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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein Ventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 9, wie es beispielsweise aus der
US 5,915,410 A bekannt geworden 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 offenbart, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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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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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.
