WO2022214274A1 - Fuel cell system and valve for a fuel cell system - Google Patents

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WO2022214274A1
WO2022214274A1 PCT/EP2022/056658 EP2022056658W WO2022214274A1 WO 2022214274 A1 WO2022214274 A1 WO 2022214274A1 EP 2022056658 W EP2022056658 W EP 2022056658W WO 2022214274 A1 WO2022214274 A1 WO 2022214274A1
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WO
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valve
section
outlet
fuel
fuel cell
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/056658
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German (de)
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Inventor
Armin RICHTER
Hans-Christoph Magel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/0644One-way valve
    • F16K31/0655Lift valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32Details
    • F16K1/34Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
    • F16K1/42Valve seats
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16K47/00Means in valves for absorbing fluid energy
    • F16K47/08Means in valves for absorbing fluid energy for decreasing pressure or noise level and having a throttling member separate from the closure member, e.g. screens, slots, labyrinths
    • F16K47/16Means in valves for absorbing fluid energy for decreasing pressure or noise level and having a throttling member separate from the closure member, e.g. screens, slots, labyrinths the throttling member being a cone
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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    • HELECTRICITY
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    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a valve for a fuel cell system.
  • Fuel cells are increasingly used as energy converters, including in vehicles, to convert chemical energy stored in a fuel, such as hydrogen, directly into electrical energy together with oxygen.
  • Fuel cells typically have an anode, a cathode, and an electrolytic layer sandwiched between the anode and the cathode. The fuel is oxidized at the anode and the oxygen is reduced at the cathode.
  • the anode of the fuel cell is continuously supplied with excess gaseous fuel, that is, more fuel than would be stoichiometrically necessary for a given amount of oxygen supplied to the cathode.
  • the excess fuel is usually recirculated or fed back to the anode.
  • a suction jet pump is generally provided in a supply line through which fuel is supplied to the fuel cell, the suction inlet of which is connected to a recirculation line connected to a fuel outlet of the fuel cell.
  • a propulsion nozzle of the recirculation line is connected to a fuel source, with a shut-off valve and a flow control valve usually being provided between the fuel source and the ejector pump, to vary a fuel mass flow which is supplied to the ejector pump through the propulsion nozzle.
  • a shut-off valve for a fuel cell system is disclosed, for example, in JP 4398349 B2.
  • valve having the features of claim 1 and a fuel cell system having the features of claim 9 are provided.
  • a valve for a fuel cell system comprises a valve housing, which defines an interior space, with an inlet opening into the interior space for supplying gaseous fuel into the interior space and an outlet opening out of the interior space for discharging the fuel, which extends along extends along a longitudinal axis and has a diffuser section that widens along the longitudinal axis, and a valve body arranged in the interior space, which can be moved between a closed position, in which the valve body closes the outlet gas-tight, and at least one open position, in which the valve body releases the outlet, wherein the valve body can be movable in particular along the longitudinal axis.
  • a fuel cell system comprises a fuel cell arrangement with at least one fuel cell, a fuel inlet and a fuel outlet, a supply line which is connected to the fuel inlet, and a valve according to the first aspect of the invention which is arranged in the supply line.
  • One idea on which the invention is based is to provide a valve arranged, for example, as a shut-off valve or flow control valve in a supply line of a fuel cell system with an outlet or drain, which is designed at least in sections as a diffuser. That is, a discharge channel through which gas flows out of the valve has a flow cross-section or diameter increasing in flow direction or along a longitudinal axis of the outlet.
  • a fluid flow from the inlet into the interior space and from there through the outlet is made possible, with the static pressure in the fluid flow being increased due to the diffuser section.
  • the diffuser section can at least partially compensate for pressure losses in the gas flow, which have occurred, for example, in hydraulic components located upstream of the valve. This makes it easier to supply fuel at a defined pressure to components located downstream of the valve, in particular the fuel cell and possibly a suction jet pump.
  • the outlet is formed as a channel that extends between a first opening facing the interior and a second opening formed on an outer surface of the valve housing, and wherein the diffuser section ends in the area of the second opening.
  • the diffuser section can end at the second opening.
  • an outlet cross section of the diffuser section corresponds to the cross section of the second opening.
  • the outflow has a first section, which extends from the first opening and has a constant first flow cross section, and the diffuser section adjoins the first section along the longitudinal axis.
  • the first section has a circular cross section.
  • the first section has a length along the longitudinal axis which is in a range between 1.5 times and 2.5 times the first flow cross section.
  • the first section can thus be made relatively short, as a result of which the valve can advantageously be made more compact.
  • the diffuser section widens along the longitudinal axis from an inlet flow cross section to an outlet flow cross section, and at least one of the following geometric conditions is met: a) the outlet flow cross section is in a range between 1.2 times and the 1.8 times the inlet flow cross section, b) the diffuser section has a length along the longitudinal axis which is in a range between 2.5 times and 5 times the inlet flow cross section.
  • Condition a) defines a moderate widening of the flow cross section of the diffuser section, particularly in combination with condition b). This is beneficial to further improve the efficiency of the pressure increase achieved by the diffuser section. They are particularly advantageous due to the conditions a) and b) defined geometries for a pressure range between 15 bar and 25 bar.
  • the valve has an actuator, which is kinematically coupled to the valve body, for moving the valve body between the closed position and the open position, with the actuator being set up to move the valve body between the closed position and exactly one further open position, or to move the valve body between the closed position and a plurality of further open positions in which different flow cross sections are formed between the valve body and a valve seat area of the housing surrounding the outlet.
  • a clear width between the valve seat area i.e. an area that surrounds an opening where the drain from the interior opens out, and the valve body can thus be set to exactly one value in the open position, e.g. to open the valve or in the closed position close.
  • the clear width between the valve seat area and the valve body can assume a large number of values, e.g. in order to vary the flow rate of gas. It can be possible to set a large number of discrete values for the clear width or to set the clear width steplessly.
  • the actuator has an armature connected to the valve body made of a magnetic or magnetizable material and a coil which encloses the armature and is designed to generate a magnetic field in order to move the armature, in particular along the longitudinal axis.
  • the fuel cell system has an ejector pump arranged in the supply line, which has a driving nozzle for connection to a fuel source and a suction inlet, and a recirculation line, which connects the fuel outlet to the suction inlet of the ejector pump, the valve being upstream of the Suction jet pump, in particular is arranged upstream of the driving nozzle.
  • the diffuser section of the valve can at the Flow through the valve occurring pressure losses are reduced, which facilitates efficient operation of the ejector pump
  • a shut-off valve and/or a flow control valve is arranged in the supply line, and wherein the shut-off valve and/or the flow control valve is formed by the valve according to one of the preceding embodiments.
  • a “flow cross-section” can be understood in particular as a diameter, where in the case of a non-circular cross-section the diameter corresponds to that of a circle which has the same surface area as the non-circular cross-section.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a hydraulic circuit diagram of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the invention
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a valve for a
  • FIG. 3 is an enlarged partial view of the valve shown in FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a purely schematic hydraulic circuit diagram of a fuel cell system 200.
  • the fuel cell system 200 has a fuel cell arrangement 201, a supply line 202, a shut-off valve 100A and/or a flow control valve 100B.
  • the fuel cell system 200 may further include a control device 230 .
  • a recirculation line 203 and a suction jet pump 220 can also optionally be provided.
  • a fuel source S shown symbolically in FIG. 1 for example in the form of a tank, can also be part of the fuel cell system 200 .
  • the fuel cell arrangement 201 is shown only schematically in FIG. 1 and has at least one fuel cell 210 .
  • the fuel cell arrangement 201 can have a fuel cell stack or stack in which a multiplicity of fuel cells 201 are electrically connected in series.
  • the fuel cell 210 has an anode 210A, a cathode 210B and an electrolyte layer 210C arranged between anode 210A and cathode 210B, for example in the form of a membrane.
  • the fuel cell arrangement 201 has a fuel inlet 211, via which the fuel cell or cells 210 can be supplied with fuel, e.g.
  • the fuel cell arrangement 201 can have an oxygen inlet (not shown) via which the fuel cell or cells 210 can be supplied with oxygen, e.g. from the ambient air, to the cathode 210B, and an oxygen outlet (not shown) via which the reaction products of of the cathode 210B can be discharged.
  • the at least one fuel cell 210 is thus set up to convert the chemical energy stored in the fuel together with oxygen directly into electrical energy.
  • the supply line 202 is connected to the fuel inlet 211 in a fluidically conducting manner. Furthermore, the supply line 202 can be connected to the fuel source S or have a connection 202A for connection to the fuel source S . As in Fig. 1 by way of example 1, a shut-off valve 100A and a flow control valve 100B can be arranged in the supply line 202 in series or hydraulically connected in series. In principle, however, it is also conceivable to provide only one of the two valves 100A, 100B. As further illustrated in FIG. 1 , the shut-off valve 100A may be positioned between the flow control valve 100B and the port 202A, if desired.
  • Flow control valve 100B is configured to vary a flow or mass flow of fuel through supply line 202 .
  • the flow control valve 100B can be connected to the control device 230 in a signal-conducting manner, wherein the control device 230 can be set up to generate an actuating signal which causes the flow control valve 100B to change its open or closed state.
  • the control device 230 can be signal-connected to a pressure sensor 206, for example, which detects a pressure of the fuel at a point downstream between the flow control valve 100B and the fuel inlet 211 of the fuel cell arrangement 201, in particular at the fuel inlet 211, and be set up to transmit the control signal based on the detected to generate pressure.
  • the controller 230 may be an electronic controller and may include, for example, a processor such as a CPU, ASIC, FPGA, or the like, and non-volatile data storage such as a hard disk, flash memory, or the like.
  • the shut-off valve 100A can be switched in particular between a closed position, in which the shut-off valve 100A closes off the supply line 202 in a fluid-tight manner and thus does not allow any fuel mass flow through the supply line 202, and an open position, in which the shut-off valve 100A allows a fluid mass flow from the connection 202A to the fuel inlet 211.
  • the shut-off valve 100A can also be connected to the control device 230 and can be switched by a control signal generated by the control device.
  • a pressure regulator 208 can optionally also be installed between the connection 202A and the flow control valve 100B, in particular between the shut-off valve 100A and the terminal 202A.
  • the pressure regulator 208 is designed to reduce the pressure with which the fuel source S provides the gaseous fuel.
  • the fuel can be stored in the fuel cell S at a pressure in the range of 700 bar, with the pressure regulator 208 reducing the pressure of the fuel to a predetermined value, eg to a value in a range between 15 bar and 25 bar.
  • the optional ejector pump 220 can be arranged in particular between the flow control valve 100B and the fuel inlet 211 of the fuel cell arrangement 201 in the supply line 202, as is shown in FIG. 1 by way of example.
  • the ejector pump 220 has a propulsion nozzle 221 and a suction inlet 222 .
  • the propulsion nozzle 221 is connected to a section of the supply line 202 coming from the connection 202A and thus receives a fuel mass flow which is present at high pressure, e.g. in a range between 15 bar and 25 bar.
  • the suction inlet 222 of the ejector pump 220 is connected to the fuel outlet 212 of the fuel cell arrangement 201 by the recirculation line 203 .
  • the ejector pump 220 thus sucks in unreacted fuel from the fuel outlet 212 via the recirculation line 203 due to the entrainment effect of the driving nozzle 221 .
  • a recirculation fan 204 can optionally be arranged in the recirculation line 203 between the fuel outlet 212 and the suction inlet 222 of the ejector pump 220 in order to facilitate the transport of fuel to the suction inlet 222 .
  • a water separator 205 can be arranged between the fuel outlet 212 and the suction inlet 222 of the ejector pump 220, in particular between the fuel outlet 212 and the recirculation fan 204 in the recirculation line 203, as shown schematically in FIG.
  • the water separator 205 is configured to separate water that may be contained in the unreacted fuel.
  • FIG. 2 A valve 100 is shown as an example in FIG. 2 .
  • FIG. 3 shows an enlarged partial view of the valve 100 shown in FIG. 2.
  • the valve 100 shown in FIGS. Valve 100 shown in FIGS. 2 and 3 can be used, for example, as a flow control valve 100B and/or as a shut-off valve 100A may be installed in the fuel cell system 200 shown in FIG.
  • the valve 100 comprises a valve housing 1, a valve body 2 and an actuator 3.
  • the valve housing 1 can have a first housing part 110 and a second housing part 120, for example.
  • the first housing part 110 can have a base plate 111 and a sleeve body 112 which extends from the base plate 111 and defines a sleeve longitudinal axis L112 which extends transversely to the base plate 111 .
  • the second housing part 120 can be a block-shaped part, for example, which is arranged in an end of the sleeve body 112 that faces away from the base plate 111 and is connected to it.
  • the second housing part 120 can be at least partially inserted into an opening 113 of the sleeve body 112, which is located away from the base plate 111, as is shown in FIG. 2 by way of example.
  • the first housing part 110 and the second housing part 120 thus define an interior space 10.
  • the valve housing 1 is not limited to the configuration shown, but generally defines an interior space 10.
  • the housing 1 has an inlet 11 opening into the interior 10 and an outlet 12 which establishes a fluidically conductive connection between the interior 10 and an outside of the housing 1 or the environment.
  • the inlet 11 can be arranged, for example, as an inner surface facing the interior space 10 and an outer surface of the sleeve body 112, which extends along a sleeve radial direction R112 perpendicular to the sleeve longitudinal axis L112.
  • the outer surface of the sleeve body 112 is part of an outer surface la of the housing 1.
  • the outlet 12 can be designed as a channel which extends along a longitudinal axis LI between a first opening 13 of the housing 1 facing the interior 10 and a second opening 14 of the housing 1 extends.
  • the longitudinal axis LI of the outflow or outlet 12 can optionally run parallel to the longitudinal axis L112 of the sleeve and in particular coaxially to the longitudinal axis L112 of the sleeve, as shown in FIG. 2 by way of example. As shown by way of example in FIG.
  • the outlet 12 can be formed in particular in the second housing part 120, the first opening 13 being at one of the Base plate 111 facing first end face 120i of the second housing part 120 and the second opening 14 is formed on an opposite to this arranged second end face 120a of the second housing part 120, which is part of the outer surface la of the housing 1.
  • the outflow 12 has a diffuser section 12B and optionally also a first section 12A.
  • the first portion 12A may extend from the first opening 13 a length 111 along the longitudinal axis LI and has a constant diameter or flow cross-section dll, e.g., a circular cross-section.
  • One length 111 of the first section 12A of the outlet 12 can, for example, be in a range between 1.5 times and 2.5 times the first flow cross section dll.
  • the diffuser section 12B has a flow cross section that increases along the longitudinal axis LI in the direction of the second opening 14 .
  • the diffuser section 12B widens along the longitudinal axis LI from an inlet flow cross section d21 to an outlet flow cross section d22 and has a length 121 along the longitudinal axis LI. It can be provided that the outlet flow cross section d22 is in a range between 1.2 times and 1.8 times the
  • Input flow cross section d21 is located.
  • the length 121 of the diffuser section 12B can be in a range between 2.5 times and 5 times the inlet flow cross section d21.
  • the diffuser section 12B may adjoin the first section 12A or extend from the first section 12A with respect to the longitudinal axis LI. Alternatively, the diffuser section 12 B can also extend directly from the first opening 13 . As is further illustrated in FIG. 2 , provision can optionally be made for the diffuser section 12A to end at the second opening 14 . But it is also conceivable that the diffuser section 12A ends at a certain distance from the second opening 14 and between the end of the diffuser section 12A and the second opening 14 a second section with constant Flow cross section is provided. In general, the diffuser section 12B can end in the area of the second opening 14 .
  • the inlet 11 is designed for connection to a section of the supply line 202 coming from the fuel source S or to a section of the supply line 202 facing the connection 202A.
  • the outlet 12 is designed for connection to a section of the supply line 202 connected to the fuel inlet 211 of the fuel cell arrangement 201 .
  • gaseous fuel can be conducted via the inlet 11 into the interior 10 of the housing 1 and through the outlet 12 from this.
  • the valve body 2 is shown only schematically in FIG. 2 and has a closure body 20 for covering or closing the first opening 13 or the outlet 12 in general in a gas-tight manner.
  • an elastomer coating 21 can be provided on an end face of the closure body 20 facing the outlet 12 .
  • the valve body 2 is shown in a closed position in which it closes the outlet 12 in a gas-tight manner.
  • the valve body 2 rests in the closed position on a valve seat 15 surrounding the first opening 13.
  • the valve seat 15 is defined by the surface area surrounding the first opening 13, which can be formed by part of the first end face 120i of the first housing part 120, for example. As shown by way of example in Fig.
  • valve seat 15 can optionally have a sealing edge 16, which can be formed, for example, by a projection formed through the first end face 120i and surrounding the first opening 13.
  • the valve body 2 can be moved between the closed position and at least one open position, in which the valve body 2 releases the outlet 12 or the first opening 13 .
  • the valve body 2 can, for example, be moved between the closed position and the open position with the aid of the actuator 3 .
  • the actuator 3 can in particular have an armature 30 made of a magnetic or magnetizable material and a conductor coil 31 .
  • the armature 30 is connected to the valve body 2 .
  • an actuating rod 32 can be provided which extends between a first end 31A and a second end 32B. As shown schematically in Fig.
  • the actuating rod 32 can extend through an opening formed in the housing 1, for example an opening 114 formed in the base plate 111 of the first housing part 110, into the interior 10, optionally along the longitudinal axis L112 and/or of the sleeve along the longitudinal axis LI of the drain 12.
  • the valve body 2 may be attached to the first end 32A of the actuating rod 32, and the armature 30 may be located in one between the first and second ends 32A, 32B Located area may be connected to the actuating rod 32, in particular in an area that is located outside of the interior 10 of the housing 1.
  • the coil 31 encloses the armature 30 with respect to the sleeve radial direction R112 or with respect to a radial direction RI perpendicular to the longitudinal axis LI.
  • the coil 31 can be mechanically connected to the housing 1 .
  • an actuator housing 38 can be provided, in which the coil 31 is accommodated and which is attached to the housing 1, in particular to the first housing part 110.
  • FIG protrudes from the base plate 111 on a side of the base plate 111 opposite to the sleeve body 112 and protrudes into a region between the coil 31 and the armature 30, as is shown schematically and purely by way of example in FIG.
  • the coil 31 can be arranged stationary in relation to the housing 1 .
  • the coil 31 When an electric current flows through the coil 31, it generates a magnetic field which exerts a force on the armature and moves it, in particular along the longitudinal axis LI or L112, so that the valve body 2 is lifted from the first opening 13.
  • the coil 31 is energized in such a way that the actuator 3 is set up to move the valve body 2 between the closed position and exactly one further open position.
  • the actuator is set up to move the valve body 2 between the closed position and a large number of other open positions, in which different flow cross sections or clear widths are formed between the valve body 2 and the valve seat 15 in order to control the fuel mass flow through the outlet 12 in stages or infinitely variable.
  • the valve body 2 can be prestressed into the closed position by means of a prestressing device 33 .
  • the prestressing device 33 can be supported on the second end 32B of the actuating rod 32, in particular via a support plate 34, and on a holder 35 which is stationary in relation to the housing 1.
  • the carrier sleeve 37 can enclose the longitudinal axis L1 or L112 and can be fixedly connected to the housing 1, in particular to the fastening section 115 of the first housing part 110, by a clamping device 36.

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Abstract

A valve (100) for a fuel cell system (200) comprises: a valve housing (1) which defines an interior (10) and has an inlet (11) opening into the interior for feeding gaseous fuel into the interior and an outlet (12) leading out of the interior for discharging the fuel, which outlet extends along a longitudinal axis (LI) and comprises a diffusor portion (12B) widening along the longitudinal axis; and a valve body (2) which is located in the interior and which is movable between a closing position in which the valve body gas-tightly closes the outlet and at least one opening position in which the valve body opens the outlet.

Description

Beschreibung description
Titel title
Brennstoffzellensystem und Ventil für ein Brennstoffzellensystem Fuel cell system and valve for a fuel cell system
Technisches Gebiet technical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und Ventil für ein Brennstoffzellensystem. The present invention relates to a fuel cell system and a valve for a fuel cell system.
Stand der Technik State of the art
Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Schicht auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs. Fuel cells are increasingly used as energy converters, including in vehicles, to convert chemical energy stored in a fuel, such as hydrogen, directly into electrical energy together with oxygen. Fuel cells typically have an anode, a cathode, and an electrolytic layer sandwiched between the anode and the cathode. The fuel is oxidized at the anode and the oxygen is reduced at the cathode.
Typischerweise wird der Anode der Brennstoffzelle kontinuierlich gasförmiger Brennstoff im Überschuss zugeführt, das heißt, mehr Brennstoff, als bei einer gegebenen Zufuhrmenge an Sauerstoff an die Kathode stöchiometrisch notwendig wäre. Der Brennstoffüberschuss wird in der Regel rezirkuliert bzw. der Anode erneut zugeführt. Hierbei ist in einer Zufuhrleitung, durch welche der Brennstoffzelle Brennstoff zugeführt wird, in der Regel eine Saugstrahlpumpe vorgesehen, deren Saugeingang Eingang mit einer mit einem Brennstoffauslass der Brennstoffzelle verbundenen Rezirkulationsleitung verbunden ist. Eine Treibdüse der Rezirkulationsleitung ist hierbei mit einer Brennstoffquelle verbunden, wobei zwischen der Brennstoffquelle und der Saugstrahlpumpe üblicherweise ein Absperrventil und ein Durchflussregelventil vorgesehen sind, um einen Brennstoffmassenstrom zu variieren, welcher der Saugstrahlpumpe durch die Treibdüse zugeführt wird. Typically, the anode of the fuel cell is continuously supplied with excess gaseous fuel, that is, more fuel than would be stoichiometrically necessary for a given amount of oxygen supplied to the cathode. The excess fuel is usually recirculated or fed back to the anode. In this case, a suction jet pump is generally provided in a supply line through which fuel is supplied to the fuel cell, the suction inlet of which is connected to a recirculation line connected to a fuel outlet of the fuel cell. A propulsion nozzle of the recirculation line is connected to a fuel source, with a shut-off valve and a flow control valve usually being provided between the fuel source and the ejector pump, to vary a fuel mass flow which is supplied to the ejector pump through the propulsion nozzle.
Ein Absperrventil für ein Brennstoffzellensystem ist beispielsweise in der JP 4398349 B2 offenbart. A shut-off valve for a fuel cell system is disclosed, for example, in JP 4398349 B2.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Erfindungsgemäß ist ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgesehen. According to the invention, a valve having the features of claim 1 and a fuel cell system having the features of claim 9 are provided.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst ein Ventil für ein Brennstoffzellensystem ein Ventilgehäuse, welches einen Innenraum definiert, mit einem in den Innenraum mündenden Zulauf zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff in den Innenraum und einem aus dem Innenraum ausmündenden Ablauf zum Abführen des Brennstoffs, welcher sich entlang einer Längsachse erstreckt und einen sich entlang der Längsachse weitenden Diffusorabschnitt aufweist, und einen in dem Innenraum angeordneten Ventilkörper, der zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventilkörper den Ablauf gasdicht verschließt, und zumindest einer Öffnungsstellung bewegbar ist, in welcher der Ventilkörper den Ablauf freigibt, wobei der Ventilkörper insbesondere entlang der Längsachse bewegbar sein kann. According to a first aspect of the invention, a valve for a fuel cell system comprises a valve housing, which defines an interior space, with an inlet opening into the interior space for supplying gaseous fuel into the interior space and an outlet opening out of the interior space for discharging the fuel, which extends along extends along a longitudinal axis and has a diffuser section that widens along the longitudinal axis, and a valve body arranged in the interior space, which can be moved between a closed position, in which the valve body closes the outlet gas-tight, and at least one open position, in which the valve body releases the outlet, wherein the valve body can be movable in particular along the longitudinal axis.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzellenanordnung mit zumindest einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffeinlass und einem Brennstoffauslass, eine Zufuhrleitung, welche mit dem Brennstoffeinlass verbunden ist, und ein Ventil nach dem ersten Aspekt der Erfindung, welches in der Zufuhrleitung angeordnet ist. According to a second aspect of the invention, a fuel cell system is provided. The fuel cell system comprises a fuel cell arrangement with at least one fuel cell, a fuel inlet and a fuel outlet, a supply line which is connected to the fuel inlet, and a valve according to the first aspect of the invention which is arranged in the supply line.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, ein beispielsweise als Absperrventil oder Durchflussregelventil in einer Zufuhrleitung eines Brennstoffzellensystems angeordnetes Ventil mit einem Auslass oder Ablauf zu versehen, welcher zumindest abschnittsweise als Diffusor ausgebildet ist. Das heißt, ein Ablaufkanal, durch welches Gas aus dem Ventil ausströmt, weist einen sich in Strömungsrichtung bzw. entlang einer Längsachse des Ablaufs vergrößernden Strömungsquerschnitt oder Durchmesser auf. Wenn der Ventilkörper in der Öffnungsstellung angeordnet ist, wird eine Fluidströmung vom Zulauf in den Innenraum und von diesem durch den Ablauf ermöglicht, wobei aufgrund des Diffusorabschnitts der statische Druck in der Fluidströmung vergrößert wird. One idea on which the invention is based is to provide a valve arranged, for example, as a shut-off valve or flow control valve in a supply line of a fuel cell system with an outlet or drain, which is designed at least in sections as a diffuser. That is, a discharge channel through which gas flows out of the valve has a flow cross-section or diameter increasing in flow direction or along a longitudinal axis of the outlet. When the valve body is arranged in the open position, a fluid flow from the inlet into the interior space and from there through the outlet is made possible, with the static pressure in the fluid flow being increased due to the diffuser section.
Es ist daher ein Vorteil des erfindungsgemäßen Ventils, dass durch den Diffusorabschnitt Druckverluste in der Gasströmung zumindest teilweise kompensiert werden können, die z.B. an stromaufwärts des Ventils gelegenen hydraulischen Komponenten aufgetreten sind. Dies erleichtert es, stromabwärts des Ventils gelegenen Komponenten, insbesondere der Brennstoffzelle und gegebenenfalls einer Saugstrahlpumpe, Brennstoff bei einem definierten Druck zuzuführen. It is therefore an advantage of the valve according to the invention that the diffuser section can at least partially compensate for pressure losses in the gas flow, which have occurred, for example, in hydraulic components located upstream of the valve. This makes it easier to supply fuel at a defined pressure to components located downstream of the valve, in particular the fuel cell and possibly a suction jet pump.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung. Advantageous refinements and developments result from the further dependent claims and from the description with reference to the figures of the drawing.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Ablauf als ein Kanal ausgebildet ist, der sich zwischen einer dem Innenraum zugewandten ersten Öffnung und einer an einer Außenfläche des Ventilgehäuses ausgebildeten zweiten Öffnung erstreckt, und wobei der Diffusorabschnitt im Bereich der zweiten Öffnung endet. Insbesondere kann der Diffusorabschnitt an der zweiten Öffnung enden. In diesem Fall bildet entspricht ein Austrittsquerschnitt des Diffusorabschnitts dem Querschnitt der zweiten Öffnung. Diese Ausführungsformen bieten den Vorteil, dass dadurch Druckverluste innerhalb des Ablaufkanals weiter reduziert werden. Unabhängig von der Anordnung des Diffusorabschnitts innerhalb des Ablaufs kann der Ablauf als Kanal ausgebildet sein, der sich zwischen einer dem Innenraum zugewandten ersten Öffnung und einer an einer Außenfläche des Ventilgehäuses ausgebildeten zweiten Öffnung entlang der Längsachse erstreckt. Der Zulauf kann ebenfalls als Kanal oder allgemein als ein Durchbruch ausgebildet sein, der sich zwischen der Außenfläche des Gehäuses und einer dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Innenfläche erstreckt, z.B. entlang einer quer zur Längsachse verlaufenden radialen Richtung. According to some embodiments, it can be provided that the outlet is formed as a channel that extends between a first opening facing the interior and a second opening formed on an outer surface of the valve housing, and wherein the diffuser section ends in the area of the second opening. In particular, the diffuser section can end at the second opening. In this case, an outlet cross section of the diffuser section corresponds to the cross section of the second opening. These embodiments offer the advantage that this further reduces pressure losses within the outflow channel. Irrespective of the arrangement of the diffuser section within the outlet, the outlet can be designed as a channel which extends along the longitudinal axis between a first opening facing the interior and a second opening formed on an outer surface of the valve housing. The inlet can also be designed as a channel or generally as an opening that is located between the outer surface of the housing and the interior of the Housing facing inner surface extends, for example, along a transverse to the longitudinal axis radial direction.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Ablauf einen ersten Abschnitt aufweist, welcher sich von der ersten Öffnung aus erstreckt und einen konstanten ersten Strömungsquerschnitt aufweist, und wobei der Diffusorabschnitt sich entlang der Längsachse an den ersten Abschnitt anschließt. Der erste Abschnitt insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Ein Vorteil des ersten Abschnitts mit konstantem Strömungsquerschnitt liegt darin, dass dadurch der Umfang des ersten Abschnitts und ein die erste Öffnung umgebender Bereich des Gehäuses im Wesentlichen rechtwinklig aufeinander stehend ausgebildet sein können, was Druckverluste beim Ausströmen des Brennstoffs aus dem Innenraum des Gehäuses vorteilhaft verringert. According to some embodiments, it can be provided that the outflow has a first section, which extends from the first opening and has a constant first flow cross section, and the diffuser section adjoins the first section along the longitudinal axis. In particular, the first section has a circular cross section. One advantage of the first section with a constant flow cross-section is that the circumference of the first section and a region of the housing surrounding the first opening can be configured so as to be essentially at right angles to one another, which advantageously reduces pressure losses when the fuel flows out of the interior of the housing.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der erste Abschnitt eine Länge entlang der Längsachse aufweist, welche in einem Bereich zwischen dem 1,5-fachen und dem 2,5-fachen des ersten Strömungsquerschnitts liegt. Damit kann der erste Abschnitt relativ kurz gestaltet sein, wodurch das Ventil vorteilhaft kompakter gestaltet werden kann. According to some embodiments, it can be provided that the first section has a length along the longitudinal axis which is in a range between 1.5 times and 2.5 times the first flow cross section. The first section can thus be made relatively short, as a result of which the valve can advantageously be made more compact.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Diffusorabschnitt sich entlang der Längsachse von einem Eingangsströmungsquerschnitt auf einen Ausgangsströmungsquerschnitt aufweitet, und wobei zumindest eine der folgenden geometrischen Bedingungen erfüllt ist: a) der Ausgangsströmungsquerschnitt liegt in einem Bereich zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen des Eingangsströmungsquerschnitt, b) der Diffusorabschnitt weist eine Länge entlang der Längsachse auf, welche in einem Bereich zwischen dem 2,5-fachen und dem 5-fachen des Eingangsströmungsquerschnitts liegt. Durch die Bedingung a) wird eine moderate Aufweitung des Strömungsquerschnitts des Diffusorabschnitts definiert, insbesondere in Kombination mit der Bedingung b). Dies ist vorteilhaft, um die Effizienz der Drucksteigerung, die durch den Diffusorabschnitt erzielt wird, weiter zu verbessern. Besonders vorteilhaft haben sie die durch die Bedingungen a) und b) definierten Geometrien für Druckbereich zwischen 15 bar und 25 bar erwiesen. According to some embodiments, it can be provided that the diffuser section widens along the longitudinal axis from an inlet flow cross section to an outlet flow cross section, and at least one of the following geometric conditions is met: a) the outlet flow cross section is in a range between 1.2 times and the 1.8 times the inlet flow cross section, b) the diffuser section has a length along the longitudinal axis which is in a range between 2.5 times and 5 times the inlet flow cross section. Condition a) defines a moderate widening of the flow cross section of the diffuser section, particularly in combination with condition b). This is beneficial to further improve the efficiency of the pressure increase achieved by the diffuser section. They are particularly advantageous due to the conditions a) and b) defined geometries for a pressure range between 15 bar and 25 bar.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Ventil einen kinematisch an den Ventilkörper gekoppelten Aktuator zum Bewegen des Ventilkörpers zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung aufweist, wobei der Aktuator dazu eingerichtet ist, den Ventilkörper zwischen der Schließstellung und genau einer weiteren Öffnungsstellung zu bewegen, oder den Ventilkörper zwischen der Schließstellung und einer Vielzahl von weiteren Öffnungsstellungen zu bewegen, in denen jeweils verschiedene Strömungsquerschnitte zwischen dem Ventilkörper und einem den Ablauf umgebenden Ventilsitzbereich des Gehäuses ausgebildet sind. Eine lichte Weite zwischen dem Ventilsitzbereich, also einem Bereich, welcher eine Öffnung umgibt, an der der Ablauf aus dem Innenraum ausmündet, und dem Ventilkörper kann somit auf genau einen Wert in der Öffnungsstellung eingestellt werden, z.B. um das Ventil zu öffnen oder in der Schließstellung zu schließen. Alternativ ist auch denkbar, dass die lichte Weite zwischen dem Ventilsitzbereich und dem Ventilkörper eine Vielzahl von Werten annehmen kann, z.B. um eine Durchflussmenge an Gas zu variieren. Hierbei kann das Einstellen einer Vielzahl diskreter Werte für die lichte Weite oder ein stufenloses Einstellen der lichten Weite möglich sein. According to some embodiments, it can be provided that the valve has an actuator, which is kinematically coupled to the valve body, for moving the valve body between the closed position and the open position, with the actuator being set up to move the valve body between the closed position and exactly one further open position, or to move the valve body between the closed position and a plurality of further open positions in which different flow cross sections are formed between the valve body and a valve seat area of the housing surrounding the outlet. A clear width between the valve seat area, i.e. an area that surrounds an opening where the drain from the interior opens out, and the valve body can thus be set to exactly one value in the open position, e.g. to open the valve or in the closed position close. Alternatively, it is also conceivable that the clear width between the valve seat area and the valve body can assume a large number of values, e.g. in order to vary the flow rate of gas. It can be possible to set a large number of discrete values for the clear width or to set the clear width steplessly.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Aktuator einen mit dem Ventilkörper verbundenen Anker aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material und eine Spule aufweist, welche den Anker umschließt und dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, um den Anker zu bewegen, insbesondere entlang der Längsachse. According to some embodiments, it can be provided that the actuator has an armature connected to the valve body made of a magnetic or magnetizable material and a coil which encloses the armature and is designed to generate a magnetic field in order to move the armature, in particular along the longitudinal axis.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine in der Zufuhrleitung angeordnete Saugstrahlpumpe, welche eine Treibdüse zur Verbindung mit einer Brennstoffquelle und einen Saugeingang aufweist, und einer Rezirkulationsleitung aufweist, welche den Brennstoffauslass mit dem Saugeingang der Saugstrahlpumpe verbindet, wobei das Ventil stromaufwärts der Saugstrahlpumpe, insbesondere stromaufwärts der Treibdüse angeordnet ist. Durch den Diffusorabschnitt des Ventils können bei der Durchströmung des Ventils auftretende Druckverluste verringert werden, was einen effizienten Betrieb der Saugstrahlpumpe erleichtert According to some embodiments, it can be provided that the fuel cell system has an ejector pump arranged in the supply line, which has a driving nozzle for connection to a fuel source and a suction inlet, and a recirculation line, which connects the fuel outlet to the suction inlet of the ejector pump, the valve being upstream of the Suction jet pump, in particular is arranged upstream of the driving nozzle. Through the diffuser section of the valve can at the Flow through the valve occurring pressure losses are reduced, which facilitates efficient operation of the ejector pump
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass ein Absperrventil und/oder ein Durchflussregelventil in der Zufuhrleitung angeordnet ist, und wobei das Absperrventil und/oder das Durchflussregelventil durch das Ventil nach einer der voranstehenden Ausführungsformen ausgebildet ist. Ein Vorteil, das Absperrventil und/oder das Durchflussregelventil in der voranstehend beschriebenen Weise auszuführen besteht darin, dass jeweils eine Druckrückgewinnung möglicherweise am Ablauf des Ventils auftretender Verluste stattfindet, so dass die beim Durchströmen auftretenden Druckverluste vorteilhaft verringert werden. According to some embodiments it can be provided that a shut-off valve and/or a flow control valve is arranged in the supply line, and wherein the shut-off valve and/or the flow control valve is formed by the valve according to one of the preceding embodiments. An advantage of designing the shut-off valve and/or the flow control valve in the manner described above is that a pressure recovery of any losses that may occur at the outlet of the valve takes place, so that the pressure losses that occur when flowing through are advantageously reduced.
Hierin kann unter einem „Strömungsquerschnitt“ insbesondere ein Durchmesser verstanden werden, wobei im Falle eines nicht kreisförmigen Querschnitts der Durchmesser dem eines Kreises entspricht, welcher denselben Flächeninhalt aufweist, wie der nicht kreisförmige Querschnitt. Here, a “flow cross-section” can be understood in particular as a diameter, where in the case of a non-circular cross-section the diameter corresponds to that of a circle which has the same surface area as the non-circular cross-section.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen: The invention is explained below with reference to the figures of the drawings. From the figures show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbilds eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 shows a schematic representation of a hydraulic circuit diagram of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the invention;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Ventils für einFig. 2 is a schematic sectional view of a valve for a
Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und Fuel cell system according to an embodiment of the invention; and
Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht des in Fig. 2 gezeigten Ventils. FIG. 3 is an enlarged partial view of the valve shown in FIG. 2. FIG.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist. Fig. 1 zeigt rein schematisch ein hydraulisches Schaltbild eines Brennstoffzellensystems 200. Das Brennstoffzellensystem 200 weit eine Brennstoffzellenanordnung 201, eine Zufuhrleitung 202, ein Absperrventil 100A und/oder ein Durchflussregelventil 100B auf. Optional kann das Brennstoffzellensystem 200 ferner eine Steuerungsvorrichtung 230 umfassen. Wie in Fig. 1 weiterhin dargestellt, können ebenso optional eine Rezirkulationsleitung 203 und eine Saugstrahlpumpe 220 vorgesehen sein. Eine in Fig. 1 symbolisch dargestellte Brennstoffquelle S, z.B. in Form eines Tanks, kann ebenfalls Teil des Brennstoffzellensystems 200 sein. In the figures, the same reference symbols designate identical or functionally identical components, unless otherwise stated. 1 shows a purely schematic hydraulic circuit diagram of a fuel cell system 200. The fuel cell system 200 has a fuel cell arrangement 201, a supply line 202, a shut-off valve 100A and/or a flow control valve 100B. Optionally, the fuel cell system 200 may further include a control device 230 . As also shown in FIG. 1, a recirculation line 203 and a suction jet pump 220 can also optionally be provided. A fuel source S shown symbolically in FIG. 1 , for example in the form of a tank, can also be part of the fuel cell system 200 .
Die Brennstoffzellenanordnung 201 ist in Fig. 1 lediglich schematisch dargestellt und weist zumindest eine Brennstoffzelle 210 auf. Beispielsweise kann die Brennstoffzellenanordnung 201 einen Brennstoffzellenstapel oder Stack aufweisen, in dem eine Vielzahl von Brennstoffzellen 201 elektrisch in Serie geschalten sind. Wie in Fig. 1 symbolisch dargestellt, weist die Brennstoffzelle 210 eine Anode 210A, eine Kathode 210B und eine zwischen Anode 210A und Kathode 210B angeordnete Elektrolytschicht 210C, z.B. in Form einer Membrane auf. Wie in Fig. 1 weiterhin gezeigt, weist die Brennstoffzellenanordnung 201 einen Brennstoffeinlass 211, über welchen der oder den Brennstoffzellen 210 Brennstoff, z.B. Wasserstoff, aus der Brennstoffquelle S an die Anode 210A zugeführt werden kann, und einen Brennstoffauslass 212 auf, über welchen nicht reagierter Brennstoff von der Anode 210A abgeführt werden kann. In gleicher Weise kann die Brennstoffzellenanordnung 201 einen Sauerstoffeinlass (nicht gezeigt), über welchen der oder den Brennstoffzellen 210 Sauerstoff, z.B. aus der Umgebungsluft, an die Kathode 210B zugeführt werden kann, und einen Sauerstoffauslass (nicht gezeigt) aufweisen, über welchen die Reaktionsprodukte von der Kathode 210B abgeführt werden können. Die zumindest eine Brennstoffzelle 210 ist somit dazu eingerichtet, die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. The fuel cell arrangement 201 is shown only schematically in FIG. 1 and has at least one fuel cell 210 . For example, the fuel cell arrangement 201 can have a fuel cell stack or stack in which a multiplicity of fuel cells 201 are electrically connected in series. As shown symbolically in Fig. 1, the fuel cell 210 has an anode 210A, a cathode 210B and an electrolyte layer 210C arranged between anode 210A and cathode 210B, for example in the form of a membrane. As also shown in Fig. 1, the fuel cell arrangement 201 has a fuel inlet 211, via which the fuel cell or cells 210 can be supplied with fuel, e.g. hydrogen, from the fuel source S to the anode 210A, and a fuel outlet 212, via which non-reacting Fuel can be removed from the anode 210A. In the same way, the fuel cell arrangement 201 can have an oxygen inlet (not shown) via which the fuel cell or cells 210 can be supplied with oxygen, e.g. from the ambient air, to the cathode 210B, and an oxygen outlet (not shown) via which the reaction products of of the cathode 210B can be discharged. The at least one fuel cell 210 is thus set up to convert the chemical energy stored in the fuel together with oxygen directly into electrical energy.
Wie in Fig. 1 weiterhin schematisch dargestellt, ist die Zufuhrleitung 202 mit dem Brennstoffeinlass 211 fluidisch leitend verbunden. Ferner kann die Zufuhrleitung 202 mit der Brennstoffquelle S verbunden sein oder einen Anschluss 202A zur Verbindung mit der Brennstoffquelle S aufweisen. Wie in Fig. 1 beispielhaft gezeigt, können in der Zufuhrleitung 202 ein Absperrventil 100A und ein Durchflussregelventil 100B nacheinander bzw. hydraulisch in Serie geschaltet angeordnet sein. Grundsätzlich ist aber auch denkbar lediglich eines der beiden Ventile 100A, 100B vorzusehen. Wie in Fig. 1 ferner dargestellt, kann das Absperrventil 100A gegebenenfalls zwischen dem Durchflussregelventil 100B und dem Anschluss 202A angeordnet sein. As also shown schematically in FIG. 1 , the supply line 202 is connected to the fuel inlet 211 in a fluidically conducting manner. Furthermore, the supply line 202 can be connected to the fuel source S or have a connection 202A for connection to the fuel source S . As in Fig. 1 by way of example 1, a shut-off valve 100A and a flow control valve 100B can be arranged in the supply line 202 in series or hydraulically connected in series. In principle, however, it is also conceivable to provide only one of the two valves 100A, 100B. As further illustrated in FIG. 1 , the shut-off valve 100A may be positioned between the flow control valve 100B and the port 202A, if desired.
Das Durchflussregelventil 100B ist dazu ausgebildet, einen Durchfluss oder einen Massenstrom an Brennstoff durch die Zufuhrleitung 202 zu variieren. Beispielsweise kann das Durchflussregelventil 100B signalleitend mit der Steuerungsvorrichtung 230 verbunden sein, wobei die Steuerungsvorrichtung 230 dazu eingerichtet sein kann, ein Stellsignal zu erzeugen, welches das Durchflussregelventil 100B dazu veranlasst, seinen Öffnungs- oder Schließzustand zu verändern. Die Steuerungsvorrichtung 230 kann hierzu beispielsweise mit einem Drucksensor 206, welcher einen Druck des Brennstoffs an einer Stelle stromabwärts zwischen dem Durchflussregelventil 100B und dem Brennstoffeinlass 211 der Brennstoffzellenanordnung 201, insbesondere am Brennstoffeinlass 211 erfasst, signalverbunden und dazu eingerichtet sein, das Stellsignal basierend auf dem erfassten Druck zu erzeugen. Die Steuerungsvorrichtung 230 kann insbesondere eine elektronische Steuerungsvorrichtung sein und kann beispielsweise einen Prozessor, wie z.B. eine CPU, einen ASIC, einen FPGA oder dergleichen, und einen nicht flüchtigen Datenspeicher, wie z.B. eine Festplatte, einen Flash-Speicher oder dergleichen aufweisen. Flow control valve 100B is configured to vary a flow or mass flow of fuel through supply line 202 . For example, the flow control valve 100B can be connected to the control device 230 in a signal-conducting manner, wherein the control device 230 can be set up to generate an actuating signal which causes the flow control valve 100B to change its open or closed state. For this purpose, the control device 230 can be signal-connected to a pressure sensor 206, for example, which detects a pressure of the fuel at a point downstream between the flow control valve 100B and the fuel inlet 211 of the fuel cell arrangement 201, in particular at the fuel inlet 211, and be set up to transmit the control signal based on the detected to generate pressure. In particular, the controller 230 may be an electronic controller and may include, for example, a processor such as a CPU, ASIC, FPGA, or the like, and non-volatile data storage such as a hard disk, flash memory, or the like.
Das Absperrventil 100A kann insbesondere zwischen einer Schließstellung, in welcher das Absperrventil 100A die Zufuhrleitung 202 fluiddicht abschließt und somit keinen Brennstoffmassenstrom durch die Zufuhrleitung 202 zulässt, und einer Öffnungsstellung schaltbar sein, in welcher das Absperrventil 100A eine Fluidmassenstrom vom Anschluss 202A zum Brennstoffeinlass 211 zulässt. Das Absperrventil 100A kann ebenfalls mit der Steuerungsvorrichtung 230 verbunden und durch ein von dieser erzeugtes Steuersignal schaltbar sein. The shut-off valve 100A can be switched in particular between a closed position, in which the shut-off valve 100A closes off the supply line 202 in a fluid-tight manner and thus does not allow any fuel mass flow through the supply line 202, and an open position, in which the shut-off valve 100A allows a fluid mass flow from the connection 202A to the fuel inlet 211. The shut-off valve 100A can also be connected to the control device 230 and can be switched by a control signal generated by the control device.
Optional kann außerdem ein Druckregulator 208 zwischen dem Anschluss 202A und dem Durchflussregelventil 100B, insbesondere zwischen dem Absperrventil 100A und dem Anschluss 202A angeordnet sein. Der Druckregulator 208 ist dazu ausgebildet, den Druck, mit dem die Brennstoffquelle S den gasförmigen Brennstoff bereitstellt, zu reduzieren. Beispielsweise kann der Brennstoff bei einem Druck im Bereich von 700 bar in der Brennstoffzelle S gespeichert sein, wobei der Druckregulator 208 den Druck des Brennstoffs auf einen vorbestimmten Wert reduziert, z.B. auf einem Wert in einem Bereich zwischen 15 bar und 25 bar. A pressure regulator 208 can optionally also be installed between the connection 202A and the flow control valve 100B, in particular between the shut-off valve 100A and the terminal 202A. The pressure regulator 208 is designed to reduce the pressure with which the fuel source S provides the gaseous fuel. For example, the fuel can be stored in the fuel cell S at a pressure in the range of 700 bar, with the pressure regulator 208 reducing the pressure of the fuel to a predetermined value, eg to a value in a range between 15 bar and 25 bar.
Die optionale Saugstrahlpumpe 220 kann insbesondere zwischen dem Durchflussregelventil 100B und dem Brennstoffeinlass 211 der Brennstoffzellenanordnung 201 in der Zufuhrleitung 202 angeordnet sein, wie dies in Fig. 1 beispielhaft gezeigt ist. Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, weist die Saugstrahlpumpe 220 eine Treibdüse 221 und einen Saugeingang 222 auf. Die Treibdüse 221 ist mit einem vom Anschluss 202A kommenden Abschnitt der Zufuhrleitung 202 verbunden und erhält somit einen Brennstoffmassenstrom, der bei hohem Druck, z.B. in einem Bereich zwischen 15 bar und 25 bar vorliegt. Der Saugeingang 222 der Saugstrahlpumpe 220 ist durch die Rezirkulationsleitung 203 mit dem Brennstoffauslass 212 der Brennstoffzellenanordnung 201 verbunden. Somit saugt die Saugstrahlpumpe 220 über die Rezirkulationsleitung 203 nicht reagierter Brennstoff aufgrund des Entrainmenteffekts der Treibdüse 221 vom Brennstoffauslass 212 an. Wie in Fig. 1 ferner gezeigt ist, kann optional ein Rezirkulationsgebläse 204 zwischen dem Brennstoffauslass 212 und dem Saugeingang 222 der Saugstrahlpumpe 220 in der Rezirkulationsleitung 203 angeordnet sein, um den Transport von Brennstoff zu dem Saugeingang 222 hin zu erleichtern. Ferner kann ein Wasserabscheider 205 zwischen der zwischen dem Brennstoffauslass 212 und dem Saugeingang 222 der Saugstrahlpumpe 220, insbesondere zwischen dem Brennstoffauslass 212 und dem Rezirkulationsgebläse 204 in der Rezirkulationsleitung 203 angeordnet sein, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt. Der Wasserabscheider 205 ist dazu ausgebildet, Wasser, das in dem nicht reagierten Brennstoff enthalten sein kann, abzuscheiden. The optional ejector pump 220 can be arranged in particular between the flow control valve 100B and the fuel inlet 211 of the fuel cell arrangement 201 in the supply line 202, as is shown in FIG. 1 by way of example. As shown schematically in FIG. 1 , the ejector pump 220 has a propulsion nozzle 221 and a suction inlet 222 . The propulsion nozzle 221 is connected to a section of the supply line 202 coming from the connection 202A and thus receives a fuel mass flow which is present at high pressure, e.g. in a range between 15 bar and 25 bar. The suction inlet 222 of the ejector pump 220 is connected to the fuel outlet 212 of the fuel cell arrangement 201 by the recirculation line 203 . The ejector pump 220 thus sucks in unreacted fuel from the fuel outlet 212 via the recirculation line 203 due to the entrainment effect of the driving nozzle 221 . As is further shown in FIG. 1 , a recirculation fan 204 can optionally be arranged in the recirculation line 203 between the fuel outlet 212 and the suction inlet 222 of the ejector pump 220 in order to facilitate the transport of fuel to the suction inlet 222 . Furthermore, a water separator 205 can be arranged between the fuel outlet 212 and the suction inlet 222 of the ejector pump 220, in particular between the fuel outlet 212 and the recirculation fan 204 in the recirculation line 203, as shown schematically in FIG. The water separator 205 is configured to separate water that may be contained in the unreacted fuel.
In Fig. 2 ist beispielhaft ein Ventil 100 dargestellt. Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Teilansicht des in Fig. 2 gezeigten Ventils 100. Das in den Fign. 2 und 3 gezeigte Ventil 100 kann z.B. als Durchflussregelventil 100B und/oder als Absperrventil 100A in dem in Fig. 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 200 eingebaut sein. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, umfasst das Ventil 100 ein Ventilgehäuse 1, einen Ventilkörper 2 und einen Aktuator 3. A valve 100 is shown as an example in FIG. 2 . FIG. 3 shows an enlarged partial view of the valve 100 shown in FIG. 2. The valve 100 shown in FIGS. Valve 100 shown in FIGS. 2 and 3 can be used, for example, as a flow control valve 100B and/or as a shut-off valve 100A may be installed in the fuel cell system 200 shown in FIG. As shown schematically in Fig. 2, the valve 100 comprises a valve housing 1, a valve body 2 and an actuator 3.
Das Ventilgehäuse 1 kann beispielsweise ein erstes Gehäuseteil 110 und ein zweites Gehäuseteil 120 aufweisen. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, kann das erste Gehäuseteil 110 eine Basisplatte 111 und einen sich von der Basisplatte 111 erstreckenden Hülsenkörper 112 aufweisen, welcher eine sich quer zur Basisplatte 111 erstreckende Hülsenlängsachse L112 definiert. Das zweite Gehäuseteil 120 kann beispielsweise ein blockförmiges Teil sein, welches in einen abgewandt von der Basisplatte 111 gelegenen Ende der Hülsenkörpers 112 angeordnet und mit diesem verbunden ist. Beispielsweise kann das zweite Gehäuseteil 120 zumindest teilweise in eine Öffnung 113 des Hülsenkörpers 112 eingesetzt sein, welche abgewandt von der Basisplatte 111 gelegen ist, wie dies in Fig. 2 beispielhaft gezeigt ist. Das erste Gehäuseteil 110 und das zweite Gehäuseteil 120 umgrenzen somit einen Innenraum 10. Das Ventilgehäuse 1 ist nicht auf die gezeigte Gestaltung begrenzt, sondern definiert allgemein einen Innenraum 10. The valve housing 1 can have a first housing part 110 and a second housing part 120, for example. As shown schematically in FIG. 2 , the first housing part 110 can have a base plate 111 and a sleeve body 112 which extends from the base plate 111 and defines a sleeve longitudinal axis L112 which extends transversely to the base plate 111 . The second housing part 120 can be a block-shaped part, for example, which is arranged in an end of the sleeve body 112 that faces away from the base plate 111 and is connected to it. For example, the second housing part 120 can be at least partially inserted into an opening 113 of the sleeve body 112, which is located away from the base plate 111, as is shown in FIG. 2 by way of example. The first housing part 110 and the second housing part 120 thus define an interior space 10. The valve housing 1 is not limited to the configuration shown, but generally defines an interior space 10.
Wie in Fig. 2 ferner gezeigt, weist das Gehäuse 1 einen in den Innenraum 10 mündenden Zulauf 11 und einen Ablauf 12 auf, welcher eine fluidisch leitende Verbindung zwischen dem Innenraum 10 und einer Außenseite des Gehäuses 1 bzw. der Umgebung herstellt. Der Zulauf 11 kann beispielsweise als eine sich zwischen einer dem Innenraum 10 zugewandten Innenfläche und einer Außenfläche des Hülsenkörpers 112 angeordnet sein, welche sich entlang einer senkrecht auf die Hülsenlängsachse L112 stehenden Hülsenradialrichtung R112 erstreckt. Die Außenfläche des Hülsenkörpers 112 ist Teil einer Außenfläche la des Gehäuses 1. Der Ablauf 12 kann als ein Kanal ausgebildet sein, der sich entlang einer Längsachse LI zwischen einer dem Innenraum 10 zugewandten ersten Öffnung 13 des Gehäuses 1 und einer zweiten Öffnung 14 des Gehäuses 1 erstreckt. Die Längsachse LI des Ablaufs oder Auslasses 12 kann optional parallel zur Hülsenlängsachse L112 und insbesondere koaxial zu der Hülsenlängsachse L112 verlaufen, wie dies in Fig. 2 beispielhaft gezeigt ist. Wie in Fig. 2 beispielhaft dargestellt, kann der Ablauf 12 insbesondere in dem zweiten Gehäuseteil 120 ausgebildet sein, wobei die erste Öffnung 13 an einer der Basisplatte 111 zugewandten ersten Stirnfläche 120i des zweiten Gehäuseteils 120 und die zweite Öffnung 14 an einer entgegengesetzt zu dieser angeordneten zweiten Stirnfläche 120a des zweiten Gehäuseteils 120 ausgebildet ist, welche Teil der Außenfläche la des Gehäuses 1 ist. As also shown in FIG. 2, the housing 1 has an inlet 11 opening into the interior 10 and an outlet 12 which establishes a fluidically conductive connection between the interior 10 and an outside of the housing 1 or the environment. The inlet 11 can be arranged, for example, as an inner surface facing the interior space 10 and an outer surface of the sleeve body 112, which extends along a sleeve radial direction R112 perpendicular to the sleeve longitudinal axis L112. The outer surface of the sleeve body 112 is part of an outer surface la of the housing 1. The outlet 12 can be designed as a channel which extends along a longitudinal axis LI between a first opening 13 of the housing 1 facing the interior 10 and a second opening 14 of the housing 1 extends. The longitudinal axis LI of the outflow or outlet 12 can optionally run parallel to the longitudinal axis L112 of the sleeve and in particular coaxially to the longitudinal axis L112 of the sleeve, as shown in FIG. 2 by way of example. As shown by way of example in FIG. 2, the outlet 12 can be formed in particular in the second housing part 120, the first opening 13 being at one of the Base plate 111 facing first end face 120i of the second housing part 120 and the second opening 14 is formed on an opposite to this arranged second end face 120a of the second housing part 120, which is part of the outer surface la of the housing 1.
Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, weist der Ablauf 12 einen Diffusorabschnitt 12 B und optional zusätzlich einen ersten Abschnitt 12A auf. Der erste Abschnitt 12A kann sich insbesondere von der ersten Öffnung 13 aus über eine Länge 111 entlang der Längsachse LI erstrecken und weist einen konstanten Durchmesser oder Strömungsquerschnitt dll auf, z.B. einen kreisförmigen Querschnitt. Die eine Länge 111 des ersten Abschnitts 12A des Ablaufs 12 kann beispielsweise in einem Bereich zwischen dem 1,5-fachen und dem 2,5-fachen des ersten Strömungsquerschnitts dll liegen. As shown schematically in FIG. 2, the outflow 12 has a diffuser section 12B and optionally also a first section 12A. In particular, the first portion 12A may extend from the first opening 13 a length 111 along the longitudinal axis LI and has a constant diameter or flow cross-section dll, e.g., a circular cross-section. One length 111 of the first section 12A of the outlet 12 can, for example, be in a range between 1.5 times and 2.5 times the first flow cross section dll.
Wie in Fig. 2 ferner schematisch dargestellt ist, weist der Diffusorabschnitt 12B einen entlang der Längsachse LI in Richtung der zweiten Öffnung 14 größer werdenden Strömungsquerschnitt auf. Insbesondere weitet sich der Diffusorabschnitt 12B sich entlang der Längsachse LI von einem Eingangsströmungsquerschnitt d21 auf einen Ausgangsströmungsquerschnitt d22 auf und weist eine Länge 121 entlang der Längsachse LI auf. Hierbei kann vorgesehen sein, dass der Ausgangsströmungsquerschnitt d22 in einem Bereich zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen desAs is also shown schematically in FIG. 2 , the diffuser section 12B has a flow cross section that increases along the longitudinal axis LI in the direction of the second opening 14 . In particular, the diffuser section 12B widens along the longitudinal axis LI from an inlet flow cross section d21 to an outlet flow cross section d22 and has a length 121 along the longitudinal axis LI. It can be provided that the outlet flow cross section d22 is in a range between 1.2 times and 1.8 times the
Eingangsströmungsquerschnitts d21 liegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Länge 121 des Diffusorabschnitts 12B in einem Bereich zwischen dem 2,5-fachen und dem 5-fachen des Eingangsströmungsquerschnitts d21 liegen. Input flow cross section d21 is located. Alternatively or additionally, the length 121 of the diffuser section 12B can be in a range between 2.5 times and 5 times the inlet flow cross section d21.
Wie in Fig. 2 beispielhaft gezeigt, schließt sich der Diffusorabschnitt 12B in Bezug auf die Längsachse LI gegebenenfalls an den ersten Abschnitt 12A an bzw. erstreckt sich von dem ersten Abschnitt 12A aus. Alternativ kann der Diffusorabschnitt 12 B sich auch direkt von der ersten Öffnung 13 aus erstrecken. Wie in Fig. 2 weiterhin dargestellt ist, kann optional vorgesehen sein, dass der Diffusorabschnitt 12A an der zweiten Öffnung 14 endet. Es ist aber auch denkbar, dass der Diffusorabschnitt 12A in einem gewissen Abstand von der zweiten Öffnung 14 endet und zwischen dem Ende des Diffusorabschnitts 12A und der zweiten Öffnung 14 ein zweiter Abschnitt mit konstantem Strömungsquerschnitt vorgesehen ist. Allgemein kann der Diffusorabschnitt 12B im Bereich der zweiten Öffnung 14 enden. As shown by way of example in FIG. 2 , the diffuser section 12B may adjoin the first section 12A or extend from the first section 12A with respect to the longitudinal axis LI. Alternatively, the diffuser section 12 B can also extend directly from the first opening 13 . As is further illustrated in FIG. 2 , provision can optionally be made for the diffuser section 12A to end at the second opening 14 . But it is also conceivable that the diffuser section 12A ends at a certain distance from the second opening 14 and between the end of the diffuser section 12A and the second opening 14 a second section with constant Flow cross section is provided. In general, the diffuser section 12B can end in the area of the second opening 14 .
Der Zulauf 11 ist zur Verbindung mit einem von der Brennstoffquelle S kommenden bzw. mit einem dem Anschluss 202A zugewandten Abschnitt der Zufuhrleitung 202 ausgebildet. Der Ablauf 12 zur Verbindung mit einem dem Brennstoffeinlass 211 der Brennstoffzellenanordnung 201 verbundenen Abschnitt der Zufuhrleitung 202 ausgebildet. Somit kann gasförmiger Brennstoff über den Zulauf 11 in den Innenraum 10 des Gehäuses 1 und durch den Ablauf 12 aus diesem herausgeleitet werden. The inlet 11 is designed for connection to a section of the supply line 202 coming from the fuel source S or to a section of the supply line 202 facing the connection 202A. The outlet 12 is designed for connection to a section of the supply line 202 connected to the fuel inlet 211 of the fuel cell arrangement 201 . Thus, gaseous fuel can be conducted via the inlet 11 into the interior 10 of the housing 1 and through the outlet 12 from this.
Der Ventilkörper 2 ist in Fig. 2 lediglich schematisch dargestellt und weist einen Verschlusskörper 20 zum gasdichten Abdecken oder Verschließen der ersten Öffnung 13 oder allgemein des Ablaufs 12 auf. Optional kann an einer dem Ablauf 12 zugewandten Stirnfläche des Verschlusskörpers 20 eine Elastomerbeschichtung 21 vorgesehen sein. In den Fign. 2 und 3 ist der Ventilkörper 2 jeweils in einer Schließstellung dargestellt, in welcher dieser den Ablauf 12 gasdicht verschließt. Wie in den Fign. 2 und 3 schematisch dargestellt liegt der Ventilkörper 2 in der Schließstellung an einem die erste Öffnung 13 umgebenden Ventilsitz 15 an. Der Ventilsitz 15 ist durch den die erste Öffnung 13 umgebenden Oberflächenbereich definiert, welcher z.B. durch einen Teil der ersten Stirnfläche 120i des ersten Gehäuseteils 120 gebildet sein kann. Wie in Fig. 3 beispielhaft dargestellt, kann der Ventilsitz 15 optional eine Dichtkante 16 aufweisen, welche z.B. durch einen durch die erste Stirnfläche 120i ausgebildeten, die erste Öffnung 13 umschließenden Vorsprung ausgebildet sein kann. Der Ventilkörper 2 ist zwischen der Schließstellung und zumindest einer Öffnungsstellung bewegbar ist, in welcher der Ventilkörper 2 den Ablauf 12 bzw. die erste Öffnung 13 freigibt. The valve body 2 is shown only schematically in FIG. 2 and has a closure body 20 for covering or closing the first opening 13 or the outlet 12 in general in a gas-tight manner. Optionally, an elastomer coating 21 can be provided on an end face of the closure body 20 facing the outlet 12 . In the figs. 2 and 3, the valve body 2 is shown in a closed position in which it closes the outlet 12 in a gas-tight manner. As in Figs. 2 and 3, the valve body 2 rests in the closed position on a valve seat 15 surrounding the first opening 13. The valve seat 15 is defined by the surface area surrounding the first opening 13, which can be formed by part of the first end face 120i of the first housing part 120, for example. As shown by way of example in Fig. 3, the valve seat 15 can optionally have a sealing edge 16, which can be formed, for example, by a projection formed through the first end face 120i and surrounding the first opening 13. The valve body 2 can be moved between the closed position and at least one open position, in which the valve body 2 releases the outlet 12 or the first opening 13 .
Der Ventilkörper 2 kann beispielsweise mithilfe des Aktuators 3 zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung bewegt werden. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, kann der Aktuator 3 insbesondere einen Anker 30 aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material und eine Leiterspule 31 aufweisen. Der Anker 30 ist mit dem Ventilkörper 2 verbunden. Beispielsweise kann eine Betätigungsstange 32 vorgesehen sein, welche sich zwischen einem ersten Ende 31 A und einem zweiten Ende 32 B erstreckt. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, kann die Betätigungsstange 32 sich durch eine im Gehäuse 1 ausgebildete Öffnung, z.B. eine in der Basisplatte 111 des ersten Gehäuseteils 110 ausgebildete Öffnung 114 hindurch erstrecken in den Innenraum 10 hinein, optional entlang der Hülsenlängsachs L112 und/oder entlang der Längsachse LI des Ablaufs 12. Wie in Fig. 2 beispielhaft dargestellt, kann der Ventilkörper 2 an dem ersten Ende 32A der Betätigungsstange 32 befestigt sein, und der Anker 30 kann in einem zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 32 A, 32 B gelegenen Bereich mit der Betätigungsstange 32 verbunden sein, insbesondere in einem Bereich, der außerhalb des Innenraums 10 des Gehäuses 1 gelegen ist. The valve body 2 can, for example, be moved between the closed position and the open position with the aid of the actuator 3 . As shown schematically in FIG. 2 , the actuator 3 can in particular have an armature 30 made of a magnetic or magnetizable material and a conductor coil 31 . The armature 30 is connected to the valve body 2 . For example, an actuating rod 32 can be provided which extends between a first end 31A and a second end 32B. As shown schematically in Fig. 2, the actuating rod 32 can extend through an opening formed in the housing 1, for example an opening 114 formed in the base plate 111 of the first housing part 110, into the interior 10, optionally along the longitudinal axis L112 and/or of the sleeve along the longitudinal axis LI of the drain 12. As exemplified in Fig. 2, the valve body 2 may be attached to the first end 32A of the actuating rod 32, and the armature 30 may be located in one between the first and second ends 32A, 32B Located area may be connected to the actuating rod 32, in particular in an area that is located outside of the interior 10 of the housing 1.
Die Spule 31 umschließt den Anker 30 in Bezug auf die Hülsenradialrichtung R112 oder in Bezug auf eine senkrecht zur Längsachse LI verlaufende radiale Richtung RI. Die Spule 31 kann mechanisch mit dem Gehäuse 1 verbunden sein. Beispielsweise kann ein Aktuatorgehäuse 38 vorgesehen sein, in welchem die Spule 31 aufgenommen ist und das an dem Gehäuse 1 befestigt ist, insbesondere an dem ersten Gehäuseteil 110. Wie in Fig. 2 schematisch dargestellt, kann das erste Gehäuseteil 110 einen Befestigungsabschnitt 115 aufweisen, der auf einer entgegengesetzt zu dem Hülsenkörper 112 gelegenen Seite der Basisplatte 111 von dieser vorsteht und in einen Bereich zwischen Spule 31 und Anker 30 hineinragt, wie dies in Fig. 2 schematisch und rein beispielhaft dargestellt ist. Es wäre auch denkbar, die Spule 31 alternativ oder zusätzlich zu der Befestigung des Aktuatorgehäuses 31 an dem Befestigungsabschnitt 115 zu fixieren. Allgemein kann die Spule 31 ortsfest in Bezug auf das Gehäuse 1 angeordnet sein. Wenn die Spule 31 von einem elektrischen Strom durchflossen wird, erzeugt sie ein Magnetfeld, welches eine Kraft auf den Anker ausübt und diesen bewegt, insbesondere entlang der Längsachse LI bzw. L112, so dass der Ventilkörper 2 von der ersten Öffnung 13 abgehoben wird. The coil 31 encloses the armature 30 with respect to the sleeve radial direction R112 or with respect to a radial direction RI perpendicular to the longitudinal axis LI. The coil 31 can be mechanically connected to the housing 1 . For example, an actuator housing 38 can be provided, in which the coil 31 is accommodated and which is attached to the housing 1, in particular to the first housing part 110. As shown schematically in FIG protrudes from the base plate 111 on a side of the base plate 111 opposite to the sleeve body 112 and protrudes into a region between the coil 31 and the armature 30, as is shown schematically and purely by way of example in FIG. It would also be conceivable to fix the coil 31 to the fastening section 115 as an alternative or in addition to the fastening of the actuator housing 31 . In general, the coil 31 can be arranged stationary in relation to the housing 1 . When an electric current flows through the coil 31, it generates a magnetic field which exerts a force on the armature and moves it, in particular along the longitudinal axis LI or L112, so that the valve body 2 is lifted from the first opening 13.
Es ist denkbar, dass die Spule 31 derart bestromt wird, dass der Aktuator 3 dazu eingerichtet ist, den Ventilkörper 2 zwischen der Schließstellung und genau einer weiteren Öffnungsstellung zu bewegen. Alternativ ist denkbar, dass der Aktuator dazu eingerichtet ist, den Ventilkörper 2 zwischen der Schließstellung und einer Vielzahl von weiteren Öffnungsstellungen zu bewegen, in denen jeweils verschiedene Strömungsquerschnitte bzw. lichte Weiten zwischen dem Ventilkörper 2 und dem Ventilsitz 15 ausgebildet sind, um den Brennstoff massenstrom durch den Ablauf 12 in Stufen oder stufenlos zu variieren. It is conceivable that the coil 31 is energized in such a way that the actuator 3 is set up to move the valve body 2 between the closed position and exactly one further open position. Alternatively, it is conceivable that the actuator is set up to move the valve body 2 between the closed position and a large number of other open positions, in which different flow cross sections or clear widths are formed between the valve body 2 and the valve seat 15 in order to control the fuel mass flow through the outlet 12 in stages or infinitely variable.
Wie in Fig. 2 ferner dargestellt, kann der Ventilkörper 2 mittels einer Vorspanneinrichtung 33 in die Schließstellung vorgespannt sein. Beispielsweise kann die Vorspanneinrichtung 33 sich am zweiten Ende 32B der Betätigungsstange 32, insbesondere über eine Stützplatte 34, und an einer in Bezug auf das Gehäuse 1 ortsfesten Halterung 35 abstützen. Wie dies in Fig. 2 beispielhaft gezeigt ist, kann die Halterung 35 z.B. als block- oder plattenförmiges Teil ausgebildet sein, welches in einer Öffnung einer Trägerhülse 37 befestigt ist. Die Trägerhülse 37 kann die Längsachse LI bzw. L112 umschließen und durch eine Klammereinrichtung 36 ortsfest mit dem Gehäuse 1, insbesondere mit dem Befestigungsabschnitt 115 des ersten Gehäuseteils 110 fest verbunden sein. As also shown in FIG. 2, the valve body 2 can be prestressed into the closed position by means of a prestressing device 33 . For example, the prestressing device 33 can be supported on the second end 32B of the actuating rod 32, in particular via a support plate 34, and on a holder 35 which is stationary in relation to the housing 1. As is shown by way of example in FIG. The carrier sleeve 37 can enclose the longitudinal axis L1 or L112 and can be fixedly connected to the housing 1, in particular to the fastening section 115 of the first housing part 110, by a clamping device 36.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar. Although the present invention has been explained above by way of example using exemplary embodiments, it is not limited thereto but can be modified in many different ways. In particular, combinations of the above exemplary embodiments are also conceivable.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Ventil (100) für ein Brennstoffzellensystem (200), aufweisend: ein Ventilgehäuse (1), welches einen Innenraum (10) definiert, mit einem in den Innenraum (10) mündenden Zulauf (11) zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff in den Innenraum (10) und einem aus dem Innenraum (10) ausmündenden Ablauf (12) zum Abführen des Brennstoffs, welcher sich entlang einer Längsachse (LI) erstreckt und einen sich entlang der Längsachse (LI) weitenden Diffusorabschnitt (12B) aufweist; und einen in dem Innenraum (10) angeordneten Ventilkörper (2), der zwischen einer Schließstellung, in welcher der Ventilkörper (2) den Ablauf (12) gasdicht verschließt, und zumindest einer Öffnungsstellung bewegbar ist, in welcher der Ventilkörper (2) den Ablauf (12) freigibt. 1. Valve (100) for a fuel cell system (200), comprising: a valve housing (1) which defines an interior space (10), with an inlet (11) opening into the interior space (10) for supplying gaseous fuel into the interior space (10) and an outlet (12) opening out of the interior (10) for discharging the fuel, which extends along a longitudinal axis (LI) and has a diffuser section (12B) that widens along the longitudinal axis (LI); and a valve body (2) arranged in the interior (10) which can be moved between a closed position, in which the valve body (2) closes the outlet (12) in a gas-tight manner, and at least one open position, in which the valve body (2) closes the outlet (12) releases.
2. Ventil (100) nach Anspruch 1, wobei der Ablauf (12) als ein Kanal ausgebildet ist, der sich zwischen einer dem Innenraum (10) zugewandten ersten Öffnung (13) und einer an einer Außenfläche (la) des Ventilgehäuses (1) ausgebildeten zweiten Öffnung (14) erstreckt, und wobei der Diffusorabschnitt (12B) im Bereich der zweiten Öffnung (14) endet. 2. Valve (100) according to claim 1, wherein the outlet (12) is designed as a channel which extends between a first opening (13) facing the interior (10) and a first opening (13) on an outer surface (la) of the valve housing (1). formed second opening (14), and wherein the diffuser section (12B) ends in the region of the second opening (14).
3. Ventil (100) nach Anspruch 2, wobei der Ablauf (12) einen ersten Abschnitt (12A) aufweist, welcher sich von der ersten Öffnung (13) aus erstreckt und einen konstanten ersten Strömungsquerschnitt (dll) aufweist, und wobei der Diffusorabschnitt (12B) sich entlang der Längsachse (LI) an den ersten Abschnitt (12A) anschließt. 3. Valve (100) according to claim 2, wherein the outlet (12) has a first section (12A) which extends from the first opening (13) and has a constant first flow cross section (dll), and wherein the diffuser section ( 12B) adjoins the first section (12A) along the longitudinal axis (LI).
4. Ventil (100) nach Anspruch 3, wobei der erste Abschnitt (12A) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. 4. The valve (100) of claim 3, wherein the first portion (12A) has a circular cross-section.
5. Ventil (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Abschnitt (12A) eine Länge (111) entlang der Längsachse (LI) aufweist, welche in einem Bereich zwischen dem 1,5-fachen und dem 2,5-fachen des ersten Strömungsquerschnitts (dll) liegt. The valve (100) of claim 3 or 4, wherein the first portion (12A) has a length (111) along the longitudinal axis (LI) ranging from 1.5 times to 2.5 times of the first flow cross section (dll).
6. Ventil (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Diffusorabschnitt (12 B) sich entlang der Längsachse (LI) von einem Eingangsströmungsquerschnitt (d21) auf einen Ausgangsströmungsquerschnitt (d22) aufweitet, und wobei zumindest eine der folgenden geometrischen Bedingungen erfüllt ist: der Ausgangsströmungsquerschnitt (d22) liegt in einem Bereich zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen des Eingangsströmungsquerschnitts (d21); der Diffusorabschnitt (12 B) weist eine Länge (121) entlang der Längsachse (LI) auf, welche in einem Bereich zwischen dem 2,5-fachen und dem 5-fachen des Eingangsströmungsquerschnitts (d21) liegt. 6. Valve (100) according to one of the preceding claims, wherein the diffuser section (12 B) widens along the longitudinal axis (LI) from an inlet flow cross section (d21) to an outlet flow cross section (d22), and at least one of the following geometric conditions is met : the outlet flow area (d22) is in a range between 1.2 times and 1.8 times the inlet flow area (d21); the diffuser section (12 B) has a length (121) along the longitudinal axis (LI) which is in a range between 2.5 times and 5 times the inlet flow cross-section (d21).
7. Ventil (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, zusätzlich aufweisend: einen kinematisch an den Ventilkörper (2) gekoppelten Aktuator (3) zum Bewegen des Ventilkörpers (2) zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung; wobei der Aktuator (3) dazu eingerichtet ist, den Ventilkörper (2) zwischen der Schließstellung und genau einer weiteren Öffnungsstellung zu bewegen, oder den Ventilkörper (2) zwischen der Schließstellung und einer Vielzahl von weiteren Öffnungsstellungen zu bewegen, in denen jeweils verschiedene Strömungsquerschnitte zwischen dem Ventilkörper (2) und einem den Ablauf (12) umgebenden Ventilsitzbereich (15) des Gehäuses (1) ausgebildet sind. 7. Valve (100) according to any one of the preceding claims, additionally comprising: an actuator (3) kinematically coupled to the valve body (2) for moving the valve body (2) between the closed position and the open position; wherein the actuator (3) is set up to move the valve body (2) between the closed position and precisely one further open position, or to move the valve body (2) between the closed position and a large number of further open positions, in which different flow cross-sections between the valve body (2) and a valve seat area (15) of the housing (1) surrounding the outlet (12).
8. Ventil (100) nach Anspruch 7, wobei der Aktuator (3) einen mit dem Ventilkörper (2) verbundenen Anker (30) aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material und eine Spule (31) aufweist, welche den Anker (30) umschließt und dazu eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erzeugen, um den Anker (30) zu bewegen, insbesondere entlang der Längsachse (LI). 8. Valve (100) according to claim 7, wherein the actuator (3) has an armature (30) connected to the valve body (2) made of a magnetic or magnetizable material and a coil (31) which encloses the armature (30) and is set up to a magnetic field generate to move the armature (30), in particular along the longitudinal axis (LI).
9. Brennstoffzellensystem (200), mit: einer Brennstoffzellenanordnung (201) mit zumindest einer Brennstoffzelle (210), einem Brennstoffeinlass (211) und einem Brennstoffauslass (212); einer Zufuhrleitung (202), welche mit dem Brennstoffeinlass (211) verbunden ist; und einem Ventil (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, welches in der Zufuhrleitung (202) angeordnet ist. 9. Fuel cell system (200), comprising: a fuel cell assembly (201) having at least one fuel cell (210), a fuel inlet (211) and a fuel outlet (212); a supply line (202) connected to the fuel inlet (211); and a valve (100) according to any one of the preceding claims located in the supply line (202).
10. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 9, zusätzlich aufweisend: eine in der Zufuhrleitung (202) angeordnete Saugstrahlpumpe (220), welche eine Treibdüse (221) zur Verbindung mit einer Brennstoffquelle (S) und einen Saugeingang (222) aufweist; und einer Rezirkulationsleitung (203), welche den Brennstoffauslass (212) mit dem Saugeingang (222) der Saugstrahlpumpe (220) verbindet; wobei das Ventil (100) stromaufwärts der Saugstrahlpumpe (220) angeordnet ist. 10. Fuel cell system (200) according to claim 9, additionally comprising: an ejector pump (220) arranged in the supply line (202) and having a propulsion nozzle (221) for connection to a fuel source (S) and a suction inlet (222); and a recirculation line (203) which connects the fuel outlet (212) to the suction inlet (222) of the ejector pump (220); wherein the valve (100) is arranged upstream of the ejector pump (220).
11. Brennstoffzellensystem (200) nach Anspruch 9, wobei ein Absperrventil (100A) und/oder ein Durchflussregelventil (100B) in der Zufuhrleitung (202) angeordnet ist, und wobei das Absperrventil (100A) und/oder das Durchflussregelventil (100B) durch das Ventil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist. 11. The fuel cell system (200) according to claim 9, wherein a shut-off valve (100A) and/or a flow control valve (100B) is arranged in the supply line (202), and wherein the shut-off valve (100A) and/or the flow control valve (100B) is/are connected through the Valve (100) according to any one of claims 1 to 8 is formed.
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