WO2021239945A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2021239945A1
WO2021239945A1 PCT/EP2021/064346 EP2021064346W WO2021239945A1 WO 2021239945 A1 WO2021239945 A1 WO 2021239945A1 EP 2021064346 W EP2021064346 W EP 2021064346W WO 2021239945 A1 WO2021239945 A1 WO 2021239945A1
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WO
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valve body
valve
fuel cell
sealing surface
cell system
Prior art date
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PCT/EP2021/064346
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English (en)
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Inventor
Jochen Schaible
Felix Rothe
Clemens POTESCHIL
Robert Notz
Georg Holzheu
Aleksandar Pericevic
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Hoerbiger Antriebstechnik Holding Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system, comprising a fuel cell having an anode compartment and a cathode compartment as well as a jet pump and a fuel gas pump connected to the anode compartment with a suction connection and a pressure connection, the recirculation of an anode gas and the metered charging of the anode compartment with fuel gas.
  • Control valve having jet pump control valve unit, wherein the fuel gas control valve is fluidically connected between a fuel gas source and the jet pump.
  • electricity can be generated by typically combining a fuel gas (e.g. hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture) supplied to the anode compartment with an oxygen-containing gas / gas mixture supplied to the cathode compartment (e.g. ambient air) to form a reaction product (e.g. B. Water) reacts chemically.
  • a fuel gas e.g. hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture
  • an oxygen-containing gas / gas mixture supplied to the cathode compartment
  • the anode compartment is usually separated from the cathode compartment by an electrolyte membrane. Most of the reaction product produced during the chemical reaction is obtained in the cathode compartment.
  • condensate water and foreign gases e.g. nitrogen
  • Technical devices e.g. drain valves, flushing valves
  • anode with fuel gas e.g. hydrogen
  • fuel gas e.g. hydrogen
  • the recirculation of the anode gas can be made possible both by an externally (e.g. electrically) driven circulating fan and by a jet pump internally driven by the pressurized fuel gas itself.
  • the pressurized fuel gas usually enters a mixing chamber of the jet pump through a propulsion nozzle with the formation of a propulsion jet. Due to the phenomenon of momentum exchange, anode gas is carried away by the propulsion jet and is thus sucked in and conveyed.
  • the ratio of the volume flows of recirculated anode gas to propellant gas used for this purpose is referred to as the recirculation rate. This fluctuates depending on the mode of operation of the fuel cell system, usually increases the further the operating point of the fuel cell system is lowered in the direction of the lower load and can assume values of 10 and more, especially when operating at a low partial load.
  • a jet pump In contrast to an externally driven circulation fan, a jet pump does not have to be driven using (electrical) energy, which benefits the energy efficiency of the fuel cell system.
  • jet pumps are characterized by a long service life and high reliability, as moving parts (which are susceptible to failure) can be dispensed with.
  • the use of a jet pump is typically accompanied by restrictions related to the operation of the fuel cell in partial load operation, since a jet pump typically only develops its pumping effect when a certain minimum propellant gas volume flow is exceeded.
  • Fuel cell systems of the type mentioned at the outset - in which jet pumps are used to recirculate the anode gas - have been known for many years.
  • DE 102011 114 797 A1 deals with the (temporary) heating of the propulsion jet nozzle of the jet pump; and DE 102018 200 314 A1 is concerned with a jet pump unit intended for use in vehicles with fuel cell drive, with a specific metering valve used to control hydrogen or another gas.
  • DE 102015 224 333 A1 deals with a method for determining the anode integrity during operation of a fuel cell vehicle, in particular anode Leak tests during vehicle operation based on hydrogen flow into a fuel cell are proposed.
  • DE 102010 043 614 A1 discloses a proportional valve which is used to control the supply of gaseous hydrogen to the fuel cell of a vehicle with a fuel cell drive and is suitable for this purpose.
  • the present invention has set itself the task of providing a fuel cell system of the type mentioned at the beginning, which is characterized by an improved, particularly pronounced suitability for practical use, in particular with regard to the service life, the partial load capability and the energy efficiency.
  • the fuel gas control valve comprises a valve seat having a first sealing surface with at least two passage channels and a movable valve body having a second sealing surface.
  • the valve body can be moved into a shut-off position and a passage position by means of a valve body actuator, whereby in the shut-off position the first sealing surface and the second sealing surface abut one another in a common sealing plane and seal against each other, whereas in the passage position there is a lifting gap between the first sealing surface and the second sealing surface is formed.
  • the first sealing surface and / or the second sealing surface is arranged on a raised sealing plateau.
  • a valve seat surface in the area of the first sealing surface and / or a valve body surface in the area of the second sealing surface has / have an average surface roughness of a maximum of 1pm.
  • the propulsion jet that can be generated by a jet pump control valve unit can be regulated by means of a pulse-width-modulated application of the valve body actuator.
  • the volume flow of the propulsion jet is not regulated continuously, but discontinuously in such a way that there are shut-off intervals without volume flow (in which the valve body is in the shut-off position) with passage intervals with a high volume flow (in which the valve body is in the Alternate passage position).
  • the mean volume flow averaged over a longer period of time can be regulated.
  • the propulsion jet which pulsates according to the sequence of the shut-off and passage intervals, generates a correspondingly pulsating mixed gas flow of recirculated anode gas and (fresh) fuel gas and a correspondingly pulsating flow from the anode chamber (through the suction connection) into the anode space (through the pressure connection). sucked anode gas stream.
  • pulse beat an extremely steeply rising and falling pulse current change
  • the pulse of the propulsion jet can cause the anode gas flow to be sucked in more or less suddenly from the anode space through the suction pipe connection into the jet pump.
  • This pulsating sudden suction can contribute to the fact that (compared to a more continuous suction) a larger volume of anode gas is sucked into the jet pump.
  • the recirculation rate can thus be increased, which is beneficial to the partial load capability of the fuel cell system.
  • the sudden suction also favors the discharge of (undesired) condensate water located in the anode space, as this is carried along by the anode gas to a greater extent due to the sudden suction and is prevented from settling on surfaces in the anode space. Both effects can be particularly pronounced when exploiting possible oscillation and resonance phenomena.
  • the pulse beat of the propulsion jet can cause the mixed gas flow to flow through the pressure connection into the anode compartment in a comparable abrupt manner, whereby the mixing of the gas in the anode compartment can be promoted and fluidic dead areas can be reduced. Both improve the supply or the loading of the anode with fuel gas and thus serve to increase efficiency, energy efficiency and service life.
  • inventive features and their interaction are jointly geared towards enabling a sequence of as pronounced pulse flow changes as possible in the propellant gas and mixed gas flow, following the repetition pattern resulting from the pulse-width-modulated operation of the valve body actuator:
  • valve body surface and the valve seat surface can thereby In the case of the fuel control valve, sealing can be achieved without elastic deformation of the valve body and / or valve seat. In this respect, a hard-sealing design of the fuel control valve can be implemented.
  • valve body and the valve seat are not subjected to deformation during the sealing process can reduce their mechanical stress, which is relevant for material fatigue, and thus increase their service life.
  • This benefits the pulse-width-modulated mode of operation of the fuel control valve - with its very high number of valve body movements leading to a sealing contact. Even any slight fuel leakage flows associated with this deformation-free ("hard") type of seal during the shut-off intervals would be acceptable in view of the very considerable advantages that can be achieved by the invention.
  • At least one of the two sealing partners has an average roughness depth of a maximum of 1pm, preferably a maximum of 0.25pm, on the relevant sealing surface. particularly preferably a maximum of O, ⁇ mpivor. If both sealing partners have a comparably hard sealing surface, in particular because the same material is used on the two sealing surfaces, the said surface quality applies to both sealing partners. If, on the other hand, one of the two sealing partners is harder on its sealing surface than the other sealing partner on its, for example because the valve body has a valve body surface made of steel and the valve seat has a valve seat surface made of plastic, then it is harmless if (before the fuel gas control valve is put into operation) the surface quality on the less hard sealing surface (e.g.
  • a valve seat made of filled plastic in particular PEEK; see below
  • PEEK polyethylene styrene
  • the surface quality of which is characterized by an initial mean roughness depth of a maximum of 10mpi, preferably a maximum of 2.5m, particularly preferably a maximum of 1m .
  • the harder of the two sealing partners smooths the sealing surface within a short time in the case of the less hard one.
  • the “mean roughness depth” set out above is the mean roughness depth Rz, as it is defined and measured in accordance with DIN EN 4287 and DIN EN 4288.
  • the specified high surface quality on the valve body surface or valve seat surface can be achieved by processing them by means of mechanical surface fine treatment, such as. B. lapping, honing and polishing can be achieved.
  • the materials used for the valve body and the valve seat are, in particular, metals as well as with mineral substances, carbon or glass fibers highly filled plastics, in particular polyetheretherketones (PEEK), polyphenylsiloxanes (PPS), polyetherimides (PEI) and polyphthalamides (PPA).
  • the arrangement of at least one sealing surface on a raised sealing plateau protruding from the adjacent end face areas of the relevant element (valve seat or valve body) also has a considerable influence on enabling a sudden change in the pulse current of the propulsion jet.
  • pressurized fuel gas from the fuel gas source when the fuel gas control valve is closed (shut-off position), collects in a pressure chamber that extends through the raised sealing plateau between the opposing end faces of the valve seat and valve body.
  • the shut-off position of the valve body there is pressurized and thus correspondingly compressed fuel gas directly at the interacting sealing surfaces at the shortest possible distance and can suddenly expand into the passage channels when the fuel control valve is opened (movement of the valve body in the passage position).
  • an improvement in the sudden propulsion jet formation can be achieved in that, when the two sealing surfaces are lifted from one another, sufficient pressurized fuel gas is available to flow into the at least two passages and thus contribute to a sudden flow build-up.
  • the fuel gas control valve to be operated with an extremely small stroke of the valve body.
  • a stroke of less than 0.5mm is sufficient.
  • the stroke of the valve body is less than 0.3 mm, for example 0.2mm.
  • Such small strokes have a positive effect on the operating behavior.
  • the axial extent of the pressure space formed between the opposing end faces of the valve seat and valve body is preferably at least 1.5 times the valve body stroke, particularly preferably at least 3 times this.
  • the present invention makes use of the knowledge that the intermittent propellant jet, which is important for the present inventive concept, with a sudden build-up and interruption of the propellant gas flow can only be realized through the interaction of the features according to the invention.
  • the first sealing surface is arranged on the raised sealing plateau and is formed by at least one annular surface, into which at least two passage channels each open into a passage opening.
  • the passage openings are circular, oval, triangular or trapezoidal.
  • a reference circumference or a sum of reference circumferences of the at least one annular surface is very particularly preferably at least 60 times, preferably at least 80 times, particularly preferably at least 100 times larger than the lifting gap in the passage position.
  • the reference circumference of a ring surface is the arithmetic mean of the outer circumference and the Defined inner circumference of the respective annular surface. In this way it can be achieved that the for the
  • Fuel gas flow decisive flow cross-section in the passage position is already achieved after a particularly small relative movement of the valve body with respect to the valve seat.
  • a minimization of the movement paths simultaneously reduces the required actuation time and the actuation energy to be expended and has a particularly advantageous effect on the movement path-dependent component wear and thus the service life of the fuel gas control valve.
  • the first sealing surface can be arranged on the raised sealing plateau and formed by at least two surface sections (not connected to one another in the sealing plane), in each of which (at least) one passage channel opens into a passage passage mouth, the at least two surface sections are preferably each circular, oval, triangular or trapezoidal.
  • the pressure chamber extends all around outside of each surface section between valve body and valve seat and thus the fuel gas can expand and flow into the respective passage channel from all sides in the course of the valve opening, which promotes the sudden build-up of the propellant jet.
  • a sum of the circumferences of the at least two surface sections is at least 150 times, preferably at least 250 times, particularly preferably at least 350 times larger than the lifting gap in
  • valve body actuator comprises a flow concentrator and an armature coupled to the valve body, an air gap being formed between the armature and the flow concentrator in the passage position.
  • the air gap can prevent the armature from coming into contact with the flux concentrator in the open position and "adhering" to it (induced by magnetic and / or surface forces), which can at least make moving the valve body into the shut-off position more difficult and slower could thus have a negative effect on the dynamics of the movement of the valve body.
  • the valve body or a possibly provided armature of the valve body actuator strikes in the passage position against at least one stop element, which is designed in particular to be elastic and / or noise-reducing.
  • the stop element in particular its elastic and / or noise-reducing design, it can generally be achieved that the noise emission of the fuel gas control valve is reduced when the passage position is reached and thus the practicality of the fuel cell system is increased.
  • the service life of the fuel control valve also benefits from this measure.
  • valve body can be moved along a movement axis into the shut-off position and the passage position, the fuel gas being able to flow into the fuel gas control valve transversely to the movement axis and out of the fuel gas control valve along the movement axis. It can thus be achieved that the fuel gas flow is only deflected by about 90 ° when flowing through the fuel gas control valve and thus a pressure loss associated with a stronger deflection can be avoided, which benefits the sudden build-up of the propellant jet.
  • the propulsion nozzle has a propulsion nozzle outlet
  • the distance between the Driving nozzle outlet and the first sealing surface is at most 160 times, preferably at most 130 times larger than the lift gap when the fuel gas control valve is open.
  • the said distance in order to achieve a gentle acceleration of the propellant gas in the propellant nozzle, the said distance must not be too small. It is preferably at least 70 times, preferably 100 times larger than the lift gap when the fuel gas control valve is open. If the above dimensioning is adhered to, the operating properties are very good.
  • the valve body can be moved along an axis of movement into the shut-off position and the passage position, the valve body having at least one recess, in particular designed as a blind hole or annular channel, on its end face facing the valve seat, which has at least is fluidly connected to an inflow channel extending transversely to the movement axis to the periphery of the valve body. It can thus be achieved that fuel gas can pass through the inflow channel (or inflow channels) and the recess to the pressure chamber and, when the fuel gas regulating valve is open (passage position of the valve body), can flow further to the passage channels.
  • a double supply of fuel gas to the pressure chamber is realized on the one hand through the at least one inflow channel and the recess and on the other hand with a lateral flow around the valve body.
  • the fuel gas control valve comprises a sleeve-shaped valve housing which accommodates the valve seat, the valve body and the valve body actuator.
  • the valve body is preferably guided through the valve housing and can be moved along a movement axis between the shut-off position and the passage position and is in contact with the valve housing within an annular contact area of the valve housing which provides guidance.
  • At least one inflow opening (for the fuel gas) running transversely to the axis of movement and in a section of the valve housing facing away from the contact area from the valve seat are at least one equalizing opening (for the fuel gas) running transversely to the axis of movement ) educated.
  • valve body has a sliding ring, by means of which the valve body is guided in the valve housing and is in contact with the annular contact area of the valve housing.
  • the sliding ring can be used to create a "floating mounting" of the valve body, which enables the valve body to align itself in the shut-off position on the valve seat, which is beneficial for the tightness of the seal between the valve body and valve seat.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention
  • 2 shows an axial section of a jet pump control valve unit of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 3 shows an enlarged axial section of the fuel gas control valve of the jet pump control valve unit according to FIG. 2,
  • FIG. 4a and 4b the valve body of the fuel gas control valve according to FIG. 3 in a side view (FIG. 4a) and a radial section (FIG. 4b),
  • FIGS. 5a to 6b show two different embodiments of a valve seat of a fuel cell system according to the invention, each in a top view (FIGS. 5a, 6a) and an axial section (FIGS. 5b, 6b) and
  • Fig. 7 plan view sections of four other different valve seats of fiction, contemporary fuel cell systems.
  • FIG. 1 schematically shows a fuel cell system 1 according to the invention, which comprises a fuel cell 3 and a jet pump control valve unit 5.
  • the fuel cell 3 has in the usual way an anode space 7, a cathode space 9 and an electrolyte membrane 11 separating the anode space 7 and the cathode space 9 from one another.
  • the jet pump control valve unit 5 comprises a jet pump 13 and a fuel gas control valve 15, is connected to the anode chamber 7 via a suction connection 17 and a pressure connection 19 and is used to recirculate an anode gas and to meter the anode chamber 7 with fuel gas.
  • the fuel gas which is under high pressure in the fuel source 25, first passes through an open shut-off valve 27 before its pressure passes through a pressure reducer 29 is reduced and the fuel gas flows into the fuel gas control valve 15. Controlled by the fuel gas control valve, the fuel gas then flows into the jet pump 13 and entrains there - in a known manner - anode gas, which is sucked in through the suction connection 17 and mixed with the (fresh) fuel gas to form mixed gas.
  • the mixed gas leaves the jet pump 13 through the pressure connection 19 and flows past the safety valve 35 and through an (optional) first condensate separator 37 before it flows through an anode chamber inlet 39 into the anode chamber 7 of the fuel cell 3.
  • control and operationally relevant status parameters of the mixed gas are recorded by means of a sensor 41.
  • the anode gas sucked out of the anode compartment 7 through an anode compartment outlet 43 passes a (second) condensate separator 45 serving to separate condensate water and flows past a flushing valve 47, which enables the removal of foreign gases (e.g. nitrogen) that have accumulated in the anode compartment.
  • Condensate water separated in the first condensate separator 43 or second condensate separator 45 which may be provided, can be drained off via a condensate drainage valve 49.
  • Fig. 2 shows - for the sake of the representation of details partly not to scale - a jet pump control valve unit 5 of a fuel cell system 1 according to the invention comprising a fuel control valve 15 and a steel pump 13 in an axial section.
  • the jet pump 13 has a jet pump housing 51, in which a suction connection 17, a pressure connection 19 and a propulsion jet connection 53 are provided and which one Mixing space 55 and a diffuser area 57 are formed. Since the jet pump control valve unit is based on the prior art, which is well known to the person skilled in the art, further explanations are unnecessary.
  • the fuel gas control valve 15 comprises a sleeve-shaped valve housing 59, a valve seat 69, a valve body 71 and a valve body actuator 73 and is inserted into a valve receptacle 61 which receives the fuel gas control valve 15 and is directly adjacent to the jet pump housing 51.
  • the valve housing 59 is sealed off from the valve receptacle 61 by means of two O-rings 62.
  • the valve seat 61 and the jet pump housing 51 could also be made in one piece, although not shown in this way in the drawing.
  • a fuel gas connection 63 is provided in the valve receptacle 61, via which the fuel gas source 25 is fluidically connected to an annular fuel chamber 65 which is formed between the valve receptacle 61 and the valve housing 59.
  • the fuel gas connection 63 illustrated in the sectional plane for the sake of illustration is preferably not oriented in this way in practice, but rather perpendicular to the sectional plane - and to the suction connection 17.
  • the valve housing 59 is adjoined on the jet pump side by a propulsion nozzle 67 projecting through the propulsion jet connection 53 into the mixing chamber 55 of the jet pump 13.
  • the propulsion nozzle 67 has a propulsion nozzle outlet 67 '.
  • Fuel gas which flows through the fuel gas connection 63 into the fuel ring chamber 65 and passes this when the fuel control valve 15 is open, then flows through the propellant nozzle 67, which generates a propulsion jet, into the mixing chamber 55 of the jet pump 13 and step together with this into the diffuser area 57.
  • the volume flow of the propulsion jet that can be generated by means of the propulsion nozzle 67 of the jet pump control valve unit 5 can be regulated by means of a pulse-width-modulated application of the valve body actuator 73.
  • the driving nozzle 67 could also be designed in one piece with the valve housing 59 or the jet pump housing 51.
  • Fig. 3 shows - again for the sake of the representation of details partly not to scale - the fuel gas control valve 15 of the jet pump control valve unit 5 according to FIG
  • the valve seat 69, the valve body 71, the valve body actuator 73, a stop element 74 and a valve cover 75 are accommodated in a sleeve-shaped valve housing 59.
  • the valve seat 69 which is made of highly filled PEEK and is sealed off from the valve housing 59 by means of an O-ring 77, has a first sealing surface 79 on its end face 90 facing the valve body 71.
  • the first sealing surface 79 is arranged on a raised sealing plateau 81 that protrudes from the adjacent areas of the end face 90 and is formed by eight circular surface sections 83 (only two of which are visible in FIG. 3). In each surface section 83, a passage 85 opens into a passage mouth 87.
  • the valve seat surface has an average roughness Rz (originally measured before the fuel gas control valve was started up) of approximately 2.5 ⁇ m.
  • the valve body 71 made of steel comprises a sliding ring 89 and has on its face facing the valve seat 69 End face 91 has a second sealing face 82 and a recess 95 designed as a blind hole 93, which is fluidly connected to six inflow channels 96 extending towards the periphery of the valve body 71 (see also FIGS. 4a and 4b).
  • the valve body surface In the area of the second sealing surface 82, the valve body surface has an average roughness depth of approximately 0.25 ⁇ m.
  • the valve body actuator 73 comprises an electromagnet M, a flux concentrator 97 and an armature 99 coupled to the valve body 71.
  • the flux concentrator 97 is sealed off from the valve housing 59 by means of an O-ring 101.
  • the electromagnet M is connected via two contact points 103 to a cable 105 which is led to the outside through a grommet 107 breaking through the valve cover 75.
  • the unit comprising armature 99 and valve body 71 can be moved along a movement axis A into a shut-off position and an open position, whereby in the ( In the shut-off position shown in Fig. 3, the first sealing surface 79 and the second sealing surface 82 rest against one another in a common sealing plane E and seal against one another, whereas in the passage position (not shown) the valve body 71 - lifted from the valve seat 69 - strikes the stop element 74 and a lift gap is formed between the first sealing surface 79 and the second sealing surface 81.
  • the valve body 71 is guided through the valve housing 59 by means of the sliding ring 89 and is in contact with the valve housing 59 within an annular contact area K of the valve housing 59.
  • the valve housing 59 has eight inflow openings 109, eight compensating openings 111 and one outflow opening 113, only two inflow openings 109 and two compensating openings 111 being visible in FIG. 3.
  • the inflow openings 109 are designed to run transversely to the axis of movement A in a section of the valve housing 59 facing the valve seat 69 starting from the contact area K, whereas the compensating openings 111 extend transversely to the axis of movement A in a section of the valve housing 59 facing away from the contact area K from the valve seat 69 educated.
  • the fuel gas control valve 15 If the fuel gas control valve 15 is closed, the valve body 71 is in the shut-off position, the fuel gas can be in a pressure chamber D, which is spanned by the raised sealing plateau 81 between the opposing end faces 90, 91 of valve seat 69 and
  • Valve body 71 extends, accumulate.
  • the pressure chamber D can be supplied with fuel gas on the one hand through the inflow channels 96 and the recess 95 designed as a blind hole 93 and on the other hand with a lateral flow around the valve body 71.
  • the shut-off position of the valve body 71 there is pressurized and thus correspondingly compressed fuel gas directly at the interacting sealing surfaces 79, 82 at the shortest possible distance and, when the fuel gas control valve 15 is opened, it can expand into the passage 85 and then through the outflow opening 113 to flow out of the fuel control valve 15 along the movement axis A.
  • valve seat 69A, 69B each show a valve seat 69A, 69B of two further embodiments of the fuel cell system 1 according to the invention in a plan view and an axial section.
  • the valve seat 69A - again made of highly filled PEEK - according to FIGS. 5a and 5b has a first sealing surface 79A which is arranged on a raised sealing plateau 81A which protrudes with respect to the adjoining end surface areas 90A.
  • the sealing surface 79A is formed by 24 circular surface sections 83A which are arranged along two concentric circles K1, K2. In each surface section 83A, a passage 85A opens into a passage mouth 87A.
  • a valve seat surface 79'A has an original mean surface roughness of 2.5 ⁇ m in the area of the first sealing surface 79A.
  • the valve seat 69B according to FIGS. 6a and 6b - again made of highly filled PEEK - has a first sealing surface 79B which is arranged on a raised sealing plateau 81B protruding from the adjoining end surface areas 90B and is formed by an annular surface 84B.
  • ten passage channels 85B open into ten circularly designed (arranged along an imaginary circle K3) passage channel openings 87B.
  • a valve seat surface 79'B has an original mean surface roughness of 2.5 ⁇ m in the area of the first sealing surface 79B.
  • valve seats 69C, 69D, 69E and 69F each have a first sealing surface 79C to 79F, which is arranged on a raised sealing plateau 81C to 81F is.
  • the sealing surfaces 79A to 79F are each formed by a plurality of surface sections 83C to 83F, these being elongated surface sections 83C, oval surface sections 83D, triangular surface sections 83E or trapezoidal Surface sections 83F are carried out.
  • a passage channel opens into a passage passage opening 87C to 87F.

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle sowie eine mit einem Sauganschluss (17) und mit einem Druckanschluss (19) an einen Anodenraum der Brennstoffzelle angeschlossene Strahlpumpen-Regelventil- Einheit (5). Deren fluidisch zwischen eine Brennstoffgasquelle und die Strahlpumpe (13) geschaltetes Brennstoffgas-Regelventil (15) umfasst einen eine erste Dichtfläche (79) aufweisenden Ventilsitz (69) mit mindestens zwei Durchlasskanälen (85) und einen bewegbaren, eine zweite Dichtfläche (82) aufweisenden Ventilkörper (71). Letzterer ist mittels eines Ventilkörper-Aktuators (73) in eine Absperrposition und eine Durchlassposition bewegbar, wobei in der Absperrposition die erste Dichtfläche (79) und die zweite Dichtfläche (82) in einer gemeinsamen Dichtebene (E) aneinander anliegen und gegeneinander abdichten, wohingegen in der Durchlassposition ein Hubspalt zwischen der ersten Dichtfläche (79) und der zweiten Dichtfläche (82) ausgebildet ist. Die erste Dichtfläche (79) und/oder die zweite Dichtfläche (82) ist auf einem erhabenen Dichtplateau (81) angeordnet. Eine Ventilsitzoberfläche im Bereich der ersten Dichtfläche (79) und/oder eine Ventilkörperoberfläche im Bereich der zweiten Dichtfläche (82) weist/weisen eine gemittelte Rautiefe von maximal 1µm auf. Der Volumenstrom eines mittels einer Treibdüse (67) der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit (5) erzeugbaren Treibstrahls ist mittels einer pulsweitenmodulierten Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators (73) regelbar.

Description

Brennstoff zellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweisende Brennstoffzelle sowie eine mit einem Sauganschluss und mit einem Druckanschluss an den Anodenraum angeschlossene, der Rezirkulation eines Anodengases und der dosierten Beschickung des Anodenraumes mit Brennstoffgas dienende, eine Strahlpumpe und ein Brennstoffgas-Regelventil aufweisende Strahlpumpen-Regelventil-Einheit , wobei das Brennstoffgas- Regelventil fluidisch zwischen eine Brennstoffgasquelle und die Strahlpumpe geschaltet ist.
Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann elektrischer Strom erzeugt werden, indem typischerweise ein dem Anodenraum zugeführtes Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch) mit einem dem Kathodenraum zugeführten sauerstoffhaltigen Gas/Gasgemisch (z. B. Umgebungsluft) unter Bildung eines Reaktionsprodukts (z. B. Wasser) chemisch reagiert. Der Anodenraum ist dabei üblicherweise durch eine Elektrolytmembran von dem Kathodenraum getrennt. Das während der chemischen Reaktion entstehende Reaktionsprodukt fällt größtenteils im Kathodenraum an. Bedingt durch Undichtigkeiten innerhalb der Brennstoffzelle sowie unerwünschte Nebenreaktionen können sich allerdings auch im Anodenraum Kondensatwasser und Fremdgase (z. B. Stickstoff) ansammeln und die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtigen. Üblicherweise sind daher technische Einrichtungen (z. B. Ablassventile, Spülventile) vorgesehen, um Kondensatwasser und Fremdgase aus dem Anodenraum zu entfernen.
Um eine ausreichende Versorgung der Anode mit Brennstoffgas (z. B. Wasserstoff) zu gewährleisten, wird dieses üblicherweise überstöchiometrisch zugeführt und das Anodengas über den Sauganschluss des Anodenraums abgesaugt und anschließend über den Druckanschluss des Anodenraums erneut dem Anodenraum zugeführt (Rezirkulation). Die Rezirkulation des Anodengases kann dabei sowohl durch ein extern (z. B. elektrisch) angetriebenes Umwälzgebläse als auch durch eine intern durch das unter Druck stehende Brennstoffgas selbst angetriebene Strahlpumpe ermöglicht werden.
Das unter Druck stehende Brennstoffgas tritt bei der Strahlpumpe dabei üblicherweise durch eine Treibdüse unter Ausbildung eines Treibstrahls in eine Mischkammer der Strahlpumpe ein. Anodengas wird bedingt durch das Phänomen des Impulsaustauschs vom Treibstrahl mitgerissen und dadurch angesaugt und gefördert. Das Verhältnis der Volumenströme von rezirkuliertem Anodengas zu hierzu aufgewendetem Treibgas wird als Rezirkulationsrate bezeichnet. Diese schwankt abhängig von der Betriebsweise des Brennstoffzellensystems, nimmt üblicherweise zu je weiter der Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems in Richtung niedrigerer Last abgesenkt wird und kann insbesondere im Betrieb bei niedriger Teillast Werte von 10 und mehr annehmen.
Gegenüber einem extern angetriebenen Umwälzgebläse muss eine Strahlpumpe nicht unter Aufwendung von (elektrischer) Energie angetrieben werden, was der Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems zugutekommt. Zudem zeichnen sich Strahlpumpen durch eine lange Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit aus, da auf (störungsanfällige) bewegte Teile verzichtet werden kann. Allerdings geht der Einsatz einer Strahlpumpe typischerweise auch mit Einschränkungen bezogen auf den Betrieb der Brennstoffzelle im Teillastbetrieb einher, da eine Strahlpumpe ihre Pumpwirkung typischerweise erst dann entfaltet, wenn ein gewisser Mindesttreibgasvolumenstrom überschritten wird. Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art - bei denen also Strahlpumpen zur Rezirkulation des Anodengases verwendet werden - sind seit vielen Jahren bekannt. Sie sind beispielsweise in der DE 102011 105 054 Al und der DE 102010 043 618 Al beschrieben, aber auch z. B. in der EP 2565 970 Al, der US 9,029,032 B2, der DE 102011 086 917 Al, der DE 10 2011 114 797 Al, der US 2019/0148746 Al und der US 2007/0248858 Al; sie kommen auch bereits zum Einsatz, und zwar sowohl in stationären Anwendungen (z. B. als Kraft- Wärmekopplungs-Anlage, als netzunabhängiger Stromgenerator) als auch in mobilen Anwendungen (z. B. in Kraftfahrzeugen, Schiffen, Flugzeugen). Insbesondere bei mobilen Anwendungen stehen dabei Anforderungen wie Langlebigkeit, Zuverlässigkeit auch bei extremen Einsatz- und Umgebungsbedingungen,
Teillastfähigkeit, geringe Geräuschemission sowie hohe Energieeffizienz im besonderen Fokus.
Detailaspekte solcher Brennstoffzellensysteme sind Gegenstand verschiedener Veröffentlichungen. So befasst sich beispielsweise die oben bereits erwähnte DE 102011 114 797 Al mit der (zeitweisen) Beheizung der Treibstrahldüse der Strahlpumpe; und die DE 102018 200 314 Al befasst sich mit einer zur Verwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb bestimmten Strahlpumpeneinheit mit einem spezifischen, dem Steuern von Wasserstoff oder einem anderen Gas dienenden Dosierventil .
Zur Brennstoffzellentechnologie im weiteren Sinne, d. h. über die hier fraglichen Brennstoffzellensysteme hinausgehend, existiert umfangreicher Stand der Technik. Beispielsweise befasst sich die DE 102015 224 333 Al mit einem Verfahren zum Bestimmen der Anodenintegrität während eines Brennstoffzellenfahrzeugbetriebs, wobei insbesondere sich nicht negativ auf die Fahrzeugleistung auswirkende Anoden- Lecktests während des Fahrzeugbetriebs auf der Grundlage einer WasserstoffStrömung in eine Brennstoffzelle vorgeschlagen werden. Und die DE 102010 043 614 Al offenbart ein zum Steuern der Zufuhr von gasförmigem Wasserstoff zur Brennstoffzelle eines Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb dienendes und hierfür geeignetes Proportionalventil.
Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches sich durch eine verbesserte, besonders ausgeprägte Praxistauglichkeit, insbesondere bezogen auf die Lebensdauer, die Teillastfähigkeit sowie die Energieeffizienz auszeichnet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art mit den folgenden, synergetisch zusammenwirkenden Merkmalen:
- Das Brennstoffgas-Regelventil umfasst einen eine erste Dichtfläche aufweisenden Ventilsitz mit mindestens zwei Durchlasskanälen und einen bewegbaren, eine zweite Dichtfläche aufweisenden Ventilkörper.
- Der Ventilkörper ist mittels eines Ventilkörper-Aktuators in eine Absperrposition und eine Durchlassposition bewegbar, wobei in der Absperrposition die erste Dichtfläche und die zweite Dichtfläche in einer gemeinsamen Dichtebene aneinander anliegen und gegeneinander abdichten, wohingegen in der Durchlassposition ein Hubspalt zwischen der ersten Dichtfläche und der zweiten Dichtfläche ausgebildet ist.
- Die erste Dichtfläche und/oder die zweite Dichtfläche ist auf einem erhabenen Dichtplateau angeordnet.
- Eine Ventilsitzoberfläche im Bereich der ersten Dichtfläche und/oder eine Ventilkörperoberfläche im Bereich der zweiten Dichtfläche weist/weisen eine gemittelte Rautiefe von maximal lpm auf. - Der Volumenstrom eines mittels einer Treibdüse der
Strahlpumpen-Regelventil-Einheit erzeugbaren Treibstrahls ist mittels einer pulsweitenmodulierten Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators regelbar.
Durch die pulsweitenmodulierte Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators wird der Volumenstrom des Treibstrahls nicht kontinuierlich, sondern derart diskontinuierlich geregelt, dass sich Absperrintervalle ohne Volumenstrom (in denen sich der Ventilkörper in der Absperrposition befindet) mit Durchlassintervallen mit hohem Volumenstrom (in denen sich der Ventilkörper in der Durchlassposition befindet) abwechseln. Durch die Anpassung der Längen der Absperrintervalle und der Durchlassintervalle ("Pulsweiten") kann der über einen längeren Zeitraum gemittelte, mittlere Volumenstrom geregelt werden.
Der entsprechend der Abfolge der Absperr- und Durchlassintervalle pulsierende Treibstrahl erzeugt dabei durch die Strahlpumpe einen entsprechend pulsierenden, in den Anodenraum (durch den Druckanschluss) eintretenden Mischgasstrom aus rezirkuliertem Anodengas und (frischem) Brennstoffgas sowie einen entsprechend pulsierenden aus dem Anodenraum (durch den Sauganschluss) abgesaugten Anodengasström.
Durch das synergetische Zusammenspiel der erfindungsgemäßen Merkmale kann dabei dem Treibstrahl eine (während des Durchlassintervalls in Erscheinung tretende) extrem steil ansteigende und abfallende Impulsstromänderung ("Impulsschlag") aufgeprägt werden, wodurch eine Reihe von überraschenden Vorteilen ermöglicht wird, die die Praxistauglichkeit des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erhöhen. Zunächst kann der Impulsschlag des Treibstrahls bewirken, dass der Anodengasstrom gleichermaßen mehr oder weniger schlagartig aus dem Anodenraum durch den Saugrohranschluss in die Strahlpumpe angesaugt wird. Dieses pulsierend schlagartige Ansaugen kann dabei dazu beitragen, dass (im Vergleich zu einem eher kontinuierlichen Ansaugen) ein größeres Volumen Anodengas in die Strahlpumpe angesaugt wird. Somit kann die Rezirkulationsrate erhöht werden, was der Teillastfähigkeit des Brennstoffzellensystems zuträglich ist. Darüber hinaus begünstigt das schlagartige Ansaugen auch die Austragung von im Anodenraum befindlichem (unerwünschtem) Kondensatwasser, da dieses bedingt durch das schlagartige Ansaugen im größeren Maße von dem Anodengas mitgerissen und am Absetzen auf Oberflächen im Anodenraum gehindert wird. Beide Effekte können beim Ausnutzen möglicher Schwingungs- und Resonanzphänomene ganz besonders ausgeprägt sein.
Zum anderen kann der Impulsschlag des Treibstrahls bewirken, dass der Mischgasstrom vergleichbar schlagartig durch den Druckanschluss in den Anodenraum einströmt, wodurch die Durchmischung des Gases im Anodenraum befördert werden kann sowie strömungstechnische Totgebiete reduziert werden können. Beides verbessert die Versorgung bzw. die Beladung der Anode mit Brennstoffgas und dient damit der Erhöhung von Wirkungsgrad, Energieeffizienz und Lebensdauer.
Die erfinderischen Merkmale sowie deren Zusammenwirken sind gemeinsam darauf ausgerichtet, eine - dem sich aus dem pulsweitenmodulierten Betrieb des Ventilkörperaktuators ergebenden Wiederholungsmuster folgende - Abfolge möglichst ausgeprägter Impulsstromänderungen im Treibgas- und Mischgasstrom zu ermöglichen:
Durch an der Ventilkörperoberfläche sowie der Ventilsitzoberfläche vorliegende Oberflächengüten kann dabei bei dem Brennstoff-Regelventil ein Abdichten ohne eine elastische Verformung von Ventilkörper und/oder Ventilsitz realisiert werden. Insoweit ist eine hartdichtende Ausführung des Brennstoff-Regelventils realisierbar. Dadurch kann - anders als bei "weichdichtenden" Ventilen, d. h. insbesondere solchen mit Elastomer-Auflage an Ventilsitz und/oder Ventilkörper - erreicht werden, dass ein Auseinanderbewegen von Ventilkörper und Ventilsitz unmittelbar und direkt ein Abheben des Ventilkörpers vom Ventilsitz mit sich bringt und somit unmittelbar und direkt der Durchfluss von Brennstoffgas freigegeben wird - und nicht erst eine zuvor, d. h. beim vorherigen Schließen des Ventils, erfolgte elastische Deformation des Ventilkörpers und/oder des Ventilsitzes zurückgestellt werden muss, bevor der Ventilkörper und der Ventilsitz voneinander abheben. Dies befördert die Realisierbarkeit einer schlagartigen Impulsstromänderung.
Darüber hinaus kann dadurch, dass der Ventilkörper und der Ventilsitz während des Dichtvorgangs nicht auf Deformation beansprucht werden, deren für Materialermüdungserscheinungen relevante mechanische Beanspruchung reduziert und somit deren Lebensdauer erhöht werden. Dies kommt der pulsweitenmodulierten Betriebsweise des Brennstoff- Regelventils - mit ihrer sehr hohen Anzahl an zu einem Abdichtkontakt führenden Ventilkörperbewegungen - zugute. Selbst etwaige, mit dieser deformationsfreien ("harten") Art der Abdichtung einhergehende, geringfügige Brennstoff- Leckageströme während der Absperrintervalle wären angesichts der durch die Erfindung erzielbaren ganz erheblichen Vorteile akzeptabel .
Zur Erzielung des besagten harten Abdichtens liegt bei zumindest einem der beiden Dichtpartner (Ventilkörper bzw. Ventilsitz) an der betreffenden Dichtoberfläche eine gemittelte Rautiefe von maximal lpm, bevorzugt maximal 0,25pm, besonders bevorzugt maximal O,ΐmpivor. Weisen beide Dichtpartner eine vergleichbar harte Dichtoberfläche auf, insbesondere weil an den beiden Dichtoberflächen gleiches Material zum Einsatz kommt, gilt die besagte Oberflächengüte für beide Dichtpartner. Ist hingegen einer der beiden Dichtpartner an seiner Dichtoberfläche härter als der andere Dichtpartner an seiner, beispielsweise indem der Ventilkörper eine aus Stahl bestehende Ventilkörperoberfläche, der Ventilsitz demgegenüber eine aus Kunststoff bestehende Ventilsitzoberfläche aufweist, so ist unschädlich, wenn (vor Inbetriebnahme des Brennstoffgas-Regelventils) die Oberflächengüte an der weniger harten Dichtoberfläche (z. B. etwa um eine Größenordnung) hinter jener an der härteren Dichtoberfläche zurückbleibt. So kann beispielsweise - ohne nachteilige Auswirkungen auf die Funktion - ein aus gefülltem Kunststoff (insbesondere PEEK; s. u.) gefertigter Ventilsitz zum Einsatz kommen, dessen Oberflächengüte durch eine anfängliche gemittelte Rautiefe von maximal IOmpi, bevorzugt maximal 2,5m, besonders bevorzugt maximal lm gekennzeichnet ist. Denn in der Einlaufphase erfolgt, begünstigt durch das hochfrequente Aufeinanderschlagen der beiden Dichtpartner infolge des pulsweitengesteuerten Betriebs des Brennstoffgas- Regelventils, durch den härteren der beiden Dichtpartner bei dem weniger harten innerhalb kurzer Zeit ein Glätten der Dichtoberfläche. Bei der vorstehend dargelegten "gemittelten Rautiefe" handelt es sich um die gemittelte Rautiefe Rz, wie sie gemäß DIN EN 4287 und DIN EN 4288 definiert ist und gemessen wird.
Die angegebene hohe Oberflächengüte an Ventilkörperoberfläche bzw. Ventilsitzoberfläche kann dabei durch deren Bearbeitung mittels mechanischer Oberflächen-Feinbehandlung, wie z. B. Läppen, Honen und Polieren, erzielt werden. Als Werkstoff für den Ventilkörper und den Ventilsitz kommen insbesondere Metalle sowie mit Mineralstoffen, Carbon- oder Glasfasern hochgefüllte Kunststoffe, insbesondere Polyetheretherketone (PEEK), Polyphenylsiloxane (PPS), Polyetherimide (PEI) sowie Polyphtalamide (PPA), in Frage.
Ebenfalls erheblichen Einfluss auf die Ermöglichung einer schlagartigen Impulsstromänderung des Treibstrahls hat die Anordnung mindestens einer Dichtfläche auf einem, gegenüber den angrenzenden Stirnflächenbereichen des betreffenden Elements (Ventilsitz bzw. Ventilkörper) hervorspringendem, erhabenen Dichtplateau. Damit kann erreicht werden, dass sich unter Druck stehendes Brennstoffgas aus der Brennstoffgasquelle bei geschlossenem Brennstoffgas- Regelventil (Absperrposition) in einem Druckraum, der sich aufgespannt durch das erhabene Dichtplateau zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen von Ventilsitz und Ventilkörper erstreckt, ansammelt. Es steht also in Absperrposition des Ventilkörpers unter Druck stehendes und somit entsprechend komprimiertes Brennstoffgas direkt, in kürzest möglicher Distanz an den zusammenwirkenden Dichtflächen an und kann beim Öffnen des Brennstoff- Regelventils (Bewegung des Ventilkörpers in Durchlassposition) schlagartig in die Durchlasskanäle hinein expandieren. Auf diese Weise kann eine Verbesserung der schlagartigen Treibstrahl-Ausbildung erreicht werden, indem unmittelbar und direkt, wenn die beiden Dichtflächen voneinander abgehoben werden, ausreichend unter Druck stehendes Brennstoffgas bereitsteht, um in die mindestens zwei Durchflüsse einzuströmen und damit zu einem schlagartigen Strömungsaufbau beizutragen .
Der vorstehende Effekt erlaubt wiederum einen Betrieb des Brennstoffgas-Regelventils mit einem extrem geringen Hub des Ventilkörpers. Bei typischen Anwendungsfällen ist ein Hub von unter 0,5mm ausreichend. In besonders bevorzugter Ausgestaltung beträgt der Hub des Ventilkörpers unter 0,3mm, beispielsweise 0,2mm. Dermaßen geringe Hübe wirken sich positiv auf das Betriebsverhalten aus. Für ein besonders vorteilhaftes Betriebsverhalten des Brennstoffgas-Regelventils beträgt die axiale Erstreckung des zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen von Ventilsitz und Ventilkörper gebildeten Druckraums (s. o.) bevorzugt mindestens das 1,5-Fache des Ventilkörper-Hubes, besonders bevorzugt mindestens das 3-Fache hiervon.
Die vorliegende Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass der für das vorliegende erfinderische Konzept bedeutsame intermittierende Treibstrahl mit schlagartigem Aufbau und Abbruch der Treibgasströmung erst durch das Zusammenspiel der erfindungsgemäßen Merkmale realisiert werden kann.
Bei einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist die erste Dichtfläche auf dem erhabenen Dichtplateau angeordnet und durch mindestens eine Ringfläche ausgebildet, in die mindestens zwei Durchlasskanäle in jeweils einer Durchlasskanalmündung münden. In vorteilhafter Weise sind dabei die Durchlasskanalmündungen kreisförmig, oval, dreiecksförmig oder trapezförmig ausgeführt. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich der Druckraum sowohl innerhalb als auch außerhalb der Ringfläche zwischen Ventilkörper und Ventilsitz erstreckt und somit im Zuge der Ventilöffnung Brennstoffgas von zwei Seiten in die mindestens zwei Durchlasskanäle expandieren und einströmen kann, was den schlagartigen Aufbau des Treibstrahls befördert.
Dabei ist ganz besonders bevorzugt ein Bezugsumfang bzw. eine Summe von Bezugsumfängen der mindestens einen Ringfläche mindestens 60-mal, bevorzugt mindestens 80-mal, besonders bevorzugt mindestens 100-mal größer als der Hubspalt in der Durchlassposition. Der Bezugsumfang einer Ringfläche ist dabei als das arithmetische Mittel des Außenumfangs und des Innenumfangs der betreffenden Ringfläche definiert. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der für den
Brennstoffgasdurchfluss entscheidende Durchströmquerschnitt in der Durchlassposition bereits nach besonders geringer Relativbewegung des Ventilkörpers gegenüber dem Ventilsitz erreicht wird. Eine Minimierung der Bewegungswege verringert gleichzeitig die erforderliche Betätigungszeit sowie die aufzuwendende Betätigungsenergie und wirkt sich besonders vorteilhaft auf den bewegungswegabhängigen Bauteilverschleiß und damit die Lebensdauer des Brennstoffgas-Regelventils aus.
Alternativ kann in einer zweiten Weiterbildung der Erfindung die erste Dichtfläche auf dem erhabenen Dichtplateau angeordnet und durch mindestens zwei (in der Dichtebene nicht miteinander verbundene) Flächenabschnitte ausgebildet sein, in denen jeweils (mindestens) ein Durchlasskanal in einer Durchlasskanalmündung mündet, wobei die mindestens zwei Flächenabschnitte bevorzugt jeweils kreisförmig, oval, dreiecksförmig oder trapezförmig ausgeführt sind. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass sich der Druckraum ringsherum außerhalb eines jeden Flächenabschnitts zwischen Ventilkörper und Ventilsitz erstreckt und somit im Zuge der Ventilöffnung das Brennstoffgas von allen Seiten in den jeweiligen Durchlasskanal expandieren und einströmen kann, was den schlagartigen Aufbau des Treibstrahls befördert.
Dabei ist in besonders vorteilhafter Weise eine Summe der Umfänge der mindestens zwei Flächenabschnitte mindestens 150- mal, bevorzugt mindestens 250-mal, besonders bevorzugt mindestens 350-mal größer als der Hubspalt in
Durchlassposition. Damit, d. h. bei entsprechend (bezogen auf den Ventilkörper-Hub) sehr großen kumulierten Umfangslängen, können - wie oben bereits in analoger Weise ausgeführt - der für den Brennstoffgasdurchfluss entscheidende Durchströmquerschnitt in der Durchlassposition bereits nach besonders geringer Relativbewegung des Ventilkörpers gegenüber dem Ventilsitz sowie die dadurch ermöglichten Vorteile in besonders ausgeprägter Weise erreicht werden.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilkörper-Aktuator einen Flusskonzentrator und einen mit dem Ventilkörper gekoppelten Anker umfasst, wobei in der Durchlassposition zwischen dem Anker und dem Flusskonzentrator ein Luftspalt ausgebildet ist. Durch den Luftspalt kann verhindert werden, dass in Durchlassposition der Anker mit dem Flusskonzentrator in Kontakt kommt und an diesem (induziert durch Magnet- und/oder Oberflächenkräfte) "anhaftet", was ein erneutes Bewegen des Ventilkörpers in die Absperrposition zumindest erschweren und verlangsamen kann und sich somit negativ auf die Dynamik der Bewegung des Ventilkörpers auswirken könnte.
Gemäß einer anderen Weiterbildung schlägt der Ventilkörper bzw. ein ggf. vorgesehener Anker des Ventilkörper-Aktuators in der Durchlassposition an mindestens einem Anschlagelement an, welches insbesondere elastisch und/oder lärmmindernd ausgeführt ist. Damit kann - im Falle der zuvor diskutierten Weiterbildung - einfach und zuverlässig verhindert werden, dass der Flusskonzentrator und der Anker in der Durchlassposition miteinander in Kontakt kommen. Darüber hinaus kann allgemein bei entsprechender Ausführung des Anschlagelements, insbesondere durch dessen elastische und/oder lärmmindernde Ausführung, erreicht werden, dass die Geräuschemission des Brennstoffgas-Regelventils beim Erreichen der Durchlassposition reduziert und somit die Praxistauglichkeit des Brennstoffzellensystems erhöht wird. Auch die Lebensdauer des Brennstoffregelventils profitiert von dieser Maßnahme. Eine andere Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Ventilkörper entlang einer Bewegungsachse in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar ist, wobei das Brennstoffgas quer zur Bewegungsachse in das Brennstoffgas-Regelventil einströmbar und entlang der Bewegungsachse aus dem Brennstoffgas-Regelventil ausströmbar ist. Somit kann erreicht werden, dass der Brennstoffgasstrom beim Durchströmen des Brennstoffgas-Regelventils lediglich um etwa 90° Grad umgelenkt wird und somit ein mit stärkerem Umlenken einhergehender Druckverlust vermieden werden kann, was dem schlagartigen Aufbau des Treibstrahls zugutekommt.
Ein negativer Einfluss auf die abrupte Impulsstromänderung des Treibstrahls durch zwischen dem Einströmen des Brennstoffgases in die Durchlasskanäle und dem Austritt des Treibstrahls aus der Treibdüse auftretende reibungsbehaftete Effekte kann gemäß einer anderen Weiterbildung dadurch minimiert werden, dass die Treibdüse einen Treibdüsenauslass aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Treibdüsenauslass und der ersten Dichtfläche höchstens 160-mal, bevorzugt höchstens 130-mal größer ist als der Hubspalt bei geöffnetem Brennstoffgas-Regelventil. Auf der anderen Seite darf, um eine schonende Beschleunigung des Treibgases in der Treibdüse zu erreichen, der besagte Abstand auch nicht zu gering ausfallen. Bevorzugt ist er mindestens 70-mal, bevorzugt 100-mal größer als der Hubspalt bei geöffnetem Brennstoffgas-Regelventil. Bei Einhaltung vorstehender Bemessung stellen sich sehr gute Betriebseigenschaften ein.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist der Ventilkörper entlang einer Bewegungsachse in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar, wobei der Ventilkörper an seiner dem Ventilsitz zugewandten Stirnfläche mindestens eine, insbesondere als Sackloch oder ringförmige Rinne ausgeführte, Vertiefung aufweist, welche mit mindestens einem sich quer zur Bewegungsachse zur Peripherie des Ventilkörpers hin erstreckenden Zuströmkanal fluidverbunden ist. Somit kann erreicht werden, dass durch den Zuströmkanal (bzw. die Zuströmkanäle) und die Vertiefung hindurch Brennstoffgas zu dem Druckraum gelangen und bei geöffnetem Brennstoffgas-Regelventil (Durchlassposition des Ventilkörpers) weiter zu den Durchlasskanälen strömen kann. Idealerweise ist eine doppelte Versorgung des Druckraums mit Brennstoffgas einerseits durch den mindestens einen Zuströmkanal sowie die Vertiefung und andererseits unter seitlicher Umströmung des Ventilkörpers realisiert.
Ein erfinderisches Brennstoffzellensystem mit ganz besonders kompaktem Brennstoffgas-Regelventil lasst sich gemäß einer anderen Weiterbildung realisieren, wenn das Brennstoffgas- Regelventil ein hülsenförmiges Ventilgehäuse umfasst, welches den Ventilsitz, den Ventilkörper und den Ventilkörper-Aktuator aufnimmt. Dabei ist bevorzugterweise der Ventilkörper durch das Ventilgehäuse geführt entlang einer Bewegungsachse zwischen der Absperrposition und der Durchlassposition bewegbar und steht dabei innerhalb eines ringförmigen, die Führung bewirkenden Kontaktbereichs des Ventilgehäuses mit diesem in Kontakt. Bevorzugt sind dabei weiterhin in einem vom Kontaktbereich ausgehend dem Ventilsitz zugewandten Abschnitt des Ventilgehäuses mindestens eine quer zur Bewegungsachse verlaufende Zuströmöffnung (für das Brennstoffgas) und in einem vom Kontaktbereich ausgehend dem Ventilsitz abgewandten Abschnitt des Ventilgehäuses mindestens eine quer zur Bewegungsachse verlaufende Ausgleichsöffnung (für das Brennstoffgas) ausgebildet. Durch die Anordnung der mindestens einen Zuströmöffnung und der mindestens einen Ausgleichsöffnung auf unterschiedlichen Seiten des Ventilkörpers im Ventilgehäuse kann erreicht werden, dass an dem Ventilkörper ausgleichsöffnungsseitig und zuströmöffnungsseitig Brennstoffgas mit identischem Druck ansteht und sich somit die entsprechenden Druckkräfte auf den Ventilkörper gegenseitig ausgleichen (Druckausgeglichenheit). Diese Druckausgeglichenheit ermöglicht die schnelle und energiesparende Bewegbarkeit des Ventilkörpers entlang der Bewegungsachse .
Ganz besonders bevorzugt weist der Ventilkörper dabei einen Gleitring auf, mittels dessen der Ventilkörper im Ventilgehäuse geführt wird und mit dem ringförmigen Kontaktbereich des Ventilgehäuses in Kontakt steht.
Dabei kann durch den Gleitring eine "schwimmende Lagerung" des Ventilkörpers realisiert werden, die es ermöglicht, dass sich der Ventilkörper in der Absperrposition an dem Ventilsitz ausrichtet, was der Dichtheit der Abdichtung zwischen Ventilkörper und Ventilsitz zuträglich ist.
Zentrale Aspekte der vorliegenden Erfindung manifestieren sich erkennbar in der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit. Vor diesem Hintergrund behält sich die Anmelderin vor ein separates Schutzbegehren auf eben diese isolierte Einheit zu richten.
Obwohl es sich einem Fachmann auch ohne gesonderte Erwähnung aus dem Zusammenhang und vor dem Hintergrund seines Fachwissens ohnehin erschließt, sei an dieser Stelle explizit darauf hingewiesen, dass die einzelnen Merkmale der vorstehend beschriebenen Weiterbildungen auch losgelöst von anderen einzelnen Merkmalen der jeweiligen Weiterbildung realisiert werden können und mit einzelnen Merkmalen anderer Weiterbildungen kombiniert werden können.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines er findungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 2 einen Axialschnitt einer Strahlpumpen- Regelventil-Einheit eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 3 einen vergrößerten Axialschnitt des Brennstof fgas-Regelventils der Strahlpumpen- Regelventil-Einheit nach Fig. 2,
Fig. 4a und 4b den Ventilkörper des Brennstoffgas-Regelventils gemäß Fig. 3 in einer Seitenansicht (Fig. 4a) sowie einem Radialschnitt (Fig. 4b),
Fig. 5a bis 6b zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Ventilsitzes eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in jeweils einer Draufsicht (Fig. 5a, 6a) sowie einem Axialschnitt (Fig. 5b, 6b) und
Fig. 7 Draufsichtausschnitte von vier weiteren verschiedenen Ventilsitzen von erfindungs gemäßen Brennstoffzellensystemen.
Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, welches eine Brennstoffzelle 3 und ein Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5 umfasst. Die Brennstoffzelle 3 weist in üblicher Weise einen Anodenraum 7, einen Kathodenraum 9 und eine den Anodenraum 7 und den Kathodenraum 9 voneinander trennende Elektrolytmembran 11 auf.
Die Strahlpumpen-Regelventileinheit 5 umfasst eine Strahlpumpe 13 und ein Brennstoffgas-Regelventil 15, ist über einen Sauganschluss 17 und einen Druckanschluss 19 an den Anodenraum 7 angeschlossen und dient der Rezirkulation eines Anodengases sowie der dosierten Beschickung des Anodenraums 7 mit Brennstoffgas .
Hierfür passiert das in der Brennstoffquelle 25 unter Hochdruck stehende Brennstoffgas zunächst ein geöffnetes Absperrventil 27, bevor sein Druck in einem Druckminderer 29 reduziert wird und das Brennstoffgas in das Brennstoffgas- Regelventil 15 einströmt. Geregelt durch das Brennstoffgas- Regelventil strömt das Brennstoffgas anschließend in die Strahlpumpe 13 ein und reißt dort - in bekannter Weise - Anodengas mit, welches durch den Sauganschluss 17 angesaugt und mit dem (frischen) Brennstoffgas zu Mischgas vermischt wird. Das Mischgas verlässt die Strahlpumpe 13 durch den Druckanschluss 19 und strömt an dem Sicherheitsventil 35 vorbei und durch einen (optionalen) ersten Kondensatabscheider 37 hindurch, bevor es durch einen Anodenraumeingang 39 in den Anodenraum 7 der Brennstoffzelle 3 einströmt. Im Bereich des Anodenraumeingangs 39 werden steuerungs- und betriebsrelevante Zustandsparameter des Mischgases (z. B. Temperatur, Druck, Gasmischverhältnis) mittels eines Sensors 41 erfasst. Das aus dem Anodenraum 7 durch einen Anodenraumausgang 43 abgesaugte Anodengas passiert einen der Abscheidung von Kondensatwasser dienenden (zweiten) Kondensatabscheider 45 und strömt an einem Spülventil 47 vorbei, welches das Entfernen von im Anodenraum angesammelten Fremdgasen (z. B. Stickstoff) ermöglicht. Im ggf. vorgesehenen ersten Kondensatabscheider 43 bzw. zweiten Kondensatabscheider 45 abgeschiedenes Kondensatwasser kann über ein Kondensatablassventil 49 abgelassen werden. Im vorstehenden Umfang basiert das in der Zeichnung veranschaulichte Ausführungsbeispiel auf dem Fachmann hinlänglich bekanntem Stand der Technik, so dass es weiterer Erläuterungen nicht bedarf.
Fig. 2 stellt - aus Gründen der Darstellung von Details teilweise nicht maßstabsgerecht - eine ein Brennstoff- Regelventil 15 sowie eine Stahlpumpe 13 umfassende Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 in einem Axialschnitt dar. Die Strahlpumpe 13 weist ein Strahlpumpengehäuse 51 auf, in welchem ein Sauganschluss 17, ein Druckanschluss 19 sowie ein Treibstrahlanschluss 53 vorgesehen sind und welches einen Mischraum 55 sowie einen Diffusorbereich 57 ausbildet. Da die Strahlpumpen-Regelventil-Einheit insoweit auf dem Fachmann hinlänglich bekanntem Stand der Technik basiert, sind weitere Erläuterungen entbehrlich.
Das Brennstoffgas-Regelventil 15 umfasst ein hülsenförmiges Ventilgehäuse 59, einen Ventilsitz 69, einen Ventilkörper 71 sowie einen Ventilkörper-Aktuator 73 und ist in eine das Brennstoffgas-Regelventil 15 aufnehmende, unmittelbar an das Strahlpumpengehäuse 51 angrenzende Ventilaufnahme 61 eingesetzt. Mittels zweier O-Ringe 62 ist das Ventilgehäuse 59 gegenüber der Ventilaufnahme 61 abgedichtet. Die Ventilaufnahme 61 und das Strahlpumpengehäuse 51 könnten dabei auch, wenngleich nicht in der Zeichnung derart dargestellt, einstückig ausgeführt sein.
In der Ventilaufnahme 61 ist ein Brennstoffgasanschluss 63 vorgesehen, über welchen die Brennstoffgasquelle 25 mit einem sich zwischen der Ventilaufnahme 61 und dem Ventilgehäuse 59 ausbildenden Brennstoffringraum 65 fluidisch verbunden ist.
(Der aus Gründen der Darstellung in der Schnittebene veranschaulichte Brennstoffgasanschluss 63 ist in der Praxis bevorzugt nicht so, sondern vielmehr senkrecht zur Schnittebene - und zum Sauganschluss 17 - orientiert.)
An das Ventilgehäuse 59 grenzt strahlpumpenseitig eine durch den Treibstrahlanschluss 53 in den Mischraum 55 der Strahlpumpe 13 hineinragende Treibdüse 67. Die Treibdüse 67 weist dabei einen Treibdüsenauslass 67' auf. Brennstoffgas, welches durch den Brennstoffgasanschluss 63 in den Brennstoffringraum 65 einströmt und bei geöffnetem Brennstoff- Regelventil 15 dieses passiert, strömt anschließend durch die einen Treibstrahl erzeugende Treibdüse 67 in den Mischraum 55 der Strahlpumpe 13. Dort reißt der Treibstrahl durch den Sauganschluss 17 angesaugtes Anodengas mit und tritt gemeinsam mit diesem in den Diffusorbereich 57 ein. Der Volumenstrom des mittels der Treibdüse 67 der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5 erzeugbaren Treibstrahls ist mittels einer pulsweitenmodulierten Beaufschlagung des Ventilkörper- Aktuators 73 regelbar. Alternativ zu der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform könnte die Treibdüse 67 auch einstückig mit dem Ventilgehäuse 59 oder dem Strahlpumpengehäuse 51 ausgeführt sein.
Fig. 3 stellt - wiederum aus Gründen der Darstellung von Details teilweise nicht maßstabsgerecht - das Brennstoffgas- Regelventil 15 der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit 5 nach Fig. 2 (samt der in das Ventilgehäuse 59 eingeschraubten Treibdüse 67) einem vergrößerten Axialschnitt dar. In dem hülsenförmigen Ventilgehäuse 59 sind der Ventilsitz 69, der Ventilkörper 71, der Ventilkörper-Aktuator 73, ein Anschlagselement 74 und ein Ventildeckel 75 aufgenommen.
Der mittels eines O-Rings 77 gegenüber dem Ventilgehäuse 59 abgedichtete, aus hochgefülltem PEEK gefertigte Ventilsitz 69 weist auf seiner dem Ventilkörper 71 zugewandten Stirnfläche 90 eine erste Dichtfläche 79 auf. Die erste Dichtfläche 79 ist dabei auf einem gegenüber den angrenzenden Bereichen der Stirnfläche 90 vorstehendem, erhabenen Dichtplateau 81 angeordnet und durch acht kreisförmig ausgeführte Flächenabschnitte 83 (von denen in Fig. 3 nur zwei sichtbar sind) ausgebildet. In jedem Flächenabschnitt 83 mündet jeweils ein Durchlasskanal 85 in einer Durchlasskanalmündung 87. Die Ventilsitzoberfläche weist im Bereich der ersten Dichtfläche 79 eine (ursprüngliche, d. h. vor Inbetriebnahme des Brennstoffgas-Regelventils gemessene) gemittelte Rautiefe Rz von etwa 2,5pm auf.
Der aus Stahl gefertigte Ventilkörper 71 umfasst einen Gleitring 89 und weist an seiner dem Ventilsitz 69 zugewandten Stirnfläche 91 eine zweite Dichtfläche 82 sowie eine als Sackloch 93 ausgeführte Vertiefung 95 auf, welche mit sechs sich zur Peripherie des Ventilkörpers 71 hin erstreckenden Zuströmkanälen 96 fluidverbunden ist (siehe auch Fig. 4a und 4b). Im Bereich der zweiten Dichtfläche 82 weist die Ventilkörperoberfläche eine gemittelte Rautiefe von etwa 0,25pm auf.
Der Ventilkörper-Aktuator 73 umfasst einen Elektromagneten M, einen Flusskonzentrator 97 und einen mit dem Ventilkörper 71 gekoppelten Anker 99. Der Flusskonzentrator 97 ist mittels eines O-Rings 101 gegenüber dem Ventilgehäuse 59 abgedichtet. Der Elektromagnet M ist über zwei Kontaktstellen 103 mit einem Kabel 105 verbunden, welches durch eine den Ventildeckel 75 durchbrechende Tülle 107 hindurch nach außen geführt ist.
Mittels des Ventilkörper-Aktuators 73 sowie der - sich einerseits an dem Ventilkörper 71 und andererseits an dem Anschlagselement 74 abstützenden - Feder 108 ist die Einheit aus Anker 99 und Ventilkörper 71 entlang einer Bewegungsachse A in eine Absperrposition sowie eine Durchlassposition bewegbar, wobei in der (in Fig. 3 dargestellten) Absperrposition die erste Dichtfläche 79 und die zweite Dichtfläche 82 in einer gemeinsamen Dichtebene E aneinander anliegen und gegeneinander abdichten, wohingegen in der (nicht dargestellten) Durchlassposition der - von dem Ventilsitz 69 abgehobene - Ventilkörper 71 an dem Anschlagelement 74 anschlägt und ein Hubspalt zwischen der ersten Dichtfläche 79 und der zweiten Dichtfläche 81 ausgebildet ist. Der Ventilkörper 71 wird dabei mittels des Gleitrings 89 durch das Ventilgehäuse 59 geführt und steht innerhalb eines ringförmigen Kontaktbereichs K des Ventilgehäuses 59 mit dem Ventilgehäuse 59 in Kontakt. Das Ventilgehäuse 59 weist acht Zuströmöffnungen 109, acht Ausgleichsöffnungen 111 sowie eine Abströmöffnung 113 auf, wobei in Fig. 3 lediglich jeweils zwei Zuströmöffnungen 109 und zwei Ausgleichsöffnungen 111 sichtbar sind. Die Zuströmöffnungen 109 sind dabei in einem vom Kontaktbereich K ausgehend dem Ventilsitz 69 zugewandten Abschnitt des Ventilgehäuses 59 quer zur Bewegungsachse A verlaufend ausgebildet, die Ausgleichsöffnungen 111 hingegen sind in einem vom Kontaktbereich K ausgehend dem Ventilsitz 69 abgewandten Abschnitt des Ventilgehäuses 59 quer zur Bewegungsachse A verlaufend ausgebildet.
Ist das Brennstoffgas-Regelventil 15 geschlossen, befindet sich der Ventilkörper 71 also in Absperrposition, kann sich das Brennstoffgas in einem Druckraum D, der sich aufgespannt durch das erhabene Dichtplateau 81 zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen 90, 91 von Ventilsitz 69 und
Ventilkörper 71 erstreckt, ansammeln. Dabei kann der Druckraum D einerseits durch die Zuströmkanäle 96 sowie die als Sackloch 93 ausgebildete Vertiefung 95 und andererseits unter seitlicher Umströmung des Ventilkörpers 71 mit Brennstoffgas versorgt werden. Es steht also in der Absperrposition des Ventilkörpers 71 unter Druck stehendes und somit entsprechend komprimiertes Brennstoffgas direkt, in kürzest möglicher Distanz an den zusammenwirkenden Dichtflächen 79, 82 an und kann beim Öffnen des Brennstoffgas-Regelventils 15 in die Durchlasskanäle 85 hinein expandieren, um dann durch die Abströmöffnung 113 aus dem Brennstoff-Regelventil 15 entlang der Bewegungsachse A auszuströmen.
Fig. 5a, 5b und Fig. 6a, 6b zeigt jeweils einen Ventilsitz 69A, 69B zweier weiterer Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 in einer Draufsicht sowie einem Axialschnitt. Der - wiederum aus hochgefülltem PEEK gefertigte - Ventilsitz 69A gemäß Fig. 5a und 5b weist eine erste Dichtfläche 79A auf, die auf einem gegenüber den angrenzenden Stirnflächenbereichen 90A vorstehendem, erhabenen Dichtplateau 81A angeordnet ist. Die Dichtfläche 79A ist dabei durch 24 kreisförmig ausgeführte Flächenabschnitte 83A ausgebildet, die entlang zweier konzentrischer Kreise Kl, K2 angeordnet sind. In jedem Flächenabschnitt 83A mündet jeweils ein Durchlasskanal 85A in einer Durchlasskanalmündung 87A. Eine Ventilsitzoberfläche 79'A weist im Bereich der ersten Dichtfläche 79A eine ursprüngliche gemittelte Rautiefe von 2,5pm auf.
Der - wiederum aus hochgefülltem PEEK gefertigte - Ventilsitz 69B gemäß Fig. 6a und 6b hingeben weist eine erste Dichtfläche 79B auf, die auf einem gegenüber den angrenzenden Stirnflächenbereichen 90B vorstehendem, erhabenen Dichtplateau 81B angeordnet und durch eine Ringfläche 84B ausgebildet ist. In der Ringfläche 84B münden zehn Durchlasskanäle 85B in zehn kreisförmig ausgeführten (entlang eines gedachten Kreises K3 angeordneten) Durchlasskanalmündungen 87B. Eine Ventilsitzoberfläche 79'B weist im Bereich der ersten Dichtfläche 79B eine ursprüngliche gemittelte Rautiefe von 2,5pm auf.
Fig. 7 zeigt Ausschnitte von Draufsichten auf vier verschiedene Ventilsitze 69C, 69D, 69E und 69F von weiteren Ausführungsformen erfindungsgemäßer Brennstoffzellensysteme 1. Die Ventilsitze 69C bis 69F weisen dabei jeweils eine erste Dichtfläche 79C bis 79F auf, die auf einem erhabenen Dichtplateau 81C bis 81F angeordnet ist. Die Dichtflächen 79A bis 79F sind dabei jeweils durch mehrere Flächenabschnitte 83C bis 83F ausgebildet, wobei diese als längliche Flächenabschnitte 83C, ovale Flächenabschnitte 83D, dreiecksförmige Flächenabschnitte 83 E bzw. trapezförmige Flächenabschnitte 83F ausgeführt sind. In jedem Flächenabschnitt 83A bis 83F mündet jeweils ein Durchlasskanal in einer Durchlasskanalmündung 87C bis 87F.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1), umfassend eine einen
Anodenraum (7) und einen Kathodenraum (9) aufweisende Brennstoffzelle (3) sowie eine mit einem Sauganschluss (17) und mit einem Druckanschluss (19) an den Anodenraum (7) angeschlossene, der Rezirkulation eines Anodengases und der dosierten Beschickung des Anodenraumes (7) mit Brennstoffgas dienende, eine Strahlpumpe (13) und ein Brennstoffgas-Regelventil (15) aufweisende Strahlpumpen- Regelventil-Einheit (5), wobei das Brennstoffgas- Regelventil (15) fluidisch zwischen eine Brennstoffgasquelle (25) und die Strahlpumpe (13) geschaltet ist, mit den folgenden Merkmalen:
Das Brennstoffgas-Regelventil (15) umfasst einen eine erste Dichtfläche (79) aufweisenden Ventilsitz (69) mit mindestens zwei Durchlasskanälen (85) und einen bewegbaren, eine zweite Dichtfläche (82) aufweisenden Ventilkörper (71); der Ventilkörper (71) ist mittels eines Ventilkörper- Aktuators (73) in eine Absperrposition und eine Durchlassposition bewegbar, wobei in der Absperrposition die erste Dichtfläche (79) und die zweite Dichtfläche (82) in einer gemeinsamen Dichtebene (E) aneinander anliegen und gegeneinander abdichten, wohingegen in der Durchlassposition ein Hubspalt zwischen der ersten Dichtfläche (79) und der zweiten Dichtfläche (82) ausgebildet ist; die erste Dichtfläche (79) und/oder die zweite Dichtfläche (82) ist auf einem erhabenen Dichtplateau (81) angeordnet; eine Ventilsitzoberfläche im Bereich der ersten Dichtfläche (79) und/oder eine Ventilkörperoberfläche im Bereich der zweiten Dichtfläche (82) weist/weisen eine gemittelte Rautiefe von maximal lpm auf; der Volumenstrom eines mittels einer Treibdüse (67) der Strahlpumpen-Regelventil-Einheit (5) erzeugbaren Treibstrahls ist mittels einer pulsweitenmodulierten Beaufschlagung des Ventilkörper-Aktuators (73) regelbar.
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtfläche (79) auf dem erhabenen Dichtplateau (81) angeordnet und durch mindestens eine Ringfläche (84B) ausgebildet ist, in die mindestens zwei Durchlasskanäle (85B) in jeweils einer Durchlasskanalmündung (87B) münden.
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlasskanalmündungen (87) kreisförmig, oval, dreiecksförmig oder trapezförmig ausgeführt sind.
4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bezugsumfang bzw. eine Summe von Bezugsumfängen der mindestens einen Ringfläche (84B) mindestens 60-mal, bevorzugt mindestens 80-mal, besonders bevorzugt mindestens 100-mal größer ist als der Hubspalt in der Durchlassposition.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dichtfläche (79) auf dem erhabenen Dichtplateau (81) angeordnet und durch mindestens zwei Flächenabschnitte (83) ausgebildet ist, in der jeweils ein Durchlasskanal (85) in einer Durchlasskanalmündung (87) mündet.
6. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Flächenabschnitte (83) jeweils kreisförmig, oval, dreiecksförmig oder trapezförmig ausgeführt sind.
7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe der Umfänge der mindestens zwei Flächenabschnitte (83) mindestens 150-mal, bevorzugt mindestens 250-mal, besonders bevorzugt mindestens 350-mal größer ist als der Hubspalt in Durchlassposition.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper- Aktuator (73) einen Flusskonzentrator (97) und einen mit dem Ventilkörper (71) gekoppelten Anker (99) umfasst, wobei in der Durchlassposition zwischen dem Anker (99) und dem Flusskonzentrator (97) ein Luftspalt ausgebildet ist.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper
(71) oder in ggf. vorgesehener Anker (99) des Ventilkörper-Aktuators (73) in der Durchlassposition an mindestens einem Anschlagelement (74) anschlägt, welches insbesondere elastisch und/oder lärmmindernd ausgeführt ist.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper
(71) entlang einer Bewegungsachse (A) in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar ist, wobei das Brennstoffgas quer zur Bewegungsachse in das Brennstoffgas-Regelventil (15) einströmbar und entlang der Bewegungsachse (A) aus dem Brennstoffgas-Regelventil (15) ausströmbar ist.
11. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibdüse (67) einen Treibdüsenauslass (67') aufweist, wobei der Abstand zwischen dem Treibdüsenauslass (67') und der ersten Dichtfläche (79) höchstens 160-mal, bevorzugt höchstens 130-mal größer ist als der Hubspalt bei geöffnetem Brennstoffgas-Regelventil.
12. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper
(71) entlang einer Bewegungsachse (A) in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar ist, wobei der Ventilkörper (71) an seiner dem Ventilsitz (69) zugewandten Stirnfläche (91) mindestens eine, insbesondere als Sackloch (93) oder ringförmige Rinne ausgeführte, Vertiefung (95) aufweist, welche mit mindestens einem sich quer zur Bewegungsachse (A) zur Peripherie des Ventilkörpers (71) hin erstreckenden Zuströmkanal (96) fluidverbunden ist.
13. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen-Regelventil (15) ein hülsenförmiges Ventilgehäuse (59) umfasst, welches den Ventilsitz (69), den Ventilkörper (71) und den Ventilkörper-Aktuator (73) aufnimmt.
14. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (71) durch das Ventilgehäuse (59) geführt entlang einer Bewegungsachse
(A) in die Absperrposition und die Durchlassposition bewegbar ist und dabei innerhalb eines ringförmigen Kontaktbereichs (K) des Ventilgehäuses (59) mit dem Ventilgehäuse (59) in Kontakt steht, wobei in einem vom Kontaktbereich (K) ausgehend dem Ventilsitz (69) zugewandten Abschnitt des Ventilgehäuses (59) mindestens eine quer zur Bewegungsachse (A) verlaufende Zuströmöffnung (109) ausgebildet ist, und wobei in einem vom Kontaktbereich (K) ausgehend dem Ventilsitz (69) abgewandten Abschnitt des Ventilgehäuses (59) mindestens eine quer zur Bewegungsachse (A) verlaufende Ausgleichsöffnung (111) ausgebildet ist.
15. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erhebung des Dichtplateaus (81) gegenüber an die betreffende Dichtfläche (79, 82) angrenzenden Stirnflächenanteilen des Ventilkörpers (71) bzw. Ventilsitzes (69) und somit die axiale Höhe eines zwischen den einander gegenüberstehenden Stirnflächen (90, 91) von
Ventilsitz (69) und Ventilkörper (71) gebildeten Druckraums (D) mindestens das 1,5-Fache des Ventilkörper- Hubes, bevorzugt mindestens das 3-Fache hiervon beträgt.
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