36可以形成分隔壁，如在图2中示意性地所示的那样。第一和第二开口21、22分别通到出口空间2A中。第一控制开口23通到控制空间2B中。控制空间2B和出口空间2A流体传导地连接，例如通过构造在主阀针30、尤其导向区段36中的孔33或通过在主阀针30的外周30a、尤其是导向区段36的外周与壁20之间形成的间隙34。间隙34在图2中为了清楚起见放大地示出。例如，间隙34的宽度可以通过阀针30和由周壁20限定的孔直径之间的配合给出。
主阀针30能够借助线圈32在关闭位态和打开位态之间运动，所述线圈包围主阀针30地布置，例如在主阀室2外。弹簧31将主阀针30预紧到关闭位态中并且例如可以布置在控制空间2B中，如这在图2中示意性地所示的那样。图2示出主阀针30的关闭位态。在该关闭位态中，主阀针30、尤其是其密封面35a贴靠在围绕第二开口22的主阀座上，以便将第二开口22相对于第一开口21密封。在打开位态中，主阀针30，尤其是其密封面35a从主阀座抬起，使得流体可以从第一接头11流到出口空间2A中并且通过第二开口22流至第二接头12。
伺服阀5也实施为无电流地闭合的电磁阀并且具有伺服阀针50、弹簧51和线圈52。伺服阀针50布置在伺服阀室4中并且在其外周上通过壁40、尤其是周壁轴向可移动地引导。如在图2中示意性地所示的那样，伺服阀针50例如可以具有柱状或圆柱形的主区段55和导向区段56，所述导向区段56在主区段55的第一轴向端部上从主区段55径向地突出。主区段55的第二轴向端部具有密封面55a，该密封面例如可以锥形地构型。导向区段56例如可以具有在壁40上引导的圆柱形外周面。
伺服阀针50能够借助线圈52在关闭位态和打开位态之间运动，所述线圈包围伺服阀针50地布置，例如在伺服阀室4外。弹簧51将伺服阀针50预紧到关闭位态中并且可以例如布置在伺服阀室4中，如这在图2中示意性地所示的那样。图2示出伺服阀针50的关闭位态。在关闭位态中，伺服阀针50、尤其是其密封面55a贴靠在围绕伺服开口42的伺服阀座上，以便将伺服开口42相对于第二控制口41密封。在打开位态中，伺服阀针50、尤其是其密封面55a从伺服阀座抬起，使得可以经由第二控制开口41和伺服开口42穿过伺服阀室4发生流体交换。
在图2所示的状况中，其中不但主阀3而且伺服阀5都关闭，在出口空间2A、控制空间2B和伺服阀室4中分别存在在第一接头11上作用的压力。主阀针3在面向控制空间2B的第一端部区域中具有第一横截面A35。第二横截面A22由被主阀座包围的面限定。如在图2中示意性地所示的那样，第一横截面A35大于第二横截面A22。因此，当第一接头11上的压力大于第二接头12上的压力时，除了由弹簧31施加到主阀针30上的力外，附加地作用有迫使主阀针30进入到其关闭位态中的压力。
为了打开主阀3，首先打开伺服阀5，即伺服阀5的线圈52被通电，以便伺服阀针50从伺服阀座抬起。因此，控制空间2B经由第一和第二控制开口23、42以及伺服开口42与第二接头12的压力水平流体传导地连接，这通常导致控制空间2B中的压力降。通常，在控制空间2B和第二接头12之间发生压力平衡，因此在第一控制开口23和第二开口22之间也出现压力平衡。因此，由于不同横截面A35、A22作用的压力由于压力平衡而逐渐减小。由此，通过对线圈32通电待产生的、用于使主阀针35运动到打开位态中的磁力减小。主阀室2的出口空间2A和控制空间2B之间的流体传导的连接、即例如间隙34或孔33可以尤其如此设计尺寸，使得在伺服阀5打开并且主阀3关闭时，该间隙或孔作为用于流体从出口空间2A流动到控制空间2B中的节流部起作用。这进一步减小了通过对线圈32通电待产生的、用于使主阀针35运动到打开位态中的磁力。
由于主阀室2和伺服阀室4的空间上分开的布置，主阀和伺服阀3、5能够结构空间优化地被容纳。尤其，主阀针30和伺服阀针50可以以任意方式相对彼此延伸，这显著增大了布置的灵活性。
尽管上面已经根据实施例示例性地阐述了本发明，但本发明不限于此，而是能够以多种方式修改。尤其也可以考虑上述实施例的组合。例如，截止装置100结合用于燃料电池系统300的气体罐设备200来描述，但不限于此。原则上，截止装置100可以使用在任意的气体管路系统中。

Claims (10)

1.一种用于气体罐设备(200)的截止装置(100)，具有：
用于与高压罐(210)连接的第一接头(11)；
用于与供给管路(302)连接的第二接头(12)；
主阀室(2)，所述主阀室具有与所述第一接头(11)流体传导地连接的第一开口(21)、与所述第二接头(12)流体传导地连接的第二开口(22)和第一控制开口(23)；
构造为能切换的电磁阀的主阀(3)，所述主阀具有布置在所述主阀室(2)中的主阀针(30)，所述主阀针能够在关闭位态和打开位态之间运动，在所述关闭位态中，所述主阀针贴靠在围绕所述第二开口(22)的主阀座上，以便将所述第二开口(22)相对于所述第一开口(21)密封；在所述打开位态中，所述主阀针从所述主阀座抬起，其中，所述主阀针(30)将所述主阀室(2)分为出口空间(2A)和控制空间(2B)，所述第一和第二开口(21、22)通到所述出口空间中，所述第一控制开口(23)通到所述控制空间(2B)中，并且所述控制空间与所述出口空间(2A)流体传导地连接；
与所述主阀室(2)空间上分开的伺服阀室(4)，所述伺服阀室具有与所述第一控制开口(23)流体传导地连接的第二控制开口(41)和与所述第二接头(12)流体传导地连接的伺服开口(42)；和
构造为能切换的电磁阀的伺服阀(5)，所述伺服阀具有布置在所述伺服阀室(5)中的伺服阀针(50)，所述伺服阀针能够在关闭位态和打开位态之间运动，在所述关闭位态中，所述伺服阀针贴靠在围绕所述伺服开口(42)的伺服阀座上，以便将所述伺服开口(42)相对于所述第二控制开口(41)密封，在所述打开位态中，所述伺服阀针从所述伺服阀座抬起。
2.根据权利要求1所述的截止装置(100)，其中，所述主阀室(2)和所述伺服阀室(4)构造在共同的壳体(1)中。
3.根据权利要求2所述的截止装置(100)，其中，所述第一控制开口(23)和所述第二控制开口(41)通过连接孔(13)连接。
4.根据前述权利要求中任一项所述的截止装置(100)，其中，在所述主阀室(2)的出口空间(2A)和控制空间(2B)之间的流体传导的连接尺寸设计成，使得该流体传导的连接在所述伺服阀(5)打开并且所述主阀(3)关闭时作为用于流体从所述出口空间(2A)流到所述控制空间(2B)中的节流部起作用。
5.根据前述权利要求中任一项所述的截止装置(100)，其中，所述主阀室(2)的出口空间(2A)和控制空间(2B)通过所述主阀针(30)中的孔(33)或通过在所述主阀针(30)的外周(30a)与围绕所述主阀室(2)的壁(20)之间形成的间隙(34)流体传导地相互连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的截止装置(100)，其中，所述主阀(3)构造为无电流地闭合的电磁阀并且具有将所述主阀针(30)预紧到所述关闭位态中的弹簧(31)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的截止装置(100)，其中，所述伺服阀(5)构造为无电流地闭合的电磁阀并且具有将所述伺服阀针(50)预紧到所述关闭位态中的弹簧(51)。
8.一种气体罐设备(200)，尤其用于燃料电池系统(300)，所述气体罐设备具有：
用于接收气体的高压气体罐(210)；和
根据前述权利要求中任一项所述的截止装置(100)；
其中，所述截止装置(100)的第一接头(11)与所述高压气体罐(210)的出口开口(211)连接。
9.根据权利要求8所述的气体罐设备(200)，其中，所述截止装置(100)接收在所述高压气体罐(210)的出口开口(211)中。
10.一种燃料电池系统(300)，具有：
燃料电池组件(310)，该燃料电池组件具有至少一个燃料电池、用于供应气态燃料的燃料入口(311)、用于供应氧化气体的氧化气体入口(313)和用于导出反应产物的产物出口(314)；
与所述燃料入口(311)连接的燃料供应管路(302)；和
根据权利要求8或9所述的气体罐设备(200)；
其中，所述截止装置(100)的第二接头(12)与所述燃料供应管路(302)连接。
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