DE102020114410A1

DE102020114410A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102020114410A1
Application number: DE102020114410.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schaible; Felix Rothe; Clemens Poteschil; Robert Notz; Georg Holzheu; Aleksandar Pericevic
Original assignee: Hoerbiger Antriebstechnik Holding GmbH
Current assignee: Hoerbiger Antriebstechnik Holding GmbH
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-12-02
Also published as: KR20230019081A; US20230080884A1; EP3963653A1; JP2023530392A; WO2021239945A1; CA3175352A1; CN115699378A

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle sowie eine mit einem Sauganschluss (17) und mit einem Druckanschluss (19) an einen Anodenraum der Brennstoffzelle angeschlossene Strahlpumpen-Regelventil-Einheit (5). Deren fluidisch zwischen eine Brennstoffgasquelle und die Strahlpumpe (13) geschaltetes Brennstoffgas-Regelventil (15) umfasst einen eine erste Dichtfläche (79) aufweisenden Ventilsitz (69) mit mindestens zwei Durchlasskanälen (85) und einen bewegbaren, eine zweite Dichtfläche (82) aufweisenden Ventilkörper (71). Letzterer ist mittels eines Ventilkörper-Aktuators (73) in eine Absperrposition und eine Durchlassposition bewegbar, wobei in der Absperrposition die erste Dichtfläche (79) und die zweite Dichtfläche (82) in einer gemeinsamen Dichtebene (E) aneinander anliegen und gegeneinander abdichten, wohingegen in der Durchlassposition ein Hubspalt zwischen der ersten Dichtfläche (79) und der zweiten Dichtfläche (82) ausgebildet ist. Die erste Dichtfläche (79) und/oder die zweite Dichtfläche (82) ist auf einem erhabenen Dichtplateau (81) angeordnet. Eine Ventilsitzoberfläche im Bereich der ersten Dichtfläche (79) und/oder eine Ventilkörperoberfläche im Bereich der zweiten Dichtfläche (82) weist/weisen eine gemittelte Rautiefe von maximal 1µm auf. Der Volumenstrom eines mittels einer Treibdüse (67) der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit (5) erzeugbaren Treibstrahls ist mittels einer pulsweitenmodulierten Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators (73) regelbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweisende Brennstoffzelle sowie eine mit einem Sauganschluss und mit einem Druckanschluss an den Anodenraum angeschlossene, der Rezirkulation eines Anodengases und der dosierten Beschickung des Anodenraumes mit Brennstoffgas dienende, eine Strahlpumpe und ein Brennstoffgas-Regelventil aufweisende Strahlpumpen-Regelventil-Einheit, wobei das Brennstoffgas-Regelventil fluidisch zwischen eine Brennstoffgasquelle und die Strahlpumpe geschaltet ist.
Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann elektrischer Strom erzeugt werden, indem typischerweise ein dem Anodenraum zugeführtes Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch) mit einem dem Kathodenraum zugeführten sauerstoffhaltigen Gas/Gasgemisch (z. B. Umgebungsluft) unter Bildung eines Reaktionsprodukts (z. B. Wasser) chemisch reagiert. Der Anodenraum ist dabei üblicherweise durch eine Elektrolytmembran von dem Kathodenraum getrennt. Das während der chemischen Reaktion entstehende Reaktionsprodukt fällt größtenteils im Kathodenraum an. Bedingt durch Undichtigkeiten innerhalb der Brennstoffzelle sowie unerwünschte Nebenreaktionen können sich allerdings auch im Anodenraum Kondensatwasser und Fremdgase (z. B. Stickstoff) ansammeln und die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtigen. Üblicherweise sind daher technische Einrichtungen (z. B. Ablassventile, Spülventile) vorgesehen, um Kondensatwasser und Fremdgase aus dem Anodenraum zu entfernen.
Um eine ausreichende Versorgung der Anode mit Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff) zu gewährleisten, wird dieses üblicherweise überstöchiometrisch zugeführt und das Anodengas über den Sauganschluss des Anodenraums abgesaugt und anschließend über den Druckanschluss des Anodenraums erneut dem Anodenraum zugeführt (Rezirkulation). Die Rezirkulation des Anodengases kann dabei sowohl durch ein extern (z. B. elektrisch) angetriebenes Umwälzgebläse als auch durch eine intern durch das unter Druck stehende Brennstoffgas selbst angetriebene Strahlpumpe ermöglicht werden.
Das unter Druck stehende Brennstoffgas tritt bei der Strahlpumpe dabei üblicherweise durch eine Treibdüse unter Ausbildung eines Treibstrahls in eine Mischkammer der Strahlpumpe ein. Anodengas wird bedingt durch das Phänomen des Impulsaustauschs vom Treibstrahl mitgerissen und dadurch angesaugt und gefördert. Das Verhältnis der Volumenströme von rezirkuliertem Anodengas zu hierzu aufgewendetem Treibgas wird als Rezirkulationsrate bezeichnet. Diese schwankt abhängig von der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems, nimmt üblicherweise zu je weiter der Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems in Richtung niedrigerer Last abgesenkt wird und kann insbesondere im Betrieb bei niedriger Teillast Werte von 10 und mehr annehmen.
Gegenüber einem extern angetriebenen Umwälzgebläse muss eine Strahlpumpe nicht unter Aufwendung von (elektrischer) Energie angetrieben werden, was der Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems zugutekommt. Zudem zeichnen sich Strahlpumpen durch eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit aus, da auf (störungsanfällige) bewegte Teile verzichtet werden kann. Allerdings geht der Einsatz einer Strahlpumpe typischerweise auch mit Einschränkungen bezogen auf den Betrieb der Brennstoffzelle im Teillastbetrieb einher, da eine Strahlpumpe ihre Pumpwirkung typischerweise erst dann entfaltet, wenn ein gewisser Mindesttreibgasvolumenstrom überschritten wird.
Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art - bei denen also Strahlpumpen zur Rezirkulation des Anodengases verwendet werden - sind seit vielen Jahren bekannt und kommen sowohl in stationären Anwendungen (z. B. als Kraft-Wärmekopplungs-Anlage, als netzunabhängiger Stromgenerator) als auch in mobilen Anwendungen (z. B. in Kraftfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen) zum Einsatz. Insbesondere bei mobilen Anwendungen stehen dabei Anforderungen wie Langlebigkeit, Zuverlässigkeit auch bei extremen Einsatz- und Umgebungsbedingungen, Teillastfähigkeit, geringe Geräuschemission sowie hohe Energieeffizienz im besonderen Fokus.
Die beispielhaft angeführten Dokumente DE 102011105054 A1 und DE 102010043618 A1 beschreiben jeweils ein derartiges Brennstoffzellensystem.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches sich durch eine verbesserte Praxistauglichkeit, insbesondere bezogen auf die Lebensdauer, die Teillastfähigkeit sowie die Energieeffizienz auszeichnet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art mit den folgenden, synergetisch zusammenwirkenden Merkmalen:

- Das Brennstoffgas-Regelventil umfasst einen eine erste Dichtfläche aufweisenden Ventilsitz mit mindestens zwei Durchlasskanälen und einen bewegbaren, eine zweite Dichtfläche aufweisenden Ventilkörper.
- Der Ventilkörper ist mittels eines Ventilkörper-Aktuators in eine Absperrposition und eine Durchlassposition bewegbar, wobei in der Absperrposition die erste Dichtfläche und die zweite Dichtfläche in einer gemeinsamen Dichtebene aneinander anliegen und gegeneinander abdichten, wohingegen in der Durchlassposition ein Hubspalt zwischen der ersten Dichtfläche und der zweiten Dichtfläche ausgebildet ist.

- Die erste Dichtfläche und/oder die zweite Dichtfläche ist auf einem erhabenen Dichtplateau angeordnet.
- Eine Ventilsitzoberfläche im Bereich der ersten Dichtfläche und/oder eine Ventilkörperoberfläche im Bereich der zweiten Dichtfläche weist/weisen eine gemittelte Rautiefe von maximal 1µm auf.
- Der Volumenstrom eines mittels einer Treibdüse der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit erzeugbaren Treibstrahls ist mittels einer pulsweitenmodulierten Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators regelbar.

Durch die pulsweitenmodulierte Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators wird der Volumenstrom des Treibstrahls nicht kontinuierlich, sondern derart diskontinuierlich geregelt, dass sich Absperrintervalle ohne Volumenstrom (in denen sich der Ventilkörper in der Absperrposition befindet) mit Durchlassintervallen mit hohem Volumenstrom (in denen sich der Ventilkörper in der Durchlassposition befindet) abwechseln. Durch die Anpassung der Längen der Absperrintervalle und der Durchlassintervalle („Pulsweiten“) kann der über einen längeren Zeitraum gemittelte, mittlere Volumenstrom geregelt werden.
Der entsprechend der Abfolge der Absperr- und Durchlassintervalle pulsierende Treibstrahl erzeugt dabei durch die Strahlpumpe einen entsprechend pulsierenden, in den Anodenraum (durch den Druckanschluss) eintretenden Mischgasstrom aus rezirkuliertem Anodengas und (frischem) Brennstoffgas sowie einen entsprechend pulsierenden aus dem Anodenraum (durch den Sauganschluss) abgesaugten Anodengasstrom.
Durch das synergetische Zusammenspiel der erfindungsgemäßen Merkmale kann dabei dem Treibstrahl eine (während des Durchlassintervalls in Erscheinung tretende) extrem steil ansteigende und abfallende Impulsstromänderung („Impulsschlag“) aufgeprägt werden, wodurch eine Reihe von überraschenden Vorteilen ermöglicht wird, die die Praxistauglichkeit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erhöhen.
Zunächst kann der Impulsschlag des Treibstrahls bewirken, dass der Anodengasstrom gleichermaßen mehr oder weniger schlagartig aus dem Anodenraum durch den Saugrohranschluss in die Strahlpumpe angesaugt wird. Dieses pulsierend schlagartige Ansaugen kann dabei dazu beitragen, dass (im Vergleich zu einem eher kontinuierlichen Ansaugen) ein größeres Volumen Anodengas in die Strahlpumpe angesaugt wird. Somit kann die Rezirkulationsrate erhöht werden, was der Teillastfähigkeit des Brennstoffzellensystems zuträglich ist. Darüber hinaus begünstigt das schlagartige Ansaugen auch die Austragung von im Anodenraum befindlichem (unerwünschtem) Kondensatwasser, da dieses bedingt durch das schlagartige Ansaugen im größeren Maße von dem Anodengas mitgerissen und am Absetzen auf Oberflächen im Anodenraum gehindert wird. Beide Effekte können beim Ausnutzen möglicher Schwingungs- und Resonanzphänomene ganz besonders ausgeprägt sein.
Zum anderen kann der Impulsschlag des Treibstrahls bewirken, dass der Mischgasstrom vergleichbar schlagartig durch den Druckanschluss in den Anodenraum einströmt, wodurch die Durchmischung des Gases im Anodenraum befördert werden kann sowie strömungstechnische Totgebiete reduziert werden können. Beides verbessert die Versorgung bzw. die Beladung der Anode mit Brennstoffgas und dient damit der Erhöhung von Wirkungsgrad, Energieeffizienz und Lebensdauer.
Die erfinderischen Merkmale sowie deren Zusammenwirken sind gemeinsam darauf ausgerichtet, eine - dem sich aus dem pulsweitenmodulierten Betrieb des Ventilkörperaktuators ergebenden Wiederholungsmuster folgende - Abfolge möglichst ausgeprägter Impulsstromänderungen im Treibgas- und Mischgasstrom zu ermöglichen:

Durch an der Ventilkörperoberfläche sowie der Ventilsitzoberfläche vorliegende Oberflächengüten kann dabei bei dem Brennstoff-Regelventil ein Abdichten ohne eine elastische Verformung von Ventilkörper und/oder Ventilsitz realisiert werden. Insoweit ist eine hartdichtende Ausführung des Brennstoff-Regelventils realisierbar. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Auseinanderbewegen von Ventilkörper und Ventilsitz unmittelbar und direkt ein Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz mit sich bringt und somit unmittelbar und direkt der Durchfluss von Brennstoffgas freigegeben wird - und nicht erst eine zuvor, d. h. beim vorherigen Schließen des Ventils, erfolgte elastische Deformation des Ventilkörpers und/oder des Ventilsitzes zurückgestellt werden muss, bevor der Ventilkörper und der Ventilsitz voneinander abheben. Dies befördert die Realisierbarkeit einer schlagartigen Impulsstromänderung.

Darüber hinaus kann dadurch, dass der Ventilkörper und der Ventilsitz während des Dichtvorgangs nicht auf Deformation beansprucht werden, deren für Materialermüdungserscheinungen relevante mechanische Beanspruchung reduziert und somit deren Lebensdauer erhöht werden kann. Dies kommt der pulsweitenmodulierten Betriebsweise des Brennstoff-Regelventils - mit ihrer sehr hohen Anzahl an zu einem Abdichtkontakt führenden Ventilkörperbewegungen - zugute. Selbst etwaige, mit dieser deformationsfreien („harten“) Art der Abdichtung einhergehende, geringfügige Brennstoff-Leckageströme während der Absperrintervalle wären angesichts der durch die Erfindung erzielbaren ganz erheblichen Vorteile akzeptabel.
Zur Erzielung des besagten harten Abdichtens liegt bei zumindest einem der beiden Dichtpartner (Ventilkörper bzw. Ventilsitz) an der betreffenden Dichtoberfläche eine gemittelte Rautiefe von maximal 1µm, bevorzugt maximal 0,25µm, besonders bevorzugt maximal 0,1µm vor. Weisen beide Dichtpartner eine vergleichbar harte Dichtoberfläche auf, insbesondere weil an den beiden Dichtoberflächen gleiches Material zum Einsatz kommt, gilt die besagte Oberflächengüte für beide Dichtpartner. Ist hingegen einer der beiden Dichtpartner an seiner Dichtoberfläche härter als der andere Dichtpartner an seiner, beispielsweise indem der Ventilkörper eine aus Stahl bestehende Ventilkörperoberfläche, der Ventilsitz demgegenüber eine aus Kunststoff bestehende Ventilsitzoberfläche aufweist, so ist unschädlich, wenn (vor Inbetriebnahme des Brennstoffgas-Regelventils) die Oberflächengüte an der weniger harten Dichtoberfläche (z. B. etwa um eine Größenordnung) hinter jener an der härteren Dichtoberfläche zurückbleibt. So kann beispielsweise - ohne nachteilige Auswirkungen auf die Funktion - ein aus gefülltem Kunststoff (insbesondere PEEK; s. u.) gefertigter Ventilsitz zum Einsatz kommen, dessen Oberflächengüte durch eine anfängliche gemittelte Rautiefe von maximal 10µm, bevorzugt maximal 2,5µm, besonders bevorzugt maximal 1µm gekennzeichnet ist. Denn in der Einlaufphase erfolgt, begünstigt durch das hochfrequente Aufeinanderschlagen der beiden Dichtpartner infolge des pulsweitengesteuerten Betriebs des Brennstoffgas-Regelventils, durch den härteren der beiden Dichtpartner bei dem weniger harten innerhalb kurzer Zeit ein Glätten der Dichtoberfläche. Bei der vorstehend dargelegten „gemittelten Rautiefe“ handelt es sich um die gemittelte Rautiefe Rz, wie sie gemäß DIN EN 4287 und DIN EN 4288 definiert ist und gemessen wird.
Die angegebene hohe Oberflächengüte an Ventilkörperoberfläche bzw. Ventilsitzoberfläche kann dabei durch deren Bearbeitung mittels mechanischer Oberflächen-Feinbehandlung, wie z. B. Läppen, Honen und Polieren, erzielt werden. Als Werkstoff für den Ventilkörper und den Ventilsitz kommen insbesondere Metalle sowie mit Mineralstoffen, Carbon- oder Glasfasern hochgefüllte Kunststoffe, insbesondere Polyetheretherketone (PEEK), Polyphenylsiloxane (PPS), Polyetherimide (PEI) sowie Polyphtalamide (PPA), in Frage.
Ebenfalls erheblichen Einfluss auf die Ermöglichung einer schlagartigen Impulsstromänderung des Treibstrahls hat die Anordnung mindestens einer Dichtfläche auf einem, gegenüber den angrenzenden Stirnflächenbereichen des betreffenden Elements (Ventilsitz bzw. Ventilkörper) hervorspringendem, erhabenen Dichtplateau. Damit kann erreicht werden, dass sich unter Druck stehendes Brennstoffgas aus der Brennstoffgasquelle bei geschlossenem Brennstoffgas-Regelventil (Absperrposition) in einem Druckraum, der sich aufgespannt durch das erhabene Dichtplateau zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen von Ventilsitz und Ventilkörper erstreckt, ansammelt. Es steht also in Absperrposition des Ventilkörpers unter Druck stehendes und somit entsprechend komprimiertes Brennstoffgas direkt, in kürzest möglicher Distanz an den zusammenwirkenden Dichtflächen an und kann beim Öffnen des Brennstoff-Regelventils (Bewegung des Ventilkörpers in Durchlassposition) schlagartig in die Durchlasskanäle hinein expandieren. Auf diese Weise kann eine Verbesserung der schlagartigen Treibstrahl-Ausbildung erreicht werden, indem unmittelbar und direkt, wenn die beiden Dichtflächen voneinander abgehoben werden, ausreichend unter Druck stehendes Brennstoffgas bereitsteht, um in die mindestens zwei Durchflüsse einzuströmen und damit zu einem schlagartigen Strömungsaufbau beizutragen.
Der vorstehende Effekt erlaubt wiederum einen Betrieb des Brennstoffgas-Regelventils mit einem extrem geringen Hub des Ventilkörpers. Bei typischen Anwendungsfällen ist ein Hub von unter 0,5mm ausreichend. In besonders bevorzugter Ausgestaltung beträgt der Hub des Ventilkörpers unter 0,3mm, beispielsweise 0,2mm. Dermaßen geringe Hübe wirken sich positiv auf das Betriebsverhalten aus. Für ein besonders vorteilhaftes Betriebsverhalten des Brennstoffgas-Regelventils beträgt die axiale Erstreckung des zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen von Ventilsitz und Ventilkörper gebildeten Druckraums (s. o.) bevorzugt mindestens das 1,5-Fache des Ventilkörper-Hubes, besonders bevorzugt mindestens das 3-Fache hiervon.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass der für das vorliegende erfinderische Konzept bedeutsame intermittierende Treibstrahl mit schlagartigem Aufbau und Abbruch der Treibgasströmung erst durch das Zusammenspiel der erfindungsgemäßen Merkmale realisiert werden kann.
Bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist die erste Dichtfläche auf dem erhabenen Dichtplateau angeordnet und durch mindestens eine Ringfläche ausgebildet, in die mindestens zwei Durchlasskanäle in jeweils einer Durchlasskanalmündung münden. In vorteilhafter Weise sind dabei die Durchlasskanalmündungen kreisförmig, oval, dreiecksförmig oder trapezförmig ausgeführt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich der Druckraum sowohl innerhalb als auch außerhalb der Ringfläche zwischen Ventilkörper und Ventilsitz erstreckt und somit im Zuge der Ventilöffnung Brennstoffgas von zwei Seiten in die mindestens zwei Durchlasskanäle expandieren und einströmen kann, was den schlagartigen Aufbau des Treibstrahls befördert.
Dabei ist ganz besonders bevorzugt ein Bezugsumfang bzw. eine Summe von Bezugsumfängen der mindestens einen Ringfläche mindestens 60-mal, bevorzugt mindestens 80-mal, besonders bevorzugt mindestens 100-mal größer als der Hubspalt in der Durchlassposition. Der Bezugsumfang einer Ringfläche ist dabei als das arithmetische Mittel des Außenumfangs und des Innenumfangs der betreffenden Ringfläche definiert. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der für den Brennstoffgasdurchfluss entscheidende Durchströmquerschnitt in der Durchlassposition bereits nach besonders geringer Relativbewegung des Ventilkörpers gegenüber dem Ventilsitz erreicht wird. Eine Minimierung der Bewegungswege verringert gleichzeitig die erforderliche Betätigungszeit sowie die aufzuwendende Betätigungsenergie und wirkt sich besonders vorteilhaft auf den bewegungswegabhängigen Bauteilverschleiß und damit die Lebensdauer des Brennstoffgas-Regelventils aus.
Alternativ kann in einer zweiten Weiterbildung der Erfindung die erste Dichtfläche auf dem erhabenen Dichtplateau angeordnet und durch mindestens zwei (in der Dichtebene nicht miteinander verbundene) Flächenabschnitte ausgebildet sein, in denen jeweils (mindestens) ein Durchlasskanal in einer Durchlasskanalmündung mündet, wobei die mindestens zwei Flächenabschnitte bevorzugt jeweils kreisförmig, oval, dreiecksförmig oder trapezförmig ausgeführt sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich der Druckraum ringsherum außerhalb eines jeden Flächenabschnitts zwischen Ventilkörper und Ventilsitz erstreckt und somit im Zuge der Ventilöffnung das Brennstoffgas von allen Seiten in den jeweiligen Durchlasskanal expandieren und einströmen kann, was den schlagartigen Aufbau des Treibstrahls befördert.
Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise eine Summe der Umfänge der mindestens zwei Flächenabschnitte mindestens 150-mal, bevorzugt mindestens 250-mal, besonders bevorzugt mindestens 350-mal größer als der Hubspalt in Durchlassposition. Damit, d. h. bei entsprechend (bezogen auf den Ventilkörper-Hub) sehr großen kumulierten Umfangslängen, können - wie oben bereits in analoger Weise ausgeführt - der für den Brennstoffgasdurchfluss entscheidende Durchströmquerschnitt in der Durchlassposition bereits nach besonders geringer Relativbewegung des Ventilkörpers gegenüber dem Ventilsitz sowie die dadurch ermöglichten Vorteile in besonders ausgeprägter Weise erreicht werden.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilkörper-Aktuator einen Flusskonzentrator und einen mit dem Ventilkörper gekoppelten Anker umfasst, wobei in der Durchlassposition zwischen dem Anker und dem Flusskonzentrator ein Luftspalt ausgebildet ist. Durch den Luftspalt kann verhindert werden, dass in Durchlassposition der Anker mit dem Flusskonzentrator in Kontakt kommt und an diesem (induziert durch Magnet- und/oder Oberflächenkräfte) „anhaftet“, was ein erneutes Bewegen des Ventilkörpers in die Absperrposition zumindest erschweren und verlangsamen kann und sich somit negativ auf die Dynamik der Bewegung des Ventilkörpers auswirken könnte.
Gemäß einer anderen Weiterbildung schlägt der Ventilkörper bzw. ein ggf. vorgesehener Anker des Ventilkörper-Aktuators in der Durchlassposition an mindestens einem Anschlagelement an, welches insbesondere elastisch und/oder lärmmindernd ausgeführt ist. Damit kann - im Falle der zuvor diskutierten Weiterbildung - einfach und zuverlässig verhindert werden, dass der Flusskonzentrator und der Anker in der Durchlassposition miteinander in Kontakt kommen. Darüber hinaus kann allgemein bei entsprechender Ausführung des Anschlagelements, insbesondere durch dessen elastische und/oder lärmmindernde Ausführung, erreicht werden, dass die Geräuschemission des Brennstoffgas-Regelventils beim Erreichen der Durchlassposition reduziert und somit die Praxistauglichkeit des Brennstoffzellensystems erhöht wird. Auch die Lebensdauer des Brennstoffregelventils profitiert von dieser Maßnahme.
Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilkörper entlang einer Bewegungsachse in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar ist, wobei das Brennstoffgas quer zur Bewegungsachse in das Brennstoffgas-Regelventil einströmbar und entlang der Bewegungsachse aus dem Brennstoffgas-Regelventil ausströmbar ist. Somit kann erreicht werden, dass der Brennstoffgasstrom beim Durchströmen des Brennstoffgas-Regelventils lediglich um etwa 90° Grad umgelenkt wird und somit ein mit stärkerem Umlenken einhergehender Druckverlust vermieden werden kann, was dem schlagartigen Aufbau des Treibstrahls zugutekommt.
Ein negativer Einfluss auf die abrupte Impulsstromänderung des Treibstrahls durch zwischen dem Einströmen des Brennstoffgases in die Durchlasskanäle und dem Austritt des Treibstrahls aus der Treibdüse auftretende reibungsbehaftete Effekte kann gemäß einer anderen Weiterbildung dadurch minimiert werden, dass die Treibdüse einen Treibdüsenauslass aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Treibdüsenauslass und der ersten Dichtfläche höchstens 160-mal, bevorzugt höchstens 130-mal größer ist als der Hubspalt bei geöffnetem Brennstoffgas-Regelventil. Auf der anderen Seite darf, um eine schonende Beschleunigung des Treibgases in der Treibdüse zu erreichen, der besagte Abstand auch nicht zu gering ausfallen. Bevorzugt ist er mindestens 70-mal, bevorzugt 100-mal größer als der Hubspalt bei geöffnetem Brennstoffgas-Regelventil. Bei Einhaltung vorstehender Bemessung stellen sich sehr gute Betriebseigenschaften ein.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Ventilkörper entlang einer Bewegungsachse in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar, wobei der Ventilkörper an seiner dem Ventilsitz zugewandten Stirnfläche mindestens eine, insbesondere als Sackloch oder ringförmige Rinne ausgeführte, Vertiefung aufweist, welche mit mindestens einem sich quer zur Bewegungsachse zur Peripherie des Ventilkörpers hin erstreckenden Zuströmkanal fluidverbunden ist. Somit kann erreicht werden, dass durch den Zuströmkanal (bzw. die Zuströmkanäle) und die Vertiefung hindurch Brennstoffgas zu dem Druckraum gelangen und bei geöffnetem Brennstoffgas-Regelventil (Durchlassposition des Ventilkörpers) weiter zu den Durchlasskanälen strömen kann. Idealerweise ist eine doppelte Versorgung des Druckraums mit Brennstoffgas einerseits durch den mindestens einen Zuströmkanal sowie die Vertiefung und andererseits unter seitlicher Umströmung des Ventilkörpers realisiert.
Ein erfinderisches Brennstoffzellensystem mit ganz besonders kompaktem Brennstoffgas-Regelventil lasst sich gemäß einer anderen Weiterbildung realisieren, wenn das Brennstoffgas-Regelventil ein hülsenförmiges Ventilgehäuse umfasst, welches den Ventilsitz, den Ventilkörper und den Ventilkörper-Aktuator aufnimmt. Dabei ist bevorzugterweise der Ventilkörper durch das Ventilgehäuse geführt entlang einer Bewegungsachse zwischen der Absperrposition und der Durchlassposition bewegbar und steht dabei innerhalb eines ringförmigen, die Führung bewirkenden Kontaktbereichs des Ventilgehäuses mit diesem in Kontakt. Bevorzugt sind dabei weiterhin in einem vom Kontaktbereich ausgehend dem Ventilsitz zugewandten Abschnitt des Ventilgehäuses mindestens eine quer zur Bewegungsachse verlaufende Zuströmöffnung (für das Brennstoffgas) und in einem vom Kontaktbereich ausgehend dem Ventilsitz abgewandten Abschnitt des Ventilgehäuses mindestens eine quer zur Bewegungsachse verlaufende Ausgleichsöffnung (für das Brennstoffgas) ausgebildet. Durch die Anordnung der mindestens einen Zuströmöffnung und der mindestens einen Ausgleichsöffnung auf unterschiedlichen Seiten des Ventilkörpers im Ventilgehäuse kann erreicht werden, dass an dem Ventilkörper ausgleichsöffnungsseitig und zuströmöffnungsseitig Brennstoffgas mit identischem Druck ansteht und sich somit die entsprechenden Druckkräfte auf den Ventilkörper gegenseitig ausgleichen (Druckausgeglichenheit). Diese Druckausgeglichenheit ermöglicht die schnelle und energiesparende Bewegbarkeit des Ventilkörpers entlang der Bewegungsachse.
Ganz besonders bevorzugt weist der Ventilkörper dabei einen Gleitring auf, mittels dessen der Ventilkörper im Ventilgehäuse geführt wird und mit dem ringförmigen Kontaktbereich des Ventilgehäuses in Kontakt steht. Dabei kann durch den Gleitring eine „schwimmende Lagerung“ des Ventilkörpers realisiert werden, die es ermöglicht, dass sich der Ventilkörper in der Absperrposition an dem Ventilsitz ausrichtet, was der Dichtheit der Abdichtung zwischen Ventilkörper und Ventilsitz zuträglich ist.
Zentrale Aspekte der vorliegenden Erfindung manifestieren sich erkennbar in der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit. Vor diesem Hintergrund behält sich die Anmelderin vor ein separates Schutzbegehren auf eben diese isolierte Einheit zu richten.
Obwohl es sich einem Fachmann auch ohne gesonderte Erwähnung aus dem Zusammenhang und vor dem Hintergrund seines Fachwissens ohnehin erschließt, sei an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass die einzelnen Merkmale der vorstehend beschriebenen Weiterbildungen auch losgelöst von anderen einzelnen Merkmalen der jeweiligen Weiterbildung realisiert werden können und mit einzelnen Merkmalen anderer Weiterbildungen kombiniert werden können.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 einen Axialschnitt einer Strahlpumpen-Regelventil-Einheit eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
3 einen vergrößerten Axialschnitt des Brennstoffgas-Regelventils der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit nach 2,
4a und 4b den Ventilkörper des Brennstoffgas-Regelventils gemäß 3 in einer Seitenansicht (4a) sowie einem Radialschnitt (4b),
5a bis 6b zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Ventilsitzes eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in jeweils einer Draufsicht (5a, 6a) sowie einem Axialschnitt (5b, 6b) und
7 Draufsichtausschnitte von vier weiteren verschiedenen Ventilsitzen von erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemen.

1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, welches eine Brennstoffzelle 3 und ein Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5 umfasst. Die Brennstoffzelle 3 weist in üblicher Weise einen Anodenraum 7, einen Kathodenraum 9 und eine den Anodenraum 7 und den Kathodenraum 9 voneinander trennende Elektrolytmembran 11 auf.
Die Strahlpumpen-Regelventileinheit 5 umfasst eine Strahlpumpe 13 und ein Brennstoffgas-Regelventil 15, ist über einen Sauganschluss 17 und einen Druckanschluss 19 an den Anodenraum 7 angeschlossen und dient der Rezirkulation eines Anodengases sowie der dosierten Beschickung des Anodenraums 7 mit Brennstoffgas.
Hierfür passiert das in der Brennstoffquelle 25 unter Hochdruck stehende Brennstoffgas zunächst ein geöffnetes Absperrventil 27, bevor sein Druck in einem Druckminderer 29 reduziert wird und das Brennstoffgas in das Brennstoffgas-Regelventil 15 einströmt. Geregelt durch das Brennstoffgas-Regelventil strömt das Brennstoffgas anschließend in die Strahlpumpe 13 ein und reißt dort - in bekannter Weise - Anodengas mit, welches durch den Sauganschluss 17 angesaugt und mit dem (frischen) Brennstoffgas zu Mischgas vermischt wird. Das Mischgas verlässt die Strahlpumpe 13 durch den Druckanschluss 19 und strömt an dem Sicherheitsventil 35 vorbei und durch einen (optionalen) ersten Kondensatabscheider 37 hindurch, bevor es durch einen Anodenraumeingang 39 in den Anodenraum 7 der Brennstoffzelle 3 einströmt. Im Bereich des Anodenraumeingangs 39 werden steuerungs- und betriebsrelevante Zustandsparameter des Mischgases (z. B. Temperatur, Druck, Gasmischverhältnis) mittels eines Sensors 41 erfasst. Das aus dem Anodenraum 7 durch einen Anodenraumausgang 43 abgesaugte Anodengas passiert einen der Abscheidung von Kondensatwasser dienenden (zweiten) Kondensatabscheider 45 und strömt an einem Spülventil 47 vorbei, welches das Entfernen von im Anodenraum angesammelten Fremdgasen (z. B. Stickstoff) ermöglicht. Im ggf. vorgesehenen ersten Kondensatabscheider 43 bzw. zweiten Kondensatabscheider 45 abgeschiedenes Kondensatwasser kann über ein Kondensatablassventil 49 abgelassen werden. Im vorstehenden Umfang basiert das in der Zeichnung veranschaulichte Ausführungsbeispiel auf dem Fachmann hinlänglich bekanntem Stand der Technik, so dass es weiterer Erläuterungen nicht bedarf.
2 stellt - aus Gründen der Darstellung von Details teilweise nicht maßstabsgerecht - eine ein Brennstoff-Regelventil 15 sowie eine Stahlpumpe 13 umfassende Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 in einem Axialschnitt dar. Die Strahlpumpe 13 weist ein Strahlpumpengehäuse 51 auf, in welchem ein Sauganschluss 17, ein Druckanschluss 19 sowie ein Treibstrahlanschluss 53 vorgesehen sind und welches einen Mischraum 55 sowie einen Diffusorbereich 57 ausbildet. Da die Strahlpumpen-Regelventil-Einheit insoweit auf dem Fachmann hinlänglich bekanntem Stand der Technik basiert, sind weitere Erläuterungen entbehrlich.
Das Brennstoffgas-Regelventil 15 umfasst ein hülsenförmiges Ventilgehäuse 59, einen Ventilsitz 69, einen Ventilkörper 71 sowie einen Ventilkörper-Aktuator 73 und ist in eine das Brennstoffgas-Regelventil 15 aufnehmende, unmittelbar an das Strahlpumpengehäuse 51 angrenzende Ventilaufnahme 61 eingesetzt. Mittels zweier O-Ringe 62 ist das Ventilgehäuse 59 gegenüber der Ventilaufnahme 61 abgedichtet. Die Ventilaufnahme 61 und das Strahlpumpengehäuse 51 könnten dabei auch, wenngleich nicht in der Zeichnung derart dargestellt, einstückig ausgeführt sein.
In der Ventilaufnahme 61 ist ein Brennstoffgasanschluss 63 vorgesehen, über welchen die Brennstoffgasquelle 25 mit einem sich zwischen der Ventilaufnahme 61 und dem Ventilgehäuse 59 ausbildenden Brennstoffringraum 65 fluidisch verbunden ist. (Der aus Gründen der Darstellung in der Schnittebene veranschaulichte Brennstoffgasanschluss 63 ist in der Praxis bevorzugt nicht so, sondern vielmehr senkrecht zur Schnittebene - und zum Sauganschluss 17 - orientiert.)
An das Ventilgehäuse 59 grenzt strahlpumpenseitig eine durch den Treibstrahlanschluss 53 in den Mischraum 55 der Strahlpumpe 13 hineinragende Treibdüse 67. Die Treibdüse 67 weist dabei einen Treibdüsenauslass 67' auf. Brennstoffgas, welches durch den Brennstoffgasanschluss 63 in den Brennstoffringraum 65 einströmt und bei geöffnetem Brennstoff-Regelventil 15 dieses passiert, strömt anschließend durch die einen Treibstrahl erzeugende Treibdüse 67 in den Mischraum 55 der Strahlpumpe 13. Dort reißt der Treibstrahl durch den Sauganschluss 17 angesaugtes Anodengas mit und tritt gemeinsam mit diesem in den Diffusorbereich 57 ein. Der Volumenstrom des mittels der Treibdüse 67 der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5 erzeugbaren Treibstrahls ist mittels einer pulsweitenmodulierten Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators 73 regelbar. Alternativ zu der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform könnte die Treibdüse 67 auch einstückig mit dem Ventilgehäuse 59 oder dem Strahlpumpengehäuse 51 ausgeführt sein.
3 stellt - wiederum aus Gründen der Darstellung von Details teilweise nicht maßstabsgerecht - das Brennstoffgas-Regelventil 15 der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5 nach 2 (samt der in das Ventilgehäuse 59 eingeschraubten Treibdüse 67) einem vergrößerten Axialschnitt dar. In dem hülsenförmigen Ventilgehäuse 59 sind der Ventilsitz 69, der Ventilkörper 71, der Ventilkörper-Aktuator 73, ein Anschlagselement 74 und ein Ventildeckel 75 aufgenommen.
Der mittels eines O-Rings 77 gegenüber dem Ventilgehäuse 59 abgedichtete, aus hochgefülltem PEEK gefertigte Ventilsitz 69 weist auf seiner dem Ventilkörper 71 zugewandten Stirnfläche 90 eine erste Dichtfläche 79 auf. Die erste Dichtfläche 79 ist dabei auf einem gegenüber den angrenzenden Bereichen der Stirnfläche 90 vorstehendem, erhabenen Dichtplateau 81 angeordnet und durch acht kreisförmig ausgeführte Flächenabschnitte 83 (von denen in 3 nur zwei sichtbar sind) ausgebildet. In jedem Flächenabschnitt 83 mündet jeweils ein Durchlasskanal 85 in einer Durchlasskanalmündung 87. Die Ventilsitzoberfläche weist im Bereich der ersten Dichtfläche 79 eine (ursprüngliche, d. h. vor Inbetriebnahme des Brennstoffgas-Regelventils gemessene) gemittelte Rautiefe Rz von etwa 2,5µm auf.
Der aus Stahl gefertigte Ventilkörper 71 umfasst einen Gleitring 89 und weist an seiner dem Ventilsitz 69 zugewandten Stirnfläche 91 eine zweite Dichtfläche 82 sowie eine als Sackloch 93 ausgeführte Vertiefung 95 auf, welche mit sechs sich zur Peripherie des Ventilkörpers 71 hin erstreckenden Zuströmkanälen 96 fluidverbunden ist (siehe auch 4a und 4b). Im Bereich der zweiten Dichtfläche 82 weist die Ventilkörperoberfläche eine gemittelte Rautiefe von etwa 0,25µm auf.
Der Ventilkörper-Aktuator 73 umfasst einen Elektromagneten M, einen Flusskonzentrator 97 und einen mit dem Ventilkörper 71 gekoppelten Anker 99. Der Flusskonzentrator 97 ist mittels eines O-Rings 101 gegenüber dem Ventilgehäuse 59 abgedichtet. Der Elektromagnet M ist über zwei Kontaktstellen 103 mit einem Kabel 105 verbunden, welches durch eine den Ventildeckel 75 durchbrechende Tülle 107 hindurch nach außen geführt ist.
Mittels des Ventilkörper-Aktuators 73 sowie der - sich einerseits an dem Ventilkörper 71 und andererseits an dem Anschlagselement 74 abstützenden - Feder 108 ist die Einheit aus Anker 99 und Ventilkörper 71 entlang einer Bewegungsachse A in eine Absperrposition sowie eine Durchlassposition bewegbar, wobei in der (in 3 dargestellten) Absperrposition die erste Dichtfläche 79 und die zweite Dichtfläche 82 in einer gemeinsamen Dichtebene E aneinander anliegen und gegeneinander abdichten, wohingegen in der (nicht dargestellten) Durchlassposition der - von dem Ventilsitz 69 abgehobene - Ventilkörper 71 an dem Anschlagelement 74 anschlägt und ein Hubspalt zwischen der ersten Dichtfläche 79 und der zweiten Dichtfläche 81 ausgebildet ist. Der Ventilkörper 71 wird dabei mittels des Gleitrings 89 durch das Ventilgehäuse 59 geführt und steht innerhalb eines ringförmigen Kontaktbereichs K des Ventilgehäuses 59 mit dem Ventilgehäuse 59 in Kontakt.
Das Ventilgehäuse 59 weist acht Zuströmöffnungen 109, acht Ausgleichsöffnungen 111 sowie eine Abströmöffnung 113 auf, wobei in 3 lediglich jeweils zwei Zuströmöffnungen 109 und zwei Ausgleichsöffnungen 111 sichtbar sind. Die Zuströmöffnungen 109 sind dabei in einem vom Kontaktbereich K ausgehend dem Ventilsitz 69 zugewandten Abschnitt des Ventilgehäuses 59 quer zur Bewegungsachse A verlaufend ausgebildet, die Ausgleichsöffnungen 111 hingegen sind in einem vom Kontaktbereich K ausgehend dem Ventilsitz 69 abgewandten Abschnitt des Ventilgehäuses 59 quer zur Bewegungsachse A verlaufend ausgebildet.
Ist das Brennstoffgas-Regelventil 15 geschlossen, befindet sich der Ventilkörper 71 also in Absperrposition, kann sich das Brennstoffgas in einem Druckraum D, der sich aufgespannt durch das erhabene Dichtplateau 81 zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen 90, 91 von Ventilsitz 69 und Ventilkörper 71 erstreckt, ansammeln. Dabei kann der Druckraum D einerseits durch die Zuströmkanäle 96 sowie die als Sackloch 93 ausgebildete Vertiefung 95 und andererseits unter seitlicher Umströmung des Ventilkörpers 71 mit Brennstoffgas versorgt werden. Es steht also in der Absperrposition des Ventilkörpers 71 unter Druck stehendes und somit entsprechend komprimiertes Brennstoffgas direkt, in kürzest möglicher Distanz an den zusammenwirkenden Dichtflächen 79, 82 an und kann beim Öffnen des Brennstoffgas-Regelventils 15 in die Durchlasskanäle 85 hinein expandieren, um dann durch die Abströmöffnung 113 aus dem Brennstoff-Regelventil 15 entlang der Bewegungsachse A auszuströmen.
5a, 5b und 6a, 6b zeigt jeweils einen Ventilsitz 69A, 69B zweier weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 in einer Draufsicht sowie einem Axialschnitt.
Der - wiederum aus hochgefülltem PEEK gefertigte - Ventilsitz 69A gemäß 5a und 5b weist eine erste Dichtfläche 79A auf, die auf einem gegenüber den angrenzenden Stirnflächenbereichen 90A vorstehendem, erhabenen Dichtplateau 81A angeordnet ist. Die Dichtfläche 79A ist dabei durch 24 kreisförmig ausgeführte Flächenabschnitte 83A ausgebildet,
die entlang zweier konzentrischer Kreise K1, K2 angeordnet sind. In jedem Flächenabschnitt 83A mündet jeweils ein Durchlasskanal 85A in einer Durchlasskanalmündung 87A. Eine Ventilsitzoberfläche 79'A weist im Bereich der ersten Dichtfläche 79A eine ursprüngliche gemittelte Rautiefe von 2,5µm auf.
Der - wiederum aus hochgefülltem PEEK gefertigte - Ventilsitz 69B gemäß 6a und 6b hingeben weist eine erste Dichtfläche 79B auf, die auf einem gegenüber den angrenzenden Stirnflächenbereichen 90B vorstehendem, erhabenen Dichtplateau 81B angeordnet und durch eine Ringfläche 84B ausgebildet ist. In der Ringfläche 84B münden zehn Durchlasskanäle 85B in zehn kreisförmig ausgeführten (entlang eines gedachten Kreises K3 angeordneten) Durchlasskanalmündungen 87B. Eine Ventilsitzoberfläche 79'B weist im Bereich der ersten Dichtfläche 79B eine ursprüngliche gemittelte Rautiefe von 2,5µm auf.
7 zeigt Ausschnitte von Draufsichten auf vier verschiedene Ventilsitze 69C, 69D, 69E und 69F von weiteren Ausführungsformen erfindungsgemäßer Brennstoffzellensysteme 1. Die Ventilsitze 69C bis 69F weisen dabei jeweils eine erste Dichtfläche 79C bis 79F auf, die auf einem erhabenen Dichtplateau 81C bis 81F angeordnet ist. Die Dichtflächen 79A bis 79F sind dabei jeweils durch mehrere Flächenabschnitte 83C bis 83F ausgebildet, wobei diese als längliche Flächenabschnitte 83C, ovale Flächenabschnitte 83D, dreiecksförmige Flächenabschnitte 83 E bzw. trapezförmige Flächenabschnitte 83F ausgeführt sind. In jedem Flächenabschnitt 83A bis 83F mündet jeweils ein Durchlasskanal in einer Durchlasskanalmündung 87C bis 87F.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011105054 A1 [0007]
DE 102010043618 A1 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 4287 [0017]
DIN EN 4288 [0017]

Claims

Brennstoffzellensystem (1), umfassend eine einen Anodenraum (7) und einen Kathodenraum (9) aufweisende Brennstoffzelle (3) sowie eine mit einem Sauganschluss (17) und mit einem Druckanschluss (19) an den Anodenraum (7) angeschlossene, der Rezirkulation eines Anodengases und der dosierten Beschickung des Anodenraumes (7) mit Brennstoffgas dienende, eine Strahlpumpe (13) und ein Brennstoffgas-Regelventil (15) aufweisende Strahlpumpen-Regelventil-Einheit (5), wobei das Brennstoffgas-Regelventil (15) fluidisch zwischen eine Brennstoffgasquelle (25) und die Strahlpumpe (13) geschaltet ist, mit den folgenden Merkmalen: Das Brennstoffgas-Regelventil (15) umfasst einen eine erste Dichtfläche (79) aufweisenden Ventilsitz (69) mit mindestens zwei Durchlasskanälen (85) und einen bewegbaren, eine zweite Dichtfläche (82) aufweisenden Ventilkörper (71); der Ventilkörper (71) ist mittels eines Ventilkörper-Aktuators (73) in eine Absperrposition und eine Durchlassposition bewegbar, wobei in der Absperrposition die erste Dichtfläche (79) und die zweite Dichtfläche (82) in einer gemeinsamen Dichtebene (E) aneinander anliegen und gegeneinander abdichten, wohingegen in der Durchlassposition ein Hubspalt zwischen der ersten Dichtfläche (79) und der zweiten Dichtfläche (82) ausgebildet ist; die erste Dichtfläche (79) und/oder die zweite Dichtfläche (82) ist auf einem erhabenen Dichtplateau (81) angeordnet; eine Ventilsitzoberfläche im Bereich der ersten Dichtfläche (79) und/oder eine Ventilkörperoberfläche im Bereich der zweiten Dichtfläche (82) weist/weisen eine gemittelte Rautiefe von maximal 1µm auf; der Volumenstrom eines mittels einer Treibdüse (67) der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit (5) erzeugbaren Treibstrahls ist mittels einer pulsweitenmodulierten Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators (73) regelbar.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtfläche (79) auf dem erhabenen Dichtplateau (81) angeordnet und durch mindestens eine Ringfläche (84B) ausgebildet ist, in die mindestens zwei Durchlasskanäle (85B) in jeweils einer Durchlasskanalmündung (87B) münden.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlasskanalmündungen (87) kreisförmig, oval, dreiecksförmig oder trapezförmig ausgeführt sind.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bezugsumfang bzw. eine Summe von Bezugsumfängen der mindestens einen Ringfläche (84B) mindestens 60-mal, bevorzugt mindestens 80-mal, besonders bevorzugt mindestens 100-mal größer ist als der Hubspalt in der Durchlassposition.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtfläche (79) auf dem erhabenen Dichtplateau (81) angeordnet und durch mindestens zwei Flächenabschnitte (83) ausgebildet ist, in der jeweils ein Durchlasskanal (85) in einer Durchlasskanalmündung (87) mündet.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Flächenabschnitte (83) jeweils kreisförmig, oval, dreiecksförmig oder trapezförmig ausgeführt sind.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe der Umfänge der mindestens zwei Flächenabschnitte (83) mindestens 150-mal, bevorzugt mindestens 250-mal, besonders bevorzugt mindestens 350-mal größer ist als der Hubspalt in Durchlassposition.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper-Aktuator (73) einen Flusskonzentrator (97) und einen mit dem Ventilkörper (71) gekoppelten Anker (99) umfasst, wobei in der Durchlassposition zwischen dem Anker (99) und dem Flusskonzentrator (97) ein Luftspalt ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (71) oder in ggf. vorgesehener Anker (99) des Ventilkörper-Aktuators (73) in der Durchlassposition an mindestens einem Anschlagelement (74) anschlägt, welches insbesondere elastisch und/oder lärmmindernd ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (71) entlang einer Bewegungsachse (A) in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar ist, wobei das Brennstoffgas quer zur Bewegungsachse in das Brennstoffgas-Regelventil (15) einströmbar und entlang der Bewegungsachse (A) aus dem Brennstoffgas-Regelventil (15) ausströmbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibdüse (67) einen Treibdüsenauslass (67') aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Treibdüsenauslass (67') und der ersten Dichtfläche (79) höchstens 160-mal, bevorzugt höchstens 130-mal größer ist als der Hubspalt bei geöffnetem Brennstoffgas-Regelventil.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (71) entlang einer Bewegungsachse (A) in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar ist, wobei der Ventilkörper (71) an seiner dem Ventilsitz (69) zugewandten Stirnfläche (91) mindestens eine, insbesondere als Sackloch (93) oder ringförmige Rinne ausgeführte, Vertiefung (95) aufweist, welche mit mindestens einem sich quer zur Bewegungsachse (A) zur Peripherie des Ventilkörpers (71) hin erstreckenden Zuströmkanal (96) fluidverbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen-Regelventil (15) ein hülsenförmiges Ventilgehäuse (59) umfasst, welches den Ventilsitz (69), den Ventilkörper (71) und den Ventilkörper-Aktuator (73) aufnimmt.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (71) durch das Ventilgehäuse (59) geführt entlang einer Bewegungsachse (A) in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar ist und dabei innerhalb eines ringförmigen Kontaktbereichs (K) des Ventilgehäuses (59) mit dem Ventilgehäuse (59) in Kontakt steht, wobei in einem vom Kontaktbereich (K) ausgehend dem Ventilsitz (69) zugewandten Abschnitt des Ventilgehäuses (59) mindestens eine quer zur Bewegungsachse (A) verlaufende Zuströmöffnung (109) ausgebildet ist, und wobei in einem vom Kontaktbereich (K) ausgehend dem Ventilsitz (69) abgewandten Abschnitt des Ventilgehäuses (59) mindestens eine quer zur Bewegungsachse (A) verlaufende Ausgleichsöffnung (111) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erhebung des Dichtplateaus (81) gegenüber an die betreffende Dichtfläche (79, 82) angrenzenden Stirnflächenanteilen des Ventilkörpers (71) bzw. Ventilsitzes (69) und somit die axiale Höhe eines zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen (90, 91) von Ventilsitz (69) und Ventilkörper (71) gebildeten Druckraums (D) mindestens das 1,5-Fache des Ventilkörper-Hubes, bevorzugt mindestens das 3-Fache hiervon beträgt.