WO2014063785A1 - Ventileinrichtung für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Ventileinrichtung für ein brennstoffzellensystem Download PDF

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WO2014063785A1
WO2014063785A1 PCT/EP2013/003030 EP2013003030W WO2014063785A1 WO 2014063785 A1 WO2014063785 A1 WO 2014063785A1 EP 2013003030 W EP2013003030 W EP 2013003030W WO 2014063785 A1 WO2014063785 A1 WO 2014063785A1
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cell system
piston
valve
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Hartwig Hülz
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Daimler Ag
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a valve device for a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to a fuel cell system according to the manner defined in more detail in claim 5 with such a valve device.
  • valve devices A variety of different valve devices are known in the art. It is customary, valve devices for special
  • valve body such as a flap or the like via an elastic element, such as a
  • valve body Via an actuating element, which comprises, for example, a hydraulic piston, the valve body can be moved to the opposite end position.
  • actuating element which comprises, for example, a hydraulic piston
  • the valve body can be moved to the opposite end position.
  • a valve device which is normally open, or one
  • valve device which is closed in the normal state.
  • NO Normally Open
  • NC Normally Closed
  • fuel cell systems are known from the general state of the art. They typically have a fuel cell, for example a so-called fuel cell stack or fuel cell stack, which is supplied with air as an oxygen supplier and hydrogen or a hydrogen-containing gas for the provision of electrical power.
  • a cooling circuit is normally provided, which cools the fuel cell via a cooling medium, which is circulated in the cooling circuit accordingly.
  • One of the problems is, for example, that in addition to the electrical power and the waste heat in the fuel cell product water is produced, which immediately freezes at temperatures below freezing, since it is very pure water.
  • Another problem with starting a fuel cell system is that oxygen from the cathode side of the fuel cell system through the
  • Proton exchange membranes can reach the anode side of the fuel cell system when the fuel cell system is at a standstill. An enrichment of oxygen in the anode region, however, is undesirable because the
  • Re-start of the fuel cell system hydrogen is added to the anode compartment. If there is still oxygen from the stoppage phase of the fuel cell system, there is a hydrogen / oxygen front, which runs over the anode catalyst of the fuel cell. This results in significant potential differences between the already exposed to hydrogen areas and the still exposed to oxygen areas. This leads to a degradation of the anode catalyst and to a very rapid aging of the fuel cell, which is highly undesirable in terms of their life. To counteract this problem, various measures can be taken. One of the known measures is to completely exhaust the oxygen in the cathode compartment when the fuel cell is turned off, in order to counteract the problem. To prevent the ingress of fresh oxygen by convection effects and wind effects in the parked
  • valve devices are also known, which are arranged in the supply air line and / or the exhaust duct of the fuel cell system to fresh air and thus fresh oxygen from entering the Prevent cathode space.
  • the known valve devices are correspondingly expensive, since they require active control, which is correspondingly complex and expensive and moreover makes a control software required.
  • the object of the present invention is now to provide a valve device in the manner described above, which is simple and efficient in their operation and is suitable for use in a fuel cell system. Moreover, it is the object of the present invention to provide a fuel cell system with such a valve device, which reduces the disadvantages described when starting the fuel cell system.
  • valve device having the features in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments and further developments of the valve device will become apparent from the dependent therefrom
  • valve device in addition to an elastic return element for its actuation, it has an actuating element which comprises a piston which can be actuated by pressure.
  • the piston is with
  • Cooling medium of the fuel cell acted upon for actuation The one for one
  • Fuel cell system provided valve device thus uses an elastic
  • Fuel cell system is connected, an actuation is then carried out against the force of the elastic return element, which thus moves the valve device or its valve body in the open or closed by the cooling medium under pressure. This allows a valve device for a
  • Fuel cell system is operated, and thus the cooling medium is circulated, for example, changes from a closed position to an open position or vice versa. If the fuel cell system and the volume flow of the cooling medium is turned off, then the valve body of the valve device changes back to the other position. An automatically preset depending on the operating state of the cooling circuit position of the valve device is thus realized.
  • valve device via a transmission element with the piston
  • Such a transmission element can, for example, for a suitable translation either in the direction and / or in the force or
  • the structure is correspondingly more flexible and it can be at relatively low movement of the piston already very large opening angle of a valve body, such as a flap valve body, achieve.
  • a valve body such as a flap valve body
  • Transmission elements such as levers, racks and gears, belt drives, cams, discs or the like conceivable.
  • valve device according to the invention is used, in such a way that it in the region of a supply air line and / or exhaust duct of the fuel cell system
  • Another advantage of the structure is that a relatively rapid heating of the piston can be achieved by the action of the piston with the cooling medium. Should in the area of the valve device when restarting the This is due to the heat-conductive contact via the piston and the parts connected to it
  • Valve device heated comparatively quickly by the cooling water and thawed when needed.
  • valve device in a state without pressure of the
  • Cooling medium is designed to be closed, wherein the valve device is arranged in the region of the supply air line and / or exhaust air line.
  • the valve device can thus be designed, for example, so that it is closed in the normal state. This state, in which there is no pressure of the cooling medium, corresponds to the mode in which the fuel cell system is at a standstill.
  • the valve device can be used in particular in the area of the supply air line and / or exhaust air line to the
  • Fuel cell be arranged. Accordingly, it is at a standstill
  • Valve device easy and efficient possible.
  • valve device is arranged either in the supply air line or the exhaust air line, wherein in the respective other line a check valve is arranged, which can be flowed through only in the flow direction of the air during operation of the fuel cell.
  • Conduit element a very good foreclosure of the cathode compartment of the fuel cell overflowing air can be achieved.
  • valve device in the state without pressure of the Cooling medium is designed to be open, wherein the valve device in the intended use in the deepest region of the supply air line and / or the
  • Exhaust line is arranged. Such an arrangement in the deepest part of the supply air line and / or the exhaust air line ensures that possibly auskondensierende liquid, after switching off the fuel cell system, at least as long as
  • Fuel cell itself and the supply air line and the exhaust pipe still has temperatures above freezing point, accumulates in this area.
  • Valve device is thus in the parked state of the fuel cell system before water, which remains liquid even at very low ambient temperatures due to the high heat capacity of the fuel cell itself and the fuel cell system for a relatively long period of time.
  • the valve device is now designed so that it is closed during operation of the fuel cell system, when the pressure of the cooling medium rises on the piston and opens when switching off the cooling circuit, water can flow out through the open valve device after switching off the fuel cell system. Condensing water in the
  • Without an additional active intervention is necessary, for example, a flushing of the cathode space, when the temperature falls below a predetermined threshold, so can very easily and efficiently and without the system must be independently controlled and operated independently of the actual use, the expiry of the largest amount of condensate can be achieved.
  • the deepest area of the supply air line and / or the one in the intended use may be provided that the deepest area of the supply air line and / or the one in the intended use
  • Exhaust pipe is formed as a bow or preferably as a kink in the pipe element or as a liquid separator.
  • a certain amount of water which can then run off after stopping the cooling medium flow and thus taking place opening of the valve means before further condensate collects and in this Reaches the area. Due to the kink or bow, the flow is very little affected and already condensed liquid remains in this area, without being entrained by the supply air or exhaust air undesirable.
  • the valve device may also be a liquid separator, as it is occasionally present anyway in the supply air line and / or the exhaust air line.
  • valve devices according to the invention in the fuel cell system, the life of the fuel cell is extended and / or an improvement of
  • Freezing point must be expected, and because on the other hand by a very frequent shutdown and start the fuel cell system, both the problem of a so-called freeze-start and the problem of degradation of the fuel cell due to penetrated air play a crucial role.
  • the fuel cell system according to the invention can therefore be used very well, especially in vehicles.
  • Fig. 2 shows a first possible embodiment of a valve device according to the
  • Fig. 3 shows a second possible embodiment of a valve device according to the
  • Fig. 4 shows a third possible embodiment of a valve device according to the
  • a highly detailed fuel cell system 1 can be seen. This is arranged in a vehicle 2 indicated in principle and is to be used in this vehicle to provide electrical drive power.
  • the core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 3, which is designed as a so-called PEM fuel cell stack or fuel cell stack.
  • the fuel cell stack comprises a multiplicity of individual cells which each have an anode space and a cathode space. Purely by way of example, one of the anode chambers 4 and one of the cathode chambers 5 is shown in the representation of FIG. 1 and provided with a corresponding reference symbol. Between the anode compartment 4 and the cathode compartment 5 while a proton exchange membrane 6 is indicated.
  • Fuel cell 3 also has a heat exchanger 7, which for the removal of emerging in the fuel cell 3 waste heat from a cooling medium in a
  • Cooling circuit 8 is flowed through.
  • the cooling medium in the cooling circuit 8 is circulated via a coolant conveyor 9 and leads via a radiator 10 waste heat to the environment of the vehicle.
  • the cooling circuit 8 is shown very heavily schematized. It will typically include other components or cool other components.
  • a bypass around the radiator 10 is well known and common, via which the temperature of the cooling medium can be influenced and over which the radiator can be bypassed, for example, when starting the fuel cell system to allow rapid heating of the fuel cell. All of this is of secondary importance to the present invention, so will not be discussed further.
  • the anode chamber 4 of the fuel cell 3 hydrogen is metered from a compressed gas storage 11 via a pressure regulating and metering device 12. After flowing through the anode chamber 4 is typically an exhaust gas, which is, for example, afterburning or recirculated. All this is known from the general state of the art and of minor importance to the invention described here. In the illustration of Figure 1, therefore, only one exhaust pipe 13 is indicated from the anode chamber 4.
  • the cathode compartment 5 of the fuel cell 3, air is supplied as an oxygen supplier via an air conveyor 14.
  • the air flows to the air conveyor 14 in the embodiment shown here via a valve device 15 in the
  • valve device 15 lies in an air supply line 16, ideally directly in front of the cathode compartment 5.
  • the supply air line 16 extends partially outside of the latter
  • valve means 15 may be designed both outside and integrated into the fuel cell 3.
  • Exhaust air from the cathode compartment 5 of the fuel cell 3 passes through an exhaust duct 17 from the system.
  • other components of the general state of the art are known, for example a water separator, a downstream turbine or the like. Again, this does not matter for the present invention, which is why will not be discussed further.
  • a valve device 18, which may also be arranged both outside and inside the fuel cell 3, and which is preferably placed immediately after the cathode chamber 5, respectively.
  • the valve devices 15, 18 may for example be both present and executed in the same design and operation, or it may also only one of the two
  • Valve means 15, 18 may be present. It is also conceivable that the
  • Valve means 5, 18 are both present and executed in different ways.
  • valve device 15 is connected to the cooling circuit 8 via a connecting line 25, so that cooling medium can reach the area of the valve device 15.
  • the valve device 15, 18 has a flap 19 as a valve body.
  • the flap 19 is outside of one
  • the extension is in the embodiment shown here directly connected to the flap 19 and is located on the opposite side of a rotation axis 23 used as a valve body flap 19.
  • a first position is drawn through and a second position shown in dashed form ,
  • Via a spring element 24 as an elastic return element of the extension 21 of the flap 19 is connected to a wall of the pressure chamber 22 that the flap 19 is moved by the spring 24 in its closed position shown in solid line.
  • valve means 15, 18 is formed in this way, while the other, preferably the valve means 18, as a check valve or
  • Non-return valve is formed. This would also already achieve a significant reduction in the oxygen diffused through the proton exchange membrane 6. Basically it is also sufficient to arrange one of the valve devices, for example the valve device 15, in the fuel cell system, since this also already the air exchange through the supply air line 16, the exhaust duct 17 and the cathode compartment 5 is restricted accordingly.
  • valve means 15, 18 In the illustration of Figure 3, an alternative embodiment of the valve means 15, 18 can be seen. Again, the already mentioned line element 20 is shown again.
  • the valve device 15, 18 uses as a valve body in the embodiment shown in Figure 3, a flap 19, which here by way of example their
  • Via a gear 29 and a rack 27 can be a linear movement of a piston 28 in a
  • the functionality essentially corresponds to the functionality occurring in the representation of FIG. In operation of the fuel cell system is the
  • Cooling circuit 8 operated and in the pressure chamber 22 is the pressurized cooling medium before. It moves the piston 28 in the illustration of Figure 3 downwards and thus transmits the linear movement of the rack 27 on the gear 29, which transmits its rotation to the flap 19 and this opens accordingly. If the cooling circuit 8 is turned off and the pressure in the pressure chamber 22 decreases, then the return spring 24 will push the piston 28 back up and together with the piston 28, the rack 27. This moves over the gear 29, the flap 19 back into their closed position, which is the normal position in this embodiment of the valve device 15, 18. This also can only in the operation of the
  • Fuel cell system 1 when the cooling circuit 8 is operated, an opening of the flap 19 can be achieved, so that the application of the valve device 15, 18 in the embodiment according to Figure 3 corresponds to that in the embodiment according to FIG.
  • the gear bar 27 and the gear 29 are as
  • Gear element disposed within the conduit member 20 Since she is with the Flow to come in contact, for example, of air to the fuel cell 3 is to ensure that contamination of the supply air via lubricant or the like is omitted. This problem is not given in the embodiment described in Figure 2.
  • valve device 15, 18 In the illustration of Figure 4, an alternative embodiment of the valve device 15, 18 can be seen. This serves a slightly different purpose.
  • Fuel cell system 1 it may preferably be used as a valve means 18 or as a second valve means 18 in the exhaust duct 17.
  • the line element 20 can, as indicated in the illustration of Figure 4, have a bow or bend 30, which should form the deepest part of the exhaust duct 17 and ideally the cathode compartment 5 and the supply air duct 16 in the intended use.
  • Valve body of the valve device 18 can now be effected analogously to the representation in Figure 3 via a gear 29 and a rack 27 with a piston 28 and a return spring 24 opening this flap 19, so that the condensate can drain.
  • the moisture and the liquid are conveyed out of the fuel cell system 1 by the exhaust air flow.
  • a state in which condensate is to be discharged in the region of the bend 30 thus typically occurs only when the fuel cell system 1 is switched off.
  • the cooling circuit 8 is turned off, the coolant conveyor 9 thus promotes no coolant through the cooling circuit 8. Accordingly, the structure is exactly the reverse here, as in the previously described valve devices 15, 18 executed.
  • the piston 28 is typically positioned together with the rack 27 via the return spring 24 so that the flap 19, as shown here by dashed lines, is open. Only when up the pressure chamber 22 of the piston 28, a corresponding pressure acts, pushes the piston 28 via the rack 27 and the gear 29, the flap in the closed position shown here in solid lines. This is always the case when the pressure chamber 22 experiences pressure from the cooling medium into the cooling circuit 8, which flows over the
  • Connecting line 25 is in turn connected to the pressure chamber 22.
  • Valve device 18 in the illustration according to FIG. 4 thus opens the flap whenever the fuel cell system 1 or its cooling circuit 8 is not in operation and closes the flap 19 whenever the fuel cell system 1 or its cooling circuit 8 is in operation.
  • the exhaust duct 17 thus remains closed during operation, but is opened accordingly when switching off the fuel cell system 1 via the valve device 15, 18, so that accumulating condensate can run off.
  • valve device 18 is double in the exhaust duct 17, wherein the first valve means 18 is formed in the flow direction after the cathode compartment 5 so that these after a certain time their

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung (15, 18) für ein Brennstoffzellensystem (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und einem die Brennstoffzelle (3) kühlenden Kühlmedium in einem Kühlkreislauf (8), mit einem Ventilkörper (19), welcher über ein Betätigungselement für den Ventilkörper entgegen der Kraft eines elastischen Rückstellelements (24) bewegbar ist, wobei das Betätigungselement einen mit Druck betätigbaren Kolben (28) aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (28) mit Kühlmedium der Brennstoffzelle (3) zur Betätigung beaufschlagt ist.

Description

Ventileinrichtung für ein Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem nach der in Anspruch 5 näher definierten Art mit einer derartigen Ventileinrichtung.
Eine Vielzahl von unterschiedlichen Ventileinrichtungen ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Dabei ist es üblich, Ventileinrichtungen für spezielle
Anwendungszwecke zu optimieren. Häufig wird dafür ein Ventilkörper wie beispielsweise eine Klappe oder dergleichen über ein elastisches Element, beispielsweise eine
Rückstellfeder, in eine vorgegebene Endposition bewegt. Über ein Betätigungselement, welches beispielsweise einen hydraulischen Kolben umfasst, kann der Ventilkörper in die gegenüberliegende Endstellung bewegt werden. Je nachdem, welche der Endstellungen durch das elastische Element bzw. die Rückstellfeder fest vorgegeben ist, spricht man dabei von einer Ventileinrichtung, welche im Normalzustand geöffnet, oder einer
Ventileinrichtung, welche im Normalzustand geschlossen ist. In der Fachwelt sind hierfür auch die englischen Bezeichnungen bzw. Abkürzungen„NO" (= Normally Open) und„NC" (= Normally Closed) gebräuchlich. Als Beispiel für eine Ventileinrichtung, welche über einen Kolben betätigt wird, kann beispielhaft auf die in der DE 44 18 132 A1 beschriebene Klappe verwiesen werden.
Ferner sind Brennstoffzellensysteme aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie weisen typischerweise eine Brennstoffzelle, beispielsweise einen sogenannten Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack auf, welcher zur Bereitstellung von elektrischer Leistung mit Luft als Sauerstofflieferant und Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas versorgt werden. Um die in der Brennstoffzelle unweigerlich entstehende Abwärme abzuführen, ist im Normalfall ein Kühlkreislauf vorgesehen, welcher die Brennstoffzelle über ein Kühlmedium, welches in dem Kühlkreislauf umgewälzt wird, entsprechend kühlt. Bei Brennstoffzellensystemen, insbesondere beim Start von Brennstoffzellensystemen, sind dabei verschiedene Probleme zu überwinden. Eines der Probleme ist es beispielsweise, dass neben der elektrischen Leistung und der Abwärme in der Brennstoffzelle Produktwasser entsteht, welches bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sofort einfriert, da es sich um sehr reines Wasser handelt. Dies ist beim Abstellen des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts häufig ein kritischer Zustand, da hierdurch Leitungswege innerhalb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems durch das gefrorene Wasser blockiert werden können. Um das Brennstoffzellensystem wieder starten zu können, müssen diese Leitungswege erst zeit- und energieaufwändig aufgetaut werden, was für den Start des Brennstoffzellensystems einen erheblichen Nachteil darstellt.
Ein weiteres Problem beim Start eines Brennstoffzellensystems besteht darin, dass Sauerstoff von der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems durch die
Protonenaustauschmembranen auf die Anodenseite des Brennstoffzellensystems gelangen kann, wenn das Brennstoffzellensystem sich im Stillstand befindet. Eine Anreicherung von Sauerstoff im Anodenbereich ist jedoch unerwünscht, da beim
Wiederstart des Brennstoffzellensystems Wasserstoff in den Anodenraum zudosiert wird. Wenn dort noch Sauerstoff aus der Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems ist, kommt es zu einer Wasserstoff/Sauerstoff-Front, welche über den Anodenkatalysator der Brennstoffzelle läuft. Hierdurch kommt es zu erheblichen Potenzialdifferenzen zwischen den bereits mit Wasserstoff beaufschlagten Bereichen und den noch mit Sauerstoff beaufschlagten Bereichen. Dies führt zu einer Degradation des Anodenkatalysators und zu einer sehr schnellen Alterung der Brennstoffzelle, was hinsichtlich ihrer Lebensdauer höchst unerwünscht ist. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden. Eine der bekannten Maßnahmen besteht darin, den im Kathodenraum befindlichen Sauerstoff beim Abstellen der Brennstoffzelle gänzlich aufzubrauchen, um der Problematik entgegenzuwirken. Um das Eindringen von frischem Sauerstoff durch Konvektionseffekte und Windeffekte bei dem abgestellten
Brennstoffzellensystem, insbesondere wenn dieses in einem Fahrzeug angeordnet ist, zu verringern oder gänzlich zu vermeiden, sind außerdem Ventileinrichtungen bekannt, welche in der Zuluftleitung und/oder der Abluftleitung des Brennstoffzellensystems angeordnet sind, um frische Luft und damit frischen Sauerstoff am Eindringen in den Kathodenraum zu hindern. Die bekannten Ventileinrichtungen sind dabei entsprechend aufwändig, da sie eine aktive Ansteuerung erfordern, welche entsprechend komplex und teuer ist und darüber hinaus eine Steuerungssoftware erforderlich macht.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Ventileinrichtung in der oben beschriebenen Art anzugeben, welche einfach und effizient in ihrer Betätigung ist und sich zum Einsatz in einem Brennstoffzellensystem eignet. Außerdem ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Ventileinrichtung anzugeben, welches die beschriebenen Nachteile beim Starten des Brennstoffzellensystems verringert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Ventileinrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Ventileinrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen
Unteransprüchen. Außerdem löst ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 die Aufgabe wobei, vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben sind.
Bei der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung ist es vorgesehen, dass diese neben einem elastischen Rückstellelement zu ihrer Betätigung ein Betätigungselement aufweist, welches einen mit Druck betätigbaren Kolben umfasst. Der Kolben ist dabei mit
Kühlmedium der Brennstoffzelle zur Betätigung beaufschlagt. Die für ein
Brennstoffzellensystem vorgesehene Ventileinrichtung nutzt also ein elastisches
Rückstellelement, beispielsweise eine Feder, um in die gewünschte Stellung,
beispielsweise im Normalfall geschlossen oder im Normalfall offen, gebracht zu werden. Über den druckbeaufschlagten Kolben, welcher mit dem Kühlmedium des
Brennstoffzellensystems in Verbindung steht, wird dann eine Betätigung entgegen der Kraft des elastischen Rückstellelements ausgeführt, die die Ventileinrichtung bzw. ihre Ventilkörper also in die bei Druck durch das Kühlmedium offene oder geschlossene Stellung bewegt. Hierdurch lässt sich eine Ventileinrichtung für ein
Brennstoffzellensystem schaffen, welche durch den Druck des Kühlmediums betätigt wird und demnach immer dann, wenn Kühlmedium durch die Brennstoffzelle gefördert wird, die für diesen Fall vorgesehene Stellung annimmt, und danach, wenn der Kühlmittelstrom abgestellt wird, in die über das elastische Element vorgegebene Stellung wechselt. Ohne zusätzlichen Steuerungsaufwand kann so eine Ventileinrichtung für ein Brennstoffzellensystem geschaffen werden, welche immer dann, wenn das
Brennstoffzellensystem betrieben wird, und damit das Kühlmedium umgewälzt wird, beispielsweise von einer Geschlossen-Stellung in eine Offen-Stellung oder umgekehrt wechselt. Wird das Brennstoffzellensystem und der Volumenstrom des Kühlmediums abgestellt, dann wechselt der Ventilkörper der Ventileinrichtung zurück in die andere Stellung. Eine automatisch je nach Betriebszustand des Kühlkreislaufs vorgegebene Stellung der Ventileinrichtung wird damit realisiert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung kann es dabei vorgesehen sein, dass der Kolben über ein Getriebeelement mit der
Ventileinrichtung verbunden ist. Ein solches Getriebeelement kann beispielsweise für eine geeignete Übersetzung entweder in der Richtung und/oder in der Kraft oder dem
Bewegungshub zwischen dem Kolben und dem Ventilkörper sorgen. Hierdurch wird der Aufbau entsprechend flexibler und es lassen sich bei vergleichsweise geringer Bewegung des Kolbens bereits sehr große Öffnungswinkel eines Ventilkörpers, beispielsweise einer Klappe als Ventilkörper, erzielen. Als Getriebeelemente sind dabei verschiedene
Getriebeelemente wie beispielsweise Hebel, Zahnstangen und Zahnräder, Riementriebe, Nocken, Scheiben oder dergleichen denkbar.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass eine derartige erfindungsgemäße Ventileinrichtung eingesetzt wird, und zwar so, dass diese im Bereich einer Zuluftleitung und/oder Abluftleitung des Brennstoffzellensystems
angeordnet wird, wobei der Kolben mit dem Kühlmedium des Kühlkreislaufs in
Fluidverbindung steht. Hierdurch wird es möglich, dass der Kolben nur dann betätigt wird, wenn das Kühlmedium im Kühlkreislauf umgewälzt wird und dadurch unter einem erhöhten Druck steht. Im Stillstand des Brennstoffzellensystems, wenn das Kühlmedium nicht umgewälzt und langsam wieder abgekühlt wird , wird der Kolben in diesem Aufbau nicht mehr mit Druck beaufschlagt und das elastische Rückstellelement sorgt für eine entsprechende Rückstellung des Ventilkörpers beispielsweise in seine im Normalfall geschlossene oder seine im Normalfall geöffnete Position.
Ein weiterer Vorteil des Aufbaus besteht darin, dass durch die Beaufschlagung des Kolbens mit dem Kühlmedium eine vergleichsweise schnelle Erwärmung des Kolbens erzielt werden kann. Sollte im Bereich der Ventileinrichtung beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems gefrorenes Wasser vorhanden sein, so wird dies durch den wärmeleitenden Kontakt über den Kolben und die mit ihm verbundenen Teile der
Ventileinrichtung durch das Kühlwasser vergleichsweise schnell erwärmt und bei Bedarf aufgetaut.
In einer günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung in einem Zustand ohne Druck des
Kühlmediums geschlossen ausgebildet ist, wobei die Ventileinrichtung im Bereich der Zuluftleitung und/oder Abluftleitung angeordnet ist. Die Ventileinrichtung kann also beispielsweise so ausgebildet sein, dass diese im Normalzustand geschlossen ist. Dieser Zustand, bei welchem kein Druck des Kühlmediums vorliegt, entspricht dabei dem Modus, in welchem das Brennstoffzellensystem im Stillstand ist. Die Ventileinrichtung kann insbesondere im Bereich der Zuluftleitung und/oder Abluftleitung zu der
Brennstoffzelle angeordnet sein. Dementsprechend ist sie im Stillstand des
Brennstoffzellensystems geschlossen und kann so das Nachströmen von Luft in die Brennstoffzelle bzw. in den Kathodenraum der Brennstoffzelle während des Stillstands des Brennstoffzellensystems weitgehend unterbinden. Wird das Brennstoffzellensystem in Betrieb genommen und damit auch die Förderung des Kühlmediums gestartet, dann kommt es im Bereich des Kühlmediums zu einem höheren Druck, sodass der Kolben der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung betätigt wird und den Ventilkörper in seine andere, in diesem Fall geöffnete Stellung bewegt. Ein Zustrom bzw. Abstrom von Luft zu bzw. von der Brennstoffzelle wird somit durch die in diesem Betriebszustand geöffnete
Ventileinrichtung einfach und effizient möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung entweder in der Zuluftleitung oder der Abluftleitung angeordnet ist, wobei in der jeweils anderen Leitung ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches nur in Strömungsrichtung der Luft im Betrieb der Brennstoffzelle durchströmbar ist. Durch diesen besonderen Aufbau kann mit lediglich einer derartigen Ventileinrichtung und einer Rückschlagklappe bzw. einem Rückschlagventil im Bereich des jeweils anderen
Leitungselements eine sehr gute Abschottung des Kathodenraums der Brennstoffzelle gegenüber nachströmender Luft erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung im Zustand ohne Druck des Kühlmediums offen ausgebildet ist, wobei die Ventileinrichtung in dem im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefsten Bereich der Zuluftleitung und/oder der
Abluftleitung angeordnet ist. Eine solche Anordnung im tiefsten Teil der Zuluftleitung und/oder der Abluftleitung sorgt dafür, dass eventuell auskondensierende Flüssigkeit, nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems, sich, zumindest solange die
Brennstoffzelle selbst und die Zuluftleitung und die Abluftleitung noch Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts aufweist, in diesem Bereich sammelt. Im Bereich der
Ventileinrichtung liegt damit im abgestellten Zustand des Brennstoffzellensystems Wasser vor, welches auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen aufgrund der hohen Wärmekapazität der Brennstoffzelle selbst und des Brennstoffzellensystems noch über einen vergleichsweise langen Zeitraum flüssig bleibt. Nachdem die Ventileinrichtung nun so ausgebildet ist, dass diese im Betrieb des Brennstoffzellensystems geschlossen ist, wenn der Druck des Kühlmediums auf den Kolben ansteigt und sich beim Abstellen des Kühlkreislaufs öffnet, kann nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems Wasser durch die geöffnete Ventileinrichtung abströmen. Auskondensierendes Wasser im
Bereich der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems, welches sich in der Zuluftleitung und der Abluftleitung sammelt, kann somit nach dem Abstellen des
Brennstoffzellensystems durch die dann geöffnete Ventileinrichtung im tiefsten Bereich der Zuluftleitung und/oder der Abluftleitung abströmen, bevor die Temperaturen so weit fallen, dass dieses Wasser einfriert. Ohne dass ein zusätzliches aktives Eingreifen notwendig ist, beispielsweise ein Durchspülen des Kathodenraums, wenn die Temperatur unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt, kann so sehr einfach und effizient und ohne dass das System unabhängig von der eigentlichen Benutzung aktiv angesteuert und betrieben werden muss, das Ablaufen der größten Menge an Kondensat erzielt werden. Die Gefahr, dass das Kondensat später einfriert und die Zuluftleitung und/oder
Abluftleitung blockiert, wird dadurch minimiert. Ein einfacher, schneller und
energieeffizienter Start des Brennstoffzellensystems wird somit ermöglicht.
In einer sehr günstigen Weiterbildung hiervon kann es dabei vorgesehen sein, dass der im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefste Bereich der Zuluftleitung und/oder der
Abluftleitung als Bogen oder bevorzugt als Knick in dem Leitungselement oder als Flüssigkeitsabscheider ausgebildet ist. Im Bereich eines solchen Bogens oder Knicks sammelt sich bereits während der Betriebsphase eine gewisse Menge an Wasser, welche dann nach dem Abstellen des Kühlmedienstroms und der damit erfolgenden Öffnung der Ventileinrichtung ablaufen kann, bevor weiteres Kondensat sich sammelt und in diesen Bereich gelangt. Durch den Knick oder Bogen wird die Strömung dabei sehr wenig beeinflusst und bereits auskondensierte Flüssigkeit verbleibt in diesem Bereich, ohne dass sie von dem Zuluftstrom bzw. Abluftstrom unerwünscht mitgerissen wird. Alternativ dazu kann der im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefste Bereich mit der Ventileinrichtung auch ein Flüssigkeitsabscheider sein, wie er gelegentlich im Bereich der Zuluftleitung und/oder der Abluftleitung ohnehin vorhanden ist.
Durch die erfindungsgemäßen Ventileinrichtungen in dem Brennstoffzellensystem wird die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert und/oder eine Verbesserung der
Starteigenschaften der Brennstoffzelle erzielt, wenn die Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts liegen. Beide Anwendungsfälle treten insbesondere bei Fahrzeugen sehr häufig auf, da hier einerseits immer mit Umgebungstemperaturen unterhalb des
Gefrierpunkts gerechnet werden muss, und da andererseits durch ein sehr häufiges Abstellen und Starten des Brennstoffzellensystems sowohl die Problematik eines sogenannten Gefrierstarts als auch die Problematik der Degradation der Brennstoffzelle aufgrund eingedrungener Luft eine entscheidende Rolle spielen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann daher insbesondere in Fahrzeugen sehr gut eingesetzt werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung sowie eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des
Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausführungsform gemäß der
Erfindung in einem Fahrzeug;
Fig. 2 eine erste mögliche Ausführungsform einer Ventileinrichtung gemäß der
Erfindung;
Fig. 3 eine zweite mögliche Ausführungsform einer Ventileinrichtung gemäß der
Erfindung; und
Fig. 4 eine dritte mögliche Ausführungsform einer Ventileinrichtung gemäß der
Erfindung. In der Darstellung der Figur 1 ist sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Dieses ist in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet und soll in diesem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche als sogenannter PEM-Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Vielzahl von Einzelzellen, welche jeweils einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweisen. Rein beispielhaft ist in der Darstellung der Figur 1 einer der Anodenräume 4 und einer der Kathodenräume 5 dargestellt und mit einem entsprechenden Bezugszeichen versehen. Zwischen dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 5 ist dabei eine Protonenaustauschmembran 6 angedeutet. Die
Brennstoffzelle 3 weist außerdem einen Wärmetauscher 7 auf, welcher zur Abfuhr von in der Brennstoffzelle 3 entstehender Abwärme von einem Kühlmedium in einem
Kühlkreislauf 8 durchströmt wird. Das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 8 wird über eine Kühlmittelfördereinrichtung 9 umgewälzt und führt über einen Kühler 10 Abwärme an die Umgebung des Fahrzeugs. Der Kühlkreislauf 8 ist dabei sehr stark schematisiert dargestellt. Er wird typischerweise noch weitere Komponenten umfassen bzw. weitere Komponenten kühlen. Auch ist ein Bypass um den Kühler 10 allgemein bekannt und üblich, über welchen die Temperatur des Kühlmediums beeinflusst werden kann und über welchen der Kühler beispielsweise beim Start des Brennstoffzellensystems umgangen werden kann, um eine schnelle Aufheizung der Brennstoffzelle zu ermöglichen. All dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 11 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 12 zudosiert. Nach dem Durchströmen des Anodenraums 4 liegt typischerweise ein Abgas vor, welches beispielsweise nachverbrannt oder im Kreislauf zurückgeführt wird. All dies ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und für die hier erläuterte Erfindung von untergeordneter Bedeutung. In der Darstellung der Figur 1 ist daher lediglich eine Abgasleitung 13 aus dem Anodenraum 4 angedeutet.
Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 14 zugeführt. Die Luft strömt nach der Luftfördereinrichtung 14 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Ventileinrichtung 15 in den
Kathodenraum 5. Auch hier wären weitere Komponenten wie beispielsweise Ladeluftkühler, Befeuchter oder dergleichen denkbar und sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Auch diese Details sind für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. Die Ventileinrichtung 15 liegt dabei in einer Zuluftleitung 16, idealerweise unmittelbar vor dem Kathodenraum 5. Die Zuluftleitung 16 verläuft dabei teilweise außerhalb der
Brennstoffzelle und über ein gewisses Wegstück auch innerhalb der Brennstoffzelle 3, wobei die Ventileinrichtung 15 sowohl außerhalb als auch in die Brennstoffzelle 3 integriert ausgeführt sein kann.
Abluft aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 gelangt über eine Abluftleitung 17 aus dem System. Auch hier sind weitere Komponenten aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, beispielsweise ein Wasserabscheider, eine nachgeschaltete Turbine oder dergleichen. Auch dies spielt für die hier vorliegende Erfindung keine Rolle, weshalb hierauf nicht näher eingegangen wird. Im Bereich der Abluftleitung 17 ist, vergleichbar zur Ventileinrichtung 15, eine Ventileinrichtung 18, welche ebenfalls sowohl außerhalb als auch innerhalb der Brennstoffzelle 3 angeordnet sein kann, und welche vorzugsweise unmittelbar nach dem Kathodenraum 5 platziert ist, angeordnet. Die Ventileinrichtungen 15, 18 können dabei beispielsweise beide vorhanden und in derselben Bauart und Funktionsweise ausgeführt sein, oder es kann auch lediglich eine der beiden
Ventileinrichtungen 15, 18 vorhanden sein. Außerdem ist es denkbar, dass die
Ventileinrichtungen 5, 18 beide vorhanden und in unterschiedlicher Art und Weise ausgeführt sind.
In der Darstellung der Figur 1 ist außerdem zu erkennen, dass die Ventileinrichtung 15 über eine Verbindungsleitung 25 mit dem Kühlkreislauf 8 in Verbindung steht, sodass Kühlmedium in den Bereich der Ventileinrichtung 15 gelangen kann. Dies wäre prinzipiell auch bei der Ventileinrichtung 18 genauso möglich, wobei zur Vereinfachung der
Darstellung auf eine Anbindung der Ventileinrichtung 18 an den Kühlkreislauf 8 verzichtet worden ist, diese ist jedoch denkbar und möglich und gemäß einer später noch beschriebenen Ausführungsform auch vorgesehen.
In der Darstellung der Figur 2 ist eine erste mögliche Ausführungsform einer
Ventileinrichtung 15, 18 gemäß der Erfindung zu erkennen. Die Ventileinrichtung 15, 18 weist eine Klappe 19 als Ventilkörper auf. Die Klappe 19 ist außerhalb eines
Leitungselements 20 der Zuluftleitung 16 und/oder der Abluftleitung 17 mit einem Fortsatz 21 versehen, welcher in einem Druckraum 22 beweglich ist. Der Fortsatz ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel direkt mit der Klappe 19 fest verbunden und liegt auf der gegenüberliegenden Seite einer Drehachse 23 den als Ventilkörper genutzten Klappe 19. In der Darstellung der Figur 2 ist eine erste Position durchgezogen und eine zweite Position in gestrichelter Ausführungsform dargestellt. Über ein Federelement 24 als elastisches Rückstellelement ist der Fortsatz 21 der Klappe 19 so mit einer Wandung des Druckraums 22 verbunden, dass die Klappe 19 von der Feder 24 in ihre geschlossene durchgezogen dargestellte Stellung bewegt wird. Kommt es nun zu einer
Druckbeaufschlagung des Druckraums 22, welcher über eine Verbindungsleitung 25 in fluidischer Verbindung mit dem Kühlkreislauf 8 steht, dann baut sich in dem Druckraum, in der Darstellung der Figur 2 rechts des Fortsatzes 21 , ein entsprechender Druck auf, welcher den Fortsatz 21 entgegen der Kraft der Feder 24 drückt. Durch die
Druckbeaufschlagung öffnet sich die Klappe 19 und der Weg für eine Luftströmung durch das Leitungselement 20 wird freigegeben. Über diesen Aufbau ist es also möglich, immer dann, wenn in dem Kühlkreislauf 8 Kühlmedium gefördert wird, über die
Verbindungsleitung 25 den Druckraum 22 mit Kühlmedium zu beaufschlagen, sodass in diesem Fall gegen die Kraft der Feder 24 die Klappe 19 geöffnet wird. Wird der
Kühlkreislauf abgeschaltet, dann baut sich der Druck in dem Druckraum 22 zumindest mittelfristig ab und über die Feder 24 wird die Klappe 19 wieder in ihre geschlossene Stellung bewegt.
Werden nun zwei derartige Ventileinrichtungen 15, 18 gemäß der Darstellung in Figur 2 sowohl in der Zuluftleitung 16 als auch in der Abluftleitung 17 eingesetzt, so kann erreicht werden, dass das Brennstoffzellensystem 1 im Stillstand einen gegenüber der Umgebung verschlossenen Kathodenraum 5 aufweist. Hierdurch wird die Diffusion von Sauerstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite der Protonenaustauschmembran 6 verhindert oder zumindest auf die gegebenenfalls noch im Kathodenraum 5 befindliche Restmenge an Sauerstoff eingeschränkt. Die eingangs beschriebenen Probleme lassen sich hierdurch vermeiden.
Eine alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 könnte es dabei auch vorsehen, dass lediglich eine der Ventileinrichtungen 15, 18 in dieser Art ausgebildet ist, während die andere, bevorzugt die Ventileinrichtung 18, als Rückschlagventil bzw.
Rückschlagklappe ausgebildet ist. Auch hierdurch würde bereits eine deutliche Reduktion des durch die Protonenaustauschmembran 6 diffundierten Sauerstoffs erzielt. Im Prinzip reicht es auch aus, eine der Ventileinrichtungen, beispielsweise die Ventileinrichtung 15, in dem Brennstoffzellensystem anzuordnen, da auch hierdurch bereits der Luftaustausch durch die Zuluftleitung 16, die Abluftleitung 17 und den Kathodenraum 5 entsprechend eingeschränkt wird.
In der Darstellung der Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform der Ventileinrichtung 15, 18 zu erkennen. Auch hier ist wieder das bereits angesprochene Leitungselement 20 dargestellt. Die Ventileinrichtung 15, 18 nutzt als Ventilkörper auch in dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Klappe 19, welche hier beispielhaft ihre
Drehachse 23 in der Mitte des Strömungsquerschnitts aufweist. Über ein Zahnrad 29 und eine Zahnstange 27 lässt sich eine lineare Bewegung eines Kolbens 28 in eine
Drehbewegung der Klappe 19 umsetzen. Der Kolben 28 ist über die Rückstellfeder 24 in der Darstellung der Figur 3 typischerweise nach oben gedrückt, um analog zur
Darstellung in Figur 2 die Klappe 19 in ihrem geschlossenen Zustand zu halten. Oberhalb des Kolbens 28 befindet sich in dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 der Druckraum 22, welcher wiederum über die Verbindungsleitung 25 mit dem Kühlkreislauf 8 verbunden ist.
Die Funktionalität entspricht im Wesentlichen der in der Darstellung der Figur 2 auftretenden Funktionalität. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird der
Kühlkreislauf 8 betrieben und in dem Druckraum 22 liegt das unter Druck stehende Kühlmedium vor. Es bewegt den Kolben 28 in der Darstellung der Figur 3 nach unten und überträgt damit die lineare Bewegung der Zahnstange 27 auf das Zahnrad 29, welches seine Rotation auf die Klappe 19 überträgt und diese entsprechend öffnet. Wird der Kühlkreislauf 8 abgeschaltet und der Druck in dem Druckraum 22 nimmt ab, dann wird die Rückstellfeder 24 den Kolben 28 wieder nach oben drücken und zusammen mit dem Kolben 28 die Zahnstange 27. Diese bewegt über das Zahnrad 29 die Klappe 19 wieder zurück in ihre geschlossene Stellung, was bei dieser Ausführung der Ventileinrichtung 15, 18 die Normalstellung ist. Auch hierdurch kann lediglich im Betrieb des
Brennstoffzellensystems 1 , wenn der Kühlkreislauf 8 betrieben wird, ein Öffnen der Klappe 19 erzielt werden, sodass die Anwendung der Ventileinrichtung 15, 18 in der Ausgestaltung gemäß Figur 3 der in der in der Ausgestaltung gemäß Figur 2 entspricht. Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß Figur 2, in der alle zur Bewegung der Klappe 19 benötigten Elemente außerhalb des Leitungselements 20 angeordnet sind, sind bei der Ausführungsform gemäß Figur 3 die Getriebestange 27 und das Zahnrad 29 als
Getriebeelement innerhalb des Leitungselements 20 angeordnet. Da sie mit der Strömung beispielsweise von Luft zu der Brennstoffzelle 3 in Kontakt kommen ist darauf zu achten, dass eine Kontamination der Zuluft über Schmiermittel oder dergleichen unterbleibt. Diese Problematik ist bei der in Figur 2 beschriebenen Ausführungsvariante nicht gegeben.
In der Darstellung der Figur 4 ist eine alternative Ausführungsform der Ventileinrichtung 15, 18 zu erkennen. Diese dient einem etwas anderen Zweck. In dem
Brennstoffzellensystem 1 kann sie vorzugsweise als Ventileinrichtung 18 oder auch als zweite Ventileinrichtung 18 in der Abluftleitung 17 eingesetzt sein. Das Leitungselement 20 kann dafür, wie in der Darstellung der Figur 4 angedeutet, einen Bogen bzw. Knick 30 aufweisen, welcher den im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefsten Teil der Abluftleitung 17 und idealerweise des Kathodenraums 5 und der Zuluftleitung 16 ausbilden sollte. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 kommt es zu einer Auskondensation von Wasser. Da sich eine vergleichsweise große Menge an Feuchtigkeit und Produktwasser im Bereich der Brennstoffzelle 3, und hier insbesondere im Bereich des Kathodenraums 5, befindet, wird in diesem Bereich besonders viel Feuchtigkeit auskondensieren und damit besonders viel flüssiges Kondensat anfallen. Um zu verhindern, dass dieses flüssige Kondensat einfriert und beispielsweise die Abluftleitung 17 bei einem eventuellen Wiederstart der Brennstoffzelle 3 blockiert, kann es nun vorgesehen sein, dass die Abluftleitung 17 den gezeigten Knick 30 an ihrer im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefsten Stelle aufweist. Im Bereich dieses Knicks wird sich dann das in der Darstellung der Figur 4 mit 31 bezeichnete Kondensat ansammeln. Über eine Klappe 19 als
Ventilkörper der Ventileinrichtung 18 kann nun analog zur Darstellung in Figur 3 über ein Zahnrad 29 und eine Zahnstange 27 mit einem Kolben 28 und einer Rückstellfeder 24 ein Öffnen dieser Klappe 19 bewirkt werden, sodass das Kondensat ablaufen kann. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 wird durch den Abluftstrom typischerweise die Feuchtigkeit und die Flüssigkeit mit aus dem Brennstoffzellensystem 1 gefördert. Ein Zustand, in welchem im Bereich des Knicks 30 Kondensat abgelassen werden soll, tritt damit typischerweise nur dann auf, wenn das Brennstoffzellensystem 1 abgeschaltet ist. In diesem Zustand ist, wie bereits mehrfach erwähnt, dann typischerweise auch der Kühlkreislauf 8 abgeschaltet, die Kühlmittelfördereinrichtung 9 fördert also kein Kühlmittel durch den Kühlkreislauf 8. Dementsprechend ist der Aufbau hier genau umgekehrt, wie bei den bisher beschriebenen Ventileinrichtungen 15, 18 ausgeführt. Der Kolben 28 wird zusammen mit der Zahnstange 27 über die Rückstellfeder 24 typischerweise so positioniert, dass die Klappe 19, wie hier gestrichelt dargestellt, geöffnet ist. Erst wenn auf den Druckraum 22 des Kolbens 28 ein entsprechender Druck wirkt, schiebt der Kolben 28 über die Zahnstange 27 und das Zahnrad 29 die Klappe in die hier durchgezogen dargestellte geschlossene Stellung. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Druckkammer 22 Druck von dem Kühlmedium in den Kühlkreislauf 8 erfährt, welcher über die
Verbindungsleitung 25 wiederum mit dem Druckraum 22 verbunden ist. Die
Ventileinrichtung 18 in der Darstellung gemäß Figur 4 öffnet also die Klappe immer dann, wenn das Brennstoffzellensystem 1 bzw. sein Kühlkreislauf 8 nicht in Betrieb ist und schließt die Klappe 19 immer dann, wenn das Brennstoffzellensystem 1 bzw. sein Kühlkreislauf 8 in Betrieb ist. Die Abluftleitung 17 bleibt also im Betrieb verschlossen, wird jedoch beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 über die Ventileinrichtung 15, 18 entsprechend geöffnet, sodass anfallendes Kondensat ablaufen kann.
Für beide Bauarten und Einsatzarten der Ventileinrichtung 15, 18, also sowohl für den Zustand im Normalfall geschlossen als auch für den Zustand im Normalfall geöffnet, kann über eine Drosseleinrichtung im Bereich der Verbindungsleitung 25 ein verzögertes Ansprechen gegenüber dem Starten bzw. Abstellen des Kühlmedienstroms in dem Kühlkreislauf 8 realisiert werden. Hierdurch kann es beispielsweise möglich werden, beide Technologien im selben Brennstoffzellensystem 1 einzusetzen, wenn diese so
ausgestaltet sind, dass eine Ventileinrichtung 18 in der Abluftleitung 17 doppelt vorhanden ist, wobei die erste Ventileinrichtung 18 in Strömungsrichtung nach dem Kathodenraum 5 so ausgebildet ist, dass diese nach einer gewissen Zeit ihre
normalerweise geschlossene Stellung erreicht, während in Strömungsrichtung danach eine Ventileinrichtung angeordnet ist, welche sofort mit dem Abstellen des Kühlkreislaufs in die geöffnete Stellung geht. Dann ist es möglich, dass Kondensat noch eine
vergleichsweise lange Zeit aus dem Kathodenraum 5 abfließen kann, wonach die andere Ventileinrichtung 18 die Abluftleitung 17 entsprechend verschließt, um so dafür zu sorgen, dass trotz der geöffneten Klappe 19 im Bereich der als normalerweise geöffnet ausgebildeten Ventileinrichtung 18 zum Kondensat ableiten eine entsprechende
Verhinderung des Eindringens von Sauerstoff bzw. Luft erzielt wird, und damit die Lebensdauer der Brennstoffzelle 3 verlängert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Ventileinrichtung (15, 18) für ein Brennstoffzellensystem (1), mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und einem die Brennstoffzelle (3) kühlenden Kühlmedium in einem Kühlkreislauf (8), mit einem Ventilkörper (19), welcher über ein
Betätigungselement für den Ventilkörper entgegen der Kraft eines elastischen Rückstellelements (24) bewegbar ist, wobei das Betätigungselement einen mit Druck betätigbaren Kolben (28) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolben (28) mit Kühlmedium der Brennstoffzelle (3) zur Betätigung beaufschlagt ist.
2. Ventileinrichtung (15, 18) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kolben (28) über ein Getriebeelement mit dem Ventilkörper (19) verbunden ist.
3. Ventileinrichtung (15, 18) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Getriebeelement eine Zahnstange (27) und ein Zahnrad (29) umfasst.
4. Ventileinrichtung (15, 18) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das elastische Rückstellelement als Feder (24) ausgebildet und im Bereich des Kolbens (28) angeordnet ist. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und einem die Brennstoffzelle (3) kühlenden Kühlmedium in einem Kühlkreislauf (8), mit wenigstens einer Ventileinrichtung (15, 18) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 im Bereich einer Zuluftleitung (16) und/oder einer Abluftleitung (17), wobei der Kolben (28) mit dem Kühlmedium des Kühlkreislaufs (8) in Fluidverbindung steht.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ventileinrichtung (15, 18) in einem Zustand ohne Druck des Kühlmediums geschlossen ausgebildet ist, wobei die Ventileinrichtung (15, 18) im Bereich der Zuluftleitung (16) und/oder der Abluftleitung (17) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ventileinrichtung (15, 18) in der Zuluftleitung (16) oder der Abluftleitung (17) angeordnet ist, wobei in der jeweils anderen Leitung (17, 16) ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches nur in Strömungsrichtung der Luft im Betrieb der
Brennstoffzelle (3) durchströmbar ist
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Ventileinrichtung (15, 18) im Zustand ohne Druck des Kühlmediums offen ausgebildet ist, wobei die Ventileinrichtung (17, 18) im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefsten Bereich (30) der Zuluftleitung (16) und/oder der Abluftleitung (17) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der im bestimmungsgemäßen Einsatz tiefste Bereich der Zuluftleitung (16) und/oder der Abluftleitung (17) als Bogen oder bevorzugt als Knick (30) in dem
Leitungselement (20) oder als Flüssigkeitsabscheider ausgebildet ist.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Fluidverbindung zwischen dem Kühlkreislauf (8) und dem Kolben (28) eine Drossel aufweist.
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