DE102021206940A1 - Valve device for a fuel cell - Google Patents

Abstract

Es wird eine Ventilvorrichtung (24, 25) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (2) vorgeschlagen, mit einem Strömungskanal (201), einem im Strömungskanal (201) befindlichen Ventilsitz (204), welcher einen Strömungsquerschnitt (A) begrenzt, und mit einem beweglichen Ventilkörper (300), welcher in einer Schließposition mit einer Dichtfläche (B) am Ventilsitz (204) dichtend anliegt und den Strömungsquerschnitt (A) verschließt, und welcher in einer Freigabeposition den Strömungsquerschnitt (A) freigibt, wobei der Ventilkörper (300) zumindest bereichsweise elastisches Material aufweist.A valve device (24, 25) for a fuel cell device (2) is proposed, having a flow channel (201), a valve seat (204) which is located in the flow channel (201) and delimits a flow cross section (A), and having a movable valve body ( 300), which in a closed position bears sealingly with a sealing surface (B) on the valve seat (204) and closes the flow cross section (A), and which in a release position releases the flow cross section (A), the valve body (300) being made of elastic material at least in regions having.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzelle sowie eine Brennstoffzelle mit einer solchen Ventilvorrichtung.The invention relates to a valve device for a fuel cell and a fuel cell with such a valve device.

Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen kommen neben rein batteriebasierten Kraftfahrzeugen auch Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen zum Einsatz. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, in der aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie gewonnen wird. Im Kraftfahrzeugbereich wird als Brennstoff vorzugsweise Wasserstoff eingesetzt. Als Oxidationsmittel dient Luftsauerstoff. Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), welche durch einen, beispielsweise als eine semipermeable Membran ausgebildeten Festelektrolyten voneinander getrennt sind. Die beiden Reaktionspartner, Brennstoff und Oxidationsmittel, werden den Elektroden kontinuierlich zugeführt. Der Festelektrolyt ist dabei nur für bei der Reaktion freigesetzten Ionensorte, z. B. Protonen, durchlässig. Bei der Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff wird elektrische Energie freigesetzt, welche zum Betrieb der Elektromotoren des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Im Fall vom Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel entsteht auf Seiten der Kathode Wasser als Reaktionsprodukt. Im Laufe des Betriebs der Brennstoffzelle diffundieren nach und nach Stickstoff (als Hauptbestandteil von Luft) und Wasser von der Kathode über den Festelektrolyten zur Anode der Brennstoffzelle. Dies ist unerwünscht, denn Stickstoff und Wasser blockieren die Kanäle der Wasserstoffversorgung und vermindern die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs innerhalb der Anode, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ beeinträchtigt. Zur Verminderung dieses negativen Effekts wird der gesamte Anodenraum gespült, wobei die darin enthaltenen Substanzen rezirkuliert werden. Dies kann beispielsweise durch einen Rezirkulationspfad mit einem integrierten Gasgebläse realisiert werden. Die Substanzen, hauptsächlich Wasserstoff, Wasser und Stickstoff, werden dabei aus der Anode gespült und dieser zusammen mit frischem Wasserstoff wieder zugeführt. Auf diese Weise kann zwar die Verblockung der Anode und des Festelektrolyts entgegengewirkt werden, jedoch würde ohne weitere Maßnahmen nach und nach der Anteil an Stickstoff und Wasser im Bereich der Anode ansteigen. Daher werden das Wasser und der Stickstoff mittels eines im Rezirkulationspfad angeordneten Wasserabscheiders (z.B. Zyklonabscheider) großteils voneinander getrennt. Der Stickstoff wird über ein Spülventil (Purge valve) aus dem System evakuiert. Das im Sumpf des Wasserabscheiders abgeschiedene Wasser wird von Zeit zu Zeit über ein Ablassventil abgelassen.In the case of electrically driven motor vehicles, in addition to purely battery-based motor vehicles, motor vehicles with fuel cells are also used. The fuel cell is a galvanic cell in which electrical energy is generated as a result of a chemical reaction between a fuel and an oxidant. Hydrogen is the preferred fuel used in motor vehicles. Atmospheric oxygen is used as the oxidizing agent. The fuel cell essentially consists of two electrodes (anode and cathode), which are separated from one another by a solid electrolyte, for example designed as a semipermeable membrane. The two reactants, fuel and oxidant, are fed continuously to the electrodes. The solid electrolyte is only available for the type of ions released during the reaction, e.g. B. protons, permeable. The reaction between the oxidizing agent and the fuel releases electrical energy, which is used to operate the motor vehicle's electric motors. In the case of hydrogen as the fuel and oxygen as the oxidizing agent, water is produced as a reaction product on the cathode side. During the operation of the fuel cell, nitrogen (as the main component of air) and water gradually diffuse from the cathode via the solid electrolyte to the anode of the fuel cell. This is undesirable because nitrogen and water block the hydrogen supply channels and reduce the even distribution of the hydrogen within the anode, which adversely affects the efficiency of the fuel cell. To reduce this negative effect, the entire anode chamber is flushed, with the substances contained therein being recirculated. This can be implemented, for example, by a recirculation path with an integrated gas fan. The substances, mainly hydrogen, water and nitrogen, are flushed out of the anode and returned to it together with fresh hydrogen. Although blocking of the anode and the solid electrolyte can be counteracted in this way, without further measures the proportion of nitrogen and water in the area of the anode would gradually increase. Therefore, the water and the nitrogen are largely separated from each other by means of a water separator (e.g. cyclone separator) arranged in the recirculation path. The nitrogen is evacuated from the system via a purge valve. The water separated in the sump of the water separator is drained from time to time via a drain valve.

Wird dieses System jedoch unter dem Gefrierpunkt von Wasser betrieben, was im Winterbetrieb jederzeit möglich ist, können diese Ventile durch die Bildung von Eis in ihrer Funktion stark eingeschränkt werden und durch auftretende Druckkräfte beschädigt oder gar zerstört werden. Dadurch kann es zu einer spürbaren Reduzierung des Wirkungsgrads der Brennstoffzelle, zu erheblichen Einschränkungen beim Betrieb der Brennstoffzelle bis hin zu deren Totalausfall kommen.However, if this system is operated below the freezing point of water, which is possible at any time in winter operation, these valves can be severely restricted in their function due to the formation of ice and can be damaged or even destroyed by the pressure forces that occur. This can lead to a noticeable reduction in the efficiency of the fuel cell, significant limitations in the operation of the fuel cell, and even total failure.

Eine Möglichkeit zur Behebung der Vereisungsgefahr wäre es, die Ventile aktiv zu beheizen. Jedoch erfordert dies zusätzliche technische Maßnahmen, was den Preis steigern würde. Ferner unterliegen auch die Komponenten der Heizung einer gewissen Störanfälligkeit.One way to eliminate the risk of icing would be to actively heat the valves. However, this requires additional technical measures, which would increase the price. Furthermore, the components of the heater are also subject to a certain susceptibility to failure.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kostengünstige Ventilvorrichtung mit einer verbesserten Betriebssicherheit und einer geringeren Störanfälligkeit auch bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, welche sich durch eine verbesserte Betriebssicherheit, eine geringere Störanfälligkeit und einen hohen Wirkungsgrad auch bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser auszeichnet.It is therefore the object of the present invention to provide a cost-effective valve device with improved operational reliability and less susceptibility to faults, even at ambient temperatures below the freezing point of water. A further object of the invention is to provide a fuel cell device which is characterized by improved operational reliability, less susceptibility to faults and high efficiency even at ambient temperatures below the freezing point of water.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous configurations of the invention are described in the dependent claims.

Eine Ventilvorrichtung für eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß Anspruch 1 weist einen Strömungskanal, einen im Strömungskanal befindlichen Ventilsitz, welcher einen Strömungsquerschnitt begrenzt, und einen beweglichen Ventilkörper auf, welcher in einer Schließposition mit einer Dichtfläche am Ventilsitz dichtend anliegt und den Strömungsquerschnitt verschließt, und welcher in einer Freigabeposition den Strömungsquerschnitt freigibt. Der Ventilkörper weist zumindest bereichsweise elastisches Material aufweist.A valve device for a fuel cell device according to claim 1 has a flow channel, a valve seat located in the flow channel, which delimits a flow cross section, and a movable valve body, which in a closed position has a sealing surface on the valve seat and seals the flow cross section, and which in a release position releases the flow cross-section. The valve body has elastic material at least in regions.

Die Ventilvorrichtung ist dazu ausgebildet, in einer Brennstoffzellenvorrichtung als Ablassventil oder als Spülventil zu fungieren. Bei einem bestimmungsgemäßen Einsatz befindet sich im Strömungskanal daher Wasser oder ein wasserhaltiges Medium. Je nach Umgebungstemperatur und Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung kann sich das Wasser in verschiedenen Aggregatzuständen befinden. Bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt ist das Wasser flüssig oder auch gasförmig. Im Temperaturbereich unterhalb des Gefrierpunktes ist das Wasser fest, also Eis. Jeder Wechsel des Aggregatzustands des Wassers von einer deutlichen Dichte- und Volumenänderung begleitet. Ein Wechsel zwischen flüssigen und festen Zustand geht mit einer Volumenveränderung von ca. 10% einher. Dadurch verändern sich auch die Druckkräfte auf den von Wasser oder von dem wasserhaltigen Medium umgebenen Ventilkörper. Diese Druckkräfte können gerade bei einer Vereisung extrem hoch sein und eine zerstörerische Wirkung auf den Ventilkörper haben. Dadurch dass der Ventilkörper zumindest bereichsweise elastisches Material aufweist, kann er sich den wechselnden Druckkräften flexibel anpassen, ohne dass er mechanischen Schaden erleidet. Dadurch ist die Ventilvorrichtung erheblich robuster gegen temperaturbedingte, wechselnde Druckkräfte, welche von dem ihn umgebenden Wasser im Strömungskanal auf ihn einwirken. Damit zeichnet sich die Ventilvorrichtung durch eine hohe Betriebssicherheit aus. Ferner kann auf eine Heizeinrichtung verzichtet werden, wodurch die Ventilvorrichtung auch sehr kostengünstig ist. Bei dem elastischen Material kann es sich beispielsweise um ein Elastomer handeln. Der Ventilkörper kann entweder ganz oder nur bereichsweise aus diesem Elastomer gebildet sein. Der Ventilkörper kann auch einen nichtelastischen Kern aus Metall oder Kunststoff aufweisen, welcher auf seiner dem Strömungskanal zugewandten Außenseite ganz oder bereichsweise mit elastischem Material beschichtet ist.The valve device is designed to function as a drain valve or as a flushing valve in a fuel cell device. When used as intended, there is therefore water or a medium containing water in the flow channel. Depending on the ambient temperature and the operating state of the fuel cell device, the water can be in different states of aggregation. At temperatures above the freezing point, water is either liquid or gaseous. In the temperature range below the freezing point, the water is solid, i.e. ice. Any change of the aggregate state of the water is accompanied by a significant change in density and volume. A change between liquid and solid state is accompanied by a volume change of approx. 10%. This also changes the pressure forces on the valve body surrounded by water or by the water-containing medium. These pressure forces can be extremely high, especially in the event of icing, and have a destructive effect on the valve body. Because the valve body has elastic material at least in some areas, it can adapt flexibly to the changing pressure forces without suffering mechanical damage. As a result, the valve device is considerably more robust against temperature-related, changing pressure forces which act on it from the water surrounding it in the flow channel. The valve device is thus characterized by a high level of operational reliability. Furthermore, a heating device can be dispensed with, as a result of which the valve device is also very inexpensive. The elastic material can be an elastomer, for example. The valve body can be made of this elastomer either entirely or only in certain areas. The valve body can also have a non-elastic core made of metal or plastic, which is completely or partially coated with elastic material on its outside facing the flow channel.

In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 2 weist der Ventilkörper zumindest im Bereich der Dichtfläche elastisches Material auf.In one embodiment of the valve device according to claim 2, the valve body has elastic material at least in the area of the sealing surface.

Diese Ausgestaltung der Ventilvorrichtung bietet die zwei weiteren Vorteile, dass zum einen der Ventilkörper sich mit seiner elastischen Dichtfläche sehr gut an den Ventilsitz anschmiegen kann, wodurch die Dichteigenschaften der Ventilvorrichtung in der Schließposition verbessert wird. Zum anderen zweigen elastische Materialien, insbesondere Elastomere, aufgrund ihrer schlechten thermischen Leitfähigkeit eine reduzierte Tendenz zum Festfrieren an der Dichtfläche.This configuration of the valve device offers the two additional advantages that, on the one hand, the valve body can nestle very well against the valve seat with its elastic sealing surface, which improves the sealing properties of the valve device in the closed position. On the other hand, elastic materials, in particular elastomers, have a reduced tendency to freeze to the sealing surface due to their poor thermal conductivity.

In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 3 weist der Ventilkörper eine Membran aus elastischem Material auf.In one embodiment of the valve device according to claim 3, the valve body has a membrane made of elastic material.

Dabei weist die Ventilvorrichtung gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 4 eine Aktuatoreinrichtung zum Bewegen des Ventilkörpers auf, welche in einem zum Strömungskanal hin offenen Aktuatorraum angeordnet ist, wobei die Membran den Aktuatorraum gegenüber dem Strömungskanal abdichtet.According to an embodiment according to claim 4, the valve device has an actuator device for moving the valve body, which is arranged in an actuator chamber open to the flow channel, the membrane sealing the actuator chamber from the flow channel.

Der elastischen Membran kommen dadurch zwei Funktionen zu: Zum einen bietet die elastische Membran die Dichtfläche zum Ventilsitz. Zum anderen dichtet die Membran den Aktuatorraum gegen den Strömungskanal ab. Die Abdichtung ist zumindest flüssigkeitsdicht, vorteilhafterweise sogar gasdicht. Dadurch kann kein Fluid in den Aktuatorraum eindringen. Die im Akuatorraum befindliche Aktuatoreinrichtung ist daher sicher gegen Verunreinigung oder Beschädigung durch im Strömungskanal befindliche Fluide geschützt. Insbesondere im Fall von Wasser als strömendes Medium ist die Aktuatoreinrichtung somit auch vor Einfrieren geschützt. Elastische Membranen, insbesondere aus einem Elastomer, sind zäh, robust, widerstandsfähig gegenüber aggressiven Fluiden, günstig in der Anschaffung, montagefreundlich und leicht herzustellen.The elastic membrane thus has two functions: On the one hand, the elastic membrane provides the sealing surface for the valve seat. On the other hand, the membrane seals the actuator space from the flow channel. The seal is at least liquid-tight, advantageously even gas-tight. As a result, no fluid can penetrate into the actuator space. The actuator device located in the actuator space is therefore securely protected against contamination or damage by fluids located in the flow channel. In particular in the case of water as the flowing medium, the actuator device is thus also protected against freezing. Elastic membranes, in particular made of an elastomer, are tough, robust, resistant to aggressive fluids, inexpensive to purchase, easy to assemble and easy to manufacture.

In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 5 weist der Ventilkörper einen Befestigungsabschnitt zur Befestigung an einem Gehäuse der Ventilvorrichtung aufweist. Dabei weist der Befestigungsabschnitt einen Metallring oder Kunststoffring auf. Der Ventilkörper ist mit dem Befestigungsabschnitt innerhalb des Gehäuses bzw. innerhalb des Aktuatorraums verpresst.In one embodiment of the valve device according to claim 5, the valve body has a fastening section for fastening to a housing of the valve device. In this case, the fastening section has a metal ring or plastic ring. The valve body is pressed with the fastening section inside the housing or inside the actuator space.

Der Metallring oder Kunststoffring dient der Stabilisierung und Versteifung des Ventilkörpers am Befestigungsabschnitt. Dadurch ist eine abdichtende Montage des Ventilkörpers durch Verpressen leicht möglich. Der Metallring oder Kunststoffring kann auch von der Membran umhüllt sein.The metal ring or plastic ring serves to stabilize and stiffen the valve body on the fastening section. As a result, a sealing assembly of the valve body by pressing is easily possible. The metal ring or plastic ring can also be covered by the membrane.

In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 6 ist die Membran zumindest abschnittsweise als Faltenbalg ausgeführt.In one embodiment of the valve device according to claim 6, the membrane is designed at least in sections as a bellows.

Dadurch kann Ventilkörper bei geringer Materialbelastung einen größeren Hub überwinden, also eine größere Wegstrecke zwischen Schließposition und Freigabeposition.As a result, the valve body can overcome a greater stroke with less material stress, ie a greater distance between the closed position and the release position.

In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 7 weist die Membran im Bereich des Faltenbalgs eine geringere Materialdicke auf als in anderen Bereichen.In one embodiment of the valve device according to claim 7, the membrane has a smaller material thickness in the area of the bellows than in other areas.

Dadurch weist die Membran im Bereich des Faltenbalgs eine höhere Flexibilität auf, während die Membran in anderen Bereichen, insbesondere im Bereich der Dichtfläche, eine stärkere Materialdicke und damit eine größere Robustheit aufweist.As a result, the diaphragm has greater flexibility in the area of the bellows, while the diaphragm has a greater material thickness and thus greater robustness in other areas, in particular in the area of the sealing surface.

In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 8 weist die Membran im Bereich der Dichtfläche und/oder im Bereich einer Kontaktfläche mit der Aktuatoreinrichtung einen Kern aus Metall oder Kunststoff aufweist.In one embodiment of the valve device according to claim 8, the membrane has a core made of metal or plastic in the area of the sealing surface and/or in the area of a contact surface with the actuator device.

Dadurch sind die Widerstandsfähigkeit, Robustheit und Steifigkeit der Membran in Bereichen größerer mechanischer Belastung und Reibung erhöht.This increases the resilience, robustness and rigidity of the membrane in areas increased mechanical stress and friction.

In einer Ausgestaltung der Ventilvorrichtung nach Anspruch 9 besteht die Membran bereichsweise aus unterschiedlichen elastischen Materialien.In one embodiment of the valve device according to claim 9, the membrane consists of different elastic materials in some areas.

Dadurch können die mechanischen und chemischen Eigenschaften der Membran je nach Art und Größe der lokalen Belastung angepasst werden.This allows the mechanical and chemical properties of the membrane to be adjusted depending on the type and size of the local load.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß Anspruch 10 weist eine Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 auf.A fuel cell device according to claim 10 has a valve device according to any one of claims 1 to 9.

Die Brennstoffzellenvorrichtung kann eine wasserführende Leitung aufweisen, welche mit dem Strömungskanal der Ventilvorrichtung in fluidischer Verbindung steht. Bezüglich der Vorteile einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung wird auf die Ausführungen zu Anspruch 1 verwiesen, welche hier in analoger Weise gelten.The fuel cell device can have a water-carrying line which is in fluid communication with the flow channel of the valve device. With regard to the advantages of such a fuel cell device, reference is made to the statements relating to claim 1, which apply here in an analogous manner.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:

• 1 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung;
• 2 bis 7 Schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele einer Ventilvorrichtung für die Brennstoffzellenvorrichtung

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the attached figures. In the figures are:

• 1 Schematic representation of an embodiment of a fuel cell device;
• 2 until 7 Schematic representations of various exemplary embodiments of a valve device for the fuel cell device

In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 2 schematisch dargestellt. Kernstück der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ist die eigentliche Brennstoffzelle 3, welche als galvanische Zelle fungiert. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Anodeneinrichtung 4 und eine Kathodeneinrichtung 5 auf, die durch eine Elektrolyteinrichtung 6 (lonenleiter) voneinander getrennt sind. Die Elektrolyteinrichtung 6 ist im Ausführungsbeispiel als Polymerelektrolytmembran ausgebildet, welche nur für Protonen, nicht jedoch für Elektronen durchlässig ist. Alternativ können auch bestimmte Keramiken oder andere Festelektrolyten eingesetzt werden. Die Anodeneinrichtung 4 und die Kathodeneinrichtung 5 weisen Elektrodenplatten bzw. Bipolarplatten auf (nicht dargestellt), welche vorzugsweise aus Metall oder Kohlenstoff gefertigt sind und mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin oder Palladium beschichtet sind.In 1 a motor vehicle 1 with a fuel cell device 2 is shown schematically. The core of the fuel cell device 2 is the actual fuel cell 3, which acts as a galvanic cell. The fuel cell 3 has an anode device 4 and a cathode device 5, which are separated from one another by an electrolyte device 6 (ion conductor). In the exemplary embodiment, the electrolyte device 6 is designed as a polymer electrolyte membrane, which is permeable only to protons but not to electrons. Alternatively, certain ceramics or other solid electrolytes can also be used. The anode device 4 and the cathode device 5 have electrode plates or bipolar plates (not shown), which are preferably made of metal or carbon and are coated with a catalyst such as platinum or palladium.

Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählen ferner eine Brennstoffversorgungseinrichtung 7, welche mit einem Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 gekoppelt ist, um diese mit Brennstoff zu versorgen. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 7 weist einen Brennstofftank 71 auf, in dem der Brennstoff gelagert ist. Im Ausführungsbeispiel dient als Brennstoff Wasserstoff, welcher in flüssiger oder gasförmiger Form unter sehr hohen Druck (z.B. 350 bar bis 700 bar) Brennstofftank 71 gelagert ist. Der Brennstofftank 71 ist über eine Versorgungsleitung 72 mit dem Eingang 8 der Anodenvorrichtung 4 verbunden. Stromabwärts (Pfeil) des Brennstofftanks 71 sind in der Versorgungsleitung 72 hintereinander ein Absperrventil 73 und ein Druckminderer 74 angeordnet. Der Druckminderer 74 reduziert den Gasdruck auf ca. 10 bar bis 30 bar. Weiter stromabwärts in der Versorgungsleitung 72 ist ein steuerbares Dosierventil 75 vorgesehen, welches eine gezielte Dosierung des Wasserstoffs in die Anodeneinrichtung 4 ermöglicht. Die Steuerung des Dosierventils 75 erfolgt dabei durch eine der Brennstoffzellenvorrichtung 2 zugeordnete Steuervorrichtung 9, welche mit dem Dosierventil 75 elektrisch verbunden ist. Zwischen dem Dosierventil 75 und der Anodeneinrichtung 4 ist ferner ein Drucksensor 76 angeordnet, welcher ebenfalls mit der Steuervorrichtung 9 verbunden ist und dieser den Wasserstoffdruckwert am Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 bereitstellt. Der Druck innerhalb der Anodeneinrichtung 4 bewegt sich beim Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 2 im Bereich zwischen 0,8 bar und 4 bar.The fuel cell device 2 also includes a fuel supply device 7 which is coupled to an input 8 of the anode device 4 in order to supply it with fuel. The fuel supply device 7 has a fuel tank 71 in which the fuel is stored. In the exemplary embodiment, the fuel used is hydrogen, which is stored in the fuel tank 71 in liquid or gaseous form under very high pressure (e.g. 350 bar to 700 bar). The fuel tank 71 is connected to the input 8 of the anode device 4 via a supply line 72 . A shut-off valve 73 and a pressure reducer 74 are arranged one behind the other in the supply line 72 downstream (arrow) of the fuel tank 71 . The pressure reducer 74 reduces the gas pressure to about 10 bar to 30 bar. Further downstream in the supply line 72 there is a controllable metering valve 75 which enables the hydrogen to be metered in a targeted manner into the anode device 4 . The metering valve 75 is controlled by a control device 9 assigned to the fuel cell device 2 and electrically connected to the metering valve 75 . Furthermore, a pressure sensor 76 is arranged between the metering valve 75 and the anode device 4 , which is also connected to the control device 9 and provides the hydrogen pressure value at the input 8 of the anode device 4 . When the fuel cell device 2 is in operation, the pressure inside the anode device 4 ranges between 0.8 bar and 4 bar.

Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählt weiterhin eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 10, welche mit der Kathodeneinrichtung 5 gekoppelt ist, um diese mit Oxidationsmittel zu versorgen. Im Ausführungsbeispiel dient Luftsauerstoff als Oxidationsmittel, welcher der Kathodeneinrichtung durch die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 10 zugeführt wird. Um sicherzustellen, dass der Sauerstoffdruck in der Kathodeneinrichtung 5 ausreichend hoch ist, weist die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 10 einen weiteren Drucksensor 11 auf, welcher der Steuervorrichtung 9 den Sauerstoffdruck bzw. den Luftdruck am Eingang der Kathodeneinrichtung 5 liefert.The fuel cell device 2 also includes an oxidizing agent supply device 10, which is coupled to the cathode device 5 in order to supply it with oxidizing agent. In the exemplary embodiment, atmospheric oxygen serves as the oxidizing agent, which is supplied to the cathode device by the oxidizing agent supply device 10 . In order to ensure that the oxygen pressure in the cathode device 5 is sufficiently high, the oxidizing agent supply device 10 has a further pressure sensor 11 which supplies the control device 9 with the oxygen pressure or the air pressure at the inlet of the cathode device 5 .

Der Wasserstoff auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 reagiert mit dem Luftsauerstoff auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 unter Bildung von Wasser, wobei es zwischen der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 zu einem Gleichstromfluss kommt. Der Gleichstrom kann zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors (nicht dargestellt des Kraftfahrzeugs 1 verwendet werden. Das gebildete Wasser wird zusammen mit den anderen Luftkomponenten (hauptsächlich Stickstoff) größtenteils über eine Entsorgungsleitung 12 am Ausgang der Kathodeneinrichtung 5 entsorgt.The hydrogen on the side of the anode device 4 reacts with the atmospheric oxygen on the side of the cathode device 5 to form water, with a direct current flow occurring between the anode device 4 and the cathode device 5 . The direct current can be used to operate an electric drive motor (not shown) of motor vehicle 1. Most of the water formed is disposed of together with the other air components (mainly nitrogen) via a disposal line 12 at the outlet of cathode device 5.

Mit der Zeit diffundieren Teile des Stickstoffs und Wasser von der Kathodeneinrichtung 5 durch die Polymerelektrolytmembran 6 zur Anodeneinrichtung 4. Die Diffusion dieser beiden Substanzen ist jedoch unerwünscht, da diese Substanzen die Versorgungskanäle für den Wasserstoff blockieren und ferner eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs über die gesamte Membranfläche verhindern. Um diesem Problem zu begegnen, werden die in der Anodeneinrichtung 4 enthaltenen Substanzen, im Ausführungsbeispiel Wasserstoff, Stickstoff und Wasser, rezirkuliert. Dazu umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine Rezirkulationsvorrichtung 20, welche einen Ausgang 30 der Anodeneinrichtung 4 mit deren Eingang 8 fluidisch verbindet. Mittels der Rezirkulationsvorrichtung 20 werden die in der Anodeneinrichtung 4 enthaltenen Substanzen über den Ausgang 230 abgeführt und der Anodeneinrichtung 4 über deren Eingang 8 zumindest teilweise wieder zugeführt.Over time, parts of the nitrogen and water diffuse from the cathode device 5 through the polymer electrolyte membrane 6 to the anode device 4. However, the diffusion of these two substances is undesirable because these substances are the supply block channels for the hydrogen and also prevent an even distribution of the hydrogen over the entire membrane area. In order to counteract this problem, the substances contained in the anode device 4, in the exemplary embodiment hydrogen, nitrogen and water, are recirculated. For this purpose, the fuel cell device 2 includes a recirculation device 20 which fluidically connects an outlet 30 of the anode device 4 to its inlet 8 . The substances contained in the anode device 4 are discharged via the outlet 230 by means of the recirculation device 20 and at least partially fed back to the anode device 4 via its inlet 8 .

Die Rezirkulationsvorrichtung 20 weist ein Gasgebläse 21 auf, welches die Substanzen über den Ausgang 30 aus der Anodeneinrichtung 4 saugt und über den Eingang 8 wieder der Anodeneinrichtung 4 zuführt. Langfristig würde durch eine solche, einfache Rezirkulation die Konzentration an Wasserstoff in der Anodeneinrichtung 4 stetig abnehmen und die Konzentration von Stickstoff und Wasser stetig zunehmen, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 3 auswirken würde. Aus diesem Grund weist die Rezirkulationsvorrichtung 20 einen Wasserabscheider 22 und einen Stickstoffabscheider 23 auf, welche dazu ausgebildet ist, den Wasseranteil und den Stickstoffanteil in dem rückzuführenden Gasgemisch zu reduzieren und der Anodeneinrichtung 4 die Fraktion mit dem höheren Wasserstoffanteil wieder zuzuführen. Der Wasserabscheider 22 kann beispielsweise als Zyklonabscheider ausgebildet sein. in dem das Wasser vom Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch abgetrennt wird. Das Wasser sammelt sich Großteils im Sumpf des Wasserabscheiders 22 bzw. des Zyklonabscheiders an und kann mittels einer ersten steuerbaren Ventilvorrichtung 25 aus diesem abgeführt werden. Das abgetrennte Stickstoff-Wasserstoff-Gasgemisch, welches zu einem geringen Anteil immer noch Wasser enthält, wird dem Stickstoffabscheider 23 zugeführt, welcher als ein für Stickstoffmoleküle undurchlässiger Stickstofffilter ausgeführt sein kann, wobei der Stickstoff dann über eine zweite steuerbare Ventilvorrichtung 24 an die Umgebung abgeführt werden kann. Das auf diese Weise mit Wasserstoff angereicherte Rezirkulationsgas wird der Anodeneinrichtung 4 wieder zugeführt.The recirculation device 20 has a gas blower 21 which sucks the substances out of the anode device 4 via the outlet 30 and feeds them back to the anode device 4 via the inlet 8 . In the long term, such a simple recirculation would cause the concentration of hydrogen in the anode device 4 to steadily decrease and the concentration of nitrogen and water to steadily increase, which would have a negative effect on the efficiency of the fuel cell 3 . For this reason, the recirculation device 20 has a water separator 22 and a nitrogen separator 23, which is designed to reduce the water content and the nitrogen content in the gas mixture to be recirculated and to feed the fraction with the higher hydrogen content back to the anode device 4. The water separator 22 can be designed as a cyclone separator, for example. in which the water is separated from the nitrogen-hydrogen gas mixture. Most of the water collects in the sump of the water separator 22 or the cyclone separator and can be discharged from it by means of a first controllable valve device 25 . The separated nitrogen-hydrogen gas mixture, which still contains a small proportion of water, is fed to the nitrogen separator 23, which can be designed as a nitrogen filter impermeable to nitrogen molecules, with the nitrogen then being discharged to the environment via a second controllable valve device 24 can. The recirculation gas enriched with hydrogen in this way is fed back to the anode device 4 .

Besonders bei niedrigen Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser (Winterbetrieb des Kraftfahrzeugs 1) besteht die Gefahr, dass das sich in der Rezirkulationsvorrichtung 19 befindliche Wasser gefriert. Die Eisbildung stellt für Ventilvorrichtungen grundsätzlich ein großes Problem dar. Zum kann die Betätigungsmechanik einer Ventilvorrichtung zufrieren, wodurch diese nicht mehr zu betätigen ist bis das Eis wieder schmilzt. Desweiteren übt das sich bildende Eis sehr große Druckkräfte auf Ventilvorrichtungen aus, was dazu führen kann, dass diese beschädigt oder zerstört werden.Especially at low ambient temperatures below the freezing point of water (winter operation of the motor vehicle 1), there is a risk that the water in the recirculation device 19 will freeze. The formation of ice is fundamentally a major problem for valve devices. On the one hand, the actuating mechanism of a valve device can freeze over, as a result of which it can no longer be actuated until the ice melts again. Furthermore, the ice that forms exerts very high compressive forces on valve devices, which can lead to them being damaged or destroyed.

Die Eisbildung stellt für die in der oben beschriebenen Brennstoffzellenvorrichtung am Wasserabscheider und am Stickstofffilter verwendeten ersten und zweiten Ventilvorrichtungen 24, 25 kein Problem dar. Im Folgenden werden anhand der 2 bis 7 Ausführungsbeispiele dieser Ventilvorrichtungen 24, 25 beschrieben. Ice formation is not a problem for the first and second valve devices 24, 25 used in the fuel cell device described above at the water separator and the nitrogen filter 2 until 7 Embodiments of these valve devices 24, 25 are described.

Jede der Ventilvorrichtungen 24, 25 besitzt ein Gehäuse 200, einen im Gehäuse ausgebildeten Strömungskanal 201 mit zwei Strömungseingängen 202 (seitlich) und einem Strömungsausgang 203 (unten), einen im Strömungskanal 201 befindlichen und am Gehäuse ausgebildeten Ventilsitz 204, welcher einen Strömungsquerschnitt A im Strömungskanal 201 begrenzt.Each of the valve devices 24, 25 has a housing 200, a flow channel 201 formed in the housing with two flow inlets 202 (side) and a flow outlet 203 (bottom), a valve seat 204 located in the flow channel 201 and formed on the housing, which has a flow cross section A in the flow channel 201 limited.

Die Ventilvorrichtungen 24, 25 weisen ferner einen beweglichen Ventilkörper 300 auf, welcher in einer Schließposition (nicht dargestellt) mit einer Dichtfläche B am Ventilsitz 204 dichtend anliegt und den Strömungsquerschnitt A verschließt, und welcher in einer Freigabeposition (siehe 2) den Strömungsquerschnitt A freigibt. Der Ventilkörper 300 weist zumindest bereichsweise elastisches Material auf, vorteilhafterweise im Bereich der Dichtfläche. In den Ausführungsbeispielen weist der Ventilkörper eine Membran 301 aus elastischem Material auf, z.B. aus einem oder mehreren Elastomeren, wie Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuke (EPDM) oder Hydrierter Acrylnitrilbutadien-Kautschuk (HNBR).The valve devices 24, 25 also have a movable valve body 300, which in a closed position (not shown) rests sealingly with a sealing surface B on the valve seat 204 and closes the flow cross section A, and which in a release position (see 2 ) releases the flow cross-section A. The valve body 300 has elastic material at least in certain areas, advantageously in the area of the sealing surface. In the exemplary embodiments, the valve body has a membrane 301 made of elastic material, for example made of one or more elastomers, such as ethylene propylene diene rubber (EPDM) or hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber (HNBR).

Zur Ventilvorrichtung 24, 25 gehört ferner eine Aktuatoreinrichtung 400 zum Bewegen des Ventilkörpers 300 zwischen der Schließposition und der Freigabeposition. Die Aktuatoreinrichtung 400 ist zumindest teilweise in einen im Gehäuse 200 ausgebildeten und zum Strömungskanal 201 hin offenen Aktuatorraum 205 angeordnet. Die Aktuatoreinrichtung 400 weist einen elektrisch steuerbaren Antrieb 401 und ein mit dem Antrieb 401 gekoppelten finger- oder stiftförmiges Übertragungselement 402 auf. Das Übertragungselement 402 wiederrum steht mit der Membran 301 in Wirkverbindung und überträgt die Antriebsenergie des Antriebs 401 auf die Membran 301. Der Antrieb 401 kann die Membran 301 mittels des Übertragungselements 402 zwischen der Schließposition und der Freigabeposition hin- und herbewegen.The valve device 24, 25 also includes an actuator device 400 for moving the valve body 300 between the closed position and the release position. The actuator device 400 is arranged at least partially in an actuator space 205 formed in the housing 200 and open towards the flow channel 201 . The actuator device 400 has an electrically controllable drive 401 and a finger-shaped or pin-shaped transmission element 402 coupled to the drive 401 . The transmission element 402 in turn is operatively connected to the membrane 301 and transmits the drive energy of the drive 401 to the membrane 301. The drive 401 can move the membrane 301 back and forth between the closed position and the release position by means of the transmission element 402.

Die Membran 301 ist an ihren Rändern am Gehäuse 200 gefestigt. Dabei trennt die Membran 301 den Aktuatorraum 205 vom Strömungskanal 201 flüssigkeitsdicht oder gasdicht ab. Auf diese Weise ist der Aktuatorraum 205 vor den im Strömungskanal 201 befindlichen Medien geschützt. Insbesondere kann kein Wasser in den Aktuatorraum 205 eindringen, was die Aktuatoreinrichtung 300 vor Vereisung oder Korrosion schützt.The membrane 301 is fixed to the housing 200 at its edges. The membrane 301 separates the actuator chamber 205 from the flow channel 201 in a liquid-tight or gas-tight manner. In this way, the actuator space 205 is protected from the media located in the flow channel 201 . Into the in particular, no water can penetrate into the actuator space 205, which protects the actuator device 300 from icing or corrosion.

Wie im Ausführungsbeispiel der 3 gezeigt weist der Ventilkörper 300 einen Befestigungsabschnitt 302 zur Befestigung am Gehäuse 200 der Ventilvorrichtung 24, 25 auf. Dieser Befestigungsabschnitt 302 weist einen Ring 303 aus steifem Material auf, z.B. aus Metall oder Kunststoff. Der Ring 303 kann von dem flexiblen Material der Membran 301 umgeben sein, z.B. von dem Elastomer der Membran 301 umspritzt sein. Der Ventilkörper 300 ist mit dem Befestigungsabschnitt 302 innerhalb des Aktuatorraums 205 mit dem Gehäuse 200 verpresst ist. Der Ring 303 aus steifem Material bietet die dazu notwendige Festigkeit.As in the embodiment of 3 shown, the valve body 300 has a fastening section 302 for fastening to the housing 200 of the valve device 24, 25. This attachment portion 302 has a ring 303 made of rigid material, such as metal or plastic. The ring 303 can be surrounded by the flexible material of the membrane 301, for example, be encapsulated by the elastomer of the membrane 301. The valve body 300 is pressed with the fastening section 302 inside the actuator space 205 with the housing 200 . The ring 303 made of stiff material provides the necessary strength.

In der Ausführung der Ventilvorrichtung gemäß 4 ist die Membran 301 abschnittsweise als Faltenbalg 304 ausgeführt. Dadurch können die Materialspannungen innerhalb der Membran 301 beim Bewegen zwischen der Schließposition und der Freigabeposition deutlich verringert werden, wodurch die Membran 301 sehr viele Öffnungs- und Schließzyklen durchlaufen kann ohne nennenswerten Materialverschleiß.In the execution of the valve device according to 4 the membrane 301 is designed in sections as a bellows 304. As a result, the material stresses within the membrane 301 when moving between the closed position and the release position can be significantly reduced, as a result of which the membrane 301 can run through a very large number of opening and closing cycles without significant material wear.

Wie in 5 gezeigt, kann die Membran 301 im Bereich des Faltenbalgs 304 eine geringere Materialdicke aufweist als in anderen Bereichen. Dadurch weist die Membran 301 im Bereich des sich streckenden und zusammenziehenden Faltenbalgs 304 eine höhere Geschmeidigkeit und Flexibilität auf als in anderen Bereichen, z.B. im Bereich der Dichtfläche, wo eine größere mechanische Robustheit erforderlich ist.As in 5 shown, the membrane 301 can have a smaller material thickness in the area of the bellows 304 than in other areas. As a result, the membrane 301 has greater suppleness and flexibility in the area of the expanding and contracting bellows 304 than in other areas, for example in the area of the sealing surface, where greater mechanical robustness is required.

Im Ausführungsbeispiel der 6 weist die Membran 301 im Bereich einer Kontaktfläche mit dem Übertragungselement 402 der Aktuatoreinrichtung 400 einen Kern 305 aus Metall oder Kunststoff auf, um die Robustheit an dieser Stelle zu erhöhen.In the embodiment of 6 the membrane 301 has a core 305 made of metal or plastic in the area of a contact surface with the transmission element 402 of the actuator device 400 in order to increase the robustness at this point.

Im Ausführungsbeispiel der 7 besteht die Membran 301 bereichsweise aus unterschiedlichen elastischen Materialien. SO kann der Bereich mit der helleren Grauschattierung aus einem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk mit höherer Shore-A-Härte (z.B. 80 Shore A) und der Bereich mit der dunkleren Grauschattierung aus einem hydrierten Acrylnitrilbutadien-Kautschuk mit geringerer Shore-A-Härte (z.B. 30 Shore A) gebildet sein. Auch mit anderen Elastomeren, wie EPDM, sind Bereich mit unterschiedlicher Shore-A Härte realsisierbar.In the embodiment of 7 the membrane 301 consists of different elastic materials in some areas. SO, the lighter shade of gray area can be made from a higher Shore A hardness hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber (e.g. 80 Shore A) and the darker shade of gray area can be made from a lower Shore A hardness hydrogenated acrylonitrile butadiene rubber (e.g. 30 Shore A) be formed. Areas with different Shore A hardnesses can also be realized with other elastomers, such as EPDM.

Claims (10)

Ventilvorrichtung (24, 25) für eine Brennstoffzellenvorrichtung (2), mit einem Strömungskanal (201), einem im Strömungskanal (201) befindlichen Ventilsitz (204), welcher einen Strömungsquerschnitt (A) begrenzt, und mit einem beweglichen Ventilkörper (300), welcher in einer Schließposition mit einer Dichtfläche (B) am Ventilsitz (204) dichtend anliegt und den Strömungsquerschnitt (A) verschließt, und welcher in einer Freigabeposition den Strömungsquerschnitt (A) freigibt, wobei der Ventilkörper (300) zumindest bereichsweise elastisches Material aufweist.Valve device (24, 25) for a fuel cell device (2), with a flow channel (201), a valve seat (204) located in the flow channel (201) and delimiting a flow cross section (A), and with a movable valve body (300) which in a closed position with a sealing surface (B) rests sealingly on the valve seat (204) and closes the flow cross section (A), and which releases the flow cross section (A) in a release position, the valve body (300) having elastic material at least in regions. Ventilvorrichtung (24, 25) nach Anspruch 1, wobei der Ventilkörper (300) zumindest im Bereich der Dichtfläche (B) elastisches Material aufweist.Valve device (24, 25) after claim 1 , wherein the valve body (300) has elastic material at least in the region of the sealing surface (B). Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei der Ventilkörper (300) eine Membran (301) aus elastischem Material aufweist.Valve device (24, 25) according to one of Claims 1 until 2 , wherein the valve body (300) has a membrane (301) made of elastic material. Ventilvorrichtung (24, 25) nach Anspruch 3, mit einer Aktuatoreinrichtung (400) zum Bewegen des Ventilkörpers (300), welche in einem zum Strömungskanal (201) hin offenen Aktuatorraum (205) zumindest teilweise angeordnet ist, wobei die Membran (301) den Aktuatorraum (205) vom Strömungskanal (201) flüssigkeitsdicht trennt.Valve device (24, 25) after claim 3 , with an actuator device (400) for moving the valve body (300), which is at least partially arranged in an actuator chamber (205) open towards the flow channel (201), the membrane (301) separating the actuator chamber (205) from the flow channel (201) separates liquid-tight. Ventilvorrichtung (24, 25) nach Anspruch 4, wobei der Ventilkörper (300) einen Befestigungsabschnitt (302) zur Befestigung an einem Gehäuse (200) der Ventilvorrichtung (24, 25) aufweist, wobei der Befestigungsabschnitt (302) einen von der Membran (301) umgebenen Metall- oder Kunststoffring (303) aufweist, wobei der Ventilkörper (300) mit dem Befestigungsabschnitt (302) innerhalb des Aktuatorraums (205) verpresst ist.Valve device (24, 25) after claim 4 , wherein the valve body (300) has a fastening section (302) for fastening to a housing (200) of the valve device (24, 25), the fastening section (302) having a metal or plastic ring (303) surrounded by the membrane (301) comprises, wherein the valve body (300) is pressed with the fastening section (302) within the actuator space (205). Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Membran (301) abschnittsweise als Faltenbalg (304) ausgeführt ist.Valve device (24, 25) according to one of claims 3 until 5 , wherein the membrane (301) is designed in sections as a bellows (304). Ventilvorrichtung (24, 25) nach Anspruch 6, wobei die Membran (301) im Bereich des Faltenbalgs (304) eine geringere Materialdicke aufweist als in anderen Bereichen.Valve device (24, 25) after claim 6 , wherein the membrane (301) in the area of the bellows (304) has a smaller material thickness than in other areas. Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Membran (301) im Bereich der Dichtfläche (B) und/oder im Bereich einer Kontaktfläche mit der Aktuatoreinrichtung (400) einen Kern (305) aus Metall oder Kunststoff aufweist.Valve device (24, 25) according to one of claims 3 until 6 , wherein the membrane (301) has a core (305) made of metal or plastic in the area of the sealing surface (B) and/or in the area of a contact surface with the actuator device (400). Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Membran (301) bereichsweise aus unterschiedlichen elastischen Materialien.Valve device (24, 25) according to one of claims 3 until 7 , wherein the membrane (301) is partially made of different elastic materials. Brennstoffzellenvorrichtung (2), mit einer Ventilvorrichtung (24, 25) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Fuel cell device (2), with a valve device (24, 25) according to one of Claims 1 until 9 .

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