EP4320661A1 - Absperrvorrichtung für den rezirkulationskreis eines brennstoffzellenstapels - Google Patents

Absperrvorrichtung für den rezirkulationskreis eines brennstoffzellenstapels

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EP4320661A1
EP4320661A1 EP22700531.1A EP22700531A EP4320661A1 EP 4320661 A1 EP4320661 A1 EP 4320661A1 EP 22700531 A EP22700531 A EP 22700531A EP 4320661 A1 EP4320661 A1 EP 4320661A1
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EP
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valve
hydrogen
shut
recirculation
recirculation circuit
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Pending
Application number
EP22700531.1A
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French (fr)
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Jan PFANNENMUELLER
Matthias REUM
Markus Popp
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Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a shut-off device for the recirculation circuit of a fuel cell stack with a hydrogen supply and a recirculation gas supply.
  • Fuel cells convert the chemical energy of a fuel into electricity by reacting with oxygen (usually from the air). Hydrogen is mostly used as a fuel. We will therefore always use “hydrogen” for fuel in the following, but explicitly include other gaseous fuels such as butane, propane, methane, methanol or other hydrocarbons.
  • PEM fuel cells are also called polymer electrolyte fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, PEFC, proton exchange membrane fuel cells, proton exchange membrane fuel cells, PEMFC or solid polymer fuel cells, solid polymer fuel cells, SPFC. Since a fuel cell normally generates a voltage of only approx. 1 V, several cells are usually connected to form stacks or so-called stacks in order to achieve a higher overall voltage.
  • hydrogen fuel cells are supplied with hydrogen in excess of the stoichiometry, which means that they do not consume all the hydrogen in the anode compartment, as otherwise liquid water and inert gases would accumulate. In order not to waste the superfluous hydrogen, it is recycled, i.e. recirculated.
  • a recirculation circuit is provided, which deducts the hydrogen from the anode chamber and brings it to a mixing device in which it is mixed with fresh hydrogen and then fed back to the anode chamber.
  • a mechanical pump or a to run blowers in a circle This is known, for example, from WO 2012/104 191 A1.
  • the recirculation gas accumulates over the operating time with nitrogen and other undesirable gases that have to be released depending on the operating strategy. This is done via a purge valve. When purging, it is advantageous if the recirculation is prevented.
  • the object of the invention is therefore to propose a cheaper shut-off device for the recirculation circuit of a hydrogen supply for a fuel cell stack.
  • shut-off device with the features of claim 1.
  • Preferred embodiments of the invention are specified in the subclaims and the following description, which individually or in combination can represent an aspect of the invention.
  • a shut-off device for the recirculation circuit of a fuel cell stack with a hydrogen supply and a recirculation gas supply is proposed, in which a recirculation circuit shut-off valve is provided, which is switched by an upstream hydrogen switching valve.
  • the actual recirculation circuit shut-off valve is actuated by the high hydrogen pressure in the supply (currently around 900 bar), with the hydrogen supply pressure then actuating the valve slide of the actual recirculation circuit shut-off valve.
  • the fresh hydrogen pressure can also be significantly lower. Some operators work at approx. 25 bar medium hydrogen pressure.
  • the actual shut-off valve which has a significantly larger diameter, is then not moved according to the invention by an electric actuator, i.e. an assistant, but is pushed and opened by another force, so to speak.
  • an electric actuator i.e. an assistant
  • the relatively high pressure (force per area) of the hydrogen supply exerts a relatively high force when it hits a piston (area), and thus also moves large pistons or slides safely and reliably.
  • a second valve here called what hydrogen switching valve, is switched upstream of the actual recirculation circuit shut-off valve.
  • the hydrogen switching valve can then be relatively small and can be moved by a small actuator.
  • This upstream valve switches the hydrogen supply pressure to the recirculation circuit isolation valve. Since the hydrogen supply pressure is significantly higher than the pressure in the recirculation circuit of the stack, the actual valve spool of the recirculation circuit shut-off valve moves to the “recirculation circuit closed” valve position due to the pressure differences.
  • the recirculation circuit shut-off valve then completely closes the recirculation circuit, but it is still possible to supply the stack with fresh hydrogen at the same time and thus continue to operate.
  • the hydrogen switching valve also has the advantage that only static seals are required to the outside. This means that it only has inexpensive, proven sealing elements and does not need any more expensive elements that would also seal during rotation.
  • the upstream hydrogen switching valve is a normally controlled valve that opens or closes an opening.
  • the actual recirculation circuit shut-off valve is a spool valve whose valve piston can partially or completely wear out the somewhat larger line as it moves. The slide or piston preferably moves transversely to the line to be opened and closed.
  • the stroke and the cross-section of the two valves can be freely selected within a wide range. It is favorable if the valve lift of the recirculation circuit shut-off valve is independent of the valve lift or armature lift of the hydrogen switching valve. Since this only gives the impetus for the movement of the recirculation circuit shut-off valve, a small valve lift is sufficient to allow the higher hydrogen pressure to act on the recirculation circuit shut-off valve, which can then move it further by a much larger lift.
  • the switched cross section of the recirculation circuit shut-off valve is also independent of the cross section of the hydrogen switching valve. Even a small bore pilot valve can allow the high hydrogen pressure to reach the large bore recirculation loop check valve and cause it to move.
  • the cross section or the bore of the recirculation circuit shut-off valve can be freely selected and is, for example, dependent on the prevailing pressure conditions between the water supply pressure and the recirculation circuit pressure in/on the stack.
  • the hydrogen switching valve can be activated in a known manner, for example pneumatically, hydraulically or mechanically.
  • the actuation can preferably take place electrically or electromagnetically, for example via a solenoid valve with an armature in a moving coil.
  • the piston of the valve moved by an actuator is actively pushed both in one direction and in the opposite direction, for example being moved by a flow in one direction and by the opposite flow in the other direction.
  • the hydrogen switching valve and/or the recirculation circuit shut-off valve each has a restoring mechanism, preferably an integrated restoring spring. This restoring component then causes a movement in the opposite direction.
  • the restoring element or springs will preferably move one or both valves into the so-called fail-safe position. This means, for example, that the return spring of the hydrogen switching valve presses it into the closed position, so that in the event of a power failure or another fault in the controller, the hydrogen switching valve is closed, i.e.
  • the downstream recirculation circuit shut-off valve remains open and the normal recirculation circuit is kept open.
  • the return spring of the recirculation circuit shut-off valve presses it into the open position, so that in the event of a power failure or another fault in the controller, the recirculation circuit shut-off valve is open, i.e. the normal recirculation circuit remains open. This is achieved by the two springs.
  • Two valves are used in the invention.
  • One is the hydrogen switching valve, which is actuated, and the other is the recirculation circuit shut-off valve, which is then pushed into the closed position by the flow of pressurized gas. It is advisable to provide a mechanism that allows the second valve to slide back into its original position after a while. This can be a small hole that vents the gas pressure somewhere after the first valve closes, allowing the second valve, the recirculation circuit isolation valve, to return to its normal position after a period of time.
  • valve slide of the recirculation circuit shut-off valve has a certain amount of leakage, ie its valve slide does not seal completely against the housing, the gas that has been introduced escapes, so that the valve slide moves back automatically, for example due to its return spring. Without this leakage, no pressure equalization would take place. This can be done by increased guide radial play and/or by a bore and/or by a relief groove.
  • the hydrogen has to be taken along and stored in a type of tank. To do this, it is stored either in liquid form or under pressure. Since liquid storage requires extremely low temperatures (a few Kelvin at most), storage under pressure (up to approx. 900 cash) enforced. This requires valves that are also designed for this high pressure range. Strong adjusting elements or actuators are often necessary here in order to carry out movements against these pressures.
  • a hydrogen switching valve is therefore used which has pressure compensation for the valve piston (or the armature in the case of solenoid valves) and thus significantly reduces the adjustment forces. You can therefore work with lighter and weaker actuators.
  • one or more overflow bores are therefore provided in the housing and/or in the actuator, which allow hydrogen to get to the other side of the valve piston and thus require only a lower actuating force. It is also possible to provide one or more longitudinal grooves in the piston or armature. A pressure compensation in the anchoring position is particularly useful.
  • a seat valve can be provided in the front stop of the actuator.
  • the seat can be a cone seat or a flat valve face.
  • Sealing elements can also be provided, such as one or more O-rings, overmoulded seats or an overmoulded valve slide.
  • the shut-off device according to the invention can be designed as an independent unit, which is then attached to or near the gas supply to the stack, ie preferably at the entrance to the anode chamber of the stack, where the fresh water supply and the recirculation gas line come together.
  • the hydrogen switching valve and the recirculation circuit shut-off valve can form a structural unit together with a hydrogen injection device.
  • the invention described here can be integrated with a hydrogen injector with passive recirculation, which is equipped with a hydrogen supply, a recirculation gas supply, a jet pump with a nozzle and nozzle needle for the hydrogen, a mixing unit, and a linear actuator for moving a valve piston with the nozzle needle .
  • a hydrogen control valve can also be integrated into the nozzle needle, which can simultaneously act as a hydrogen pressure control valve and as a shut-off valve.
  • the invention can also be used in fuel cell stacks with active recirculation.
  • the recirculation circuit shut-off valve has end position damping for one or both end positions of both stroke directions.
  • This can be an elastic element such as a rubber washer.
  • Pneumatic cushioning is preferably provided.
  • a piston here, for example, the cylindrical guide of the return spring
  • counter-pressure builds up as the piston enters the bore and thus slows down the movement.
  • the shut-off device according to the invention can be made of any suitable material.
  • the material must be able to withstand the mechanical loads and temperatures prevailing there.
  • Metal or plastic is recommended as the predominant material for the pistons, housing and lines. For seals elastic materials.
  • Fig. 2 shows a detail of Fig. 1 and
  • Fig. 3 to 6 the shut-off device of FIG. 1 in four different switching states.
  • Fig. 1 shows a shut-off device according to the invention on a hydrogen injection device for a fuel cell stack with a passive recirculation unit.
  • the hydrogen injection device contains a hydrogen supply 10, a recirculation gas supply 12, and a jet pump 14 with a nozzle 16 and nozzle needle 18, which injects fresh hydrogen from the hydrogen supply 10 via the nozzle 16.
  • This hydrogen which is under high pressure and therefore fast, tears at the Jet pump 14 recirculation gas from the recirculation gas supply 12 with direction gas outlet 38 to the anode space of the stack, whereby the passive recirculation is kept going.
  • the gases mix in the suction chamber in front of the nozzle 16 and pass through a mixing tube and a diffuser to the gas outlet 38.
  • a hydrogen control valve 32 is moved back and forth by a linear actuator with an electromagnet and thus controls the amount of fresh hydrogen supplied.
  • a pressure sensor 36 measures the gas pressure at the anode chamber and is a measure of the amount of hydrogen required.
  • shut-off device Below the hydrogen injection device, but here integrated in the same housing, are the essential components of the shut-off device according to the invention, namely the hydrogen switching valve 22 with valve piston or valve slide 26 and the recirculation circuit shut-off valve 20 with valve piston or valve slide 24.
  • the hydrogen switching valve 22 is equipped with a linear actuator 28, for example an electromagnet, which can move the armature 30 and thus the valve slide 26 back and forth.
  • the valve slide 26 of the hydrogen switching valve 22 is pushed to the right by a return spring 34 to the right stop and ver closes there with its valve seat 48 an opening that leads from the hydrogen supply 10 to the recirculation circuit shut-off valve 20 (normally closed position).
  • a return spring 34 to the right stop and ver closes there with its valve seat 48 an opening that leads from the hydrogen supply 10 to the recirculation circuit shut-off valve 20 (normally closed position).
  • two Studentsströmboh stanchions 40 which ensure pressure compensation, especially in the armature end stop.
  • the valve spool 24 of the recirculation circuit shut-off valve 20 To the right of said opening is the recirculation circuit shut-off valve 20, the valve spool 24 of which is pushed to the left by a return spring 42. In this left stop position, the line of the recirculation gas supply 12 to the stack would be released, which leads to an open position for normal operation (normally open position).
  • 1 shows the valve slide 24 of the recirculation circuit shut-off valve 20 not in one of its two end positions, but in an intermediate position in which the valve slide 24 of the recirculation circuit shut-off valve 20 closes the recirculation gas supply 12 to the stack.
  • two end-position damping devices 44 are provided at the end stops, which preferably work pneumatically.
  • FIG. 2 again shows the valve slide 24 of the recirculation circuit shut-off valve 20 with a longitudinal groove 46 in the housing in a top view.
  • gas can flow past the valve spool 24 of the recirculation circuit shut-off valve 20 and create a pressure equalization in front of and behind it, so that the valve spool 24 becomes force-free and the return spring 42 can push it into the open position for normal operation without any problems.
  • FIG. 3 to 6 show the shut-off device of FIG. 1 in four different switching states to explain the mode of operation.
  • FIG 3 shows the fail-safe position of the two valves, hydrogen switching valve 22 and recirculation circuit shut-off valve 20, ie the rest position when everything is de-energized. Since the linear actuator 28 is not working, the restoring spring 34 presses the valve slide 26 of the hydrogen switching valve 22 into the right-hand end position, where the valve slide 26 closes the opening to the recirculation circuit shut-off valve 20 . The hydrogen switching valve 22 is therefore closed. The high-pressure hydrogen gas cannot then reach the recirculation circuit shut-off valve 20 from the hydrogen supplier 10 .
  • the second restoring spring 42 presses the valve slide 24 of the recirculation circuit shut-off valve 20 into the left end position, so that the valve slide 24 leaves the recirculation circuit open.
  • the recirculation circuit shut-off valve 20 is therefore open.
  • the recirculation gas can thus travel upwards from the recirculation gas feed 12 to the hydrogen injection device and thus to the stack.
  • FIG. 4 shows the two valves, hydrogen switching valve 22 and recirculation circuit shut-off valve 20, in a different position.
  • the linear actuator 28 is now energized and pulls the valve slide 26 of the hydrogen switching valve 22 against the action of the spring 34 somewhat to the left, so that the valve slide 26 opens the opening to the recirculation circuit shut-off valve 20 .
  • the hydrogen switching valve 22 is therefore open.
  • the high-pressure hydrogen gas can thus reach the recirculation circuit shut-off valve 20 from the hydrogen feed line 10 .
  • This high-pressure gas (or hydrogen supply pressure) pushes the spool 24 of the recirculation shut-off valve 20 to the right against the action of the spring 42 so that the spool 24 closes the recirculation circuit.
  • the recirculation circuit shut-off valve 20 is therefore closed.
  • the recirculation gas can no longer inject device from the recirculation gas supply 12 upwards to the hydrogen injection device and thus reach the stack.
  • FIG. 5 shows the two valves, hydrogen switching valve 22 and recirculation circuit shut-off valve 20, again in a different position.
  • the linear actuator 28 is now de-energized, whereby the valve slide 26 of the hydrogen switching valve 22 is pressed spring-loaded to the right again into the right end position, so that the valve slide 26 closes the opening to the recirculation circuit shut-off valve 20 .
  • the water switching valve 22 is therefore closed.
  • Fresh high-pressure hydrogen gas cannot travel from the hydrogen supply line 10 to the recirculation circuit shut-off valve 20.
  • the valve spool 24 of the recirculation shut-off valve 20 is located slightly to the right because of the gas still on its left side, ie in the position as in FIG. 4, so that the valve spool 24 still closes the recirculation circuit.
  • the recirculation circuit shut-off valve 20 is therefore still closed.
  • the recirculation gas is still unable to get from the recirculation gas supply 12 upwards to the hydrogen injection device and thus to the stack.
  • the hydrogen supply pressure in the space to the left of the valve slide 24 of the recirculation shut-off valve 20 slowly decreases thanks to the longitudinal groove 46, so that the spring 42 can begin to slowly push the valve slide 24 to the left and thus open the recirculation line.
  • the spring 42 has succeeded in pushing the valve slide 24 of the recirculation shut-off valve 20 all the way to the left, into the open position of the recirculation shut-off valve 20.
  • the recirculation gas can now flow upwards again from the recirculation gas supply line 12 to the hydrogen injection device and thus to the stack.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Absperrvorrichtung für den Rezirkulationskreis eines Brennstoffzellenstapels mit einer Wasserstoffzuführung (10) und einer Rezirkulationsgaszuführung (12). Um eine preiswerte Absperrvorrichtung für den Rezirkulationskreis zu erhalten, wird vorgeschlagen, dass ein Rezirkulationskreisabsperrventil (20) vorgesehen ist, das von einem vorgelagerten Wasserstoffschaltventil (22) geschaltet wird.

Description

Absperrvorrichtung für den Rezirkulationskreis eines Brennstoffzellenstapels
Die Erfindung betrifft eine Absperrvorrichtung für den Rezirkulationskreis eines Brenn stoffzellenstapels mit einer Wasserstoffzuführung und einer Rezirkulationsgaszufüh- rung.
Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffs durch eine Reakti on mit Sauerstoff (in der Regel aus der Luft) in Elektrizität um. Meist wird Wasserstoff als Brennstoff verendet. Wir werden daher im Weiteren immer „Wasserstoff“ für den Brennstoff oder Kraftstoff verwenden, schließen aber andere gasförmige Brennstoffe wie Butan, Propan, Methan, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe explizit mit ein.
Bekannt sind Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einem ionenleitenden Polymer elektrolyten, der eine Anode von einer Kathode trennt. Der Wasserstoff wird dem Anodenraum zugeführt, der Sauerstoff dem Kathodenraum. Die Wasserstoff ionen wandern durch den Elektrolyten, die Elektronen wandern über einen elektrischen Stromkreis und einen Verbraucher außerhalb der Zelle. Solche PEM-Brennstoffzellen werden auch Polymerelektrolytbrennstoffzellen, Poylmer Electrolyte Fuel Cells, PEFC, Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen, Proton Exchange Membran Fuel Cells, PEMFC oder Feststoffpolymerbrennstoffzellen, Solid Polymer Fuel Cells, SPFC ge nannt. Da eine Brennstoffzelle normalerweise eine Spannung von nur ca. 1 V erzeugt, werden in der Regel mehrere Zellen zu Stapeln oder sogenannten Stacks verbunden, um insgesamt eine höhere Spannung zu erreichen.
Wasserstoffbrennstoffzellen werden im Betrieb überstöchiometrisch mit Wasserstoff versorgt, das heißt, sie verbrauchen nicht den gesamten Wasserstoff im Anodenraum, da sich sonst flüssiges Wasser und Inertgase ansammeln würden. Um den überflüssi gen Wasserstoff nicht zu verschwenden, wird er recycelt, also einer Rezirkulation zu geführt. Dazu ist ein Rezirkulationskreis vorgesehen, der den Wasserstoff des Ano denraumes abzieht und zu einer Mischeinrichtung bringt, in der er mit frischem Was serstoff vermischt wird und dann wieder dem Anodenraum zugeführt wird. Hierzu gibt es die Möglichkeit, den Wasserstoff aktiv mit einer mechanischen Pumpe oder einem Gebläse im Kreis zu führen. Dies ist zum Beispiel aus der WO 2012/104 191 A1 be kannt.
Möglich ist es auch, den Wasserstoff passiv im Kreis zu führen, indem eine Strahl pumpe mit einer Düse für den frischen Wasserstoff vorgesehen ist, die mit dem höhe ren Frischwasserstoffdruck den zu recycelnden Wasserstoff mitreißt. Aus der US 2014/0080016 A1 ist eine solche Wasserstoffversorgung mit passiver Rezirkulati- on bekannt mit einer Wasserstoffzuführung, einer Rezirkulationsgaszuführung, einer Strahlpumpe mit Wasserstoffregelventil für den Wasserstoff, einer Mischeinheit und einer Absperrvorrichtung für die Rezirkulationsleitung. Diese Absperrvorrichtung für den Rezikulationskreis des Brennstoffzellenstapels mit einer Wasserstoffzuführung und einer Rezirkulationsgaszuführung bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
In manchen Betriebssituationen ist es notwendig oder wünschenswert, die Rückfüh rung des Rezirkulationskreislaufes zu unterbinden. Des Weiteren reichert sich das Rezirkulationsgas über die Betriebszeit mit Stickstoff und anderen nicht erwünschten Gasen an, die je nach Betriebsstrategie abgelassen werden müssen. Dies erfolgt über ein Purgeventil. Beim Purgen ist es von Vorteil, wenn die Rezirkulation unterbunden ist.
Da der Rezirkulationskreislauf bei relativ niedrigem Überdruck arbeitet, sind die Quer schnitte der Leitungen relativ groß. Auch sollte der Durchfluss in Offenstellung nicht stark beeinträchtigt werden. Große, widerstandsarme Absperrventile sind aber sehr teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine preisgünstigere Absperrvorrichtung für den Rezirkulationskreis einer Wasserstoffversorgung eines Brennstoffzellenstapels vorzu schlagen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Absperrvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Erfindungsgemäß ist also eine Absperrvorrichtung für den Rezirkulationskreis eines Brennstoffzellenstapels mit einer Wasserstoffzuführung und einer Rezirkulationsgas- zuführung vorgeschlagen, bei der ein Rezirkulationskreisabsperrventil vorgesehen ist, das von einem vorgelagerten Wasserstoffschaltventil geschaltet wird.
Erfindungsgemäß wird das eigentliche Rezirkulationskreisabsperrventil vom hohen Wasserstoffdruck des Vorrats (zurzeit ca. 900 bar) angesteuert, wobei der Wasser stoffversorgungsdruck dann den Ventilschieber des eigentlichen Rezirkulationskreis- absperrventils betätigt. Der Frischwasserstoffdruck kann auch deutlich niedriger sein. Manche Betreiber arbeiten bei ca. 25 bar Wasserstoffmitteldruck. Das eigentliche Ab sperrventil, das einen deutlich größeren Durchmesser hat, wird dann erfindungsge mäß nicht von einem elektrischen Aktor, also einer Hilfskraft, bewegt, sondern von ei ner anderen Kraft sozusagen angestoßen und geöffnet. Hier nutzen die Erfinder die Energie, die im gespeicherten Frischwasserstoff als Druckenergie sowieso vorhanden ist und vor Ort anliegt. Der relativ hohe Druck (Kraft pro Fläche) des Wasserstoffvor rats übt ja, wenn er auf einen Kolben (Fläche) trifft, eine relativ hohe Kraft aus und bewegt so auch groß dimensionierte Kolben oder Schieber sicher und zuverlässig.
Zur Nutzung des Wasserstoffdrucks ist erfindungsgemäß ein zweites Ventil, hier Was serstoffschaltventil genannt, dem eigentlichen Rezirkulationskreisabsperrventil vorge schaltet. Das Wasserstoffschaltventil kann dann relativ klein sein und kann von einem kleinen Aktor bewegt werden. Dieses vorgeschaltete Ventil schaltet den Wasser stoffversorgungsdruck auf das Rezirkulationskreisabsperrventil. Da der Wasser stoffversorgungsdruck wesentlich größer ist als der Druck im Rezirkulationskreis des Stacks, bewegt sich der eigentliche Ventilschieber des Rezirkulationskreisabsperrven- tils aufgrund der Druckunterschiede in die Ventilposition „Rezirkulationskreis ge schlossen“. Das Rezirkulationskreisabsperrventil verschließt den Rezirkulationskreis dann vollständig, trotzdem ist es möglich, das Stack zur selben Zeit mit frischem Was serstoff zu versorgen und so den Betrieb weiter aufrecht zu halten. Das Wasser stoffschaltventil hat auch noch den Vorteil, dass es nach Extern nur statische Dichtun gen braucht. Damit hat es nur preiswerte, bewährte Dichtelemente und braucht keine teureren Elemente, die auch bei Rotation abdichten würden. In einer bevorzugten Ausführung ist das vorgeschaltete Wasserstoffschaltventil ein an sich übliches, angesteuertes Ventil, das eine Öffnung öffnet oder schließt. Das eigent liche Rezirkulationskreisabsperrventil ist dagegen ein Schieberventil, dessen Ventil kolben bei seiner Bewegung die etwas größere Leitung teilweise oder ganz verschlei ßen kann. Bevorzugt bewegt sich der Schieber oder Kolben quer zur zu öffnenden und zu schließenden Leitung.
Der Hub und der Querschnitt der beiden Ventile sind in weitem Rahmen frei wählbar. Günstig ist es, wenn der Ventilhub des Rezirkulationskreisabsperrventils unabhängig vom Ventilhub oder Ankerhub des Wasserstoffschaltventils ist. Da dieses ja sozusa gen nur den Anstoß für die Bewegung des Rezirkulationskreisabsperrventils gibt, reicht ein kleiner Ventilhub, den höheren Wasserstoffdruck auf das Rezirkulations- kreisabsperrventil wirken zu lassen, der es dann einen viel größeren Hub weiter ver schieben kann.
Auch ist der geschaltete Querschnitt des Rezirkulationskreisabsperrventils unabhän gig vom Querschnitt des Wasserstoffschaltventils. Auch ein Schaltventil mit kleiner Bohrung kann den hohen Wasserstoffdruck zum Rezirkulationskreisabsperrventil mit großer Bohrung lassen und so dessen Bewegung bewirken. Der Querschnitt oder die Bohrung des Rezirkulationskreisabsperrventils kann frei gewählt werden und ist zum Beispiel abhängig von den herrschenden Druckverhältnissen zwischen Wasser stoffversorgungsdruck und Rezirkulationskreisdruck im/am Stack.
Die Ansteuerung des Wasserstoffschaltventils kann auf bekannte Weise, zum Beispiel pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch erfolgen. Bevorzugt kann die Ansteuerung elektrisch oder elektromagnetisch erfolgen, also zum Beispiel über ein Magnetventil mit Anker in einer Tauchspule.
Möglich ist, dass der Kolben des von einem Aktor bewegten Ventils sowohl in die eine Richtung als auch in die Gegenrichtung aktiv geschoben wird, zum Beispiel von einem Strom in die eine Richtung und vom entgegengesetzten Strom in die andere Richtung bewegt wird. In einer bevorzugten Ausführung weisen das Wasserstoffschaltventil und/oder das Rezirkulationskreisabsperrventil aber je einen Rückstellmechanismus auf, bevorzugt je eine integrierte Rückstellfeder. Dieses rückstellende Bauelement veranlasst dann eine Bewegung in die Gegenrichtung. Bevorzugt werden das oder die rückstellenden Elemente oder Federn das eine oder beide Ventile je in die sogenann te Fail-Safe-Position verschieben. Das heißt, dass zum Beispiel die Rückstellfeder des Wasserstoffschaltventils dieses in die Geschlossenstellung drückt, so dass bei Strom ausfall oder einer anderen Störung in der Steuerung das Wasserstoffschaltventil ge schlossen ist, also das nachgeordnete Rezirkulationskreisabsperrventil geöffnet lässt und so den normalen Rezirkulationskreislauf offenhält. Ebenso heißt das, dass zum Beispiel die Rückstellfeder des Rezirkulationskreisabsperrventils dieses in die Geöff netstellung drückt, so dass bei Stromausfall oder einer anderen Störung in der Steue rung das Rezirkulationskreisabsperrventil offen ist, also den normalen Rezirkulations kreislauf offenlässt. Dies wird durch die zwei Federn erreicht.
Bei der Erfindung sind zwei Ventile eingesetzt. Einmal das Wasserstoffschaltventil, das angesteuert wird, und einmal das Rezirkulationskreisabsperrventil, das dann vom Flochdruckgasstrom in die Geschlossenstellung verschoben wird. Dabei empfiehlt es sich, einen Mechanismus vorzusehen, der das zweite Ventil nach einiger Zeit wieder in die Ausgangsstellung gleiten lässt. Dies kann eine kleine Bohrung sein, die den Gasdruck nach Schließen des ersten Ventils irgendwohin ablässt und es so erlaubt, dass das zweite Ventil, das Rezirkulationskreisabsperrventil, nach einer gewissen Zeit wieder in seine Grundstellung gelangen kann. In einer bevorzugten Ausführung weist der Ventilschieber des Rezirkulationskreisabsperrventils eine gewisse Leckage auf, das heißt, sein Ventilschieber dichtet nicht vollständig zum Gehäuse hin, das einge- brachte Gas entweicht, so dass der Ventilschieber zum Beispiel durch seine Rück stellfeder selbständig zurückfährt. Ohne diese Leckage würde kein Druckausgleich stattfinden. Dies kann durch ein erhöhtes Führungsradialspiel und/oder durch eine Bohrung und/oder durch eine Entlastungsnut erfolgen.
Soll die Brennstoffzelle ein Fahrzeug antreiben, so muss der Wasserstoff mitgenom men und in einer Art Tank gespeichert werden. Dazu wird er entweder flüssig oder un ter Druck gelagert. Da für die Flüssiglagerung extrem tiefe Temperaturen (maximal ei nige Kelvin) notwendig sind, hat sich derzeit die Lagerung unter Druck (bis ca. 900 bar) durchgesetzt. Dies erfordert Ventile, die auch für diesen hohen Druckbereich ausgelegt sind. Hier sind oft starke Verstellelemente oder Aktoren notwendig, um Be wegungen gegen diese Drücke durchzuführen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird daher ein Wasserstoffschaltventil eingesetzt, das eine Druckkompen sation des Ventilkolbens (oder des Ankers bei Magnetventilen) aufweist und damit die Verstellkräfte deutlich reduziert. Man kann deshalb mit leichteren und schwächeren Aktoren arbeiten. In dieser Ausführung der Erfindung sind daher eine oder mehrere Überströmbohrungen im Gehäuse und/oder im Aktor vorgesehen, die Wasserstoff auf die andere Seite des Ventilkolbens gelangen lassen und so nur eine niedrigere Ver stellkraft benötigen. Möglich ist es auch, eine oder mehrere Längsnuten im Kolben oder Anker vorzusehen. Besonders sinnvoll ist eine Druckkompensation im Ankeren danschlag.
Um die Absperrfunktion gegen den recht hohen Wasserstoffdruck zuverlässig und vollständig erfüllen zu können, kann vorgesehen sein, dass dem Wasserstoffschalt ventil ein abdichtender Ventilsitz zugeordnet ist. So kann zum Beispiel im vorderen Anschlag des Aktors ein Sitzventil vorgesehen sein. Der Sitz kann ein Kegelsitz oder eine plane Ventilfläche sein. Es können auch Dichtelemente vorgesehen sein, wie ein oder mehrere O-Ringe, umspritzte Sitze oder ein umspritzter Ventilschieber.
Die erfindungsgemäße Absperrvorrichtung kann als eigenständige Baueinheit ausge führt sein, die dann am oder in der Nähe der Gaszuführung zum Stack angebracht wird, also bevorzugt am Eingang des Anodenraumes des Stacks, wo die Frischwas serstoffzufuhr und die Rezirkulationsgasleitung Zusammenkommen. Möglich und im Rahmen der Erfindung ist aber auch, dass das Wasserstoffschaltventil und das Rezir- kulationskreisabsperrventil zusammen mit einer Wasserstoffeinspritzvorrichtung eine Baueinheit bilden. So kann zum Beispiel die hier beschriebene Erfindung mit einer Wasserstoffeinspritzvorrichtung mit passiver Rezirkulation integriert sein, die mit einer Wasserstoffzuführung, einer Rezirkulationsgaszuführung, einer Strahlpumpe mit Düse und Düsennadel für den Wasserstoff, einer Mischeinheit, und einem Linearaktor zum Bewegen eines Ventilkolbens mit der Düsennadel ausgestattet ist. Bei dieser Vorrich tung kann auch ein Wasserstoffregelventil an der Düsennadel integriert sein, das gleichzeitig als Wasserstoffdruckregelventil und als Absperrventil wirken kann. Die Erfindung kann aber auch an Brennstoffzellenstapeln mit aktiver Rezirkulation eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführung weist das Rezirkulationskreisabsperrventil eine End lagendämpfung für eine oder beide Endstellungen beider Hubrichtungen auf. Dies kann ein elastisches Element wie eine Gummischeibe sein. Bevorzugt ist eine pneu matische Endlagendämpfung vorgesehen. Dabei fährt ein Kolben (hier zum Beispiel die zylindrische Führung der Rückstellfeder) in eine Sacklochbohrung ein. Je nach eingestelltem Spiel zwischen Bohrung und Kolben baut sich ein Gegendruck durch das Eintauchen des Kolbens in die Bohrung auf und bremst somit die Bewegung ab.
Die erfindungsgemäße Absperrvorrichtung kann aus jedem geeigneten Material her gestellt sein. Das Material muss den dort herrschenden mechanischen Belastungen und Temperaturen Stand halten. So empfiehlt sich Metall oder Kunststoff als vorherr schender Werkstoff für die Kolben, Gehäuse und Leitungen. Für Dichtungen elasti sche Werkstoffe.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfol gend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Absperrvorrichtung,
Fig. 2 ein Detail der Fig. 1 und
Fig. 3 bis 6: die Absperrvorrichtung der Fig. 1 in vier unterschiedlichen Schaltzustän den.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Absperrvorrichtung an einer Wasserstoffeinspritz vorrichtung für einen Brennstoffzellenstack mit passiver Rezirkulationseinheit. Die Wasserstoffeinspritzvorrichtung enthält eine Wasserstoffzuführung 10, eine Rezirkula- tionsgaszuführung 12, und eine Strahlpumpe 14 mit Düse 16 und Düsennadel 18, die frischen Wasserstoff aus der Wasserstoffzuführung 10 über die Düse 16 einspritzt. Dieser unter hohem Druck stehende und daher schnelle Wasserstoff reißt an der Strahlpumpe 14 Rezirkulationsgas aus der Rezirkulationsgaszuführung 12 mit Rich tung Gasauslass 38 zum Anodenraum des Stacks, wodurch die passive Rezirkulation in Gang gehalten wird. Die Gase mischen sich im Saugraum vor der Düse 16 und ge langen durch ein Mischrohr und einen Diffusor zum Gasauslass 38. Ein Wasserstoff regelventil 32 wird von einen Linearaktor mit Elektromagnet hin- und herbewegt und regelt so die Menge des zugeführten Frischwasserstoffes. Ein Drucksensor 36 misst den Gasdruck am Anodenraum und gibt so ein Maß für die erforderliche Wasserstoff menge.
Unterhalb der Wasserstoffeinspritzvorrichtung, aber hier im gleichen Gehäuse inte griert, befindet sich die wesentlichen Bauteile der erfindungsgemäßen Absperrvorrich tung, nämlich das Wasserstoffschaltventil 22 mit Ventilkolben oder Ventilschieber 26 und das Rezirkulationskreisabsperrventil 20 mit Ventilkolben oder Ventilschieber 24.
Das Wasserstoffschaltventil 22 ist mit einem Linearaktor 28, zum Beispiel einem Elektromagneten, ausgerüstet, der den Anker 30 und damit den Ventilschieber 26 hin und her bewegen kann. Der Ventilschieber 26 des Wasserstoffschaltventils 22 wird von einer Rückstellfeder 34 nach rechts in den rechten Anschlag gedrückt und ver schließt dort mit seinem Ventilsitz 48 eine Öffnung, die von der Wasserstoffzuführung 10 zum Rezirkulationskreisabsperrventil 20 führt (Normally Closed Position). Im Was serstoffschaltventil 22 befinden sich neben dem Ventilschieber 26 zwei Überströmboh rungen 40, die für eine Druckkompensation, vor allem im Ankerendanschlag, sorgen.
Rechts von der genannten Öffnung befindet sich das Rezirkulationskreisabsperrventil 20, dessen Ventilschieber 24 von einer Rückstellfeder 42 nach links gedrückt wird. In dieser linken Anschlagstellung wäre die Leitung der Rezirkulationsgaszuführung 12 zum Stack freigegeben, was zu einer Offenstellung für den Normalbetrieb (Normally Open Position) führt. In Fig. 1 ist der Ventilschieber 24 des Rezirkulationskreisab- sperrventils 20 aber nicht in einer seiner beiden Endlagen gezeigt, sondern in einer Zwischenstellung, in der der Ventilschieber 24 des Rezirkulationskreisabsperrventils 20 die Rezirkulationsgaszuführung 12 zum Stack verschließt. Für den Ventilschieber 24 des Rezirkulationskreisabsperrventils 20 sind zwei Endlagendämpfungen 44 an den Endanschlägen vorgesehen, die bevorzugt pneumatisch arbeiten. Unterhalb der Bohrung für den Ventilschiebers 24 des Rezirkulationskreisabsperrventils 20 befinden sich zwei Längsnuten 46, die Gas am Ventilschieber 24 langsam vorbeiströmen las sen, und als Überströmbohrungen dienen.
In der Figur 2 ist nochmals der Ventilschieber 24 des Rezirkulationskreisabsperrventils 20 mit einer Längsnut 46 im Gehäuse im Draufblick gezeigt. Auch hier ist zu erken nen, dass Gas neben dem Ventilschieber 24 des Rezirkulationskreisabsperrventils 20 vorbeiströmen kann und einen Druckausgleich vor und hinter ihm erzeugen kann, so dass der Ventilschieber 24 kräftefrei wird und die Rückstellfeder 42 ihn problemlos in die Offenstellung für den Normalbetrieb schieben kann.
Fig. 3 bis 6 zeigen zur Erklärung der Wirkungsweise die Absperrvorrichtung der Fig. 1 in vier unterschiedlichen Schaltzuständen.
Fig. 3 zeigt die fail-Safe Position der beiden Ventile Wasserstoffschaltventil 22 und Rezirkulationskreisabsperrventil 20, also die Ruhestellung, wenn alles stromlos ist. Da der Linearaktor 28 nicht arbeitet, drückt die Rückstellfeder 34 den Ventilschieber 26 des Wasserstoffschaltventils 22 in die rechte Endlage, wo der Ventilschieber 26 die Öffnung zum Rezirkulationskreisabsperrventil 20 verschließt. Das Wasserstoffschalt ventil 22 ist also geschlossen. Das Hochdruckwasserstoffgas kann dann nicht von der Wasserstoffzuführung 10 zum Rezirkulationskreisabsperrventil 20 gelangen.
Die zweite Rückstellfeder 42 drückt den Ventilschieber 24 des Rezirkulationskreisab- sperrventils 20 in die linke Endlage, so dass der Ventilschieber 24 den Rezirkulations- kreis offenlässt. Das Rezirkulationskreisabsperrventil 20 ist also geöffnet. Das Rezir- kulationsgas kann so von der Rezirkulationsgaszuführung 12 nach oben zur Wasser stoffeinspritzvorrichtung und damit zum Stack gelangen.
Fig. 4 zeigt die beiden Ventile Wasserstoffschaltventil 22 und Rezirkulationskreisab- sperrventil 20 in einer anderen Stellung. Der Linearaktor 28 ist nun bestromt und zieht den Ventilschieber 26 des Wasserstoffschaltventils 22 gegen die Wirkung der Feder 34 etwas nach links, sodass der Ventilschieber 26 die Öffnung zum Rezirkulations- kreisabsperrventil 20 öffnet. Das Wasserstoffschaltventil 22 ist also geöffnet. Das Hochdruckwasserstoffgas kann so von der Wasserstoffzuführung 10 zum Rezirkulati- onskreisabsperrventil 20 gelangen. Dieses Hochdruckgas (oder der Wasserstoffversorgungsdruck) drückt den Ventil schieber 24 des Rezirkulationsabsperrventils 20 gegen die Wirkung der Feder 42 nach rechts, so dass der Ventilschieber 24 den Rezirkulationskreis verschließt. Das Rezirkulationskreisabsperrventil 20 ist also geschlossen. Das Rezirkulationsgas kann so nicht mehr von der Rezirkulationsgaszuführung 12 nach oben zur Wasserstoffein spritzvorrichtung und damit zum Stack gelangen.
Fig. 5 zeigt die beiden Ventile Wasserstoffschaltventil 22 und Rezirkulationskreisab- sperrventil 20 wieder in einer anderen Stellung. Der Linearaktor 28 ist nun stromlos geschaltet wodurch der Ventilschieber 26 des Wasserstoffschaltventils 22 federbelas tet nach rechts wieder in die rechte Endstellung gedrückt ist, sodass der Ventilschie ber 26 die Öffnung zum Rezirkulationskreisabsperrventil 20 schließt. Das Wasser stoffschaltventil 22 ist also geschlossen Frisches Hochdruckwasserstoffgas kann so nicht von der Wasserstoffzuführung 10 zum Rezirkulationskreisabsperrventil 20 ge langen.
Der Ventilschieber 24 des Rezirkulationsabsperrventils 20 befindet sich aber wegen des noch wegen des an seiner linken Seite befindlichen Gases etwas rechts, also in der Stellung wie in Fig. 4, so dass der Ventilschieber 24 den Rezirkulationskreis im mer noch verschließt. Das Rezirkulationskreisabsperrventil 20 ist also noch geschlos sen. Das Rezirkulationsgas kann so immer noch nicht von der Rezirkulationsgaszu führung 12 nach oben zur Wasserstoffeinspritzvorrichtung und damit zum Stack ge langen. Allerdings baut sich der Wasserstoffversorgungsdruck im Raum links neben dem Ventilschieber 24 des Rezirkulationsabsperrventils 20 dank der Längsnut 46 langsam ab, sodass die Feder 42 beginnen kann, den Ventilschieber 24 langsam nach links zu schieben und so die Rezirkulationsleitung zu öffnen.
In Fig. 6 ist dies nun passiert. Der Linearaktor 28 ist immer noch stromlos geschaltet wodurch die Feder 34 den Ventilschieber 26 des Wasserstoffschaltventils 22 rechts in der rechten Endstellung hält, sodass der Ventilschieber 26 die Öffnung zum Rezirkula- tionskreisabsperrventil 20 schließt. Das Wasserstoffschaltventil 22 ist also geschlos sen Frisches Hochdruckwasserstoffgas kann so nicht von der Wasserstoffzuführung 10 zum Rezirkulationskreisabsperrventil 20 gelangen. Der Wasserstoffdruck an der linken Seite des Ventilschiebers 24 des Rezirkulations- absperrventils 20 hat sich nun vollständig abgebaut, da das Gas über die Nut 46 in die Rezirkulationsgasleitung entwichen ist. Der Feder 42 ist es gelungen, den Ventilschie- bers 24 des Rezirkulationsabsperrventils 20 ganz nach links zu schieben, in die Öff nungsstellung des Rezirkulationsabsperrventils 20. Das Rezirkulationsgas kann nun wieder von der Rezirkulationsgaszuführung 12 nach oben zur Wasserstoffeinspritzvor richtung und damit zum Stack gelangen.
Bezuqszeichenliste Wasserstoffzuführung Rezirkulationsgaszuführung Strahlpumpe Düse Düsennadel Rezirkulationskreisabsperrventil Wasserstoffschaltventil Ventilschieber des Rezirkulationskreisabsperrventils Ventilschieber des Wasserstoffschaltventils Linearaktor Anker Wasserstoffregelventil Rückstellfeder des Wasserstoffschaltventils Drucksensor Gasauslass zum Stack Überströmbohrung Rückstellfeder des Rezirkulationskreisabsperrventil Endlagendämpfung Längsnut Ventilsitz

Claims

Patentansprüche
1. Absperrvorrichtung für den Rezirkulationskreis eines Brennstoffzellenstapels mit einer Wasserstoffzuführung (10) und einer Rezirkulationsgaszuführung (12), dadurch gekennzeichnet, dass ein Rezirkulationskreisabsperrventil (20) vorge sehen ist, das von einem vorgelagerten Wasserstoffschaltventil (22) geschaltet wird.
2. Absperrvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Was serstoffschaltventil (22) ein Schieberventil ist.
3. Absperrvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, dass das Wasserstoffschaltventil (22) elektrisch angesteuert wird.
4. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Wasserstoffschaltventil (22) und/oder das Rezirkulati- onskreisabsperrventil (20) je einen Rückstellmechanismus, bevorzugt je eine integrierte Rückstellfeder (34, 42), aufweisen.
5. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, der Ventilschieber (24) des Rezirkulationskreisabsperrventils (20) eine gewisse Leckage aufweist.
6. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Wasserstoffschaltventil (22) druckkompensiert ist.
7. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Wasserstoffschaltventil (22) als Sitzventil ausgeführt ist.
8. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Wasserstoffschaltventil (22) und das Rezirkulations- kreisabsperrventil (20) zusammen mit der Wasserstoffeinspritzvorrichtung mit ihrem Wasserstoffregelventil (32) eine Baueinheit bilden.
9. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Rezirkulationskreisabsperrventil (20) eine pneumati sche Endlagendämpfung (44) für eine oder beide Endstellungen aufweist.
10. Absperrvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass sie im Wesentlichen aus Metall oder aus Kunststoff herge stellt ist.
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