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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und Ventil für ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Schicht auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs.
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Typischerweise wird der Anode der Brennstoffzelle kontinuierlich gasförmiger Brennstoff im Überschuss zugeführt, das heißt, mehr Brennstoff, als bei einer gegebenen Zufuhrmenge an Sauerstoff an die Kathode stöchiometrisch notwendig wäre. Der Brennstoffüberschuss wird in der Regel rezirkuliert bzw. der Anode erneut zugeführt. Hierbei ist in einer Zufuhrleitung, durch welche der Brennstoffzelle Brennstoff zugeführt wird, in der Regel eine Saugstrahlpumpe vorgesehen, deren Saugeingang Eingang mit einer mit einem Brennstoffauslass der Brennstoffzelle verbundenen Rezirkulationsleitung verbunden ist. Eine Treibdüse der Rezirkulationsleitung ist hierbei mit einer Brennstoffquelle verbunden, wobei zwischen der Brennstoffquelle und der Saugstrahlpumpe üblicherweise ein Absperrventil und ein Durchflussregelventil vorgesehen sind, um einen Brennstoffmassenstrom zu variieren, welcher der Saugstrahlpumpe durch die Treibdüse zugeführt wird.
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Ein Absperrventil für ein Brennstoffzellensystem ist beispielsweise in der
JP 4398349 B2 offenbart.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgesehen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Ventil für ein Brennstoffzellensystem ein Ventilgehäuse, welches einen Innenraum definiert, mit einem in den Innenraum mündenden Zulauf zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff in den Innenraum und einem aus dem Innenraum ausmündenden Ablauf zum Abführen des Brennstoffs, welcher sich entlang einer Längsachse erstreckt und einen sich entlang der Längsachse weitenden Diffusorabschnitt aufweist, und einen in dem Innenraum angeordneten Ventilkörper, der zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventilkörper den Ablauf gasdicht verschließt, und zumindest einer Öffnungsstellung bewegbar ist, in welcher der Ventilkörper den Ablauf freigibt, wobei der Ventilkörper insbesondere entlang der Längsachse bewegbar sein kann.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzellenanordnung mit zumindest einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffeinlass und einem Brennstoffauslass, eine Zufuhrleitung, welche mit dem Brennstoffeinlass verbunden ist, und ein Ventil nach dem ersten Aspekt der Erfindung, welches in der Zufuhrleitung angeordnet ist.
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Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ein beispielsweise als Absperrventil oder Durchflussregelventil in einer Zufuhrleitung eines Brennstoffzellensystems angeordnetes Ventil mit einem Auslass oder Ablauf zu versehen, welcher zumindest abschnittsweise als Diffusor ausgebildet ist. Das heißt, ein Ablaufkanal, durch welches Gas aus dem Ventil ausströmt, weist einen sich in Strömungsrichtung bzw. entlang einer Längsachse des Ablaufs vergrößernden Strömungsquerschnitt oder Durchmesser auf. Wenn der Ventilkörper in der Öffnungsstellung angeordnet ist, wird eine Fluidströmung vom Zulauf in den Innenraum und von diesem durch den Ablauf ermöglicht, wobei aufgrund des Diffusorabschnitts der statische Druck in der Fluidströmung vergrößert wird.
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Es ist daher ein Vorteil des erfindungsgemäßen Ventils, dass durch den Diffusorabschnitt Druckverluste in der Gasströmung zumindest teilweise kompensiert werden können, die z.B. an stromaufwärts des Ventils gelegenen hydraulischen Komponenten aufgetreten sind. Dies erleichtert es, stromabwärts des Ventils gelegenen Komponenten, insbesondere der Brennstoffzelle und gegebenenfalls einer Saugstrahlpumpe, Brennstoff bei einem definierten Druck zuzuführen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Ablauf als ein Kanal ausgebildet ist, der sich zwischen einer dem Innenraum zugewandten ersten Öffnung und einer an einer Außenfläche des Ventilgehäuses ausgebildeten zweiten Öffnung erstreckt, und wobei der Diffusorabschnitt im Bereich der zweiten Öffnung endet. Insbesondere kann der Diffusorabschnitt an der zweiten Öffnung enden. In diesem Fall bildet entspricht ein Austrittsquerschnitt des Diffusorabschnitts dem Querschnitt der zweiten Öffnung. Diese Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass dadurch Druckverluste innerhalb des Ablaufkanals weiter reduziert werden. Unabhängig von der Anordnung des Diffusorabschnitts innerhalb des Ablaufs kann der Ablauf als Kanal ausgebildet sein, der sich zwischen einer dem Innenraum zugewandten ersten Öffnung und einer an einer Außenfläche des Ventilgehäuses ausgebildeten zweiten Öffnung entlang der Längsachse erstreckt. Der Zulauf kann ebenfalls als Kanal oder allgemein als ein Durchbruch ausgebildet sein, der sich zwischen der Außenfläche des Gehäuses und einer dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Innenfläche erstreckt, z.B. entlang einer quer zur Längsachse verlaufenden radialen Richtung.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Ablauf einen ersten Abschnitt aufweist, welcher sich von der ersten Öffnung aus erstreckt und einen konstanten ersten Strömungsquerschnitt aufweist, und wobei der Diffusorabschnitt sich entlang der Längsachse an den ersten Abschnitt anschließt. Der erste Abschnitt insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Ein Vorteil des ersten Abschnitts mit konstantem Strömungsquerschnitt liegt darin, dass dadurch der Umfang des ersten Abschnitts und ein die erste Öffnung umgebender Bereich des Gehäuses im Wesentlichen rechtwinklig aufeinander stehend ausgebildet sein können, was Druckverluste beim Ausströmen des Brennstoffs aus dem Innenraum des Gehäuses vorteilhaft verringert.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt eine Länge entlang der Längsachse aufweist, welche in einem Bereich zwischen dem 1,5-fachen und dem 2,5-fachen des ersten Strömungsquerschnitts liegt. Damit kann der erste Abschnitt relativ kurz gestaltet sein, wodurch das Ventil vorteilhaft kompakter gestaltet werden kann.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Diffusorabschnitt sich entlang der Längsachse von einem Eingangsströmungsquerschnitt auf einen Ausgangsströmungsquerschnitt aufweitet, und wobei zumindest eine der folgenden geometrischen Bedingungen erfüllt ist: a) der Ausgangsströmungsquerschnitt liegt in einem Bereich zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen des Eingangsströmungsquerschnitt, b) der Diffusorabschnitt weist eine Länge entlang der Längsachse auf, welche in einem Bereich zwischen dem 2,5-fachen und dem 5-fachen des Eingangsströmungsquerschnitts liegt. Durch die Bedingung a) wird eine moderate Aufweitung des Strömungsquerschnitts des Diffusorabschnitts definiert, insbesondere in Kombination mit der Bedingung b). Dies ist vorteilhaft, um die Effizienz der Drucksteigerung, die durch den Diffusorabschnitt erzielt wird, weiter zu verbessern. Besonders vorteilhaft haben sie die durch die Bedingungen a) und b) definierten Geometrien für Druckbereich zwischen 15 bar und 25 bar erwiesen.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Ventil einen kinematisch an den Ventilkörper gekoppelten Aktuator zum Bewegen des Ventilkörpers zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung aufweist, wobei der Aktuator dazu eingerichtet ist, den Ventilkörper zwischen der Schließstellung und genau einer weiteren Öffnungsstellung zu bewegen, oder den Ventilkörper zwischen der Schließstellung und einer Vielzahl von weiteren Öffnungsstellungen zu bewegen, in denen jeweils verschiedene Strömungsquerschnitte zwischen dem Ventilkörper und einem den Ablauf umgebenden Ventilsitzbereich des Gehäuses ausgebildet sind. Eine lichte Weite zwischen dem Ventilsitzbereich, also einem Bereich, welcher eine Öffnung umgibt, an der der Ablauf aus dem Innenraum ausmündet, und dem Ventilkörper kann somit auf genau einen Wert in der Öffnungsstellung eingestellt werden, z.B. um das Ventil zu öffnen oder in der Schließstellung zu schließen. Alternativ ist auch denkbar, dass die lichte Weite zwischen dem Ventilsitzbereich und dem Ventilkörper eine Vielzahl von Werten annehmen kann, z.B. um eine Durchflussmenge an Gas zu variieren. Hierbei kann das Einstellen einer Vielzahl diskreter Werte für die lichte Weite oder ein stufenloses Einstellen der lichten Weite möglich sein.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Aktuator einen mit dem Ventilkörper verbundenen Anker aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material und eine Spule aufweist, welche den Anker umschließt und dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, um den Anker zu bewegen, insbesondere entlang der Längsachse.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine in der Zufuhrleitung angeordnete Saugstrahlpumpe, welche eine Treibdüse zur Verbindung mit einer Brennstoffquelle und einen Saugeingang aufweist, und einer Rezirkulationsleitung aufweist, welche den Brennstoffauslass mit dem Saugeingang der Saugstrahlpumpe verbindet, wobei das Ventil stromaufwärts der Saugstrahlpumpe, insbesondere stromaufwärts der Treibdüse angeordnet ist. Durch den Diffusorabschnitt des Ventils können bei der Durchströmung des Ventils auftretende Druckverluste verringert werden, was einen effizienten Betrieb der Saugstrahlpumpe erleichtert
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass ein Absperrventil und/oder ein Durchflussregelventil in der Zufuhrleitung angeordnet ist, und wobei das Absperrventil und/oder das Durchflussregelventil durch das Ventil nach einer der voranstehenden Ausführungsformen ausgebildet ist. Ein Vorteil, das Absperrventil und/oder das Durchflussregelventil in der voranstehend beschriebenen Weise auszuführen besteht darin, dass jeweils eine Druckrückgewinnung möglicherweise am Ablauf des Ventils auftretender Verluste stattfindet, so dass die beim Durchströmen auftretenden Druckverluste vorteilhaft verringert werden.
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Hierin kann unter einem „Strömungsquerschnitt“ insbesondere ein Durchmesser verstanden werden, wobei im Falle eines nicht kreisförmigen Querschnitts der Durchmesser dem eines Kreises entspricht, welcher denselben Flächeninhalt aufweist, wie der nicht kreisförmige Querschnitt.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbilds eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Schnittansicht eines Ventils für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 3 eine vergrößerte Teilansicht des in 2 gezeigten Ventils.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt rein schematisch ein hydraulisches Schaltbild eines Brennstoffzellensystems 200. Das Brennstoffzellensystem 200 weit eine Brennstoffzellenanordnung 201, eine Zufuhrleitung 202, ein Absperrventil 100A und/oder ein Durchflussregelventil 100B auf. Optional kann das Brennstoffzellensystem 200 ferner eine Steuerungsvorrichtung 230 umfassen. Wie in 1 weiterhin dargestellt, können ebenso optional eine Rezirkulationsleitung 203 und eine Saugstrahlpumpe 220 vorgesehen sein. Eine in 1 symbolisch dargestellte Brennstoffquelle S, z.B. in Form eines Tanks, kann ebenfalls Teil des Brennstoffzellensystems 200 sein.
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Die Brennstoffzellenanordnung 201 ist in 1 lediglich schematisch dargestellt und weist zumindest eine Brennstoffzelle 210 auf. Beispielsweise kann die Brennstoffzellenanordnung 201 einen Brennstoffzellenstapel oder Stack aufweisen, in dem eine Vielzahl von Brennstoffzellen 201 elektrisch in Serie geschalten sind. Wie in 1 symbolisch dargestellt, weist die Brennstoffzelle 210 eine Anode 210A, eine Kathode 210B und eine zwischen Anode 210A und Kathode 210B angeordnete Elektrolytschicht 210C, z.B. in Form einer Membrane auf. Wie in 1 weiterhin gezeigt, weist die Brennstoffzellenanordnung 201 einen Brennstoffeinlass 211, über welchen der oder den Brennstoffzellen 210 Brennstoff, z.B. Wasserstoff, aus der Brennstoffquelle S an die Anode 210A zugeführt werden kann, und einen Brennstoffauslass 212 auf, über welchen nicht reagierter Brennstoff von der Anode 210A abgeführt werden kann. In gleicher Weise kann die Brennstoffzellenanordnung 201 einen Sauerstoffeinlass (nicht gezeigt), über welchen der oder den Brennstoffzellen 210 Sauerstoff, z.B. aus der Umgebungsluft, an die Kathode 210B zugeführt werden kann, und einen Sauerstoffauslass (nicht gezeigt) aufweisen, über welchen die Reaktionsprodukte von der Kathode 210B abgeführt werden können. Die zumindest eine Brennstoffzelle 210 ist somit dazu eingerichtet, die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln.
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Wie in 1 weiterhin schematisch dargestellt, ist die Zufuhrleitung 202 mit dem Brennstoffeinlass 211 fluidisch leitend verbunden. Ferner kann die Zufuhrleitung 202 mit der Brennstoffquelle S verbunden sein oder einen Anschluss 202A zur Verbindung mit der Brennstoffquelle S aufweisen. Wie in 1 beispielhaft gezeigt, können in der Zufuhrleitung 202 ein Absperrventil 100A und ein Durchflussregelventil 100B nacheinander bzw. hydraulisch in Serie geschaltet angeordnet sein. Grundsätzlich ist aber auch denkbar lediglich eines der beiden Ventile 100A, 100B vorzusehen. Wie in 1 ferner dargestellt, kann das Absperrventil 100A gegebenenfalls zwischen dem Durchflussregelventil 100B und dem Anschluss 202A angeordnet sein.
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Das Durchflussregelventil 100B ist dazu ausgebildet, einen Durchfluss oder einen Massenstrom an Brennstoff durch die Zufuhrleitung 202 zu variieren. Beispielsweise kann das Durchflussregelventil 100B signalleitend mit der Steuerungsvorrichtung 230 verbunden sein, wobei die Steuerungsvorrichtung 230 dazu eingerichtet sein kann, ein Stellsignal zu erzeugen, welches das Durchflussregelventil 100B dazu veranlasst, seinen Öffnungs- oder Schließzustand zu verändern. Die Steuerungsvorrichtung 230 kann hierzu beispielsweise mit einem Drucksensor 206, welcher einen Druck des Brennstoffs an einer Stelle stromabwärts zwischen dem Durchflussregelventil 100B und dem Brennstoffeinlass 211 der Brennstoffzellenanordnung 201, insbesondere am Brennstoffeinlass 211 erfasst, signalverbunden und dazu eingerichtet sein, das Stellsignal basierend auf dem erfassten Druck zu erzeugen. Die Steuerungsvorrichtung 230 kann insbesondere eine elektronische Steuerungsvorrichtung sein und kann beispielsweise einen Prozessor, wie z.B. eine CPU, einen ASIC, einen FPGA oder dergleichen, und einen nicht flüchtigen Datenspeicher, wie z.B. eine Festplatte, einen Flash-Speicher oder dergleichen aufweisen.
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Das Absperrventil 100A kann insbesondere zwischen einer Schließstellung, in welcher das Absperrventil 100A die Zufuhrleitung 202 fluiddicht abschließt und somit keinen Brennstoffmassenstrom durch die Zufuhrleitung 202 zulässt, und einer Öffnungsstellung schaltbar sein, in welcher das Absperrventil 100A eine Fluidmassenstrom vom Anschluss 202A zum Brennstoffeinlass 211 zulässt. Das Absperrventil 100A kann ebenfalls mit der Steuerungsvorrichtung 230 verbunden und durch ein von dieser erzeugtes Steuersignal schaltbar sein.
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Optional kann außerdem ein Druckregulator 208 zwischen dem Anschluss 202A und dem Durchflussregelventil 100B, insbesondere zwischen dem Absperrventil 100A und dem Anschluss 202A angeordnet sein. Der Druckregulator 208 ist dazu ausgebildet, den Druck, mit dem die Brennstoffquelle S den gasförmigen Brennstoff bereitstellt, zu reduzieren. Beispielsweise kann der Brennstoff bei einem Druck im Bereich von 700 bar in der Brennstoffzelle S gespeichert sein, wobei der Druckregulator 208 den Druck des Brennstoffs auf einen vorbestimmten Wert reduziert, z.B. auf einem Wert in einem Bereich zwischen 15 bar und 25 bar.
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Die optionale Saugstrahlpumpe 220 kann insbesondere zwischen dem Durchflussregelventil 100B und dem Brennstoffeinlass 211 der Brennstoffzellenanordnung 201 in der Zufuhrleitung 202 angeordnet sein, wie dies in 1 beispielhaft gezeigt ist. Wie in 1 schematisch dargestellt, weist die Saugstrahlpumpe 220 eine Treibdüse 221 und einen Saugeingang 222 auf. Die Treibdüse 221 ist mit einem vom Anschluss 202A kommenden Abschnitt der Zufuhrleitung 202 verbunden und erhält somit einen Brennstoffmassenstrom, der bei hohem Druck, z.B. in einem Bereich zwischen 15 bar und 25 bar vorliegt. Der Saugeingang 222 der Saugstrahlpumpe 220 ist durch die Rezirkulationsleitung 203 mit dem Brennstoffauslass 212 der Brennstoffzellenanordnung 201 verbunden. Somit saugt die Saugstrahlpumpe 220 über die Rezirkulationsleitung 203 nicht reagierter Brennstoff aufgrund des Entrainmenteffekts der Treibdüse 221 vom Brennstoffauslass 212 an. Wie in 1 ferner gezeigt ist, kann optional ein Rezirkulationsgebläse 204 zwischen dem Brennstoffauslass 212 und dem Saugeingang 222 der Saugstrahlpumpe 220 in der Rezirkulationsleitung 203 angeordnet sein, um den Transport von Brennstoff zu dem Saugeingang 222 hin zu erleichtern. Ferner kann ein Wasserabscheider 205 zwischen der zwischen dem Brennstoffauslass 212 und dem Saugeingang 222 der Saugstrahlpumpe 220, insbesondere zwischen dem Brennstoffauslass 212 und dem Rezirkulationsgebläse 204 in der Rezirkulationsleitung 203 angeordnet sein, wie in 1 schematisch dargestellt. Der Wasserabscheider 205 ist dazu ausgebildet, Wasser, das in dem nicht reagierten Brennstoff enthalten sein kann, abzuscheiden.
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In 2 ist beispielhaft ein Ventil 100 dargestellt. 3 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des in 2 gezeigten Ventils 100. Das in den 2 und 3 gezeigte Ventil 100 kann z.B. als Durchflussregelventil 100B und/oder als Absperrventil 100A in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 200 eingebaut sein. Wie in 2 schematisch dargestellt, umfasst das Ventil 100 ein Ventilgehäuse 1, einen Ventilkörper 2 und einen Aktuator 3.
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Das Ventilgehäuse 1 kann beispielsweise ein erstes Gehäuseteil 110 und ein zweites Gehäuseteil 120 aufweisen. Wie in 2 schematisch dargestellt, kann das erste Gehäuseteil 110 eine Basisplatte 111 und einen sich von der Basisplatte 111 erstreckenden Hülsenkörper 112 aufweisen, welcher eine sich quer zur Basisplatte 111 erstreckende Hülsenlängsachse L112 definiert. Das zweite Gehäuseteil 120 kann beispielsweise ein blockförmiges Teil sein, welches in einen abgewandt von der Basisplatte 111 gelegenen Ende der Hülsenkörpers 112 angeordnet und mit diesem verbunden ist. Beispielsweise kann das zweite Gehäuseteil 120 zumindest teilweise in eine Öffnung 113 des Hülsenkörpers 112 eingesetzt sein, welche abgewandt von der Basisplatte 111 gelegen ist, wie dies in 2 beispielhaft gezeigt ist. Das erste Gehäuseteil 110 und das zweite Gehäuseteil 120 umgrenzen somit einen Innenraum 10. Das Ventilgehäuse 1 ist nicht auf die gezeigte Gestaltung begrenzt, sondern definiert allgemein einen Innenraum 10.
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Wie in 2 ferner gezeigt, weist das Gehäuse 1 einen in den Innenraum 10 mündenden Zulauf 11 und einen Ablauf 12 auf, welcher eine fluidisch leitende Verbindung zwischen dem Innenraum 10 und einer Außenseite des Gehäuses 1 bzw. der Umgebung herstellt. Der Zulauf 11 kann beispielsweise als eine sich zwischen einer dem Innenraum 10 zugewandten Innenfläche und einer Außenfläche des Hülsenkörpers 112 angeordnet sein, welche sich entlang einer senkrecht auf die Hülsenlängsachse L112 stehenden Hülsenradialrichtung R112 erstreckt. Die Außenfläche des Hülsenkörpers 112 ist Teil einer Außenfläche 1a des Gehäuses 1. Der Ablauf 12 kann als ein Kanal ausgebildet sein, der sich entlang einer Längsachse L1 zwischen einer dem Innenraum 10 zugewandten ersten Öffnung 13 des Gehäuses 1 und einer zweiten Öffnung 14 des Gehäuses 1 erstreckt. Die Längsachse L1 des Ablaufs oder Auslasses 12 kann optional parallel zur Hülsenlängsachse L112 und insbesondere koaxial zu der Hülsenlängsachse L112 verlaufen, wie dies in 2 beispielhaft gezeigt ist. Wie in 2 beispielhaft dargestellt, kann der Ablauf 12 insbesondere in dem zweiten Gehäuseteil 120 ausgebildet sein, wobei die erste Öffnung 13 an einer der Basisplatte 111 zugewandten ersten Stirnfläche 120i des zweiten Gehäuseteils 120 und die zweite Öffnung 14 an einer entgegengesetzt zu dieser angeordneten zweiten Stirnfläche 120a des zweiten Gehäuseteils 120 ausgebildet ist, welche Teil der Außenfläche 1a des Gehäuses 1 ist.
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Wie in 2 schematisch dargestellt, weist der Ablauf 12 einen Diffusorabschnitt 12B und optional zusätzlich einen ersten Abschnitt 12A auf. Der erste Abschnitt 12A kann sich insbesondere von der ersten Öffnung 13 aus über eine Länge I11 entlang der Längsachse L1 erstrecken und weist einen konstanten Durchmesser oder Strömungsquerschnitt d11 auf, z.B. einen kreisförmigen Querschnitt. Die eine Länge I11 des ersten Abschnitts 12A des Ablaufs 12 kann beispielsweise in einem Bereich zwischen dem 1,5-fachen und dem 2,5-fachen des ersten Strömungsquerschnitts d11 liegen.
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Wie in 2 ferner schematisch dargestellt ist, weist der Diffusorabschnitt 12B einen entlang der Längsachse L1 in Richtung der zweiten Öffnung 14 größer werdenden Strömungsquerschnitt auf. Insbesondere weitet sich der Diffusorabschnitt 12B sich entlang der Längsachse L1 von einem Eingangsströmungsquerschnitt d21 auf einen Ausgangsströmungsquerschnitt d22 auf und weist eine Länge 121 entlang der Längsachse L1 auf. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Ausgangsströmungsquerschnitt d22 in einem Bereich zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen des Eingangsströmungsquerschnitts d21 liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Länge 121 des Diffusorabschnitts 12B in einem Bereich zwischen dem 2,5-fachen und dem 5-fachen des Eingangsströmungsquerschnitts d21 liegen.
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Wie in 2 beispielhaft gezeigt, schließt sich der Diffusorabschnitt 12B in Bezug auf die Längsachse L1 gegebenenfalls an den ersten Abschnitt 12A an bzw. erstreckt sich von dem ersten Abschnitt 12A aus. Alternativ kann der Diffusorabschnitt 12B sich auch direkt von der ersten Öffnung 13 aus erstrecken. Wie in 2 weiterhin dargestellt ist, kann optional vorgesehen sein, dass der Diffusorabschnitt 12A an der zweiten Öffnung 14 endet. Es ist aber auch denkbar, dass der Diffusorabschnitt 12A in einem gewissen Abstand von der zweiten Öffnung 14 endet und zwischen dem Ende des Diffusorabschnitts 12A und der zweiten Öffnung 14 ein zweiter Abschnitt mit konstantem Strömungsquerschnitt vorgesehen ist. Allgemein kann der Diffusorabschnitt 12B im Bereich der zweiten Öffnung 14 enden.
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Der Zulauf 11 ist zur Verbindung mit einem von der Brennstoffquelle S kommenden bzw. mit einem dem Anschluss 202A zugewandten Abschnitt der Zufuhrleitung 202 ausgebildet. Der Ablauf 12 zur Verbindung mit einem dem Brennstoffeinlass 211 der Brennstoffzellenanordnung 201 verbundenen Abschnitt der Zufuhrleitung 202 ausgebildet. Somit kann gasförmiger Brennstoff über den Zulauf 11 in den Innenraum 10 des Gehäuses 1 und durch den Ablauf 12 aus diesem herausgeleitet werden.
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Der Ventilkörper 2 ist in 2 lediglich schematisch dargestellt und weist einen Verschlusskörper 20 zum gasdichten Abdecken oder Verschließen der ersten Öffnung 13 oder allgemein des Ablaufs 12 auf. Optional kann an einer dem Ablauf 12 zugewandten Stirnfläche des Verschlusskörpers 20 eine Elastomerbeschichtung 21 vorgesehen sein. In den 2 und 3 ist der Ventilkörper 2 jeweils in einer Schließstellung dargestellt, in welcher dieser den Ablauf 12 gasdicht verschließt. Wie in den 2 und 3 schematisch dargestellt liegt der Ventilkörper 2 in der Schließstellung an einem die erste Öffnung 13 umgebenden Ventilsitz 15 an. Der Ventilsitz 15 ist durch den die erste Öffnung 13 umgebenden Oberflächenbereich definiert, welcher z.B. durch einen Teil der ersten Stirnfläche 120i des ersten Gehäuseteils 120 gebildet sein kann. Wie in 3 beispielhaft dargestellt, kann der Ventilsitz 15 optional eine Dichtkante 16 aufweisen, welche z.B. durch einen durch die erste Stirnfläche 120i ausgebildeten, die erste Öffnung 13 umschließenden Vorsprung ausgebildet sein kann. Der Ventilkörper 2 ist zwischen der Schließstellung und zumindest einer Öffnungsstellung bewegbar ist, in welcher der Ventilkörper 2 den Ablauf 12 bzw. die erste Öffnung 13 freigibt.
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Der Ventilkörper 2 kann beispielsweise mithilfe des Aktuators 3 zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung bewegt werden. Wie in 2 schematisch dargestellt, kann der Aktuator 3 insbesondere einen Anker 30 aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material und eine Leiterspule 31 aufweisen.
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Der Anker 30 ist mit dem Ventilkörper 2 verbunden. Beispielsweise kann eine Betätigungsstange 32 vorgesehen sein, welche sich zwischen einem ersten Ende 31A und einem zweiten Ende 32B erstreckt. Wie in 2 schematisch dargestellt, kann die Betätigungsstange 32 sich durch eine im Gehäuse 1 ausgebildete Öffnung, z.B. eine in der Basisplatte 111 des ersten Gehäuseteils 110 ausgebildete Öffnung 114 hindurch erstrecken in den Innenraum 10 hinein, optional entlang der Hülsenlängsachs L112 und/oder entlang der Längsachse L1 des Ablaufs 12. Wie in 2 beispielhaft dargestellt, kann der Ventilkörper 2 an dem ersten Ende 32A der Betätigungsstange 32 befestigt sein, und der Anker 30 kann in einem zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 32A, 32B gelegenen Bereich mit der Betätigungsstange 32 verbunden sein, insbesondere in einem Bereich, der außerhalb des Innenraums 10 des Gehäuses 1 gelegen ist.
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Die Spule 31 umschließt den Anker 30 in Bezug auf die Hülsenradialrichtung R112 oder in Bezug auf eine senkrecht zur Längsachse L1 verlaufende radiale Richtung R1. Die Spule 31 kann mechanisch mit dem Gehäuse 1 verbunden sein. Beispielsweise kann ein Aktuatorgehäuse 38 vorgesehen sein, in welchem die Spule 31 aufgenommen ist und das an dem Gehäuse 1 befestigt ist, insbesondere an dem ersten Gehäuseteil 110. Wie in 2 schematisch dargestellt, kann das erste Gehäuseteil 110 einen Befestigungsabschnitt 115 aufweisen, der auf einer entgegengesetzt zu dem Hülsenkörper 112 gelegenen Seite der Basisplatte 111 von dieser vorsteht und in einen Bereich zwischen Spule 31 und Anker 30 hineinragt, wie dies in 2 schematisch und rein beispielhaft dargestellt ist. Es wäre auch denkbar, die Spule 31 alternativ oder zusätzlich zu der Befestigung des Aktuatorgehäuses 31 an dem Befestigungsabschnitt 115 zu fixieren. Allgemein kann die Spule 31 ortsfest in Bezug auf das Gehäuse 1 angeordnet sein. Wenn die Spule 31 von einem elektrischen Strom durchflossen wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, welches eine Kraft auf den Anker ausübt und diesen bewegt, insbesondere entlang der Längsachse L1 bzw. L112, so dass der Ventilkörper 2 von der ersten Öffnung 13 abgehoben wird.
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Es ist denkbar, dass die Spule 31 derart bestromt wird, dass der Aktuator 3 dazu eingerichtet ist, den Ventilkörper 2 zwischen der Schließstellung und genau einer weiteren Öffnungsstellung zu bewegen. Alternativ ist denkbar, dass der Aktuator dazu eingerichtet ist, den Ventilkörper 2 zwischen der Schließstellung und einer Vielzahl von weiteren Öffnungsstellungen zu bewegen, in denen jeweils verschiedene Strömungsquerschnitte bzw. lichte Weiten zwischen dem Ventilkörper 2 und dem Ventilsitz 15 ausgebildet sind, um den Brennstoffmassenstrom durch den Ablauf 12 in Stufen oder stufenlos zu variieren.
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Wie in 2 ferner dargestellt, kann der Ventilkörper 2 mittels einer Vorspanneinrichtung 33 in die Schließstellung vorgespannt sein. Beispielsweise kann die Vorspanneinrichtung 33 sich am zweiten Ende 32B der Betätigungsstange 32, insbesondere über eine Stützplatte 34, und an einer in Bezug auf das Gehäuse 1 ortsfesten Halterung 35 abstützen. Wie dies in 2 beispielhaft gezeigt ist, kann die Halterung 35 z.B. als block- oder plattenförmiges Teil ausgebildet sein, welches in einer Öffnung einer Trägerhülse 37 befestigt ist. Die Trägerhülse 37 kann die Längsachse L1 bzw. L112 umschließen und durch eine Klammereinrichtung 36 ortsfest mit dem Gehäuse 1, insbesondere mit dem Befestigungsabschnitt 115 des ersten Gehäuseteils 110 fest verbunden sein.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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