Titel

Brennstoffzellenschließsystem

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenschließsystem mit einem Ventilschließkörper, der durch Bestromen einer elektrischen Spule elektromagnetisch von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegbar ist, um mindestens einen Mediumdurchlass einer Brennstoffzelle zu verschließen oder freizugeben. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betätigen eines derartigen Brennstoffzellenschließventils. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem derartigen Brennstoffzellenschließventil. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.

Stand der Technik

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102007039 466 Al ist ein Brennstoffzellensteuerventil mit einem Körper bekannt, der einen durch eine Innenfläche definierten, hindurch verlaufenden Durchgang besitzt, mit einem bewegbaren Teil zum Schließen des Durchgangs. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2014204230 Al ist ein Brennstoffzellenstapel mit einem Kathodenventil bekannt, das zum Steuern einer Strömung eines Kathodenstroms zum Brennstoffzellenstapel mit einem Auslass des Brennstoffzellenstapels wirkgekoppelt ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102015 011 275 Al ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel bekannt, der eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei in einem Abluftstrang der Kathode eine Absperreinrichtung angeordnet ist. Aus der europäischen Patentschrift EP 2 126435 Bl ist ein Ventil für ein Brennstoffzellensystem bekannt, mit einem Gehäuse, das einen Eintrittskanal, einen Austrittskanal und einen Ventilkörper umfasst, der im Gehäuse angeordnet ist und einen Flüssigkeitszwischenkanal aufweist, der ein Flüssigkeitsverbindung zwischen dem Eintrittskanal und dem Austrittskanal bereitstellt. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102012 210022 Al ist ein Ventil für ein Brennstoffzellensystem bekannt, das einen Hauptkörper mit einem Durchgang, durch den eine Fluidströmung zugelassen ist, und ein Verschiebeelement umfasst, das in dem Hauptkörper angeordnet ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2010053 632 Al ist ein Verfahren zum Erzeugen eines sauerstoffabgereicherten Gases in einem Brennstoffzellensystem bekannt, wobei ein Kathodenabgasventil geschlossen wird und ein Kompressor abgeschaltet wird.

Offenbarung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu optimieren.

Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellenschließsystem mit einem Ventilschließkörper, der durch Bestromen einer elektrischen Spule elektromagnetisch von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung bewegbar ist, um mindestens einen Mediumdurchlass einer Brennstoffzelle zu verschließen oder freizugeben, dadurch gelöst, dass das Brennstoffzellenschließventil zwei Permanentmagneten umfasst, mit denen der Ventilschließkörper in einem stromlosen Zustand der elektrischen Spule sowohl in der ersten Stellung als auch in der zweiten Stellung gehalten werden kann. Das Brennstoffzellenschließventil dient vorteilhaft dazu, eine Kathodenseite der Brennstoffzelle bedarfsabhängig im Betrieb eines mit dem Brennstoffzellenschließventil ausgestatteten Brennstoffzellensystems zu verschließen. Hierdurch soll zum Beispiel verhindert werden, dass Sauerstoff aus der Umgebung über eine Membran von einer Kathode der Brennstoffzelle auf eine Anode diffundiert. Je nachdem, ob und wenn ja, wieviele derartige Brennstoffzellenschließventile zum Einsatz kommen, kann der vorab beschriebene Diffusionsvorgang Stunden oder Tage dauern. Sobald sich Luft auf der Anode der Brennstoffzelle befindet, spricht man bei einem Wiederstart der Brennstoffzelle von einem Luft/Luft Start. Hierbei entstehen sehr hohe elektrische Potenzialunterschiede in der Brennstoffzelle. Diese führen zu einer großen Alterung an Katalysatoren der Brennstoffzelle. Durch das beanspruchte Brennstoffzellenschließsystem wird die Anzahl der Luft/Luft Starts über die Lebensdauer der Brennstoffzelle möglichst gering gehalten. Zu diesem Zweck sind vorteilhaft ein Brennstoffzellenschließventil an einem Kathodeneingang und ein weiteres Brennstoffzellenschließventil an einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle angeordnet. Die Brennstoffzellenschließventile ermöglichen besonders vorteilhaft in selten vorkommenden Fällen einen gewünschten Luft/Luft Start, in denen die hohen Potenzialunterschiede dafür genutzt werden, um zum Beispiel Vergiftungen der in der Brennstoffzelle befindlichen Katalysatoren rückgängig zu machen. Das beanspruchte

Brennstoffzellenschließventil ist einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar. Mit den beiden Permanentmagneten kann das Brennstoffzellenschließventil vorteilhaft stromlos in einer offenen und einer geschlossenen Position gehalten werden.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenschließventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper mit einer Führungsstange kombiniert ist, an der die Permanentmagneten angebracht sind. Die Führungsstange dient vorteilhaft dazu, den Ventilschließkörper zwischen den beiden Stellungen, die der Ventilschließkörper im Betrieb des Brennstoffzellenschließventils einnehmen kann, hin und her bewegbar zu führen. Ein entsprechender Führungsdurchgang für die Führungsstange kann auf einfache Art und Weise in einem Gehäusekörper eines Ventilgehäuses des Brennstoffzellenschließventils vorgesehen werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenschließventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschließkörper als Ventilteller ausgeführt ist. Mit dem Ventilteller kann auf einfache Art und Weise ein relativ großer Mediumdurchlass der Brennstoffzelle verschlossen oder freigegeben werden. Der Ventilteller ist besonders vorteilhaft an einem Ende der Führungsstange angebracht. Je nach Ausführung kann es vorteilhaft sein, dass der Ventilteller einstückig mit der Führungsstange verbunden ist.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellenschließventils ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Ventilteller eine erste Dichtung, an welcher der Ventilteller in der ersten Stellung dichtend zur Anlage kommt, und eine zweite Dichtung zugeordnet sind, an welcher der Ventilteller in der zweiten Stellung dichtend zur Anlage kommt. Die Dichtungen sind zum Beispiel kostengünstig als O- Ringdichtungen ausgeführt.

Bei einem Verfahren zum Betätigen eines vorab beschriebenen Brennstoffzellenschließventils ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass eine Spannungsversorgung der elektrischen Spule umgepolt wird, um das Brennstoffzellenschließventil zwischen der ersten und der zweiten Stellung umzuschalten. So kann das beanspruchte Brennstoffzellenschließventil durch Bestromen der elektrischen Spule beliebig geschaltet werden, wobei gleichzeitig sichergestellt ist, dass der Ventilschließkörper im stromlosen Zustand der elektrischen Spule durch die Permanentmagnete in seiner aktuellen Stellung gehalten wird.

Bei einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einem vorab beschriebenen Brennstoffzellenschließventil ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass das Brennstoffzellenschließventil als Kathodenventil in einem Kathodenpfad angeordnet ist. Das Kathodenventil ist zum Beispiel als 3/2-Wegeventil ausgeführt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zwei Kathodenpfade umfasst, in denen jeweils ein als 3/2-Wegeventil ausgeführtes

Brennstoffzellenschließventil, wie es vorab beschrieben ist, angeordnet ist. Mit den beiden 3/2-Wegeventilen kann die Kathodenseite der Brennstoffzelle auf einfache Art und Weise in entgegengesetzten Richtungen durchströmt werden.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ein zusätzliches als 2/2-Wegeventil ausgeführtes Brennstoffzellenschließventil, wie es vorab beschrieben ist, umfasst. Mit dem zusätzlichen 2/2-Wegeventil kann im Betrieb der Brennstoffzelle besonders vorteilhaft eine zusätzliche Funktion der Abtrennung von der Umgebungsluft der Brennstoffzellenkathode im Stillstand realisiert werden. Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Durchflussrichtung auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle umgekehrt wird. Das Umschalten der Durchflussrichtung auf der Kathodenseite dient vorteilhaft zur Brennstoffzellenbefeuchtung. Durch die beanspruchte Anordnung der beiden Brennstoffzellenschließventile, die vorteilhaft als 3/2-Wegeventile ausgeführt sind, kann eine externe Befeuchtung entfallen.

Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Permanentmagneten, einen Ventilschließkörper, insbesondere einen Ventilteller, eine Führungsstange und/oder eine elektrische Spule für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellenschließventil. Die genannten Teile sind gegebenenfalls separat handelbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Figur 1 ein Brennstoffzellenschließventil mit einem Ventilschließkörper in einer ersten Stellung in einem Längsschnitt;

Figur 2 die gleiche Schnittdarstellung wie in Figur 1 mit dem Ventilschließkörper in einer zweiten Stellung; und

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit zwei Brennstoffzellenschließventilen, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle 30 schematisch dargestellt. Die Brennstoffzelle 30 umfasst eine Anodenseite 31 und eine Kathodenseite 32. Auf der Anodenseite 31 weist die Brennstoffzelle 30 einen Anodeneingang 33 und einen Anodenausgang 34 auf. Auf der Anodenseite 31 wird die Brennstoffzelle 30 zum Beispiel mit Wasserstoff versorgt. Auf der Kathodenseite 32 wird der Brennstoffzelle 30 zum Beispiel über einen Kathodeneingang 40 Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft, zugeführt.

Auf der Kathodenseite 32 sind, wie man in Figur 3 unterhalb der Brennstoffzelle 30 sieht, insgesamt drei Brennstoffzellenschließventile 36, 37, 38 angeordnet, die jeweils durch einen Kreis symbolisch angedeutet sind. Die Brennstoffzellenschließventile 36 und 37 sind als 3/2-Wegeventile ausgeführt.

Das Brennstoffzellenschließventil 38 ist als 2/2-Wegeventil ausgeführt.

Durch Pfeile 41 bis 46 und 51 bis 57 ist in Figur 3 ein erster Kathodenpfad angedeutet, der mit den Brennstoffzellenschließventilen 36 und 37 darstellbar ist. Über den ersten Kathodenpfad 41 bis 46; 51 bis 57 ist die Kathodenseite 32 der Brennstoffzelle 30 in Figur 3 von links nach rechts mit dem Kathodengas durchströmbar.

Durch gestrichelte Pfeile 61 bis 66 und 71 bis 77 ist in Figur 3 ein zweiter Kathodenpfad angedeutet, der durch entsprechendes Schalten der Brennstoffzellenschließventile 36 und 37 realisierbar ist. Über den zweiten Kathodenpfad 61 bis 66; 71 bis 77wird die Kathodenseite 32 der Brennstoffzelle 30 in Figur 3 von rechts nach links durchströmt.

In den Figuren 1 und 2 ist das Brennstoffzellenschließventil 36 aus Figur 3 detailliert mit einem Ventilschließkörper 5 in einer ersten Stellung (Figur 1) und einer zweiten Stellung (Figur 2) im Längsschnitt dargestellt.

Das Brennstoffzellenschließventil 36 umfasst ein Ventilgehäuse 1 mit drei Mediumkanälen 2 bis 4, die in dem Ventilgehäuse 1 zusammenlaufen. Der Ventilschließkörper 5 ist als Ventilteller 6 ausgeführt. In Figur 1 verschließt der Ventilschließkörper 5 den Mediumkanal 3, so dass ein Kathodengas von dem Mediumkanal 2 in den Mediumkanal 4 gelangt, wie in Figur 3 durch die Pfeile 43 und 44 angedeutet ist. In Figur 2 verschließt der Ventilschließkörper 5 den Mediumkanal 2, so dass Kathodengas vom Mediumkanal 4 in den Mediumkanal 3 strömen kann, wie in Figur 3 durch die gestrichelten Pfeile 73 und 74 angedeutet ist.

Der Ventilteller 6 ist an einem Ende einer Führungsstange 7 angebracht. Mit der Führungsstange 7 ist der Ventilschließkörper 5 in einem Führungsdurchgang 9 eines Gehäusekörpers 8 geführt. Der Gehäusekörper 8 ist einstückig mit dem Ventilgehäuse 1 verbunden. Eine elektrische Spule 10 ist in dem Gehäusekörper 8 angeordnet. Die elektrische Spule 10 umgibt in dem Gehäusekörper 8 die Führungsstange 7.

Durch Symbole 11 und 12 ist in den Figuren 1 und 2 angedeutet, dass eine Spannungsversorgung der elektrischen Spule 10 bedarfsabhängig umgepolt werden kann.

An der Führungsstange 7 sind an definierten Stellen zwei Permanentmagneten 13 und 14 befestigt. Durch Symbole ist in Figur 1 angedeutet, dass die Permanentmagneten 13 und 14 jeweils einen Nordpol und einen Südpol aufweisen.

In dem Ventilgehäuse 1 sind darüber hinaus zwei Dichtungen 15, 16 angeordnet. Die Dichtungen 15, 16 sind zum Beispiel als O-Ringe ausgeführt und in geeigneten Ringnuten des Ventilgehäuses 1 aufgenommen. In Figur 1 kommt der Ventilteller 6 dichtend an der Dichtung 16 zur Anlage. In Figur 2 kommt der Ventilteller 6 dichtend an der Dichtung 15 zur Anlage.

Das Brennstoffzellenschließventil 36 in den Figuren 1 und 2 wird über die beiden Permanentmagneten 13, 14 sowie die elektrische Spule 10 bewegt. Die Spannungsversorgung der elektrischen Spule 10, die einen ferromagnetischen Kern umfasst, kann wahlweise umgepolt werden. Hierdurch wird ein anziehendes oder abstoßendes Magnetfeld erzeugt, welches auf die beiden Permanentmagneten 13, 14 wirkt. Durch die Führungsstange 7 in den Führungsdurchgang 9 des Gehäusekörpers 8 geführt, können so durch Umpolen der elektrischen Spule 10 die durch den Ventilteller 6 in den Figuren 1 und 2 dargestellten Endpositionen angefahren werden.

Für die Funktion der Verhinderung eines Luft/Luft Starts reichen zwei als 2/2- Wegeventile ausgeführte Brennstoffzellenschließventile. Mit zwei 3/2- Wegeventilen 36, 37, wie sie in den Figuren 1 bis 3 dargestellt sind, besteht vorteilhaft die Möglichkeit, die Durchflussrichtung auf der Kathodenseite 32 der Brennstoffzelle 30 umzukehren beziehungsweise umzuschalten, wie in Figur 3 durch die Pfeile 41 bis 46, 51 bis 57 und 61 bis 66, 71 bis 77 angedeutet ist.

Das Umschalten der Durchflussrichtung auf der Kathodenseite 32 dient zum Beispiel zur Darstellung einer Brennstoffzellenbefeuchtung. Hierdurch kann eine externe Befeuchtung, zum Beispiel durch einen Gas-Zu-Gas-Befeuchter, entfallen. Die Umschaltung der Durchflussrichtung auf der Kathodenseite 32 zur Brennstoffzellenbefeuchtung bietet sich vor allem bei Brennstoffzellen- Fahrzeugen an, welche einen ausreichend hohen Grad an Hybridisierung aufweisen, da die Brennstoffzelle während der Umschaltung der Kathoden- Durchflussrichtung keine oder nur eine verminderte Leistung abgeben kann. Das heißt, für kurze Zeit, zum Beispiel wenige Sekunden, muss die Antriebsleistung vollständig oder zumindest teilweise aus einer Traktionsbatterie kommen.

Das vorzugsweise als 2/2-Wegeventil ausgeführte Brennstoffzellenschließventil 38 in Figur 3 dient vorteilhaft dazu, die Kathodenseite 32 der Brennstoffzelle 30 im Stillstand von der Umgebungsluft abzutrennen. Zu diesem Zweck ist das Brennstoffzellenschließventil 38 am Kathodeneingang 40 angeordnet. Die Anordnung des Brennstoffzellenschließventils 38 am Kathodeneingang 40 ist zu bevorzugen, da in diesem Bereich des Brennstoffzellensystems kein Produktwasser auftritt und damit die Gefahr eines Festfrierens minimal ist.