DE102010043618A1

DE102010043618A1 - Proportionalventil zum Steuern und Ansaugen von gasförmigem Medium

Info

Publication number: DE102010043618A1
Application number: DE102010043618A
Authority: DE
Inventors: Frank Meier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-05-10
Also published as: US20120115056A1

Abstract

Proportionalventil zum Steuern von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, umfassend ein Ventilgehäuse (6), eine Ejektoreinheit (10), die am Ventilgehäuse (6) angeordnet ist, mit einem Zuströmbereich (21), welchem ein erstes gasförmiges Medium unter Druck zugeführt wird, mit einem Ansaugbereich (22), an welchem ein zweites gasförmiges Medium ansteht, und mit einem Mischrohrbereich (23), aus welchem ein Gemisch des ersten und zweiten gasförmigen Mediums austritt, wobei der Ansaugbereich (22) zwischen dem Zuströmbereich (21) und dem Mischrohrbereich (23) angeordnet ist, einen Aktor (12), und ein Schließelement (4), welches mit dem Aktor (12) verbunden ist, und eine Durchgangsöffnung (3) freigibt und verschließt, wobei die Durchgangsöffnung (3) zwischen dem Zuströmbereich (21) und dem Ansaugbereich (22) der Ejektoreinheit (10) angeordnet ist.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern und Ansaugen von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, mit einer Ejektoreinheit, insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es werden insbesondere Proportionalventile eingesetzt, die in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt des Ventils anpassen.
Aus der US 2009/0155092 ist ein Ejektor bekannt, bei dem der Strömungsquerschnitt einer Durchgangsöffnung einer Düseneinheit eines Ejektors mit Hilfe einer mechanischen Regeleinheit mit mehreren Membranen angepasst wird. Dadurch wird die Zufuhr von gasförmigem Medium aus einem Tank sowie eine Ansaugung von rückgeführtem gasförmigem Medium aus der Brennstoffzelle geregelt. Diese Regelung weist neben einer unzureichenden Präzision auch ein unbefriedigendes Ansprechverhalten auf.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern und Ansaugen eines gasförmigen Mediums mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Ejektoreinheit am Ventilgehäuse angeordnet ist und ein Aktor ein daran befestigtes Schließelement betätigt, das eine Durchgangsöffnung freigibt und verschließt. Die Durchgangsöffnung ist hierbei zwischen einem Zuströmbereich, an dem ein erstes gasförmiges Medium zugeführt wird, und einem Ansaugbereich der Ejektoreinheit angeordnet, an dem ein zweites gasförmiges Medium ansteht. Dadurch wird eine exaktere Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung erreicht. Somit kann die kontinuierliche und bedarfsgerechte Zudosierung des zweiten gasförmigem Medium insbesondere zu einer Anode der Brennstoffzelle entsprechend der verbrauchten bzw. abgeführten Menge des zweiten gasförmigen Mediums erheblich präziser geregelt werden und das Ansprechverhalten deutlich verbessert werden. Weiterhin weist das erfindungsgemäße Proportionalventil einen einfachen und kompakten Aufbau auf.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ferner eine Steuereinheit vorgesehen, die den Aktor basierend auf einer Pulsweitenmodulation steuert. Aufgrund des am Aktor anliegenden pulsweitenmodulierten Signals kann das Schließelement den Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung rasch und mit hoher Genauigkeit einstellen. Zudem kann eine einfache und kostengünstige Steuerung bereitgestellt werden, die aufgrund des einfachen Aufbaus um geringen Platzbedarfs insbesondere auch problemlos in ein Haupt-Steuergerät des Fahrzeugs integrierbar ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Drucksensor vorgesehen, der mit der Steuereinheit verbunden ist und am Ansaugbereich und/oder am Austritt des Mischrohrbereichs angeordnet ist. Basierend auf den erfassten Druckwerten ist somit gleichzeitig insbesondere eine verbesserte Regelung des Anodendrucks möglich, die eine kontinuierliche und exakte Anpassung des Öffnungsgrads der Durchgangsöffnung gewährleistet.
Weiterhin bevorzugt umfasst die Ejektoreinheit eine Heizvorrichtung zur Beheizung der Ejektoreinheit. Die Heizvorrichtung kann mittels elektrischer Energie oder alternativ mittels eines Kühlmittels einer Brennstoffzelle betrieben werden. Durch die Beheizung der gesamten Ejektoreinheit 10 wird eine Eisbildung weitestgehend verhindert bzw. eine rasche Enteisung ermöglicht, wodurch eine hohe Betriebssicherheit in einem konstanten Temperaturbereich gewährleistet werden kann.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung, umfassend eine Brennstoffzelle und ein erfindungsgemäßes Proportionalventil.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelle einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich, wobei der Mischrohrbereich mit dem Anodenbereich mittels einer Verbindungsleitung verbunden ist und eine Rückführungsleitung vorgesehen ist, welche den Anodenbereich der Brennstoffzelle mit dem Ansaugbereich der Ejektoreinheit verbindet. Somit wird eine zuverlässige, überstöchiometrische Zuführung des ersten und zweiten gasförmigen Mediums über die Verbindungsleitung in den Anodenbereich sowie eine betriebssichere Rückführung des zweiten gasförmigen Mediums über die Rückführungsleitung in den Ansaugbereich der Ejektoreinheit ermöglicht. Dadurch können im Betrieb Katalysatorschädigungen durch lokale Verarmung von Teilbereichen der Brennstoffzelle mit gasförmigem Medium zuverlässig verhindert werden. Zudem kann ein unnötiges Ablassen von ungenutztem gasförmigem Medium aus dem Anodenbereich nach außen somit reduziert bzw. weitestgehend vermieden werden, woraus ein geringerer Kraftstoffverbrauch resultiert.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden ein Druck in der Verbindungsleitung durch einen ersten Drucksensor und/oder ein Druck in der Rückführungsleitung durch einen zweiten Drucksensor erfasst. Weiter bevorzugt umfasst die Brennstoffzellenanordnung eine Steuereinheit zur Steuerung eines Drucks im Anodenbereich der Brennstoffzelle, wobei die Steuereinheit mit dem Proportionalventil verbunden ist. Mittels der erfassten Druckwerte und eines in der Steuereinheit gespeicherten Regelalgorithmus kann somit eine exakte, einfache und kostengünstige Druckregelung im Anodenkreislauf der Brennstoffzelle realisiert werden.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzellenanordnung ferner einen Tank zur Speicherung des ersten gasförmigen Mediums, eine Zuströmleitung, welche den Tank mit dem Zuströmbereich der Ejektoreinheit verbindet, und ein Druckregelventil, welches in der Zuströmleitung angeordnet ist, um einen Druck am Zuströmbereich der Ejektoreinheit einzustellen. Hierdurch wird eine betriebssichere Druckminderung vom hohen Druckniveau im Tank in einen definierten Druckbereich vor der Zuführung des ersten gasförmigen Mediums zum Proportionalventil sichergestellt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Brennstoffzellenanordnung ferner eine Heizleitung, welche Wärme von der Brennstoffzelle zur Ejektoreinheit des Proportionalventils leitet. Somit kann eine kontinuierliche Beheizung gewährleistet werden, die eine homogene Funktion des Proportionalventils in einem geeigneten, konstanten Temperaturbereich ermöglicht. Zudem wird auf einfache Weise eine zusätzliche Kühlung der Brennstoffzelle bereitgestellt.
Zeichnung
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
1 eine schematische Schnittansicht eines Proportionalventils gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und dem Proportionalventil von 1.
Ausführungsform der Erfindung
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein Proportionalventil 1 zum Steuern von gasförmigem Medium gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. Das gezeigte Proportionalventil 1 dient hierbei zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff, welcher einer Brennstoffzelle 30 in einem Fahrzeug zugeführt wird. Hierbei wird in 1 nachfolgend das erfindungsgemäße Proportionalventil 1 allein und in 2 das Proportionalventil 1 im Verbund mit einer angeschlossenen Brennstoffzelle in einer Brennstoffzellenanordnung beschrieben.
Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Proportionalventil 1 ein Ventilgehäuse 6, einen Aktor 12 mit einem Anker 11 und einer Magnetspule 13 und ein mit dem Aktor 12 verbundenes Schließelement 4. Das Schließelement 4 ist direkt mit dem Anker 11 verbunden und ist als Nadel ausgebildet. Eine Schließfeder 14 ist über eine Federaufnahme 15 mit dem Schließelement 4 verbunden. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet einen Einstellbolzen, um eine Rückstellkraft der Schließfeder 14 einzustellen. Die Magnetspule 13 ist in einer Umspritzung 17 aus Kunststoff am Ventilgehäuse 6 fixiert. Ein elektrischer Steckeranschluss 18 ist seitlich am Proportionalventil 1 vorgesehen.
Wie aus 1 weiter ersichtlich, ist am Ventilgehäuse 6 eine Ejektoreinheit 10 angeordnet, in deren Innern ein Zuströmbereich 21, ein Ansaugbereich 22 und ein Mischrohrbereich 23 ausgebildet sind. Der Zuströmbereich 21 weist eine Zuströmöffnung 21a auf, durch welche ein erstes gasförmiges Medium aus einem hier nicht dargestellten Tank 27 (siehe 2) unter Druck in Richtung eines Pfeils Z zugeführt wird. Der Ansaugbereich 22 weist eine Ansaugöffnung 22a auf, an dem ein zweites gasförmiges Medium aus einem Anodenbereich 31 einer angeschlossenen Brennstoffzelle 30 (siehe 2) ansteht und in Richtung eines Pfeils A angesaugt werden kann. Zwischen dem Zuströmbereich 21 und dem Ansaugbereich 22 ist eine Treibdüse 43 mit einer Durchgangsöffnung 3 ausgebildet, welche vom Schließelement 4 bei Betätigung des Proportionalventils 1 freigegeben und verschlossen wird. Im Mischrohrbereich 23 sind eine Fangdüse 44 und ein Diffusor 45 ausgebildet. Bei geöffneter Durchgangsöffnung 3 strömt das vom Zuströmbereich 21 zugeführte erste gasförmige Medium unter hohem Druck in den Ansaugbereich 22 ein. Unter Ausnutzung der Energie des mit höherem Druck zugeführten ersten gasförmigen Mediums wird das im Ansaugbereich 21 befindliche zweite gasförmige Medium entgegen der anliegenden Druckdifferenz durch die Ansaugöffnung 22a angesaugt und als Gasgemisch zusammen mit dem ersten gasförmigen Medium in Richtung eines Pfeils M aus dem Mischrohrbereich 23 ausgestoßen.
Wie aus 2 ersichtlich, ist der Mischrohrbereich 23 der Ejektoreinheit 10 über eine Verbindungsleitung 25 mit der Brennstoffzelle 30 verbunden, die einen Anodenbereich 31 und einen Kathodenbereich 32 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung 26 vorgesehen, die den Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 mit dem Ansaugbereich 22 der Ejektoreinheit 10 verbindet. Mittels der Rückführleitung 26 kann das im Anodenbereich 31 beim Betrieb der Brennstoffzelle 30 entstehende zweite gasförmige Medium, das im Wesentlichen ein Gemisch aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf ist, zum Ansaugbereich 22 zurückgeführt werden. In der Rückführleitung 26 ist ferner eine Verzweigung 36 mit einem Absperrventil 46 vorgesehen, um das in der Rückführleitung 26 befindliche zweite gasförmige Medium ggf. nach außen freigeben zu können.
In der Verbindungsleitung 25 ist ein erster Drucksensor 33 zur Erfassung des Drucks in der Verbindungsleitung 25 vorgesehen. Ferner ist in der Rückführleitung 26 ein zweiter Drucksensor 34 zur Erfassung des Drucks in der Rückführleitung 26 vorgesehen. Die erfassten Druckwerte werden einer mit dem Proportionalventil 1 verbundenen Steuereinheit 20 zur Steuerung des Drucks im Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 zugeführt. Die Steuereinheit 20 steuert auf der Basis einer Pulsweitenmodulation 20a den Aktor 12, der das Schließelement 4 betätigt, damit ein Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung 3 derart verändert wird, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle 30 zugeführten Gasströmung erfolgt.
Wie aus 2 weiter ersichtlich, wird das im Tank 27 gespeicherte erste gasförmige Medium über eine Zuströmleitung 28 dem Zuströmbereich 21 der Ejektoreinheit 10 zugeführt. In der Zuströmleitung 28 ist ein mechanisches Druckregelventil 29 vorgesehen, das mit der Steuereinheit 20 verbunden ist, um einen Druck am Zuströmbereich 21 der Ejektoreinheit 10 einzustellen. Zwischen dem Druckregelventil 29 und dem Tank 27 ist zudem ein erstes Absperrventil 24 und zwischen dem Druckregelventil 29 und dem Ejektor 10 ein zweites Absperrventil 19 angeordnet. Die Absperrventile 24, 19 sind ebenfalls mit der Steuereinheit 20 verbunden, um ggf. den Zustrom des ersten gasförmigen Mediums aus dem Tank 27 zum Druckregelventil bzw. den Zustrom weiter zur Ejektoreinheit 10 zu unterbrechen.
Zwischen dem Anodenbereich 31 der Brennstoffzelle 30 und der Ejektoreinheit 10 ist ferner eine Heizleitung 40 vorgesehen, welche die in einem Kühlmittel aus einem hier nicht dargestellten Kreislauf der Brennstoffzelle 30 enthaltene Wärme zur Beheizung der Ejektoreinheit 10 leitet. Das Kühlmittel wird dabei in der Brennstoffzelle 30 erwärmt und über die Heizleitung 40 zur Ejektoreinheit 10 geleitet, erwärmt dort die Ejektoreinheit 10 und wird mit einer nicht gezeigten Rückleitung zur Brennstoffzelle 30 zurückgeführt.
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 31 der Brennstoffzelle 30 mittels der elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung 3 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0155092 [0003]

Claims

Proportionalventil zum Steuern von gasförmigem Medium, insbesondere Wasserstoff, umfassend: – ein Ventilgehäuse (6), – eine Ejektoreinheit (10), die am Ventilgehäuse (6) angeordnet ist, – mit einem Zuströmbereich (21), welchem ein erstes gasförmiges Medium unter Druck zugeführt wird, – mit einem Ansaugbereich (22), an welchem ein zweites gasförmiges Medium ansteht, und – mit einem Mischrohrbereich (23), aus welchem ein Gemisch des ersten und zweiten gasförmigen Mediums austritt, – wobei der Ansaugbereich (22) zwischen dem Zuströmbereich (21) und dem Mischrohrbereich (23) angeordnet ist, – einen Aktor (12), und – ein Schließelement (4), welches mit dem Aktor (12) verbunden ist, und eine Durchgangsöffnung (3) freigibt und verschließt, – wobei die Durchgangsöffnung (3) zwischen dem Zuströmbereich (21) und dem Ansaugbereich (22) der Ejektoreinheit (10) angeordnet ist.
Proportionalventil nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Steuereinheit (20), die ausgelegt ist, den Aktor (12) basierend auf einer Pulsweitenmodulation (20a) zu steuern.
Proportionalventil nach Anspruch 2 ferner umfassend zumindest einen Drucksensor, der mit der Steuereinheit (20) verbunden ist und am Ansaugbereich (22) und/oder am Austritt des Mischrohrbereichs (23) angeordnet ist.
Proportionalventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ejektoreinheit (10) eine Heizvorrichtung zur Beheizung der Ejektoreinheit (10) umfasst.
Proportionalventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Magnetaktor ist, wobei der Magnetaktor einen mit dem Schließelement (4) verbundenen Anker (11) umfasst.
Brennstoffzellenanordnung, umfassend eine Brennstoffzelle (30) und ein Proportionalventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (30) einen Anodenbereich (31) und einen Kathodenbereich (32) umfasst, und der Mischrohrbereich (23) mit dem Anodenbereich (31) mittels einer Verbindungsleitung (25) verbunden ist, wobei eine Rückführleitung (26) vorgesehen ist, welche den Anodenbereich (31) der Brennstoffzelle (30) mit dem Ansaugbereich (22) der Ejektoreinheit (10) verbindet.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druck in der Verbindungsleitung (25) durch einen ersten Drucksensor (33) und/oder ein Druck in der Rückführleitung (26) durch einen zweiten Drucksensor (34) erfasst wird.
Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, ferner umfassend eine Steuereinheit (20) zur Steuerung eines Drucks im Anodenbereich (31) der Brennstoffzelle (30), wobei die Steuereinheit (20) mit dem Proportionalventil (1) verbunden ist.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, ferner umfassend einen Tank (27) zur Speicherung des ersten gasförmigen Mediums, eine Zuströmleitung (28), welche den Tank (27) mit dem Zuströmbereich (21) der Ejektoreinheit (10) verbindet, und ein Druckregelventil (29), welches in der Zuströmleitung (28) angeordnet ist und mit der Steuereinheit (20) verbunden ist, um einen Druck am Zuströmbereich (21) der Ejektoreinheit (10) einzustellen.
Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, ferner umfassend eine Heizleitung (40), welche Wärme von der Brennstoffzelle (30) zur Ejektoreinheit (10) des Proportionalventils (1) leitet.