DE102017209131A1 - metering valve - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Dosierventil (1) zum Zuführen von Gas an eine Brennstoffzelle, wobei eine Düse (14) eine Einlassöffnung (30) zum Zuführen von Gas an ein Dosierventil (1) und eine Auslassöffnung (32) zum Abführen von Gas an die Brennstoffzelle aufweist, und wobei ein erster Dichtsitz (20) und ein zweiter Dichtsitz (28) von einem durch eine Einlassöffnung (30) eintretenden Gasstrom parallel anströmbar und synchron öffenbar sind.The invention relates to a metering valve (1) for supplying gas to a fuel cell, wherein a nozzle (14) has an inlet opening (30) for supplying gas to a metering valve (1) and an outlet opening (32) for discharging gas to the fuel cell and in which a first sealing seat (20) and a second sealing seat (28) can be opened by a gas flow entering through an inlet opening (30) in parallel and can be opened synchronously.
Description
Die Erfindung betrifft ein Dosierventil zum Zuführen von Gas an eine Brennstoffzelle.The invention relates to a metering valve for supplying gas to a fuel cell.
Stand der TechnikState of the art
Brennstoffzellensysteme umfassen herkömmlicherweise eine Brennstoffzelle, die einen Kathodenraum und einen von dem Kathodenraum durch eine Membran getrennten Anodenraum aufweist, weiterhin umfassend eine Anodengasquelle, eine mit der Anodengasquelle und dem Anodenraum verbundene Gaszuführung, eine mit dem Anodenraum verbundene Abluftleitung, eine Kathodengasquelle, eine mit der Kathodengasquelle und dem Kathodenraum verbundene Gaszuführung und eine mit dem Kathodenraum verbundene Abluftleitung.Fuel cell systems conventionally include a fuel cell having a cathode compartment and an anode compartment separated from the cathode compartment by a membrane, further comprising an anode gas source, a gas supply connected to the anode gas source and the anode compartment, an exhaust duct connected to the anode compartment, a cathode gas source, one with the cathode gas source and the cathode compartment connected gas supply and connected to the cathode compartment exhaust duct.
In der Gaszuführung des Anodenraums ist herkömmlicherweise ein Dosierventil angeordnet.In the gas supply of the anode chamber, a metering valve is conventionally arranged.
Eine wesentliche Anforderung an die Weiterentwicklung des Dosierventils ist die Anhebung des Druckes vor dem Dosierventil, d.h. die erforderliche Schließfederkraft muss entsprechend erhöht werden. Mit Erhöhung der Federkraft nimmt die Belastung des Dichtsitzes zu, was an der ohnehin kritisch zu bewertenden Abdichtung zu einem erhöhten Verschleißaufkommen führt. Des Weiteren ist es eine Anforderung, eine Öffnungscharakteristik des Ventils zu optimieren.An essential requirement for the further development of the metering valve is the increase of the pressure upstream of the metering valve, i. the required closing spring force must be increased accordingly. As the spring force increases, the load on the sealing seat increases, which leads to increased wear on the already critically evaluated seal. Furthermore, it is a requirement to optimize an opening characteristic of the valve.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft ein Dosierventil zum Zuführen von Gas an eine Brennstoffzelle, mit einem Grundkörper, in welchem ein Elektromagnet angeordnet ist, und einer Düse, welche mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei in der Düse ein erster Anker zum Betätigen eines ersten Verschlusselements angeordnet ist, wobei das erste Verschlusselement dazu ausgebildet ist, einen ersten Dichtsitz des Dosierventils zu öffnen und zu schließen, wobei in der Düse ein von dem Grundkörper durch eine in der Düse ausgebildete Bohrung in die Düse geführter zweiter Anker zum Betätigen eines zweiten Verschlusselements angeordnet ist, wobei das zweite Verschlusselement dazu ausgebildet ist, einen zweiten Dichtsitz des Dosierventils zu öffnen und zu schließen, wobei der erste Anker und der zweite Anker von dem Elektromagnet betätigbar sind, wobei die Düse eine Einlassöffnung zum Zuführen von Gas an das Dosierventil und eine Auslassöffnung zum Abführen von Gas an die Brennstoffzelle aufweist, und wobei der erste Dichtsitz und der zweite Dichtsitz von einem durch die Einlassöffnung eintretenden Gasstrom parallel anströmbar und synchron öffenbar sind.The present invention provides a metering valve for supplying gas to a fuel cell, comprising a base body in which an electromagnet is arranged, and a nozzle which is connected to the base body, wherein in the nozzle a first armature for actuating a first closure element is arranged wherein the first closure member is adapted to open and close a first sealing seat of the metering valve, wherein in the nozzle from the base body through a bore formed in the nozzle in the nozzle guided second anchor for actuating a second closure element is arranged the second closure member is adapted to open and close a second sealing seat of the metering valve, the first armature and the second armature being actuatable by the solenoid, the nozzle having an inlet port for supplying gas to the metering valve and an outlet port for discharging Gas to the fuel elle, and wherein the first sealing seat and the second sealing seat of a gas stream entering through the inlet opening can be flowed parallel to and synchronously be opened.
Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, durch Vorsehen eines ersten Dichtsitzes und eines zweiten Dichtsitzes, welche von dem durch die Einlassöffnung eintretenden Gasstrom parallel anströmbar und synchron öffenbar sind, eine gegenüber einem herkömmlichen einstufigen Öffnen des Dosierventils optimierte Öffnungscharakteristik vorzusehen. Der erste Dichtsitz und der zweite Dichtsitz sind beide parallel angeströmt, d.h. die Räume sind ständig über Spalte verbunden und es herrscht der gleiche Druck. Durch die Anströmung von unten öffnet das Dosierventil druckunterstützt.One idea of the present invention is to provide an opening characteristic which is optimized over a conventional one-stage opening of the metering valve by providing a first sealing seat and a second sealing seat, which can be opened and opened synchronously in parallel by the gas flow entering through the inlet opening. The first sealing seat and the second sealing seat are both flowed parallel, i. the rooms are constantly connected by gaps and the pressure is the same. Due to the flow from below, the metering valve opens pressure-assisted.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Einlassöffnung der Düse zum Zuführen von Gas an das Dosierventil im Bereich des zweiten Dichtsitzes ausgebildet ist, wobei der zweite Dichtsitz eine mit dem ersten Verschlusselement des ersten Dichtsitzes fluidisch kommunizierende erste Bohrung aufweist, und wobei der zweite Dichtsitz eine mit dem zweiten Verschlusselement des zweiten Dichtsitzes fluidisch kommunizierende zweite Bohrung aufweist. Somit sind der erste Dichtsitz und der zweite Dichtsitz des Dosierventils in vorteilhafter Weise parallel anströmbar.According to a preferred development, it is provided that the inlet opening of the nozzle for supplying gas to the metering valve in the region of the second sealing seat is formed, wherein the second sealing seat has a first bore fluidically communicating with the first closure member of the first sealing seat, and wherein the second sealing seat a fluidically communicating with the second closure element of the second sealing seat second bore has. Thus, the first sealing seat and the second sealing seat of the metering valve in an advantageous manner can be flowed parallel.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Anker und einem ersten Gehäuseelement des Dosierventils ein erster Luftspalt und zwischen dem zweiten Anker und einem Magnetkern des Dosierventils ein zweiter Luftspalt ausgebildet ist, wobei der erste Luftspalt eine geringere Abmessung als der zweite Luftspalt aufweist. Somit weist der erste Anker in vorteilhafter Weise eine hohe Magnetkraft auf, welche mit einem geringen Ansteuerstrom erzeugbar ist.According to a further preferred development, it is provided that a first air gap is formed between the first armature and a first housing element of the metering valve and a second air gap is formed between the second armature and a magnetic core of the metering valve, wherein the first air gap has a smaller dimension than the second air gap , Thus, the first armature advantageously has a high magnetic force, which can be generated with a low drive current.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei Anlegen eines Ansteuerstroms an eine Magnetspule des Elektromagnets, der erste Anker dazu ausgebildet ist, den ersten Dichtsitz zu öffnen, und der zweite Anker dazu ausgebildet ist, den zweiten Dichtsitz zu öffnen, wobei der erste Anker an den zweiten Anker anlegbar und dazu ausgebildet ist, bei Bewegung des ersten Ankers den zweiten Anker mitzubewegen. Somit kann durch das zumindest Öffnen des ersten Dichtsitzes eine Druckentlastung erzeugt und der zweite Dichtsitz mit geringerer Kraft geöffnet werden.According to a further preferred development, it is provided that when a drive current is applied to a magnet coil of the electromagnet, the first armature is designed to open the first sealing seat, and the second armature is designed to open the second sealing seat, wherein the first armature can be applied to the second anchor and is designed to move along with the movement of the first anchor the second anchor. Thus, by at least opening the first Sealing seat creates a pressure relief and the second sealing seat can be opened with less force.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Auslassöffnung der Düse zum Abführen von Gas an die Brennstoffzelle in dem Hohlraum der Düse ausgebildet ist, und wobei der erste Anker durch einen Plattenanker und der zweite Anker durch einen Tauchanker ausgebildet sind. Da die Regelung des Gasmassenstroms durch den zweiten Ventilsitz erfolgt, kann in vorteilhafter Weise die Auslassöffnung der Düse im Bereich des zweiten Dichtsitzes angeordnet werden.According to a further preferred development, it is provided that the outlet opening of the nozzle is designed to discharge gas to the fuel cell in the cavity of the nozzle, and wherein the first anchor is formed by a plate anchor and the second anchor by a plunger armature. Since the regulation of the gas mass flow takes place through the second valve seat, the outlet opening of the nozzle can advantageously be arranged in the region of the second sealing seat.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der erste Anker durch ein erstes Federelement und der zweite Anker durch ein zweites Federelement rückstellbar sind, wobei das erste Federelement eine geringere Federkraft als das zweite Federelement aufweist. Aufgrund der hohen Magnetkraft bei geringem Ansteuerstrom des ersten Ankers ist hierfür ein stärkeres Federelement zum Rückstellen des Ankers im Vergleich zu dem zweiten Anker, welcher einen größeren Ansteuerstrom benötigt, erforderlich. Somit können in vorteilhafter Weise eine höhere Vorspannung für eine gute Dichtheit und eine geringe Federsteifigkeit für eine gute Regelung erreicht werden.According to a further preferred embodiment, it is provided that the first armature can be reset by a first spring element and the second armature by a second spring element, wherein the first spring element has a lower spring force than the second spring element. Due to the high magnetic force at low drive current of the first armature for this purpose a stronger spring element for resetting the armature compared to the second armature, which requires a larger drive current required. Thus, a higher bias for a good tightness and a low spring stiffness for a good control can be achieved in an advantageous manner.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Verschlusselement durch den ersten Anker oder mit dem ersten Anker integral ausgebildet ist, wobei eine Anlagefläche des ersten Verschlusselements am ersten Dichtsitz ein Dichtelement aufweist, welches vorzugsweise aus einem Elastomerwerkstoff ausgebildet ist. Somit kann in vorteilhafter Weise eine gute Dichtigkeit des Dichtsitzes erreicht werden.According to a further preferred development, it is provided that the first closure element is integrally formed by the first armature or with the first armature, wherein a contact surface of the first closure element on the first sealing seat has a sealing element, which is preferably formed from an elastomer material. Thus, a good tightness of the sealing seat can be achieved in an advantageous manner.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem ersten Anker und dem ersten Gehäuseelement des Dosierventils eine Restluftspaltscheibe zum Verhindern eines magnetischen Haftens des ersten Ankers an dem ersten Gehäuseelement angeordnet ist. Somit kann in vorteilhafter Weise gewährleistet werden, dass der erste Anker stets von dem ersten Gehäuseelement beabstandet angeordnet ist.According to a further preferred development, it is provided that a residual air gap disk for preventing a magnetic adhesion of the first armature to the first housing element is arranged between the first armature and the first housing element of the metering valve. Thus, it can be advantageously ensured that the first armature is always arranged at a distance from the first housing element.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem zweiten Anker und dem ersten Gehäuseelement des Dosierventils eine vorzugsweise aus einem nicht-magnetischen Werkstoff ausgebildete Hülse angeordnet ist, wobei die Hülse dazu ausgebildet ist, den Magnetkern von dem ersten Gehäuseelement des Gehäuses magnetisch zu trennen. Durch Vorsehen der Hülse kann somit in vorteilhafter Weise eine magnetische Trennung des Magnetkerns von dem ersten Gehäuseelement vorgesehen werden.According to a further preferred embodiment, it is provided that between the second armature and the first housing element of the metering valve, a sleeve preferably formed of a non-magnetic material is arranged, wherein the sleeve is adapted to magnetically separate the magnetic core of the first housing member of the housing , By providing the sleeve, a magnetic separation of the magnetic core from the first housing element can thus advantageously be provided.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Hülse dazu ausgebildet ist, ein benachbart zu dem ersten Gehäuseelement des Gehäuses angeordnetes zweites Gehäuseelement des Dosierventils zu halten, und wobei der erste Anker eine Öffnung aufweist, durch welche sich ein Vorsprung des zweiten Gehäuseelements des Gehäuses erstreckt. Somit kann das zweite Gehäuseelement des Gehäuses in vorteilhafter Weise durch die Hülse gehalten werden.
Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.According to a further preferred development, it is provided that the sleeve is designed to hold a second housing element of the metering valve arranged adjacent to the first housing element of the housing, and wherein the first armature has an opening through which a projection of the second housing element of the housing extends. Thus, the second housing member of the housing can be advantageously held by the sleeve.
The described embodiments and developments can be combined with each other as desired.
Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung.Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations, not explicitly mentioned, of features of the invention described above or below with regard to the exemplary embodiments.
Figurenlistelist of figures
Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.The accompanying drawings are intended to provide further understanding of the embodiments of the invention. They illustrate embodiments and, together with the description, serve to explain principles and concepts of the invention.
Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.Other embodiments and many of the stated advantages will become apparent with reference to the drawings. The illustrated elements of the drawings are not necessarily shown to scale to each other.
Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines Teilabschnitts eines Dosierventils zum Zuführen von Gas an eine Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und -
2 eine Schnittansicht A-A des in1 gezeigten Dosierventils gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
-
1 a cross-sectional view of a portion of a metering valve for supplying gas to a fuel cell according to a preferred embodiment of the invention; and -
2 a sectional view AA of in1 shown metering valve according to the preferred embodiment of the invention.
In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures of the drawings, like reference characters designate like or functionally identical elements, components or components unless otherwise indicated.
Das Dosierventil
In der Düse
Der erste Anker
Die Einlassöffnung
Zwischen dem ersten Anker
Bei Anlegen eines Ansteuerstroms an eine Magnetspule
Aufgrund seiner größeren Abmessung und seiner näheren Anordnung relativ zur Magnetspule
Die Auslassöffnung
Der erste Anker
Das erste Verschlusselement
Zwischen dem ersten Anker
Zwischen dem zweiten Anker
Die Hülse
Der erste Anker
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto but is modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.
Beispielsweise kann eine Form, Abmessung und/oder eine Beschaffenheit der Komponenten des Dosierventils entsprechend jeweiliger baulicher bzw. konstruktiver Anforderungen abgeändert werden.For example, a shape, size and / or nature of the components of the metering valve can be modified according to respective structural or constructive requirements.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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