(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体状の媒体としての水素を制御するためのガス圧力制限弁（１）であって、ハウジング（７）と弁体モジュール（１７）とを備えており、前記弁体モジュール（１７）は、長軸（１４）の方向に開放および閉止をする、すなわち可動の弁体（３）と、不動のシールシートプレート（２）とを有し、前記シールシートプレート（２）または前記弁体（３）のいずれかが長軸（１４）を中心として周回するシールシートエッジ（１２）を有し、該シールシートエッジは前記弁（１）が閉じた状態にあるときそれぞれ他方のコンポーネントとともにシールシート（６）を構成し、および長軸（１４）の方向で前記ハウジング（７）の中に配置された閉止ばね（８）を備えており、前記閉止ばね（８）は一方の側で長軸（１４）の方向へ閉止ばね支持部（１１）に支持されるとともに、これと向かい合う側で前記弁体（３）に少なくとも間接的に支持される、そのようなガス圧力制限弁において、前記シールシートプレート（２）は少なくとも１つの接続ウェブ（２９）を介して前記シールシートプレート（２）と接続された中央領域（２０）を有するように構成され、前記シールシートプレート（２）は長軸（１４）の方向に延びる環状の流動通過部（２３）を構成し、前記シールシートプレート（２）または前記弁体（３）は少なくとも２つの周回するシールシートエッジ（１２ａ，１２ｂ）を有し、これらのシールシートエッジは前記弁（１）が閉じた状態にあるとき前記弁体（３）または前記シールシートプレート（２）とともに少なくとも２つのシールシート（６ａ，６ｂ）を構成し、
前記シールシートプレート（２）または前記弁体（３）の周回するストッパ（５）は少なくとも１つの流動開口部（１６）を有し、少なくとも１つの前記流動開口部（１６）は長軸（１４）に対して径方向に延び、それにより周回する前記ストッパ（５）と周回する前記シールシートエッジ（１２ａ）との間での気体状の媒体の隔絶された容積のカプセル封じが防止されることを特徴とするガス圧力制御弁。
【請求項２】
前記弁体（３）または前記シールシートプレート（２）のいずれかがエラストマーコーティング（４）を有し、前記エラストマーコーティング（４）は前記弁（１）が閉じた状態にあるとき前記シールシートプレート（２）または前記弁体（３）のいずれかの少なくとも２つの周回する前記シールシートエッジ（１２ａ，１２ｂ）とともに少なくとも２つの前記シールシート（６ａ，６ｂ）を構成し、前記シールシートプレート（２）または前記弁体（３）は周回するストッパ（５）を有し、前記周回するストッパ（５）によって前記エラストマーコーティング（４）への少なくとも２つの前記周回するシールシートエッジ（１２ａ，１２ｂ）の圧入深さが長軸（１４）の方向で制限されることを特徴とする、請求項１に記載のガス圧力制限弁（１）。
【請求項３】
前記弁体（３）または前記シールシートプレート（２）は前記エラストマーコーティング（４）を有している領域の径方向外部で前記ストッパ（５）と接触することを特徴とする、請求項２に記載のガス圧力制限弁（１）。
【請求項４】
前記エラストマーコーティング（４）は複数の層からなり、各層がそれぞれ異なる材料特性を有し、長軸（１４）の方向に積層が行われることを特徴とする、請求項２または３に記載のガス圧力制限弁（１）。
【請求項５】
前記シールシートプレート（２）または前記弁体（３）の少なくとも２つの周回する前記シールシートエッジ（１２ａ，１２ｂ）が前記シールシートプレート（２）または前記弁体（３）の前記エラストマーコーティング（４）と接触して少なくとも２つの前記シールシート（６ａ，６ｂ）を構成する領域で熱処理を施されている、かつ／またはコーティングを有していることを特徴とする、請求項２から４までのいずれか１項に記載のガス圧力制限弁（１）。
【請求項６】
前記弁体（３）はスリーブ状の部材（１３）と結合され、該部材を介して前記閉止ばね（８）が前記弁体（３）に支持され、前記弁体（３）は、前記スリーブ状の部材（１３）と、前記閉止ばね（８）を案内する役目を果たす案内部材（９）とを介して、前記ハウジング（７）の中で長軸（１４）の方向に案内されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項に記載のガス圧力制限弁（１）。
【請求項７】
前記閉止ばね（８）のばね力は、前記弁体（３）および／または前記スリーブ状の部材（１３）が長軸（１４）の方向に動くとき、前記閉止ばね（８）が圧縮または弛緩するときの経路にわたって線形に延びるのではなく、前記閉止ばね（８）はばね経路にわたって累進的に変化するばね定数を有することを特徴とする、請求項６に記載のガス圧力制限弁（１）。
【請求項８】
累進的に変化する前記閉止ばね（８）のばね定数は、前記閉止ばね（８）の巻回直径が変化することによって実現され、および／または前記閉止ばね（８）が少なくとも２つのばねセグメントから構成されて、それぞれのばねセグメントが異なるばね定数を有することによって実現されることを特徴とする、請求項７に記載のガス圧力制限弁（１）。
【請求項９】
前記閉止ばね（８）および／または前記スリーブ状の部材（１３）は長軸（１４）の方向で前記案内部材（９）を介して前記ハウジング（７）の中で案内され、前記案内部材（９）は前記閉止ばね（８）と前記ハウジング（７）の間に配置されることを特徴とする、請求項６に記載のガス圧力制限弁（１）。
【請求項１０】
燃料電池（３０）への水素供給を制御するための、請求項１から９までのいずれか１項に記載のガス圧力制限弁（１）を含んでいる燃料電池構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に燃料電池駆動部を有する車両で適用するための、弁体モジュールを有する、気体状の媒体を、特に水素を制御および排出するための圧力制限弁、特にガス圧力制限弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両分野では、液体燃料のほかに気体状の燃料も将来的にますます大きな役割を担う。特に燃料電池駆動部を有する車両では、水素ガス流が制御されなければならない。このときガス流は、液体燃料の噴射の場合のように不連続的に制御されるのではなく、少なくとも１つの高圧タンクからガスが取り出され、中圧配管システムの供給流配管を介してエジェクタユニットへと案内される。このエジェクタユニットが、低圧配管システムの接続配管を介して燃料電池へとガスを案内する。
【０００３】
特許文献１より、ハウジングと弁体モジュールとを有する圧力制限弁が公知であり、弁体モジュールは長軸の方向に開放および閉止をする弁体を有し、弁体はシールシートプレートのシールシートエッジに向かって閉止ばねにより押圧されてシールシートを構成する。このとき閉止ばねは、閉止ばね支持部に支持される。構成されるシールシートに基づき、特許文献１に記載の圧力制限弁は閉じた状態にあるとき、特定の圧力範囲が超過されない限り、媒体がシステムから外へ逃げられるようになるのを防止する。それぞれの中圧配管システムおよび／または低圧配管システムでクリティカルな圧力を超過するとただちに、弁体がシールシートプレートのシールシートエッジから離れるように動き、そのようにしてシールシートが成立しなくなる。このようにして圧力制限弁が開き、システム圧力がクリティカルな圧力を再び下回るまで、媒体をそれぞれの配管システムから外へ逃がす。  
【０００４】
特許文献１から公知の圧力制限弁は何かしらの欠点を有することがあり得る。
【０００５】
圧力制限弁が軽微にのみ開き、その結果として開放ストロークが小さいとき、比較的小さい流動断面しか形成されず、このことは媒体の少ない貫流をもたらす。このことは、圧力制限弁が開くとき、特に開放の開始段階のとき、わずかな媒体しか流出することができず、そのためシステムでの圧力低減が高い時間コストを要求することに帰結する。
【０００６】
特許文献１から公知の圧力制限弁のさらに別の欠点は、圧力制限弁の閉止プロセスのとき、シールシートプレートのシールシートエッジがシールシートを構成するために弁体に衝突することによって、閉じられた最終位置が実現されることにある。特に硬質の金属素材からなる場合があるシールシートプレート、特にシールシートエッジ、および弁体の材料特性に基づき、これら両方のコンポーネントに対する衝撃力や衝突力が損傷をもたらす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１０２０１３２０４５６３Ａ１号明細書
【発明の概要】
【０００８】
請求項１との関連において、特に燃料電池システムのための圧力制限弁が提案され、シールシートプレートは少なくとも１つの接続ウェブを介してシールシートプレートと接続された中央領域を有するように構成され、シールシートプレートは長軸の方向に延びる環状の流動通過部を構成し、シールシートプレートまたは弁体は少なくとも２つの周回するシールシートエッジを有し、これらのシールシートエッジは弁が閉じた状態にあるとき弁体またはシールシートプレートとともに少なくとも２つのシールシートを構成する。このようにして圧力制限弁の本発明による構成は、弁体の小さな開放ストロークのときすでに大きい流動断面が解放されるという利点を提供する。それにより、迅速な反応挙動を媒体の大きな流量をもって実現することができ、それにより、発生するシステム過圧をいっそう迅速に低減することができる。圧力制限弁がまだ完全に開いていないとき、すでに大きい流量を実現することができるからである。このことは、燃料電池構造のいっそう長い耐用寿命につながる。発生するシステム過圧をいっそう迅速に低減することができ、それによって燃料電池システムが短い時間帯しか、燃料電池システムのコンポーネントを、特に燃料電池を損傷させる恐れがある過圧に暴露されないからである。
【０００９】
請求項１に記載の本発明による構成に基づく迅速な反応挙動によって、および圧力制限弁の小さな開放ストロークのときのすでに大きい流量によって、さらに、設定された反応圧力を超えるクリティカルなオーバーシュートを回避することができ、そのようにして燃料電池構造の耐用寿命が長くなる。
【００１０】
従属請求項は本発明の好ましい発展例に関する。
【００１１】
好ましい実施形態では、弁体またはシールシートプレートのいずれかがエラストマーコーティングを有し、エラストマーコーティングは弁が閉じた状態にあるときシールシートプレートまたは弁体のいずれかの少なくとも２つの周回するシールシートエッジとともに少なくとも２つのシールシートを構成する。このときシールシートプレートまたは弁体はそれぞれ周回するストッパを有し、周回するストッパによって、エラストマーコーティングへの少なくとも２つの周回するシールシートエッジの圧入深さが長軸の方向で制限される。このようにして、中圧配管システムおよび／または低圧配管システムの確実な封止を惹起することができ、さらには圧力制限弁が高頻度で作動するときに、両方のコンポーネントであるシールシートプレートと弁体の摩耗を減らすことができる。圧力制限弁が閉じるときに、シールシートプレートと弁体という各コンポーネントが互いに衝突するときの材料剥離を、軟質のエラストマーコーティングが、弾性的でばね作用のある特性によって低減するからである。さらに、必要な閉止力を低く抑えることができる。エラストマーコーティングを利用することで、弁体とシールシートプレートという各コンポーネントの間の比較的低い閉止力のときすでに弁の完全な封止を実現できるからである。
【００１２】
ストッパを適用することで、エラストマーコーティングへの少なくとも２つの周回するシールシートエッジの深すぎる圧入が防止され、それにより、それぞれのコンポーネントすなわちシールシートプレートと弁体の間のそれぞれのシールシートの接触面を、いっそう小さく構成することができる。それにより、少なくとも２つの周回するシールシートエッジの圧入によるエラストマーコーティングの負荷、およびそれに伴って生じるエラストマーコーティングの変形が減り、それによりエラストマーコーティングひいては圧力制限弁全体の耐用寿命が長くなる。さらに、圧力制限弁の好ましい構成により、特に接触面の縮小に基づいて、シールシートとエラストマーコーティングの間の付着力が低減され、このことは開放圧力のいっそう高い精度につながるとともに、圧力制限弁の遅延した反応挙動を防止する。このことは、特にエラストマーコーティングの弾性などの特性に関して、圧力制限弁の耐用寿命全体を通じての長期間効果について当てはまる。さらに、本発明による圧力制限弁は簡素でコンパクトな構造を有する。
【００１３】
さらに、本発明の好ましい実施形態では、周回するストッパは、圧力制限弁が閉じているとき弁体またはシールシートプレートのエラストマーコーティングと接触しないように配置され、それは、弁体またはシールシートプレートが、エラストマーコーティングを有している領域の半径方向外部でストッパと接触することによる。このことは、シールシートプレートまたはシールシートプレートの周回するストッパがそれぞれの接触相手の弾性的なエラストマーコーティングと接触するのでなく、弁体の非弾性的な領域と接触するという利点を提供する。このようにして、圧力制限弁が閉じているときのシールシートプレートと弁体の間の一定の間隔を、特に閉止ばねによって印加される変動する閉止力に関わりなく遵守できることが保証される。さらに、シールシートを構成するためのエラストマーコーティングへのシールシートエッジの一定の圧入深さを、圧入深さのばらつきを惹起する可能性がある外部要因に関わりなく遵守できることが保証される。弁体のエラストマーコーティングへのシールシートエッジの一定の圧入深さによって、シールシートとエラストマーコーティングの間の付着力が低減され、それによって開放圧力のいっそう高い精度と、圧力制限弁の最善の反応挙動とを実現することができる。
【００１４】
好ましい発展例では、エラストマーコーティングは複数の層からなり、各層がそれぞれ異なる材料特性を有し、積層は長軸の方向に行われる。このようにして、弁体とシールシートプレートという各コンポーネントの間の改善されたシールシートを実現することができ、それに対して、シールシートでの付着力は低減させることができる。これらの利点は、たとえばシールシートプレートまたは弁体のほうを向いているそれぞれの接触相手のエラストマーコーティングの側にある一番上の層が高い変形可能性と弾性を有し、それに対して、第２の層をこれよりも低い変形可能性と弾性で構成することによって実現することができる。それにより、エラストマーコーティングの一番上の層だけに、最善の密閉性と最善のシールシートを促進する特性を与えることが可能である。シールシートプレートまたは弁体が、特に少なくとも２つの周回するシールシートエッジが、エラストマーコーティングへ圧入し過ぎると、そのコンポーネントが、変形性と弾性性が低いエラストマーコーティングの第２の層へ圧入する。第２の層のこのような材料特性により、エラストマーコーティングの中への、たとえばエラストマーコーティングのさらに別の第３の層への、周回するシールシートエッジのそれ以上の圧入運動が妨げられ、それにより、エラストマーコーティングと周回するシールシートエッジとの間の接触面を小さく抑えることができ、このことは、ひいては圧力制限弁が開くときに発生する付着力を最小化する。さらに、エラストマーコーティングがその深さ全体にわたって長軸の方向に変形可能性が低いことに基づき、エラストマーコーティングの耐用寿命を改善することができ、その間に良好な密閉性特性とカプセル封じ特性が維持される。
【００１５】
特別に好ましい発展例では、シールシートプレートまたは弁体の周回するストッパは少なくとも１つの流動開口部を有し、少なくとも１つの流動開口部は特に長軸に対して径方向に延び、それにより周回するストッパと周回するシールシートエッジとの間での気体状の媒体の隔絶された容積のカプセル封じが防止される。このようにして、圧力制限弁が閉じたときに、周回するストッパと周回するシールシートエッジとの間での媒体のカプセル封じを回避することができる。圧力制限弁が閉じた状態にあるとき、弁体とシールシートプレートの間で媒体のカプセル封じが生じることがあり、カプセル封じされた媒体は流入部および／または流出部の領域の媒体と接触するのでなく、これらの領域によってカプセル封じされる。そのため、カプセル封じされた領域の媒体と、流入部および／または流出部の領域の媒体との入れ替えが妨げられる。このときカプセル封じされた空間は、特に、シールシートプレートの周回するシールシートエッジと、周回するストッパと、弁体との間に生じる。
【００１６】
このとき圧力制限弁の特別に好ましい発展例では、周回するストッパは少なくとも１つの、特に長軸に対して径方向に延びる流動開口部を有することが意図される。周回するストッパのこのような少なくとも１つの流動開口部を通して、圧力制限弁が閉じた状態にあるときでも、媒体がカプセル封じされた領域から特に流出部の領域に逃げることができる。媒体が流動開口部を通って流出部の方向へ逃げられることにより、特に圧力制限弁が高速で開くときに発生する可能性があるキャビテーションの発生が回避される。キャビテーションが回避および／または低減されることで、これに伴って生じる周囲のコンポーネントへの有害な現象を低減することができ、それによってシールシートプレートおよび弁体という各コンポーネントの損傷および／または摩耗が防止され、または少なくとも低減される。このようにして、圧力制限弁全体の故障発生確率が低減され、そのようにして圧力制限弁の耐用寿命を延ばすことができるという利点を実現することができる。
【００１７】
さらに、特別に好ましい発展例に基づく圧力制限弁の実施形態は、圧力制限弁が高速で閉じたときにも、シールシートプレートと弁体の間の媒体が特に流動開口部を通して流出部の方向へ流れ出ることができ、流入部および流出部から切り離されたカプセル封じされた領域が構成され得ないという利点を有する。このことは、圧力脈動の低減および／または回避を実現できるという利点を提供し、圧力脈動は、圧力制限弁が高速で閉じるときに、特にカプセル封じされた空間で発生する。脈動の回避および／または低減により、圧力制限弁全体の故障発生確率を低減し、そのようにして耐用寿命を延ばすことができる。さらに、周回するストッパのエッジおよび周回するシールシートエッジでの摩耗が低減される。圧力制限弁が最低限にのみ開いたときに、ないしは軽微に開いたときに、流出部の方向への媒体の流出挙動が改善されるからである。
【００１８】
好ましい実施形態では、シールシートプレートまたは弁体の少なくとも２つの周回するシールシートエッジは、特に少なくとも２つの周回するシールシートエッジがシールシートプレートまたは弁体のエラストマーコーティングと接触して少なくとも２つのシールシートを構成する領域で熱処理を施されており、および／またはコーティングを有している。このようにして、シールシートプレートの周回するシールシートエッジと弁体のエラストマーコーティングとの間で付着力の低減を実現することができる。この利点は、少なくとも２つの周回するシールシートエッジが、特にシールシートエッジがエラストマーコーティングと接触する領域で熱処理されており、および／またはコーティングを有することによって可能となる。熱処理により、一方では、熱処理されていない状態では小さな起伏や汚れを有している可能性があるシールシートエッジの表面広さを縮小できることによって付着力を低減することができる。他方ではシールシートエッジの熱処理によって、表面のいっそう高い硬度を実現できるようにそれぞれの材料特性を変えることができ、それにより、シールシートエッジとエラストマーコーティングとの間で生じることがあり得る付着現象の蓋然性が低減される。
【００１９】
このことは、開放圧力のいっそう高い精度と、圧力制限弁の最善の反応挙動とを実現することができるという利点をもたらす。さらに、シールシートエッジの熱処理によって、いっそう高い耐摩耗性およびこれに伴ってコンポーネントすなわちシールシートプレートまたはコンポーネントすなわち弁体のいっそう長い耐用寿命を実現することができる。周回するシールシートエッジのコーティングにより、一方では、ポリマーコーティングと接触するシールシートエッジのそれぞれの領域の表面広さが縮小することによって付着力を低減することができ、それは、非常に小さい表面粗さを有するコーティングが選択されることによる。他方では材料特性によって、特にエラストマーコーティングの材料とのペアリングで、非常に低い付着特性を構成するコーティングを選択することができる。それによって付着力を最小化することができ、開放圧力のいっそう高い精度と、圧力制限弁の最善の反応速度とを実現することができる。
【００２０】
好ましい実施形態では、弁体はスリーブ状の部材と結合され、該部材を介して閉止ばねが弁体に支持され、弁体は、特にスリーブ状の部材と、特に閉止ばねを案内する役目を果たす案内部材とを介して、ハウジングの中で長軸の方向に案内される。このようにして、圧力制限弁の耐用寿命を延ばせるようにすることが可能となる。個別部品の数が少なくなることに基づき、圧力制限弁の複雑性が低減されるからである。さらに、コンポーネントである弁体のハウジングの中での長軸の方向への別個の案内部が必要なくなる。閉止ばねが支持されるスリーブ状の部材が、すでに案内部材によってハウジングの中で案内されるからである。このとき案内部材は、一方では閉止ばねを案内するための役目を果たし、他方では、スリーブ状の部材を介して弁体を間接的に案内する役目を果たす。このような方策により、圧力制限弁の故障発生確率を低減することができ、耐用寿命を延ばすことができる。
【００２１】
好ましい実施形態では、圧力制限弁は、閉止ばねのばね力が、特に弁体および／またはスリーブ状の部材が長軸の方向に動くとき、閉止ばねが圧縮または弛緩するときの経路にわたって線形に延びるのではなく、特に、閉止ばねがばね経路にわたって累進的に変化するばね定数を有するように製作される。さらにこのとき、累進的に変化する閉止ばねのばね定数は、閉止ばねの巻回直径が長軸の方向でその長さにわたって変化することによって実現され、および／または、閉止ばねが少なくとも２つのばねセグメントから構成されて、それぞれのばねセグメントが異なるばね定数を有することによって実現される。このようにして、シールシートの封止特性とカプセル封じ特性を改善することができ、それに対して弁体および／またはシールシートプレート、特にエラストマーコーティング、周回するストッパ、および少なくとも２つの周回するシールシートエッジという各コンポーネントの摩耗が低減される。このことが特に該当するのは、圧力制限弁が長い期間にわたって閉じられ、そのためにシールシートが構成されたままになっているケースである。累進的に変化するばね定数により、閉止運動経路の領域では高い力を弁の長軸の方向に利用することができ、その間に弁体が、特に閉止ばねが最大の圧縮を受ける完全に開いた位置から閉止を始めることが可能である。弁体が閉止位置に接近し、そのようにしてシールシートプレートとの接触部に長軸の方向で接近するが、まだシールシートプレートとは接触していない間に、長軸の方向へ弁体が進んだ経路に伴ってばね力が次第に低減していく。圧力制限弁の最後の閉止運動の領域では、すなわちシールシートプレートと接触するために長軸の方向へ弁体が運動する領域では、ばね定数およびこれに伴ってばね力が低下する。それにより、エラストマーコーティングに少なくとも２つのシールシートエッジが当たることがソフトに低い力で行われ、ついにはシールシートを構成することができてストッパが弁体と当接する程度まで、少なくとも２つのシールシートエッジがエラストマーコーティングの中へ入るように動くことが可能となる。
【００２２】
それにより、圧力制限弁のこの好ましい実施形態は、圧力制限弁の高速での閉止が保証されるという利点を提供する。その場合、弁体の初期の閉止運動のときに高いばね定数に基づいて高いばね力が印加されるからである。しかし弁の残りの閉止運動では、および特にエラストマーコーティングに少なくとも２つの周回するシールシートエッジが当たるときには、閉止ばねの力の累進的な低減が惹起され、それによってコンポーネントであるエラストマーコーティングの損傷を回避することができ、衝撃力による周囲のコンポーネントの損傷も減る。それにより、圧力制限弁の耐用寿命を延ばすことができる。好ましい実施形態に基づいてさらに別の利点がもたらされ、閉止ばねのいっそうコンパクトな設計形態を実現することができ、このことは材料削減に基づくコスト削減につながる。
【００２３】
好ましい発展例では、閉止ばねおよび／またはスリーブ状の部材は長軸の方向で案内部材を介してハウジングの中で案内され、案内部材は閉止ばねとハウジングの間に配置される。このようにして、弁の開放と閉止の機能のために必要となる３つの可動のコンポーネントを、ただ１つのコンポーネントの利用によってハウジングの中で案内することができる。これら３つの可動のコンポーネントは、閉止ばね、スリーブ状の部材、およびエラストマーコーティングを有する弁体である。閉止ばねとハウジングの間に案内部材が配置されることで、閉止ばねを案内し、圧力制限弁が開閉するときに閉止ばねの傾動を防止し、組立のときの簡易化と迅速化を惹起することが可能となる。このような簡易化、迅速化された組立は、組立コストを節減することができ、閉止ばねの組付けのときの不具合発生を減らすことができるという利点を提供する。案内部材の形状に基づき、組付けのときに閉止ばねの誤った挿入や位置決めが起こるリスクを回避できるからである。
【００２４】
さらに、媒体の貫流領域の範囲外への案内部材の配置を通じて、特に、スリーブ状の部材にある少なくとも１つの通過開口部の領域の範囲外へと長軸の方向で案内部が移ることによって、圧力制限弁が開いたときに流入部から流出部への媒体の最善の貫流が実現される。さらに、圧力制限弁の耐用寿命を延ばすことができる。削減された個別部品の個数に基づいて弁の複雑性が低減されるからである。
【００２５】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施例について詳しく説明する。図面には次のものが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の好ましい実施例に基づくガス圧力制限弁を示す模式的な断面図であり、ガス圧力制限弁は閉じた状態にある。
【図２】本発明の好ましい実施例に基づくガス圧力制限弁を示す模式的な断面図であり、ガス圧力制限弁は開いた状態にある。
【図３】図２に符号Ｖで表されている周回するストッパを流動開口部とともに示す拡大した図面の断面図である。
【図４】図１に符号Ａ−Ａで表されているシールシートプレートを示す断面図である。
【図５】燃料電池と、図１の少なくとも１つのガス圧力制限弁とを有する、本発明による燃料電池構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下において図１および図２を参照すると、好ましい実施例に基づく媒体の、特に気体状の媒体の制御と排出をするための圧力制限弁１の、特にガス圧力制限弁１の模式的な断面図が示されている。示されている圧力制限弁１は、車両の燃料電池３０に供給される媒体を、特に気体状の水素を制御するため、および特定の圧力範囲を超えたときに排出するための役目を果たす。
【００２８】
図１から明らかなとおり、ガス圧力制限弁１は、ハウジング７と、弁体モジュール１７と、閉止ばね８が支持されるスリーブ状の部材１３と、特に閉止ばね８を案内するための案内部材９と、閉止ばね支持部１１とを含んでいる。さらに、弁体モジュール１７はシールシートプレート２と弁体３とを有しており、弁体３は長軸１４の方向でスリーブ状の部材１３と当接し、または、別案の実施形態ではスリーブ状の部材１３と結合される。さらにスリーブ状の部材１３は少なくとも１つの通過開口部１５を有しており、それにより、ガス圧力制限弁１が開いたときに長軸１４の方向で流入部ＩＩから流出部ＩＩＩへの媒体の貫流が可能となる。このとき少なくとも２つの通過開口部１５が、スリーブ状の部材１３に周回するように配置されていてよい。
【００２９】
さらに弁体３はエラストマーコーティング４を有しており、エラストマーコーティング４は長軸１４の方向で見てシールシートプレート２のほうを向いている弁体３の側に配置されている。さらに弁体３は切欠き３４を有することができ、これを通して、ガス圧力制限弁１が開いたときに気体状の媒体が流入部ＩＩの領域から流出部ＩＩＩの領域へ、特に少なくとも１つの通過開口部に追加して、圧力制限弁１を通り抜けて流れることができる。
【００３０】
シールシートプレート２は長軸１４を中心として回転対称に施工されるとともに、長軸１４に対して径方向に延びる少なくとも１つの接続ウェブ２９を介してシールシートプレート２と接続された中央領域２０を有しており、シールシートプレート２は、中央領域２０とシールシートプレート２の間に延びる環状の流動通過部２３を構成する。このとき流動通過部２３は、長軸１４の方向にシールシートプレート２全体を通って環状に延びており、そのようにしてシールシートプレート２と中央領域２０を分離し、中央領域２０は少なくとも１つの接続ウェブ２９を介してシールシートプレート２と接続されている。さらに、流れ込む媒体は流入部ＩＩの方向から来て環状の流動通過部２３を通って、図１に示すように、シールシートプレート２の少なくとも２つの周回するシールシートエッジ１２ａ，１２ｂが弁体３のエラストマーコーティング４とともに２つのシールシート６ａ，６ｂを構成する領域へと進む。このとき周回するシールシートエッジ１２ｂは、一方では長軸１４を中心として同心的に、弁体３のほうを向く側で中央領域２０に配置されている。他方では周回するシールシートエッジ１２ｂは、弁体３のほうを向いている中央領域２０の側の、環状の流動通過部２３のほうを向く外径側に配置されている。周回するシールシートエッジ１２ａは、弁体３のほうを向く側でシールシートプレート２に配置されており、周回するシールシートエッジ１２ａは、弁体３のほうを向いているシールシートプレート３の側の、環状の流動通過部２３のほうを向く内径側にそれぞれある。このとき弁体３に、流入部ＩＩのほうを向く側で、特にエラストマーコーティング４を有している領域で、ガス圧力制限弁１の配置に応じて接続配管２５（図５）の圧力または供給流配管２８（図５参照）の圧力に相当する圧力が生成される。
【００３１】
さらにシールシートプレート２は周回するストッパ５を有しており、ストッパ５はここでは長軸１４の方向で弁体３の一領域と当接し、特に弁体３のこの領域は、エラストマーコーティング４を有している弁体３の領域の径方向外部に位置する。それにより、弁体３とシールシートプレート２の間の定義された間隔を遵守することができることが惹起され、エラストマーコーティング４の損傷を引き起こすことになる、シールシートエッジ１２ａ，１２ｂがエラストマーコーティング４へそれ以上圧入することが防止される。エラストマーコーティング４は、シールシートプレート２のほうを向いている弁体３の面にわたって部分的にのみ延びており、表面の一部はエラストマーコーティング４を備えておらず、それは特に、シールシートプレート２のストッパ５と接触する弁体３の表面の部分である。
【００３２】
さらに、周回するシールシートエッジ１２ａ，１２ｂは熱処理を施されていてよく、および／またはコーティングを有することができ、それにより、シールシートエッジ１２ａ，１２ｂとエラストマーコーティング４の間で発生する付着力を減らすことができ、さらには、シールシートプレート２および／または弁体３の耐摩耗性を高めることができる。このような付着力は特に低い温度のときに発生し、および／または低い温度によって強められる。
【００３３】
エラストマーコーティング４の１つの実施形態は、エラストマーコーティング４が複数の層からなり、その際に積層が長軸１４の方向に延びるように施工されていてよい。それにより、弁体３とシールシートプレート２という各コンポーネントの間でシールシート６ａ，６ｂの密閉性を向上させることができ、その一方で、シールシート６ａ，６ｂでの付着力は低減させることができる。
【００３４】
第２の実施例に基づくガス圧力制限弁１の別案の実施形態は、シールシートプレート２が、弁体３のほうを向く側にエラストマーコーティング４を有するように施工される。この別案の実施形態では、弁体３は、長軸１４を中心として周回する２つのシールシートエッジ１２ａ，１２ｂを有する。ただしストッパ５も、長軸１４を中心として周回するように弁体３に配置されていてよい。
【００３５】
ガス圧力制限弁１のさらに別の実施形態では、閉止ばね８が累進的に変化するばね定数を有することができ、このことはガス圧力制限弁１の最善の閉止特性につながる。
【００３６】
図２にはガス圧力制限弁１が示されており、ここではガス圧力制限弁は開いた状態にある。以下において図１も援用しながら、ガス圧力制限弁１の開放プロセスがどのように進行するかを説明する。図２から明らかなとおり、シールシートプレート２は環状の流動通過部２３を有していて、これを通して気体状の媒体が、ここには図示しないタンク２７（図５参照）および／またはエジェクタユニット１０（図５参照）から圧力のもとで矢印ＩＩの方向に供給され、これが流入部ＩＩをなしている。シールシートプレート２はここでは環状の流動通過部２３を有していて、これを通して流れ込む媒体は、図１に示すように、シールシートプレート２のシールシートエッジ１２ａ，１２ｂが弁体３のエラストマーコーティング４とともにシールシート６ａ，６ｂを構成している領域にまで進む。このとき弁体３には、流入部ＩＩのほうを向く側で、特にエラストマーコーティング４を有している領域で、ガス圧力制限弁１の配置に応じて接続配管２５（図４参照）の圧力または供給流配管２８（図４参照）の圧力に相当する圧力が生成される。
【００３７】
このように、変化する力が弁体３に対して長軸１４の方向で作用し、この力は、媒体の印加される圧力に基づき、弁体３の表面に対して、特にエラストマーコーティング４の表面に対して、環状の流動通過部２３の領域で作用する。このように、印加される圧力に基づく力が弁体３に対して長軸１４の方向に作用して、特定の圧力を上回ったときに弁体３をシールシートプレート２から離れるように動かす。
【００３８】
弁体３は長軸１４の方向に可動であり、スリーブ状の部材１３と結合されて案内部材９により長軸１４の方向で径方向に案内され、それによって長軸１４に対して径方向への弁体３の運動を妨げることができる。流入部ＩＩの側で特定の圧力レベルを上回ったとき、弁体３は、スリーブ状の部材１３を介して閉止ばね８へと力を伝達することによって、長軸１４の方向へシールシートプレート２から離れるように動く。閉止ばね８は、スリーブ状の部材１３に向かい合う側で閉止ばね支持部１１と当接しているので、閉止ばね８は、特定の力を上回ったときに特にそのばね定数に基づいて長軸１４の方向に押し縮められる。このことは、弁体３の表面に対して作用し、長軸１４の方向で流出部ＩＩＩのほうを向く力として帰結される、流入部ＩＩの側での媒体による圧力に基づいて行われる。この力は弁体３を介してスリーブ状の部材１３へ伝達され、そこからさらに閉止ばね８へ伝達される。特に閉止ばね８のばね力に相当する力を上回ったとき、閉止ばね８が長軸１４の方向へ押し縮められる。このとき案内部材９が、閉止ばね８および／またはスリーブ状の部材１３をハウジング７の中で案内する。
【００３９】
弁体３が長軸１４の方向でシールシートプレート２から離れるように動くことでシールシート６ａ，６ｂが解消され、それにより、媒体が流入部ＩＩから矢印ＩＶの方向へガス圧力制限弁１を通って流出部ＩＩＩへと流れることができる。このとき媒体は、２つの異なる経路によって流出部ＩＩＩに達することができる。一方では媒体は、周回するシールシートエッジ１２ａ，およびストッパ５のそばを通り過ぎ、スリーブ状の部材１３の少なくとも１つの通過開口部１５を通って流れることができる。他方では媒体は、シールシートエッジ１２ｂのそばを通り過ぎ、弁体３の切欠き３４を通って流れることができる。
【００４０】
媒体の一部が流出部ＩＩＩを介してシステムから排出されるとただちに、接続配管２５（図５参照）または供給流配管２８（図５参照）のシステム圧力が再び標準化および／または低下することができ、それにより、圧力に基づいて作用する弁体３に対する力が低下する。このとき長軸１４の方向に作用する力が、特に閉止ばね８のばね力が、弁体３を再びシールシートプレート２の方向へ、少なくとも２つのシールシートエッジ１２ａ，１２ｂが再びエラストマーコーティング４の中へと動いて少なくとも２つのシールシート６ａ，６ｂが構成されるまで押圧する。弁体３の最終位置のとき、特に弁体３が周回するストッパ５と当接したとき、ガス圧力制限弁１が再び閉じられる  
【００４１】
閉止ばね８は、別の考えられる実施形態では、閉止ばね８の圧縮または弛緩の際に経路全体にわたってばね力が線形に延びるのでないように構成されていてよい。そのために閉止ばね８は設計的に、閉止ばね８の巻回直径が変化するように、特に増大または減少するように、または、閉止ばね８がばね定数のそれぞれ異なる少なくとも２つのばねセグメントを有するように施工されていてよい。この実施形態では、少なくとも２つのシールシートエッジ１２ａ，１２ｂは弁体３またはシールシートプレート２のエラストマーコーティング８と接触し、長軸１４の方向でエラストマーコーティング８の中へある程度の深さまでのみ圧入して、エラストマーコーティングを深すぎる圧入によって損傷させることなく、少なくとも２つのシールシート６ａ，６ｂを構成する。そのためにエラストマーコーティング８は、シールシートプレート２のほうを向いている弁体３の端面に配置されるか、または、弁体３のほうを向いているシールシートプレート２の端面に配置される。
【００４２】
図３には、図２に符号Ｖで表されているシールシートプレート２の周回するストッパ５の断面図が拡大図として示されている。ここでは周回するストッパ５は流動開口部１６を有していて、これを通してガス圧力制限弁１の中にある媒体を流出させることができる。流動開口部１６がなければ、ガス圧力制限弁１が閉じた状態にあるとき、周回するストッパ５と、周回するシールシートエッジ１２ａと、シールシートプレート２と、弁体３との間にカプセル封じされた空間が生じることになる。このようにカプセル封じされた空間は、特にガス圧力制限弁１の開放および閉止のプロセスのとき、ガス圧力制限弁１を損傷させることがある。流動開口部１６のさらに別の実施形態は、たとえば流動開口部１６のエッジを面取りし、および／または流動最適化して成形することによって、流出していく媒体に対する流動抵抗が低減されるように成形されていてよい。
【００４３】
図４は、図１に符号Ａ−Ａで表されているシールシートプレート２の断面図を、長軸１４の方向の平面図として示している。さらに、シールシートプレート２が、少なくとも１つの接続ウェブ２９を介してシールシートプレート２（図示せず）と接続された中央領域２０を有することが示されている。さらに環状の流動通過部２３が示されており、ならびに、少なくとも２つのシールシートエッジ１２ａ，１２ｂが示されており、シールシートエッジ１２ａ，１２ｂは特に長軸１４（図１）を中心として周回するように配置される。さらに、ハウジング７と周回するストッパ５が示されている。図４では、周回するストッパ５が４つの流動開口部１６を有するガス圧力制限弁１の実施形態が一例として示されている。
【００４４】
図５には、ガス圧力制限弁１およびその他のコンポーネントを有する燃料電池システム３３の一例としての実施形態が示されており、特に燃料電池システム３３のアノード側が示されている。図５から明らかなとおり、エジェクタユニット１０は接続配管２５を介して燃料電池３０と接続されており、燃料電池３０はアノード領域３１およびカソード領域３２を含んでいる。前掲の図面で説明したガス圧力制限弁１ａは、燃料電池構造の１つの実施形態では接続配管２５に、特にエジェクタユニット１０と燃料電池３０の間に配置されていてよい。さらに、燃料電池３０のアノード領域３１をエジェクタユニット１０の吸込領域２２と接続する帰還配管２６が設けられている。帰還配管２６により、燃料電池３０の作動時にアノード領域３１で生じる、特に水素、窒素、および水蒸気からなる混合物であり得る第２の気体状の媒体を、吸込領域２２へ戻るように案内することができる。
【００４５】
図５からさらに明らかなとおり、タンク２７に蓄えられた第１の気体状の媒体は、供給流配管２８を介してエジェクタユニット１０の供給流領域２１に供給される。前掲の図面で説明したガス圧力制限弁１ｂは、燃料電池構造の１つの実施形態では供給流配管２８に、特に第１の遮断弁２４と第２の遮断弁１９の間に配置されていてよい。遮断弁２４，１９は、場合によりタンク２７からガス圧力制限弁１ｂへの第１の気体状の媒体の供給流を、またはさらにエジェクタユニット１０への供給流を遮断するために意図される。
【００４６】
ガス圧力制限弁１ａ，ｂの配置は、接続配管２５と供給流配管２８が高すぎる圧力から防護されるという利点を提供する。規定された圧力レベルを上回ったとき、それぞれのガス圧力制限弁１ａ，ｂが開いてシステム圧力を低下させるからである。それにより、コンポーネントである燃料電池３０、特に燃料電池３０の隔膜、およびコンポーネントであるエジェクタユニット１０を損傷から防護することができる。これら両方のコンポーネントは、高すぎる圧力に対して極端に悪影響を受けやすい反応をするからである。
【符号の説明】
【００４７】
１  ガス圧力制限弁
２  シールシートプレート
３  弁体
４  エラストマーコーティング
５  周回するストッパ
６ａ，６ｂ  シールシート
７  ハウジング
８  閉止ばね
９  案内部材
１１  閉止ばね支持部
１２ａ，１２ｂ  シールシートエッジ
１３  スリーブ状の部材
１４  長軸
１６  流動開口部
１７  弁体モジュール
２０  中央領域
２３  流動通過部
２９  接続ウェブ
３０  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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