EP4363751A1 - Ventilvorrichtung für eine brennstoffzelle - Google Patents

Ventilvorrichtung für eine brennstoffzelle

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EP4363751A1
EP4363751A1 EP22731511.6A EP22731511A EP4363751A1 EP 4363751 A1 EP4363751 A1 EP 4363751A1 EP 22731511 A EP22731511 A EP 22731511A EP 4363751 A1 EP4363751 A1 EP 4363751A1
Authority
EP
European Patent Office
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valve
membrane
valve device
valve body
fuel cell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22731511.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Braun
Matthias Bleeck
Henry Meißgeier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Publication of EP4363751A1 publication Critical patent/EP4363751A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K7/00—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves
    • F16K7/12—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm
    • F16K7/14—Diaphragm valves or cut-off apparatus, e.g. with a member deformed, but not moved bodily, to close the passage ; Pinch valves with flat, dished, or bowl-shaped diaphragm arranged to be deformed against a flat seat
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems

Definitions

  • the invention relates to a valve device for a fuel cell and a fuel cell with such a valve device.
  • the fuel cell is a galvanic cell in which electrical energy is generated as a result of a chemical reaction between a fuel and an oxidant. Hydrogen is the preferred fuel used in motor vehicles. Atmospheric oxygen is used as the oxidizing agent.
  • the fuel cell essentially consists of two electrodes (anode and cathode), which are separated from one another by a solid electrolyte, for example designed as a semipermeable membrane. The two reactants, fuel and oxidant, are fed continuously to the electrodes.
  • the solid electrolyte is only for the type of ion released during the reaction, e.g. B. protons, permeable.
  • the reaction between the oxidizing agent and the fuel releases electrical energy, which is used to operate the motor vehicle's electric motors.
  • water is produced as a reaction product on the cathode side.
  • nitrogen as the main component of air
  • water gradually diffuse from the cathode via the solid electrolyte to the anode of the fuel cell. This is undesirable because nitrogen and water block the hydrogen supply channels and reduce the even distribution of the hydrogen within the anode, which adversely affects the efficiency of the fuel cell.
  • the entire anode chamber is flushed, with the substances contained therein being recirculated.
  • the substances mainly hydrogen, water and nitrogen, are flushed out of the anode and returned to it together with fresh hydrogen.
  • the blocking of the anode and the solid electrolyte can be counteracted, however, without further measures, the proportion of nitrogen and water in the area of the anode would gradually increase. Therefore, the water and the nitrogen are largely separated from one another by means of a water separator (eg cyclone separator) arranged in the recirculation path.
  • the nitrogen is evacuated from the system via a purge valve.
  • the water separated in the sump of the water separator is drained from time to time via a drain valve.
  • a further object of the invention is to provide a fuel cell device which is characterized by improved operational reliability, less susceptibility to faults and high efficiency even at ambient temperatures below the freezing point of water.
  • a valve device for a fuel cell device has a flow channel, a valve seat located in the flow channel, which delimits a flow cross section, and a movable valve body, which in a closed position has a sealing surface on the valve seat and seals the flow cross section, and which in a release position releases the flow cross-section.
  • the valve body has elastic material at least in regions.
  • the valve device is designed to function as a drain valve or as a flushing valve in a fuel cell device.
  • a drain valve When used as intended, there is therefore water or a medium containing water in the flow channel.
  • the water can be in different states of aggregation. At temperatures above the freezing point, water is either liquid or gaseous. In the temperature range below the freezing point, the water is solid, i.e. ice. Every change in the physical state of the water is accompanied by a significant change in density and volume. A change between liquid and solid state is accompanied by a volume change of approx. 10%. This also changes the pressure forces on the valve body surrounded by water or by the water-containing medium.
  • valve body has elastic material at least in some areas, it can adapt flexibly to the changing pressure forces without suffering mechanical damage. As a result, the valve device is considerably more robust against temperature-related, changing pressure forces which act on it from the water surrounding it in the flow channel.
  • the valve device is thus characterized by a high level of operational reliability. Furthermore, a heating device can be dispensed with, as a result of which the valve device is also very inexpensive.
  • the elastic material can be an elastomer, for example.
  • the valve body can be made of this elastomer either entirely or only in certain areas.
  • the valve body can also have a have a non-elastic core made of metal or plastic, which is completely or partially coated with elastic material on its outside facing the flow channel.
  • the valve body has elastic material at least in the area of the sealing surface.
  • valve device offers the two additional advantages that, on the one hand, the valve body can nestle very well against the valve seat with its elastic sealing surface, which improves the sealing properties of the valve device in the closed position.
  • elastic materials in particular elastomers, have a reduced tendency to freeze to the sealing surface due to their poor thermal conductivity.
  • the valve body has a membrane made of elastic material.
  • the valve device has an actuator device for moving the valve body, which is arranged in an actuator chamber open to the flow channel, the membrane sealing the actuator chamber from the flow channel.
  • the elastic membrane thus has two functions: On the one hand, the elastic membrane provides the sealing surface for the valve seat. On the other hand, the membrane seals the actuator space from the flow channel. The seal is at least liquid-tight, advantageously even gas-tight. As a result, no fluid can penetrate into the actuator space.
  • the actuator device located in the actuator space is therefore securely protected against contamination or damage by fluids located in the flow channel. In particular in the case of water as the flowing medium, the actuator device is thus also protected against freezing.
  • Elastic membranes, in particular made of an elastomer are tough, robust, resistant to aggressive fluids, inexpensive to purchase, easy to assemble and easy to manufacture.
  • the valve body has a fastening section for fastening to a housing of the valve device.
  • the fastening section has a metal ring or plastic ring. The valve body is pressed with the fastening section inside the housing or inside the actuator space.
  • the metal ring or plastic ring serves to stabilize and stiffen the valve body on the fastening section. As a result, a sealing assembly of the valve body by pressing is easily possible.
  • the metal ring or plastic ring can also be covered by the membrane.
  • the membrane is designed at least in sections as a bellows.
  • valve body can overcome a greater stroke with less material stress, ie a greater distance between the closed position and the release position.
  • the membrane has a smaller material thickness in the area of the bellows than in other areas.
  • the diaphragm has greater flexibility in the area of the bellows, while the diaphragm has a greater material thickness and thus greater robustness in other areas, in particular in the area of the sealing surface.
  • the membrane has a core made of metal or plastic in the area of the sealing surface and/or in the area of a contact surface with the actuator device.
  • the membrane consists of different elastic materials in some areas.
  • a fuel cell device according to claim 10 has a valve device according to any one of claims 1 to 9.
  • the fuel cell device can have a water-carrying line which is in fluid communication with the flow channel of the valve device.
  • FIG. 1 Schematic representation of an embodiment of a
  • a motor vehicle 1 with a fuel cell device 2 is shown schematically.
  • the core of the fuel cell device 2 is the actual fuel cell 3, which acts as a galvanic cell.
  • the fuel cell 3 has an anode device 4 and a cathode device 5, which are separated from one another by an electrolyte device 6 (ion conductor).
  • the electrolyte device 6 is formed in the embodiment as a polymer electrolyte membrane, which only for protons, but not for electrons is permeable. Alternatively, certain ceramics or other solid electrolytes can also be used.
  • the anode device 4 and the cathode device 5 have electrode plates or bipolar plates (not shown), which are preferably made of metal or carbon and are coated with a catalyst such as platinum or palladium.
  • the fuel cell device 2 also includes a fuel supply device 7 which is coupled to an input 8 of the anode device 4 in order to supply it with fuel.
  • the fuel supply device 7 has a fuel tank 71 in which the fuel is stored.
  • the fuel used is hydrogen, which is stored in the fuel tank 71 in liquid or gaseous form under very high pressure (e.g. 350 bar to 700 bar).
  • the fuel tank 71 is connected to the input 8 of the anode device 4 via a supply line 72 .
  • a shut-off valve 73 and a pressure reducer 74 are arranged one behind the other in the supply line 72 downstream (arrow) of the fuel tank 71 .
  • the pressure reducer 74 reduces the gas pressure to about 10 bar to 30 bar.
  • a controllable metering valve 75 which enables the hydrogen to be metered in a targeted manner into the anode device 4 .
  • the metering valve 75 is controlled by a control device 9 assigned to the fuel cell device 2 and electrically connected to the metering valve 75 .
  • a pressure sensor 76 is arranged between the metering valve 75 and the anode device 4 , which is also connected to the control device 9 and provides the hydrogen pressure value at the input 8 of the anode device 4 .
  • the pressure inside the anode device 4 ranges between 0.8 bar and 4 bar.
  • the fuel cell device 2 also includes a
  • Oxidant supply device 10 which is coupled to the cathode device 5 in order to supply it with oxidant.
  • atmospheric oxygen serves as the oxidizing agent, which is supplied to the cathode device by the oxidizing agent supply device 10 .
  • the oxidizing agent supply device 10 has a further pressure sensor 11 which supplies the control device 9 with the oxygen pressure or the air pressure at the inlet of the cathode device 5 .
  • the hydrogen on the side of the anode device 4 reacts with the atmospheric oxygen on the side of the cathode device 5 to form water, with a direct current flow occurring between the anode device 4 and the cathode device 5 .
  • the direct current can be used to operate an electric drive motor (not shown) of motor vehicle 1. Most of the water formed is disposed of together with the other air components (mainly nitrogen) via a disposal line 12 at the outlet of cathode device 5.
  • the substances contained in the anode device 4 in the exemplary embodiment hydrogen, nitrogen and water, are recirculated.
  • the fuel cell device 2 includes a recirculation device 20 which fluidically connects an outlet 30 of the anode device 4 to its inlet 8 .
  • the substances contained in the anode device 4 are discharged via the outlet 230 by means of the recirculation device 20 and at least partially fed back to the anode device 4 via its inlet 8 .
  • the recirculation device 20 has a gas blower 21 which sucks the substances out of the anode device 4 via the outlet 30 and feeds them back to the anode device 4 via the inlet 8 .
  • a simple recirculation would steadily decrease the concentration of hydrogen in the anode device 4 and the concentration of nitrogen and Water steadily increase, which would have a negative impact on the efficiency of the fuel cell 3.
  • the recirculation device 20 has a water separator 22 and a nitrogen separator 23, which is designed to reduce the water content and the nitrogen content in the gas mixture to be recirculated and to feed the fraction with the higher hydrogen content back to the anode device 4.
  • the water separator 22 can be designed, for example, as a cyclone separator in which the water is separated from the nitrogen-hydrogen gas mixture. Most of the water collects in the sump of the water separator 22 or the cyclone separator and can be discharged from it by means of a first controllable valve device 25 .
  • the separated nitrogen-hydrogen gas mixture which still contains a small proportion of water, is fed to the nitrogen separator 23, which can be designed as a nitrogen filter impermeable to nitrogen molecules, with the nitrogen then being discharged to the environment via a second controllable valve device 24 can.
  • the recirculation gas enriched with hydrogen in this way is fed back to the anode device 4 .
  • Each of the valve devices 24, 25 has a housing 200, a flow channel 201 formed in the housing with two flow inlets 202 (side) and a flow outlet 203 (bottom), a valve seat 204 located in the flow channel 201 and formed on the housing, which has a flow cross section A in the flow channel 201 limited.
  • the valve devices 24, 25 also have a movable valve body 300, which in a closed position (not shown) rests sealingly with a sealing surface B on the valve seat 204 and closes the flow cross section A, and which in a release position (see Fig. 2) the flow cross section A releases.
  • the valve body 300 has elastic material at least in certain areas, advantageously in the area of the sealing surface.
  • the valve body has a membrane 301 made of elastic material, e.g., made of one or more elastomers, such as ethylene propylene diene rubber (EPDM) or hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber (FINBR).
  • EPDM ethylene propylene diene rubber
  • FINBR hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber
  • the valve device 24, 25 also includes an actuator device 400 for moving the valve body 300 between the closed position and the release position.
  • the actuator device 400 is arranged at least partially in an actuator space 205 formed in the housing 200 and open towards the flow channel 201 .
  • the actuator device 400 has an electrically controllable drive 401 and a finger-shaped or pin-shaped transmission element 402 coupled to the drive 401 .
  • the transmission element 402 in turn is operatively connected to the membrane 301 and transmits the drive energy of the drive 401 to the membrane 301 .
  • the drive 401 can move the membrane 301 back and forth between the closed position and the release position by means of the transmission element 402 .
  • the membrane 301 is fixed to the housing 200 at its edges.
  • the membrane 301 separates the actuator chamber 205 from the flow channel 201 in a liquid-tight or gas-tight manner. In this way, the actuator space 205 is protected from the media located in the flow channel 201 . In particular, no Water penetrate into the actuator space 205, which protects the actuator device 300 from icing or corrosion.
  • the valve body 300 has a fastening section 302 for fastening to the housing 200 of the valve device 24, 25.
  • This attachment portion 302 comprises a ring 303 of rigid material such as metal or plastic.
  • the ring 303 can be surrounded by the flexible material of the membrane 301, e.g.
  • the valve body 300 is pressed with the fastening section 302 inside the actuator space 205 with the housing 200 .
  • the ring 303 made of stiff material provides the necessary strength.
  • the membrane 301 is designed in sections as a bellows 304.
  • the material stresses within the membrane 301 when moving between the closed position and the release position can be significantly reduced, as a result of which the membrane 301 can run through a very large number of opening and closing cycles without significant material wear.
  • the membrane 301 can have a smaller material thickness in the area of the bellows 304 than in other areas. As a result, the diaphragm 301 exhibits greater suppleness and flexibility in the area of the expanding and contracting bellows 304 than in other areas, e.g. in the area of the sealing surface, where greater mechanical robustness is required.
  • the membrane 301 has a core 305 made of metal or plastic in the area of a contact surface with the transmission element 402 of the actuator device 400 in order to increase the robustness at this point.
  • the membrane 301 consists of different elastic materials in some areas.
  • SO may be the area with the lighter
  • the gray shade may be formed from a higher Shore A hardness (eg 80 Shore A) hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber and the darker shade of gray may be formed from a lower Shore A hardness (eg 30 Shore A) hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber. Areas with different Shore A hardnesses can also be realized with other elastomers, such as EPDM.

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Abstract

Es wird eine Ventilvorrichtung (24, 25) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (2) vorgeschlagen, mit einem Strömungskanal (201), einem im Strömungskanal (201) befindlichen Ventilsitz (204), welcher einen Strömungsquerschnitt (A) begrenzt, und mit einem beweglichen Ventilkörper (300), welcher in einer Schließposition mit einer Dichtfläche (B) am Ventilsitz (204) dichtend anliegt und den Strömungsquerschnitt (A) verschließt, und welcher in einer Freigabeposition den Strömungsquerschnitt (A) freigibt, wobei der Ventilkörper (300) zumindest bereichsweise elastisches Material aufweist.

Description

Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen Ventilvorrichtung.
Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen kommen neben rein batteriebasierten Kraftfahrzeugen auch Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen zum Einsatz. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, in der aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie gewonnen wird. Im Kraftfahrzeugbereich wird als Brennstoff vorzugsweise Wasserstoff eingesetzt. Als Oxidationsmittel dient Luftsauerstoff. Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), welche durch einen, beispielsweise als eine semipermeable Membran ausgebildeten Festelektrolyten voneinander getrennt sind. Die beiden Reaktionspartner, Brennstoff und Oxidationsmittel, werden den Elektroden kontinuierlich zugeführt. Der Festelektrolyt ist dabei nur für bei der Reaktion freigesetzten lonensorte, z. B. Protonen, durchlässig. Bei der Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff wird elektrische Energie freigesetzt, welche zum Betrieb der Elektromotoren des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Im Fall vom Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel entsteht auf Seiten der Kathode Wasser als Reaktionsprodukt. Im Laufe des Betriebs der Brennstoffzelle diffundieren nach und nach Stickstoff (als Hauptbestandteil von Luft) und Wasser von der Kathode über den Festelektrolyten zur Anode der Brennstoffzelle. Dies ist unerwünscht, denn Stickstoff und Wasser blockieren die Kanäle der Wasserstoffversorgung und vermindern die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs innerhalb der Anode, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ beeinträchtigt. Zur Verminderung dieses negativen Effekts wird der gesamte Anodenraum gespült, wobei die darin enthaltenen Substanzen rezirkuliert werden. Dies kann beispielsweise durch einen Rezirkulationspfad mit einem integrierten Gasgebläse realisiert werden. Die Substanzen, hauptsächlich Wasserstoff, Wasser und Stickstoff, werden dabei aus der Anode gespült und dieser zusammen mit frischem Wasserstoff wieder zugeführt. Auf diese Weise kann zwar die Verblockung der Anode und des Festelektrolyts entgegengewirkt werden, jedoch würde ohne weitere Maßnahmen nach und nach der Anteil an Stickstoff und Wasser im Bereich der Anode ansteigen. Daher werden das Wasser und der Stickstoff mittels eines im Rezirkulationspfad angeordneten Wasserabscheiders (z.B. Zyklonabscheider) großteils voneinander getrennt. Der Stickstoff wird über ein Spülventil (Purge valve) aus dem System evakuiert. Das im Sumpf des Wasserabscheiders abgeschiedene Wasser wird von Zeit zu Zeit über ein Ablassventil abgelassen.
Wird dieses System jedoch unter dem Gefrierpunkt von Wasser betrieben, was im Winterbetrieb jederzeit möglich ist, können diese Ventile durch die Bildung von Eis in ihrer Funktion stark eingeschränkt werden und durch auftretende Druckkräfte beschädigt oder gar zerstört werden. Dadurch kann es zu einer spürbaren Reduzierung des Wirkungsgrads der Brennstoffzelle, zu erheblichen Einschränkungen beim Betrieb der Brennstoffzelle bis hin zu deren Totalausfall kommen.
Eine Möglichkeit zur Behebung der Vereisungsgefahr wäre es, die Ventile aktiv zu beheizen. Jedoch erfordert dies zusätzliche technische Maßnahmen, was den Preis steigern würde. Ferner unterliegen auch die Komponenten der Fleizung einer gewissen Störanfälligkeit.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kostengünstige Ventilvorrichtung mit einer verbesserten Betriebssicherheit und einer geringeren Störanfälligkeit auch bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, welche sich durch eine verbesserte Betriebssicherheit, eine geringere Störanfälligkeit und einen hohen Wirkungsgrad auch bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Eine Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß Anspruch 1 weist einen Strömungskanal, einen im Strömungskanal befindlichen Ventilsitz, welcher einen Strömungsquerschnitt begrenzt, und einen beweglichen Ventilkörper auf, welcher in einer Schließposition mit einer Dichtfläche am Ventilsitz dichtend anliegt und den Strömungsquerschnitt verschließt, und welcher in einer Freigabeposition den Strömungsquerschnitt freigibt. Der Ventilkörper weist zumindest bereichsweise elastisches Material aufweist.
Die Ventilvorrichtung ist dazu ausgebildet, in einer Brennstoffzellenvorrichtung als Ablassventil oder als Spülventil zu fungieren. Bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz befindet sich im Strömungskanal daher Wasser oder ein wasserhaltiges Medium. Je nach Umgebungstemperatur und Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung kann sich das Wasser in verschiedenen Aggregatzuständen befinden. Bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt ist das Wasser flüssig oder auch gasförmig. Im Temperaturbereich unterhalb des Gefrierpunktes ist das Wasser fest, also Eis. Jeder Wechsel des Aggregatzustands des Wassers von einer deutlichen Dichte- und Volumenänderung begleitet. Ein Wechsel zwischen flüssigen und festen Zustand geht mit einer Volumenveränderung von ca. 10% einher. Dadurch verändern sich auch die Druckkräfte auf den von Wasser oder von dem wasserhaltigen Medium umgebenen Ventilkörper. Diese Druckkräfte können gerade bei einer Vereisung extrem hoch sein und eine zerstörerische Wirkung auf den Ventilkörper haben. Dadurch dass der Ventilkörper zumindest bereichsweise elastisches Material aufweist, kann er sich den wechselnden Druckkräften flexibel anpassen, ohne dass er mechanischen Schaden erleidet. Dadurch ist die Ventilvorrichtung erheblich robuster gegen temperaturbedingte, wechselnde Druckkräfte, welche von dem ihn umgebenden Wasser im Strömungskanal auf ihn einwirken. Damit zeichnet sich die Ventilvorrichtung durch eine hohe Betriebssicherheit aus. Ferner kann auf eine Fleizeinrichtung verzichtet werden, wodurch die Ventilvorrichtung auch sehr kostengünstig ist. Bei dem elastischen Material kann es sich beispielsweise um ein Elastomer handeln. Der Ventilkörper kann entweder ganz oder nur bereichsweise aus diesem Elastomer gebildet sein. Der Ventilkörper kann auch einen nichtelastischen Kern aus Metall oder Kunststoff aufweisen, welcher auf seiner dem Strömungskanal zugewandten Außenseite ganz oder bereichsweise mit elastischem Material beschichtet ist.
In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 2 weist der Ventilkörper zumindest im Bereich der Dichtfläche elastisches Material auf.
Diese Ausgestaltung der Ventilvorrichtung bietet die zwei weiteren Vorteile, dass zum einen der Ventilkörper sich mit seiner elastischen Dichtfläche sehr gut an den Ventilsitz anschmiegen kann, wodurch die Dichteigenschaften der Ventilvorrichtung in der Schließposition verbessert wird. Zum anderen zweigen elastische Materialien, insbesondere Elastomere, aufgrund ihrer schlechten thermischen Leitfähigkeit eine reduzierte Tendenz zum Festfrieren an der Dichtfläche.
In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 3 weist der Ventilkörper eine Membran aus elastischem Material auf.
Dabei weist die Ventilvorrichtung gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 4 eine Aktuatoreinrichtung zum Bewegen des Ventilkörpers auf, welche in einem zum Strömungskanal hin offenen Aktuatorraum angeordnet ist, wobei die Membran den Aktuatorraum gegenüber dem Strömungskanal abdichtet.
Der elastischen Membran kommen dadurch zwei Funktionen zu: Zum einen bietet die elastische Membran die Dichtfläche zum Ventilsitz. Zum anderen dichtet die Membran den Aktuatorraum gegen den Strömungskanal ab. Die Abdichtung ist zumindest flüssigkeitsdicht, vorteilhafterweise sogar gasdicht. Dadurch kann kein Fluid in den Aktuatorraum eindringen. Die im Akuatorraum befindliche Aktuatoreinrichtung ist daher sicher gegen Verunreinigung oder Beschädigung durch im Strömungskanal befindliche Fluide geschützt. Insbesondere im Fall von Wasser als strömendes Medium ist die Aktuatoreinrichtung somit auch vor Einfrieren geschützt. Elastische Membranen, insbesondere aus einem Elastomer, sind zäh, robust, widerstandsfähig gegenüber aggressiven Fluiden, günstig in der Anschaffung, montagefreundlich und leicht herzustellen. In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 5 weist der Ventilkörper einen Befestigungsabschnitt zur Befestigung an einem Gehäuse der Ventilvorrichtung aufweist. Dabei weist der Befestigungsabschnitt einen Metallring oder Kunststoffring auf. Der Ventilkörper ist mit dem Befestigungsabschnitt innerhalb des Gehäuses bzw. innerhalb des Aktuatorraums verpresst.
Der Metallring oder Kunststoffring dient der Stabilisierung und Versteifung des Ventilkörpers am Befestigungsabschnitt. Dadurch ist eine abdichtende Montage des Ventilkörpers durch Verpressen leicht möglich. Der Metallring oder Kunststoffring kann auch von der Membran umhüllt sein.
In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 6 ist die Membran zumindest abschnittsweise als Faltenbalg ausgeführt.
Dadurch kann Ventilkörper bei geringer Materialbelastung einen größeren Hub überwinden, also eine größere Wegstrecke zwischen Schließposition und Freigabeposition.
In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 7 weist die Membran im Bereich des Faltenbalgs eine geringere Materialdicke auf als in anderen Bereichen.
Dadurch weist die Membran im Bereich des Faltenbalgs eine höhere Flexibilität auf, während die Membran in anderen Bereichen, insbesondere im Bereich der Dichtfläche, eine stärkere Materialdicke und damit eine größere Robustheit aufweist.
In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 8 weist die Membran im Bereich der Dichtfläche und/oder im Bereich einer Kontaktfläche mit der Aktuatoreinrichtung einen Kern aus Metall oder Kunststoff aufweist.
Dadurch sind die Widerstandsfähigkeit, Robustheit und Steifigkeit der Membran in Bereichen größerer mechanischer Belastung und Reibung erhöht. In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 9 besteht die Membran bereichsweise aus unterschiedlichen elastischen Materialien.
Dadurch können die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Membran je nach Art und Größe der lokalen Belastung angepasst werden.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß Anspruch 10 weist eine Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf.
Die Brennstoffzellenvorrichtung kann eine wasserführende Leitung aufweisen, welche mit dem Strömungskanal der Ventilvorrichtung in fluidischer Verbindung steht. Bezüglich der Vorteile einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung wird auf die Ausführungen zu Anspruch 1 verwiesen, welche hier in analoger Weise gelten.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
Fig. 1 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Brennstoffzellenvorrichtung;
Fig. 2 bis
Fig. 7 Schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele einer Ventilvorrichtung für die Brennstoffzellenvorrichtung
In Figur 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 2 schematisch dargestellt. Kernstück der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ist die eigentliche Brennstoffzelle 3, welche als galvanische Zelle fungiert. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Anodeneinrichtung 4 und eine Kathodeneinrichtung 5 auf, die durch eine Elektrolyteinrichtung 6 (lonenleiter) voneinander getrennt sind. Die Elektrolyteinrichtung 6 ist im Ausführungsbeispiel als Polymerelektrolytmembran ausgebildet, welche nur für Protonen, nicht jedoch für Elektronen durchlässig ist. Alternativ können auch bestimmte Keramiken oder andere Festelektrolyten eingesetzt werden. Die Anodeneinrichtung 4 und die Kathodeneinrichtung 5 weisen Elektrodenplatten bzw. Bipolarplatten auf (nicht dargestellt), welche vorzugsweise aus Metall oder Kohlenstoff gefertigt sind und mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin oder Palladium beschichtet sind.
Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählen ferner eine Brennstoffversorgungseinrichtung 7, welche mit einem Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 gekoppelt ist, um diese mit Brennstoff zu versorgen. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 7 weist einen Brennstofftank 71 auf, in dem der Brennstoff gelagert ist. Im Ausführungsbeispiel dient als Brennstoff Wasserstoff, welcher in flüssiger oder gasförmiger Form unter sehr hohen Druck (z.B. 350 bar bis 700 bar) Brennstofftank 71 gelagert ist. Der Brennstofftank 71 ist über eine Versorgungsleitung 72 mit dem Eingang 8 der Anodenvorrichtung 4 verbunden. Stromabwärts (Pfeil) des Brennstofftanks 71 sind in der Versorgungsleitung 72 hintereinander ein Absperrventil 73 und ein Druckminderer 74 angeordnet. Der Druckminderer 74 reduziert den Gasdruck auf ca. 10 bar bis 30 bar. Weiter stromabwärts in der Versorgungsleitung 72 ist ein steuerbares Dosierventil 75 vorgesehen, welches eine gezielte Dosierung des Wasserstoffs in die Anodeneinrichtung 4 ermöglicht. Die Steuerung des Dosierventils 75 erfolgt dabei durch eine der Brennstoffzellenvorrichtung 2 zugeordnete Steuervorrichtung 9, welche mit dem Dosierventil 75 elektrisch verbunden ist. Zwischen dem Dosierventil 75 und der Anodeneinrichtung 4 ist ferner ein Drucksensor 76 angeordnet, welcher ebenfalls mit der Steuervorrichtung 9 verbunden ist und dieser den Wasserstoffdruckwert am Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 bereitstellt. Der Druck innerhalb der Anodeneinrichtung 4 bewegt sich beim Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 2 im Bereich zwischen 0,8 bar und 4 bar.
Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählt weiterhin eine
Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 10, welche mit der Kathodeneinrichtung 5 gekoppelt ist, um diese mit Oxidationsmittel zu versorgen. Im Ausführungsbeispiel dient Luftsauerstoff als Oxidationsmittel, welcher der Kathodeneinrichtung durch die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 10 zugeführt wird. Um sicherzustellen, dass der Sauerstoffdruck in der Kathodeneinrichtung 5 ausreichend hoch ist, weist die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 10 einen weiteren Drucksensor 11 auf, welcher der Steuervorrichtung 9 den Sauerstoffdruck bzw. den Luftdruck am Eingang der Kathodeneinrichtung 5 liefert.
Der Wasserstoff auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 reagiert mit dem Luftsauerstoff auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 unter Bildung von Wasser, wobei es zwischen der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 zu einem Gleichstromfluss kommt. Der Gleichstrom kann zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors (nicht dargestellt des Kraftfahrzeugs 1 verwendet werden. Das gebildete Wasser wird zusammen mit den anderen Luftkomponenten (hauptsächlich Stickstoff) größtenteils über eine Entsorgungsleitung 12 am Ausgang der Kathodeneinrichtung 5 entsorgt.
Mit der Zeit diffundieren Teile des Stickstoffs und Wasser von der Kathodeneinrichtung 5 durch die Polymerelektrolytmembran 6 zur Anodeneinrichtung 4. Die Diffusion dieser beiden Substanzen ist jedoch unerwünscht, da diese Substanzen die Versorgungskanäle für den Wasserstoff blockieren und ferner eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs über die gesamte Membranfläche verhindern. Um diesem Problem zu begegnen, werden die in der Anodeneinrichtung 4 enthaltenen Substanzen, im Ausführungsbeispiel Wasserstoff, Stickstoff und Wasser, rezirkuliert. Dazu umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine Rezirkulationsvorrichtung 20, welche einen Ausgang 30 der Anodeneinrichtung 4 mit deren Eingang 8 fluidisch verbindet. Mittels der Rezirkulationsvorrichtung 20 werden die in der Anodeneinrichtung 4 enthaltenen Substanzen über den Ausgang 230 abgeführt und der Anodeneinrichtung 4 über deren Eingang 8 zumindest teilweise wieder zugeführt.
Die Rezirkulationsvorrichtung 20 weist ein Gasgebläse 21 auf, welches die Substanzen über den Ausgang 30 aus der Anodeneinrichtung 4 saugt und über den Eingang 8 wieder der Anodeneinrichtung 4 zuführt. Langfristig würde durch eine solche, einfache Rezirkulation die Konzentration an Wasserstoff in der Anodeneinrichtung 4 stetig abnehmen und die Konzentration von Stickstoff und Wasser stetig zunehmen, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 3 auswirken würde. Aus diesem Grund weist die Rezirkulationsvorrichtung 20 einen Wasserabscheider 22 und einen Stickstoffabscheider 23 auf, welche dazu ausgebildet ist, den Wasseranteil und den Stickstoffanteil in dem rückzuführenden Gasgemisch zu reduzieren und der Anodeneinrichtung 4 die Fraktion mit dem höheren Wasserstoffanteil wieder zuzuführen. Der Wasserabscheider 22 kann beispielsweise als Zyklonabscheider ausgebildet sein in dem das Wasser vom Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch abgetrennt wird. Das Wasser sammelt sich Großteils im Sumpf des Wasserabscheiders 22 bzw. des Zyklonabscheiders an und kann mittels einer ersten steuerbaren Ventilvorrichtung 25 aus diesem abgeführt werden. Das abgetrennte Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch, welches zu einem geringen Anteil immer noch Wasser enthält, wird dem Stickstoffabscheider 23 zugeführt, welcher als ein für Stickstoffmoleküle undurchlässiger Stickstofffilter ausgeführt sein kann, wobei der Stickstoff dann über eine zweite steuerbare Ventilvorrichtung 24 an die Umgebung abgeführt werden kann. Das auf diese Weise mit Wasserstoff angereicherte Rezirkulationsgas wird der Anodeneinrichtung 4 wieder zugeführt.
Besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser (Winterbetrieb des Kraftfahrzeugs 1 ) besteht die Gefahr, dass das sich in der Rezirkulationsvorrichtung 19 befindliche Wasser gefriert. Die Eisbildung stellt für Ventilvorrichtungen grundsätzlich ein großes Problem dar. Zum kann die Betätigungsmechanik einer Ventilvorrichtung zufrieren, wodurch diese nicht mehr zu betätigen ist bis das Eis wieder schmilzt. Desweiteren übt das sich bildende Eis sehr große Druckkräfte auf Ventilvorrichtungen aus, was dazu führen kann, dass diese beschädigt oder zerstört werden.
Die Eisbildung stellt für die in der oben beschriebenen Brennstoffzellenvorrichtung am Wasserabscheider und am Stickstofffilter verwendeten ersten und zweiten Ventilvorrichtungen 24, 25 kein Problem dar. Im Folgenden werden anhand der Fig. 2 bis Fig. 7 Ausführungsbeispiele dieser Ventilvorrichtungen 24, 25 beschrieben. Jede der Ventilvorrichtungen 24, 25 besitzt ein Gehäuse 200, einen im Gehäuse ausgebildeten Strömungskanal 201 mit zwei Strömungseingängen 202 (seitlich) und einem Strömungsausgang 203 (unten), einen im Strömungskanal 201 befindlichen und am Gehäuse ausgebildeten Ventilsitz 204, welcher einen Strömungsquerschnitt A im Strömungskanal 201 begrenzt.
Die Ventilvorrichtungen 24, 25 weisen ferner einen beweglichen Ventilkörper 300 auf, welcher in einer Schließposition (nicht dargestellt) mit einer Dichtfläche B am Ventilsitz 204 dichtend anliegt und den Strömungsquerschnitt A verschließt, und welcher in einer Freigabeposition (siehe Fig. 2) den Strömungsquerschnitt A freigibt. Der Ventilkörper 300 weist zumindest bereichsweise elastisches Material auf, vorteilhafterweise im Bereich der Dichtfläche. In den Ausführungsbeispielen weist der Ventilkörper eine Membran 301 aus elastischem Material auf, z.B. aus einem oder mehreren Elastomeren, wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke (EPDM) oder Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (FINBR).
Zur Ventilvorrichtung 24, 25 gehört ferner eine Aktuatoreinrichtung 400 zum Bewegen des Ventilkörpers 300 zwischen der Schließposition und der Freigabeposition. Die Aktuatoreinrichtung 400 ist zumindest teilweise in einen im Gehäuse 200 ausgebildeten und zum Strömungskanal 201 hin offenen Aktuatorraum 205 angeordnet. Die Aktuatoreinrichtung 400 weist einen elektrisch steuerbaren Antrieb 401 und ein mit dem Antrieb 401 gekoppelten finger- oder stiftförmiges Übertragungselement 402 auf. Das Übertragungselement 402 wiederrum steht mit der Membran 301 in Wirkverbindung und überträgt die Antriebsenergie des Antriebs 401 auf die Membran 301 . Der Antrieb 401 kann die Membran 301 mittels des Übertragungselements 402 zwischen der Schließposition und der Freigabeposition hin- und herbewegen.
Die Membran 301 ist an ihren Rändern am Gehäuse 200 gefestigt. Dabei trennt die Membran 301 den Aktuatorraum 205 vom Strömungskanal 201 flüssigkeitsdicht oder gasdicht ab. Auf diese Weise ist der Aktuatorraum 205 vor den im Strömungskanal 201 befindlichen Medien geschützt. Insbesondere kann kein Wasser in den Aktuatorraum 205 eindringen, was die Aktuatoreinrichtung 300 vor Vereisung oder Korrosion schützt.
Wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 gezeigt weist der Ventilkörper 300 einen Befestigungsabschnitt 302 zur Befestigung am Gehäuse 200 der Ventilvorrichtung 24, 25 auf. Dieser Befestigungsabschnitt 302 weist einen Ring 303 aus steifem Material auf, z.B. aus Metall oder Kunststoff. Der Ring 303 kann von dem flexiblen Material der Membran 301 umgeben sein, z.B. von dem Elastomer der Membran 301 umspritzt sein. Der Ventilkörper 300 ist mit dem Befestigungsabschnitt 302 innerhalb des Aktuatorraums 205 mit dem Gehäuse 200 verpresst ist. Der Ring 303 aus steifem Material bietet die dazu notwendige Festigkeit.
In der Ausführung der Ventilvorrichtung gemäß Fig. 4 ist die Membran 301 abschnittsweise als Faltenbalg 304 ausgeführt. Dadurch können die Materialspannungen innerhalb der Membran 301 beim Bewegen zwischen der Schließposition und der Freigabeposition deutlich verringert werden, wodurch die Membran 301 sehr viele Öffnungs- und Schließzyklen durchlaufen kann ohne nennenswerten Materialverschleiß.
Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Membran 301 im Bereich des Faltenbalgs 304 eine geringere Materialdicke aufweist als in anderen Bereichen. Dadurch weist die Membran 301 im Bereich des sich streckenden und zusammenziehenden Faltenbalgs 304 eine höhere Geschmeidigkeit und Flexibilität auf als in anderen Bereichen, z.B. im Bereich der Dichtfläche, wo eine größere mechanische Robustheit erforderlich ist.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 weist die Membran 301 im Bereich einer Kontaktfläche mit dem Übertragungselement 402 der Aktuatoreinrichtung 400 einen Kern 305 aus Metall oder Kunststoff auf, um die Robustheit an dieser Stelle zu erhöhen.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 besteht die Membran 301 bereichsweise aus unterschiedlichen elastischen Materialien. SO kann der Bereich mit der helleren Grauschattierung aus einem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk mit höherer Shore-A-Härte (z.B. 80 Shore A) und der Bereich mit der dunkleren Grauschattierung aus einem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk mit geringerer Shore-A-Härte (z.B. 30 Shore A) gebildet sein. Auch mit anderen Elastomeren, wie EPDM, sind Bereich mit unterschiedlicher Shore-A Härte realsisierbar.

Claims

Patentansprüche
1. Ventilvorrichtung (24, 25) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (2), mit einem Strömungskanal (201), einem im Strömungskanal (201) befindlichen Ventilsitz (204), weicher einen Strömungsquerschnitt (A) begrenzt, und mit einem beweglichen Ventilkörper (300), welcher in einer Schließposition mit einer Dichtfläche (B) am Ventilsitz (204) dichtend anliegt und den Strömungsquerschnitt (A) verschließt, und welcher in einer Freigabeposition den Strömungsquerschnitt (A) freigibt, wobei der Ventilkörper (300) zumindest bereichsweise elastisches Material aufweist.
2. Ventilvorrichtung (24, 25) nach Anspruch 1 , wobei der Ventilkörper (300) zumindest im Bereich der Dichtfläche (B) elastisches Material aufweist.
3. Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Ventilkörper (300) eine Membran (301) aus elastischem Material aufweist.
4. Ventilvorrichtung (24, 25) nach Anspruch 3, mit einer Aktuatoreinrichtung (400) zum Bewegen des Ventilkörpers (300), welche in einem zum Strömungskanal (201) hin offenen Aktuatorraum (205) zumindest teilweise angeordnet ist, wobei die Membran (301) den Aktuatorraum (205) vom Strömungskanal (201) flüssigkeitsdicht trennt.
5. Ventilvorrichtung (24, 25) nach Anspruch 4, wobei der Ventilkörper (300) einen Befestigungsabschnitt (302) zur Befestigung an einem Gehäuse (200) der Ventilvorrichtung (24, 25) aufweist, wobei der Befestigungsabschnitt
(302) einen von der Membran (301) umgebenen Metall- oder Kunststoffring
(303) aufweist, wobei der Ventilkörper (300) mit dem Befestigungsabschnitt (302) innerhalb des Aktuatorraums (205) verpresst ist.
6. Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Membran (301) abschnittsweise als Faltenbalg (304) ausgeführt ist.
7. Ventilvorrichtung (24, 25) nach Anspruch 6, wobei die Membran (301 ) im Bereich des Faltenbalgs (304) eine geringere Materialdicke aufweist als in anderen Bereichen. 8. Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die
Membran (301 ) im Bereich der Dichtfläche (B) und/oder im Bereich einer Kontaktfläche mit der Aktuatoreinrichtung (400) einen Kern (305) aus Metall oder Kunststoff aufweist. 9. Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die
Membran (301 ) bereichsweise aus unterschiedlichen elastischen Materialien.
10. Brennstoffzellenvorrichtung (2), mit einer Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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