DE102022200494A1 - Ventilvorrichtung, insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung, Brennstoffzellenanordnung und brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug - Google Patents

Ventilvorrichtung, insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung, Brennstoffzellenanordnung und brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Ventilvorrichtung (1) insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung in einer Brennstoffzellenanordnung mit einem Ventilgehäuse (10), in welchem Ventilgehäuse (10) ein entlang einer Längsachse (99) und durch einen Aktuator (44) bewegliches Ventilelement (30) angeordnet ist. Das Ventilelement (30) weist einen ersten tellerförmigen Bereich (301) und einen zweiten tellerförmigen Bereich (302) auf, welcher erster tellerförmiger Bereich (301) mit jeweils einem ersten Ventilsitz (981) und einem zweiten Ventilsitz (982) zum Öffnen und Schließen einer Gasströmung zwischen einem Brennstoffzellenstackbereich (2) und einem Abgasstrangbereich (3) bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und einem Abgasstrangbereich (3) bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und einem Brennstoffzellenstackbereich (2) zusammenwirkt. Der zweite tellerförmige Bereich (302) wirkt mit jeweils einem dritten Ventilsitz (983) und einem vierten Ventilsitz (984) zum Öffnen und Schließen einer Gasströmung zwischen einem Brennstoffzellenstackbereich (2) und einem Abgasstrangbereich (3) bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und einem Abgasstrangbereich (3) bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und einem Brennstoffzellenstackbereich (2) zusammen.Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung (100) und ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug (90).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, wie sie insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung Verwendung findet, beispielsweise zur Steuerung einer Gasströmung für die Zuführung von Gas zu einer Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellenanordnung. Die Brennstoffzellenanordnung findet beispielsweise mobil Anwendung in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug.
  • Stand der Technik
  • Im Fahrzeugbereich spielen Fahrzeuge mit Brennstoffzellenantrieb eine immer größere Rolle. Dabei weist das Brennstoffzellensystem mindestens eine Brennstoffzelle auf, welcher Sauerstoff und Wasserstoff zugeführt wird. Dies reagiert dann in der Brennstoffzelle zu Wasser bzw. Wasserdampf. So wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung bereitgestellt, welche als Antriebsenergie eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugs verwendet wird. Der Brennstoffzelle muss jeweils getrennt das entsprechende Gas auf der Anodenseite und der Kathodenseite zugeführt werden. In der Gaszuführung für Sauerstoff ist ein Absperrventil vorgesehen, um die Brennstoffzelle von der Zuführung von weiterem Sauerstoff abzuschneiden, wenn diese nicht in Betrieb ist. Anderenfalls würde Sauerstoff von der Kathodenseite durch die Membran der Brennstoffzelle auf die Anodenseite diffundieren, was zu einem sogenannten Air-to-Air-Start führen würde und schädlich für die Brennstoffzelle ist.
  • Weiterhin umfassen Brennstoffzellensysteme in der Regel eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung bzw. einen Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt.
  • Solche Absperrventile wie oben beschrieben sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise zeigt die DE 10 2016 224 273 A1 ein Ventil zur Steuerung eines Gasstroms, das mittels eines elektromagnetischen Aktors gesteuert wird, wobei dabei ein Ventilelement zum Öffnen und Schließen eines Durchströmungsquerschnitts bewegt wird und dieses mit einem Dichtsitz zusammenwirkt.
  • Des Weiteren gibt es Fälle, in denen das Luftsystem der Brennstoffzellenanordnung zwar Luft fördern soll, ohne dass jedoch diese Luft in den Stack gelangt. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn in oben genannten Fall (kein frischer Sauerstoff in der Kathode) die Anode gespült oder mit Wasserstoff befüllt werden soll. Dann muss der aus der Anode über ein Ventil austretende Wasserstoff mit ausreichend Luft vermischt und dadurch unter die sicherheitskritische Grenze auf typischerweise 1% Wasserstoffanteil verdünnt werden. Die Luft kann hierzu über einen Bypass geleitet werden, der im normalen Betrieb verschlossen ist.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfacher Weise mit nur einer Baukomponente ein verlässlicher Betrieb der gesamten Brennstoffzellenanordnung gewährleistet wird.
  • Dazu weist die Ventilvorrichtung insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung in einem Brennstoffzellensystem ein Ventilgehäuse auf, in welchem Ventilgehäuse ein entlang einer Längsachse und durch einen Aktuator bewegliches Ventilelement angeordnet ist. Das Ventilelement weist außerdem einen ersten tellerförmigen Bereich und einen zweiten tellerförmigen Bereich auf. Der erste tellerförmige Bereich wirkt mit jeweils einem ersten Ventilsitz und einem zweiten Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Gasströmung zwischen einem Brennstoffzellenstackbereich und einem Abgasstrangbereich bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich und einem Abgasstrangbereich bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich und einem Brennstoffzellenstackbereich zusammen. Der zweite tellerförmige Bereich wirkt mit jeweils einem dritten Ventilsitz und einem vierten Ventilsitz zum Öffnen und Schließen einer Gasströmung zwischen einem Brennstoffzellenstackbereich und einem Abgasstrangbereich bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich und einem Abgasstrangbereich bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich und einem Brennstoffzellenstackbereich zusammen.
  • So kann mit nur einer Baukomponenten, nämlich der Ventilvorrichtung, und mit nur einem elektrischen Aktuator sowohl der Brennstoffzellenstackbereich abgesperrt als auch ein Bypass, d.h. die Verbindung zu dem Abgasstrangbereich, geöffnet werden. So kann die Ventilvorrichtung eine Vielzahl von benötigten Ventilen ersetzen und erzielt so eine konstruktiv einfache Bauraumoptimierung mit Kostenersparnis. Außerdem sind geringe Kräfte für die Betätigung der Ventilvorrichtung notwendig.
  • In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Ventilelement einen stiftförmigen Bereich aufweist, welcher stiftförmige Bereich in einer Öffnung des Ventilgehäuses aufgenommen, geführt und entlang der Längsachse bewegbar ist. So kann in einfacher Weise die Tellerkonstruktion der Ventilvorrichtung erzielt werden, welche eine hohe Dichtigkeit aufweist.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstackbereich und der Abgasstrangbereich bzw. der Luftströmungsmaschinenbereich und der Abgasstrangbereich bzw. der Luftströmungsmaschinenbereich und der Brennstoffzellenstackbereich über einen Innenraum der Ventilvorrichtung verbindbar sind. Vorteilhafterweise ist der Innenraum mittels des Ventilelements in einen ersten Teilinnenraum, einen zweiten Teilinnenraum und einen dritten Teilinnenraum separierbar. Vorteilhafterweise ist der Brennstoffzellenstackbereich und der Abgasstrangbereich über den ersten Teilinnenraum verbindbar. Vorteilhafterweise ist der Abgasstrangbereich mit dem Luftströmungsmaschinenbereich über den dritten Teilinnenraum verbindbar. Vorteilhafterweise ist der Luftströmungsmaschinenbereich und der Brennstoffzellenstackbereich über den zweiten Teilinnenraum verbindbar. Vorteilhafterweise ist die Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstackbereich und dem Abgasstrangbereich über den ersten Teilinnenraum und die Verbindung zwischen dem Luftströmungsmaschinenbereich und dem Brennstoffzellenstackbereich über den zweiten Teilinnenraum gleichzeitig öffen- und sperrbar. So kann in konstruktiv einfacher Weise über eine Ventilvorrichtung die Verbindungen mehrerer Teilbereiche einer Brennstoffzellenanordnung geöffnet und/oder geschlossen werden.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Brennstoffzellenstackbereich, der Abgasstrangbereich und der Luftströmungsbereich radial zu der Längsachse der Ventilvorrichtung angeordnet sind.
  • Die beschriebene Ventilvorrichtung insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung.
  • Die beschriebene Ventilvorrichtung insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung eignet sich vorzugsweise in einem Fahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb.
  • Figurenliste
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung in einer Brennstoffzellenanordnung und in einem brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeug dargestellt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet.
  • Es zeigt in
    • 1 eine mögliche Brennstoffzellenanordnung mit einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in stark vereinfachter schematischer Ansicht,
    • 2ein mögliches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung in einem Brennstoffzellensystem im Längsschnitt in einer ersten Position I,
    • 3 das mögliche Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung in einem Brennstoffzellensystem im Längsschnitt in einer zweiten Position II,
    • 4 das mögliche Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung in einem Brennstoffzellensystem im Längsschnitt in einer dritten Position III,
    • 5ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Brennstoffzellenanordnung und einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in schematischer Ansicht.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • i zeigt eine mögliche Ausführung einer Brennstoffzellenanordnung 100 mit einer Ventilvorrichtung 1 in stark vereinfachter schematischer Ansicht. Die Brennstoffzellenanordnung 100 weist einen hier nicht näher betrachteten Anodenzuführpfad 26 auf, welcher eine Brennstoffzelle 101 mit Wasserstoff versorgt.
  • Die Brennstoffzelle 101 umfasst einen Anodenbereich 102 und einen Kathodenbereich 103. Weiterhin weist die Brennstoffzellenanordnung 100 einen Kathodenzulaufbereich 33 auf, welcher der Brennstoffzelle 101 Luft zuführt. Dabei wird die Luft aus einer Umgebung 22 der Brennstoffzellenanordnung 100 mittels einer Luftströmungsmaschine 24 angesaugt und verdichtet und dem Kathodenbereich 103 der Brennstoffzelle 101 zugeführt.
  • Hier ist beispielhaft nur eine Brennstoffzelle 101 gezeigt. Typischerweise weist die Brennstoffzellenanordnung 100 mehrere Brennstoffzellen 101 in Form eines Brennstoffzellenstacks auf.
  • Zwischen der Luftströmungsmaschine 24 und der Brennstoffzelle 101 ist eine Ventilvorrichtung 1 angeordnet, welche in 2 im Detail gezeigt ist.
  • Weiterhin ist in der Brennstoffzellenanordnung 100 ein Kathodenablaufbereich 34 angeordnet, welcher nicht verwendete Luft bzw. Sauerstoff bzw. ein Luftgemisch, umfassend Sauerstoff, Stickstoff, geringe Mengen an Wasserstoff, aus der Brennstoffzelle 101 über die Ventilvorrichtung 1 leitet und ggfs. wieder an die Umgebung 22 abgibt.
  • 2 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 1 insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung in dem Kathodenzulaufbereich 33 der Brennstoffzellenanordnung 100 in einer ersten Position I im Längsschnitt.
  • Die Ventilvorrichtung 1 weist ein Ventilgehäuse 10 auf, in dem ein entlang einer Längsachse 99 und durch einen Aktuator 44 bewegliches Ventilelement 30 angeordnet ist. In dem Ventilgehäuse 10 ist ein Innenraum 80 angeordnet, in dem ein erster Absatzbereich 70, ein zweiter Absatzbereich 60 und ein dritter Absatzbereich 50 ausgebildet ist. Weiterhin weist der Innenraum 80 einen oberen Ventilgehäusebereich 503 auf, an dem ein erster Ventilsitz 981 für das Ventilelement 30 ausgebildet ist.
  • An dem ersten Absatzbereich 70 ist ein zweiter Ventilsitz 982 für das Ventilelement 30 ausgebildet. Weiterhin ist an dem zweiten Absatzbereich 60 ein dritter Ventilsitz 983 für das Ventilelement 30 und an dem dritten Absatzbereich 50 ein vierter Ventilsitz 984 für das Ventilelement 30 ausgebildet.
  • Das Ventilelement 10 weist einen stiftförmigen Bereich 303, einen ersten tellerförmigen Bereich 301 und einen zweiten tellerförmigen Bereich 302 auf. Der stiftförmige Bereich 303 ist in einer Öffnung 501 des oberen Ventilgehäusebereichs 503 mittels eines Dichtelements 502 aufgenommen und entlang der Längsachse 99 mittels des Aktuators 44 bewegbar. Weiterhin teilt das Ventilelement 30 in der ersten Position I den Innenraum 80 in einen ersten Teilinnenraum 82 und einen zweiten Teilinnenraum 83 auf.
  • Außerdem umfasst die Ventilvorrichtung 1 mehrere Anschlusskanäle 12, 14, 16, 18, welche mit dem Innenraum 80 fluidisch verbunden sind.
  • Der Anschlusskanal 12 ist mit einem Abgasstrangbereich 3 verbunden, durch welchen das gasförmige Medium, insbesondere Luft, aus der Brennstoffzellenanordnung 100 in die Umgebung 22 abführbar ist.
  • Weiterhin ist der Anschlusskanal 14 mit einem Luftströmungsmaschinenbereich 4 verbunden, über welchen gasförmiges Medium, insbesondere durch die Luftströmungsmaschine 24 verdichteter Sauerstoff, in den Innenraum 80 der Ventilvorrichtung 1 strömen kann.
  • Die Anschlusskanäle 16, 18 sind mit einem Brennstoffzellenstackbereich 2 verbunden. Dabei strömt aus dem Anschlusskanal 16 gasförmiges Medium, insbesondere Luft, in den Innenraum 80 der Ventilvorrichtung 1 und über den Anschlusskanal 18 wird gasförmiges Medium, insbesondere Luft, aus dem Innenraum 80 in den Brennstoffzellenstackbereich 2 geleitet.
  • Der Brennstoffzellenstackbereich 2, der Abgasstrangbereich 3 und der Luftströmungsbereich 4 sind radial zu der Längsachse 99 der Ventilvorrichtung 1 angeordnet.
  • Der erste tellerförmige Bereich 301 des Ventilelements 10 wirkt mit jeweils dem ersten Ventilsitz 981 und dem zweiten Ventilsitz 982 zum Öffnen und Schließen einer Gasströmung zwischen dem Brennstoffzellenstackbereich 2 und dem Abgasstrangbereich 3 bzw. dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Abgasstrangbereich 3 bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Brennstoffzellenstackbereich 2 zusammen. Der zweite tellerförmige Bereich 302 des Ventilelements 10 wirkt mit jeweils dem dritten Ventilsitz 983 und dem vierten Ventilsitz 984 zum Öffnen und Schließen einer Gasströmung zwischen dem Brennstoffzellenstackbereich 2 und dem Abgasstrangbereich 3 bzw. dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Abgasstrangbereich 3 bzw. dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Brennstoffzellenstackbereich 2 zusammen.
  • In der ersten Position I ist der erste tellerförmige Bereich 301 des Ventilelements 10 an dem ersten Ventilsitz 981 und der zweite tellerförmige Bereich 302 des Ventilelements 10 an dem dritten Ventilsitz 983 angeordnet.
  • 3 zeigt das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 1 aus der 2 in einer zweiten Position II im Längsschnitt.
  • Das Ausführungsbeispiel aus der 3 entspricht in Aufbau und Funktionsweise weitestgehend dem Ausführungsbeispiel aus der i. Hier ist die Ventilvorrichtung 1 bzw. das Ventilelement 30 in der zweiten Position II angeordnet, so dass der Innenraum 80 einen dritten Teilinnenraum 81 aufweist.
  • Der Brennstoffzellenstackbereich 2 und der Abgasstrangbereich 3 sind über den ersten Teilinnenraum 82 verbindbar. Der Abgasstrangbereich 3 und der Luftströmungsmaschinenbereich 4 ist über den dritten Teilinnenraum 81 verbindbar. Der Luftströmungsmaschinenbereich 4 und der Brennstoffzellenstackbereich 2 ist über den zweiten Teilinnenraum 83 verbindbar, wie in 2 bzw. 3 gezeigt.
  • In der zweiten Position II ist der erste tellerförmige Bereich 301 des Ventilelements 10 an dem zweiten Ventilsitz 982 und der zweite tellerförmige Bereich 302 des Ventilelements 10 an dem vierten Ventilsitz 984 angeordnet.
  • 4 zeigt das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 1 aus der 2 in einer dritten Position III im Längsschnitt.
  • Das Ausführungsbeispiel aus der 4 entspricht in Aufbau und Funktionsweise weitestgehend dem Ausführungsbeispiel aus der 2. Die Ventilvorrichtung 1 bzw. das Ventilelement 30 ist hier zwischen der ersten Position I und der zweiten Position II angeordnet.
  • In der dritten Position III ist der erste tellerförmige Bereich 301 des Ventilelements 10 und der zweite tellerförmige Bereich 302 des Ventilelements 10 weder an dem ersten Ventilsitz 981, an dem zweiten Ventilsitz 982, an dem dritten Ventilsitz 983 noch an dem vierten Ventilsitz 984 angeordnet.
  • Der Brennstoffzellenstackbereich 2 ist hier mit dem Abgasstrangbereich 3 fluidisch verbunden. Der Luftströmungsmaschinenbereich 4 ist hier sowohl mit dem Brennstoffzellenstackbereich 2 als auch mit dem Abgasstrangbereich 3 fluidisch verbunden.
  • Die Funktionsweise der Ventilvorrichtung 1 ist wie folgt: Im Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 100 wird die Ventilvorrichtung 1 mittels des Aktuators 44 in der ersten Position I, wie in 2 gezeigt, gehalten. Das heißt, der erste tellerförmige Bereich 301 des Ventilelements 10 sitzt auf dem ersten Ventilsitz 981 auf und der zweite tellerförmige Bereich 302 des Ventilelements 10 sitzt auf dem dritten Ventilsitz 983 auf und öffnet so eine Gasströmung zwischen dem Brennstoffzellenstackbereich 2 und dem Abgasstrangbereich 3 und eine Gasströmung zwischen dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Brennstoffzellenstackbereich 2.
  • So kann mittels der Luftströmungsmaschine 24 komprimierte Luft aus dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 über die Ventilvorrichtung 1 in Richtung der Brennstoffzelle 101 gefördert werden. Die komprimierte Luft strömt dabei über den Anschlusskanal 14 in den zweiten Teilinnenraum 83 und wird über den Anschlusskanal 18 in den Brennstoffzellenstackbereich 2 in Richtung der Brennstoffzelle 101 geleitet (siehe Pfeil 92).
  • Für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 100 wird diese neben der komprimierten Luft über den Kathodenzulaufbereich 33 mit Wasserstoff über den Anodenzuführpfad 26 versorgt.
  • Nicht verwendete komprimierte Luft bzw. Abgas in Form eines Luftgemischs, welches unter anderem Stickstoff, Sauerstoff und minimale Mengen von Wasserstoff umfasst, wird über den Anschlusskanal 16 aus dem Brennstoffzellenstackbereich 2 über den ersten Teilinnenraum 82 in den Anschlusskanal 12 in Richtung eines Abgasstrangbereichs 3 geleitet, um dieses über ein hier nicht gezeigtes Ventil aus der Brennstoffzellenanordnung 100 in die Umgebung 22 abzuführen (siehe Pfeil 91).
  • Oft werden in Brennstoffzellensystemen Turbomaschinen als Luftströmungsmaschinen 24 verwendet, da diese effizient und klein sind. Eine Turbomaschine ist aber nicht in der Lage, Luftdruck und Luftmassenstrom völlig unabhängig voneinander einzustellen. So sind insbesondere hohe Drücke bei niedrigen Massenströmen kaum einstellbar.
  • Mittels des Aktuators 44 kann die Ventilvorrichtung 1 im laufenden Betrieb in die dritte Position gebracht werden, wie in 4 gezeigt. Somit wird auch eine Verbindung zwischen dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Abgasstrangbereich 3 geöffnet und es strömt komprimierte Luft aus dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 nicht nur in Richtung des Brennstoffzellenstackbereichs 2, sondern auch in den Abgasstrangbereich 3 (siehe Pfeil 94). Da zwischen Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Brennstoffzellenstackbereich 2 ein höherer Druck herrscht als zwischen dem Brennstoffzellenstackbereich 2 und dem Abgasstrangbereich 3, ist sichergestellt, dass eine Gasströmung nur von dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 in Richtung des Abgasstrangbereichs 3 erfolgt und nicht andersherum.
  • In der dritten Position der Ventilvorrichtung 1 muss die Luftströmungsmaschine 24 einen zusätzlichen Luftmassenstrom fördern, was wiederum dazu führt, dass die Luftströmungsmaschine 24 einen höheren Druck bereitstellen kann. Der höhere Druck ist bei besonderen Betriebsbedingungen notwendig, z.B. für das Feuchtemanagement in der Brennstoffzelle 101 bzw. dem Brennstoffzellenstack.
  • Wird der Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 100 unterbrochen oder beendet, so sollte kein Sauerstoff bzw. Luft mehr in den Brennstoffzellenstackbereich 2 und damit zur Brennstoffzelle 101 strömen, um diese vor möglichen Beschädigungen zu schützen.
  • Die Ventilvorrichtung 1 wird daher mittels des Aktuators 44 in die zweite Position II gebracht, wie in 3 gezeigt. Das heißt, der erste tellerförmige Bereich 301 des Ventilelements 10 sitzt auf dem zweiten Ventilsitz 982 auf und der zweite tellerförmige Bereich 302 des Ventilelements 10 sitzt auf dem vierten Ventilsitz 984 auf und öffnet so eine Gasströmung zwischen dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Abgasstrangbereich 3. Weiterhin wird gleichzeitig die Gasströmung zwischen dem Brennstoffzellenstackbereich 2 und dem Abgasstrangbereich 3 und die Gasströmung zwischen dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 und dem Brennstoffzellenstackbereich 2 gesperrt.
  • Die von dem Anschlusskanal 14 in den Innenraum 80 einströmende komprimierte Luft aus dem Luftströmungsmaschinenbereich 4 wird nun über den dritten Teilinnenraum 81 direkt in den Anschlusskanal 12 in den Abgasstrangbereich 3 geleitet und strömt somit nicht über die Brennstoffzelle 101. Der Brennstoffzellenstackbereich 2 ist somit über das Ventilelement 10 abgesperrt. Es kann somit keine Luft bzw. Sauerstoff mehr in Richtung der Brennstoffzelle 101 strömen, während diese nicht im normalen Betriebszustand ist.
  • 5 zeigt ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug 90 mit einer Brennstoffzellenanordnung 100 und einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 1 in schematischer Ansicht. So kann die Brennstoffzellenanordnung 100 mit der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 1 als Antrieb in brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen 90 verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102016224273 A1 [0004]

Claims (11)

  1. Ventilvorrichtung (1) insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung in einer Brennstoffzellenanordnung mit einem Ventilgehäuse (10), in welchem Ventilgehäuse (10) ein entlang einer Längsachse (99) und durch einen Aktuator (44) bewegliches Ventilelement (30) angeordnet ist, welches Ventilelement (30) einen ersten tellerförmigen Bereich (301) und einen zweiten tellerförmigen Bereich (302) aufweist, welcher erster tellerförmiger Bereich (301) mit jeweils einem ersten Ventilsitz (981) und einem zweiten Ventilsitz (982) zum Öffnen und Schließen einer Gasströmung zwischen einem Brennstoffzellenstackbereich (2) und einem Abgasstrangbereich (3) bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und einem Abgasstrangbereich (3) bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und einem Brennstoffzellenstackbereich (2) zusammenwirkt und welcher zweiter tellerförmiger Bereich (302) mit jeweils einem dritten Ventilsitz (983) und einem vierten Ventilsitz (984) zum Öffnen und Schließen einer Gasströmung zwischen einem Brennstoffzellenstackbereich (2) und einem Abgasstrangbereich (3) bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und einem Abgasstrangbereich (3) bzw. einem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und einem Brennstoffzellenstackbereich (2) zusammenwirkt.
  2. Ventilvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (30) einen stiftförmigen Bereich (303) aufweist, welcher stiftförmige Bereich (303) in einer Öffnung (501) des Ventilgehäuses (10) aufgenommen, geführt und entlang der Längsachse (99) bewegbar ist.
  3. Ventilvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstackbereich (2) und der Abgasstrangbereich (3) bzw. der Luftströmungsmaschinenbereich (4) und der Abgasstrangbereich (3) bzw. der Luftströmungsmaschinenbereich (4) und der Brennstoffzellenstackbereich (2) über einen Innenraum (80) der Ventilvorrichtung (1) verbindbar sind.
  4. Ventilvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (80) mittels des Ventilelements (30) in einen ersten Teilinnenraum (82), einen zweiten Teilinnenraum (83) und einen dritten Teilinnenraum (81) separierbar ist.
  5. Ventilvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstackbereich (2) und der Abgasstrangbereich (3) über den ersten Teilinnenraum (82) verbindbar ist.
  6. Ventilvorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrangbereich (3) und der Luftströmungsmaschinenbereich (4) über den dritten Teilinnenraum (81) verbindbar ist.
  7. Ventilvorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftströmungsmaschinenbereich (4) und der Brennstoffzellenstackbereich (2) über den zweiten Teilinnenraum (83) verbindbar ist.
  8. Ventilvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstackbereich (2) und dem Abgasstrangbereich (3) über den ersten Teilinnenraum (82) und die Verbindung zwischen dem Luftströmungsmaschinenbereich (4) und dem Brennstoffzellenstackbereich (2) über den zweiten Teilinnenraum (83) gleichzeitig öffen- und sperrbar ist.
  9. Ventilvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstackbereich (2), der Abgasstrangbereich (3) und der Luftströmungsbereich (4) radial zu der Längsachse (99) der Ventilvorrichtung (1) angeordnet sind.
  10. Brennstoffzellenanordnung (100) mit einer Ventilvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  11. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug (90) mit einer Ventilvorrichtung (1) insbesondere zur Steuerung einer Gasströmung nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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