DE102020201178A1

DE102020201178A1 - Absperrventil für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102020201178A1
Application number: DE102020201178.8A
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: US20230123407A1; CN115004426A; WO2021151606A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 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 über ein Steuerventil (10) mit dem Lufteinlasskanal (7) verbindbar ist.Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Absperrventil (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein 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 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 können passiv agieren oder aktiv gesteuert werden. Die Verwendung eines passiven Ventils, beispielsweise in Form eines einfachen Rückschlagventils, stellt die kostengünstigste Lösung dar. 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 einer Strömungsrichtung verwendbar und bringt einen erhöhten Druckverlust mit sich. Als nachteilig bei der aktiven Steuerung erweist sich das Erfordernis einer zusätzlichen Aktorik, so dass der Bauraumbedarf steigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Absperrventil zur Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem anzugeben, das die vorstehend genannten Nachteile von passiv und aktiv gesteuerten Absperrventilen überwindet. Die Aufgabe wird gelöst durch das Absperrventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1. 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 Absperrventil zur temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem. Das 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 über ein Steuerventil mit dem Lufteinlasskanal verbindbar ist.
Mit Hilfe des Steuerventils wird das vorgeschlagene Absperrventil aktiv gesteuert. Das Steuerventil nutzt hierzu den mittels des Absperrventils zu schaltenden Luftstrom als Stellenergie. Da nicht der Hauptstrom, sondern nur ein kleiner Neben- bzw. Steuerstrom geschaltet werden muss, kann ein vergleichsweise kleines Steuerventil verwendet werden. Insbesondere im Vergleich zu einem Direktschalter steigt damit der zusätzliche Bauraumbedarf nur unwesentlich. Gegenüber einem passiv gesteuerten Ventil weist das vorgeschlagene Absperrventil den Vorteil auf, dass es auch bei bereits hochgefahrenem Luftversorgungssystem noch aktiv zugehalten werden kann. Dies führt zu einer größeren Flexibilität bei der Systemapplikation.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Steuerkammer über das Steuerventil oder über eine Drossel entlastbar ist. Die Entlastung über das Steuerventil oder die Drossel fördert den zum Schließen des Absperrventils erforderlichen Druckausgleich zwischen Steuerkammer und Federraum, so dass das Absperrventil schneller schließt. Sofern die Steuerkammer über eine Drossel entlastbar ist, ist diese vorzugsweise in einem Ablaufkanal oder in einem die Steuerkammer mit dem Federraum verbindenden Verbindungskanal ausgebildet. Der Verbindungkanal kann beispielsweise durch eine den Ventilkolben durchsetzende Axialbohrung ausgebildet werden.
Das zur aktiven Steuerung des Absperrventils vorgesehene Steuerventil ist vorzugsweise ein 2/2-Wegeventil oder ein 3/2-Wegeventil. Sofern das Steuerventil nur zum Schalten des Steuerstroms in Richtung der Steuerkammer des Absperrventils eingesetzt werden soll, reicht ein einfaches 2/2-Wegeventil. Sofern über das Steuerventil zugleich eine Entlastung der Steuerkammer bewirkt werden soll, bietet sich die Ausführung als 3/2-Wegeventil an. Über den weiteren Anschluss des Steuerventils kann die Steuerkammer an einen Ablaufkanal angebunden werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Dichtsitz einen Sitzdurchmesser aufweist, der im Wesentlichen einem Führungsdurchmesser des Ventilkolbens entspricht. Denn bei geschlossenem Absperrventil kann es im Bereich des Luftauslasskanals zu einem Unterdruck kommen, der auf den Ventilkolben eine zusätzliche schließende Kraft ausübt und somit die Öffnungscharakteristik des Absperrventils negativ beeinflusst. Wird jedoch ein Sitzdurchmesser gewählt, der annähernd gleich dem Führungsdurchmesser ist, kann dieser negative Effekt minimiert werden.
Ferner bevorzugt weist der Ventilkolben eine außenumfangseitige Ringnut zur Verbindung des Lufteinlasskanals mit dem Luftauslasskanal auf. Durch die Ringnut kann der Dichtsitz auf einen Sitzdurchmesser gelegt werden, der im Wesentlichen dem Führungsdurchmesser des Ventilkolbens entspricht. Kommt es bei geschlossenem Absperrventil zu einem Unterdruck im Bereich des Luftauslasskanals und damit in der Ringnut, bleibt die Öffnungscharakteristik des Absperrventils dadurch weitgehend unbeeinflusst.
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. Auf diese Weise wir ein schnelles Schließen des Absperrventils gefördert.
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.
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.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Absperrventil,
2 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Absperrventil und
3 einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Absperrventil.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Das in der 1 dargestellte Absperrventil 1 dient der temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem. Hierzu umfasst das Absperrventil 1 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 22 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 über ein Steuerventil 10 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 dem Brennstoffzellenstapel (nicht dargestellt) des Brennstoffzellensystems Luft zugeführt wird.
In der 1 ist das Steuerventil 10, das als 2/2-Wegeventil ausgeführt ist, geschlossen. Bei geschlossenem Steuerventil 10 entspricht der Druck in der Steuerkammer 9 dem Umgebungsdruck, da der Druck über eine in einem Ablaufkanal 12 ausgebildete Drossel 11 an die Umgebung angeglichen wird. Der Ventilkolben 3 befindet sich demnach in einem druckausgeglichenen Zustand, so dass die Federkraft der Feder 4 den Ventilkolben 3 in den Dichtsitz 5 drückt. Dabei gelangt eine an einem Ringbund 15 des Ventilkolbens 3 ausgebildete Dichtfläche 16 zur Anlage am Dichtsitz 5. Da die Dichtfläche 16 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.
Wird das Brennstoffzellensystem bzw. die Luftzufuhr wieder hochgefahren, öffnet das Steuerventil 10, so dass die Steuerkammer 9 mit dem im Lufteinlasskanal 6 herrschenden Versorgungsdruck beaufschlagt wird. Der Druck in der Steuerkammer 9 steigt an, so dass auf den Ventilkolben 3 eine öffnende Kraft wirkt, die den Ventilkolben 3 entgegen der Federkraft der Feder 4 aus dem Dichtsitz 5 hebt. Durch den Öffnungshub des Ventilkolbens 3 wird eine Verbindung des Lufteinlasskanals 6 mit dem Luftauslasskanal 7 hergestellt, und zwar über eine im Ventilkolben 3 ausgebildete außenumfangseitige Ringnut 14. Der Öffnungshub des Ventilkolbens 3 wird dabei durch einen gehäuseseitigen Hubanschlag 18 begrenzt, der durch eine die Gehäusebohrung 2 erweiternde Ringnut 19 ausgebildet wird und mit einer am Ventilkolben 3 ausgebildeten Anschlagfläche 17 zusammenwirkt.
Durch die im Ventilkolben 3 vorgesehene außenumfangseitige Ringnut 14 kann der Sitzdurchmesser Ds des Dichtsitzes 5 im Wesentlichen gleich dem Führungsdurchmesser D_F des Ventilkolbens 3 gewählt werden. Stellt sich bei geschlossenem Absperrventil 1 ein Unterdruck im Bereich des Luftauslasskanals 7 und damit in der Ringnut 14 ein, kann auf diese Weise eine zusätzlich auf den Ventilkolben 3 wirkende Schließkraft minimiert werden. Die Öffnungscharakteristik des Absperrventils 1 wird demzufolge nicht oder nur unwesentlich negativ beeinflusst.
Darüber hinaus weist der Ventilkolben 3 zwei weitere Ringnuten 20 auf, in denen jeweils ein Dichtring 21 aufgenommen ist. Über die Dichtringe 21 sind die Steuerkammer 9 sowie der Federraum 8 gegenüber der Gehäusebohrung 2 abgedichtet.
Der 2 ist ein weiteres erfindungsgemäßes Absperrventil 1 zu entnehmen. Dieses unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass die Drossel 11 nicht in einem Ablaufkanal 12, sondern in einem Verbindungskanal 13 angeordnet ist, der den Ventilkolben 3 in axialer Richtung durchsetzt und somit eine Verbindung zwischen der Steuerkammer 9 und dem Federraum 8 herstellt. Der Verbindungskanal 13 beschleunigt den zum Schließen des Absperrventils 1 erforderlichen Druckausgleich zwischen der Steuerkammer 9 und dem Federraum 8, so dass das Absperrventil 1 schneller schließt.
Anstelle über eine Drossel 11 kann der Druckausgleich auch über einen Ablaufkanal 12' bewirkt werden, der über das Steuerventil 10 mit der Steuerkammer 9 verschaltbar ist. Diese Ausführungsform ist in der 3 beispielhaft dargestellt. Das Steuerventil 10 ist hierzu als 3/2-Wegeventil ausgeführt.

Claims

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 über ein Steuerventil (10) mit dem Lufteinlasskanal (7) verbindbar ist.
Absperrventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkammer (9) über das Steuerventil (10) oder über eine Drossel (11) entlastbar ist, wobei vorzugsweise die Drossel (11) in einem Ablaufkanal (12) oder in einem die Steuerkammer (9) mit dem Federraum (8) verbindenden Verbindungskanal (13) ausgebildet ist.
Absperrventil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerventil (10) ein 2/2-Wegeventil oder ein 3/2-Wegeventil ist.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtsitz (5) einen Sitzdurchmesser (Ds) aufweist, der im Wesentlichen einem Führungsdurchmesser (D_F) des Ventilkolbens (3) entspricht.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (3) eine außenumfangseitige Ringnut (14) 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 (15) zur Ausbildung einer mit dem Dichtsitz (5) zusammenwirkende Dichtfläche (16) aufweist, wobei vorzugsweise der Ringbund (15) unmittelbar an die Ringnut (14) angrenzt.
Absperrventil (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringbund (15) auf der der Dichtfläche (16) abgewandten Seite eine Anschlagfläche (17) ausbildet, die mit einem gehäuseseitigen Hubanschlag (18) zusammenwirkt.
Absperrventil (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusebohrung (2) eine Erweiterung in Form einer Ringnut (19) zur Aufnahme des Ringbunds (15) des Ventilkolbens (3) und/oder zur Ausbildung des Hubanschlags (18) aufweist.
Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (3) mindestens eine außenumfangseitige Ringnut (20) aufweist, in der ein Dichtring (21) aufgenommen ist.
Brennstoffzellensystem mit einem Absperrventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur temporären Unterbrechung der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels.