DE102021209884A1 - Valve module for a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Ventilmodul für eine Brennstoffzellenanordnung sowie eine Brennstoffzellenanordnung mit einem solchen Ventilmodul. In dem Ventilmodul ist ein Absperrventil und ein Regelventil in einem gemeinsamen Materialblock vorgesehen. Für eine einfache Fertigung einer solchen Komponente ist es vorgesehen, die Zuläufe der Ventile radial und die Abläufe axial anzuordnen. Alle Ausnehmungen für die Ventilkomponenten sowie die Strömungskanäle für Zuläufe und Abströmungen können auf einfache Weise mittels Bohrungen o.ä. realisiert werden.Valve module for a fuel cell assembly and a fuel cell assembly with such a valve module. In the valve module, a shut-off valve and a control valve are provided in a common block of material. For a simple production of such a component, provision is made for the inlets of the valves to be arranged radially and the outlets axially. All recesses for the valve components as well as the flow channels for inlets and outlets can be implemented in a simple manner by means of bores or the like.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventilmodul für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Ventilmodul.The present invention relates to a valve module for a fuel cell system and a fuel cell system with such a valve module.
Stand der TechnikState of the art
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 Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs. Dabei entsteht auf der Kathodenseite Wasser.Fuel cells are increasingly used as energy converters, including in vehicles, to convert chemical energy stored in a fuel, such as hydrogen, directly into electrical energy together with oxygen. Fuel cells typically have an anode, a cathode, and an electrolytic membrane positioned between the anode and the cathode. The fuel is oxidized at the anode and the oxygen is reduced at the cathode. This creates water on the cathode side.
Die
In einem Brennstoffzellensystem wird im Anodenkreis der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, von einer Brennstoffquelle der Brennstoffzelle zugeführt. Hierbei werden in der Regel mehrere Ventile verwendet. Typischerweise kann mittels eines Regelventils eine bedarfsgerechte Dosierung des Brennstoffs erfolgen. Zusätzlich kann zum Beispiel vor einem solchen Regelventil ein weiteres Absperrventil vorgesehen sein. Mit einem solchen Absperrventil kann die Brennstoffzufuhr bei einem inaktiven Zustand oder einem Fehlerfall verschlossen werden.In a fuel cell system, the fuel, for example hydrogen, is supplied from a fuel source to the fuel cell in the anode circuit. As a rule, several valves are used here. A control valve can typically be used to meter the fuel as required. In addition, a further shut-off valve can be provided in front of such a control valve, for example. With such a shut-off valve, the fuel supply can be closed in an inactive state or in the event of a fault.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Die vorliegende Erfindung schafft ein Ventilmodul für eine Brennstoffzelle sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.The present invention creates a valve module for a fuel cell and a fuel cell system with the features of the independent patent claims. Further advantageous embodiments are the subject matter of the dependent patent claims.
Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is provided:
Ein Ventilmodul eine Brennstoffzelle mit einem Absperrventil und einem Regelventil. Das Absperrventil ist dazu ausgelegt, eine Brennstoffzufuhr von einer Brennstoffquelle zu der Brennstoffzelle zu unterbrechen oder freizugeben. Das Regelventil ist dazu ausgelegt, einen Volumenstrom der Brennstoffzufuhr von der Brennstoffquelle zu der Brennstoffzelle zu dosieren. Das Absperrventil und das Regelventil sind hierbei in einem gemeinsamen Ventilkörper angeordnet. Insbesondere weist das Absperrventil eine axiale Abströmung auf, und das Regelventil weist eine radiale Zuströmung auf. Hierbei kann der Strömungskanal für die axiale Abströmung des Absperrventils dem Strömungskanal für die radiale Zuströmung des Regelventils entsprechen.A valve module a fuel cell with a shut-off valve and a control valve. The shut-off valve is designed to interrupt or release a fuel supply from a fuel source to the fuel cell. The control valve is designed to meter a volume flow of the fuel supply from the fuel source to the fuel cell. The shut-off valve and the control valve are arranged in a common valve body. In particular, the check valve has an axial outflow and the control valve has a radial inflow. In this case, the flow channel for the axial outflow of the check valve can correspond to the flow channel for the radial inflow of the control valve.
Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, it is provided:
Ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellenanordnung, einer Brennstoffquelle und einem erfindungsgemäßen Ventilmodul. Die Brennstoffzellenanordnung umfasst zumindest eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffquelle ist dazu ausgelegt, Brennstoff für die Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen. Das Ventilmodul ist zwischen der Brennstoffquelle und der Brennstoffzellenanordnung angeordnet. Hierbei ist das Ventilmodul dazu ausgelegt, den Volumenstrom des Brennstoffs von der Brennstoffquelle zu der Brennstoffzellenanordnung einzustellen.A fuel cell system with a fuel cell arrangement, a fuel source and a valve module according to the invention. The fuel cell arrangement includes at least one fuel cell. The fuel source is designed to provide fuel for the fuel cell assembly. The valve module is positioned between the fuel source and the fuel cell assembly. In this case, the valve module is designed to adjust the volume flow of the fuel from the fuel source to the fuel cell arrangement.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the Invention
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Brennstoffzellensystem zwischen der Brennstoffquelle, beispielsweise einem Tank mit einem flüssigen Gas wie zum Beispiel Wasserstoff oder Erdgas, und der Brennstoffzelle in der Regel mehrere Komponenten vorgesehen sind. Insbesondere können zwischen der Brennstoffquelle und der Brennstoffzellenanordnung mehrere Ventile vorgesehen sein. Beispielsweise kann mittels eines Regelventils die Brennstoffmenge, welche der Brennstoffzellenanordnung zugeführt wird, dosiert werden. Darüber hinaus kann ein Absperrventil vorgesehen sein, welches bei inaktiven Brennstoffzellen die Brennstoffzufuhr vollständig unterbindet.The present invention is based on the finding that, in a fuel cell system, a plurality of components are generally provided between the fuel source, for example a tank with a liquid gas such as hydrogen or natural gas, and the fuel cell. In particular, several valves can be provided between the fuel source and the fuel cell arrangement. For example, the amount of fuel that is supplied to the fuel cell arrangement can be metered by means of a control valve. In addition, a shut-off valve can be provided which completely shuts off the fuel supply when the fuel cells are inactive.
Der vorliegenden Erfindung liegt hierbei insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass es für den Aufbau eines Brennstoffzellensystems vorteilhaft ist, mehrere Komponenten, insbesondere mehrere Ventilelemente, in einem gemeinsamen Baukörper zu integrieren. Dabei stellt jedoch die Fertigung solcher Bauelemente mit mehreren Ventilen und gegebenenfalls weiteren Komponenten in einem gemeinsamen Baukörper aus fertigungstechnischer Sicht eine große Herausforderung dar.The present invention is based in particular on the finding that it is advantageous for the construction of a fuel cell system to combine a number of components, in particular a number of valve elements, in a common structure integrate. However, the production of such components with several valves and possibly other components in a common structure represents a major challenge from a manufacturing point of view.
Es ist daher eine Idee der vorliegenden Erfindung, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein Ventilmodul für ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, welches mehrere Komponenten, insbesondere ein Absperrventil und ein Regelventil in einem gemeinsamen Baukörper, integriert, wobei das erfindungsgemäße Ventilmodul auf besonders einfache Weise in einfachen Fertigungsschritten realisiert werden kann.It is therefore an idea of the present invention to take this knowledge into account and to provide a valve module for a fuel cell system, which integrates several components, in particular a shut-off valve and a control valve in a common structure, the valve module according to the invention being particularly simple in simple production steps can be realized.
Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, ein Absperrventil und ein Regelventil in einem gemeinsamen Baukörper derart anzuordnen, dass das Absperrventil eine axiale Abströmung aufweist, und das Regelventil eine radiale Zuströmung aufweist. Insbesondere kann hierbei der Strömungskanal für die axiale Abströmung des Absperrventils mit dem Strömungskanal für die radiale Zuströmung des Regelventils übereinstimmen.For this purpose, it is provided according to the invention to arrange a shut-off valve and a control valve in a common structure in such a way that the shut-off valve has an axial outflow and the control valve has a radial inflow. In particular, the flow channel for the axial outflow of the check valve can match the flow channel for the radial inflow of the control valve.
Durch eine solche axiale Abströmung des Absperrventils kann der hierfür erforderliche Strömungskanal durch eine einfache Bohrung im Ventilbereich des Absperrventils realisiert werden. Eine solche Bohrung kann insbesondere derart ausgeführt werden, dass der dabei entstehende Strömungskanal auch gleichzeitig eine radiale Zuströmung für ein nachfolgendes Regelventil bildet. Entsprechend kann durch eine solche Bohrung für eine axiale Abströmung des Absperrventils und die radiale Zuströmung für das Regelventil das erfindungsgemäße Ventilmodul mit einer Kombination aus Absperrventil und Regelventil besonders einfach und somit auch zeitsparend und kostengünstig realisiert werden.With such an axial outflow of the shut-off valve, the flow channel required for this can be realized by a simple bore in the valve area of the shut-off valve. Such a bore can in particular be designed in such a way that the resulting flow channel also simultaneously forms a radial inflow for a downstream control valve. Correspondingly, the valve module according to the invention with a combination of shut-off valve and control valve can be implemented particularly easily and thus also in a time-saving and cost-effective manner through such a bore for an axial outflow of the shut-off valve and the radial inflow for the control valve.
Zur Fertigung derartiger Ventilmodule mit einem kombinierten Absperrventil und einem Regelventil können nahezu alle Fertigungsschritte für die Ausnehmungen der Ventilelemente und die Strömungskanäle durch einfache Bohrungen realisiert werden. Dies ermöglicht einen einfachen Fertigungsprozess. Darüber hinaus können die Baukörper für derartige Ventilmodule mit hoher Qualität und geringem Ausschuss gefertigt werden.For the production of such valve modules with a combined shut-off valve and a control valve, almost all production steps for the recesses of the valve elements and the flow channels can be implemented using simple bores. This enables a simple manufacturing process. In addition, the structures for such valve modules can be manufactured with high quality and few rejects.
Gemäß einer Ausführungsform weisen sowohl das Absperrventil als auch das Regelventil jeweils eine radiale Zuströmung und eine axiale Abströmung auf. Wie zuvor bereits ausgeführt, können derartige Strömungskanäle für die Zuströmung und Abströmung besonders einfach durch Bohrungen oder Ähnliches in dem Baukörper das Ventilmodul realisiert werden.According to one embodiment, both the shut-off valve and the control valve each have a radial inflow and an axial outflow. As already explained above, flow channels of this type for the inflow and outflow can be implemented particularly easily by means of bores or the like in the structure of the valve module.
Gemäß einer Ausführungsform mündet die axiale Abströmung des Absperrventils in die radiale Zuströmung des Regelventils. Wie oben bereits ausgeführt, kann auf diese Weise eine Anordnung realisiert werden, bei der der Strömungskanal für die Abströmung des Absperrventils dem Strömungskanal für die Zuströmung des Regelventils entspricht.According to one embodiment, the axial outflow of the check valve opens into the radial inflow of the control valve. As already explained above, an arrangement can be realized in this way in which the flow channel for the outflow of the check valve corresponds to the flow channel for the inflow of the control valve.
Gemäß einer Ausführungsform ist die axiale Abströmung des Absperrventils und die radiale Zuströmung des Regelventils durch eine gemeinsame Bohrung in dem Ventilkörper realisiert. Insbesondere wenn das Regelventil senkrecht zu dem Absperrventil realisiert wird, kann dieser Strömungskanal für die Abströmung des Absperrventils und die Zuströmung des Regelventils als eine einzige einfache Bohrung realisiert werden.According to one embodiment, the axial outflow of the shut-off valve and the radial inflow of the control valve are realized through a common bore in the valve body. In particular, if the control valve is implemented perpendicularly to the check valve, this flow channel for the outflow of the check valve and the inflow of the control valve can be implemented as a single, simple bore.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Ventilkörper mit dem Regelventil und dem Absperrventil ferner einen Anschluss für einen Drucksensor. Durch die Integration weiterer Komponenten, wie beispielsweise einem Drucksensor, kann ein besonders kompakter Aufbau realisiert werden.According to one embodiment, the valve body with the control valve and the shut-off valve also includes a connection for a pressure sensor. A particularly compact design can be achieved by integrating additional components, such as a pressure sensor.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der gemeinsame Ventilkörper des Ventilmoduls mit dem Absperrventil und dem Regelventil ferner einen Anschluss für ein Überdruckventil. Beispielsweise kann der Anschluss für das Überdruckventil im Strömungskanal der Abströmung des Regelventils angeordnet sein.According to one embodiment, the common valve body of the valve module with the shut-off valve and the control valve also includes a connection for a pressure relief valve. For example, the connection for the pressure relief valve can be arranged in the flow channel of the outflow of the control valve.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der gemeinsame Ventilkörper mit dem Absperrventil und dem Regelventil ferner eine Strahlpumpe. Strahlpumpen können beispielsweise dazu genutzt werden, um einen Brennstoffüberschuss der Brennstoffzelle zu fördern und gemeinsam mit dem Brennstoff von der Brennstoffquelle zusammen der Brennstoffzelle erneut zuzuführen.According to one embodiment, the common valve body with the shut-off valve and the control valve further comprises a jet pump. Jet pumps can be used, for example, to pump excess fuel from the fuel cell and to feed it back to the fuel cell together with the fuel from the fuel source.
Darüber hinaus können selbstverständlich auch beliebige andere geeignete Komponenten in den Ventilkörper mit dem Absperrventil und dem Regelventil integriert werden.In addition, any other suitable components can of course also be integrated into the valve body with the shut-off valve and the control valve.
Gemäß einer Ausführungsform sind mehrere Ventilmodule mit jeweils einem Absperrventil und einem Regelventil in einem gemeinsamen Baukörper integriert.According to one embodiment, several valve modules, each with a shut-off valve and a control valve, are integrated in a common structure.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu den jeweiligen Grundformen der Erfindung hinzufügen.The above configurations and developments can be combined with one another as desired, insofar as this makes sense. Further refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments that are not explicitly mentioned. In particular, the specialist will also Add individual aspects as improvements or additions to the respective basic forms of the invention.
Figurenlistecharacter list
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen:
-
1 : eine schematische Darstellung eines Blockschaubilds eines Brennstoffzellensystems mit einem Ventilmodul gemäß einer Ausführungsform; -
2 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ventilmodul gemäß einer Ausführungsform; -
3 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ventilmodul gemäß einer alternativen Ausführungsform; -
4 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ventilmodul gemäß einer weiteren Ausführungsform; und -
5 : eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Ventilmodul gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
-
1 1: a schematic representation of a block diagram of a fuel cell system with a valve module according to an embodiment; -
2 1: a schematic representation of a cross section through a valve module according to an embodiment; -
3 1: a schematic representation of a cross section through a valve module according to an alternative embodiment; -
4 1: a schematic representation of a cross section through a valve module according to a further embodiment; and -
5 1: a schematic representation of a cross section through a valve module according to yet another embodiment.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures, the same reference symbols designate identical or functionally identical components, unless otherwise stated.
Beschreibung von AusführungsformenDescription of Embodiments
Die Brennstoffmenge, welche der Brennstoffzellenanordnung 15 von der Brennstoffquelle 10 zugeführt wird, kann zum Beispiel mittels des Dosier- oder Regelventils 12 eingestellt werden. Darüber hinaus kann mittels des Absperrventils 11 die Brennstoffzufuhr von der Brennstoffquelle 10 vollständig unterbunden werden. Beispielsweise kann das Absperrventil 11 geschlossen werden, um die Brennstoffzellenanordnung 15 zu deaktivieren, oder bei einem Fehlerfall die Brennstoffzufuhr rasch und zuverlässig zu unterbinden. Insbesondere kann durch die Verwendung eines Absperrventils 11 zusätzlich zu dem Regelventil 12 eine Redundanz zum Unterbrechen der Brennstoffzufuhr realisiert werden.The amount of fuel that is supplied to the
Absperrventil 11 und Regelventil 12 können beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuseblock integriert werden. Insbesondere können Absperrventil 11 und Regelventil 12 aus einem gemeinsamen Materialblock gefertigt werden. Auf diese Weise erhält man eine Einheit, welche ein Absperrventil 11 und ein Regelventil 12 in einem gemeinsamen Bauelement kombiniert.Shut-off
Wie weiterhin in
Es versteht sich, dass die Orientierungen in axialer bzw. radialer Richtung hierbei nicht streng parallel oder orthogonal zu Symmetrieachsen anzusehen sind. Vielmehr können die als axiale bzw. radiale beschriebenen Orientierungen auch hiervon innerhalb geeigneter Toleranzen abweichen. Insbesondere können die Orientierungen hierbei soweit abweichen, dass die beschriebenen Zuläufe bzw. Abströmungen von den jeweiligen Ausnehmungen 31, 32 noch mittels Bohrungen realisiert werden können, ohne hierbei die Ausnehmungen während der Fertigung zu beschädigen. Eine solche abweichende Orientierung des Strömungskanals für die Abströmung 22 vom Absperrventil 11 zu dem Regelventil 12 ist beispielsweise in der nachfolgen beschriebenen
Der Ventilkörper 2 gemäß
Beispielsweise kann in dem Strömungskanal, der die Abströmung 22 des Absperrventils 11 sowie den Zulauf 23 für das Regelventil 12 bildet, eine weitere Öffnung vorgesehen sein, um eine zusätzliche Komponente, wie zum Beispiel hier den Drucksensor 41 anzubringen. Hierzu kann zum Beispiel eine weitere Bohrung in den Ventilkörper 2 eingebracht werden. Diese weitere Bohrung kann zum Beispiel zumindest annähernd radial zu der Bohrung für den Strömungskanal der Abströmung 22 des Absperrventils 11 bzw. dem Zulauf 23 des Regelventils 12 angeordnet sein. Insbesondere kann hierfür beispielsweise zunächst eine größere Ausnehmung in Form einer größeren Bohrung realisiert werden, in welche der Drucksensor 41 eingebracht wird. Axial zu dieser Bohrung kann eine weitere Bohrung mit einem geringeren Durchmesser bis zu dem Strömungskanal 22,23 in den Ventilkörper 2 eingebracht werden.For example, a further opening can be provided in the flow channel that forms the
Entsprechend ist es auch möglich, weitere Komponenten, wie beispielsweise das hier dargestellte Überdruckventil 42 in der Abströmung 24 des Regelventils 12 an dem Ventilkörper 2 anzubringen. Analog zu der zuvor beschriebenen Öffnung für den Drucksensor 41 kann auch hier zunächst eine größere Öffnung, beispielsweise eine größere Bohrung in den Ventilkörper 2 eingebracht werden, in welche das Überdruckventil 42 oder eine andere geeignete Komponente eingebracht wird. Ferner kann zum Beispiel eine weitere Bohrung mit einem geringeren Durchmesser in axialer Richtung zu der größeren Öffnung für das Überdruckventil 42 bis zu der Abströmung 24 des Regelventils 12 eingebracht werden.Accordingly, it is also possible to attach further components, such as the
Wie unschwer zu erkennen ist, können alle Öffnungen bzw. Strömungskanäle für das Absperrventil 11, das Regelventil 12 sowie die weiteren Komponenten 41 bzw. 42 sowie die Zuläufe und Abströmungen 21, 22, 23, 24 in einfacher Weise mittels Bohrungen oder Ähnlichem in den Ventilkörper 2 eingebracht werden. Somit kann der gesamte Ventilkörper 2 auf einfache Weise gefertigt werden.As can be seen easily, all openings or flow channels for the shut-off
Neben den zuvor beschriebenen Ausführungsformen eines Ventilkörpers 2 mit jeweils einem Absperrventil 11 und einem Regelventil 12 ist es darüber hinaus grundsätzlich auch möglich, Ventilkörper 2 mit mehreren Absperrventilen 11 und mehreren Regelventilen 12 sowie gegebenenfalls auch mehreren Strahlpumpen in einem gemeinsamen Materialblock zu integrieren. Auch hierbei können vorteilhaft alle Öffnungen und Verbindungen für Zuläufe und Abströmungen auf einfache Weise mittels geeigneter Bohrungen realisiert werden.In addition to the above-described embodiments of a
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung ein Ventilmodul für eine Brennstoffzellenanordnung sowie eine Brennstoffzellenanordnung mit einem solchen Ventilmodul, wobei in dem Ventilmodul ein Absperrventil und ein Regelventil in einem gemeinsamen Materialblock kombiniert sind. Für eine einfache Fertigung einer solchen Komponente ist es vorgesehen, die Zuläufe der Ventile radial und die Abläufe axial anzuordnen. Alle Ausnehmungen für die Ventilkomponenten sowie die Strömungskanäle für Zuläufe und Abströmungen können auf einfache Weise mittels Bohrungen o.ä. realisiert werden.In summary, the present invention relates to a valve module for a fuel cell arrangement and a fuel cell arrangement with such a valve module, with a shut-off valve and a control valve being combined in a common block of material in the valve module. For a simple production of such a component, provision is made for the inlets of the valves to be arranged radially and the outlets axially. All recesses for the valve components as well as the flow channels for inlets and outlets can be implemented in a simple manner by means of bores or the like.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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