Ventilvorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Me diums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zum Steuern eines gasförmi gen Mediums in Richtung einer Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellenanord nung. Dies findet beispielsweise Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellen antrieb.

Stand der Technik

Die DE 102012204565 Al beschreibt ein als Proportionalventil ausgebildetes Ventilvorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Was serstoff, wobei das Proportionalventil einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement umfasst. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtele ment dichtet dabei am Ventilsitz ab.

Im normalen Betrieb eines Proportionalventils, insbesondere bei der Anwendung des Proportionalventils in einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems treten häufige Öffnungs- und Schließvorgänge auf. Häufiges Öffnen und Schlie ßen des Proportionalventils führt jedoch zu Verschleiß am Ventilsitz. Weiterhin wird der Verschleiß des Ventilsitzes durch Wasserstoffversprödung begünstigt. Dies hat wiederum negative Auswirkungen auf die Dichtheit des gesamten Pro portionalventils.

Es sind außerdem weiterhin weitere Ventile mit einem Ventilsitz in Brennstoffzel lensystemen bekannt, welche in Kontakt mit gasförmigem Medium, beispiels weise Wasserstoff, stehen. Auch hier kann Wasserstoffversprödung auftreten, was insbesondere durch Beschädigungen am Ventilsitz zu Undichtheiten des Ventils in dem Brennstoffzellensystem führt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Medi ums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber Vorteil auf, dass trotz Öff- nungs- und Schließvorgängen der Ventilvorrichtung sowie der Kontakt von Was serstoff die Dichtheit am Ventilsitz gewährleistet ist.

Dazu weist die Ventilvorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, ins besondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in dem ein längsbewegliches Schließelement angeordnet ist, das zum Öffnen und Schließen eines Öffnungs querschnitts von einem Zulaufbereich in eine Durchlassöffnung mit einem Ventil sitz zusammenwirkt. Darüber hinaus ist der Ventilsitz aus einem amorphen me tallischen Werkstoff hergestellt.

So kann in konstruktiv einfacher Weise die Verschleißbeständigkeit der Ventilvor richtung, insbesondere des Ventilsitzes, auch bei ständigem Kontakt mit dem gasförmigem Medium, hier Wasserstoff, erhöht werden.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der amorphe metalli sche Werkstoff metallisches Glas umfasst. Metallische Gläser haben den Vorteil einer besseren Elastizität bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Verschleißbestän digkeit. Die höhere Elastizität bietet den Vorteil eines besseren Abdichtungsver haltens im Vergleich zu klassischen Stählen.

In vorteilhafter Weiterbildung ist die Ventilvorrichtung aus einem amorphen me tallischen Werkstoff hergestellt. Vorteilhafterweise umfasst der amorphe metalli sche Werkstoff metallisches Glas. Ist die gesamte Ventilvorrichtung aus demsel ben Werkstoff wie der Ventilsitz kann die Anzahl der verwendeten Werkstoffe re duziert und weitere Fertigungsschritte eingespart werden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass das Ventilvorrichtung als aktiv durch einen Elektromagneten gesteuerte Ventilvorrich tung ausgebildet ist.

In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Ventilvorrichtung als passiv gesteuerte Ventilvorrichtung ausgebildet ist.

Die beschriebene Ventilvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoff zellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anoden pfad und ein leiser Betrieb.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind mögliche Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Was serstoff, zu einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem, dargestellt. Es zeigt in

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrich tung im Längsschnitt,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvorrich tung im Längsschnitt,

Fig. 3 eine mögliche Ausführung einer Brennstoffzellenanordnung in schemati scher Ansicht.

Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvor richtung 1 im Längsschnitt. Die Ventilvorrichtung 1 weist ein Ventilgehäuse 7 auf, in dem ein Innenraum 37 ausgebildet ist. In dem Innenraum 37 ist ein Elektro magnet 130 angeordnet, welcher eine Magnetspule 43, einen Innenpol 39 und einen Außenpol 41 umfasst. Der Innenpol 39 ist dabei mit dem Ventilgehäuse 7 über ein Distanzbuchsenelement 45 aus nicht magnetischen Material verbunden.

Weiterhin ist in einem von dem Innenraum 7 umfassten Ankerraum 50 ein hubbe weglicher Magnetanker 47 mit einem stiftförmigen Element 42 angeordnet, wobei das stiftförmige Element 42 fest mit dem Magnetanker 47 verbunden ist und so wohl in einer Ausnehmung 52 des Innenpols 39 als auch in einer Ausnehmung 48 des Ventilgehäuses 7 aufgenommen und geführt ist. Der Magnetanker 47 ist als Tauchanker ausgebildet und wird bei dessen Hubbewegung in einer Ausneh mung 49 des Innenpols 39 aufgenommen.

Das Ventilgehäuse 7 und der Innenpol 39 begrenzen einen Federraum 33, in welchen ein tellerförmiges Ende 35 des stiftförmigen Elements 42 des Magnetan kers 47 hineinragt. An dem tellerförmigen Ende 35 des stiftförmigen Elements 42 stützt sich eine Schließfeder 8 ab, durch welche der Magnetanker 47 mit dem stiftförmigen Element 42 vorgespannt ist. Das der Schließfeder 8 abgewandte Ende des stiftförmigen Elements 42 ist fest mit einem ebenen Schließelement 3 verbunden. Das Schließelement 3 weist an seinem dem stiftförmigen Element 42 abgewandten Ende eine Elastomerbeschichtung 4 auf und ist in einem Zulaufbe reich 28 der Ventilvorrichtung 1 angeordnet. Der Federraum 33 und der Anker raum 50 sind über einen ersten Verbindungskanal 38 und der Ankerraum 50 und der Zulaufbereich 28 über einen zweiten Verbindungskanal 40 fluidisch miteinan der verbunden.

Radial zu einer Längsachse 14 der Ventilvorrichtung 1 sind Zulaufkanäle 44 aus gebildet, durch welche der Zulaufbereich 28 der Ventilvorrichtung 1 mit gasförmi gem Medium befüllbar ist. Der Zulaufbereich 28 ist neben dem Ventilgehäuse 7 von einer Dichtsitzplatte 2 begrenzt, in welcher eine Durchlassöffnung 18 ausge bildet ist. An einer der Elastomerbeschichtung 4 zugewandten radial zu der Längsachse 14 der Ventilvorrichtung 1 konischen Sitzfläche 2a der Dichtsitz platte 2 ist eine umlaufende Dichtsitzkante 12 ausgebildet, an der ein Ventilsitz 6 ausgebildet ist. In einer geschlossenen Position der Ventilvorrichtung 1 liegt die Elastomerbeschichtung 4 durch die Kraftbeaufschlagung der Schließfeder 8 an dem Ventilsitz 6 an, so dass eine Verbindung zwischen dem Zulaufbereich 28 und der Durchlassöffnung 18 geschlossen ist.

Die Öffnung der Ventilvorrichtung 1 aus Fig.l ist hier aktiv über den Elektromag neten 130 steuerbar.

Fig.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilvor richtung im Längsschnitt. Die Ventilvorrichtung umfasst ein Ventilgehäuse 7, eine Ventilelement-Baugruppe 17, ein hülsenförmiges Element 13, an dem sich eine Schließfeder 8 abstützt, ein Führungs-Element 9, insbesondere zur Führung der Schließfeder 8 und eine Schließfeder-Abstützung 11. Die Ventilelement-Bau gruppe 17 weist zudem eine Dichtsitzplatte 2 und ein Ventilelement 3 auf, wobei das Ventilelement 3 in Richtung einer Längsachse 14‘ mit dem hülsenförmigen Element 13 in Anlage steht oder in einer alternativen Ausführung mit dem hülsen förmigen Element 13 verbunden ist. Das hülsenförmige Element 13 weist zudem mindestens eine Durchlass-Öffnung 15 auf, so dass ein Durchströmen des Ga ses bei geöffneter Ventilvorrichtung 1 in Richtung der Längsachse 14‘ von einem Zulauf II, hier der Zulaufbereich 28, zu einem Ablauf III ermöglicht wird. Die mehr als eine Durchlass-Öffnung kann dabei umlaufend am hülsenförmigen Element 13 angeordnet sein.

Weiterhin weist das Ventilelement 3 eine Elastomerbeschichtung 4 auf, wobei die Elastomerbeschichtung 4 auf der in Richtung der Längsachse 14‘ der Dichtsitz platte 2 zugewandten Seite des Ventilelements 3 angeordnet ist. Die Dichtsitz platte 2 ist rotationssymmetrisch um die Längsachse 14 ausgeführt und weist ei nen um die Längsachse 14‘ umlaufenden Anschlag 5 und eine um die Längs achse 14‘ umlaufende Dichtsitzkante 12 auf. Des Weiteren weist die Dichtsitz platte 2 eine Durchlassöffnung 18 auf, die mittig an der Dichtsitzplatte 2 entlang der Längsachse 14‘ verläuft. Die Dichtsitzplatte 2 ist mit dem Gehäuse 7 verbun den.

Die Öffnung der Ventilvorrichtung aus Fig.2 ist hier passiv über den Druck des strömenden gasförmigen Mediums steuerbar.

Die in den Fig.l und Fig.2 beschriebene Ventilvorrichtung 1, weist in allen Ausführungen einen Ventilsitz 12 aus einem amorphen metallischen Werkstoff auf. Dabei umfasst der amorphe metallische Werkstoff metallisches Glas. Metalli sche Gläser haben den Vorteil einer deutlich besseren Elastizität bei gleichzeitig hoher Festigkeit und Verschleißbeständigkeit. Die höhere Elastizität bietet den Vorteil eines besseren Abdichtungsverhaltens im Gegensatz zu klassischen Stählen.

In weiteren Ausführungen ist die Ventilvorrichtung 1, aus einem amorphen me tallischen Werkstoff hergestellt. Der amorphe metallische Werkstoff kann dabei metallisches Glas umfassen. So kann die Anzahl der verwendeten Werkstoffe re duziert und auch Fertigungsschritte eingespart werden. Strukturbauteil und Funk tionsbauteil sind in einem integriert und bieten eine hohe Verschleißbeständig keit.

Im ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig.l gezeigt, ist die Ventilvorrichtung 1 als aktiv durch einen Elektromagneten 130 gesteuerte Ventilvorrichtung 1 ausgebil det.

Im zweiten Ausführungsbeispiel, wie in Fig.2 gezeigt, ist die Ventilvorrichtung als passiv gesteuerte Ventilvorrichtung ausgebildet.

Fig.3 zeigt eine mögliche Ausführung eines Anodenbereichs einer Brennstoffzel lenanordnung 100 in schematischer Ansicht. Die Brennstoffzellenanordnung 100 umfasst eine Brennstoffzelle 30 mit einem Anodenbereich 31 und einem Katho denbereich 32. Weiterhin umfasst die Brennstoffzellenanordnung 100 einen Ano denzulaufbereich 101 und einen hier nicht gezeigten Kathodenzulaufbereich. Das in einem Tank 27 gespeicherte gasförmige Medium, hier Wasserstoff, wird über eine Zuströmleitung 28 einem Zuströmbereich 21 einer Ejektoreinheit 10 zu geführt. Die Ejektoreinheit 10 ist über eine Verbindungsleitung 25 mit der Brenn stoffzelle 30 verbunden.

Die in Fig.l beschriebene Ventilvorrichtung 1 kann in einer Ausführungsform in der Ejektoreinheit 10 als Wasserstoffdosierventil in Kombination mit einer Strahl pumpe ausgeführt sein. So wird zumindest mittelbar mittels der Ventilvorrichtung 1 aus Fig.l das gasförmige Medium, hier Wasserstoff, aus dem Tank 27 in Rich tung Brennstoffzelle 30 zudosiert und/oder zugeführt.

Die in Fig.2 beschriebene Ventilvorrichtung kann in einer Ausführungsform in der Verbindungsleitung 25 der Brennstoffzellenanordnung 100 angeordnet sein, insbesondere zwischen der Ejektoreinheit 10 und der Brennstoffzelle 30.

Weiterhin ist in der Brennstoffzellenanordnung 100 eine Rückführleitung 26 an geordnet, die den Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 mit einem Ansaugbe reich 22 der Ejektoreinheit 10 beim Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 100 verbindet. Mittels der Rückführleitung 26 ist es möglich, das beim Betrieb der Brennstoffzellenanordnung 100 nicht verwendete gasförmige Medium, hier Was serstoff, in der Brennstoffzelle 30 zum Ansaugbereich 22 zurückzuführen. Typi scherweise wird aus der Brennstoffzelle 30 als Abfallprodukt ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf ausgeführt, welches während der Rückführung zum Ansaugbereich 22 wieder getrennt wird, so dass lediglich rei ner Wasserstoff wieder zurück zur Brennstoffzelle 30 geführt wird.

Die in Fig.2 beschriebene Ventilvorrichtung kann in einer Ausführungsform in der Zuströmleitung 28 insbesondere zwischen einem ersten Absperrventil 24 und einem zweiten Absperrventil 19 angeordnet sein. Zwischen der Ventilvorrichtung der Fig.2 und dem Tank 27 ist zudem das erste Absperrventil 24 und zwischen der Ventilvorrichtung der Fig.2 aus und der Ejektoreinheit 10 das zweites Ab sperrventil 19 angeordnet. Die Absperrventile 24, 19 sind dazu vorgesehen, um ggf. den Zustrom des ersten gasförmigen Mediums aus dem Tank 27 zu der Ventilvorrichtung der Fig.2 bzw. den Zustrom weiter zur Ejektoreinheit 10 zu unterbrechen. Ferner befindet sich in der Rückführleitung 26 eine Verzweigung 36 mit einem dritten Absperrventil 46. Durch dieses dritte Absperrventil 46 lassen sich die in der Rückführleitung 26 ebenfalls vorhandenen Abfallproduktbestand teile Stickstoff und Wasserdampf nach außen ablassen. Dies ist insbesondere von Vorteil, um das Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf zu trennen und nur reinen Wasserstoff wieder zurück zur Brennstoffzelle 30 zu füh ren.

In weiteren Ausführungen ist in der Rückführleitung 26 zur optimierten und akti ven Wasserstoffrückführung ein Rezirkulationsgebläse angeordnet.