EP3642516A1 - Proportional valve for controlling a gaseous medium - Google Patents

Proportional valve for controlling a gaseous medium

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Publication number
EP3642516A1
EP3642516A1 EP18721985.2A EP18721985A EP3642516A1 EP 3642516 A1 EP3642516 A1 EP 3642516A1 EP 18721985 A EP18721985 A EP 18721985A EP 3642516 A1 EP3642516 A1 EP 3642516A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
valve
proportional valve
controlling
closing element
gaseous medium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP18721985.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Hans-Christoph Magel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3642516A1 publication Critical patent/EP3642516A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/0644—One-way valve
    • F16K31/0655—Lift valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32—Details
    • F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
    • F16K1/36—Valve members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32—Details
    • F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
    • F16K1/42—Valve seats
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
  • gaseous fuels are an alternative to conventional liquid fuels, especially hydrogen.
  • the gas streams are not discontinuously controlled as in the injection of liquid fuel, but it is for example proportional valves used, which adjust an opening cross-section depending on a desired drive power.
  • a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen
  • the proportional valve comprises a nozzle body, a closing element and an elastic sealing element.
  • the nozzle body In the nozzle body, at least one passage opening is formed, which can be released or closed by the closing element on a valve seat.
  • the elastic sealing element seals on the valve seat and has a recess with an inner wall area. The inner wall area is acted upon in the closed state of the proportional valve with pressure of the gaseous medium.
  • Proportional valves are characterized in that when using these only small pressure fluctuations in the anode path of a fuel cell occur and a quiet operation is guaranteed. In the normal operating range of the proportional valve, frequent opening and closing operations occur. To optimize flushing processes in the anode path of the fuel cell or for optimized operation of a suction jet pump in a fuel cell assembly, additional switching operations may also be desired. Frequent opening and closing of the proportional valve leads to wear on the valve seat, in particular if a closing element with an elastic sealing element, as shown in DE 10 2012 204 565 AI, is used.
  • the proportional valve according to the invention for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen has the advantage that even with frequent opening and closing operations of the proportional valve, the tightness of the valve seat is ensured and a reduction in the wear of the valve seat is achieved.
  • the proportional valve has a valve housing, on which a nozzle body is formed.
  • a closing element is arranged in the valve housing, with the closing element releasing or blocking at least one passage opening formed on the nozzle body on a valve seat formed on the nozzle body.
  • the closing element is guided so as to be movable in an axial guide in the nozzle body.
  • the closing element is guided, wherein the guide is advantageously formed directly in the component on which the valve seat is formed, namely the nozzle body.
  • the valve seat is formed as a flat valve seat.
  • an elastic seal between the closing element and the valve seat arranged element which seals on the valve seat.
  • an inflow space and an outflow space are formed in the valve housing, which can be connected to one another via the at least one passage opening.
  • a gas flow in particular hydrogen gas flow, can be ensured by the proportional valve in the direction of the anode region of the fuel cell.
  • the inflow space is divided by the closing element into a first inflow part space and a second inflow part space, the first inflow part space and the second inflow part space being connected to one another via longitudinal bores formed in the closing element.
  • a gas flow in particular hydrogen gas flow, can be achieved with the closing element open from the proportional valve in the direction of the anode region of the fuel cell.
  • a magnetic coil between an inner pole and an outer pole is arranged, wherein a received in the inner pole and the valve housing magnet armature can be moved by the solenoid coil.
  • the armature is firmly connected in a magnet armature space with a first connecting element, wherein the first connecting element is operatively connected to the closing element.
  • valve housing and the inner pole define a spring space in which spring space a first spring is arranged, wherein the first spring is supported on the end of the first connecting element facing away from the closing element and acts on the armature, which is operatively connected to the first connecting element, in the direction of the closing element.
  • the first spring ensures the operative connection of the first connecting element with the closing element, that is to say the permanent seating of the first connecting element on the closing element.
  • the spring chamber is connected via a first channel with the magnet armature space.
  • a passage bore is formed in the inner pole, wherein the first connecting element is received and guided in the passage bore.
  • the magnet armature space is connected via a second channel with the inflow space or the Ab strömraum. This also allows a pressure equalization between the armature space, the inflow space and the outflow space, so that the stroke of the armature is not affected by additional pneumatic forces within the armature space.
  • a second connecting element is arranged in the outflow space, wherein the second connecting element is operatively connected to the closing element.
  • a second spring in the outflow space arranged a second spring, wherein the second spring is supported on the second connecting element and on the valve housing. The second spring thus supports, depending on the orientation of the closing element, the tightness of the valve seat or the rapid and effective opening of the closing element, which contributes to an optimal functioning of the entire proportional valve.
  • the described proportional valve is preferably suitable in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to the anode region of a fuel cell.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a proportional valve according to the invention with a guided closing element in longitudinal section
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the proportional valve according to the invention with the guided closing element in longitudinal section
  • FIG. 4 shows a possible embodiment of a fuel cell arrangement with the proportional valve according to the invention from FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3 in a schematic representation.
  • Fig.l shows a first embodiment of a proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section.
  • the proportional valve 1 has a valve housing 2, in which an outer pole 4, an inner pole 8, a magnetic coil 6 and a nozzle body 20 are arranged.
  • a first passage bore 17 is formed, through which a first connecting element 14 projects, wherein the first connecting element 14 is guided axially in the first passage bore 17.
  • the first connecting element 14 is fixedly connected to a magnet armature 10, wherein between the magnet armature 10 and the valve housing 2, a magnetic air gap 12 is formed.
  • the inner pole 8 and the valve housing 2 define a spring chamber 19, in which a first spring 26 is arranged.
  • This first spring 26 is supported on the one hand on the valve housing 2 and on the other hand on the plate-shaped end 15 of the first connecting element 14 and acts on this with a force in the direction of the nozzle body 20.
  • limit the inner pole 8 and the valve housing 2 a magnet armature space 21, in which the magnet armature 10 fixedly connected to the first connecting element 14 is arranged.
  • the spring chamber 19 and the magnet armature space 21 are connected to each other via a first channel 7.
  • the valve housing 2 and the inner pole 8 are connected to each other via a spacer element 28, which is made of a non-magnetic material.
  • the nozzle body 20 is fixedly connected to the valve body 2, wherein the nozzle body 20 has a passage opening 27.
  • a closing element 18 is guided with an elastic sealing element 22 in an axial guide 16.
  • a flat valve seat 30 is formed, which cooperates with the elastic sealing element 22 of the closing element 18, so that when the closing element 18 rests with the elastic sealing element 22 on the flat valve seat 30, the passage opening 27 is closed.
  • the valve body 2 and the nozzle body 20 delimit an inflow space 34 in which gas, for example hydrogen, can flow through inlet openings 23 formed in the valve body 2. Via a supply opening 11, the gas comes up to the flat valve seat 30 zoom.
  • the inflow space 34 is connected to the armature space 21 via a second channel 9.
  • the first connecting element 14 protrudes from the magnet armature via a second passage bore 29 formed in the valve body 2. raum 21 in the inflow space 34 into and is guided axially on the second passage hole 29.
  • the first connecting element 14 sits with its closing element 18 facing the end 33 due to the spring force of the first spring 26 on the closing element 18 and is operatively connected thereto.
  • the end 33 of the first connecting element 14 is formed crowned in order to achieve a better balance of angular tolerances.
  • the nozzle body 20 and the valve body 2 further define an outflow space 36, in which a second connecting element 32 and a second spring 24 are arranged.
  • the second connecting element 32 is connected at one end firmly to the closing element 18, wherein the second spring 24 is supported on the one hand on the valve body 2 and on the other hand on the plate-shaped end 31 of the second connecting element 32 and a force on the second connecting element 32 in the direction of the closing element 18 exercises.
  • outlet openings 13 are arranged in the region of the outflow, through which the gas from the outflow chamber 36 and thus from the proportional valve 1, for example, in an inflow region 44 of a jet pump 46 (see Figure 4) can flow out.
  • the closing element 18 When the solenoid 6 is not energized, the closing element 18 is subjected to force by the spring force of the first spring 26 in the direction of the outlet openings 13 of the first connecting element 14, which bears against the closing element 18, so that the closing element 18 with the elastic sealing element 22 on the flat valve seat 30 is present. Via the second connecting element 32, the closing element 18 is subjected to a force in the direction of the armature 10 by the spring force of the second spring 24 in order to accelerate the lifting operation of the closing element 18 from the flat valve seat 30 when the magnet coil 6 is switched on.
  • the first spring 26 and the second spring 24 therefore act counter to the closing element 18, wherein the first spring 26 has a greater spring force than the second spring 24 to ensure the tightness of the valve seat 30.
  • the gas flow in the proportional valve 1 can be controlled and adjusted and optimized as needed, for example, in the metered addition of hydrogen to a fuel cell 51 (see Figure 4).
  • the magnetic force decreases, so that now outweighs the spring force of the first spring 26 and thereby moves the closing member 18 by means of the first connecting member 14 in conjunction with the armature 10 in the direction of the valve seat 30 and the elastic sealing element 22 seals again on the valve seat 30.
  • the gas flow in the proportional valve 1 is thus interrupted. Due to the axial guidance 16 of the closing element 18 in the nozzle body 20, radial movements of the closing element 18 are prevented, so that the closing element 18 always occupies the same position on the valve seat 30 and thus unnecessary wear is avoided.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. Components with the same function have been designated with the same reference numeral as in Fig.l. In contrast to the embodiment in Fig.l are the first connecting element 14, the armature 10 and the Closing element 18 as a component firmly connected. In this case, the second connecting element 32 and the second spring 24 can be omitted.
  • first connection element 14 is received only on the first passage bore 17 and axially guided.
  • the second channel 9 in the valve housing 2 is omitted.
  • the second passage hole 29 is omitted.
  • the basic structure and the operation of the second embodiment correspond to those of the first.
  • the closing element 18 is received and guided in the recess 25 of the nozzle body 20 as in the first embodiment.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. Components with the same function have been designated with the same reference numeral as in Fig.l.
  • the gas flow through the proportional valve 1 is reversed here, so that the outflow space 36 here corresponds to the inflow space 34 and vice versa.
  • the second connecting element 32 wherein the second spring 24 is now supported directly on the closing element 18.
  • the closing element 18 is also arranged here in the inflow space 34 and is guided in an axial guide 16 of the nozzle body 20.
  • the closing element 18 with the elastic sealing element 22 is pressed here via the second spring 24 to the flat valve seat 30.
  • bores 35 in this case longitudinal bores, are formed in the closing element 18, through which gas can flow in the direction of the outlet openings 13 when the valve seat 30 is open.
  • the inflow space 34 is divided by the closing element 18 into a first inflow part space 37 and a second inflow part space 38, which are connected to one another via the bores 35.
  • the closing element 18 When the solenoid 6 is not energized, the closing element 18 is pressed against the valve seat 30 via the second spring 24, so that the connection between the inflow space 34 and the outflow space 36 is interrupted and no gas flow is interrupted. flow takes place.
  • the first spring 26 counteracts the spring force of the second spring 24 and presses the first connecting element 14 to the closing element 18.
  • the spring force of the second spring 24 is greater than the spring force of the first spring 26 to ensure the tightness of the closing element 18 on the valve seat 30 ,
  • the stroke of the closing element 18 can be adjusted as in the first embodiment via the height of the current at the solenoid 6. The higher the current at the solenoid 6, the greater the stroke of the closing element 18 and the higher the gas flow in the proportional valve 1, since the force of the first spring 26 is stroke-dependent. If the current is reduced at the magnetic coil 6, and the stroke of the closing element 18 is reduced and thus the gas flow throttled.
  • the magnetic force is reduced to the armature 10, so that it moves again in the direction of the first spring 26 and the force is reduced to the closing element 18 by means of the first connecting element 14.
  • the closing element 18 follows the movement of the first connecting element 14 and seals with the elastic sealing element 22 on the valve seat 30.
  • the gas flow in the proportional valve 1 is interrupted, so that, for example, no more gas from the proportional valve 1 in the inflow region 44 of the jet pump 46 (see Figure 4) can flow.
  • the closing element 18 is guided over the axial guide 16 in the nozzle body 20 in order to avoid radial misalignments of the closing element 18.
  • FIG. 4 shows a possible embodiment of a fuel cell arrangement 100 with the proportional valve 1 according to the invention and with the jet pump 46, which is connected via a connecting line 50 to the fuel cell 51.
  • the fuel cell 51 comprises an anode region 52 and a cathode region 53.
  • a return line 54 is provided which connects the anode region 52 of the fuel cell 51 to the suction region 45 of the jet pump 46.
  • a first gaseous medium formed in the anode region 51 during operation of the fuel cell 51 which is essentially a mixture of hydrogen, nitrogen and water vapor, can be returned to the intake region 45.
  • a water separator 55 is provided with a shut-off valve 56, in order to be able to release the first gaseous medium located in the return line 54 to the outside if necessary.
  • a recirculation pump 57 arranged in the return line 54 after the water separator 55 leads the hydrogen, which is not used in the fuel cell 51, back into the suction region 45 of the jet pump 46.
  • a first pressure sensor 48 for detecting the pressure in the connecting line 50 is provided in the connecting line 50.
  • a second pressure sensor 49 for detecting the pressure in the return line 54 is provided in the return line 54.
  • the detected pressure values are supplied to a control unit 47 connected to the proportional valve 1 for controlling the pressure in the anode region 52 of the fuel cell 51.
  • the control unit 47 controls the magnitude of the current at the magnetic coil 6 of the proportional valve 1, by which the stroke of the closing element 18 is actuated, so that a flow cross section of the passage opening 27 is changed so that a demand-adjusted adjustment of the fuel cell 51 supplied gas flow continuously.
  • a pressure regulating valve 42 is provided which is connected to the control unit 20 to adjust a pressure at the inflow region 44 of the jet pump 46.
  • a first shut-off valve 40 and between the pressure regulating valve 42 and the proportional valve 1 a second shut-off valve 41 is also arranged.
  • the shut-off valves 40, 41 are also connected to the control unit 47 in order to interrupt the inflow of the second gaseous medium from the tank 39 to the pressure control valve or the inflow to the proportional valve 1, if necessary.
  • the proportional valve 1 for controlling a gaseous medium thus has the advantage that in this case the supply of the first gaseous medium and the metered addition of the second gaseous medium into the anode region 52 of the fuel cell 51 by means of electronically controlled adjustment of the flow cross section of the passage opening 27 with simultaneous control of Anoden horrs can be done much more accurately.
  • the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion.
  • consequential damage, such as damage to a downstream catalyst can be prevented.

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Abstract

The invention relates to a proportional valve (1) for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, comprising a valve housing (2), on which a nozzle body (20) is formed. A closing element (18) is arranged in the valve housing (2), wherein the closing element (18) releases or blocks at least one passage opening (27) formed on the nozzle body (20) on a valve seat (30) formed on the nozzle body (20). Moreover, the closing element (18) is movably guided in a reciprocating manner in an axial guide (16) in the nozzle body (20).

Description

Beschreibung  description
Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums Proportional valve for controlling a gaseous medium
Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb. The invention relates to a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
Stand der Technik State of the art
Im Bereich der Fahrzeugentwicklung sind gasförmige Kraftstoffe eine Alternative zu den herkömmlichen flüssigen Kraftstoffen, insbesondere Wasserstoff. Bei Fahrzeugen mit einer Brennstoffzelle als Antrieb ist es dabei notwendig, Wasserstoffgasströme zu steuern, wobei die Gasströme nicht diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert werden, sondern es werden beispielsweise Proportionalventile verwendet, welche in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt anpassen. In the field of vehicle development, gaseous fuels are an alternative to conventional liquid fuels, especially hydrogen. In vehicles with a fuel cell as a drive, it is necessary to control hydrogen gas flows, the gas streams are not discontinuously controlled as in the injection of liquid fuel, but it is for example proportional valves used, which adjust an opening cross-section depending on a desired drive power.
Die DE 10 2012 204 565 AI beschreibt ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Proportionalventil einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement um- fasst. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtelement dichtet dabei am Ventilsitz ab und weist eine Ausnehmung mit einem Innenwandbereich auf. Der Innenwandbereich ist im geschlossenen Zustand des Proportionalventils mit Druck des gasförmigen Mediums beaufschlagt. DE 10 2012 204 565 A1 describes a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, wherein the proportional valve comprises a nozzle body, a closing element and an elastic sealing element. In the nozzle body, at least one passage opening is formed, which can be released or closed by the closing element on a valve seat. The elastic sealing element seals on the valve seat and has a recess with an inner wall area. The inner wall area is acted upon in the closed state of the proportional valve with pressure of the gaseous medium.
Proportionalventile zeichnen sich dahingehend aus, dass bei Verwendung von diesen nur geringe Druckschwankungen im Anodenpfad einer Brennstoffzelle auftreten und ein leiser Betrieb gewährleistbar ist. Im normalen Betriebsbereich des Proportionalventils treten häufige Öffnungs- und Schließvorgänge auf. Zur Optimierung von Spülvorgängen im Anodenpfad der Brennstoffzelle oder zum optimierten Betrieb einer Saugstrahlpumpe in einer Brennstoffzellenanordnung können auch zusätzliche Schaltvorgänge gewünscht sein. Häufiges Öffnen und Schließen des Proportionalventils führt zu Verschleiß am Ventilsitz, insbesondere wenn ein Schließelement mit einem elastischen Dichtelement, wie in der DE 10 2012 204 565 AI gezeigt, verwendet wird. Proportional valves are characterized in that when using these only small pressure fluctuations in the anode path of a fuel cell occur and a quiet operation is guaranteed. In the normal operating range of the proportional valve, frequent opening and closing operations occur. To optimize flushing processes in the anode path of the fuel cell or for optimized operation of a suction jet pump in a fuel cell assembly, additional switching operations may also be desired. Frequent opening and closing of the proportional valve leads to wear on the valve seat, in particular if a closing element with an elastic sealing element, as shown in DE 10 2012 204 565 AI, is used.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auch bei häufigen Öffnungs- und Schließvorgängen des Proportionalventils die Dichtheit des Ventilsitzes gewährleistet ist und eine Reduzierung des Verschleißes des Ventilsitzes erzielt wird. Hierzu weist das Proportionalventil ein Ventilgehäuse auf, an welchem ein Düsenkörper ausgebildet ist. In dem Ventilgehäuse ist ein Schließelement angeordnet, wobei das Schließelement mindestens eine an dem Düsenkörper ausgebildete Durchlassöffnung an einem an dem Düsenkörper ausgebildeten Ventilsitz freigibt oder versperrt. Erfindungsgemäß ist das Schließelement hubbeweglich in einer axialen Führung in dem Düsenkörper geführt. The proportional valve according to the invention for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, has the advantage that even with frequent opening and closing operations of the proportional valve, the tightness of the valve seat is ensured and a reduction in the wear of the valve seat is achieved. For this purpose, the proportional valve has a valve housing, on which a nozzle body is formed. A closing element is arranged in the valve housing, with the closing element releasing or blocking at least one passage opening formed on the nozzle body on a valve seat formed on the nozzle body. According to the invention, the closing element is guided so as to be movable in an axial guide in the nozzle body.
Zur Verbesserung der Dichtheit des Ventils und zur Reduzierung von Verschleiß am Ventilsitz ist das Schließelement geführt, wobei die Führung vorteilhafterweise direkt in dem Bauteil ausgebildet ist, an dem der Ventilsitz ausgebildet ist, nämlich dem Düsenkörper. Dadurch wird neben einer optimierten Funktionsweise des Proportionalventils eine Erhöhung der Lebensdauer von diesem erzielt. To improve the tightness of the valve and to reduce wear on the valve seat, the closing element is guided, wherein the guide is advantageously formed directly in the component on which the valve seat is formed, namely the nozzle body. As a result, in addition to an optimized mode of operation of the proportional valve, an increase in the service life of this is achieved.
In einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass der Ventilsitz als flacher Ventilsitz ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Schließelement und dem Ventilsitz ein elastisches Dich- telement angeordnet, welches am Ventilsitz abdichtet. Durch die Verwendung eines flachen Ventilsitzes in Kombination eines elastischen Dichtelements zur Abdichtung am Ventilsitz kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Proportionalventils sichergestellt werden, so dass beispielsweise kein Wasserstoff aus dem Proportionalventil in Richtung eines Anodenbereichs einer Brennstoffzelle geleitet wird. In a first advantageous embodiment of the inventive concept, it is provided that the valve seat is formed as a flat valve seat. Advantageously, an elastic seal between the closing element and the valve seat arranged element which seals on the valve seat. By using a flat valve seat in combination with an elastic sealing element for sealing the valve seat, the tightness of the proportional valve can be ensured in a simple manner and without major structural changes, so that, for example, no hydrogen is passed from the proportional valve in the direction of an anode region of a fuel cell.
In weiteren vorteilhaften Ausführungen sind in dem Ventilgehäuse ein Zuströmraum und ein Abströmraum ausgebildet, welche über die mindestens eine Durchlassöffnung miteinander verbindbar sind. So kann ein Gasdurchfluss, insbesondere Wasserstoff-Gas-Durchfluss, durch das Proportionalventil in Richtung des Anodenbereichs der Brennstoffzelle gewährleistet werden. In further advantageous embodiments, an inflow space and an outflow space are formed in the valve housing, which can be connected to one another via the at least one passage opening. Thus, a gas flow, in particular hydrogen gas flow, can be ensured by the proportional valve in the direction of the anode region of the fuel cell.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass der Zuströmraum durch das Schließelement in einen ersten Zuströmteilraum und einen zweiten Zuströmteilraum aufgeteilt ist, wobei der erste Zuströmteilraum und der zweite Zuströmteilraum über in dem Schließelement ausgebildete Längsbohrungen miteinander verbunden sind. Dadurch kann ein Gasdurchfluss, insbesondere Wasserstoff- Gas-Durchfluss, bei geöffnetem Schließelement aus dem Proportionalventil in Richtung des Anodenbereichs der Brennstoffzelle erzielt werden. In an advantageous development, it is provided that the inflow space is divided by the closing element into a first inflow part space and a second inflow part space, the first inflow part space and the second inflow part space being connected to one another via longitudinal bores formed in the closing element. As a result, a gas flow, in particular hydrogen gas flow, can be achieved with the closing element open from the proportional valve in the direction of the anode region of the fuel cell.
In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Ventilgehäuse eine Magnetspule zwischen einem Innenpol und einem Außenpol angeordnet ist, wobei ein in dem Innenpol und dem Ventilgehäuse aufgenommener Magnetanker durch die Magnetspule hubbewegbar ist. Vorteilhafterweise ist der Magnetanker in einem Magnetankerraum mit einem ersten Verbindungselement fest verbunden, wobei das erste Verbindungselement mit dem Schließelement wirkverbunden ist. So kann bei Ansteuerung der Magnetspule das Schließelement mittels des Magnetankers von dem Ventilsitz abheben und die mindestens eine Durchlassöffnung freigeben. In further embodiments of the invention, it is advantageously provided that in the valve housing, a magnetic coil between an inner pole and an outer pole is arranged, wherein a received in the inner pole and the valve housing magnet armature can be moved by the solenoid coil. Advantageously, the armature is firmly connected in a magnet armature space with a first connecting element, wherein the first connecting element is operatively connected to the closing element. Thus, upon actuation of the magnetic coil, the closing element can lift off from the valve seat by means of the magnet armature and release the at least one passage opening.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens begrenzen das Ventilgehäuse und der Innenpol einen Federraum, in welchem Federraum eine erste Feder angeordnet ist, wobei sich die erste Feder an dem dem Schließelement abgewandten Ende des ersten Verbindungselements abstützt und den mit dem ersten Verbindungselement wirkverbundenen Magnetanker in Richtung des Schließelements kraftbeaufschlagt. Die erste Feder gewährleistet die Wirkverbundenheit des ersten Verbindungselements mit dem Schließelement, das heißt das ständige Aufsitzen des ersten Verbindungselements auf dem Schließelement. In further advantageous embodiments of the inventive idea, the valve housing and the inner pole define a spring space in which spring space a first spring is arranged, wherein the first spring is supported on the end of the first connecting element facing away from the closing element and acts on the armature, which is operatively connected to the first connecting element, in the direction of the closing element. The first spring ensures the operative connection of the first connecting element with the closing element, that is to say the permanent seating of the first connecting element on the closing element.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Federraum über einen ersten Kanal mit dem Magnetankerraum verbunden ist. Dadurch kann ein Druckausgleich zwischen dem Federraum und dem Magnetan kerraum hergestellt werden, so dass beispielsweise keine weiteren pneumatischen Kräfte auf das erste Verbindungselement oder den Magnetanker wirken und diese den Hub des ersten Verbindungselements und des Magnetankers nicht beeinflussen. In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the spring chamber is connected via a first channel with the magnet armature space. Thereby, a pressure equalization between the spring chamber and the Magnetan kerraum be made so that, for example, no further pneumatic forces acting on the first connecting element or the armature and they do not affect the stroke of the first connecting element and the armature.
In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in dem Innenpol eine Durchlassbohrung ausgebildet, wobei das erste Verbindungselement in der Durchlassbohrung aufgenommen und geführt ist. So kann eine zuverlässige Funktionsweise des Proportionalventils bei optimaler Bauraumnutzung gewährleistet werden. In an advantageous embodiment of the inventive concept, a passage bore is formed in the inner pole, wherein the first connecting element is received and guided in the passage bore. Thus, a reliable operation of the proportional valve can be ensured with optimal space utilization.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Magnetankerraum über einen zweiten Kanal mit dem Zuströmraum oder dem Ab strömraum verbunden ist. Dies ermöglicht ebenfalls einen Druckausgleich zwischen dem Magnetankerraum, dem Zuströmraum und dem Abströmraum, so dass der Hub des Magnetankers nicht durch zusätzliche pneumatische Kräfte innerhalb des Magnetankerraums beeinflusst wird. In a further embodiment of the invention, it is advantageously provided that the magnet armature space is connected via a second channel with the inflow space or the Ab strömraum. This also allows a pressure equalization between the armature space, the inflow space and the outflow space, so that the stroke of the armature is not affected by additional pneumatic forces within the armature space.
In vorteilhaften Ausführungen der Erfindung ist in dem Abströmraum ein zweites Verbindungselement angeordnet, wobei das zweite Verbindungselement mit dem Schließelement wirkverbunden ist. Vorteilhafterweise ist in dem Abströmraum eine zweite Feder angeordnet, wobei sich die zweite Feder an dem zweiten Verbindungselement und an dem Ventilgehäuse abstützt. Die zweite Feder unterstützt somit je nach Ausrichtung des Schließelements die Dichtheit des Ventilsitzes oder das schnelle und effektive Öffnen des Schließelements, was zu einer optimalen Funktionsweise des gesamten Proportionalventils beiträgt. In advantageous embodiments of the invention, a second connecting element is arranged in the outflow space, wherein the second connecting element is operatively connected to the closing element. Advantageously, in the outflow space arranged a second spring, wherein the second spring is supported on the second connecting element and on the valve housing. The second spring thus supports, depending on the orientation of the closing element, the tightness of the valve seat or the rapid and effective opening of the closing element, which contributes to an optimal functioning of the entire proportional valve.
Das beschriebene Proportionalventil eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu dem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. The described proportional valve is preferably suitable in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to the anode region of a fuel cell.
Zeichnungen drawings
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Proportionalventils zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in In the drawing, embodiments of a proportional valve according to the invention for controlling a gas supply, in particular hydrogen to a fuel cell, are shown. It shows in
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils mit einem geführten Schließelement im Längsschnitt,1 shows a first embodiment of a proportional valve according to the invention with a guided closing element in longitudinal section,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils mit dem geführten Schließelement im Längsschnitt,2 shows a second embodiment of the proportional valve according to the invention with the guided closing element in longitudinal section,
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils mit dem geführten Schließelement im Längsschnitt,3 shows a third embodiment of the proportional valve according to the invention with the guided closing element in longitudinal section,
Fig. 4 eine mögliche Ausführung einer Brennstoffzellenanordnung mit dem erfindungsgemäßen Proportionalventil aus Fig. 1, Fig. 2 oder Fig. 3 in schematischer Darstellung. 4 shows a possible embodiment of a fuel cell arrangement with the proportional valve according to the invention from FIG. 1, FIG. 2 or FIG. 3 in a schematic representation.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the embodiments
Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Das Proportionalventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, in welchem ein Außenpol 4, ein Innenpol 8, eine Magnetspule 6 und ein Düsenkörper 20 angeordnet sind. In dem Innenpol 8 ist eine erste Durchlassbohrung 17 ausgebildet, durch welche ein erstes Verbindungselement 14 ragt, wobei das erste Verbindungselement 14 in der ersten Durchlassbohrung 17 axial geführt ist. Das erste Verbindungselement 14 ist mit einem Magnetanker 10 fest verbunden, wobei zwischen dem Magnetanker 10 und dem Ventilgehäuse 2 ein Magnetluftspalt 12 ausgebildet ist. Fig.l shows a first embodiment of a proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. The proportional valve 1 has a valve housing 2, in which an outer pole 4, an inner pole 8, a magnetic coil 6 and a nozzle body 20 are arranged. In the inner pole 8, a first passage bore 17 is formed, through which a first connecting element 14 projects, wherein the first connecting element 14 is guided axially in the first passage bore 17. The first connecting element 14 is fixedly connected to a magnet armature 10, wherein between the magnet armature 10 and the valve housing 2, a magnetic air gap 12 is formed.
Der Innenpol 8 und das Ventilgehäuse 2 begrenzen einen Federraum 19, in welchem eine erste Feder 26 angeordnet ist. Diese erste Feder 26 stützt sich einerseits an dem Ventilgehäuse 2 und andererseits an dem tellerförmigen Ende 15 des ersten Verbindungselements 14 ab und beaufschlagt diesen mit einer Kraft in Richtung des Düsenkörpers 20. Zusätzlich begrenzen der Innenpol 8 und das Ventilgehäuse 2 einen Magnetankerraum 21, in welchem der mit dem ersten Verbindungselement 14 fest verbundene Magnetanker 10 angeordnet ist. Der Federraum 19 und der Magnetankerraum 21 sind über einen ersten Kanal 7 miteinander verbunden. Das Ventilgehäuse 2 und der Innenpol 8 sind über ein Distanzbuchsenelement 28, welches aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist, miteinander verbunden. The inner pole 8 and the valve housing 2 define a spring chamber 19, in which a first spring 26 is arranged. This first spring 26 is supported on the one hand on the valve housing 2 and on the other hand on the plate-shaped end 15 of the first connecting element 14 and acts on this with a force in the direction of the nozzle body 20. In addition, limit the inner pole 8 and the valve housing 2 a magnet armature space 21, in which the magnet armature 10 fixedly connected to the first connecting element 14 is arranged. The spring chamber 19 and the magnet armature space 21 are connected to each other via a first channel 7. The valve housing 2 and the inner pole 8 are connected to each other via a spacer element 28, which is made of a non-magnetic material.
Der Düsenkörper 20 ist fest mit dem Ventilkörper 2 verbunden, wobei der Düsenkörper 20 eine Durchlassöffnung 27 aufweist. In einer Ausnehmung 25 des Düsenkörpers 20 ist in einer axialen Führung 16 ein Schließelement 18 mit einem elastischen Dichtelement 22 geführt. An dem Düsenkörper 20 ist ein flacher Ventilsitz 30 ausgebildet, welcher mit dem elastischen Dichtelement 22 des Schließelements 18 zusammenwirkt, so dass beim Aufliegen des Schließelements 18 mit dem elastischen Dichtelement 22 auf dem flachen Ventilsitz 30 die Durchlassöffnung 27 geschlossen ist. The nozzle body 20 is fixedly connected to the valve body 2, wherein the nozzle body 20 has a passage opening 27. In a recess 25 of the nozzle body 20, a closing element 18 is guided with an elastic sealing element 22 in an axial guide 16. On the nozzle body 20, a flat valve seat 30 is formed, which cooperates with the elastic sealing element 22 of the closing element 18, so that when the closing element 18 rests with the elastic sealing element 22 on the flat valve seat 30, the passage opening 27 is closed.
Bei geschlossener Durchlassöffnung 27 begrenzen der Ventilkörper 2 und der Düsenkörper 20 einen Zuströmraum 34, in welchen durch in dem Ventilkörper 2 ausgebildete Eintrittsöffnungen 23 Gas, beispielsweise Wasserstoff, einströmen kann. Über eine Zufuhröffnung 11 tritt das Gas bis an den flachen Ventilsitz 30 heran. Der Zuströmraum 34 ist über einen zweiten Kanal 9 mit dem Magnetankerraum 21 verbunden. Das erste Verbindungselement 14 ragt über eine in dem Ventilkörper 2 ausgebildete zweite Durchlassbohrung 29 von dem Magnetanker- räum 21 in den Zuströmraum 34 hinein und wird an der zweiten Durchlassbohrung 29 axial geführt. Weiterhin sitzt das erste Verbindungselement 14 mit seinem dem Schließelement 18 zugewandten Ende 33 aufgrund der Federkraft der ersten Feder 26 an dem Schließelement 18 auf und ist mit diesem wirkverbunden. Dabei ist das Ende 33 des ersten Verbindungselements 14 ballig ausgebildet, um einen besseren Ausgleich von Winkeltoleranzen zu erzielen. When the passage opening 27 is closed, the valve body 2 and the nozzle body 20 delimit an inflow space 34 in which gas, for example hydrogen, can flow through inlet openings 23 formed in the valve body 2. Via a supply opening 11, the gas comes up to the flat valve seat 30 zoom. The inflow space 34 is connected to the armature space 21 via a second channel 9. The first connecting element 14 protrudes from the magnet armature via a second passage bore 29 formed in the valve body 2. raum 21 in the inflow space 34 into and is guided axially on the second passage hole 29. Furthermore, the first connecting element 14 sits with its closing element 18 facing the end 33 due to the spring force of the first spring 26 on the closing element 18 and is operatively connected thereto. In this case, the end 33 of the first connecting element 14 is formed crowned in order to achieve a better balance of angular tolerances.
Der Düsenkörper 20 und der Ventilkörper 2 begrenzen weiterhin einen Abströmraum 36, in welchem ein zweites Verbindungselement 32 und eine zweite Feder 24 angeordnet sind. Das zweite Verbindungselement 32 ist mit einem Ende fest mit dem Schließelement 18 verbunden, wobei sich die zweite Feder 24 einerseits an dem Ventilkörper 2 und andererseits an dem tellerförmigen Ende 31 des zweiten Verbindungselements 32 abstützt und eine Kraft auf das zweite Verbindungselement 32 in Richtung des Schließelements 18 ausübt. In dem Ventilkörper 2 sind im Bereich des Abströmraums 36 Austrittsöffnungen 13 angeordnet, durch welche das Gas aus dem Abströmraum 36 und somit aus dem Proportionalventil 1 beispielsweise in einen Zuströmbereich 44 einer Strahlpumpe 46 (siehe Fig.4) ausströmen kann. The nozzle body 20 and the valve body 2 further define an outflow space 36, in which a second connecting element 32 and a second spring 24 are arranged. The second connecting element 32 is connected at one end firmly to the closing element 18, wherein the second spring 24 is supported on the one hand on the valve body 2 and on the other hand on the plate-shaped end 31 of the second connecting element 32 and a force on the second connecting element 32 in the direction of the closing element 18 exercises. In the valve body 2 36 outlet openings 13 are arranged in the region of the outflow, through which the gas from the outflow chamber 36 and thus from the proportional valve 1, for example, in an inflow region 44 of a jet pump 46 (see Figure 4) can flow out.
Funktionsweise des Proportionalventils 1 im ersten Ausführungsbeispiel Operation of the proportional valve 1 in the first embodiment
Bei nicht bestromter Magnetspule 6 wird das Schließelement 18 von dem ersten Verbindungselement 14, welches an dem Schließelement 18 anliegt, durch die Federkraft der ersten Feder 26 in Richtung der Austrittsöffnungen 13 kraftbeaufschlagt, so dass das Schließelement 18 mit dem elastischen Dichtelement 22 an dem flachen Ventilsitz 30 anliegt. Über das zweite Verbindungselement 32 wird das Schließelement 18 durch die Federkraft der zweiten Feder 24 in Richtung des Magnetankers 10 kraftbeaufschlagt, um bei eingeschalteter Magnetspule 6 den Abhebvorgang des Schließelements 18 von dem flachen Ventilsitz 30 zu beschleunigen. Die erste Feder 26 und die zweite Feder 24 wirken daher entgegengerichtet auf das Schließelement 18, wobei die erste Feder 26 eine größere Federkraft aufweist als die zweite Feder 24, um die Dichtheit des Ventilsitzes 30 zu gewährleisten. Wird die Magnetspule 6 bestromt, wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 10 erzeugt, welche der Federkraft der ersten Feder 26 entgegengerichtet ist. Dadurch bewegt sich der Magnetanker 10 in Richtung der ersten Feder 26, so dass die Kraft auf das Schließelement 18 durch das ersten Verbindungselement 14, welcher fest mit dem Magnetanker 10 verbunden ist, reduziert wird. Das elastische Dichtelement 22 folgt der Bewegung des ersten Verbindungselements 14 und hebt von dem Dichtsitz 30 ab. Die Durchlassöffnung 27 ist nun freigegeben, so dass das Gas aus dem Zuströmraum 34 über die Zufuhröffnung 11, den Abströmraum 36 und die Austrittsöffnungen 13 in den Zuströmbereich 44 der Strahlpumpe 46 (siehe Fig.4) strömen kann. When the solenoid 6 is not energized, the closing element 18 is subjected to force by the spring force of the first spring 26 in the direction of the outlet openings 13 of the first connecting element 14, which bears against the closing element 18, so that the closing element 18 with the elastic sealing element 22 on the flat valve seat 30 is present. Via the second connecting element 32, the closing element 18 is subjected to a force in the direction of the armature 10 by the spring force of the second spring 24 in order to accelerate the lifting operation of the closing element 18 from the flat valve seat 30 when the magnet coil 6 is switched on. The first spring 26 and the second spring 24 therefore act counter to the closing element 18, wherein the first spring 26 has a greater spring force than the second spring 24 to ensure the tightness of the valve seat 30. If the magnetic coil 6 is energized, a magnetic force is generated on the armature 10, which is opposite to the spring force of the first spring 26. As a result, the magnet armature 10 moves in the direction of the first spring 26, so that the force on the closing element 18 through the first connecting element 14, which is fixedly connected to the armature 10, is reduced. The elastic sealing element 22 follows the movement of the first connecting element 14 and lifts off from the sealing seat 30. The passage opening 27 is now released, so that the gas from the inflow space 34 via the supply port 11, the outflow space 36 and the outlet openings 13 in the inflow region 44 of the jet pump 46 (see Figure 4) can flow.
Wird die Stromstärke an der Magnetspule 6 erhöht, so führt dies zu einem größeren Öffnungshub des Schließelements 18, da die Kraft der ersten Feder 26 hubabhängig ist. Bei einer Reduzierung der Stromstärke wird der Öffnungshub des Schließelements 18 verkleinert. Durch Variation der Stromstärke an der Magnetspule 6 kann daher der Gasdurchfluss in dem Proportionalventil 1 gesteuert werden und je nach Bedarf, beispielsweise bei der Zudosierung von Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle 51 (siehe Fig.4), angepasst und optimiert werden. If the current intensity at the magnetic coil 6 is increased, this leads to a larger opening stroke of the closing element 18, since the force of the first spring 26 is stroke-dependent. When the current intensity is reduced, the opening stroke of the closing element 18 is reduced. By varying the current intensity at the magnetic coil 6, therefore, the gas flow in the proportional valve 1 can be controlled and adjusted and optimized as needed, for example, in the metered addition of hydrogen to a fuel cell 51 (see Figure 4).
Bei Beendigung der Bestromung der Magnetspule 6 baut sich die magnetische Kraft ab, so dass nun wieder die Federkraft der ersten Feder 26 überwiegt und sich dadurch das Schließelement 18 mittels des ersten Verbindungselements 14 in Verbindung mit dem Magnetanker 10 in Richtung des Ventilsitzes 30 bewegt und das elastische Dichtelement 22 wieder am Ventilsitz 30 abdichtet. Der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1 ist somit unterbrochen. Durch die axiale Führung 16 des Schließelements 18 in dem Düsenkörper 20 werden radiale Bewegungen des Schließelements 18 unterbunden, so dass das Schließelement 18 immer die gleiche Position an dem Ventilsitz 30 einnimmt und somit unnötiger Verschleiß vermieden wird. Upon completion of the energization of the solenoid 6, the magnetic force decreases, so that now outweighs the spring force of the first spring 26 and thereby moves the closing member 18 by means of the first connecting member 14 in conjunction with the armature 10 in the direction of the valve seat 30 and the elastic sealing element 22 seals again on the valve seat 30. The gas flow in the proportional valve 1 is thus interrupted. Due to the axial guidance 16 of the closing element 18 in the nozzle body 20, radial movements of the closing element 18 are prevented, so that the closing element 18 always occupies the same position on the valve seat 30 and thus unnecessary wear is avoided.
Fig.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet wie in Fig.l. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig.l sind das erste Verbindungselement 14, der Magnetanker 10 und das Schließelement 18 als ein Bauteil fest miteinander verbunden. In diesem Fall kann das zweite Verbindungselement 32 und die zweite Feder 24 entfallen. 2 shows a second embodiment of the proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. Components with the same function have been designated with the same reference numeral as in Fig.l. In contrast to the embodiment in Fig.l are the first connecting element 14, the armature 10 and the Closing element 18 as a component firmly connected. In this case, the second connecting element 32 and the second spring 24 can be omitted.
Weiterhin ist das erste Verbindungselement 14 lediglich an der ersten Durchlassbohrung 17 aufgenommen und axial geführt. Der zweite Kanal 9 in dem Ventilgehäuse 2 entfällt. Die zweite Durchlassbohrung 29 entfällt. Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen dem des ersten. Das Schließelement 18 ist wie im ersten Ausführungsbeispiel in der Ausnehmung 25 des Düsenkörpers 20 aufgenommen und geführt. Furthermore, the first connection element 14 is received only on the first passage bore 17 and axially guided. The second channel 9 in the valve housing 2 is omitted. The second passage hole 29 is omitted. The basic structure and the operation of the second embodiment correspond to those of the first. The closing element 18 is received and guided in the recess 25 of the nozzle body 20 as in the first embodiment.
Fig.3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet wie in Fig.l. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig.l erfolgt der Gasdurchfluss durch das Proportionalventil 1 hier umgekehrt, so dass der Abströmraum 36 hier dem Zuströmraum 34 entspricht und umgekehrt. Selbiges gilt für die Eintrittsöffnungen 23 und die Austrittsöffnungen 13. Außerdem entfällt im zweiten Ausführungsbeispiel das zweite Verbindungselement 32, wobei sich die zweite Feder 24 nun direkt an dem Schließelement 18 abstützt. Das Schließelement 18 ist auch hier in dem Zuströmraum 34 angeordnet und ist in einer axialen Führung 16 des Düsenkörpers 20 geführt. Das Schließelement 18 mit dem elastischen Dichtelement 22 wird hier über die zweite Feder 24 an den flachen Ventilsitz 30 gedrückt. Weiterhin sind in dem Schließelement 18 Bohrungen 35, hier Längsbohrungen, ausgebildet, durch welche bei geöffnetem Ventilsitz 30 Gas in Richtung der Austrittsöffnungen 13 strömen kann. Der Zuströmraum 34 ist durch das Schließelement 18 in einen ersten Zuströmteilraum 37 und einen zweiten Zuströmteilraum 38 aufgeteilt, welche über die Bohrungen 35 miteinander verbunden sind. 3 shows a third embodiment of the proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. Components with the same function have been designated with the same reference numeral as in Fig.l. In contrast to the embodiment in Fig.l the gas flow through the proportional valve 1 is reversed here, so that the outflow space 36 here corresponds to the inflow space 34 and vice versa. The same applies to the inlet openings 23 and the outlet openings 13. Also omitted in the second embodiment, the second connecting element 32, wherein the second spring 24 is now supported directly on the closing element 18. The closing element 18 is also arranged here in the inflow space 34 and is guided in an axial guide 16 of the nozzle body 20. The closing element 18 with the elastic sealing element 22 is pressed here via the second spring 24 to the flat valve seat 30. Furthermore, bores 35, in this case longitudinal bores, are formed in the closing element 18, through which gas can flow in the direction of the outlet openings 13 when the valve seat 30 is open. The inflow space 34 is divided by the closing element 18 into a first inflow part space 37 and a second inflow part space 38, which are connected to one another via the bores 35.
Funktionsweise des Proportionalventils 1 im zweiten Ausführungsbeispiel Operation of the proportional valve 1 in the second embodiment
Bei nicht bestromter Magnetspule 6 wird das Schließelement 18 über die zweite Feder 24 an den Ventilsitz 30 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Zuströmraum 34 und dem Abströmraum 36 unterbrochen ist und kein Gasdurch- fluss erfolgt. Die erste Feder 26 wirkt der Federkraft der zweiten Feder 24 entgegen und drückt das erste Verbindungselement 14 an das Schließelement 18. Die Federkraft der zweiten Feder 24 ist größer als die Federkraft der ersten Feder 26, um die Dichtheit des Schließelements 18 am Ventilsitz 30 zu gewährleisten. When the solenoid 6 is not energized, the closing element 18 is pressed against the valve seat 30 via the second spring 24, so that the connection between the inflow space 34 and the outflow space 36 is interrupted and no gas flow is interrupted. flow takes place. The first spring 26 counteracts the spring force of the second spring 24 and presses the first connecting element 14 to the closing element 18. The spring force of the second spring 24 is greater than the spring force of the first spring 26 to ensure the tightness of the closing element 18 on the valve seat 30 ,
Wird die Magnetspule 6 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 10 in Richtung des Schließelements 18 erzeugt. Diese magnetische Kraft wird über das erste Verbindungselement 14 auf das Schließelement 18 übertragen, so dass mit Hilfe der Federkraft der ersten Feder 26 die zweite Feder 24 überkompensiert wird und das Schließelement 18 vom Ventilsitz 30 abhebt und sich in Richtung der Eintrittsöffnungen 23 bewegt. Ein Gasdurchfluss vom Zuströmraum 34 des Proportionalventils 1 über die Längsbohrungen 35, die Durchlassöffnung 27, den Abströmraum 36 und die Austrittsöffnungen 13 beispielsweise in den Zuströmbereich 44 der Strahlpumpe 46 (siehe Fig.4) ist freigegeben. When the magnetic coil 6 is energized, a magnetic force is generated on the armature 10 in the direction of the closing element 18. This magnetic force is transmitted via the first connecting element 14 to the closing element 18, so that with the aid of the spring force of the first spring 26, the second spring 24 is overcompensated and lifts the closing element 18 from the valve seat 30 and moves in the direction of the inlet openings 23. A gas flow from the inflow space 34 of the proportional valve 1 via the longitudinal bores 35, the passage opening 27, the outflow chamber 36 and the outlet openings 13, for example in the inflow region 44 of the jet pump 46 (see Figure 4) is released.
Der Hub des Schließelements 18 kann wie im ersten Ausführungsbeispiel über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 6 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 6, desto größer ist der Hub des Schließelements 18 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1, da die Kraft der ersten Feder 26 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 6 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 18 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt. The stroke of the closing element 18 can be adjusted as in the first embodiment via the height of the current at the solenoid 6. The higher the current at the solenoid 6, the greater the stroke of the closing element 18 and the higher the gas flow in the proportional valve 1, since the force of the first spring 26 is stroke-dependent. If the current is reduced at the magnetic coil 6, and the stroke of the closing element 18 is reduced and thus the gas flow throttled.
Wird der Strom an der Magnetspule 6 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 10 abgebaut, so dass sich dieser wieder in Richtung der ersten Feder 26 bewegt und die Kraft auf das Schließelement 18 mittels des ersten Verbindungselements 14 reduziert wird. Das Schließelement 18 folgt der Bewegung des ersten Verbindungselements 14 und dichtet mit dem elastischen Dichtelement 22 an dem Ventilsitz 30 ab. Der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1 ist unterbrochen, so dass beispielsweise kein Gas mehr aus dem Proportionalventil 1 in den Zuströmbereich 44 der Strahlpumpe 46 (siehe Fig.4) strömen kann. Auch im zweiten Ausführungsbeispiel des Proportionalventils 1 ist das Schließelement 18 über die axiale Führung 16 in dem Düsenkörper 20 geführt, um radiale Fehlstellungen des Schließelements 18 zu vermeiden. Fig.4 zeigt eine mögliche Ausführung einer Brennstoffzellenanordnung 100 mit dem erfindungsgemäßen Proportionalventil 1 und mit der Strahlpumpe 46, welche über eine Verbindungsleitung 50 mit der Brennstoffzelle 51 verbunden ist. Die Brennstoffzelle 51 umfasst einen Anodenbereich 52 und einen Kathodenbereich 53. Zudem ist eine Rückführleitung 54 vorgesehen, die den Anodenbereich 52 der Brennstoffzelle 51 mit dem Ansaugbereich 45 der Strahlpumpe 46 verbindet. Mittels der Rückführleitung 54 kann ein im Anodenbereich 51 beim Betrieb der Brennstoffzelle 51 entstehende erste gasförmige Medium, das im Wesentlichen ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf ist, zum Ansaugbereich 45 zurückgeführt werden. In der Rückführleitung 54 ist ein Wasser- abscheider 55 mit einem Absperrventil 56 vorgesehen, um das in der Rückführleitung 54 befindliche erste gasförmige Medium ggf. nach außen freigeben zu können. Eine in der Rückführleitung 54 nach dem Wasserabscheider 55 angeordnete Rezirkulationspumpe 57 führt den in der Brennstoffzelle 51 nicht verwendeten Wasserstoff wieder zurück in den Ansaugbereich 45 der Strahlpumpe 46. If the current is interrupted at the magnetic coil 6, the magnetic force is reduced to the armature 10, so that it moves again in the direction of the first spring 26 and the force is reduced to the closing element 18 by means of the first connecting element 14. The closing element 18 follows the movement of the first connecting element 14 and seals with the elastic sealing element 22 on the valve seat 30. The gas flow in the proportional valve 1 is interrupted, so that, for example, no more gas from the proportional valve 1 in the inflow region 44 of the jet pump 46 (see Figure 4) can flow. Also in the second embodiment of the proportional valve 1, the closing element 18 is guided over the axial guide 16 in the nozzle body 20 in order to avoid radial misalignments of the closing element 18. 4 shows a possible embodiment of a fuel cell arrangement 100 with the proportional valve 1 according to the invention and with the jet pump 46, which is connected via a connecting line 50 to the fuel cell 51. The fuel cell 51 comprises an anode region 52 and a cathode region 53. In addition, a return line 54 is provided which connects the anode region 52 of the fuel cell 51 to the suction region 45 of the jet pump 46. By means of the return line 54, a first gaseous medium formed in the anode region 51 during operation of the fuel cell 51, which is essentially a mixture of hydrogen, nitrogen and water vapor, can be returned to the intake region 45. In the return line 54, a water separator 55 is provided with a shut-off valve 56, in order to be able to release the first gaseous medium located in the return line 54 to the outside if necessary. A recirculation pump 57 arranged in the return line 54 after the water separator 55 leads the hydrogen, which is not used in the fuel cell 51, back into the suction region 45 of the jet pump 46.
In der Verbindungsleitung 50 ist ein erster Drucksensor 48 zur Erfassung des Drucks in der Verbindungsleitung 50 vorgesehen. Ferner ist in der Rückführleitung 54 ein zweiter Drucksensor 49 zur Erfassung des Drucks in der Rückführleitung 54 vorgesehen. Die erfassten Druckwerte werden einer mit dem Proportio- nalventil 1 verbundenen Steuereinheit 47 zur Steuerung des Drucks im Anodenbereich 52 der Brennstoffzelle 51 zugeführt. Die Steuereinheit 47 steuert die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 6 des Proportionalventils 1 , durch welche der Hub des Schließelements 18 betätigt wird, damit ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 27 derart verändert wird, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle 51 zugeführten Gasströmung erfolgt. In the connecting line 50, a first pressure sensor 48 for detecting the pressure in the connecting line 50 is provided. Further, in the return line 54, a second pressure sensor 49 for detecting the pressure in the return line 54 is provided. The detected pressure values are supplied to a control unit 47 connected to the proportional valve 1 for controlling the pressure in the anode region 52 of the fuel cell 51. The control unit 47 controls the magnitude of the current at the magnetic coil 6 of the proportional valve 1, by which the stroke of the closing element 18 is actuated, so that a flow cross section of the passage opening 27 is changed so that a demand-adjusted adjustment of the fuel cell 51 supplied gas flow continuously.
Ein im Tank 39 gespeichertes zweites gasförmiges Medium, hier Wasserstoff, wird über das Proportionalventil 1 dem Zuströmbereich 44 der Strahlpumpe 46 zugeführt. In der Zuströmleitung 43 ist ein Druckregelventil 42 vorgesehen, das mit der Steuereinheit 20 verbunden ist, um einen Druck am Zuströmbereich 44 der Strahlpumpe 46 einzustellen. Zwischen dem Druckregelventil 42 und dem Tank 39 ist zudem ein erstes Absperrventil 40 und zwischen dem Druckregelventil 42 und dem Proportionalventil 1 ein zweites Absperrventil 41 angeordnet. Die Absperrventile 40, 41 sind ebenfalls mit der Steuereinheit 47 verbunden, um ggf. den Zustrom des zweiten gasförmigen Mediums aus dem Tank 39 zum Druckregelventil bzw. den Zustrom weiter zum Proportionalventil 1 zu unterbrechen. A stored in the tank 39 second gaseous medium, here hydrogen, is supplied via the proportional valve 1 to the inflow region 44 of the jet pump 46. In the inflow line 43, a pressure regulating valve 42 is provided which is connected to the control unit 20 to adjust a pressure at the inflow region 44 of the jet pump 46. Between the pressure regulating valve 42 and the tank 39, a first shut-off valve 40 and between the pressure regulating valve 42 and the proportional valve 1, a second shut-off valve 41 is also arranged. The shut-off valves 40, 41 are also connected to the control unit 47 in order to interrupt the inflow of the second gaseous medium from the tank 39 to the pressure control valve or the inflow to the proportional valve 1, if necessary.
Das Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums weist somit den Vorteil auf, dass hierbei die Zuführung des ersten gasförmigen Mediums und die Zudosierung des zweiten gasförmigen Mediums in den Anodenbereich 52 der Brennstoffzelle 51 mittels der elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchlassöffnung 27 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter erfolgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folgeschäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden. The proportional valve 1 for controlling a gaseous medium thus has the advantage that in this case the supply of the first gaseous medium and the metered addition of the second gaseous medium into the anode region 52 of the fuel cell 51 by means of electronically controlled adjustment of the flow cross section of the passage opening 27 with simultaneous control of Anodendrucks can be done much more accurately. As a result, the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion. In addition, consequential damage, such as damage to a downstream catalyst can be prevented.

Claims

Ansprüche claims
1. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), an welchem ein Düsenkörper (20) ausgebildet ist, wobei in dem Ventilgehäuse (2) ein Schließelement (18) angeordnet ist, wobei das Schließelement (18) mindestens eine an dem Düsenkörper (20) ausgebildete Durchlassöffnung (27) an einem an dem Düsenkörper (20) ausgebildeten Ventilsitz (30) freigibt oder versperrt, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (18) hubbeweglich in einer axialen Führung (16) in dem Düsenkörper (20) geführt ist. 1. proportional valve (1) for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, with a valve housing (2) on which a nozzle body (20) is formed, wherein in the valve housing (2) a closing element (18) is arranged, wherein the closing element (18) at least one of the nozzle body (20) formed passage opening (27) on a valve body (20) formed on the valve seat (30) releases or obstructed, characterized in that the closing element (18) liftable in an axial guide (16) is guided in the nozzle body (20).
2. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (30) als flacher Ventilsitz (30) ausgebildet ist. 2. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 1, characterized in that the valve seat (30) is designed as a flat valve seat (30).
3. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schließelement (18) und dem Ventilsitz (30) ein elastisches Dichtelement (22) angeordnet ist, welches am Ventilsitz (30) abdichtet. 3. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 2, characterized in that between the closing element (18) and the valve seat (30) an elastic sealing element (22) is arranged, which seals on the valve seat (30).
4. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilgehäuse (2) ein Zuströmraum (34) und ein Abströmraum (36) ausgebildet sind, welche über die mindestens eine Durchlassöffnung (27) miteinander verbindbar sind. 4. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 1, 2 or 3, characterized in that in the valve housing (2) an inflow space (34) and an outflow space (36) are formed, which via the at least one passage opening ( 27) are connectable to each other.
5. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmraum (34) durch das Schließelement (18) in einen ersten Zuströmteilraum (37) und einen zweiten Zuströmteilraum (38) aufgeteilt ist, wobei der erste Zuströmteilraum (37) und der zweite Zuströmteilraum (38) über in dem Schließelement (18) ausgebildete Bohrungen (35) miteinander verbunden sind. 5. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 4, characterized in that the inflow space (34) is divided by the closing element (18) into a first inflow part space (37) and a second inflow part space (38), the first one Inflow part space (37) and the second inflow part space (38) in the closing element (18) formed holes (35) are interconnected.
6. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilge- häuse (2) eine Magnetspule (6) zwischen einem Innenpol (8) und einem Außenpol (4) angeordnet ist, wobei ein in dem Innenpol (8) und dem Ventilgehäuse (2) aufgenommener Magnetanker (10) durch die Magnetspule (6) hubbewegbar ist. 6. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to one of the preceding claims, characterized in that in the valve housing (2) a magnetic coil (6) between an inner pole (8) and an outer pole (4) is arranged, wherein a in the inner pole (8) and the valve housing (2) received magnet armature (10) by the magnetic coil (6) liftable is.
7. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (10) in einem Magnetankerraum (21) mit einem ersten Verbindungselement (14) fest verbunden ist, wobei das erste Verbindungselement (14) mit dem Schließelement (18) wirkverbunden ist. 7. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 6, characterized in that the magnet armature (10) in a magnet armature space (21) with a first connecting element (14) is fixedly connected, wherein the first connecting element (14) with the Closing element (18) is operatively connected.
8. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (2) und der Innenpol (8) einen Federraum (19) begrenzen, in welchem Federraum (19) eine erste Feder (26) angeordnet ist, wobei sich die erste Feder (26) an dem dem Schließelement (18) abgewandten Ende des ersten Verbindungselements (14) abstützt und den mit dem ersten Verbindungselement (14) wirkverbundenen Magnetanker (10) in Richtung des Schließelements (18) kraftbeaufschlagt. 8. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 7, characterized in that the valve housing (2) and the inner pole (8) delimit a spring chamber (19), in which spring chamber (19) a first spring (26) is, wherein the first spring (26) on the said closing element (18) facing away from the end of the first connecting element (14) and the force acting on the first connecting element (14) operatively armature (10) in the direction of the closing element (18).
9. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Federraum (19) über einen ersten Kanal (7) mit dem Magnetankerraum (21) verbunden ist. 9. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 8, characterized in that the spring chamber (19) via a first channel (7) with the armature space (21) is connected.
10. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenpol (8) eine erste Durchlassbohrung (17) ausgebildet ist, wobei das erste Verbindungselement (14) in der ersten Durchlassbohrung (17) aufgenommen und geführt ist. 10. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 7, characterized in that in the inner pole (8) has a first passage bore (17) is formed, wherein the first connecting element (14) in the first passage bore (17) received and is guided.
11. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetankerraum (21) über einen zweiten Kanal (9) mit dem Zuströmraum (34) oder dem Abströmraum (36) verbunden ist. 11. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 7, characterized in that the magnet armature space (21) via a second channel (9) with the inflow space (34) or the outflow space (36) is connected.
12. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abströmraum (36) ein zweites Verbindungselement (32) angeordnet ist, wobei das zweite Verbindungselement (32) mit dem Schließelement (18) wirkverbunden ist. 12. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 4, characterized in that in the outflow space (36), a second connecting element (32) is arranged, wherein the second connecting element (32) with the closing element (18) is operatively connected.
13. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abströmraum (36) eine zweite Feder (24) angeordnet ist, wobei sich die zweite Feder (24) an dem zweiten Verbindungselement (32) und an dem Ventilgehäuse (2) abstützt. 13. Proportional valve (1) for controlling a gaseous medium according to claim 12, characterized in that in the outflow space (36) a second spring (24) is arranged, wherein the second spring (24) on the second connecting element (32) and supported on the valve housing (2).
14. Brennstoffzellenanordnung (100) mit einem Proportionalventil (1) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 14. A fuel cell assembly (100) having a proportional valve (1) for controlling a hydrogen supply to a fuel cell according to one of the preceding claims.
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