DE102017215260A1 - Flap valve arrangement for a fuel cell system and fuel cell system with flap valve arrangement - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klappenventilanordnung (50) zum Steuern eines durch eine Leitung (60) eines Brennstoffzellensystems (100) geführten Gasstroms. Darin deckt ein flächig ausgedehntes und beweglich gelagertes Klappenblatt (51) einen Querschnitt der Leitung (60) in einer Schließstellung ab und gibt diesen in einer Offenstellung frei. Das Klappenblatt (51) weist eine in Schließstellung aufwärts weisende Hauptoberfläche (52) mit zumindest einer Vertiefung (54) auf. Ferner Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem (100) mit solch einer Klappenventilanordnung (50) sowie ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem in Einbaulage der Klappenventilanordnung aufwärts weisenden und unmittelbar an das Klappenblatt (51) angrenzenden Oberflächenabschnitt (70), der zumindest eine Vertiefung (71) sowie zumindest einen stetig abfallenden Pfad zwischen dem Klappenblatt (51) und einem tiefsten Punkt (72) der Vertiefung (71) aufweist. The present invention relates to a flapper valve assembly (50) for controlling a gas flow through a conduit (60) of a fuel cell system (100). Therein covers a flat extended and movably mounted damper blade (51) from a cross section of the line (60) in a closed position and releases it in an open position. The damper blade (51) has a main surface (52) pointing upwards in the closed position and having at least one depression (54). The invention further relates to a fuel cell system (100) with such a flap valve arrangement (50) and a fuel cell system (100) with a surface section (70) which points upwards in the installed position of the flap valve arrangement and directly adjoins the flap blade (51). 71) and at least one continuous sloping path between the damper blade (51) and a lowest point (72) of the recess (71).
Description
Die Erfindung betrifft eine Klappenventilanordnung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eine vereisungssichere Klappenventilanordnung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Klappenventilanordnung.The invention relates to a flap valve arrangement for a fuel cell system, in particular an icing-proof flap valve arrangement. Moreover, the invention relates to a fuel cell system with a flapper valve assembly.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA - membrane electrode assembly) mit einer Membran-Elektroden-Einheit auf. Letztere wird durch eine protonenleitende Membran, PEM, gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells as a core component to a membrane-electrode assembly (MEA - membrane electrode assembly) with a membrane electrode assembly. The latter is formed by a proton-conducting membrane, PEM, on which catalytic electrodes are arranged on both sides. In this case, the membrane separates the anode space associated with the anode and the cathode space associated with each other from the cathode and electrically isolated. In addition, gas diffusion layers can be arranged on the non-membrane-facing sides of the electrodes.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, an der eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O2 zu O2 - unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.During operation of the fuel cell, a hydrogen-containing fuel is supplied to the anode, at which an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with release of electrons. Via the electrolytic membrane, a water-bound or water-free transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with an oxygen-containing operating medium, so that there is a reduction of O 2 to O 2 - taking the electrons. These oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water.
Ein Brennstoffzellenstapel ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren.As a rule, a fuel cell stack is formed by a multiplicity of MEAs arranged in a stack (stack), the electrical powers of which accumulate. Bipolar plates are usually arranged between the membrane-electrode assemblies, which ensure a supply of the individual MEA with the reactants and a cooling liquid and act as an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. In jeder Membran-Elektroden-Anordnung und jeder Bipolarplatte sind für jedes Betriebsmedium mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums.The supply of the fuel cell stack with its operating media, ie the anode operating gas (for example hydrogen), the cathode operating gas (for example air) and the coolant, via main supply channels that enforce the stack in its entire stacking direction and of which the operating media on the bipolar plates, the single cells be supplied. In each membrane-electrode assembly and each bipolar plate at least two such main supply channels are available for each operating medium, one for the supply and one for discharging the respective operating medium.
Um den Brennstoffzellenstapel insgesamt mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem eine Anodenversorgung zum Zu- und Abführen des Anodenbetriebsmittels, eine Kathodenversorgung zum Zu- und Abführen des Kathodenbetriebsmittels und einen Kühlmittelkreislauf auf. Die Anodenversorgung umfasst eine Anodenversorgungsleitung zum Zuführen des Anodenbetriebsmittels zum Brennstoffzellenstapel und eine Anodenabgasleitung. Es ist zudem üblich, zumindest eine Rezirkulationsleitung in der Anodenversorgung des Brennstoffzellensystems anzuordnen, um in dem anodenseitigen Abgas des Brennstoffzellenstapels enthaltenen Wasserstoff erneut dem Stapel zuzuführen. Die Kathodenversorgung umfasst eine Kathodenversorgungsleitung zum Zuführen des Kathodenbetriebsmittels zum Brennstoffzellenstapel und eine Kathodenabgasleitung. Die Leitungen der Anodenversorgung, Kathodenversorgung und des Kühlmittelkreislaufs sind mit den entsprechenden Hauptversorgungskanälen des Brennstoffzellenstapels fluidführend verbunden.In order to supply the fuel cell stack as a whole with the operating means, the fuel cell system has an anode supply for supplying and discharging the anode operating means, a cathode supply for supplying and discharging the cathode operating medium, and a coolant circuit. The anode supply includes an anode supply line for supplying the anode resource to the fuel cell stack and an anode exhaust gas line. It is also customary to arrange at least one recirculation line in the anode supply of the fuel cell system, in order to supply the hydrogen contained in the anode-side exhaust gas of the fuel cell stack again to the stack. The cathode supply includes a cathode supply line for supplying the cathode resource to the fuel cell stack and a cathode exhaust gas line. The lines of the anode supply, cathode supply and the coolant circuit are fluidly connected to the corresponding main supply channels of the fuel cell stack.
In den gasführenden Leitungen der Anodenversorgung und/oder der Kathodenversorgung sind Klappenventile angeordnet, um den durch die jeweilige Leitung geführten Gasstrom zu steuern. Diese Klappenventile sind dabei im Wesentlichen wie Drosselklappen ausgebildet und weisen in der Regel eine Ventilklappe (Klappenblatt) auf. Die Ventilklappe kann von einer Schließstellung, in der sie einen Querschnitt der Gasleitung im Wesentlichen vollständig abdeckt, in eine Offenstellung, in der sie den Querschnitt der Gasleitung im Wesentlichen vollständig freigibt, überführt werden.In the gas-carrying lines of the anode supply and / or the cathode supply flap valves are arranged to control the guided gas flow through the respective line. These flap valves are designed substantially like throttle valves and usually have a valve flap (damper blade) on. The valve flap can be transferred from a closed position, in which it covers a cross section of the gas line substantially completely, into an open position, in which it essentially completely releases the cross section of the gas line.
Gängige PEM müssen mit einer Mindestmembranfeuchte betrieben werden um optimale Wirkungsgrade zu erzielen, weswegen das Kathodenbetriebsmedium vor Eintritt in den Stapel in der Regel befeuchtet wird. Aufgrund dessen und der Wasserproduktion im Stapel selbst, fällt am Austritt des Brennstoffzellenstapels flüssiges Wasser an. Dieses flüssige Wasser wird entlang der Wandung der Leitungen geführt und im Betrieb des Brennstoffzellensystems mittels Wasserabscheidern gesammelt. Während einer Abschaltprozedur des Stapels erfolgt üblicherweise ein Trocknen der Wasserabscheider und der Leitungen. Im abgeschalteten Brennstoffzellensystem kann sich jedoch weiteres Kondensat bilden, beispielsweise durch nächtliche Abkühlung der Atmosphäre. Dieses Kondensat kann sich an den Klappenventilen des Systems sammeln und dort, in Abhängigkeit der Außentemperatur, gefrieren. Beim Start des Systems können dann Funktionsstörungen der vereisten Klappe auftreten.Common PEM must be operated with a minimum membrane moisture to achieve optimal efficiencies, which is why the cathode operating medium is moistened before entering the stack usually. Due to this and the water production in the stack itself, liquid water drops at the outlet of the fuel cell stack. This liquid water is guided along the wall of the lines and collected during operation of the fuel cell system by means of water separators. During a shutdown procedure of the stack is usually carried out a drying of the water and the lines. In the switched-off fuel cell system, however, further condensate can form, for example, by nocturnal cooling of the atmosphere. This condensate can collect on the flap valves of the system and freeze there, depending on the outside temperature. When the system starts malfunctions of the icy flap may occur.
Derartige Funktionsstörungen können zu Fehlfunktionen und Schädigungen des Brennstoffzellensystems können. Aus dem Stand der Technik sind daher bereits Lösungen bekannt, um vereiste Klappenventile zu enteisen. Such malfunctions can lead to malfunctions and damage to the fuel cell system. Therefore, solutions are already known from the prior art for defrosting iced flap valves.
Die
Die
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu mindern oder zu überwinden und eine frostgeschützte Klappenventilanordnung sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer frostgeschützten Klappenventilanordnung bereitzustellen.The invention is based on the object to mitigate or overcome the disadvantages of the prior art and to provide a frost-protected flap valve assembly and a fuel cell system with a frost-protected flap valve assembly.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klappenventilanordnung zum Steuern eines durch eine Leitung eines Brennstoffzellensystems geführten Gasstroms. Die erfindungsgemäße Klappenventilanordnung weist ein flächig ausgedehntes und beweglich gelagertes Klappenblatt auf, das einen Querschnitt der Leitung in einer Schließstellung abdeckt, bevorzugt vollständig abdeckt und besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig abdeckt, und in einer Offenstellung frei gibt, bevorzugt vollständig frei gibt und besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig frei gibt.This object is achieved by a flap valve arrangement for controlling a gas flow guided through a line of a fuel cell system. The flap valve arrangement according to the invention has a flatly extended and movably mounted damper blade which covers a cross-section of the conduit in a closed position, preferably completely covers and particularly preferably substantially completely covers, and releases in an open position, preferably completely free and particularly preferably substantially completely free.
Bevorzugt ist das Klappenblatt monolithisch ausgeführt und exakt an einen Querschnitt der Leitung angepasst. Alternativ weist das Klappenblatt einen Grundkörper und eine den Grundkörper umlaufende, elastische Dichtung auf, welche einen Bereich zwischen der Leitung und einem Umfang des Grundkörpers in der Schließstellung des Klappenblatts zumindest im Wesentlichen fluiddicht verschließt. Bevorzugt ist der Grundköper des Klappenblatts zumindest teilweise aus einem Metall oder einem duroplastischen Kunststoff gefertigt. Ferner bevorzugt ist das Klappenblatt auf einer Klappenwelle angeordnet, bevorzugt drehfest angeordnet, und mittels dieser zwischen der Schließstellung und der Offenstellung schwenkbar. Die Klappenwelle ist bevorzugt durch eine Wandung der Leitung hindurchgeführt und mit entsprechenden Dichtmitteln versehen.Preferably, the damper blade is designed monolithic and adapted exactly to a cross section of the line. Alternatively, the damper blade has a main body and an elastic seal surrounding the main body, which at least substantially fluid-tightly closes a region between the duct and a circumference of the main body in the closed position of the damper blade. Preferably, the base body of the damper blade is at least partially made of a metal or a thermosetting plastic. Further preferably, the damper blade is arranged on a flap shaft, preferably arranged rotationally fixed, and by means of this pivotable between the closed position and the open position. The flap shaft is preferably passed through a wall of the conduit and provided with corresponding sealing means.
Die Leitung ist entweder Teil der Klappenventilanordnung oder Teil des Brennstoffzellensystems. Ist die Leitung Teil des Brennstoffzellensystems umfasst die Klappenventilanordnung im Wesentlichen das Klappenblatt inklusive Lagerelemente, die Mittel zum Verlagern des Klappenblatts sowie Dichtmittel. Als Teil der Klappenventilanordnung ist die Leitung bevorzugt ein Ventilgehäuse, das zum Einsetzen in eine Leitung eines Brennstoffzellensystems ausgebildet ist und hierfür beispielsweise einen ersten Anschlussstutzen, einen zweiten Anschlussstutzen und ein die Stutzen verbindendes Leitungsstück enthält. Bevorzugt ist das Klappenblatt dann innerhalb des Leitungsstücks angeordnet.The conduit is either part of the flapper valve assembly or part of the fuel cell system. If the conduit is part of the fuel cell system, the flap valve assembly essentially comprises the damper blade including bearing elements, the means for displacing the damper blade and sealing means. As part of the flap valve arrangement, the line is preferably a valve housing which is designed for insertion into a line of a fuel cell system and for this purpose contains, for example, a first connecting piece, a second connecting piece and a line piece connecting the connecting piece. Preferably, the damper blade is then disposed within the conduit section.
Das Klappenblatt weist eine in der Schließstellung, und bevorzugt in der Einbaulage der Klappenventilanordnung im Brennstoffzellensystem, aufwärts weisende erste Hauptoberfläche sowie eine der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche auf. Aufwärts weisend bezeichnet dabei, dass eine Summe oder eine Integration über alle Normalenvektoren der ersten Hauptoberfläche in einem Summennormalenvektor resultiert, der in einem Raumwinkelbereich von 45 Grad, bevorzugt von 30 Grad und besonders bevorzugt von 15 Grad um eine lotrecht aufwärts weisende Richtung zeigt. Lotrecht aufwärts bedeutet dabei der örtlichen Richtung der Schwerebeschleunigung entgegengesetzt.The damper blade has a first main surface pointing upwards in the closed position, and preferably in the installed position of the damper valve arrangement in the fuel cell system, and a second main surface lying opposite the first main surface. In this case, pointing upward indicates that a sum or an integration over all normal vectors of the first main surface results in a summation normal vector which points in a solid angle direction of 45 degrees, preferably 30 degrees and more preferably 15 degrees. Vertical upwards means opposite to the local direction of gravitational acceleration.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die erste Hauptoberfläche zumindest eine Vertiefung auf. Die erfindungsgemäße Klappenventilanordnung bewirkt somit vorteilhaft, dass sich auf dem Klappenblatt oder an den Wänden der Leitung sammelndes Kondensat nicht in einem Kontaktbereich von Klappenblatt und Leitung sammeln kann. Stattdessen rinnt das anfallende Kondensat in die Vertiefung der ersten Hauptoberfläche und gefriert gegebenenfalls dort. Selbst im Fall von Vereisungen bleibt das Klappenblatt somit voll beweglich. Bevorzugt sind die Mittel zum Verlagern des Klappenblatts so ausgelegt, dass sie das Klappenblatt auch mit Eisbeladung zuverlässig bewegen können. In der Vertiefung gefrorenes Kondensat kann im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems abgetaut und über die Leitung abgeführt werden.According to the present invention, the first main surface has at least one recess. The flap valve arrangement according to the invention thus advantageously has the effect that condensate collecting on the damper blade or on the walls of the duct can not collect in a contact region of damper blade and duct. Instead, the resulting condensate runs into the recess of the first main surface and freezes there if necessary. Even in the case of icing the damper blade thus remains fully mobile. Preferably, the means for displacing the damper blade are designed so that they can reliably move the damper blade with ice loading. Frozen condensate in the depression can be defrosted during normal operation of the fuel cell system and removed via the line.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Klappenventilanordnung weist die erste Hauptoberfläche zumindest einen stetig abfallenden Pfad zwischen zumindest einem Punkt ihres Umfangs und einem tiefsten Punkt der Vertiefung auf. Stetig ist dabei nicht im streng mathematischen zu verstehen, sondern bezeichnet lediglich, dass die erste Hauptoberfläche an jedem Punkt jeder Verbindung von einem Punkt ihres Umfangs zu dem tiefsten Punkt der Vertiefung einen negativen Anstieg (Gefälle) aufweist. Somit ist gewährleistet, dass flüssiges Wasser stets in Richtung der Vertiefung rinnt. In a preferred embodiment of the flap valve assembly, the first major surface has at least one continuous sloping path between at least one point of its circumference and a lowest point of the recess. Steady is there not strictly mathematical, but merely means that the first major surface has a negative slope (slope) at each point of each connection from a point of its circumference to the lowest point of the depression. This ensures that liquid water always runs in the direction of the depression.
Besonders bevorzugt weist die erste Hauptoberfläche eine konkave Form auf, insbesondere eine um den tiefsten Punkt rotationssymmetrische konkave Form. Alternativ ist eine asymmetrische konkave Form so an die Ausrichtung eines Summennormalenvektors der ersten Hauptoberfläche angepasst, dass kondensiertes flüssiges Wasser in einer Schließstellung des Klappenblatts zuverlässig in die Vertiefung rinnt und in einer Offenstellung des Klappenblatts zuverlässig aus der Vertiefung ausgebracht wird. Ebenfalls bevorzugt weist die zweite Hauptoberfläche eine konvexe Form auf. Alternativ bevorzugt ist das Klappenblatt als Zylindersegment mit ebener Grundfläche (zweite Hauptoberfläche) und konkaver Deckfläche (erste Hauptoberfläche) ausgeführt.Particularly preferably, the first main surface has a concave shape, in particular a concave shape rotationally symmetrical around the lowest point. Alternatively, an asymmetrical concave shape is adapted to the alignment of a sum normal vector of the first major surface such that condensed liquid water reliably drains into the recess in a closed position of the valve blade and is reliably ejected from the recess in an open position of the valve. Also preferably, the second major surface has a convex shape. Alternatively preferably, the damper blade is designed as a cylinder segment with a flat base surface (second main surface) and concave top surface (first main surface).
Alternativ zur konkaven Form der ersten Hauptoberfläche weist diese zwischen ihrem Umfang und dem tiefsten Punkt der Vertiefung eine Mehrzahl von Segmenten auf. Jedes Segment weist einen negativen Anstieg wie obenstehend beschrieben auf. Stärke und Ausrichtung des negativen Anstiegs kann jedoch zwischen einzelnen Segmenten variieren. Bevorzugt nimmt der negative Anstieg in radialer Richtung einwärts zunächst zu und dann ab, so dass die Vertiefung insgesamt eine Glockenform aufweist.As an alternative to the concave shape of the first main surface, it has a plurality of segments between its circumference and the lowest point of the depression. Each segment has a negative slope as described above. However, the magnitude and orientation of the negative slope may vary between individual segments. Preferably, the negative increase in the radial direction increases inwardly first and then from, so that the recess has a total bell shape.
Ebenfalls bevorzugt weisen Segmente der ersten Hauptoberfläche in Umfangsrichtung, eines beispielsweise kreisförmigen Klappenblatts, einen negativen Anstieg auf. Somit rinnt Kondensat zunächst in Umfangsrichtung entlang des Gefälles und anschließend gesammelt in Richtung des tiefsten Punkts der Vertiefung. Ferner bevorzugt weist die erste Hauptoberfläche eine Mehrzahl von Vertiefungen auf, wobei ein stetig abfallender Pfad zwischen jedem Punkt des Umfangs des Klappenblatts und einem tiefsten Punkt zumindest einer Vertiefung existiert.Also preferably, segments of the first major surface in the circumferential direction, for example, a circular valve leaf, a negative increase. Thus, condensate first runs in the circumferential direction along the slope and then collected in the direction of the lowest point of the depression. Further preferably, the first major surface has a plurality of depressions, with a steadily decreasing path existing between each point of the perimeter of the valve blade and a lowest point of at least one well.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klappenventilanordnung weist die erste Hauptoberfläche des Klappenblatts eine hydrophile Beschichtung auf. Somit ist das Ansammeln von Wasser, sei es durch Zufluss oder durch Kondensation, im Bereich der ersten Hauptoberfläche des Klappenblatts begünstigt. Ebenfalls bevorzugt weist eine innere Oberfläche der Leitung zumindest im Bereich des Klappenblatts, insbesondere in einem Bereich über der ersten Hauptoberfläche des Klappenblatts, eine hydrophobe Beschichtung auf. Somit wird das Abgleiten von Flüssigkeit von der inneren Leitungsoberfläche zum Klappenblatt und dessen Vertiefung begünstigt. Die Leitung und/oder das Klappenblatt, insbesondere dessen Grundkörper, bestehen zumindest teilweise aus einem metallischen oder duroplastischen Material. Dem Fachmann sind für diese Materialien geeignete hydrophile oder hydrophobe Beschichtungen bekannt.In a likewise preferred embodiment of the flap valve arrangement according to the invention, the first main surface of the flap blade has a hydrophilic coating. Thus, the accumulation of water, whether by inflow or by condensation, is favored in the region of the first main surface of the damper blade. Also preferably, an inner surface of the conduit, at least in the region of the damper blade, in particular in a region above the first main surface of the damper blade, a hydrophobic coating on. Thus, the sliding of liquid from the inner pipe surface to the damper blade and its recess is favored. The line and / or the damper blade, in particular its base body, at least partially made of a metallic or thermosetting material. The person skilled in the art is aware of suitable hydrophilic or hydrophobic coatings for these materials.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einer Vielzahl von Brennstoffzellen, einer Kathodenversorgung, und einer in der Kathodenversorgung oder der Anodenversorgung angeordneten erfindungsgemäßen Klappenventilanordnung wie obenstehend beschrieben. Bevorzugt weist die erste Hauptoberfläche des Klappenblatts in der Einbaulage der Klappenventilanordnung in dem Brennstoffzellensystem aufwärts.The invention likewise provides a fuel cell system with a fuel cell stack, a multiplicity of fuel cells, a cathode supply, and a flap valve arrangement according to the invention arranged in the cathode supply or the anode supply, as described above. Preferably, the first main surface of the damper blade in the installed position of the damper valve assembly in the fuel cell system upwards.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einer Vielzahl von Brennstoffzellen, einer Kathodenversorgung und einer Anodenversorgung. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Klappenventilanordnung zum Steuern eines durch eine Leitung der Kathodenversorgung oder der Anodenversorgung geführten Gasstroms auf. Die Klappenventilanordnung weist ein flächig ausgedehntes und beweglich gelagertes Klappenblatt auf, das einen Querschnitt dieser Leitung in einer Schließstellung abdeckt, bevorzugt vollständig abdeckt, und besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig abdeckt, und das einen Querschnitt dieser Leitung in einer Offenstellung frei gibt, bevorzugt vollständig frei gibt und besonders bevorzugt im Wesentlichen vollständig frei gibt.Likewise provided by the invention is a fuel cell system with a fuel cell stack, a plurality of fuel cells, a cathode supply and an anode supply. The fuel cell system further includes a flapper valve assembly for controlling a gas flow passing through a conduit of the cathode supply or the anode supply. The flap valve assembly has a flat extended and movably mounted damper blade which covers a cross section of this line in a closed position, preferably completely covers, and particularly preferably substantially completely covers, and which releases a cross section of this line in an open position, preferably completely free and most preferably substantially completely free.
Erfindungsgemäß weist ein in Einbaulage der Klappenventilanordnung in dem Brennstoffzellensystem aufwärts weisender und unmittelbar an das Klappenblatt der Klappenventilanordnung angrenzender Oberflächenabschnitt der Leitung zumindest eine Vertiefung auf. Diese Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere für Einbaulagen von Klappenventilen geeignet, in denen weder die erste noch die zweite Hauptoberfläche des Klappenblatts in Schließstellung aufwärts weist, wie beispielsweise bei im Wesentlichen horizontal orientierten Leitungen.According to the invention, a surface section of the line pointing upward in the installation position of the flap valve arrangement in the fuel cell system and directly adjoining the flap leaf of the flap valve arrangement has at least one depression. This embodiment of the invention is particularly suitable for mounting positions of flap valves, in which neither the first nor the second main surface of the valve leaf in the closed position faces upwards, such as in substantially horizontally oriented lines.
Der Oberflächenabschnitt weist zumindest einen stetig abfallenden Pfad zwischen dem Klappenblatt und einem tiefsten Punkt der Vertiefung auf. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem hat somit den Vorteil, das sich auf dem Klappenblatt oder an den Wänden der Leitung sammelndes Kondensat nicht in einem Kontaktbereich von Klappenblatt und Leitung sammeln kann. Stattdessen rinnt das anfallende Kondensat in die Vertiefung des aufwärts weisenden Oberflächenabschnitts und gefriert gegebenenfalls dort. Somit bleibt das Klappenblatt selbst im Fall von Vereisungen voll beweglich. In der Vertiefung befindliches, gefrorenes Kondensat wird im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystem abgetaut und kann mittels des Gasstroms aus der Vertiefung ausgetragen werden. Alternativ weist der Oberflächenabschnitt ein Ablaufventil auf oder ist selbst ein beweglich gelagertes isoliertes Bauteil.The surface portion has at least one continuous sloping path between the damper blade and a lowest point of the recess. The fuel cell system according to the invention thus has the advantage that condensate collecting on the damper blade or on the walls of the duct can not collect in a contact region of damper blade and duct. Instead, the resulting condensate runs into the depression of the upwardly facing surface section and freezes there if necessary. Thus, the damper blade itself remains in Case of icing fully mobile. Frozen condensate located in the depression is defrosted during normal operation of the fuel cell system and can be discharged from the depression by means of the gas flow. Alternatively, the surface portion on a drain valve or is itself a movably mounted insulated component.
Aufwärts weisend bezeichnet dabei, dass eine Summe oder eine Integration über alle Normalenvektoren des Oberflächenabschnitts in einem Summennormalenvektor resultiert, der in einem Raumwinkelbereich von 45 Grad, bevorzugt von 30 Grad, besonders bevorzugt von 15 Grad um eine lotrecht aufwärts weisende Richtung zeigt. Lotrecht aufwärts bedeutet dabei der örtlichen Richtung der Schwerebeschleunigung entgegengesetzt. Der stetig abfallende Pfad ist nicht als stetig im mathematischen Sinn zu verstehen. Stetig abfallend bezeichnet lediglich, dass der Oberflächenabschnitt an jedem Punkt jeder Verbindung seines unmittelbar an das Klappenblatt angrenzenden Randbereichs hin zu dem tiefsten Punkt der Vertiefung einen negativen Anstieg aufweist. Somit ist gewährleistet, dass flüssiges Kondensat in Richtung der Vertiefung rinnt.In this case, pointing upward indicates that a sum or an integration over all normal vectors of the surface section results in a summation normal vector which points in a solid angle direction of 45 degrees, preferably 30 degrees, particularly preferably 15 degrees. Vertical upwards means opposite to the local direction of gravitational acceleration. The steadily descending path is not to be understood as continuous in the mathematical sense. Continuously sloping merely means that the surface portion has a negative slope at each point of each connection of its edge region immediately adjacent to the damper blade towards the lowest point of the depression. This ensures that liquid condensate flows in the direction of the recess.
Besonders bevorzugt weist der Oberflächenabschnitt eine konkave Form auf. Alternativ zur konkaven Form des Oberflächenabschnitts kann dieser zwischen seinem unmittelbar an das Klappenblatt angrenzenden Randbereich und dem tiefsten Punkt der Vertiefung eine Mehrzahl von Segmenten aufweisen. Jedes Segment weist einen negativen Anstieg auf. Stärke und Ausrichtung des negativen Anstiegs können zwischen einzelnen Segmenten variieren. Ebenfalls bevorzugt weist die erste Hauptoberfläche eine Mehrzahl von Vertiefungen auf, wobei jeweils ein stetig abfallender Pfad zwischen jedem Punkt eines unmittelbar an das Klappenblatt angrenzenden Randbereichs des Oberflächenabschnitts und dem tiefsten Punkt zumindest einer Vertiefung existiert.Particularly preferably, the surface portion has a concave shape. As an alternative to the concave shape of the surface portion, it may have a plurality of segments between its edge region immediately adjacent to the damper blade and the lowest point of the depression. Each segment has a negative slope. Strength and orientation of the negative slope may vary between individual segments. Also preferably, the first major surface has a plurality of depressions, each having a steadily decreasing path between each point of an edge region of the surface portion immediately adjacent to the valve leaf and the lowest point of at least one depression.
Ebenfalls bevorzugt ist der Oberflächenabschnitt der Leitung, analog zum Klappenblatt selbst, beweglich gelagert und von einer Offenstellung in eine Schließstellung überführbar. In Schließstellung schließt der Oberflächenabschnitt bündig und fluiddicht mit der restlichen inneren Oberfläche der Leitung ab. In der Offenstellung fließt in der Vertiefung gesammeltes Kondensat in ein außerhalb der Leitung angeordnetes Reservoir oder an die Umwelt ab.Also preferably, the surface portion of the line, analogous to the damper blade itself, movably mounted and transferred from an open position to a closed position. In the closed position, the surface section is flush and fluid-tight with the remaining inner surface of the line. In the open position, condensate collected in the depression flows into a reservoir located outside the conduit or to the environment.
Ebenfalls bevorzugt weist das unmittelbar an den Oberflächenabschnitt des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angrenzende Klappenblatt eine hydrophobe Beschichtung auf. Somit wird das Abgleiten von Flüssigkeitstropfen von dem Klappenblatt in die Vertiefung des Oberflächenabschnitts begünstigt. Ebenfalls bevorzugt weist der Oberflächenabschnitt, zumindest im Bereich der Vertiefung, eine hydrophile Beschichtung auf. Somit ist das Ansammeln von Wasser, sei es durch Zufluss oder durch Kondensation, im Bereich der Vertiefung begünstigt. Die Leitung und/oder das Klappenblatt, insbesondere dessen Grundkörper, sind aus einem metallischen und/oder duroplastischen Materialien gebildet. Dem Fachmann sind für diese Materialien geeignete hydrophile oder hydrophobe Beschichtungen bekannt.Likewise preferably, the damper blade immediately adjacent to the surface section of the fuel cell system according to the invention has a hydrophobic coating. Thus, slippage of liquid droplets from the damper blade into the recess of the surface portion is promoted. Also preferably, the surface portion, at least in the region of the recess, on a hydrophilic coating. Thus, the accumulation of water, whether by inflow or by condensation, favors in the region of the depression. The line and / or the damper blade, in particular its base body, are formed from a metallic and / or thermosetting materials. The person skilled in the art is aware of suitable hydrophilic or hydrophobic coatings for these materials.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die den Oberflächenabschnitt aufweisende Leitung Teil der Klappenventilanordnung. Besonders bevorzugt ist die den Oberflächenabschnitt aufweisende Leitung Teil eines Ventilgehäuses, das zum Einsetzen in eine Leitung des Brennstoffzellensystems ausgebildet ist. Das Ventilgehäuse weist bevorzugt einen ersten Anschlussstutzen, einen zweiten Anschlussstutzen und ein die Stutzen verbindendes Leitungsstück auf, wobei der Oberflächenabschnitt in dem Leitungsstück angeordnet ist. Ebenfalls bevorzugt ist die den Oberflächenabschnitt aufweisende Leitung Teil des Brennstoffzellensystems aber nicht der Klappenventilanordnung. Die Klappenventilanordnung umfasst dann im Wesentlichen das Klappenblatt, eine durch eine Leitungswandung hindurchgeführte Klappenwelle und entsprechende Dichtungsmittel. Der Oberflächenabschnitt ist dann unmittelbar angrenzend an die Klappenventilanordnung angeordnet. According to one embodiment of the fuel cell system according to the invention, the line having the surface portion is part of the flap valve arrangement. Particularly preferably, the line having the surface portion is part of a valve housing, which is designed for insertion into a line of the fuel cell system. The valve housing preferably has a first connecting piece, a second connecting piece and a piece of pipe connecting the connecting piece, wherein the surface portion is arranged in the line piece. Also preferably, the line having the surface portion is part of the fuel cell system but not the flapper valve assembly. The flapper valve assembly then essentially comprises the damper blade, a flapper shaft passed through a conduit wall, and corresponding sealing means. The surface portion is then disposed immediately adjacent the flapper valve assembly.
Besonders bevorzugt weist die Vertiefung des Klappenblatts der oben beschriebenen Klappenventilanordnung sowie die Vertiefung des Oberflächenabschnitts des oben beschriebenen Brennstoffzellensystem ein Volumen auf, das an eine im abgeschalteten Brennstoffzellenstapel nach einer Abschalt- und/oder Trocknungsprozedur maximal zu erwartende Menge Kondensat angepasst ist. Insbesondere weist die Vertiefung ein Volumen auf, das zum Aufnehmen einer im abgeschalteten Brennstoffzellenstapel nach einer Abschalt- und Trocknungsprozedur maximal zu erwartenden Menge Kondensat angepasst ist. Die Menge im abgeschalteten Brennstoffzellenstapel nach einer Abschalt- und/oder Trocknungsprozedur maximal zu erwartenden Kondensats hängt dabei von einer Vielzahl von Faktoren ab. Diese Faktoren umfassen beispielsweise den Betriebszustand des Brennstoffzellensystem vor dem Abschalten, die Außentemperatur sowie die relative Luftfeuchtigkeit der umgebenden Außenluft. In der Praxis ist die maximal zu erwartende Menge Kondensat für ein gegebenes Brennstoffzellensystem für den Fachmann ohne weiteres, beispielsweise anhand von Versuchen in einem Prüfstand bestimmbar.Particularly preferably, the recess of the damper blade of the above-described flap valve assembly and the recess of the surface portion of the fuel cell system described above, a volume which is adapted to a maximum in the disconnected fuel cell stack after a shutdown and / or drying procedure amount of condensate. In particular, the depression has a volume which is adapted to receive a maximum amount of condensate expected in the switched-off fuel cell stack after a switch-off and drying procedure. The amount in the switched-off fuel cell stack after a shutdown and / or drying procedure maximum expected condensate depends on a variety of factors. These factors include, for example, the operating state of the fuel cell system before shutdown, the outside temperature and the relative humidity of the surrounding outside air. In practice, the maximum amount of condensate expected for a given fuel cell system is easily determinable by a person skilled in the art, for example on the basis of experiments in a test stand.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless in individual cases executed differently, combined with advantage with each other.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik; -
2 eine schematische Darstellung einer Klappenventilanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 a schematic representation of a fuel cell system according to the prior art; -
2 a schematic representation of a flap valve assembly according to an embodiment of the invention; -
3 a schematic representation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention; and -
4 a schematic representation of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
Das Brennstoffzellensystem
Wie in der Detaildarstellung der
Um den Brennstoffzellenstapel
Die Anodenversorgung
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung
In der Anodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad
Das in
Das Brennstoffzellensystem
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung
Die Klappenventilanordnung
Das Klappenblatt
Das Klappenblatt
Aufgrund der konkaven Form der ersten Hauptoberfläche
Oberhalb der ersten Hauptoberfläche
Somit wird das Kondensat
Das Klappenblatt
Der in
Der in
In jedem Fall weist die Leitung
Da die Vertiefung
Die dem Oberflächenabschnitt
Somit wird das Kondensat
Das in
In der Schließstellung schließt der schwenkbare Oberflächenabschnitt
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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