DE102014005454A1 - Shut-off valve and fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Absperrventil (12) für eine Gasleitung (10, 11) von und/oder zu einer Brennstoffzelle (3), mit einem Ventilsitz (15) und einem Ventilkörper (13). Das erfindungsgemäße Absperrventil ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (13) von einer Gasströmung (S) in der Gasleitung (10, 11) gegen die Kraft eines Federelements (22) abhebbar ist, und dass ein passives thermisch aktivierbares Element (23) vorgesehen ist, welches unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur seine Form ändert und damit den Ventilkörper (13) gegen die Kraft des Federelements (22) von dem Ventilsitz (15) abhebt.The invention relates to a shut-off valve (12) for a gas line (10, 11) of and / or to a fuel cell (3), with a valve seat (15) and a valve body (13). The shut-off valve according to the invention is characterized in that the valve body (13) of a gas flow (S) in the gas line (10, 11) against the force of a spring element (22) can be lifted, and that a passive thermally activatable element (23) is provided which changes its shape below a predetermined limit temperature and thus lifts the valve body (13) against the force of the spring element (22) from the valve seat (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Absperrventil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, in welchem wenigstens ein derartiges Absperrventil eingesetzt wird.The invention relates to a shut-off valve according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art also relates to a fuel cell system in which at least one such shut-off valve is used.

Absperrventile zum Absperren von Gasleitungen mit einem Ventilsitz und einem Ventilkörper sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.Shut-off valves for shutting off gas lines with a valve seat and a valve body are known from the general state of the art.

Insbesondere in Brennstoffzellensystemen ist es nun so, dass bestimmte Bereiche des Brennstoffzellensystems während des Stillstands gegenüber der Umgebung abgesperrt werden sollten. Dies gilt insbesondere für den sogenannten Kathodenraum der Brennstoffzelle, welcher im regulären Betrieb mit Luft versorgt wird. Beim Abstellen eines Brennstoffzellensystems wird idealerweise die Luft in dem Kathodenraum vollständig aufgebraucht, da beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems die Anwesenheit von Sauerstoff in der Brennstoffzelle, und zwar insbesondere im Anodenraum, schädlich ist. Da in längeren Stillstandsphasen Luft bzw. der in der Luft enthaltene Sauerstoff jedoch durch die Membranen der Brennstoffzelle vom Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren kann, kann eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer der Brennstoffzelle dadurch erreicht werden, dass im Stillstand der Kathodenraum der Brennstoffzelle zuverlässig gegenüber der Umgebung abgedichtet wird, um so das Nachströmen von Luft beispielsweise durch Windeffekte und Konvektion zu verhindern. Hierdurch kann dann auch kein Sauerstoff in den Anoderaum diffundieren und der schädliche Mechanismus beim Wiederstart wird unterbunden.In particular, in fuel cell systems, it is now the case that certain areas of the fuel cell system should be shut off from the environment during standstill. This is especially true for the so-called cathode compartment of the fuel cell, which is supplied with air during normal operation. When parking a fuel cell system, the air in the cathode compartment is ideally completely used up, since the restart of the fuel cell system, the presence of oxygen in the fuel cell, in particular in the anode compartment, is harmful. However, since air or the oxygen contained in the air can diffuse through the membranes of the fuel cell from the cathode space into the anode space in longer standstill phases, a significant increase in the service life of the fuel cell can be achieved by reliably stopping the cathode space of the fuel cell from the environment is sealed so as to prevent the flow of air, for example by wind effects and convection. As a result, no oxygen can diffuse into the Anoderaum and the harmful mechanism when restarting is prevented.

Problematisch ist dies nun insbesondere dadurch, dass in Gasleitungen, und dies gilt insbesondere für die Zuluftleitungen und Abluftleitungen zu einem Kathodenraum einer Brennstoffzelle neben den Gasen auch andere Bestandteile, insbesondere Wasserdampf und gegebenenfalls in flüssiger Form vorliegendes Wasser, strömen können. Kommt es nun zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts beim abgestellten Brennstoffzellensystem, dann kann hierdurch das Wasser einfrieren bzw. Feuchtigkeit auskondensieren und dann ebenfalls einfrieren. Besonders kritisch ist dies, wenn es im Bereich des Absperrventils, insbesondere zwischen dem Ventilsitz und dem Ventilkörper, auftritt. In diesem Fall kann durch die Eisbildung das Ventil blockiert sein, sodass dieses sich beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems nicht öffnen lässt, was zu erheblichen Problemen führen kann.This is problematic in particular in that in gas lines, and this applies in particular for the supply air and exhaust ducts to a cathode compartment of a fuel cell in addition to the gases and other components, in particular water vapor and optionally present in liquid form water. If it comes to temperatures below freezing when parked fuel cell system, then this can freeze the water or moisture condense and then also freeze. This is particularly critical if it occurs in the region of the shut-off valve, in particular between the valve seat and the valve body. In this case, the formation of ice may block the valve so that it can not be opened when the fuel cell system is restarted, which can lead to considerable problems.

Aus dem Stand der Technik sind daher elektrische Ventilheizungen bekannt. Diese sind jedoch sehr energieintensiv und verzögern insbesondere die Zeit bis zu einem erfolgreichen Wiederstart des Brennstoffzellensystems, was, insbesondere beim Einsatz von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen, einen erheblichen Nachteil darstellt, da das Fahrzeug dann erst nach einer gewissen Wartedauer überhaupt erst gestartet werden kann.Therefore, electrical valve heaters are known from the prior art. However, these are very energy-intensive and delay in particular the time to a successful restart of the fuel cell system, which, especially when using fuel cell systems in vehicles, a significant disadvantage, since the vehicle can only be started after a certain waiting time.

In diesem Zusammenhang ist aus der japanischen JP 2008-041622 A ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches Absperrventile insbesondere in den Zuluftleitungen und Abluftleitungen des Kathodenraums aufweist, die in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur aktiv angesteuert werden können. Sie werden im Betrieb des Brennstoffzellensystems durch eine Steuerung aktiv geöffnet und im Stillstand des Brennstoffzellensystems geschlossen. Nun ist es so, dass zusätzlich die Temperatur überwacht wird, sodass ein Öffnen der Ventileinrichtungen bei einem Abfall der Temperaturen in die Nähe des Gefrierpunkts oder unterhalb des Gefrierpunkts möglich ist. Hierdurch wird zwar wiederum Luft in den Kathodenraum gelangen, die Gefahr eines Einfrierens in der geschlossenen Stellung kann jedoch sicher und zuverlässig verhindert werden. Alternativ zu der beschriebenen aktiven Ansteuerung ist in der Schrift auch erwähnt, dass eine passive Ansteuerung im Falle des Abfallens der Temperaturen beispielsweise durch ein Bimetall oder eine Formgedächtnislegierung erfolgen könnte. Problematisch ist dabei immer, dass das Absperrventil ganz geöffnet wird, sodass ein vergleichsweise großer Querschnitt für das Nachströmen von Luft freigegeben wird.In this context is from the Japanese JP 2008-041622 A a fuel cell system known, which has shut-off valves in particular in the air supply lines and exhaust ducts of the cathode compartment, which can be actively controlled depending on the ambient temperature. They are actively opened during operation of the fuel cell system by a controller and closed at standstill of the fuel cell system. Now, in addition, the temperature is monitored so that it is possible to open the valve devices when the temperatures fall near the freezing point or below the freezing point. Although this will in turn air into the cathode space, the risk of freezing in the closed position can be safely and reliably prevented. As an alternative to the active activation described, it is also mentioned in the document that passive activation in the event of the temperatures dropping could be effected, for example, by a bimetal or a shape memory alloy. The problem is always that the shut-off valve is fully opened, so that a comparatively large cross-section is released for the subsequent flow of air.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Absperrventil für eine Gasleitung von und/oder zu einer Brennstoffzelle anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet.The object of the present invention is now to provide a shut-off valve for a gas line of and / or to a fuel cell, which avoids these disadvantages.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Absperrventil mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Ferner löst ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Absperrventil die Aufgabe. Auch hier ergibt sich eine vorteilhafte Weiterbildung aus einem abhängigen Unteranspruch.According to the invention this object is achieved by a shut-off valve with the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and developments emerge from the dependent subclaims. Furthermore, a fuel cell system with such a shut-off valve solves the problem. Again, there is an advantageous development of a dependent claim.

Das erfindungsgemäße Absperrventil ist so aufgebaut, dass der Ventilkörper von einer Gasströmung in der Gasleitung gegen die Kraft eines Federelements abhebbar ist. Zusätzlich ist es so, dass ein passives thermisch aktivierbares Element vorgesehen ist, welches unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur seine Form ändert und damit den Ventilkörper gegen die Kraft des Federelements von dem Ventilsitz abhebt. Das Absperrventil gemäß der Erfindung ist also vollständig passiv ausgebildet. Sobald eine Gasströmung auftritt, öffnet sich der Ventilkörper durch den Staudruck gegen die Kraft eines Federelements. Wird die Gasströmung abgestellt, dann führt dies dazu, dass das Federelement den Ventilkörper wieder gegen den Ventilsitz drückt und damit die Gasleitung absperrt. Kommt es nun zu kritischen Temperaturen, beispielsweise zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, wenn Wasserdampf oder Wasser in dem Gas in der Gasleitung enthalten sind, dann besteht potenziell die Gefahr, dass der Ventilkörper am Ventilsitz festfriert. Dies wird bei dem erfindungsgemäßen Absperrventil dadurch verhindert, dass ein passives thermisch aktivierbares Element vorgesehen ist, welches unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur, insbesondere also – in dem hier beschriebenen Beispiel – einer Temperatur in der Größenordung des Gefrierpunkts, von Wasser, seine Form ändert und damit den Ventilkörper vom Ventilsitz abhebt. Dabei reicht es durchaus aus, wenn dieser um ein kleines Wegstück abgehoben wird. Dies führt dazu, dass Ventilkörper und Ventilsitz nicht aneinander festfrieren können, sodass, für den Fall, das eine Gasströmung wieder eingeschaltet wird, der Ventilkörper vom Staudruck sehr leicht wieder vom Ventilsitz abgehoben werden kann. Der Aufbau ist vollkommen passiv und erfordert keinerlei Sensorik und Steuerung. Daher kann auf Mess- und Steuerleitungen verzichtet werden. Auch beim Ausfall von elektrischer Energie, oder wenn im abgestellten Zustand eines das Absperrventil aufweisenden Systems keine Energie zur Verfügung steht, spricht das Absperrventil sicher und zuverlässig an.The shut-off valve according to the invention is constructed so that the valve body can be lifted by a gas flow in the gas line against the force of a spring element. In addition, it is such that a passive thermally activatable element is provided which changes its shape below a predetermined limit temperature and thus lifts the valve body against the force of the spring element of the valve seat. The shut-off valve according to the invention is thus formed completely passive. As soon as a gas flow occurs, it opens Valve body by the back pressure against the force of a spring element. If the gas flow is turned off, this leads to the spring element again pressing the valve body against the valve seat and thus shutting off the gas line. Now, if it comes to critical temperatures, for example to temperatures below freezing, when water vapor or water in the gas contained in the gas line, then there is a potential risk that the valve body freezes on the valve seat. This is prevented in the shut-off valve according to the invention characterized in that a passive thermally activatable element is provided, which below a predetermined limit temperature, ie in particular - in the example described here - a temperature in the order of the freezing point of water, changes its shape and thus the Lift valve body from the valve seat. It is quite sufficient if this is lifted by a small distance. As a result, the valve body and valve seat can not freeze to each other, so that, in the case where a gas flow is turned on again, the valve body can easily be lifted off the valve seat by the back pressure. The structure is completely passive and does not require any sensors and controls. Therefore, it is possible to dispense with measuring and control lines. Even with the loss of electrical energy, or when no energy is available in the parked state of a system having the shut-off valve, the shut-off valve responds safely and reliably.

Die Kraft des Federelements wird dabei idealerweise so gewählt, dass unerwünschte Strömungseffekte wie sie beispielsweise durch Konvektion oder Wind auftreten, keinen ausreichend hohen Staudruck erzeugen, um den Ventilkörper vom Ventilsitz abzuheben. Außerdem ist es möglich, das Wegstück, um welchen der Ventilkörper vom Ventilsitz im Falle des Ansprechens des passiven thermisch aktivierbaren Elements abgehoben wird, sehr klein zu gestalten. Dies reicht typischerweise aus, um einen eventuellen Wasserfilm zwischen den beiden beteiligten Partnern so von den jeweiligen Partnern zu trennen, dass im Falle eines Einfrierens die Bewegung nicht blockiert wird. Andererseits kann durch das nur sehr kleine Wegstück, um welches der Ventilkörper unterhalb der Grenztemperatur vom Ventilsitz abgehoben ist, die Durchströmung der Gasleitung in dieser Situation auf ein Minimum reduziert werden, sodass einerseits ein Einfrieren verhindert wird, und andererseits die bei der potenziellen Durchströmung entstehenden Nachteile durch eine Minimierung des Volumenstroms begrenzt werden können.The force of the spring element is ideally chosen so that unwanted flow effects such as those that occur, for example, by convection or wind, do not generate a sufficiently high back pressure to lift the valve body from the valve seat. In addition, it is possible to make the distance by which the valve body is lifted from the valve seat in the case of the response of the passive thermally activatable element, very small. This is typically sufficient to separate a possible film of water between the two partners involved from the respective partners so that in case of freezing the movement is not blocked. On the other hand, can be reduced by the very small distance by which the valve body is below the limit temperature of the valve seat, the flow of the gas line in this situation to a minimum, so that on the one hand freezing is prevented, and on the other hand, resulting from the potential flow disadvantages can be limited by minimizing the volume flow.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Absperrventils ist es dabei vorgesehen, dass das thermisch aktivierbare Element als Schnappelement ausgebildet ist. Ein solches Schnappelement zeichnet sich dadurch aus, dass es in seiner ersten Position verharrt und erst unterhalb der Grenztemperatur schlagartig in seine andere Position springt. Dies führt zu einer vergleichsweise großen Kraft des Schnappelements. Hierdurch ist es möglich, die vorgegebene Temperatur sehr dicht am Gefrierpunkt des Wassers, wenn das Absperrventil beispielsweise gegen ein Einfrieren im Falle von vorliegendem Wasser geschützt werden soll, gewählt werden kann. Durch die vergleichsweise große Kraft des Schnappelements kann auch bei beginnendem Festfrieren der Ventilsitz noch von dem Ventilkörper abgehoben werden. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass der Ventilkörper erst so spät wie möglich von dem Ventilsitz abgehoben werden muss. Hierdurch können Situationen, in denen das Absperrventil nicht geschlossen ist, zeitlich über den Gesamtbetrieb betrachtet, minimiert werden, wodurch nachteilige Effekte, die mit einer Durchströmung des Absperrventils einhergehen, ebenfalls minimiert werden.According to a very advantageous development of the shut-off valve according to the invention, it is provided that the thermally activatable element is designed as a snap element. Such a snap element is characterized by the fact that it remains in its first position and jumps abruptly to its other position only below the limit temperature. This leads to a comparatively large force of the snap element. This makes it possible, the predetermined temperature very close to the freezing point of the water when the check valve is to be protected, for example, against freezing in the case of existing water, can be selected. Due to the comparatively large force of the snap element, the valve seat can still be lifted off the valve body even when freezing begins. This has the decisive advantage that the valve body must be lifted from the valve seat as late as possible. As a result, situations in which the shut-off valve is not closed, viewed over time over the entire operation, can be minimized, whereby adverse effects associated with a flow through the shut-off valve are also minimized.

Das thermisch aktivierbare Element kann dabei insbesondere als Thermobimetall ausgebildet sein, beispielsweise als Thermobimetall-Schnappscheibe, welche um eine zentrale Achse der Ventileinrichtung angeordnet wird, gegenüber welcher der Ventilkörper in axialer Richtung verschiebbar ist. Alternativen zu einem solchen Thermobimetall können jedoch auch Dehnstoffelemente oder insbesondere bidirektionale Formgedächtnislegierungen bilden, welche ebenfalls für das erfindungsgemäße Absperrventil geeignet sind.The thermally activatable element may be formed in particular as a bimetallic strip, for example as a bimetallic snap-action disc, which is arranged about a central axis of the valve device, against which the valve body is displaceable in the axial direction. However, alternatives to such a bimetallic strip can also form expansion elements or in particular bidirectional shape memory alloys, which are also suitable for the shut-off valve according to the invention.

Im Anspruch 9 ist ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle angegeben, welches eines oder mehrere der erfindungsgemäßen Absperrventile nutzt. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass wenigstens ein derartiges Absperrventil in der Zuluftleitung und/oder der Abluftleitung zu einem Kathodenraum der Brennstoffzelle angeordnet ist. Typischerweise reicht es aus, wenn ein einziges Ventil beispielsweise in der Zuleitung oder der Ableitung zu dem Kathodenraum angeordnet wird. Hierdurch wird eine Durchströmung verhindert. Die im Kathodenraum befindlichen Gase, beispielsweise die an Sauerstoff vollständig abgereicherte Luft, im Wesentlichen also Stickstoff, sorgen dann für ein entsprechendes Gaspolster, welches auch bei Wind oder Konvektionseffekten nicht oder nicht nennenswert bewegt werden kann. Hierdurch wird das Nachströmen von Sauerstoff in den Kathodenraum verhindert, was bei einer Brennstoffzelle beim Wiederstart zu erheblichen Vorteilen hinsichtlich der mit der Brennstoffzelle zu erzielenden Lebensdauer führt.In claim 9, a fuel cell system is specified with at least one fuel cell, which uses one or more of the shut-off valves according to the invention. In particular, it is provided that at least one such shut-off valve is arranged in the supply air line and / or the exhaust air line to a cathode space of the fuel cell. Typically, it is sufficient if a single valve is arranged, for example, in the feed line or the discharge line to the cathode space. As a result, a flow is prevented. The gases present in the cathode chamber, for example the air completely depleted of oxygen, ie essentially nitrogen, then provide a corresponding gas cushion which can not or can not be significantly moved even in the case of wind or convection effects. As a result, the subsequent flow of oxygen is prevented in the cathode compartment, resulting in a fuel cell when restarting to significant advantages in terms of achievable with the fuel cell life.

Da in Brennstoffzellensystemen als Feuchtigkeit bzw. Flüssigkeit in den Strömen typischerweise bei elektrochemischen Prozessen der Brennstoffzelle entstehendes hochreines Wasser auftritt, soll gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Brennstoffzellensystems die vorgegebene Grenztemperatur bei dem oder knapp oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser liegen. Hierdurch wird ein Einfrieren des Absperrventils sicher und zuverlässig verhindert.Since in fuel cell systems as moisture or liquid in the streams typically occurring in electrochemical processes of the fuel cell high-purity water occurs According to an advantageous embodiment of the fuel cell system are the predetermined limit temperature at or just above the freezing point of water. As a result, a freeze of the shut-off valve is reliably and reliably prevented.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Absperrventils sowie eines Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Absperrventil ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the shut-off valve according to the invention and a fuel cell system with such a shut-off valve will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein Brennstoffzellensystem in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; 1 a fuel cell system in a possible embodiment according to the invention;

2 ein Absperrventil in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem geschlossenen Zustand bei Temperaturen oberhalb der Grenztemperatur; und 2 a shut-off valve in a possible embodiment according to the invention in a closed state at temperatures above the limit temperature; and

3 ein Absperrventil in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem geschlossenen Zustand bei Temperaturen unterhalb der Grenztemperatur. 3 a shut-off valve in a possible embodiment according to the invention in a closed state at temperatures below the limit temperature.

In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dienen soll. Das Brennstoffzellensystem in der 1 ist sehr stark vereinfacht dargestellt, da es nur zur Erläuterung der Absperrventile dienen soll. Dem Fachmann ist selbstverständlich klar, dass es alternative Ausführungsvarianten eines Brennstoffzellensystems gibt, für welche das Gesagte ebenso relevant ist.In the presentation of the 1 is a fuel cell system indicated in principle 1 to recognize which in a vehicle 2 intended to provide electrical drive power. The fuel cell system in the 1 is shown very simplistic, since it should only serve to explain the shut-off valves. The skilled person is of course clear that there are alternative embodiments of a fuel cell system, for which the said is also relevant.

Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, beispielsweise in PEM-Technologie aufgebaut ist. Dieser Brennstoffzellenstapel 3 weist einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 auf. In dem hier dargestellten stark vereinfachten Ausführungsbeispiel wird der Anodenraum 5 mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 7 versorgt. Über eine Abgasleitung 8 gelangt nicht verbrauchter Wasserstoff aus dem System. Genauso gut wäre hier ein Anodenkreislauf oder ähnliches denkbar. Dies ist für die vorliegende Erfindung jedoch von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. Diese Ausführungsformen sind dem Fachmann jedoch geläufig.The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 3 which is typically constructed as a stack of single cells, as a so-called fuel cell stack, for example in PEM technology. This fuel cell stack 3 has a cathode compartment 4 and an anode room 5 on. In the highly simplified embodiment illustrated here, the anode compartment becomes 5 with hydrogen from a compressed gas storage 6 via a pressure regulating and metering device 7 provided. Via an exhaust pipe 8th Unused hydrogen is released from the system. Equally well would be here an anode circuit or the like conceivable. However, this is of minor importance to the present invention, so that will not be discussed further. However, these embodiments are familiar to the person skilled in the art.

Über eine Luftfördereinrichtung 9 wird dem Kathodenraum 4 Luft über eine Zuluftleitung 10 zugeführt. An Sauerstoff abgereicherte Abluft gelangt über eine Abluftleitung 11 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in die Umgebung. Auch hier ist es dem Fachmann klar, dass weitere Komponenten wie beispielsweise Befeuchter, eine Abluftturbine, Wasserabscheider oder dergleichen in dem System vorgesehen sein können.Via an air conveyor 9 becomes the cathode compartment 4 Air via an air supply line 10 fed. Oxygen depleted exhaust air passes through an exhaust duct 11 in the embodiment shown here in the environment. Again, it is clear to those skilled in the art that other components such as humidifiers, an exhaust turbine, water separator or the like may be provided in the system.

Um nun insbesondere im Stillstand des Brennstoffzellensystems zu verhindern, dass Sauerstoff in den Kathodenraum 4 nachströmt, weist das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 wenigstens eines von zwei in der Darstellung der 1 angedeuteten Absperrventilen 12 auf. Diese Absperrventile 12 in der Zuluftleitung 10 und/oder der Abluftleitung 11 sind so ausgebildet, dass diese sich schließen, wenn durch die Luftfördereinrichtung 9 keine Luft gefördert wird, das Brennstoffzellensystem 1 also nicht betrieben wird.In order now, especially at standstill of the fuel cell system to prevent oxygen in the cathode compartment 4 nachströmt, has the fuel cell system shown here 1 at least one in two in the presentation of the 1 indicated shut-off valves 12 on. These shut-off valves 12 in the supply air line 10 and / or the exhaust duct 11 are designed to close when passing through the air conveyor 9 no air is being pumped, the fuel cell system 1 so not operated.

Der Aufbau des oder der Absperrventile 12 kann dabei insbesondere so sein, wie es in 2 in einer Schnittdarstellung der oberen Hälfte des Absperrventils 12 prinzipmäßig angedeutet ist. Das Absperrventil 12 ist in der Darstellung der 2 in seinem geschlossenen Zustand gezeigt. Ein Ventilkörper 13 liegt über ein Ventildichtelement 14 dichtend an einem Ventilsitz 15 an, welcher Teil eines in seiner Gesamtheit mit 16 bezeichneten Ventilgehäuses ist. In anderen Ebenen als der hier dargestellten Schnittebene hat das Ventilgehäuse 16 dabei eine oder mehrere mit 17 bezeichnete und gestrichelt angedeutete Durchgangsöffnungen, sodass die in der Strömungsrichtung S anströmende Luft durch das Ventilgehäuse 16 bzw. die Durchgangsöffnungen 17 hindurch in den Bereich des Ventilkörpers 13 gelangen kann. Das Absperrventil 12 weist außerdem eine zentrale Bohrung 18 in dem Ventilkörper 16 auf. Im Inneren der Bohrung 18 verläuft eine axial bewegliche Welle bzw. Achse 19, welche wiederum fest mit dem Ventilkörper 13 verbunden ist. An dem dem Ventilkörper 13 gegenüberliegenden Ende der Achse 19 befindet sich ein Anschlagelement 20, welches in dem geöffneten Zustand des Absperrventils 19 zum Anschlag an ein Gegenelement 21 des Ventilgehäuses 16 ausgebildet ist. Zwischen dem Ventilgehäuse 16 und dem Anschlagelement 20, welches mit der Achse 19 verbunden ist, befindet sich außerdem ein Federelement 22, beispielsweise eine Druckfeder. Die Achse 19 und damit auch der Ventilkörper 13 können sich nun gegen die Kraft dieser Druckfeder 22 so weit bewegen, bis das Anschlagelement 20 am Gegenelement 21 anschlägt. In diesem Zustand ist zwischen dem Ventilsitz 15 und dem Ventilkörper 13 bzw. seinem Ventildichtelement 14 ein vergleichsweise großer Querschnitt freigegeben, sodass die Luft beispielsweise zu dem Kathodenraum 4 hin- oder von dem Kathodenraum 4 wegströmen kann. Sobald sich eine entsprechende Strömung in Strömungsrichtung S aufbaut, drückt also der am Ventilkörper 13 entstehende Staudruck den Ventilkörper 13 zusammen mit der Achse 19 entgegen der Kraft der Druckfeder 22 auf. Wird die Strömung abgestellt oder liegt eine sehr geringe Strömung vor, beispielsweise lediglich durch Konvektion oder Windeffekte, dann reicht der Staudruck typischerweise nicht aus, um den Ventilkörper 13 gegen die Kraft der Feder 22 vom Ventilsitz 15 abzuheben. Dieser Zustand ist in der Darstellung der 2 gezeigt.The construction of the shut-off valve (s) 12 may be in particular as it is in 2 in a sectional view of the upper half of the shut-off valve 12 is indicated in principle. The shut-off valve 12 is in the representation of 2 shown in its closed state. A valve body 13 lies above a valve sealing element 14 sealing against a valve seat 15 which part of one in its entirety with 16 designated valve housing is. In other planes than the section plane shown here has the valve body 16 one or more with 17 designated and indicated by dashed lines through holes, so that the inflowing in the flow direction S air through the valve housing 16 or the passage openings 17 through into the region of the valve body 13 can get. The shut-off valve 12 also has a central hole 18 in the valve body 16 on. Inside the hole 18 runs an axially movable shaft or axis 19 , which in turn firmly with the valve body 13 connected is. At the valve body 13 opposite end of the axle 19 there is a stop element 20 , which in the opened state of the shut-off valve 19 to stop against a counter element 21 of the valve housing 16 is trained. Between the valve body 16 and the stopper element 20 , which with the axis 19 is connected, there is also a spring element 22 , For example, a compression spring. The axis 19 and thus also the valve body 13 can now against the force of this spring 22 move so far until the stop element 20 on the counter element 21 strikes. In this condition is between the valve seat 15 and the valve body 13 or its valve sealing element 14 a comparatively large cross section is released, so that the air, for example, to the cathode compartment 4 to or from the cathode compartment 4 can flow away. As soon as a corresponding flow builds up in the direction of flow S, so the presses on the valve body 13 resulting dynamic pressure the valve body 13 together with the axle 19 against the force of the compression spring 22 on. If the flow is turned off or there is a very low flow, for example, only by convection or wind effects, then the back pressure is typically not enough to the valve body 13 against the force of the spring 22 from the valve seat 15 withdraw. This condition is in the representation of 2 shown.

Da sowohl in der Zuluftleitung 10, als insbesondere in der Abluftleitung 11 des Brennstoffzellensystems 1 Feuchtigkeit vorliegen kann, welche hier auskondensiert oder in flüssiger Form in der Brennstoffzelle 3 entstanden ist, besteht, sofern die Temperaturen sich unterhalb des Gefrierpunkts befinden, immer die Gefahr, dass der Ventilkörper 13 im Bereich des Ventilsitzes 15 festfriert. Dann wäre auch bei entsprechend großer Strömung in Strömungsrichtung S kein Öffnen des Absperrventils 12 mehr möglich.As both in the supply air line 10 , as in particular in the exhaust duct 11 of the fuel cell system 1 Moisture may be present, which condenses out here or in liquid form in the fuel cell 3 is formed, there is, if the temperatures are below freezing, always the risk that the valve body 13 in the area of the valve seat 15 freezes. Then, even with a correspondingly large flow in the flow direction S, there would be no opening of the shut-off valve 12 more is possible.

Um dieser Problematik entgegenzuwirken befindet sich in der Darstellung der 2 zwischen dem Ventilgehäuse 16 und dem Ventilkörper 13 eine um die Achse 19 herum angeordnete Schnappscheibe 23, von welcher zur Verdeutlichung der Funktion die untere Hälfte ebenfalls angedeutet ist. Diese Schnappscheibe 23 soll vorzugsweise als Thermobimetall-Schnappscheibe ausgebildet sein. Sie könnte auch beispielsweise als Formgedächtnislegierung mit bidirektionaler Funktionalität realisiert sein. Ab einer vorgegebenen Temperatur des Absperrventils 12, welche vorzugsweise so gewählt wird, dass sie in der Größenordnung des Gefrierpunkts von Wasser liegt, wird die Schnappscheibe 23 dann ihre geometrische Form schlagartig verändern, wodurch eine vergleichsweise große Kraft entsteht. Die Schnappscheibe 23 wird beispielsweise von der in 2 dargestellten Position bei einer Temperatur von ca. 0°C in die in 3 dargestellte Position springen. Deutlich ist zu erkennen, dass hierdurch ein größerer Bauraum von der Schnappscheibe 23 benötigt wird, was insbesondere durch die konstruktive Ausführung des Ventilgehäuses 16 und des Ventilkörpers 13 entsprechend unterstützt wird. In der Folge kommt es zu einem Abheben des Ventilkörpers 13 im Bereich des Ventildichtelements 14 von dem Ventilsitz 15, sodass ein kleiner Luftspalt zwischen dem Ventilsitz 15 und dem Ventildichtelement 14 entsteht. Hierdurch wird die Gefahr eines Einfrierens minimiert. Gleichzeitig ist der geöffnete Querschnitt als kleiner Spalt zwischen dem Ventildichtelement 14 und dem Ventilsitz 15 sehr klein, sodass durch diesen Spalt auch nur sehr wenig Luft in den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 gelangen kann, sodass die durch den Sauerstoff im Kathodenraum 4 entstehende Problematik beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1, auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, minimiert bleibt.To counteract this problem is located in the presentation of the 2 between the valve body 16 and the valve body 13 one around the axis 19 around arranged snap disc 23 , of which the lower half is also indicated for clarification of the function. This snap disc 23 should preferably be designed as a bimetallic snap-action disc. It could also be realized, for example, as a shape memory alloy with bidirectional functionality. From a predetermined temperature of the shut-off valve 12 , which is preferably chosen to be on the order of the freezing point of water, becomes the snap-action disc 23 then change their geometric shape abruptly, creating a comparatively large force. The snap-disk 23 For example, from the in 2 shown position at a temperature of about 0 ° C in the in 3 jumped position shown. It can be clearly seen that this results in a larger space of the snap disk 23 is needed, which in particular by the structural design of the valve housing 16 and the valve body 13 is supported accordingly. As a result, it comes to a lifting of the valve body 13 in the region of the valve sealing element 14 from the valve seat 15 so that there is a small air gap between the valve seat 15 and the valve sealing element 14 arises. This minimizes the risk of freezing. At the same time, the opened cross section is a small gap between the valve sealing element 14 and the valve seat 15 very small, so that through this gap only very little air in the cathode compartment 4 the fuel cell 3 can pass, so that by the oxygen in the cathode compartment 4 arising problem when restarting the fuel cell system 1 , even at temperatures below freezing, remains minimized.

Durch den konstruktiven Aufbau insbesondere des Ventilkörpers 13 im Bereich der Schnappscheibe 23 ist zu erkennen, dass diese zumindest in der in 2 dargestellten geschlossenen Stellung des Absperrventils 12, und damit letztlich auch in einer durch den Druck der Gasströmung S geöffneten Stellung des Absperrventils 12 keiner permanenten Kraft ausgesetzt ist, sondern locker zwischen dem Ventilgehäuse 16 und dem entsprechend ausgeformten Ventilkörper 13 liegt. Hierdurch wird eine übermäßige Beanspruchung der Schnappscheibe 23 verhindert, sodass diese, wenn sie dann anspricht, auch eine entsprechende Kraft aufbringen kann und nicht bereits durch eine permanente Beaufschlagung mit Kräften ermüdet ist.Due to the structural design, in particular of the valve body 13 in the area of the snap disc 23 It can be seen that these at least in the 2 illustrated closed position of the shut-off valve 12 , And thus ultimately in an open by the pressure of the gas flow S position of the shut-off valve 12 no permanent force is exposed, but loose between the valve body 16 and the correspondingly shaped valve body 13 lies. This will cause excessive stress on the snap-action disc 23 prevented, so that if they then responds, can also muster a corresponding force and is not already fatigued by a permanent application of forces.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • JP 2008-041622 A [0006] JP 2008-041622A [0006]

Claims (10)

Absperrventil (12) für eine Gasleitung (10, 11) von und/oder zu einer Brennstoffzelle (3), mit einem Ventilsitz (15) und einem Ventilkörper (13), dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (13) von einer Gasströmung (S) in der Gasleitung (10, 11) gegen die Kraft eines Federelements (22) abhebbar ist, und dass ein passives thermisch aktivierbares Element (23) vorgesehen ist, welches unterhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur seine Form ändert und damit den Ventilkörper (13) gegen die Kraft des Federelements (22) von dem Ventilsitz (15) abhebt.Shut-off valve ( 12 ) for a gas line ( 10 . 11 ) of and / or to a fuel cell ( 3 ), with a valve seat ( 15 ) and a valve body ( 13 ), characterized in that the valve body ( 13 ) of a gas flow (S) in the gas line ( 10 . 11 ) against the force of a spring element ( 22 ) and that a passive thermally activatable element ( 23 ) is provided, which changes its shape below a predetermined limit temperature and thus the valve body ( 13 ) against the force of the spring element ( 22 ) from the valve seat ( 15 ) takes off. Absperrventil (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch aktivierbare Element als Schnappelement (23) ausgebildet ist.Shut-off valve ( 12 ) according to claim 1, characterized in that the thermally activatable element as a snap element ( 23 ) is trained. Absperrventil (12) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schnappelement (23) in wenigstens einer seiner Endstellungen keiner permanenten Kraft ausgesetzt ist.Shut-off valve ( 12 ) according to claim 2, characterized in that the snap element ( 23 ) is not exposed to permanent force in at least one of its end positions. Absperrventil (12) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (13) auf einer zentralen Achse (19) in axialer Richtung gegen die Kraft des Federelements (22) bewegbar ist.Shut-off valve ( 12 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the valve body ( 13 ) on a central axis ( 19 ) in the axial direction against the force of the spring element ( 22 ) is movable. Absperrventil (12) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch aktivierbare Element (23) als Schnappscheibe (23) um die zentrale Achse (19) ausgebildet ist.Shut-off valve ( 12 ) according to claim 4, characterized in that the thermally activatable element ( 23 ) as a snap-action disc ( 23 ) about the central axis ( 19 ) is trained. Absperrventil (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch aktivierbare Element (23) als Thermobimetall ausgebildet ist.Shut-off valve ( 12 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermally activatable element ( 23 ) is designed as a bimetallic strip. Absperrventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch aktivierbare Element (23) als bidirektionale Formgedächtnislegierung ausgebildet ist.Shut-off valve according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermally activatable element ( 23 ) is designed as a bidirectional shape memory alloy. Absperrventil (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch aktivierbare Element (23) als Dehnstoffelement ausgebildet ist.Shut-off valve ( 12 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the thermally activatable element ( 23 ) is designed as an expansion element. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einem Kathodenraum (4) und einem Anodenraum (5), mit einer Zuluftleitung (10) zu dem Kathodenraum (4) und einer Abluftleitung (11) aus dem Kathodenraum (4), dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuluftleitung (10) und/oder der Abluftleitung (11) wenigstens ein Absperrventil (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ), with a cathode compartment ( 4 ) and an anode compartment ( 5 ), with an air supply line ( 10 ) to the cathode compartment ( 4 ) and an exhaust duct ( 11 ) from the cathode compartment ( 4 ), characterized in that in the supply air line ( 10 ) and / or the exhaust duct ( 11 ) at least one shut-off valve ( 12 ) is arranged according to one of claims 1 to 8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Grenztemperatur bei dem oder etwas oberhalb des Gefrierpunkts) von Wasser liegt.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 9, characterized in that the predetermined limit temperature is at or slightly above the freezing point) of water.
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