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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb mit einer verbesserten Dichtheit.
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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 vorzugsweise Proportionalventile eingesetzt, die in Abhängigkeit von einer gewünschten Antriebsleistung einen Öffnungsquerschnitt des Ventils anpassen.
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Da bei gasförmigen Medien die bei flüssigen Kraftstoffen vorhandene Benetzung des Dichtsitzes mit Kraftstoff entfällt, ergeben sich insbesondere Abdichtungsprobleme am geschlossenen Ventil. Aus der
DE 10 2005 056 212 A1 ist ein Gasventil für Erdgas bekannt, bei dem eine spezielle Geometrie an einem Düsenkörper ausgebildet ist, um eine möglichst verlustarme Strömung des Mediums zu erreichen. Dieses Ventil ist allerdings nicht als Proportionalventil ausgebildet, sondern als Einblas-Taktventil, und macht keinerlei Angaben hinsichtlich einer Verbesserung einer Abdichtung am Ventilsitz. Bei den bisher bekannten Ventilen im Fahrzeugbereich werden Dichtelemente aus den Werkstoffgruppen Nitril-Kautschuk (NBR) oder Fluor-Kautschuk (FKM) verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, Butyl-Kautschuk als Material für ein Dichtelement bei einem Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere zum Steuern von Wasserstoff, zu verwenden. Butyl-Kautschuk wurde bisher im Stand der Technik nicht in Dichtungen bei Fahrzeugen verwendet, da Butyl-Kautschuk nichtbeständig gegenüber Fetten, Ölen und Kraftstoffen ist. Die Verwendung bei einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, für Brennstoffzellen ist jedoch auch für einen Fachmann überraschend, da bei durch aus Butyl-Kautschuk hergestellte Dichtungen eine signifikant reduzierte Permeation des Wasserstoffs durch die Dichtung, auch bei höheren Temperaturen, erreicht wird. Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff ist aufgrund der sehr kleinen Moleküle eine Permeation durch das Dichtungsmaterial besonders kritisch. Ferner zeigt eine Dichtung aus Butyl-Kautschuk auch in einem Temperaturbereich von ca. –40°C bis +120°C, was z. B. einem Temperaturbereich für ein Brennstoffzellenfahrzeug entspricht, hervorragende elastische Eigenschaften, so dass in jedem Temperaturzustand der Dichtung eine ausreichende Abdichtung sichergestellt ist. Somit zeigt Butyl-Kautschuk bei Verwendung für Dichtungen für Proportionalventile zur Steuerung von Wasserstoff auch für einen Fachmann überraschend ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich Dichtheit und Permeabilität, insbesondere auch bei hohen Temperaturen. Hierdurch ergibt sich eine exzellente Eignung bei Verwendung in Brennstoffzellen. Alternativ wird Silikon-Kautschuk (Q-Kautschuk, d. h., ein Kautschuk mit Silikon in der Hauptkette) (Standard ASTM D-1418) bei einem Proportionalventil zum Steuern von gasförmigen Medien, insbesondere Wasserstoff, verwendet. Dies hat insbesondere gegenüber den üblich eingesetzten M-Kautschuken, z. B. Fluor-Kautschuk (FKM) oder Ethylen-Propylen-Teer-Polymere (EPDM), insbesondere zwei Vorteile:
- 1. Die erfindungsgemäßen Silikon-Kautschuke haben typischerweise einen TR10-Wert von kleiner als –100°C. Der TR10-Wert nach ASTM D-1329 gibt den Wert in °C an, bei dem sich eine um 25% oder 50% gedehnte Probe nach dem Einfrieren wieder um 10% zurückverformt. Die erfindungsgemäß verwendeten Silikon-Kautschuke weisen somit eine sehr gute elastische Verformbarkeit bei tiefen Temperaturen auf, so dass ein aus diesem Material hergestelltes Dichtelement auch bei tiefen Temperaturen Formtoleranzen und/oder Rauheiten am Dichtsitz ausgleichen kann. Somit hat ein aus Silikon-Kautschuk hergestelltes Dichtelement auch bei tiefen Temperaturen eine sehr gute Dichtwirkung gegenüber gasförmigen Medien. Weiterhin ist es möglich, Fertigungstoleranzen für den Dichtsitz größer zu wählen, wodurch insbesondere die Herstellkosten für Proportionalventile reduziert werden können.
- 2. Weiterhin weisen Silikon-Kautschuke eine sehr geringe Oberflächenenergie, vorzugsweise ≤ 25 mNm, auf. Diese sehr geringe Oberflächenenergie führt zu einer Reduzierung von Adhäsionskräften zwischen den Dichtpartnern des Proportionalventils über den gesamten Temperaturbereich. Dies hat den großen Vorteil, dass eine Öffnungskraft, welche durch einen Aktor des Proportionalventils erzeugt werden muss, reduziert werden kann. Hierdurch kann auch der Aktor des Proportionalventils kleiner ausgelegt werden.
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Weiterhin weisen Silikon-Kautschuke eine lange Lebensdauer auf und sind über ihre Lebensdauer auch mechanisch sehr stabil, so dass Silikon-Kautschuke insbesondere für Automotive-Anwendungen geeignet sind.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt wird Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk für ein Dichtelement an einem Schließelement oder einem Düsenkörper des Proportionalventils verwendet. Ferner kann auch eine Verwendung von Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk bei O-Ringen zur Abdichtung eines Ventilgehäuses des Proportionalventils verwendet werden. Vorzugsweise ist die Verwendung von Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk derart, dass das gesamte Dichtelement aus Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk hergestellt ist.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Dichtelement, welches Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk umfasst, oder welches vollständig aus Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk hergestellt ist. Vorzugsweise ist das Dichtelement am Proportionalventil als Dichtelement am Schließelement, oder einem Düsenkörper, und/oder als O-Ring vorgesehen. Das am Schließelement vorgesehene Dichtelement weist vorzugsweise eine ringförmige Gestalt oder eine kreisflächenförmige Gestalt auf.
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Weiter bevorzugt ist das Dichtelement am Schließelement derart an einer Grundfläche des Schließelements angeordnet, dass das Dichtelement von einer Kante am Schließelement beabstandet ist, so dass an der Grundfläche des Schließelements ein vom Dichtelement freier Flächenbereich verbleibt. Hierdurch ist insbesondere eine vereinfachte Herstellung des Dichtelements möglich. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Dichtelement am Schließelement eine ringförmige Gestalt aufweist, und ein freier Flächenbereich an einem inneren und einem äußeren Umfang des Dichtelements vorgesehen ist.
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Wenn das erfindungsgemäße Dichtelement bevorzugt als O-Ring ausgebildet ist, weist der O-Ring vorzugsweise eine Schnurstärke im Bereich von 2 mm ≤ Schnurstärke ≤ 3,5 mm auf.
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Weiter bevorzugt ist der Silikon-Kautschuk ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend:
- – Methyl-Vinyl-Silikon-Kautschuk (VMQ);
- – Methyl-Silikon-Kautschuk (MQ);
- – Methyl-Phenyl-Silikon-Kautschuk (PMQ);
- – Methyl-Phenyl-Vinyl-Silikon-Kautschuk (PVMQ);
- – Methyl-Fluor-Silikon-Kautschuk (FMQ); oder
- – Fluor-Silikon-Kautschuk (FVMQ).
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Besonders bevorzugt wird dabei ein flourfreier Silikon-Kautschuk und insbesondere Methyl-Vinyl-Silikon-Kautschuk (VMQ) verwendet. Der Methyl-Vinyl-Silikon-Kautschuk (VMQ) hat dabei sehr gute Eigenschaften für einen Anwendungsbereich bei Wasserstoffdosierventilen, welcher üblicherweise zwischen ca. –40°C bis ca. +120°C liegt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtelements aus Butyl-Kautschuk an einem Bauteil eines Proportionalventils zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend die Schritte des Anlegens eines Spritzwerkzeugs an einen Teilbereich einer Grundfläche des Bauteils und des Aufspritzens von Butyl-Kautschuk auf die durch das Spritzwerkzeug umgrenzte Grundfläche des Bauteils, um so das Dichtelement am Bauteil auszubilden. Hierdurch kann erfindungsgemäß der Butyl-Kautschuk einfach auf die Grundfläche am Bauteil aufgespritzt werden, wobei das Dichtelement dann nach Aushärten selbstständig am Bauteil anhaftet. Hierdurch sind keine weiteren Schritte zum Fixieren des Dichtelements notwendig.
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Alternativ betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dichtelements an einem Bauteil eines Proportionalventils aus Silikon-Kautschuk, insbesondere flourfreiem Silikon-Kautschuk, wobei der Silikon-Kautschuk auf eine Fläche des Bauteils des Proportionalventils aufvulkanisiert wird.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und mit einem erfindungsgemäßen Proportionalventil mit einem Dichtelement aus Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Proportionalventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine vergrößerte Darstellung des Proportionalventils von 1,
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3 eine weitere vergrößerte Darstellung des Proportionalventils von 2, und
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4 eine vergrößerte Darstellung eines Teils eines Proportionalventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel im Detail beschrieben. Das in den Figuren gezeigten Proportionalventil 1 dient hierbei zur Steuerung von gasförmigem Wasserstoff, welcher einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug zugeführt wird.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst das Proportionalventil 1 ein Ventilgehäuse 6 mit einem Magnetanker 12, einer Magnetspule 13 und einem mit dem Magnetanker 12 verbundenen Stift 11. Eine Schließfeder 14 ist über eine Federaufnahme 15 mit dem Stift 11 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. An dem der Schließfeder 14 entgegengesetzten Ende des Stifts 11 ist ein Schließelement 4 befestigt. Das Schließelement 4 verschließt Durchlassöffnungen 3, welche in einem Düsenkörper 2 ausgebildet sind. Die Durchlassöffnungen 3 sind dabei nierenförmig um eine Mittelachse X-X des Proportionalventils 1 angeordnet. Vorzugsweise sind hierbei drei Durchlassöffnungen 3 vorgesehen, es können jedoch auch nur zwei oder aber vier oder fünf Durchlassöffnungen ausgebildet sein. Zwischen den einzelnen Durchlassöffnungen sind jeweils Stege ausgebildet.
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Wie weiter aus 1 ersichtlich ist, ist am Düsenkörper 2 ein Filter 19 vorgesehen, durch welchen eine Zuströmung des gasförmigen Mediums (Pfeil A) erfolgt. Zur Abdichtung des Proportionalventils in einem Bauelement sind O-Ringe 20 am Ventilgehäuse 6 vorgesehen. Eine Abströmung des gasförmigen Mediums erfolgt in radialer Richtung (Pfeile B).
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Am Schließelement 4 sind, wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, eine senkrechte Abströmbohrung 9 sowie mehrere waagrechte Abströmbohrungen 10 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel sind drei waagrechte Abströmbohrungen 10 vorgesehen. Weiterhin ist am Schließelement 4 ein ringförmiges, elastisches Dichtelement 5 angeordnet. Das ringförmige Dichtelement 5 dichtet die Durchlassöffnungen 3 an einem Ventilsitz 21 ab. Der Ventilsitz 21 verläuft jeweils um den äußeren Umfang der Durchlassöffnungen 3.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, sind Mündungsbereiche der Durchlassöffnungen 3 in einer Vertiefung 26 im Düsenkörper 2 gebildet.
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Im Ventilgehäuse 6 sind weiter Ausströmbohrungen 7, 8 angeordnet, welche in radialer Richtung verlaufen. Beim Öffnen des Ventils hebt das Schließelement 4 mitsamt dem Dichtelement 5 vom Ventilsitz 21 am Düsenkörper 2 ab und gibt einen Öffnungsquerschnitt entsprechend dem Hub des Schließelements 4 frei. Da in diesem Ausführungsbeispiel auch ein Strömungsweg im Schließelement 4 über die Abströmbohrungen 9, 10 gebildet ist, strömt sowohl Gas durch das Schließelement 4 als auch direkt seitlich am Schließelement 4 vorbei in die Ausströmbohrungen 7, 8. Hierdurch kann eine größere Gasmenge am Schließelement 4 bei einem relativ kleinen Hub ausströmen.
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Das am Schließelement 4 angeordnete ringförmige Dichtelement 5 ist aus Butyl-Kautschuk hergestellt. Bei der Verwendung in Verbindung mit Wasserstoff bietet Butyl-Kautschuk insbesondere einen großen Vorteil hinsichtlich einer geringen Permeation des Wasserstoffs durch das Dichtelement 5, welcher aufgrund der kleinen Moleküle hinsichtlich der Permeation besonders kritisch ist.
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Ferner weist Butyl-Kautschuk auch bei tiefen Temperaturen von ca. –40°C eine sehr gute Elastizität und damit eine sehr gute Dichtwirkung auf. Somit eignet sich Butyl-Kautschuk insbesondere für eine Verwendung in Verbindung mit Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Da Butyl-Kautschuk nicht kraftstoffbeständig bzw. öl- und fettbeständig ist, wurde Butyl-Kautschuk bisher im Automotive-Bereich nicht verwendet. Das Dichtelement 5 weist hierbei eine Dicke von ungefähr 0,5 mm auf.
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Alternativ wird für das ringförmige Dichtelement 5 ein Silikon-Kautschuk, insbesondere ein flourfreier Silikon-Kautschuk, z. B. Methyl-Vinyl-Silikon-Kautschuk (VMQ), verwendet. Insbesondere bei tiefen Temperaturen behält das Dichtelement 5 aus Silikon-Kautschuk seine sehr gute Dichtwirkung gegenüber dem gasförmigen Medium bei. Auch ermöglicht die Verwendung von Silikon-Kautschuk eine Reduzierung von Adhäsionskräften zwischen den Dichtpartnern, so dass eine Öffnungskraft zum Öffnen des Proportionalventils reduziert werden kann. Somit zeigt ein Dichtelement aus Silikon-Kautschuk überraschend eine vorteilhafte Eignung in Zusammenhang mit Wasserstoff, und insbesondere eine sehr gute Elastizität über einen üblichen Temperatureinsatzbereich zwischen –40° und +120°C.
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, ist das Dichtelement 5 an einer Grundflächenseite 4a des Schließelements 4 angeordnet. Das ringförmige Dichtelement ist dabei von einer Kante 4d des Schließelements etwas beabstandet, so dass am äußeren Umfang des Dichtelements 5 ein vom Dichtelement freier Flächenbereich 4b vorhanden ist. In gleicher Weise ist am inneren Umfang des Dichtelements 5 ein freier Flächenbereich 4c vorhanden. Das Vorsehen der beiden Flächenbereiche 4b und 4c hat dabei insbesondere herstellungsbedingte Vorteile, da das aus Butyl-Kautschuk hergestellte Dichtelement 5 direkt auf die Grundfläche 4a des Schließelements 4 aufgespritzt wird. Hierbei liegt während des Spritzvorgangs an den freien Flächenbereichen 4b und 4c ein Spritzwerkzeug an, welches sich am Schließelement 4 abstützt. Da der eingespritzte Butyl-Kautschuk selbsthaftend ist, kann nach einer kurzen Aushärtzeit das Spritzwerkzeug entfernt werden, so dass die vom Dichtelement freien Flächenbereiche 4b und 4c am Schließelement 4 verbleiben. Somit kann das erfindungsgemäße Dichtelement 5 besonders einfach und kostengünstig hergestellt werden.
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Es sei ferner angemerkt, dass auch die beiden am Ventilgehäuse 6 vorgesehenen O-Ringe 20 aus Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk hergestellt sind. Somit wird beim ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Proportionalventil beschrieben, bei dem alle Dichtelemente aus Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk hergestellt sind. Hieraus ergibt sich eine hervorragende Eignung des Proportionalventils für Brennstoffzellen.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 4 ein Proportionalventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben. Dabei sind gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
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Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel weist das Proportionalventil des zweiten Ausführungsbeispiels keine nierenförmigen Durchlassöffnungen auf, sondern weist eine zentrale Durchlassöffnung 30 auf. 4 zeigt wiederum den geschlossenen Zustand des Proportionalventils, bei dem das aus Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk hergestellte Dichtelement 5 am ringförmigen Ventilsitz 21 aufsitzt und abdichtet. Weiterhin sind im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel beim zweiten Ausführungsbeispiel keine Abströmbohrungen im Schließelement 4 ausgebildet. Diese sind beim zweiten Ausführungsbeispiel nicht notwendig, da durch den relativ großen Durchmesser der zentralen Durchlassöffnung 30 ein ausreichender Medienstrom möglich ist. Das Dichtelement 5 des zweiten Ausführungsbeispiels ist eine kreisflächenförmige Flachdichtung, welche auf eine Grundfläche 4a des Schließelements 4 aufgespritzt ist. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel, ist hierbei am äußeren Umfang des Dichtelements 5 ein freier Flächenbereich 4b vorgesehen, welcher während der Herstellung als Auflage für Einspritzwerkzeug dient.
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Das zweite Ausführungsbeispiel weist insbesondere vereinfachte Bauteile auf, so dass die Herstellkosten für ein derartiges Proportionalventil reduziert werden können. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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Somit wird erfindungsgemäß ein Proportionalventil 1 für eine Steuerung eines Wasserstoffgasstromes bereitgestellt, welches insbesondere zur Gaszuführung zu Brennstoffzellen verwendet wird. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ermöglicht eine sichere Abdichtung auch bei tiefen Temperaturen, und eine sehr genaue Zudosierung des Wasserstoffs, da insbesondere auch ein ungenaues Öffnen und Schließen durch Anhaften des aus Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk hergestellten Dichtelements 5 am Ventilsitz 21 vermieden werden kann.
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Es sei ferner angemerkt, dass alternativ das Dichtelement auch am Düsenkörper 2 angeordnet sein kann und der Ventilsitz am Schließelement 4 vorgesehen sein kann. Hierbei ergeben sich die gleichen Vorteile wie in den beschriebenen Ausführungsbeispielen, wobei lediglich eine Umkehrung der Anordnung des aus Butyl-Kautschuk oder Silikon-Kautschuk hergestellten Dichtelements vorgenommen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056212 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Standard ASTM D-1418 [0004]
- ASTM D-1329 [0004]
