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