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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein ein erwärmtes Ventil und insbesondere
ein erwärmtes
Ventil, das in einer Anodenauslasseinheit für ein Brennstoffzellensystem
verwendet wird, wobei das Ventil einen Keramikringheizer aufweist,
der neben einem Ventilsitz in einem Ventilkörper positioniert ist.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet
werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle
zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische
Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt
dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die
Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird
an dem Anodenkatalysator aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen
zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode.
Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen an
dem Kathodenkatalysator, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von
der Anode können
nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine
Last geführt,
in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert
werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) stellen eine populäre
Brennstoffzelle für Fahrzeuge
dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie
eine Perfluorsulfonsäuremembran.
Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische
Partikel auf, gewöhnlich
Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem
Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten
Seiten der Membran abgeschieden. Die Kombination der katalytischen
Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran
definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ
teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven
Betrieb.
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Typischerweise
werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel
kombiniert, um die gewünschte
Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel
für ein Fahrzeug
zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der
Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine
Strömung
aus Luft auf, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben
wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und
ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser
als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel
nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite
des Stapels strömt.
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Ein
Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf,
die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind,
wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert
sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite
für benachbarte
Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten
sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen,
die ermöglichen,
dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann.
An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die
ermöglichen,
dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann.
Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte
weist Kathodengasströmungskanäle auf.
Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material,
wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten
leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem
Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf,
durch die ein Kühlfluid
strömt.
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Die
MEAs sind porös
und erlauben somit, dass Stickstoff in der Luft von der Kathodenseite
des Stapels hindurchdringen und sich in der Anodenseite des Stapels
sammeln kann, was in der Industrie als ein Stickstoffübertritt
bezeichnet wird. Stickstoff in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
verdünnt die
Wasserstoffkonzentration derart, dass, wenn die Stickstoffkonzentration über einen
bestimmten Prozentsatz, wie 50 %, hinaus ansteigt, der Brennstoffzellenstapel
instabil werden und ausfallen kann. Es ist in der Technik bekannt,
ein Ablassventil an dem Anodengasausgang des Brennstoffzellenstapels
vorzusehen, das periodisch geöffnet
wird, um den Stickstoff von der Anodenseite des Stapels zu entfernen.
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Wie
oben beschrieben ist, ist es notwendig, das Anodenabgas aufgrund
einer Stickstoffansammlung in der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels periodisch
abzulassen. Wenn jedoch das Anodenabgas abgelassen wird, ist auch
Wasserstoff in dem Anodenabgas enthalten, der ein Verbrennungsproblem außerhalb
des Brennstoffzellensystems darstellen könnte. Daher ist es in der Technik
bekannt, das Anodenabgas mit dem Kathodenabgas zu kombinieren, um
die Konzentration des ausgetragenen Wasserstoffs unter ein brennbares
Niveau zu reduzieren. Steuermodelle sind in der Technik bekannt,
um zu bestimmen, wie viel Wasserstoff sich in dem abgelassenen Anodenabgas
befindet. Insbesondere kennen diese Algorithmen die Druckdifferenz über den Brennstoffzellenstapel
und die Strömung
des Anodenabgases durch die Ablassventilöffnung, die dazu verwendet
werden können,
um die Wasserstoffkonzentration zu bestimmen. Wenn jedoch in dem
Anodenabgas signifikant Wasser und Wasserdampf vorhanden sind, dann
ist es nicht möglich,
die Strömungscharakteristiken
des Gases durch das Ablassventil genau zu bestimmen. Somit ist es
notwendig, das Wasser und den Wasserdampf von dem Anodenabgas abzuscheiden,
bevor dieses durch das Ablassventil abgelassen wird.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ist ein Ventil, das einen integrierten
Heizer aufweist, offenbart, das besondere Anwendung für ein Ablassventil,
ein Entleerungsventil und/oder ein Druckentlastungsventil in einer
Anodenauslasseinheit eines Brennstoffzellensystems besitzt. Das
Ventil weist einen Ventilkörper
auf, der eine Ventilkörperkammer besitzt,
die einen Ventilsitz definiert. Ein Ventilstößel sitzt an dem Ventilsitz,
um einen Strömungskanal
in dem Ventil, durch den ein Fluid strömt, zu schließen. In
der Kammer ist ein Ringheizer angebracht, so dass das Fluid durch
eine Zentralöffnung
in dem Ringheizer strömt,
wobei sich der Ringheizer in nächster
Nähe zu
dem Ventilsitz befindet.
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Zusätzliche
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den angefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine vereinfachte Draufsicht einer Anodenauslasseinheit für ein Brennstoffzellensystem,
das ein Ablassventil, ein Druckentlastungsventil und ein Entleerungsventil
aufweist;
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2 ist
eine weggebrochene Schnittansicht eines bekannten Ventils, das für das Ablassventil,
das Druckentlastungsventil und/oder das Entleerungsventil, die in 1 gezeigt
sind, verwendet werden kann; und
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3 ist
eine weggebrochene Schnittansicht eines Ventils gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, das für das Ablassventil, das Druckentlastungsventil
und/oder das Entleerungsventil, die in 1 gezeigt
sind, verwendet werden kann.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Diskussion der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf ein Ventil gerichtet ist, das einen integrierten
Ringheizer aufweist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht
dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch
zu beschränken.
Beispielsweise besitzt das Ventil der Erfindung besondere Anwendung
für ein
Ablassventil, ein Druckentlastungsventil und/oder ein Entleerungsventil
in einer Anodenauslasseinheit eines Brennstoffzellensystems. Jedoch
kann, wie es dem Fachmann offensichtlich ist, das Ventil der Erfindung
auch andere Verwendungen für
andere Anwendungen besitzen.
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Bei
einer bekannten Brennstoffzellensystemkonstruktion ist eine Anodenauslasseinheit
vorgesehen, die verschiedene Ventile zur Steuerung der Strömung des
Anodenabgases von dem Brennstoffzellenstapel aufweist. Um dies zu
zeigen, ist 1 eine allgemeine Draufsicht
eines Teils eines Brennstoffzellensystems 10, das einen
Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Ein Anodenabgas wird
von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf einer Anodenausgangsleitung 14 ausgegeben,
und ein Kathodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 auf
einer Kathodenabgasleitung 16 ausgegeben. Wie oben erwähnt ist,
stellt Wasser ein Nebenprodukt des Betriebs eines Brennstoffzellenstapels
dar. Daher wird Wasser von dem Brennstoffzellenstapel 12 durch
sowohl die Anodenabgasleitung 14 als auch die Kathodenabgasleitung 16 abgegeben.
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Das
System 10 weist auch einen Wasserabscheider 18 auf,
der einen Pegelanzeiger besitzt. Der Wasserabscheider 18 scheidet
Wasser und Wasserdampf von dem Anodenabgas ab und sammelt diese in
einer Wasserabfangeinrichtung in dem Wasserabscheider 18.
Sobald der Pegelanzeiger angibt, dass der Wasserpegel in der Wasserabfangeinrichtung
ein vorbestimmtes Niveau erreicht, wird ein Entleerungsventil 20 geöffnet, um
das gesammelte Wasser auf Leitung 22 zu entleeren, das
mit dem Kathodenabgas auf der Leitung 16 gemischt wird.
Das durch den Wasserabscheider 18 strömende Gas wird auf Leitung 26 periodisch
an die Kathodenabgasleitung 16 durch ein Ablassventil 24 abgelassen.
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Die
Anodenauslasseinheit weist auch ein Druckentlastungsventil 28 auf,
das geöffnet
wird, um das Anodenabgas an die Kathodenausgangsleitung 16 auf
Leitung 30 während
derjenigen Zeiten zu entlasten, wenn der Druck auf der Kathodenseite
des Brennstoffzellenstapels 12 signifikant absinkt, jedoch das
Ablassventil 24 nicht offen ist, da kein Ablassen des Anodenabgases
angewiesen ist. Beispielsweise kann die Drehzahl des Kompressors,
der die Kathodeneinlassluft an den Brennstoffzellenstapel 12 liefert,
während
des Systembetriebs plötzlich
reduziert oder dieser gestoppt werden. Da der Wasserstoff auf der
Anodenseite des Stapels 12 während dieser Zeit nicht verbraucht
wird, existiert eine relativ große Druckdifferenz zwischen
der Anodenseite und der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12,
die einen Schaden an der Membran in den Brennstoffzellen bewirken
könnte.
Auch kann es sein, dass die Öffnung
in dem Ablassventil 24 nicht groß genug ist, um eine Druckentlastung
bereitzustellen.
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2 ist
eine weggebrochene Schnittansicht eines elektromagnetischen Steuerventils 40, das
für beliebige
der Ventile 20, 24 oder 28, wie oben beschrieben
ist, verwendet werden kann. Das Ventil 40 weist einen zylindrischen
Ventilkörper 42,
typischerweise aus Metall hergestellt, wie rostfreiem Stahl, und
ein zylindrisches Ventilgehäuse 44 auf, das
typischerweise aus einem Kunststoff hergestellt ist. Ein Strömungskanal 46 führt durch
den Ventilkörper 42 und
das Ventilgehäuse 44.
In dem Ventilgehäuse 44 ist
eine Einlassöffnung 48 zur
Aufnahme des Fluides vorgesehen, und in dem Ventilkörper 42 ist
eine Auslassöffnung 50 vorgesehen,
durch die das Fluid das Ventil 40 verlässt. O-Ringe 52 und 54 dichten
die Strömungskanäle außerhalb
des Ventils 40 ab. Der Ventilkörper 42 weist einen
ringförmigen
Ventilsitz 58 auf. Ein Ventilstößel 60 bewegt sich
in einer Ventilgehäusekammer 62 in
dem Ventilgehäuse 44 aufwärts und
abwärts
und weist einen Dichtungsabschnitt 64 auf, der an dem Ventilsitz 58 aufsitzt,
wenn sich das Ventil 40 in der geschlossenen Position befindet.
Das Ventil 40 weist eine elektromagnetische Wicklung (nicht
gezeigt) auf, die aktiviert wird, um den Ventilstößel 60 anzuheben
und damit den Strömungskanal 46 zu öffnen. Das
Ventil 40 ist ein normalerweise geschlossenes Ventil, da
der Dichtungsabschnitt 64 durch eine geeignete Feder (nicht
gezeigt) an dem Ventilsitz 58 aufsitzt, wenn die Wicklung
nicht erregt ist.
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Wie
oben beschrieben ist, strömen
Wasser und Wasserdampf typischerweise durch die Ventile 20, 24 und 28.
Daher verbleibt bei Gefrierbedingungen Wasser in den Ventilen 20, 24 und 28,
das bei Bedingungen unter Null gefrieren kann und damit verhindert,
dass der Dichtungsabschnitt 64 richtig an dem Ventilsitz 58 aufsitzt.
Daher ist es in der Technik bekannt, die Ventile 20, 24 und 28 bei
Gefrierbedingungen zu erwärmen,
so dass jegliches in den Ventilen 20, 24 und 28 verbleibende
Wasser vor einem Betrieb des Brennstoffzellensystems geschmolzen
wird.
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Derzeit
werden diese Typen von Ventilen typischerweise mit ungesteuerten,
extern gesteuerten oder selbst regulierenden Keramikheizern mit
positivem Temperaturkoeffizient (PTC), die außerhalb der Ventile angebracht
sind, erwärmt.
Zurück
zu 2 weist das Ventil 40 einen Keramikplattenheizer 70 auf,
der an einer Bodenfläche
des Ventilkörpers 42 durch
die Kraft eines Federelements 72 angebracht ist. Es ist
ein elektrischer Kontakt 74 zwischen dem Plattenheizer 70 und
dem Federelement 72 positioniert, der elektrischen Strom
an den Heizer 70 liefert, um die Wärme zu erzeugen.
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Die
oben für
das Ventil 40 beschriebene Konstruktion besitzt eine Anzahl
von Nachteilen. Beispielsweise ist durch Positionierung des Plattenheizers 70 außerhalb
des Ventils 40 zusätzlicher
Einbauraum erforderlich. Ferner benötigt es, da der Heizer 70 relativ
weit von dem Ventilsitz 58 und dem Dichtungsabschnitt 64 entfernt
ist, eine relativ lange Zeitdauer, damit das Ventil 40 auf
die gewünschte Temperatur
erwärmt
wird, um das Eis bei einem Systemstart bei niedriger Temperatur
zu entfernen.
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3 ist
eine weggebrochene Schnittansicht eines elektromagnetischen Ventils 80,
das ähnlich
dem Ventil 40 ist, wobei gleiche Elemente mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind. In dem Ventil 80 ist der
Ventilkörper 42 gegen
einen zylindrischen Ventilkörper 82 ausgetauscht,
der eine Ventilkörperkammer 84 aufweist,
die durch eine Ventilkörperabdeckung 86 geschlossen
ist. Der Ventilkörper 82 kann
aus einem beliebigen geeigneten thermisch leitenden Material bestehen,
wie einem geeigneten Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl. Der
Ventilkörper 82 weist
eine obere ringförmige
Wandplatte 88 auf, die einen ringförmigen Ventilsitz 90 definiert. Eine
Zentralbohrung 92 verläuft
durch die Platte 88 derart, dass die Kammer 84 in
Fluidverbindung mit der Kammer 62 steht, um einen Strömungspfad
zwischen der Einlassöffnung 48 und
einer Auslassöffnung 94 in
dem Ventilkörper 82 bereitzustellen.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Ringheizerelement 96 an der Wand 88 entgegengesetzt
der Kammer 62 positioniert. Das Ringheizerelement 96 ist
ein Ringheizer, der eine zentrale Öffnung 98 besitzt,
die mit der Bohrung 92 ausgerichtet ist. Das Ringheizerelement 96 kann
ein beliebiges geeignetes Heizelement für die hier beschriebenen Zwecke
sein. Bei einer nicht beschränkenden
Ausführungsform
ist das Ringheizerelement 96 ein Keramik-PTC-Ringheizerelement,
das derart ausgelegt ist, um eine gewünschte maximale Temperatur,
wie 60°C,
bereitzustellen. Wie es in der Technik bekannt ist, müssen PTC-Heizer
nicht selbst geregelt werden und erfordern somit keine verschiedenen
Steuerkomponenten, wie Temperatursensoren. PTC-Keramikheizer weisen
ein Keramikmaterial auf, das abhängig
von der jeweiligen Anwendung für
eine bestimmte Temperatur ausgelegt ist. Ein elektrischer Strom
wird an den Keramikheizer angelegt, der Wärme erzeugt, solange sich die Temperatur
des Keramikheizers unter der Auslegungstemperatur befindet. Wenn
der Keramikheizer die Auslegungstemperatur erreicht, dann steigt
der Widerstand des Keramikmaterials und der Strom durch das Keramikmaterial
sinkt, so dass der Heizer keine zusätzliche Erwärmung bereitstellt.
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Ein
ringförmiger
elektrischer Kontakt 100 ist in Kontakt mit dem Ringheizerelement 96 positioniert,
und ein Federelement 102 ist an dem elektrischen Kontakt 100 positioniert.
Eine Heizerabdeckung 104, die eine Ringwand 106 und
einen zylindrischen Abschnitt 108 aufweist, ist in der
Kammer 84 befestigt und ermöglicht, dass das Federelement 102 gegen
das Ringheizerelement 96 gegen die Wandplatte 88 drückt. Daher
wird ein signifikanter Betrag der Oberfläche der Wandplatte 88 erhitzt,
wenn sich das Ringheizerelement 96 im Betrieb befindet.
Ferner wird, da die thermische Masse des Ventilkörpers 82 aufgrund
der Kammer 84 reduziert ist, die Zeitdauer, die es benötigt, damit
das Ringheizerelement 96 die Temperatur des Ventils 80 auf
die gewünschte Temperatur
erhöht,
signifikant reduziert.
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Obwohl
das PTC-Ringheizerelement 96 bei dieser Anwendung eine
Anzahl von Vorteilen bereitstellt, da es nicht geregelt werden muss,
können auch
andere Ringheizer verwendet werden, die keine Ringheizer vom selbst
regelnden PTC-Typ sind. Jedoch können
diese Heizer Temperatursensoren und andere Typen von Steuerungen
erfordern.
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Die
vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen
Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken
und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert
ist, durchgeführt
werden können.