DE102020201173A1

DE102020201173A1 - Druckgesteuertes Absperrventil für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102020201173A1
Application number: DE102020201173.7A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Leibssle; Friedrich Howey; Dirk Schnittger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-01-31
Filing date: 2020-01-31
Publication date: 2021-08-05
Also published as: WO2021151563A1; US20230079767A1; US11808369B2; CN115023836A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein druckgesteuertes Absperrventil (1) zur temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, umfassend einen in einer zylinderförmigen Gehäusebohrung (2) hin und her beweglichen Ventilkolben (3), der durch die Federkraft einer Feder (4) in Richtung eines Dichtsitzes (5) vorgespannt ist, wobei in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens (3) eine Verbindung eines Lufteinlasskanals (6) mit einem Luftauslasskanal (7) hergestellt oder unterbrochen ist. Erfindungsgemäß begrenzt der Ventilkolben (3) innerhalb der Gehäusebohrung (2) einenends einen die Feder (4) aufnehmenden und mit Umgebungsdruck beaufschlagten Federraum (8), andernends eine Steuerkammer (9), die an den Lufteinlasskanal (7) angebunden ist.Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein druckgesteuertes Absperrventil zur temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen druckgesteuerten Absperrventil.
Stand der Technik
In einem Brennstoffzellensystem werden Ventile benötigt, die im Stillstand die Verbindung eines Brennstoffzellenstapels mit einer Luftversorgung unterbrechen. Dadurch soll verhindert werden, dass weiter Luft bzw. Sauerstoff auf die Kathodenseite einer zwischen einer Kathode und einer Anode angeordneten Membran gelangt. Denn dieser diffundiert durch die Membran von der Kathodenseite auf die Anodenseite und führt so bei erneuter Inbetriebnahme des Systems zu einem „Air-to-Air Start“, der für das Brennstoffzellensystem schädlich ist.
Die Unterbrechung der Luftversorgung kann mit Hilfe von sogenannten Shut-Off Ventilen bewirkt werden. Diese werden in der Regel aktiv angesteuert, um die Luftversorgung zu unterbrechen. Hierzu ist eine Aktorik erforderlich, die zusätzlichen Bauraum benötigt und zusätzliche Kosten verursacht. Die Verwendung eines passiven Ventils, beispielsweise in Form eines einfachen Rückschlagventils, das allein durch den anliegenden Druck bzw. die vorherrschenden Strömungsverhältnisse gesteuert wird, ist grundsätzlich ebenfalls möglich. Die Auslegung einer in Schließrichtung wirkenden Feder erweist sich jedoch als schwierig, da die Federkraft einerseits ausreichend groß sein muss, um das Rückschlagventil sicher geschlossen zu halten, andererseits nicht zu groß sein darf, um das Öffnen des Ventils bei einer erneuten Inbetriebnahme des Systems nicht zu verzögern. Denn nach einer Unterbrechung der Luftversorgung sollte möglichst schnell wieder ein 100%-iger Luftdurchfluss erreicht werden, um temporäre lokale Unterschiede in den Brennstoffzellen zu vermeiden, die zu einer Degradation des Systems führen können. Ein klassisches Rückschlagventil ist zudem nur in eine Strömungsrichtung verwendbar und bringt einen erhöhten Druckverlust mit sich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, ein Ventil zur Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem anzugeben, das zur Überwindung der vorstehend genannten Nachteile führt. Zur Lösung der Aufgabe wird das Absperrventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Absperrventil angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Vorgeschlagen wird ein druckgesteuertes Absperrventil zur temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem. Das druckgesteuerte Absperrventil umfasst einen in einer zylinderförmigen Gehäusebohrung hin und her beweglichen Ventilkolben, der durch die Federkraft einer Feder in Richtung eines Dichtsitzes vorgespannt ist. In Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens ist eine Verbindung eines Lufteinlasskanals mit einem Luftauslasskanal hergestellt oder unterbrochen. Erfindungsgemäß begrenzt der Ventilkolben innerhalb der Gehäusebohrung einenends einen die Feder aufnehmenden und mit Umgebungsdruck beaufschlagten Federraum, andernends eine Steuerkammer, die an den Lufteinlasskanal angebunden ist.
Durch Verwendung eines druckgesteuerten, das heißt passiven Absperrventils können Bauraum und Kosten eingespart werden. Als Stellenergie wird der zu schaltende Luftstrom genutzt, der somit zugleich Informationsgeber ist. Auf einen elektrischen Steller mit einer elektrischen Anbindung kann demnach verzichtet werden.
Im Abstellfall wird die Steuerkammer des Absperrventils nicht mehr mit einem über Umgebungsdruck liegenden Versorgungsdruck, sondern nur noch mit Umgebungsdruck beaufschlagt. Da andernends ebenfalls Umgebungsdruck am Ventilkolben anliegt, ist dieser nahezu druckausgeglichen. Über die Federkraft der andernends anliegenden Feder wird demzufolge der Ventilkolben in den Dichtsitz gestellt, so dass die Verbindung zwischen dem Lufteinlasskanal und dem Luftauslasskanal unterbrochen ist. Wird anschließend das Brennstoffzellensystem wieder hochgefahren, wird die Steuerkammer des Absperrventils erneut mit Versorgungsdruck beaufschlagt. Dieser bewirkt eine pneumatische Druckkraft, die größer als die andernends auf den Ventilkolben wirkenden Kräfte sind, so dass der Ventilkolben aus dem Dichtsitz gehoben wird.
Im Unterschied zu einem einfachen Rückschlagventil wirkt das vorgeschlagene Absperrventil in beide Strömungsrichtungen. Das heißt, dass in Schließstellung weder Luft aus dem Lufteinlasskanal in den Luftauslasskanal, noch Luft aus dem Luftauslasskanal in den Lufteinlasskanal gelangt.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Dichtsitz einen Sitzdurchmesser aufweist, der im Wesentlichen einem Führungsdurchmesser des Ventilkolbens entspricht. Diese Maßnahme trägt dazu bei, dass die Öffnungscharakteristik des Absperrventils nicht oder zumindest nicht wesentlich negativ beeinflusst wird. Denn bei geschlossenem Absperrventil kann es zu einem Unterdruck im Bereich des Luftauslasskanals kommen, der eine zusätzliche schließende Kraft auf den Ventilkolben ausübt. Bei zumindest annähernd gleichen Durchmessern ist dieser Effekt jedoch minimal.
Ferner bevorzugt weist der Ventilkolben eine außenumfangseitige Ringnut zur Verbindung des Lufteinlasskanals mit dem Luftauslasskanal auf. Die Ringnut ermöglicht einen dem Führungsdurchmesser des Ventilkolbens entsprechenden Sitzdurchmesser des Dichtsitzes. Kommt es bei geschlossenem Absperrventil zu einem Unterdruck im Bereich des Luftauslasskanals, stellt sich dieser auch in der Ringnut ein. Die Öffnungscharakteristik des Absperrventils wird dadurch jedoch kaum negativ beeinflusst.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ventilkolben einen Ringbund zur Ausbildung einer mit dem Dichtsitz zusammenwirkende Dichtfläche auf. Der Ringbund trägt ebenfalls dazu bei, dass der Sitzdurchmesser des Dichtsitzes im Wesentlichen dem Führungsdurchmesser des Ventilkolbens entsprechen kann. Zur Erhöhung der Dichtwirkung im Dichtsitz kann die Dichtfläche am Ringbund beispielsweise konisch oder sphärisch geformt sein. Bei einer sphärischen Formgebung kann die Außenkontur konkav oder konvex gebogen sein. In all diesen Fällen kommt es zu einem linearen ringförmigen Dichtkontakt, wenn der Ventilkolben in den Dichtsitz gestellt wird. Der die Dichtfläche ausbildende Ringbund grenzt vorzugsweise unmittelbar an die Ringnut des Ventilkolbens an.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Ringbund auf der der Dichtfläche abgewandten Seite eine Anschlagfläche ausbildet, die mit einem gehäuseseitigen Hubanschlag zusammenwirkt. Während über die am Ringbund ausgebildete Dichtfläche in Verbindung mit dem gehäuseseitigen Dichtsitz eine erste Endlage des Ventilkobens vorgegeben ist, definiert die ebenfalls am Ringbund ausgebildete Anschlagfläche in Verbindung mit dem Hubanschlag eine zweite Endlage. Der Ventilkolben bewegt sich somit zwischen zwei Endlagen hin und her. Das heißt, dass der Hub des Ventilkolbens begrenzt ist.
Ferner bevorzugt weist die den Ventilkolben aufnehmende Gehäusebohrung eine Erweiterung in Form einer Ringnut zur Aufnahme des Ringbunds des Ventilkolbens und/oder zur Ausbildung des Hubanschlags auf. Die Ringnut ermöglicht eine zylinderförmige Gehäusebohrung die - mit Ausnahme im Bereich der Ringnut - durchgehend den gleichen Innendurchmesser zur Führung des Ventilkolbens besitzt. Der ggf. ferner durch die Ringnut ausgebildete Hubanschlag wirkt bevorzugt mit der am Ringbund des Ventilkolbens ausgebildeten Anschlagfläche zusammen, sofern eine solche vorgesehen ist.
Vorteilhafterweise weist der Ventilkolben mindestens eine außenumfangseitige Ringnut auf, in der ein Dichtring aufgenommen ist. Über den mindestens einen Dichtring wird bzw. werden eine Abdichtung der Steuerkammer und/oder des Federraums innerhalb der zylinderförmigen Gehäusebohrung bewirkt. Bevorzugt weist daher der Ventilkolben im Bereich seiner beiden Enden jeweils eine Ringnut mit einem hierin aufgenommenen Dichtring auf. Auf diese Weise wird eine Abdichtung sowohl der Steuerkammer, als auch des Federraums erreicht.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Gehäusebohrung mindestens eine erweiternde Ringnut aufweist, in der ein Dichtring aufgenommen ist. Auf diese Weise kann ebenfalls eine Abdichtung erreicht werden.
Das darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es ein erfindungsgemäßes Absperrventil zur temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels umfasst. Das Absperrventil stellt sicher, dass im Abstellfall keine Luft und damit auch kein Sauerstoff mehr zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels gelangt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Absperrventil.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das in der Figur dargestellte druckgesteuerte Absperrventil 1 für ein Brennstoffzellensystem umfasst einen in einer zylinderförmigen Gehäusebohrung 2 hin und her beweglich aufgenommenen Ventilkolben 3, der innerhalb der Gehäusebohrung 2 einen Federraum 8 begrenzt, in der eine Feder 4 aufgenommen ist. Über die Federkraft der Feder 4 ist der Ventilkolben 3 in axialer Richtung, das heißt in Richtung einer Längsachse A, gegen einen gehäuseseitigen Dichtsitz 5 vorgespannt. Der Federraum 8 ist über einen Kanal 18 an die Umgebung angebunden, so dass im Federraum 8 Umgebungsdruck herrscht. Auf der dem Federraum 8 abgewandten Seite begrenzt der Ventilkolben 3 innerhalb der Gehäusebohrung 2 eine Steuerkammer 9, die an einen Lufteinlasskanal 6 angebunden ist, so dass in der Steuerkammer 9 der gleiche Druck wie im Lufteinlasskanal 6, das heißt Versorgungsdruck, herrscht. Dieser liegt oberhalb Umgebungsdruck und bewirkt demnach eine öffnende Kraft, die den Ventilkolben 3 entgegen der Federkraft der Feder 4 in einer Offenstellung hält. In dieser Stellung ist eine Verbindung des Lufteinlasskanals 6 mit einem Luftauslasskanal 7 hergestellt, so dass einem Brennstoffzellenstapels (nicht dargestellt) des Brennstoffzellensystems Luft zugeführt wird.
Wird das Brennstoffzellensystem abgestellt, fällt der Druck in der Steuerkammer 9 auf Umgebungsdruck ab. Somit herrscht in der Steuerkammer 9 der gleiche Druck wir im Federraum 8 und der Ventilkolben 3 ist nahezu druckausgeglichen. Die Federkraft der Feder 4 vermag nunmehr den Ventilkolben 3 in den Dichtsitz 5 zu stellen. Dabei gelangt eine an einem Ringbund 10 des Ventilkolbens 3 ausgebildete Dichtfläche 11 zur Anlage am Dichtsitz 5. Da die Dichtfläche 11 konisch geformt ist, ist der Dichtkontakt linien- bzw. ringförmig. In dieser Stellung, der Schließstellung ist die Verbindung des Lufteinlasskanals 6 mit dem Luftauslasskanal 7 unterbrochen. Das heißt, dass dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems keine Luft mehr zugeführt wird.
In der Schließstellung kann es im Bereich des Luftauslasskanals 7 zu einem Unterdruck kommen, der eine weitere schließende Kraft auf den Ventilkolben 3 bewirkt, so dass die Öffnungscharakteristik des Absperrventils 1 negativ beeinflusst wird. Um dem entgegen zu wirken, ist der Sitzdurchmesser Ds im Wesentlichen gleich dem Führungsdurchmesser D_F des Ventilkolbens 3 gewählt. Ferner ist im Ventilkolben 3 eine an den Ringbund 10 angrenzende außenumfangseitige Ringnut 13 ausgebildet, über die in Offenstellung des Absperrventils 1 eine Verbindung des Lufteinlasskanals 6 mit dem Luftauslasskanal 7 herstellbar ist.
Auf der der Dichtfläche 11 abgewandten Seite bildet der Ringbund 10 des Ventilkolbens 3 eine Anschlagfläche 12 aus, die mit einem gehäuseseitigen Hubanschlag 14 zusammenwirkt. Der Hubanschlag 14 wird durch eine die Gehäusebohrung 2 erweiternde Ringnut 15 ausgebildet, in welcher der Ringbund 10 des Ventilkolbens 3 aufgenommen ist. Dadurch ist sichergestellt, dass sich der Ventilkolben 3 trotz Ringbund 10 hin und her bewegen kann, wobei der Dichtsitz 5 einerseits und der Hubanschlag 14 andererseits die jeweiligen Endlagen des Ventilkolbens 3 definieren.
Der in der Figur dargestellt Ventilkolben 3 weist zwei weitere Ringnuten 16 auf, in denen jeweils ein Dichtring 17 aufgenommen ist. Über die Dichtringe 17 sind die Steuerkammer 9 sowie der Federraum 8 gegenüber der Gehäusebohrung 2 abgedichtet.

Claims

Druckgesteuertes Absperrventil (1) zur temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, umfassend einen in einer zylinderförmigen Gehäusebohrung (2) hin und her beweglichen Ventilkolben (3), der durch die Federkraft einer Feder (4) in Richtung eines Dichtsitzes (5) vorgespannt ist, wobei in Abhängigkeit von der axialen Lage des Ventilkolbens (3) eine Verbindung eines Lufteinlasskanals (6) mit einem Luftauslasskanal (7) hergestellt oder unterbrochen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (3) innerhalb der Gehäusebohrung (2) einenends einen die Feder (4) aufnehmenden und mit Umgebungsdruck beaufschlagten Federraum (8), andernends eine Steuerkammer (9) begrenzt, die an den Lufteinlasskanal (7) angebunden ist.
Absperrventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (5) einen Sitzdurchmesser (Ds) aufweist, der im Wesentlichen einem Führungsdurchmesser (D_F) des Ventilkolbens (3) entspricht.
Absperrventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (3) eine außenumfangseitige Ringnut (15) zur Verbindung des Lufteinlasskanals (6) mit dem Luftauslasskanal (7) aufweist.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (3) einen Ringbund (10) zur Ausbildung einer mit dem Dichtsitz (5) zusammenwirkende Dichtfläche (11) aufweist, wobei vorzugsweise der Ringbund (10) unmittelbar an die Ringnut (15) angrenzt.
Absperrventil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringbund (10) auf der der Dichtfläche (11) abgewandten Seite eine Anschlagfläche (12) ausbildet, die mit einem gehäuseseitigen Hubanschlag (14) zusammenwirkt.
Absperrventil (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusebohrung (2) eine Erweiterung in Form einer Ringnut (13) zur Aufnahme des Ringbunds (10) des Ventilkolbens (3) und/oder zur Ausbildung des Hubanschlags (14) aufweist.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (3) mindestens eine außenumfangseitige Ringnut (16) aufweist, in der ein Dichtring (17) aufgenommen ist.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusebohrung (2) mindestens eine erweiternde Ringnut aufweist, in der ein Dichtring (17) aufgenommen ist.
Brennstoffzellensystem mit einem Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels.