DE102021119848A1 - Valve for discharging a fluid from a fluid system of a fuel cell device and fuel cell device - Google Patents

Valve for discharging a fluid from a fluid system of a fuel cell device and fuel cell device Download PDF

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Abstract

Um bei einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche ein Fluidsystem aufweist, in dem Druckspitzen auftreten können, eine möglichst einfache und zuverlässige Möglichkeit zu schaffen, solche Druckspitzen abzufangen, um eine Schädigung eines Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzellenvorrichtung zu vermeiden, wird ein Ventil zum Ausbringen eines Fluids aus dem Fluidsystem der Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, welches einen Ventilsitz, einen Ventilkörper und eine Austrags-Bewegungsvorrichtung zum Bewegeben des Ventilkörpers von einer Schließstellung in eine Offenstellung in Abhängigkeit von einer Ansteuerung durch eine Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst, wobei das Ventil ferner eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung umfasst, welche den Ventilkörper in der Schließstellung hält, solange ein Druck auf einer Einlassseite des Ventils einen vorgegebenen Schwellendruck nicht erreicht, und welche ein Wegbewegen des Ventilkörpers von dem Ventilsitz zulässt, wenn der Druck auf der Einlassseite des Ventils den Schwellendruck erreicht.In order to create the simplest and most reliable option possible in a fuel cell device, which has a fluid system in which pressure peaks can occur, to intercept such pressure peaks in order to avoid damage to a fuel cell stack of the fuel cell device, a valve for discharging a fluid from the fluid system of the Proposed fuel cell device, which comprises a valve seat, a valve body and a discharge movement device for moving the valve body from a closed position to an open position depending on activation by a control device of the fuel cell device, the valve also comprising an overpressure opening device which moves the valve body in the closed position as long as a pressure on an inlet side of the valve does not reach a predetermined threshold pressure, and which allows the valve body to be moved away from the valve seat when the pressure on the inlet side of the valve reaches the threshold pressure.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem einer Brennstoffzellenvorrichtung, wobei das Ventil einen Ventilsitz, einen Ventilkörper und eine Austrags-Bewegungsvorrichtung zum Bewegen des Ventilkörpers von einer Schließstellung in eine Offenstellung in Abhängigkeit von einer Ansteuerung durch eine Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung umfasst.The present invention relates to a valve for discharging a fluid from a fluid system of a fuel cell device, the valve comprising a valve seat, a valve body and a discharge moving device for moving the valve body from a closed position to an open position as a function of activation by a control device of the fuel cell device .

In Brennstoffzellenvorrichtungen, insbesondere in Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtungen, deren Brennstoffzellenstapel mehrere Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelleneinheiten umfassen, welche längs einer Stapelrichtung aufeinander folgen, umfassen ein Anodengas-Fluidsystem, ein Kathodengas-Fluidsystem und optional ein Kühlmittelsystem zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels.In fuel cell devices, in particular in polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell devices whose fuel cell stack comprises a plurality of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell units which follow one another along a stacking direction, comprise an anode gas fluid system, a cathode gas fluid system and optionally a coolant system for cooling the fuel cell stack.

Das Anodengas-Fluidsystem ist dabei in der Regel als ein teilgeschlossenes System ausgebildet, dem ein Anodengas, beispielsweise Wasserstoff, über ein Druckregelventil zugeführt wird und aus dem Anodengas durch die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzelleneinheiten und durch gepulst betriebene Auslassventile, insbesondere sogenannte „Purge“-Ventile und „Drain“-Ventile, abgeführt wird.The anode gas fluid system is generally designed as a partially closed system, to which an anode gas, for example hydrogen, is fed via a pressure control valve and from the anode gas by the electrochemical reaction in the fuel cell units and by pulsed operated outlet valves, in particular so-called "purge" valves and "drain" valves.

Dabei dient ein Öffnen eines „Purge“-Ventils dazu, nicht reaktive Bestandteile des Anodengases, beispielsweise Stickstoff, aus dem Anodengas-Fluidsystem auszuspülen.In this case, opening a “purge” valve serves to flush out non-reactive components of the anode gas, for example nitrogen, from the anode gas fluid system.

Ein Öffnen eines „Drain“-Ventils dient dazu, flüssiges Wasser, welches sich im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung im Anodengas-Fluidsystem angesammelt hat, aus dem Anodengas-Fluidsystem auszutragen.Opening a “drain” valve serves to discharge liquid water, which has accumulated in the anode gas fluid system during operation of the fuel cell device, from the anode gas fluid system.

Im Gegensatz zu dem Kathodengas-Fluidsystem der Brennstoffzellenvorrichtung ist das Anodengas-Fluidsystem gegenüber der umgebenden Atmosphäre nicht offen, weshalb die Gefahr besteht, dass in dem Anodengas-Fluidsystem Überdrücke auftreten, welche den Brennstoffzellenstapel beschädigen könnten.In contrast to the cathode gas fluid system of the fuel cell device, the anode gas fluid system is not open to the surrounding atmosphere, which is why there is a risk of overpressures occurring in the anode gas fluid system, which could damage the fuel cell stack.

Um eine solche Schädigung des Brennstoffzellenstapels durch Überdrücke zu vermeiden, wird häufig ein mechanisch arbeitendes Druckentlastungsventil oder Überdruckventil an das Anodengas-Fluidsystem angeschlossen, um gegebenenfalls auftretende Druckspitzen durch Austrag von Anodengas aus dem Anodengas-Fluidsystem abzufangen.In order to avoid such damage to the fuel cell stack as a result of excess pressure, a mechanical pressure relief valve or pressure relief valve is often connected to the anode gas fluid system in order to intercept any pressure peaks that may occur by discharging anode gas from the anode gas fluid system.

Ein solches Überdruckventil ist jedoch eine zusätzliche Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung, welche Bauraum benötigt, ausgelegt, erprobt und abgesichert werden muss und für welche zusätzliche Kosten anfallen.However, such a pressure relief valve is an additional component of the fuel cell device, which requires installation space, must be designed, tested and secured, and for which additional costs are incurred.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche ein Fluidsystem aufweist, in dem Druckspitzen auftreten können, eine möglichst einfache und zuverlässige Möglichkeit zu schaffen, solche Druckspitzen abzufangen, um eine Schädigung eines Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzellenvorrichtung zu vermeiden.The object of the present invention is to provide a simple and reliable way of intercepting such pressure peaks in a fuel cell device that has a fluid system in which pressure peaks can occur, in order to prevent damage to a fuel cell stack of the fuel cell device.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Ventil zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem einer Brennstoffzellenvorrichtung gelöst, welches die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist und ferner eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung umfasst, welche den Ventilkörper in der Schließstellung hält, solange ein Druck auf einer Einlassseite des Ventils einen vorgegebenen Schwellendruck nicht erreicht, und welche ein Wegbewegen des Ventilkörpers von dem Ventilsitz zulässt, wenn der Druck auf der Einlassseite des Ventils den Schwellendruck erreicht.This object is achieved according to the invention by a valve for discharging a fluid from a fluid system of a fuel cell device, which has the features of the preamble of claim 1 and further comprises an overpressure opening device which holds the valve body in the closed position as long as there is pressure on an inlet side of the valve does not reach a predetermined threshold pressure and which allows the valve body to move away from the valve seat when the pressure on the inlet side of the valve reaches the threshold pressure.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Konzept zugrunde, ein Ventil, das zur Durchführung eines „Purge“-Vorgangs und/oder eines „Drain“-Vorgangs an dem Fluidsystem der Brennstoffzellenvorrichtung verwendbar ist, zusätzlich mit einer Überdruck-Öffnungsvorrichtung zu versehen, welche es ermöglicht, dass dieses Ventil zugleich auch die Funktion eines Überdruckventils übernimmt, nämlich gegebenenfalls in dem Fluidsystem auftretende Druckspitzen durch Austragen von Fluid aus dem Fluidsystem bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellendrucks abzufangen.The present invention is based on the concept of additionally providing a valve, which can be used to carry out a "purge" process and/or a "drain" process on the fluid system of the fuel cell device, with an overpressure opening device which makes it possible that this valve also assumes the function of an overpressure valve, namely to intercept any pressure peaks that may occur in the fluid system by discharging fluid from the fluid system when a predetermined threshold pressure is reached.

Die Überdruck-Öffnungsvorrichtung umfasst vorzugsweise mindestens ein elastisches Element, durch welches der Ventilkörper mittels einer Vorspannkraft in die Schließstellung vorgespannt wird.The overpressure opening device preferably comprises at least one elastic element, by means of which the valve body is prestressed into the closed position by means of a prestressing force.

Besonders günstig ist es, wenn die Vorspannkraft des elastischen Elements einerseits und eine von dem Fluid auf der Einlassseite des Ventils auf den Ventilkörper ausgeübte Druckkraft einander entgegengesetzt auf den Ventilkörper wirken.It is particularly favorable if the prestressing force of the elastic element on the one hand and a compressive force exerted on the valve body by the fluid on the inlet side of the valve act in opposite directions on the valve body.

Dies ermöglicht ein Öffnen des Ventils bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellendrucks, bei welchem die von dem Fluid auf der Einlassseite des Ventils auf den Ventilkörper ausgeübte Druckkraft die elastische Vorspannkraft des elastischen Elements, welche den Ventilkörper in der Schließstellung hält, übersteigt.This enables the valve to open when a predetermined threshold pressure is reached, at which the pressure force exerted on the valve body by the fluid on the inlet side of the valve exceeds the elastic prestressing force of the elastic element, which holds the valve body in the closed position.

Das elastische Element umfasst vorzugsweise ein Federelement.The elastic element preferably comprises a spring element.

Ein solches Federelement kann eine Druckfeder umfassen.Such a spring element can comprise a compression spring.

Die Austrags-Bewegungsvorrichtung des Ventils, welche den Ventilkörper in Abhängigkeit von einer Ansteuerung durch eine Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung von der Schließstellung in die Offenstellung bewegt, umfasst vorzugsweise einen elektromagnetischen Aktuator.The discharge movement device of the valve, which moves the valve body from the closed position to the open position as a function of activation by a control device of the fuel cell device, preferably comprises an electromagnetic actuator.

Ein solcher elektromagnetischer Aktuator kann beispielsweise einen Elektromagneten umfassen.Such an electromagnetic actuator can include an electromagnet, for example.

Ferner kann der elektromagnetische Aktuator einen Anker umfassen.Furthermore, the electromagnetic actuator can include an armature.

Der Ventilkörper des Ventils kann ein Magnetelement, vorzugsweise ein Permanentmagnetelement, umfassen.The valve body of the valve can include a magnet element, preferably a permanent magnet element.

Ferner kann der Ventilkörper des Ventils ein Verschließelement umfassen.Furthermore, the valve body of the valve can comprise a closing element.

Das Verschließelement kann beispielsweise eine Membran umfassen.The closing element can comprise a membrane, for example.

Das erfindungsgemäße Ventil ist vorzugsweise als ein „Purge“-Ventil, als ein „Drain“-Ventil oder als ein kombiniertes „Purge“-und-„Drain“-Ventil ausgebildet.The valve according to the invention is preferably designed as a “purge” valve, as a “drain” valve or as a combined “purge” and “drain” valve.

Im Ruhezustand, das heißt ohne Betätigung der Austrags-Bewegungsvorrichtung des Ventils durch eine Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung, ist das Ventil vorzugsweise geschlossen.In the idle state, that is to say without actuation of the discharge moving device of the valve by a control device of the fuel cell device, the valve is preferably closed.

Das Ventil kann bei Betätigung der Austrags-Bewegungsvorrichtung durch die Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung geöffnet werden, um einen „Purge“-Vorgang oder einen „Drain“-Vorgang an dem Fluidsystem der Brennstoffzellenvorrichtung durchzuführen.When the discharge moving device is actuated by the control device of the fuel cell device, the valve can be opened in order to carry out a “purge” process or a “drain” process on the fluid system of the fuel cell device.

Das erfindungsgemäße Ventil ist ferner so ausgebildet, dass es sich bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellendrucks auf der Einlassseite des Ventils selbsttätig, das heißt ohne eine Ansteuerung durch eine Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung, öffnet.The valve according to the invention is also designed such that it opens automatically when a predetermined threshold pressure is reached on the inlet side of the valve, that is to say without activation by a control device of the fuel cell device.

Hierdurch weist das erfindungsgemäße Ventil zusätzlich zu seiner „Purge“- und/oder „Drain“-Funktion eine Druckentlastungsfunktion auf, welche sonst von einem zusätzlichen mechanischen Überdruckventil wahrgenommen werden würde.As a result, the valve according to the invention has a pressure relief function in addition to its “purge” and/or “drain” function, which would otherwise be performed by an additional mechanical pressure relief valve.

Bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Ventils in einem Fluidsystem einer Brennstoffzellenvorrichtung kann darauf verzichtet werden, in diesem Fluidsystem zusätzlich ein mechanisches Überdruckventil zu verwenden.When using a valve according to the invention in a fluid system of a fuel cell device, there is no need to additionally use a mechanical pressure relief valve in this fluid system.

Das Fluidsystem, an welches das erfindungsgemäße Ventil angeschlossen wird, ist vorzugsweise ein Anodengas-Fluidsystem einer Brennstoffzellenvorrichtung.The fluid system to which the valve according to the invention is connected is preferably an anode gas fluid system of a fuel cell device.

Bei dem erfindungsgemäßen Ventil kann vorgesehen sein, dass der Ventilkörper durch ein Federelement gegen den Ventilsitz gepresst wird.In the valve according to the invention, it can be provided that the valve body is pressed against the valve seat by a spring element.

Das erfindungsgemäße Ventil wird so angeströmt, dass die aus dem Innendruck des Fluidsystems resultierende, auf den Ventilkörper wirkende Druckkraft der elastischen Rückstellkraft des Federelements entgegenwirkt. Dadurch wird bei einem unerwünscht hohen Innendruck des Fluidsystems der Ventilkörper von dem Ventilsitz weg bewegt, so dass der Fluiddurchgang durch das Ventil hindurch geöffnet ist.The valve according to the invention is flown against in such a way that the compressive force resulting from the internal pressure of the fluid system and acting on the valve body counteracts the elastic restoring force of the spring element. As a result, when the internal pressure of the fluid system is undesirably high, the valve body is moved away from the valve seat, so that the fluid passage through the valve is opened.

Das erfindungsgemäße Ventil übernimmt somit eine Überdruckventil-Funktion, weshalb es nicht erforderlich ist, zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Ventil, das zur Durchführung eines „Purge“-Vorgangs und/oder eines „Drain“-Vorgangs an dem Fluidsystem ohnehin vorhanden sein muss, ein weiteres Überdruckventil vorzusehen.The valve according to the invention thus assumes an overpressure valve function, which is why it is not necessary to have another valve in addition to the valve according to the invention, which must be present in the fluid system anyway to carry out a “purge” process and/or a “drain” process provide a pressure relief valve.

Ein im Anodengas-Fluidsystem einer Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere einer Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellenvorrichtung, benötigtes Überdruckventil ist gemäß der Erfindung dadurch ersetzbar, dass die Überdruckventil-Funktion in ein anderes Ventil, insbesondere ein „Purge“-Ventil oder ein „Drain“-Ventil, integriert wird.According to the invention, a pressure relief valve required in the anode gas fluid system of a fuel cell device, in particular a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell device, can be replaced by converting the pressure relief valve function to another valve, in particular a “purge” valve or a “drain” valve , is integrated.

In dem Fluidsystem einer Brennstoffzellenvorrichtung können sich Rückstände des in den Brennstoffzelleneinheiten gebildeten Produktwassers oder aus dem Abgas der Brennstoffzellenvorrichtungen kondensiertes Wasser ansammeln. Wenn solches angesammeltes Wasser nach einem „Drain“-Vorgang oder nach einem „Purge“-Vorgang im Ventil verbleibt und die Temperatur der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere während einer Betriebspause der Brennstoffzellenvorrichtung, unter den Gefrierpunkt von Wasser absinkt, so kann dieses Wasser im Ventil einfrieren.Residues of the product water formed in the fuel cell units or water condensed from the exhaust gas of the fuel cell devices can accumulate in the fluid system of a fuel cell device. If such accumulated water remains in the valve after a “drain” process or after a “purge” process and the temperature of the fuel cell device drops below the freezing point of water, in particular during a break in operation of the fuel cell device, this water can freeze in the valve.

Dadurch besteht die Möglichkeit, dass das Ventil nicht oder nicht vollständig öffnen beziehungsweise schließen kann. Ferner kann es im Ventil zu einer Beschädigung kommen, beispielsweise zu einer Beschädigung eines Dichtelements, wenn es im gefrorenen Zustand und/oder beim Vorhandensein von Eisrückständen betätigt wird.As a result, there is the possibility that the valve cannot open or close fully or at all. Furthermore, damage can occur in the valve, for example damage to a sealing element if it is operated in the frozen state and/or in the presence of ice residues.

Wenn aber eine Brennstoffzellenvorrichtung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser gestartet wird, so müssen das „Purge“-Ventil und das „Drain“-Ventil innerhalb von kurzer Zeit betriebsbereit sein, um im Fluidsystem anfallendes Wasser aus dem Fluidsystem abzuführen und um die Wasserstoffkonzentration im Anodengas-Fluidsystem ausreichend hoch zu halten.However, if a fuel cell device is started at temperatures below the freezing point of water, the "purge" valve and the "drain" valve must be ready for operation within a short time in order to drain water from the fluid system and to reduce the hydrogen concentration in the fluid system To keep anode gas fluid system sufficiently high.

Eine Wasserstoffunterversorgung im Anodengas-Fluidsystem kann die Lebensdauer der Brennstoffzelleneinheiten in dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung verkürzen.A shortage of hydrogen in the anode gas fluid system may shorten the life of the fuel cell units in the fuel cell stack of the fuel cell device.

Nach einem erfolgreichen Froststart liefern die Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels ausreichend Abwärme, um ein erneutes Einfrieren der Ventile zu verhindern.After a successful frost start, the fuel cell units of the fuel cell stack supply sufficient waste heat to prevent the valves from freezing again.

Bei bekannten Brennstoffzellenvorrichtungen wird das Ventil indirekt erwärmt, indem es von einer Kunststoffwand umgeben ist, welche von einem Temperierfluid, beispielsweise einem Kühlmittel der Brennstoffzellenvorrichtung, angeströmt wird.In known fuel cell devices, the valve is heated indirectly by being surrounded by a plastic wall, on which a temperature control fluid, for example a coolant of the fuel cell device, flows.

Bei anderen Brennstoffzellenvorrichtungen sind zusätzliche Heizelemente, beispielsweise Spulen, PTC(Positive Temperature Coefficient)-Elemente oder Ähnliches vorgesehen, um das Ventil zu heizen.In other fuel cell devices, additional heating elements such as coils, PTC (Positive Temperature Coefficient) elements or the like are provided in order to heat the valve.

Durch einen indirekten Wärmeeintrag in das Ventil kann es aber vorkommen, dass die bei einem Froststart zur Verfügung stehende Heizleistung zu gering ist, um den Ventilkörper des Ventils ausreichend schnell zu erwärmen. Außerdem sind Kunststoffmaterialien tendenziell wärmeisolierend, wodurch die indirekte Wärmeübertragung auf das Ventil zusätzlich abgeschwächt wird.Due to an indirect heat input into the valve, however, it can happen that the heat output available when there is a frost start is too low to heat the valve body of the valve sufficiently quickly. In addition, plastic materials tend to be thermally insulative, further reducing indirect heat transfer to the valve.

Durch die Verwendung zusätzlicher aktiver Heizelemente wie Spulen oder PTC-Elemente wird der Aufbau des Ventils komplexer und dessen Montage aufwändiger und fehleranfälliger.The use of additional active heating elements such as coils or PTC elements makes the structure of the valve more complex and its assembly more complex and error-prone.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die weitere Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem der Ventilkörper in einfacher und zuverlässiger Weise erwärmbar ist, um beispielsweise einen Froststart der Brennstoffzellenvorrichtung durchzuführen, wobei Aufbau und Montage des Ventils jedoch einfach bleiben.The present invention is therefore based on the further object of creating a valve of the type mentioned at the outset, in which the valve body can be heated in a simple and reliable manner, for example to carry out a frost start of the fuel cell device, while the structure and assembly of the valve remain simple.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Ventil eine Temperiervorrichtung umfasst.This object is achieved in that the valve includes a temperature control device.

Eine solche Temperiervorrichtung umfasst vorzugsweise einen Strömungspfad, durch welchen ein Temperierfluid durch das Ventil hindurch leitbar ist.Such a temperature control device preferably includes a flow path through which a temperature control fluid can be conducted through the valve.

Dabei kann der Strömungspfad mindestens einen Temperierfluidkanal umfassen, welcher in einem Ventilgehäuse des Ventils angeordnet ist.In this case, the flow path can include at least one tempering fluid channel, which is arranged in a valve housing of the valve.

Zumindest der Bereich des Ventilgehäuses, in welchem der mindestens eine Temperierfluidkanal angeordnet ist, ist vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet.At least the area of the valve housing in which the at least one tempering fluid channel is arranged is preferably formed from a metallic material.

Hierdurch wird eine gute Wärmeübertragung von dem Temperierfluid zu dem Ventilkörper des Ventils ermöglicht. Ferner wird es ermöglicht, die Wärme aus dem Temperierfluid gezielt an die Stellen zu bringen, die beheizt werden müssen.This enables good heat transfer from the tempering fluid to the valve body of the valve. Furthermore, it is possible to bring the heat from the tempering fluid to the places that need to be heated.

Bei einer besonderen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils ist vorgesehen, dass das Ventil eine Ventilkammer umfasst, welche auf einer der Einlassseite des Ventils abgewandten Seite des Ventilkörpers angeordnet ist.In a particular embodiment of the valve according to the invention, it is provided that the valve comprises a valve chamber which is arranged on a side of the valve body which is remote from the inlet side of the valve.

Bei einer besonderen Ausgestaltung des Ventils ist vorgesehen, dass die Ventilkammer von dem Temperierfluid durchströmbar ist.In a special configuration of the valve, it is provided that the temperature control fluid can flow through the valve chamber.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass der Strömungspfad einen Ringkanal umfasst, welcher einen Bestandteil der Austrags-Bewegungsvorrichtung umgibt.As an alternative or in addition to this, it can be provided that the flow path comprises an annular channel which surrounds a component part of the discharge movement device.

Dieser Bestandteil der Austrags-Bewegungsvorrichtung kann insbesondere ein Anker eines elektromagnetischen Aktuators der Austrags-Bewegungsvorrichtung sein.This component part of the discharge movement device can in particular be an armature of an electromagnetic actuator of the discharge movement device.

Da die Temperiervorrichtung des Ventils unabhängig von der Überdruck-Öffnungsvorrichtung des Ventils vorgesehen sein kann und vorteilhaft ist, wird mit der vorliegenden Anmeldung auch ein Ventil beansprucht, welches die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 und das zusätzliche Merkmal von Anspruch 6 aufweist, jedoch ohne die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1.Since the temperature control device of the valve can be provided independently of the overpressure opening device of the valve and is advantageous, the present application also claims a valve which has the features of the preamble of claim 1 and the additional feature of claim 6, but without the Features of the characterizing part of claim 1.

Die abhängigen Ansprüche 7 bis 11 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen alternativen erfindungsgemäßen Ventils.The dependent claims 7 to 11 relate to advantageous developments of such an alternative valve according to the invention.

Das erfindungsgemäße Ventil eignet sich insbesondere als Bestandteil einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche mindestens einen Brennstoffzellenstapel, mindestens ein Fluidsystem und mindestens ein erfindungsgemäßes Ventil umfasst.The valve according to the invention is particularly suitable as a component of a fuel cell device which comprises at least one fuel cell stack, at least one fluid system and at least one valve according to the invention.

Dabei ist das Fluidsystem vorzugsweise ein Anodengas-Fluidsystem.The fluid system is preferably an anode gas fluid system.

Das Ventil kann eine Temperiervorrichtung umfassen, welche einen Strömungspfad umfasst, durch welchen ein Kühlmittel der Brennstoffzellenvorrichtung durch das Ventil leitbar ist.The valve can include a temperature control device, which includes a flow path through which a coolant of the fuel cell device can be routed through the valve.

Alternativ hierzu könnte auch vorgesehen sein, dass Luft oder ein Anodengas als Temperierfluid durch den Strömungspfad der Temperiervorrichtung des Ventils leitbar ist.As an alternative to this, it could also be provided that air or an anode gas can be routed through the flow path of the temperature control device of the valve as the temperature control fluid.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Haupt-Kühlmittelleitung umfasst, in welcher ein Kühlmittelreservoir angeordnet ist, und eine Bypass-Kühlmittelleitung umfasst, in welcher das Ventil angeordnet ist.In a particular embodiment of the invention, it is provided that the fuel cell device includes a main coolant line, in which a coolant reservoir is arranged, and a bypass coolant line, in which the valve is arranged.

Hierdurch ist es möglich, das Ventil nur in einer Heizphase der Brennstoffzellenvorrichtung von dem Kühlmittel durchströmen zu lassen und die Durchströmung des Ventils mit dem Kühlmittel nach Erreichen der gewünschten Betriebstemperatur des Ventils abzuschalten oder zu reduzieren.This makes it possible to allow the coolant to flow through the valve only in a heating phase of the fuel cell device and to switch off or reduce the flow of coolant through the valve after the desired operating temperature of the valve has been reached.

Ferner ist es möglich, das Kühlmittel während der Heizphase nicht durch das Kühlmittelreservoir zu führen, sondern nur durch die Temperiervorrichtung des Ventils, um eine raschere Erwärmung des Kühlmittels durch die in den Brennstoffzelleneinheiten ablaufenden elektrochemischen Reaktionen während der Heizphase der Brennstoffzellenvorrichtung zu erreichen.It is also possible not to route the coolant through the coolant reservoir during the heating phase, but only through the temperature control device of the valve, in order to achieve faster heating of the coolant by the electrochemical reactions taking place in the fuel cell units during the heating phase of the fuel cell device.

Hierfür ist es günstig, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung eine Ventilanordnung umfasst, mittels welcher das Kühlmittel an dem Kühlmittelreservoir vorbei leitbar ist.It is favorable for this if the fuel cell device comprises a valve arrangement, by means of which the coolant can be routed past the coolant reservoir.

Eine solche Ventilanordnung kann insbesondere ein oder mehrere Zwei-Wege-Ventile umfassen.Such a valve arrangement can in particular comprise one or more two-way valves.

Alle schaltbaren Ventile der Brennstoffzellenvorrichtung sind von einer Steuerungsvorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung ansteuerbar.All switchable valves of the fuel cell device can be controlled by a control device of the fuel cell device.

Wenn das erfindungsgemäße Ventil mit einer Temperiervorrichtung versehen ist, so ist es vorzugsweise mit einem Temperierfluid durchspülbar. Hierdurch können große Wärmemengen in den Bereich des Ventilkörpers und/oder des Ventilsitzes des Ventils eingebracht werden.If the valve according to the invention is provided with a temperature control device, it can preferably be flushed with a temperature control fluid. As a result, large amounts of heat can be introduced into the area of the valve body and/or the valve seat of the valve.

Das erfindungsgemäße Ventil weist vorzugsweise mindestens einen in das Ventil integrierten Temperierfluidkanal auf.The valve according to the invention preferably has at least one tempering fluid channel integrated into the valve.

Das Temperierfluid kann der Temperiervorrichtung des Ventils über ein fluidführendes Bauteil zugeführt werden, welches Anodengas, beispielsweise Wasserstoff, und/oder Luft und/oder Kühlmittel führt.The temperature control fluid can be supplied to the temperature control device of the valve via a fluid-carrying component which carries anode gas, for example hydrogen, and/or air and/or coolant.

Das fluidführende Bauteil kann an dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung befestigt sein.The fluid-carrying component can be attached to the fuel cell stack of the fuel cell device.

Die Brennstoffzellenvorrichtung weist vorzugsweise einen Kühlmittelkreislauf auf.The fuel cell device preferably has a coolant circuit.

Das mit einer Temperiervorrichtung versehene Ventil ist vorzugsweise in einem Abschnitt eines reduzierten Kühlmittelkreislaufs angeordnet, der im Falle eines Froststarts der Brennstoffzellenvorrichtung von dem Kühlmittel durchströmt wird.The valve provided with a temperature control device is preferably arranged in a section of a reduced coolant circuit through which the coolant flows in the event of a frost start of the fuel cell device.

Dabei wird das im reduzierten Kühlmittelkreislauf angeordnete Ventil bei einem Froststart vorzugsweise nicht zusammen mit einem Kühlmittelreservoir, das in einem Haupt-Kühlmittelkreislauf angeordnet ist, von einer Durchströmung mit Kühlmittel abgetrennt.In this case, the valve arranged in the reduced coolant circuit is preferably not separated from a flow of coolant at a frost start together with a coolant reservoir, which is arranged in a main coolant circuit.

Durch die Anordnung des mit einer Temperiervorrichtung versehenen Ventils in einem reduzierten Kühlmittelkreislauf wird das Kühlmittel und damit das Ventil bei einem Froststart schneller aufgeheizt.By arranging the valve, which is provided with a temperature control device, in a reduced coolant circuit, the coolant and thus the valve are heated up more quickly in the event of a frost start.

Der Strömungsweg des Kühlmittels ist vorzugsweise von einer Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung von einem reduzierten Kühlmittelkreislauf, welcher von dem Kühlmittel im Falle eines Froststarts durchströmt wird, zu einem Haupt-Kühlmittelkreislauf umschaltbar, welcher im Normalbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere nach einem Froststart der Brennstoffzellenvorrichtung, von dem Kühlmittel durchströmt wird.The flow path of the coolant can preferably be switched by a control device of the fuel cell device from a reduced coolant circuit, through which the coolant flows in the event of a frost start, to a main coolant circuit, which during normal operation of the fuel cell device, in particular after a frost start of the fuel cell device, of the coolant flows through.

Der Kühlmittelstrom, vorzugsweise der Kühlmittelstrom durch die Temperiervorrichtung des Ventils, kann durch entsprechende Auslegung der Rohrquerschnitte oder mittels Strömungshindernissen gedrosselt werden.The flow of coolant, preferably the flow of coolant through the temperature control device of the valve, can be throttled by appropriate design of the pipe cross sections or by means of flow obstacles.

Die Strömungshindernisse können beispielsweise eine Blende, ein Hindernis aus einem porösen Material oder Ähnliches umfassen.The flow obstacles can include, for example, an orifice, an obstacle made of a porous material or the like.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ventil mittels der Temperiervorrichtung kühlbar ist.In a particular embodiment of the invention, it is provided that the valve can be cooled by means of the temperature control device.

Dies kann beispielsweise dadurch ermöglicht werden, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Ventilanordnung umfasst, mittels welcher der Kühlmittelstrom durch die Temperiervorrichtung des Ventils hinsichtlich seiner Strömungsrichtung umkehrbar ist. Dadurch ist es möglich, das Ventil je nach Bedarf zu kühlen oder zu heizen.This can be made possible, for example, by the fuel cell device comprising a valve arrangement, by means of which the flow direction of the coolant flow through the temperature control device of the valve can be reversed is. This makes it possible to cool or heat the valve as required.

Eine solche Ventilanordnung kann ein oder mehrere Zwei-Wege-Ventile umfassen.Such a valve assembly may include one or more two-way valves.

Das Ventil, welches eine Temperiervorrichtung aufweist, kann in einer Bypass-Kühlmittelleitung des Kühlmittelsystems angeordnet sein, was es erübrigt, ein zusätzliches Ventil zu verwenden.The valve, which has a temperature control device, can be arranged in a bypass coolant line of the coolant system, which makes it unnecessary to use an additional valve.

Die Zuführung des Temperierfluids, beispielsweise eines Kühlmittels der Brennstoffzellenvorrichtung, zu der Temperiervorrichtung des Ventils kann über ein fluidführendes Bauteil der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgen, welches beispielsweise an dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung befestigt ist, oder über einen Schlauch erfolgen, der an die Temperiervorrichtung des Ventils angeschlossen ist.The temperature control fluid, for example a coolant of the fuel cell device, can be supplied to the temperature control device of the valve via a fluid-carrying component of the fuel cell device, which is fastened, for example, to the fuel cell stack of the fuel cell device, or via a hose that is connected to the temperature control device of the valve.

Das Ventil kann so ausgebildet sein, dass das Temperierfluid beim Durchströmen der Temperiervorrichtung des Ventils in Kontakt mit einem Bestandteil der Austrags-Bewegungsvorrichtung des Ventils kommt.The valve can be designed in such a way that the temperature control fluid, when flowing through the temperature control device of the valve, comes into contact with a component of the discharge movement device of the valve.

Der Bestandteil der Austrags-Bewegungsvorrichtung kann insbesondere ein Bestandteil eines elektromagnetischen Aktuators sein.The component of the discharge moving device can in particular be a component of an electromagnetic actuator.

Beispielsweise kann der Bestandteil der Austrags-Bewegungsvorrichtung, welcher in Kontakt mit dem Temperierfluid kommt, ein Anker sein.For example, the part of the discharge moving device that comes into contact with the tempering fluid can be an armature.

Wenn das Temperierfluid, beispielsweise das Kühlmittel, eine Schmierfähigkeit aufweist, so werden hierdurch die Gleiteigenschaften des Bestandteils der Austrags-Bewegungsvorrichtung verbessert. Der Bestandteil der Austrags-Bewegungsvorrichtung ist daher leichter längs einer Verschieberichtung verschiebbar, um so den Ventilkörper des Ventils zu dem Ventilsitz hin oder von dem Ventilsitz weg zu bewegen.If the tempering fluid, for example the coolant, has lubricity, this improves the sliding properties of the component part of the discharge moving device. The component of the discharge moving device is therefore more easily slidable along a displacement direction so as to move the valve body of the valve toward or away from the valve seat.

Das Ventil, insbesondere ein Ventilgehäuse des Ventils, und/oder ein fluidführendes Bauteil, durch welches ein Temperierfluid der Temperiervorrichtung des Ventils zuführbar ist, kann in einem zweistufigen oder mehrstufigen Verfahren aus wärmeleitenden Kunststoffmaterialien, die eine unterschiedliche spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweisen, hergestellt werden.The valve, in particular a valve housing of the valve, and/or a fluid-carrying component through which a temperature control fluid can be supplied to the temperature control device of the valve, can be produced in a two-stage or multi-stage process from heat-conducting plastic materials that have different specific thermal conductivity.

Auf diese Weise können verschiedene Bereiche des Ventilgehäuses oder des fluidführenden Bauteils mit unterschiedlichen spezifischen Wärmeleitfähigkeiten versehen werden, um den Wärmestrom aus dem Temperierfluid gezielt in die relevanten Bereiche des Ventils, insbesondere zu dem Ventilsitz und/oder zu dem Ventilkörper des Ventils hin, zu lenken, ohne dabei das Temperierfluid, beispielsweise das Kühlmittel, bei einem Froststart der Brennstoffzellenvorrichtung unnötig abzukühlen.In this way, different areas of the valve housing or the fluid-carrying component can be provided with different specific thermal conductivities in order to direct the heat flow from the tempering fluid to the relevant areas of the valve, in particular to the valve seat and/or to the valve body of the valve. without unnecessarily cooling down the tempering fluid, for example the coolant, when the fuel cell device starts to freeze.

Ein fluidführendes Bauteil, durch welches ein Temperierfluid der Temperiervorrichtung des Ventils zuführbar ist und an dem das Ventil vorzugsweise montierbar ist, kann so gestaltet sein, dass innerhalb dieses fluidführenden Bauteils eine oder mehrere Verzweigungsstellen eines Temperierfluidkreislaufs, beispielsweise eines Kühlmittelkreislaufs, vorhanden sind, um nur einen Teil des Temperierfluids durch die Temperiervorrichtung des Ventils zu leiten.A fluid-carrying component, through which a temperature control fluid can be supplied to the temperature control device of the valve and on which the valve can preferably be mounted, can be designed in such a way that within this fluid-carrying component there are one or more branching points of a temperature control fluid circuit, for example a coolant circuit, in order to only To direct part of the temperature control fluid through the temperature control device of the valve.

Dabei können Temperierfluidkanäle des fluidführenden Bauteils direkt an jeweils einen Temperierfluidkanal des Ventils angeschlossen sein, beispielsweise im Bereich eines Anschlussflansches des fluidführenden Bauteils.Tempering fluid channels of the fluid-carrying component can be connected directly to a respective tempering fluid channel of the valve, for example in the area of a connecting flange of the fluid-carrying component.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Temperierfluidkanal des fluidführenden Bauteils mittels eines Zwischenelements, beispielsweise eines Schlauches, an einen Temperierfluidkanal des Ventils anschließbar ist.Alternatively or additionally, it can be provided that at least one temperature control fluid channel of the fluid-carrying component can be connected to a temperature control fluid channel of the valve by means of an intermediate element, for example a hose.

Ein Temperierfluidanschluss der Temperiervorrichtung des Ventils kann an ein Medienmodul der Brennstoffzellenvorrichtung, durch welches der Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtung mit Anodengas, mit Kathodengas und/oder mit Kühlmittel versorgt wird, angeflanscht sein.A temperature control fluid connection of the temperature control device of the valve can be flanged to a media module of the fuel cell device, through which the fuel cell stack of the fuel cell device is supplied with anode gas, cathode gas and/or coolant.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann ein Temperierfluidanschluss des Ventils mittels eines Schlauchs an eine Temperierfluidleitung oder ein Temperierfluidreservoir angeschlossen sein.Alternatively or in addition to this, a temperature control fluid connection of the valve can be connected to a temperature control fluid line or a temperature control fluid reservoir by means of a hose.

Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung eine Ventilanordnung, mittels welcher eine Durchströmung der Temperiervorrichtung des Ventils mit einem Temperierfluid, vorzugsweise einem Kühlmittel der Brennstoffzellenvorrichtung, unterbunden oder reduziert wird, wenn das Ventil nach einer Heizphase ausreichend aufgewärmt ist.The fuel cell device preferably includes a valve arrangement, by means of which a flow of a temperature control fluid, preferably a coolant of the fuel cell device, through the temperature control device of the valve is prevented or reduced when the valve is sufficiently warmed up after a heating phase.

Die Temperiervorrichtung des Ventils ist vorzugsweise stromabwärts von dem Brennstoffzellenstapel angeordnet, so dass das im Brennstoffzellenstapel aufgewärmte Temperierfluid, insbesondere das Kühlmittel, die Temperiervorrichtung des Ventils durchströmt.The temperature control device of the valve is preferably arranged downstream of the fuel cell stack, so that the temperature control fluid heated in the fuel cell stack, in particular the coolant, flows through the temperature control device of the valve.

Das Ventil, das mit einer Temperiervorrichtung versehen ist, ist vorzugsweise nicht in einer Haupt-Temperierfluidleitung, insbesondere einer Haupt-Kühlmittelleitung, angeordnet, damit nach Abschluss einer Heizphase des Fluids nur ein Teil des Temperierfluids, beispielsweise des Kühlmittels, oder gar kein Temperierfluid durch die Temperiervorrichtung des Ventils strömen muss. The valve, which is provided with a temperature control device, is preferably not arranged in a main temperature control fluid line, in particular a main coolant line, so that after the conclusion of a heating phase of the fluid only a part of the temperature control fluid, for example the coolant, or no temperature control fluid has to flow through the temperature control device of the valve.

Wenn das erfindungsgemäße Ventil mit einer Temperiervorrichtung versehen ist, so ist im Falle eines Froststarts der Brennstoffzellenvorrichtung während einer Heizphase eine Einbringung von Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel in das Ventil mittels eines Temperierfluids, beispielsweise eines Kühlmittels der Brennstoffzellenvorrichtung, möglich, womit ein schnelleres Aufschmelzen von gegebenenfalls in dem Ventil vorhandenem Eis einhergeht.If the valve according to the invention is provided with a temperature control device, then if the fuel cell device starts to freeze during a heating phase, it is possible to introduce heat from the fuel cell stack into the valve by means of a temperature control fluid, for example a coolant of the fuel cell device, which means that any in accompanied by ice present on the valve.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the graphic representation of exemplary embodiments.

In den Zeichnungen zeigen:

  • 1 ein Funktionsschaubild einer Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
  • 2 ein Funktionsschaubild einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung, welche ein „Purge“-Ventil oder ein „Drain“-Ventil, welches eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung umfasst, aufweist;
  • 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ventil zum Austragen eines Fluids aus einem Fluidsystem der Brennstoffzellenvorrichtung aus 2, welches eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung umfasst, die den Ventilkörper in der Schließstellung hält, solange ein Druck auf einer Einlassseite des Ventils einen vorgegebenen Schwellendruck des Ventils nicht erreicht, und die ein Wegbewegen des Ventilkörpers von dem Ventilsitz zulässt, wenn der Druck auf der Einlassseite des Ventils den Schwellendruck erreicht, in einer Schließstellung des Ventils;
  • 4 einen schematischen Längsschnitt durch das Ventil aus 3, in einer Offenstellung des Ventils;
  • 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Ventils, das eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung und eine Temperiervorrichtung umfasst, wobei die Temperiervorrichtung Temperiermittelkanäle umfasst, welche in einem Ventilgehäuse des Ventils angeordnet sind;
  • 6 einen schematischen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines Ventils, das eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung und eine Temperiervorrichtung umfasst, wobei das Ventil eine Ventilkammer auf einer einem Ventileinlass abgewandten Seite des Ventilkörpers aufweist, die von dem Temperiermittel durchströmbar ist;
  • 7 einen schematischen Längsschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines Ventils, das eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung und eine Temperiervorrichtung umfasst, wobei das Ventil eine von dem Temperiermittel durchströmbare Ventilkammer und in einem Ventilgehäuse des Ventils angeordnete Temperiermittelkanäle umfasst, wobei die Temperiermittelkanäle an einer Stirnseite des Ventilgehäuses münden;
  • 8 einen schematischen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines Ventils, das eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung und eine Temperiervorrichtung umfasst, wobei das Ventil einen von einem Temperiermittel durchströmbaren Ringkanal umfasst, welcher einen Bestandteil einer den Ventilkörper des Ventils bewegenden Austrags-Bewegungsvorrichtung umgibt;
  • 9 einen schematischen Querschnitt durch das Ventil aus 8, längs der Linie 9 - 9 in 8;
  • 10 ein Funktionsschaubild einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche ein Anodengas-Fluidsystem und einen Kühlmittelkreislauf umfasst;
  • 11 ein Funktionsschaubild einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche ein Anodengas-Fluidsystem und einen Kühlmittelkreislauf sowie eine Kühlmittel-Bypassleitung, in welcher ein temperierbares Ventil angeordnet ist, umfasst;
  • 12 ein Funktionsschaubild einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche ein Anodengas-Fluidsystem und einen Kühlmittelkreislauf umfasst, wobei ein ein temperierbares Ventil durchströmendes Kühlmittel wahlweise durch ein Kühlmittel-Reservoir hindurch oder an dem Kühlmittel-Reservoir vorbei führbar ist; und
  • 13 ein Funktionsschaubild einer Brennstoffzellenvorrichtung, welche ein Anodengas-Fluidsystem und einen Kühlmittelkreislauf umfasst, wobei ein ein temperierbares Ventil durchströmendes Kühlmittel mittels eines stromaufwärts von einem Kühlmittel-Reservoir angeordneten Zwei-Wege-Ventils wahlweise durch das Kühlmittel-Reservoir oder an dem Kühlmittel-Reservoir vorbei führbar ist.
In the drawings show:
  • 1 a functional diagram of a fuel cell device according to the prior art;
  • 2 a functional diagram of a fuel cell device according to the invention, which has a “purge” valve or a “drain” valve, which includes an overpressure opening device;
  • 3 shows a schematic longitudinal section through a valve for discharging a fluid from a fluid system of the fuel cell device 2 which comprises a positive pressure opening device which holds the valve body in the closed position as long as a pressure on an inlet side of the valve does not reach a predetermined threshold pressure of the valve and which allows the valve body to be moved away from the valve seat when the pressure on the inlet side of the valve valve reaches the threshold pressure, in a closed position of the valve;
  • 4 a schematic longitudinal section through the valve 3 , in an open position of the valve;
  • 5 a schematic longitudinal section through a second embodiment of a valve, which comprises an overpressure opening device and a temperature control device, wherein the temperature control device comprises temperature control medium channels, which are arranged in a valve housing of the valve;
  • 6 a schematic longitudinal section through a third embodiment of a valve, which comprises an overpressure opening device and a temperature control device, wherein the valve has a valve chamber on a side of the valve body facing away from a valve inlet, through which the temperature control medium can flow;
  • 7 a schematic longitudinal section through a fourth embodiment of a valve, which comprises an overpressure opening device and a temperature control device, the valve comprising a valve chamber through which the temperature control medium can flow and temperature control medium channels arranged in a valve housing of the valve, the temperature control medium channels opening on an end face of the valve housing;
  • 8th a schematic longitudinal section through a fifth embodiment of a valve, which comprises an overpressure opening device and a temperature control device, wherein the valve comprises an annular channel through which a temperature control medium can flow, which surrounds a component of a discharge movement device that moves the valve body of the valve;
  • 9 a schematic cross section through the valve 8th , along the line 9 - 9 in 8th ;
  • 10 a functional diagram of a fuel cell device, which comprises an anode gas fluid system and a coolant circuit;
  • 11 a functional diagram of a fuel cell device, which comprises an anode gas fluid system and a coolant circuit as well as a coolant bypass line, in which a temperature-controlled valve is arranged;
  • 12 a functional diagram of a fuel cell device, which comprises an anode gas fluid system and a coolant circuit, wherein a coolant flowing through a temperature-controlled valve can be guided either through a coolant reservoir or past the coolant reservoir; and
  • 13 a functional diagram of a fuel cell device, which comprises an anode gas fluid system and a coolant circuit, wherein a coolant flowing through a temperature-controlled valve can be guided either through the coolant reservoir or past the coolant reservoir by means of a two-way valve arranged upstream of a coolant reservoir is.

Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.Identical or functionally equivalent elements are denoted by the same reference symbols in all figures.

Eine in 1 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen Brennstoffzellenstapel 102, zwei Fluidsysteme 104, nämlich ein Anodengas-Fluidsystem 106 und ein Kathodengas-Fluidsystem 108, sowie ein Kühlmittelsystem 110.one inside 1 The fuel cell device shown, denoted as a whole by 100, comprises a fuel cell stack 102, two fluid systems 104, namely an anode gas fluid system 106 and a cathode gas fluid system 108, and a coolant system 110.

Das Anodengas-Fluidsystem 106 umfasst einen Anodengas-Kreislauf 112 sowie eine Anodengas-Zuführleitung 114, durch welche ein Anodengas dem Anodengas-Kreislauf 112 aus einem (nicht dargestellten) Anodengas-Reservoir zuführbar ist.The anode gas fluid system 106 comprises an anode gas circuit 112 and an anode gas feed line 114 through which an anode gas can be fed to the anode gas circuit 112 from an anode gas reservoir (not shown).

In der Anodengas-Zuführleitung 114 sind ein Druckregelventil 116 und eine Düse 118 angeordnet.A pressure control valve 116 and a nozzle 118 are arranged in the anode gas supply line 114 .

In einem stromaufwärts von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 102 angeordneten Teil des Anodengas-Kreislaufs 112 sind ein Tropfenabscheider 120 und ein Drucksensor 122 angeordnet.A droplet separator 120 and a pressure sensor 122 are arranged in a part of the anode gas circuit 112 arranged upstream of the anode side of the fuel cell stack 102 .

In einem stromabwärts von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 102 liegenden Teil des Anodengas-Kreislaufs 112, welcher zu der Düse 118 zurückführt, ist ein weiterer Tropfenabscheider 124 angeordnet.A further droplet separator 124 is arranged in a part of the anode gas circuit 112 which lies downstream of the anode side of the fuel cell stack 102 and which leads back to the nozzle 118 .

Dieser Tropfenabscheider 124 ist in seinem unteren Bereich, in dem sich im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 100 Wasser ansammelt, an eine Wasseraustragleitung 126 angeschlossen, welche zu einem „Drain“-Ventil 128 führt.In its lower region, in which water collects during operation of the fuel cell device 100 , this droplet separator 124 is connected to a water discharge line 126 which leads to a “drain” valve 128 .

Ein Gasraum des Tropfenabscheiders 124 steht über eine Gasabführleitung 130 in Fluidverbindung mit einem „Purge“-Ventil 132.A gas space of the droplet separator 124 is in fluid communication with a "purge" valve 132 via a gas discharge line 130.

Die beiden Tropfenabscheider 120 und 124 sind über eine Wasserverbindungsleitung 134 miteinander verbunden.The two droplet separators 120 and 124 are connected to one another via a water connection line 134 .

In der Wasserverbindungsleitung 134 kann eine Düse 136 angeordnet sein.A nozzle 136 can be arranged in the water connection line 134 .

Durch diese Düse 136 strömt permanent ein Fluid von dem Tropfenabscheider 120 zu dem Tropfenabscheider 124, da der Druck im Tropfenabscheider 120 stets größer ist als der Druck im Tropfenabscheider 124. Die Wasserverbindungsleitung 134 mündet in den Tropfenabscheider 120 an dessen tiefster Stelle, so dass das gesamte in dem Tropfenabscheider 120 anfallende Wasser durch die Wasserverbindungsleitung 134 und die Düse 136 in den Tropfenabscheider 124 geleitet wird. Der durchströmbare Querschnitt der Düse 136 ist so groß, dass auch der maximal anfallende Wasserstrom durch die Düse 136 abgeführt werden kann. Andererseits ist der durchströmbare Querschnitt der Düse 136 jedoch klein genug, um die parasitäre Gasströmung durch die Wasserverbindungsleitung 134, welche parallel zu der Strömung durch den Brennstoffzellenstapel 102 erfolgt, wenn in dem Tropfenabscheider 120 kein Wasser vorhanden ist, klein zu halten.A fluid flows continuously through this nozzle 136 from the droplet separator 120 to the droplet separator 124, since the pressure in the droplet separator 120 is always greater than the pressure in the droplet separator 124. The water connection line 134 opens into the droplet separator 120 at its lowest point, so that the entire water occurring in the droplet separator 120 is passed through the water connection line 134 and the nozzle 136 into the droplet separator 124 . The cross section through which the nozzle 136 can flow is so large that even the maximum water flow that occurs can be discharged through the nozzle 136 . On the other hand, the flowable cross section of the nozzle 136 is small enough to keep the parasitic gas flow through the water connection line 134, which occurs parallel to the flow through the fuel cell stack 102 when there is no water in the droplet separator 120, small.

Ferner weist das Anodengas-Fluidsystem 106 ein Überdruckventil 138 auf, über welches Anodengas aus dem Anodengas-Fluidsystem 106 abführbar ist, wenn ein Fluiddruck an der Eingangsseite 140 des Überdruckventils 138 einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht.Furthermore, the anode gas fluid system 106 has a pressure relief valve 138 via which anode gas can be discharged from the anode gas fluid system 106 when a fluid pressure on the input side 140 of the pressure relief valve 138 reaches a predetermined threshold value.

Das Kathodengas-Fluidsystem 108 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 umfasst eine Kathodengas-Zuführleitung 142, über welche der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 102 ein Kathodengas zuführbar ist, und eine Kathodengas-Abführleitung 144, durch welche verbrauchtes Kathodengas aus der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 102 abführbar ist.The cathode gas fluid system 108 of the fuel cell device 100 comprises a cathode gas feed line 142, via which the cathode side of the fuel cell stack 102 a cathode gas can be fed, and a cathode gas discharge line 144, through which used cathode gas can be discharged from the cathode side of the fuel cell stack 102.

In dem Kathodengas-Fluidsystem 108 können ferner ein Drucksensor 146 und ein Temperatursensor 148 angeordnet sein.A pressure sensor 146 and a temperature sensor 148 can also be arranged in the cathode gas fluid system 108 .

Der Drucksensor 146 und/oder der Temperatursensor 148 können insbesondere stromabwärts von der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet sein.In particular, the pressure sensor 146 and/or the temperature sensor 148 can be arranged downstream of the cathode side of the fuel cell stack 102 .

Der Drucksensor 146 und der Temperatursensor 148 können in einer kombinierten Sensorvorrichtung zusammengefasst sein.The pressure sensor 146 and the temperature sensor 148 can be combined in a combined sensor device.

Das Kühlmittelsystem 110 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 umfasst eine Kühlmittel-Zuführleitung 150, durch welche ein Kühlmittel dem Brennstoffzellenstapel 102 zuführbar ist, und eine Kühlmittel-Abführleitung 152, durch welche das Kühlmittel aus dem Brennstoffzellenstapel 102 abführbar ist.The coolant system 110 of the fuel cell device 100 includes a coolant feed line 150, through which a coolant can be fed to the fuel cell stack 102, and a coolant discharge line 152, through which the coolant can be discharged from the fuel cell stack 102.

Das Kühlmittel-System 110 kann ferner einen Temperatursensor 154 umfassen, welcher vorzugsweise stromaufwärts von dem Brennstoffzellenstapel 102 angeordnet ist.The coolant system 110 may further include a temperature sensor 154 that is preferably located upstream of the fuel cell stack 102 .

Der Brennstoffzellenstapel 102 enthält vorzugsweise Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzelleneinheiten 156, welche längs einer Stapelrichtung 158 aufeinander folgen.The fuel cell stack 102 preferably includes polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell units 156 which follow one another along a stacking direction 158 .

Das Anodengas-Fluidsystem 106 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 ist ein teilgeschlossenes System, welchem Anodengas (beispielsweise Wasserstoff) über das Druckregelventil 116 und die Düse 118 zugeführt wird.The anode gas fluid system 106 of the fuel cell device 100 is a semi-closed system to which anode gas (e.g., hydrogen) is supplied via the pressure control valve 116 and the nozzle 118 .

Eine Abfuhr von Anodengas (beispielsweise Wasserstoff) aus dem Anodengas-Fluidsystem 106 erfolgt über die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzelleneinheiten 156 des Brennstoffzellenstapels 102 sowie über eine Betätigung des „Purge“-Ventils 132.Anode gas (for example hydrogen) is discharged from the anode gas fluid system 106 via the electrochemical reaction in the fuel cell units 156 of the fuel cell stack 102 and via actuation of the "purge" valve 132.

Im Gegensatz zu dem Kathodengas-Fluidsystem 108 ist das Anodengas-Fluidsystem 106 gegenüber der umgebenden Atmosphäre nicht offen, weshalb die Gefahr besteht, dass in dem Anodengas-Fluidsystem 106 Überdrücke auftreten, welche den Brennstoffzellenstapel 102 schädigen könnten.In contrast to the cathode gas fluid system 108, the anode gas fluid system is 106 not open to the surrounding atmosphere, which is why there is a risk that overpressures will occur in the anode gas fluid system 106, which could damage the fuel cell stack 102.

Das Überdruckventil 138, welches üblicherweise mechanisch arbeitet, dient dazu, eventuell im Anodengas-Fluidsystem 106 auftretende Druckspitzen durch Austrag von Anodengas aus dem Anodengas-Fluidsystem 106 abzufangen.The pressure relief valve 138, which usually works mechanically, serves to intercept any pressure peaks that may occur in the anode gas fluid system 106 by discharging anode gas from the anode gas fluid system 106.

Das Überdruckventil 138 ist jedoch eine zusätzliche Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 100, welche Bauraum benötigt, ausgelegt, erprobt und abgesichert werden muss und für welche zusätzliche Kosten anfallen.However, the pressure relief valve 138 is an additional component of the fuel cell device 100, which requires installation space, must be designed, tested and secured, and for which additional costs are incurred.

Bei der in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 100 ist zur Überwindung dieser Nachteile vorgesehen, dass das „Purge“-Ventil 132 durch ein modifiziertes „Purge“-Ventil 132' ersetzt ist, welches zusätzlich zu der Funktion des „Purge“-Ventils 132, Anodengas im Zuge eines Spülvorgangs aus dem Anodengas-Fluidsystem 106 auszutragen, die Funktion des Überdruckventils 138 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 aus 1 übernimmt, im Anodengas-Fluidsystem 106 auftretende Druckspitzen durch Austrag von Anodengas abzufangen.At the in 2 In order to overcome these disadvantages, the fuel cell device 100 according to the invention illustrated is intended to replace the “purge” valve 132 with a modified “purge” valve 132′, which, in addition to the function of the “purge” valve 132, releases anode gas in the course of a scavenging process discharge from the anode gas fluid system 106, the function of the pressure relief valve 138 of the fuel cell device 100 from 1 assumes the task of intercepting pressure peaks occurring in the anode gas fluid system 106 by discharging anode gas.

Auf das Überdruckventil 138 der in 1 dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung 100 nach dem Stand der Technik kann daher bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 100 gemäß 2 verzichtet werden.On the pressure relief valve 138 in 1 illustrated fuel cell device 100 according to the prior art can therefore in the fuel cell device 100 according to the invention 2 be waived.

Im Übrigen stimmt die in 2 dargestellte Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 1 dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung 100 überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 2 illustrated fuel cell device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 1 illustrated fuel cell device 100 match, to the above description reference is made to that extent.

Ein möglicher Aufbau eines Ventils 160 zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung 100, das als das modifizierte „Purge“-Ventil 132' der Brennstoffzellenvorrichtung 100 aus 2 verwendbar ist, ist in 3 in einer Schließstellung des Ventils 160 und in 4 in einer Offenstellung des Ventils 160 dargestellt.A possible construction of a valve 160 for discharging a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device 100 as the modified “purge” valve 132 ′ of the fuel cell device 100 2 usable is in 3 in a closed position of the valve 160 and in 4 shown in an open position of the valve 160.

Das Ventil 160 ist in eine Ventilaufnahme 162 eines Fluidführungselements 164 eingesetzt.The valve 160 is inserted into a valve receptacle 162 of a fluid guiding element 164 .

Das Fluidführungselement 164 weist einen Fluideinlasskanal 166 und einen Fluidauslasskanal 168 auf.The fluid guiding element 164 has a fluid inlet channel 166 and a fluid outlet channel 168 .

Das Ventil 160 umfasst einen Basisteil 170, in dem ein Fluideinlassraum 172 ausgebildet ist, der im montierten Zustand des Ventils 160 in Fluidverbindung mit dem Fluideinlasskanal 166 des Fluidführungselements 164 steht.The valve 160 comprises a base part 170 in which a fluid inlet space 172 is formed, which is in fluid connection with the fluid inlet channel 166 of the fluid guiding element 164 when the valve 160 is in the assembled state.

Der Fluideinlassraum 172 mündet an einem Ventilsitz 174 des Basisteils 170.The fluid inlet space 172 opens out at a valve seat 174 of the base part 170.

Das Basisteil 170 des Ventils 160 ist mittels eines Dichtelements 176, das beispielsweise als ein O-Ring aus einem Elastomermaterial ausgebildet sein kann, gegenüber dem Fluidführungselement 164 abgedichtet.The base part 170 of the valve 160 is sealed off from the fluid-guiding element 164 by means of a sealing element 176, which can be designed, for example, as an O-ring made of an elastomer material.

Das Ventil 160 umfasst ferner ein Führungsteil 178, welches einen Führungskanal 180 aufweist, in dem ein Ventilkörper 182 des Ventils 160 längs einer Verschieberichtung 184 verschieblich geführt ist.The valve 160 also includes a guide part 178 which has a guide channel 180 in which a valve body 182 of the valve 160 is guided in a displaceable manner along a displacement direction 184 .

Der Ventilkörper 182 umfasst ein Magnetelement 186, das vorzugsweise als ein Permanentmagnet ausgebildet ist.The valve body 182 includes a magnetic element 186, which is preferably designed as a permanent magnet.

Das Magnetelement 186 ist vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen, über welche das Magnetelement 186 fluiddicht an dem Führungsteil 178 des Ventils 160 anliegt.The magnetic element 186 is preferably provided with a coating, via which the magnetic element 186 rests against the guide part 178 of the valve 160 in a fluid-tight manner.

Das Magnetelement 186 ist über ein Verbindungselement 188, das beispielsweise als eine Verbindungsstange ausgebildet sein kann, mit einem Verschließelement 190 verbunden, welches in der in 3 dargestellten Schließstellung des Ventils 160 fluiddicht abdichtend an dem Ventilsitz 174 anliegt und dadurch eine Austrittsöffnung 192 des Fluideinlassraums 172 verschließt.The magnetic element 186 is connected via a connecting element 188, which can be designed, for example, as a connecting rod, to a closing element 190, which is shown in FIG 3 illustrated closed position of the valve 160 in a fluid-tight sealing manner against the valve seat 174 and thereby closes an outlet opening 192 of the fluid inlet space 172 .

Das Führungsteil 178 des Ventils 160 ist mittels eines Dichtelements 194, das beispielsweise als ein O-Ring aus einem Elastomermaterial ausgebildet sein kann, gegenüber dem Fluidführungselement 164 abgedichtet.The guide part 178 of the valve 160 is sealed off from the fluid guide element 164 by means of a sealing element 194, which can be designed, for example, as an O-ring made of an elastomer material.

Um den Ventilkörper 182 des Ventils 160 aus der in 3 dargestellten Schließstellung in die in 4 dargestellte Offenstellung überführen zu können, in welcher das Verschließelement 190 des Ventilkörpers 182 von dem Ventilsitz 174 abgehoben ist und dadurch eine Fluidverbindung zwischen dem Fluideinlassraum 172 und einem Fluidauslassraum 196 des Ventils 160 freigibt, umfasst das Ventil 160 eine Austrags-Bewegungsvorrichtung 198, welche einen Elektromagneten 200 umfasst.In order to replace the valve body 182 of the valve 160 from FIG 3 shown closed position to the in 4 illustrated open position, in which the closing element 190 of the valve body 182 is lifted from the valve seat 174 and thereby releases a fluid connection between the fluid inlet chamber 172 and a fluid outlet chamber 196 of the valve 160, the valve 160 comprises a discharge moving device 198, which is an electromagnet 200 includes.

Der Elektromagnet 200 umfasst eine, beispielsweise im Wesentlichen hohlzylindrische, Spule 202 und einen in der Spule 202 angeordneten elektromagnetischen Kern 204.Electromagnet 200 comprises a coil 202, which is essentially hollow-cylindrical, for example, and an electromagnetic core 204 arranged in coil 202.

Wenn ein elektrischer Strom durch die Spule 202 fließt, so entsteht ein elektromagnetisches Feld, welches so gepolt ist, dass das Magnetelement 186 von dem Elektromagneten 200 angezogen wird. Hierdurch wird der Ventilkörper 182 von dem Ventilsitz 174 des Ventils 160 abgehoben und die Fluidverbindung zwischen dem Fluideinlassraum 172 und dem Fluidauslassraum 196 geöffnet.When an electric current flows through the coil 202, an electromagnetic field is created which is polarized in such a way that the magnetic element 186 is attracted by the electromagnet 200. As a result, the valve body 182 is lifted off the valve seat 174 of the valve 160 and the fluid connection between the fluid inlet chamber 172 and the fluid outlet chamber 196 is opened.

Das Ventil 160 umfasst ferner ein elastisches Element 206, durch welches der Ventilkörper 182 mittels einer elastischen Vorspannkraft in die Schließstellung, in welcher der Ventilkörper 182 abdichtend an dem Ventilsitz 174 anliegt, vorgespannt wird.The valve 160 also includes an elastic element 206, by means of which the valve body 182 is prestressed by means of an elastic prestressing force into the closed position, in which the valve body 182 rests sealingly against the valve seat 174.

Das elastische Element 206 kann ein Federelement 208, insbesondere eine Druckfeder 210, umfassen.The elastic element 206 can include a spring element 208, in particular a compression spring 210.

Das elastische Element 206 erstreckt sich durch eine parallel zur Verschieberichtung 184 ausgerichtete Bohrung 212 in dem Kern 204 des Elektromagneten 200 hindurch.The elastic element 206 extends through a bore 212 in the core 204 of the electromagnet 200 which is aligned parallel to the displacement direction 184 .

Das elastische Element 206 stützt sich einerseits an dem Ventilkörper 182, insbesondere an dem Magnetelement 186 des Ventilkörpers 182, und andererseits an einer die Bohrung 212 verschließenden Wand 214 ab.The elastic element 206 is supported on the one hand on the valve body 182, in particular on the magnetic element 186 of the valve body 182, and on the other hand on a wall 214 closing the bore 212.

Die elastische Vorspannkraft des elastischen Elements 206 einerseits und die von dem Fluid in dem Fluideinlassraum 172 auf den Ventilkörper 182 wirkende Druckkraft wirken einander entgegengesetzt auf den Ventilkörper 182 ein.The elastic prestressing force of the elastic element 206 on the one hand and the compressive force acting on the valve body 182 from the fluid in the fluid inlet space 172 act in opposite directions on the valve body 182 .

Das elastische Element 206 hält den Ventilkörper 182 daher so lange in der Schließstellung, bis der Druck des Fluids in dem Fluideinlassraum 172 einen vorgegebenen Schwellendruck erreicht, so dass die auf den Ventilkörper 182 einwirkende Druckkraft die elastische Vorspannkraft des elastischen Elements 206 und auch die von dem Fluid in dem Fluidauslassraum 196 ausgeübte Druckkraft übersteigt und infolgedessen der Ventilkörper 182 längs der Verschieberichtung 184 von dem Ventilsitz 174 weg bewegt wird. Somit wird das Ventil 160 selbsttätig auch dann geöffnet, wenn der Elektromagnet 200 nicht aktiviert wird, sondern im Anodengas-Fluidsystem 106 ein vorgegebener Überdruck erreicht wird.The elastic element 206 therefore holds the valve body 182 in the closed position until the pressure of the fluid in the fluid inlet chamber 172 reaches a predetermined threshold pressure, so that the compressive force acting on the valve body 182 exceeds the elastic prestressing force of the elastic element 206 and also that of the Fluid exceeds the compressive force exerted in the fluid outlet space 196 and as a result the valve body 182 is moved away from the valve seat 174 along the displacement direction 184 . The valve 160 is thus opened automatically even when the electromagnet 200 is not activated, but instead a predetermined overpressure is reached in the anode gas fluid system 106 .

Das Ventil 160 umfasst somit auch eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung 216, welche das elastische Element 206 umfasst.The valve 160 thus also includes an overpressure opening device 216 which includes the elastic element 206 .

Ferner umfasst das Ventil 160 einen elektromagnetischen Aktuator 218, welcher den Elektromagneten 200 umfasst.Furthermore, the valve 160 includes an electromagnetic actuator 218 which includes the electromagnet 200 .

Der elektromagnetische Aktuator 218 des Ventils 200 ist mittels einer (nicht dargestellten) Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung 100 betätigbar, wenn ein „Purge“-Vorgang an dem Anodengas-Fluidsystem 106 durchgeführt werden soll.The electromagnetic actuator 218 of the valve 200 can be actuated by means of a control device (not shown) of the fuel cell device 100 when a “purge” process is to be carried out on the anode gas fluid system 106 .

Bei der Brennstoffzellenvorrichtung 100 gemäß 2 ist somit das Überdruckventil 138 durch die in dem Ventil 160, beispielsweise in dem „Purge“-Ventil 132', vorgesehene Überdruck-Öffnungsvorrichtung 216 ersetzt.In the fuel cell device 100 according to FIG 2 the overpressure valve 138 is thus replaced by the overpressure opening device 216 provided in the valve 160, for example in the “purge” valve 132′.

Alternativ oder ergänzend hierzu kann auch vorgesehen sein, dass das „Drain“-Ventil 128 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 mit einer Überdruck-Öffnungsvorrichtung 216 versehen ist.As an alternative or in addition to this, it can also be provided that the “drain” valve 128 of the fuel cell device 100 is provided with an overpressure opening device 216 .

Ein „Drain“-Ventil 128 mit einer solchen Überdruck-Öffnungsvorrichtung 216 kann genauso aufgebaut sein wie das in den 3 und 4 dargestellte „Purge“-Ventil 132' mit Überdruck-Öffnungsvorrichtung 216.A "drain" valve 128 with such an overpressure opening device 216 can be constructed in exactly the same way as that in FIGS 3 and 4 "Purge" valve 132' shown with overpressure opening device 216.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Ventils 160, das eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung 216 aufweist. 5 shows a schematic representation of a second embodiment of a valve 160, which has an overpressure opening device 216.

Dieses Ventil 160 umfasst eine Austrags-Bewegungsvorrichtung 198, die einen elektromagnetischen Aktuator 218 umfasst, welcher seinerseits einen Elektromagneten 200 umfasst.This valve 160 includes a discharge moving device 198 including an electromagnetic actuator 218 which in turn includes an electromagnet 200 .

In einer zentralen Bohrung 220 des Elektromagneten 200 ist ein Anker 222 längs einer Verschieberichtung 184 verschiebbar gelagert.An armature 222 is slidably mounted in a central bore 220 of the electromagnet 200 along a displacement direction 184 .

Der Anker 222 trägt einen Ventilkörper 182, welcher ein Verschließelement 190 umfasst.The armature 222 carries a valve body 182 which includes a closing element 190 .

Das Verschließelement 190 kann beispielsweise eine Membran 224 umfassen.The closing element 190 can comprise a membrane 224, for example.

In der in 5 dargestellten Schließstellung des Ventils 160 liegt der Ventilkörper 182 abdichtend an einem Ventilsitz 174 des Ventils 160 an.in the in 5 In the closed position of the valve 160 shown, the valve body 182 rests sealingly against a valve seat 174 of the valve 160 .

Der Ventilsitz 174 umgibt einen Fluideinlassraum 172, der an einer Auslassöffnung 192 mündet, welche im Schließzustand des Ventils 160 von dem Verschließelement 190 verschlossen wird.The valve seat 174 surrounds a fluid inlet space 172, which opens out at an outlet opening 192, which is closed by the closing element 190 when the valve 160 is in the closed state.

In die Schließstellung vorgespannt wird der Ventilkörper 182 durch ein elastisches Element 206, welches sich einerseits an dem Anker 222 und andererseits an einer Stirnwand 226 eines Ventilgehäuses 228 abstützt.The valve body 182 is prestressed into the closed position by an elastic element 206 which is supported on the one hand on the armature 222 and on the other hand on an end wall 226 of a valve housing 228 .

Das Ventilgehäuse 228 weist eine Aufnahme 230 auf, in welcher der Elektromagnet 200, das elastische Element 206 und der Anker 222 aufgenommen sind und in welcher der Ventilkörper 182 längs der Verschieberichtung 184 verschieblich geführt ist.The valve housing 228 has a receptacle 230 in which the electromagnet 200, the elastic element 206 and the armature 222 are accommodated and in which the valve body 182 is guided in a displaceable manner along the displacement direction 184 .

Diese Aufnahme 230 ist von einer, beispielsweise im Wesentlichen hohlzylindrischen, Gehäusewand 232 des Ventilgehäuses 228 umgeben.This receptacle 230 is surrounded by a housing wall 232 of the valve housing 228 which is, for example, essentially hollow-cylindrical.

Die Gehäusewand 232 des Ventilgehäuses 228, der Elektromagnet 200 und der Ventilkörper 182 umschließen gemeinsam eine Ventilkammer 234 des Ventils 160, deren Volumen sich vorzugsweise verkleinert, wenn der Ventilkörper 182 sich von dem Ventilsitz 174 weg bewegt.The housing wall 232 of the valve housing 228, the electromagnet 200 and the valve body 182 together enclose a valve chamber 234 of the valve 160, the volume of which preferably decreases when the valve body 182 moves away from the valve seat 174.

Das elastische Element 206 kann ein Federelement 208 umfassen, welches seinerseits eine Druckfeder 210 umfassen kann.The elastic element 206 can comprise a spring element 208 which in turn can comprise a compression spring 210 .

Wenn die von dem Fluid in dem Fluideinlassraum 172 auf den Ventilkörper 182 ausgeübte Druckkraft die elastische Vorspannkraft des elastischen Elementes 206 und die von einem Fluid in der Ventilkammer 234 auf den Ventilkörper 182 ausgeübte Druckkraft übersteigt, wird der Ventilkörper 182 von dem Ventilsitz 174 weg bewegt, so dass eine Fluidverbindung zwischen dem Fluideinlassraum und einem den Ventilsitz 174 umgebenden Fluidauslassraum 196 des Ventils 160 hergestellt wird.When the compressive force exerted by the fluid in the fluid inlet space 172 on the valve body 182 exceeds the elastic prestressing force of the elastic element 206 and the compressive force exerted by a fluid in the valve chamber 234 on the valve body 182, the valve body 182 is moved away from the valve seat 174. so that a fluid connection between the fluid inlet chamber and a fluid outlet chamber 196 of the valve 160 surrounding the valve seat 174 is established.

Das Ventil 160 umfasst somit eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung 216, welche das Ventil 160 öffnet, wenn der Überdruck in dem Anodengas-Fluidsystem 106 einen vorgegeben Schwellenwert erreicht.The valve 160 thus includes an overpressure opening device 216 which opens the valve 160 when the overpressure in the anode gas fluid system 106 reaches a predetermined threshold value.

Diese Überdruck-Öffnungsvorrichtung 216 umfasst das elastische Element 206.This overpressure opening device 216 comprises the elastic element 206.

Zum Durchführen eines „Purge“-Vorgangs wird der Elektromagnet 200 des Ventils 160 von einer (nicht dargestellten) Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung 100 aktiviert, was zur Folge hat, dass der Anker 222 in der Verschieberichtung 184 von dem Ventilsitz 174 weg bewegt wird.To carry out a “purge” process, electromagnet 200 of valve 160 is activated by a control device (not shown) of fuel cell device 100, with the result that armature 222 is moved away from valve seat 174 in displacement direction 184.

Dies hat zur Folge, dass der mit dem Anker 222 verbundene Ventilkörper 182 die Auslassöffnung 192 des Fluideinlassraums 172 freigibt und Fluid aus dem Fluideinlassraum 172 in den Fluidauslassraums 196 des Ventils 160 übertreten kann.As a result, the valve body 182 connected to the armature 222 releases the outlet opening 192 of the fluid inlet space 172 and fluid can pass from the fluid inlet space 172 into the fluid outlet space 196 of the valve 160 .

Um das Ventil 160 beheizen und beispielsweise einen Froststart der Brennstoffzellenvorrichtung 100 durchführen zu können, ist das Ventil 160 ferner mit einer Temperiervorrichtung 236 versehen.In order to be able to heat the valve 160 and, for example, carry out a frost start of the fuel cell device 100 , the valve 160 is also provided with a temperature control device 236 .

Die Temperiervorrichtung 236 umfasst einen Strömungspfad 238, durch welchen ein Temperierfluid durch das Ventil 160, mit der Strömungsrichtung in Richtung der Pfeile 240 in 5, hindurch leitbar ist.The temperature control device 236 includes a flow path 238, through which a temperature control fluid through the valve 160, with the direction of flow in the direction of the arrows 240 in 5 , can be passed through.

Wie aus 5 zu ersehen, kann der Strömungspfad 240 der Temperiervorrichtung 236 insbesondere einen oder mehrere Temperiermittelkanäle 242 umfassen, welche in dem Ventilgehäuse 228 des Ventils 160 angeordnet sind.How out 5 As can be seen, the flow path 240 of the temperature control device 236 can in particular comprise one or more temperature control medium channels 242 which are arranged in the valve housing 228 of the valve 160 .

Ein solcher Temperiermittelkanal 242 kann beispielsweise einen im Wesentlichen parallel zur Verschieberichtung 184 des Ventilkörpers 182 parallelen axialen Abschnitt 244 und einen im Wesentlichen radial zu einer Längsmittelachse 248 des Ventils 160 ausgerichteten radialen Abschnitt 246 umfassen.Such a temperature control medium channel 242 can comprise, for example, an axial section 244 that is essentially parallel to the displacement direction 184 of the valve body 182 and a radial section 246 that is oriented essentially radially to a longitudinal center axis 248 of the valve 160 .

Das Temperiermittel kann insbesondere ein Kühlmittel der Brennstoffzellenvorrichtung 100 sein. Vorzugsweise sind dabei die Temperiermittelkanäle 242 des Ventils 160 stromabwärts von dem Brennstoffzellenstapel 102 in dem Kühlmittelsystem 110 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 angeordnet.The temperature control medium can in particular be a coolant of the fuel cell device 100 . In this case, the temperature control medium channels 242 of the valve 160 are preferably arranged downstream of the fuel cell stack 102 in the coolant system 110 of the fuel cell device 100 .

Auch die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform eines Ventils 160 kann statt als „Purge“-Ventil 132' auch als ein „Drain“-Ventil 128 der Brennstoffzellenvorrichtung 100 verwendbar sein.Also the in 5 The second embodiment of a valve 160 shown can also be used as a “drain” valve 128 of the fuel cell device 100 instead of as a “purge” valve 132′.

Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform eines Ventils 160 zum Austragen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in den 3 und 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 5 illustrated second embodiment of a valve 160 for discharging a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 3 and 4 illustrated first embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 6 dargestellte dritte Ausführungsform eines Ventils 160 zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass das Temperierfluid nicht nur durch Temperierfluidkanäle 242 im Ventilgehäuse 248 des Ventils 160 geführt wird, sondern auch durch die Ventilkammer 234, welche auf einer der Einlassseite des Ventils 160 abgewandten Seite des Ventilkörpers 182 angeordnet ist.one inside 6 The illustrated third embodiment of a valve 160 for discharging a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device 100 differs from that in 5 illustrated second embodiment in that the temperature control fluid is guided not only through temperature control fluid channels 242 in the valve housing 248 of the valve 160, but also through the valve chamber 234, which is arranged on a side of the valve body 182 facing away from the inlet side of the valve 160.

Wie aus 6 zu ersehen ist, wird dabei das Temperierfluid der Ventilkammer 234 durch einen ersten Temperierfluidkanal 242a zugeführt, welcher in der Gehäusewand 232 des Ventilgehäuses 228 ausgebildet ist und vorzugsweise im Wesentlichen radial zu der Längsmittelachse 248 des Ventils 160 verläuft.How out 6 can be seen, the temperature control fluid is supplied to the valve chamber 234 through a first temperature control fluid channel 242a, which is formed in the housing wall 232 of the valve housing 228 and preferably runs essentially radially to the longitudinal center axis 248 of the valve 160.

In der Ventilkammer 234 strömt das Temperierfluid durch einen von der Gehäusewand 232 einerseits und dem Anker 222 andererseits begrenzten Spalt 250, der an seinen Stirnseiten durch den Elektromagneten 200 und durch den Ventilkörper 182 verschlossen wird.In the valve chamber 234 the tempering fluid flows through a gap 250 delimited by the housing wall 232 on the one hand and the armature 222 on the other hand, which is closed at its end faces by the electromagnet 200 and by the valve body 182 .

Das Temperierfluid kommt somit in unmittelbaren Kontakt mit dem Ventilkörper 182, insbesondere mit der Membran 224 des Ventilkörpers 182, wodurch eine besonders rasche Aufheizung des in der Schließstellung des Ventils 160 an dem Ventilsitz 174 abdichtend anliegenden Ventilkörpers 182 erreicht wird.The tempering fluid thus comes into direct contact with the valve body 182, in particular with the membrane 224 of the valve body 182, as a result of which particularly rapid heating of the valve body 182 sealingly resting against the valve seat 174 in the closed position of the valve 160 is achieved.

Aus der Ventilkammer 234 abgeführt wird das Temperierfluid durch einen zweiten Temperierfluidkanal 242b, welcher in dem Ventilgehäuse 228 ausgebildet ist und vorzugsweise im Wesentlichen radial zu der Längsmittelachse 248 des Ventils 160 verläuft.The temperature control fluid is discharged from the valve chamber 234 through a second temperature control fluid channel 242b, which is formed in the valve housing 228 and preferably runs essentially radially to the longitudinal central axis 248 of the valve 160 .

Im Übrigen stimmt die in 6 dargestellte dritte Ausführungsform eines Ventils 160 zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 6 illustrated third embodiment of a valve 160 for dispensing a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device in terms of structure, function and manufacturing method with the in 5 illustrated second embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 7 dargestellte vierte Ausführungsform eines Ventils 160 zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform dadurch, dass der erste Temperierfluidkanal 242a, durch welchen das Temperierfluid der Ventilkammer 234 zugeführt wird, nicht nur einen im Wesentlichen radial zu der Längsmittelachse 248 des Ventils 160 ausgerichteten radialen Abschnitt 246, sondern auch einen im Wesentlichen parallel zu der Verschieberichtung 184 des Ventilkörpers 182 verlaufenden axialen Abschnitt 244 umfasst.one inside 7 The illustrated fourth embodiment of a valve 160 for discharging a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device 100 differs from that in FIG 6 illustrated third embodiment in that the first temperature control fluid channel 242a, through which the temperature control fluid is supplied to the valve chamber 234, not only has a radial section 246 aligned essentially radially to the longitudinal center axis 248 of the valve 160, but also a section 246 essentially parallel to the displacement direction 184 of the Valve body 182 extending axial portion 244 includes.

Vorzugsweise umfasst auch der zweite Temperierfluidkanal 242b, durch welchen das Temperierfluid aus der Ventilkammer 234 abführbar ist, bei dieser Ausführungsform nicht nur einen im Wesentlichen radial zu der Längsmittelachse 248 des Ventils 160 ausgerichteten radialen Abschnitt 246, sondern auch einen im Wesentlichen parallel zu der Verschieberichtung 184 des Ventilkörpers 182 ausgerichteten axialen Abschnitt 244.In this embodiment, the second temperature control fluid channel 242b, through which the temperature control fluid can be removed from the valve chamber 234, preferably also comprises not only a radial section 246 that is aligned essentially radially to the longitudinal center axis 248 of the valve 160, but also a section that is essentially parallel to the direction of displacement 184 of the valve body 182 aligned axial section 244.

Die axialen Abschnitte 244 der Temperierfluidkanäle 242a und 242b münden vorzugsweise an einer stirnseitigen Begrenzungsfläche 252 des Ventilgehäuses 228.The axial sections 244 of the temperature control fluid channels 242a and 242b preferably open out at a front-side boundary surface 252 of the valve housing 228.

Im Übrigen stimmt die in 7 dargestellte vierte Ausführungsform eines Ventils 160 zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 6 dargestellten dritten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 7 illustrated fourth embodiment of a valve 160 for dispensing a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 6 illustrated third embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in den 8 und 9 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Ventils 160 zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform dadurch, dass der Strömungspfad 238 der Temperiervorrichtung 236 einen Ringkanal 254 umfasst, welcher einen Bestandteil der Austrags-Bewegungsvorrichtung 198 des Ventils 160, beispielsweise den Anker 222, ringförmig geschlossen umgibt.one in the 8th and 9 illustrated fifth embodiment of a valve 160 for discharging a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device 100 differs from that in 5 illustrated second embodiment characterized in that the flow path 238 of the temperature control device 236 comprises an annular channel 254, which surrounds a part of the discharge moving device 198 of the valve 160, for example the armature 222, closed in a ring shape.

Wie aus den 8 und 9 zu ersehen ist, ist der Ringkanal 254 im Wesentlichen konzentrisch zu der Längsmittelachse 248 des Ventils 160 ausgebildet und angeordnet.How from the 8th and 9 As can be seen, the annular channel 254 is formed and arranged substantially concentrically with the longitudinal central axis 248 of the valve 160 .

Das Temperierfluid wird dem Ringkanal 254 durch einen ersten Temperierfluidkanal 242a zugeführt, welcher in dem Ventilgehäuse 228 ausgebildet ist und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Verschieberichtung 184 des Ventilkörpers 182 ausgerichtet ist.The temperature control fluid is supplied to the ring channel 254 through a first temperature control fluid channel 242a, which is formed in the valve housing 228 and is preferably aligned essentially parallel to the displacement direction 184 of the valve body 182.

In dem Ringkanal 254 strömt das Temperierfluid 242 um die Ventilkammer 234 des Ventils 160 herum.The temperature control fluid 242 flows around the valve chamber 234 of the valve 160 in the annular channel 254 .

Aus dem Ringkanal 254 abgeführt wird das Temperierfluid durch einen zweiten Temperierfluidkanal 242b, der in dem Ventilgehäuse 228 ausgebildet ist und vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Verschieberichtung 184 des Ventilkörpers 182 des Ventils 160 ausgerichtet ist.The temperature control fluid is discharged from the ring channel 254 through a second temperature control fluid channel 242b, which is formed in the valve housing 228 and is preferably aligned essentially parallel to the displacement direction 184 of the valve body 182 of the valve 160.

Vorzugsweise münden der erste Temperierfluidkanal 242a und/oder der zweite Temperierfluidkanal 242b an einer stirnseitigen Begrenzungsfläche 252 des Ventilgehäuses 228.The first temperature control fluid channel 242a and/or the second temperature control fluid channel 242b preferably open out at a front-side boundary surface 252 of the valve housing 228.

Vorzugsweise liegt der zweite Temperierfluidkanal 242b dem ersten Temperierfluidkanal 242a in Bezug auf die Längsmittelachse 248 des Ventils 160 diametral gegenüber.The second temperature control fluid channel 242b is preferably located diametrically opposite the first temperature control fluid channel 242a in relation to the longitudinal center axis 248 of the valve 160 .

Im Übrigen stimmt die in den 8 und 9 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Ventils 160 zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the correct in the 8th and 9 illustrated fifth embodiment of a valve 160 for dispensing a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 5 illustrated second embodiment form, to the above description reference is made in this respect.

Ein Ventil 160 zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem 104 einer Brennstoffzellenvorrichtung, welches eine Temperiervorrichtung 236 umfasst, kann beispielsweise so in ein Fluidsystem 104 und ein Kühlmittelsystem 110 einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 integriert werden, wie dies im Funktionsschaubild der 10 dargestellt ist.A valve 160 for dispensing a fluid from a fluid system 104 of a fuel cell device, which includes a temperature control device 236, can be integrated into a fluid system 104 and a coolant system 110 of a fuel cell device 100, for example, as is shown in the functional diagram of FIG 10 is shown.

10 zeigt den Brennstoffzellenstapel 102 der Brennstoffzellenvorrichtung 100, welcher mehrere längs der Stapelrichtung 158 aufeinanderfolgende Brennstoffzelleneinheiten 156 umfasst, und ein Fluidsystem 104 der Brennstoffzellenvorrichtung 100, beispielsweise das Anodengas-Fluidsystem 106, welches einen Anodengas-Kreislauf 112 umfasst, der eine Anordnung 256 von Steuerungs- und Regelungselementen, beispielsweise eine Pumpe, einen Sensor und einen Aktor, beinhaltet. 10 shows the fuel cell stack 102 of the fuel cell device 100, which includes a plurality of fuel cell units 156 that follow one another in the stacking direction 158, and a fluid system 104 of the fuel cell device 100, for example the anode gas fluid system 106, which includes an anode gas circuit 112 that includes an arrangement 256 of control and Control elements, such as a pump, a sensor and an actuator includes.

Von dem Anodengas-Kreislauf 112 zweigt eine Gasabführleitung 130 ab, in welcher das Ventil 160, das insbesondere als ein „Purge“-Ventil 132' verwendbar ist, angeordnet ist.A gas discharge line 130 branches off from the anode gas circuit 112, in which the valve 160, which can be used in particular as a “purge” valve 132′, is arranged.

Der Strömungspfad 238 der Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160, welches beispielsweise wie eines der in den 5 bis 9 dargestellten und vorstehend beschriebenen Ventile 160 ausgebildet sein kann, bildet einen Bestandteil des Kühlmittelsystems 110, insbesondere eines Kühlmittelkreislaufs 258 des Kühlmittelsystems 110.The flow path 238 of the temperature control device 236 of the valve 160, which, for example, like one of the 5 until 9 valves 160 illustrated and described above, forms part of coolant system 110, in particular a coolant circuit 258 of coolant system 110.

In dem Kühlmittelkreislauf 258 ist die Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160 stromabwärts von einem Kühlmittelausgang 260 des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet.The temperature control device 236 of the valve 160 is arranged in the coolant circuit 258 downstream of a coolant outlet 260 of the fuel cell stack 102 .

Der Kühlmittelkreislauf 258 umfasst ferner ein Kühlmittelreservoir 262 und eine Kühlmittelpumpe 264.The coolant circuit 258 also includes a coolant reservoir 262 and a coolant pump 264.

Die Kühlmittelpumpe 264 ist vorzugsweise stromabwärts von dem Kühlmittelreservoir 262 und stromaufwärts von einem Kühlmitteleingang 266 des Brennstoffzellenstapels 102 angeordnet.The coolant pump 264 is preferably arranged downstream of the coolant reservoir 262 and upstream of a coolant inlet 266 of the fuel cell stack 102 .

Bei dieser Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 strömt somit stets das gesamte den Brennstoffzellenstapel 102 und das Kühlmittelreservoir 262 durchströmende Kühlmittel auch durch die Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160.In this embodiment of a fuel cell device 100, all of the coolant flowing through the fuel cell stack 102 and the coolant reservoir 262 also always flows through the temperature control device 236 of the valve 160.

Eine in 11 dargestellte alternative Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 10 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass der Kühlmittelkreislauf 258 an einer Verzweigung 268 in eine Haupt-Kühlmittelleitung 270, in welcher das Kühlmittelreservoir 262 angeordnet ist, und in eine Bypass-Kühlmittelleitung 272, in welcher die Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160 angeordnet ist, verzweigt.one inside 11 illustrated alternative embodiment of a fuel cell device 100 differs from that in 10 illustrated embodiment in that the coolant circuit 258 branches at a branch 268 into a main coolant line 270, in which the coolant reservoir 262 is arranged, and into a bypass coolant line 272, in which the temperature control device 236 of the valve 160 is arranged.

Die Bypass-Kühlmittelleitung 272 und die Haupt-Kühlmittelleitung 270 werden an einer Zusammenführung 274 wieder zusammengeführt.The bypass coolant line 272 and the main coolant line 270 are rejoined at a junction 274 .

In dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kühlmittelpumpe 264 in der Haupt-Kühlmittelleitung 270 stromabwärts von dem Kühlmittelreservoir 262 und stromaufwärts von der Zusammenführung 274 angeordnet.in the in 11 In the illustrated embodiment, the coolant pump 264 is arranged in the main coolant line 270 downstream of the coolant reservoir 262 and upstream of the junction 274 .

Grundsätzlich könnte aber auch vorgesehen sein, dass die Kühlmittelpumpe 264 stromabwärts von der Zusammenführung 274 angeordnet ist.In principle, however, it could also be provided that the coolant pump 264 is arranged downstream of the junction 274 .

Im Übrigen stimmt die in 11 dargestellte Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 10 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 11 illustrated embodiment of a fuel cell device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 10 illustrated embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 12 dargestellte alternative Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 11 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass statt der Zusammenführung 274 ein Zwei-Wege-Ventil 276 vorgesehen ist, mittels welchem wahlweise die Bypass-Kühlmittelleitung 272 oder die Haupt-Kühlmittelleitung 270 an eine Kühlmittelleitung 278 anschließbar ist, welche zu dem Kühlmitteleingang 266 des Brennstoffzellenstapels 102 führt.one inside 12 illustrated alternative embodiment of a fuel cell device 100 differs from that in 11 illustrated embodiment in that instead of the junction 274, a two-way valve 276 is provided, by means of which either the bypass coolant line 272 or the main coolant line 270 can be connected to a coolant line 278, which leads to the coolant inlet 266 of the fuel cell stack 102.

In der Kühlmittelleitung 278 ist, stromabwärts von dem Zwei-Wege-Ventil 276, die Kühlmittelpumpe 264 angeordnet.The coolant pump 264 is arranged in the coolant line 278 downstream of the two-way valve 276 .

Die Bypass-Kühlmittelleitung 272 ist über eine Verbindungsleitung 280 mit der Haupt-Kühlmittelleitung 270 verbunden.The bypass coolant line 272 is connected to the main coolant line 270 via a connecting line 280 .

Die Verbindungsleitung 280 ist an einer Anschlussstelle 282, welche stromabwärts von der Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160 und stromaufwärts von dem Zwei-Wege-Ventil 276 angeordnet ist, an die Bypass-Kühlmittelleitung 272 angeschlossen.The connecting line 280 is connected to the bypass coolant line 272 at a connection point 282 which is arranged downstream of the temperature control device 236 of the valve 160 and upstream of the two-way valve 276 .

Ferner ist die Verbindungsleitung 280 an einer Anschlussstelle 284, welche stromabwärts von der Verzweigung 268 und stromaufwärts von dem Kühlmittelreservoir 262 angeordnet ist, an die Haupt-Kühlmittelleitung 270 angeschlossen.Furthermore, the connecting line 280 is connected to the main coolant line 270 at a connection point 284 which is arranged downstream of the branch 268 and upstream of the coolant reservoir 262 .

Bei dieser Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung 100 ist es möglich, das Kühlmittel in einem reduzierten Kühlmittelkreislauf, welcher durch die Bypass-Kühlmittelleitung 272 führt, umlaufen zu lassen, wenn eine hohe Heizleistung der Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160 benötigt wird, weil das Kühlmittel sich in diesem reduzierten Kühlmittelkreislauf schneller aufheizt. Für eine solche schnelle Aufheizung mittels der Temperiervorrichtung 236 wird das Zwei-Wege-Ventil 276 von der (nicht dargestellten) Steuerungsvorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung (100) in die Stellung geschaltet, in welcher die Bypass-Kühlmittelleitung 272 in Fluidverbindung mit der Kühlmittelleitung 278 steht.In this embodiment of the fuel cell device 100, it is possible to circulate the coolant in a reduced coolant circuit, which leads through the bypass coolant line 272, when a high heating output of the temperature control device 236 of the valve 160 is required because the coolant is reduced in it Coolant circuit heats up faster. For such rapid heating by means of the temperature control device 236, the two-way valve 276 is switched by the control device (not shown) of the fuel cell device (100) to the position in which the bypass coolant line 272 is in fluid communication with the coolant line 278.

Wenn der Brennstoffzellenstapel 102 und/oder das Ventil 160 eine Zieltemperatur erreicht hat, wird das Zwei-Wege-Ventil 276 in die in 12 dargestellte Stellung umgeschaltet, in welcher die Haupt-Kühlmittelleitung 270 in Fluidverbindung mit der Kühlmittelleitung 278 steht, so dass das Kühlmittel nunmehr in dem regulären Kühlmittelkreislauf 258 umläuft, welcher das Kühlmittelreservoir 262 enthält.When the fuel cell stack 102 and/or the valve 160 has reached a target temperature, the two-way valve 276 is switched to the in 12 shown position, in which the main coolant line 270 is in fluid communication with the coolant line 278, so that the coolant now circulates in the regular coolant circuit 258, which contains the coolant reservoir 262.

Im Übrigen stimmt die in 12 dargestellte Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 11 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 12 illustrated embodiment of a fuel cell device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 11 illustrated embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Eine in 13 dargestellte Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in 11 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass im Kühlmittelsystem 110 statt der Verzweigung 268 ein Zwei-Wege-Ventil 286 vorgesehen ist, welches eine an den Kühlmittelauslass 260 des Brennstoffzellenstapels 102 angeschlossene Kühlmittelleitung 288 wahlweise mit der durch das Kühlmittelreservoir 262 führenden Haupt-Kühlmittelleitung 270 oder mit der durch die Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160 führenden Bypass-Kühlmittelleitung 272 verbindet.one inside 13 The embodiment of a fuel cell device 100 shown differs from that in FIG 11 illustrated embodiment in that a two-way valve 286 is provided in the coolant system 110 instead of the branch 268, which connects a coolant line 288 connected to the coolant outlet 260 of the fuel cell stack 102 either to the main coolant line 270 leading through the coolant reservoir 262 or to the through the temperature control device 236 of the valve 160 leading bypass coolant line 272 connects.

Stromabwärts von der Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160 ist ein weiteres Zwei-Wege-Ventil 290 vorgesehen, mittels welchem ein an einen Temperierfluidauslass 292 der Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160 angeschlossener Abschnitt 272' der Bypass-Kühlmittelleitung 272 wahlweise mit einem zu der Zusammenführung 274 führenden Abschnitt 272" der Bypass-Kühlmittelleitung 272 oder mit der zu der Anschlussstelle 284 führenden Verbindungsleitung 280 verbindbar ist.A further two-way valve 290 is provided downstream of the temperature control device 236 of the valve 160, by means of which a section 272' of the bypass coolant line 272 connected to a temperature control fluid outlet 292 of the temperature control device 236 of the valve 160 can optionally be connected to a section leading to the junction 274 272" of the bypass coolant line 272 or with the connecting line 280 leading to the connection point 284.

Bei dieser Ausführungsform ist es möglich, das Kühlmittelreservoir 262 vollständig aus dem Strömungsweg des Kühlmittels herauszunehmen, indem die Zwei-Wege-Ventile 286 und 290 so geschaltet werden, dass das erste Zwei-Wege-Ventil 286 die vom Brennstoffzellenstapel 102 kommende Kühlmittelleitung 288 mit der Bypass-Kühlmittelleitung 272 verbindet und das zweite Zwei-Wege-Ventil 290 den von der Temperiervorrichtung 236 kommenden Abschnitt 272' der Bypass-Kühlmittelleitung 272 mit dem zu der Zusammenführung 274 führenden Abschnitt 272" der Bypass-Kühlmittelleitung 272 verbindet.In this embodiment, it is possible to completely remove the coolant reservoir 262 from the coolant flow path by switching the two-way valves 286 and 290 so that the first two-way valve 286 connects the coolant line 288 coming from the fuel cell stack 102 to the bypass coolant line 272 and the second two-way valve 290 connects the section 272' of the bypass coolant line 272 coming from the temperature control device 236 to the section 272" of the bypass coolant line 272 leading to the junction 274.

Ferner ist es bei dieser Ausführungsform möglich, die Temperiervorrichtung 236 des Ventils 160 aus dem Strömungsweg des Kühlmittels herauszunehmen, indem das Zwei-Wege-Ventil 286 so geschaltet wird, dass es die vom Brennstoffzellenstapel 102 kommende Kühlmittelleitung 288 mit der durch das Kühlmittelreservoir 262 führenden Haupt-Kühlmittelleitung 270 verbindet.In this embodiment, it is also possible to remove the temperature control device 236 of the valve 160 from the flow path of the coolant by switching the two-way valve 286 in such a way that the coolant line 288 coming from the fuel cell stack 102 is connected to the main line leading through the coolant reservoir 262 - Coolant line 270 connects.

Im Übrigen stimmt die in 13 dargestellte Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau, Funktion und Herstellungsweise mit der in 11 dargestellten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.Incidentally, the in 13 illustrated embodiment of a fuel cell device 100 in terms of structure, function and manufacturing method with the in 11 illustrated embodiment match, to the above description reference is made to that extent.

Claims (16)

Ventil zum Ausbringen eines Fluids aus einem Fluidsystem (104) einer Brennstoffzellenvorrichtung (100), umfassend einen Ventilsitz (174), einen Ventilkörper (182) und eine Austrags-Bewegungsvorrichtung (198) zum Bewegen des Ventilkörpers (182) von einer Schließstellung in eine Offenstellung in Abhängigkeit von einer Ansteuerung durch eine Steuervorrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung (100), dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (160) ferner eine Überdruck-Öffnungsvorrichtung (216) umfasst, welche den Ventilkörper (182) in der Schließstellung hält, solange ein Druck auf einer Einlassseite des Ventils (160) einen vorgegebenen Schwellendruck nicht erreicht, und welche ein Wegbewegen des Ventilkörpers (182) von dem Ventilsitz (174) zulässt, wenn der Druck auf der Einlassseite des Ventils (160) den Schwellendruck erreicht.Valve for discharging a fluid from a fluid system (104) of a fuel cell device (100), comprising a valve seat (174), a valve body (182) and a discharge moving device (198) for moving the valve body (182) from a closed position to an open position depending on activation by a control device of the fuel cell device (100), characterized in that the valve (160) further comprises an overpressure opening device (216) which holds the valve body (182) in the closed position as long as there is pressure on an inlet side of the valve (160) does not reach a predetermined threshold pressure and allowing the valve body (182) to move away from the valve seat (174) when the pressure on the inlet side of the valve (160) reaches the threshold pressure. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überdruck-Öffnungsvorrichtung (216) mindestens ein elastisches Element (206) umfasst, durch welches der Ventilkörper (182) mittels einer Vorspannkraft in die Schließstellung vorgespannt wird.valve after claim 1 , characterized in that the overpressure opening device (216) comprises at least one elastic element (206), through which the valve body (182) is biased into the closed position by means of a biasing force. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannkraft des elastischen Elements (206) und eine von dem Fluid auf der Einlassseite des Ventils (160) auf den Ventilkörper (182) ausgeübte Druckkraft einander entgegengesetzt auf den Ventilkörper (182) wirken.valve after claim 2 , characterized in that the biasing force of the elastic element (206) and a compressive force exerted by the fluid on the inlet side of the valve (160) on the valve body (182) act in opposite directions on the valve body (182). Ventil nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (206) ein Federelement (208) umfasst.valve after one of claims 2 or 3 , characterized in that the elastic element (206) comprises a spring element (208). Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrags-Bewegungsvorrichtung (198) einen elektromagnetischen Aktuator (218) umfasst.valve after one of Claims 1 until 4 , characterized in that the discharge movement device (198) comprises an electromagnetic actuator (218). Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (160) eine Temperiervorrichtung (236) umfasst.valve after one of Claims 1 until 5 , characterized in that the valve (160) comprises a temperature control device (236). Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiervorrichtung (236) einen Strömungspfad (238) umfasst, durch welchen ein Temperierfluid durch das Ventil (160) hindurch leitbar ist.valve after claim 6 , characterized in that the temperature control device (236) comprises a flow path (238) through which a temperature control fluid can be guided through the valve (160). Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (238) mindestens einen Temperierfluidkanal (242) umfasst, welcher in einem Ventilgehäuse (228) des Ventils (160) angeordnet ist.valve after claim 7 , characterized in that the flow path (238) comprises at least one tempering fluid channel (242) which is arranged in a valve housing (228) of the valve (160). Ventil nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (160) eine Ventilkammer (234) umfasst, welche auf einer der Einlassseite des Ventils (160) abgewandten Seite des Ventilkörpers (182) angeordnet ist.valve after one of Claims 7 or 8th , characterized in that the valve (160) comprises a valve chamber (234) which is arranged on a side of the valve body (182) remote from the inlet side of the valve (160). Ventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilkammer (234) von dem Temperierfluid durchströmbar ist.valve after claim 9 , characterized in that the valve chamber (234) can be flowed through by the tempering fluid. Ventil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (238) einen Ringkanal (254) umfasst, welcher einen Bestandteil der Austrags-Bewegungsvorrichtung (198) umgibt.valve after one of Claims 7 until 10 , characterized in that the flow path (238) comprises an annular channel (254) which surrounds a component of the discharge moving device (198). Brennstoffzellenvorrichtung, umfassend mindestens einen Brennstoffzellenstapel (102), mindestens ein Fluidsystem (104) und mindestens ein Ventil (160) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.Fuel cell device, comprising at least one fuel cell stack (102), at least one fluid system (104) and at least one valve (160) according to one of Claims 1 until 11 . Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidsystem (104) ein Anodengas-Fluidsystem (106) ist.Fuel cell device according to claim 12 , characterized in that the fluid system (104) is an anode gas fluid system (106). Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (160) eine Temperiervorrichtung (236) umfasst, welche einen Strömungspfad (238) umfasst, durch welchen ein Kühlmittel der Brennstoffzellenvorrichtung (100) durch das Ventil (160) leitbar ist.Fuel cell device according to one of Claims 12 or 13 , characterized in that the valve (160) comprises a temperature control device (236) which comprises a flow path (238) through which a coolant of the fuel cell device (100) can be conducted through the valve (160). Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (100) eine Haupt-Kühlmittelleitung (270) umfasst, in welcher ein Kühlmittelreservoir (262) angeordnet, ist, und eine Bypass-Kühlmittelleitung (272) umfasst, in welcher das Ventil (160) angeordnet ist.Fuel cell device according to Claim 14 , characterized in that the fuel cell device (100) comprises a main coolant line (270) in which a coolant reservoir (262) is arranged, and a bypass coolant line (272) in which the valve (160) is arranged. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (100) eine Ventilanordnung umfasst, mittels welcher das Kühlmittel an dem Kühlmittelreservoir (262) vorbei leitbar ist.Fuel cell device according to claim 15 , characterized in that the fuel cell device (100) comprises a valve arrangement by means of which the coolant to the coolant reservoir (262) can be guided past.
DE102021119848.8A 2021-07-30 2021-07-30 Valve for discharging a fluid from a fluid system of a fuel cell device and fuel cell device Pending DE102021119848A1 (en)

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