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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Offenbarung betrifft ein Anodenventil und insbesondere ein Anodenventil für ein Brennstoffzellensystem.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Brennstoffzellensystem ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt einen Brennstoff, wie Wasserstoff, auf und die Kathode nimmt ein Oxidationsmittel, wie Sauerstoff oder Luft, auf. Wenn der Brennstoff an eine Reaktionsebene der Anode über einen Anodenkreislauf geliefert wird, wird der Brennstoff ionisiert, und die Brennstoffionen werden an die Kathode über eine Festpolymerelektrolytmembran übertragen. Während dieses Prozesses werden Elektronen erzeugt und fließen entweder durch eine Bipolarplatte zu einer benachbarten Zelle oder zu einer externen Schaltung, wobei elektrische Energie in Form von Gleichstrom bereit gestellt wird. Wenn das Oxidationsmittel an die Kathode über einen Kathodenkreislauf geliefert wird, reagieren die Brennstoffionen, Ionen und das Oxidationsmittel an der Kathode und erzeugen Wasser. Das Wasser wird von dem Brennstoffzellensystem mittels eines Kathodenabgasdurchgangs ausgestoßen. Typischerweise wird nicht das gesamte Wasser von dem Brennstoffzellensystem ausgestoßen.
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Typischerweise werden Ventile in dem Anodenkreislauf angeordnet, um verschiedene Strömungen und Parameter des Brennstoffs, wie beispielsweise einen Druck und eine Temperatur des Brennstoffs in dem Brennstoffzellensystem, zu steuern. Ein derartiges Anodenventil steuert eine Strömung des Brennstoffs zu der Kathode zum Aufwärmen des Brennstoffzellensystems in einer Niedertemperaturumgebung. Wenn Wasser nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems in dem Anodenkreislauf verbleibt und das Brennstoffzellensystem in der Niedertemperaturumgebung beibehalten wird, kann das in dem Anodenventil verbleibende Wasser gefrieren und Eis bilden. Das Eis kann eine Blockierung in dem Anodenventil bilden und einen normalen Betrieb des Anodenventils verhindern. Wenn das Anodenventil nicht normal arbeitet, kann es schwierig sein, das Brennstoffzellensystem neu zu starten, was unerwünscht ist.
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Es wäre erwünscht, ein Anodenventil für ein Brennstoffzellensystem zu erzeugen, das ein bewegbares Element aufweist, um einer Eisblockade entgegenzuwirken, wobei eine Energie und Zeit, die erforderlich sind, um das Anodenventil in einen normalen Betriebszustand zu bringen, minimiert sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist überraschend ein Anodenventil für ein Brennstoffzellensystem mit einem bewegbaren Element entdeckt worden, um einer Eisblockade entgegenzuwirken, wobei eine Energie und eine Zeit, die erforderlich sind, um das Anodenventil in einen normalen Betriebszustand zu bringen, minimiert sind.
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Bei einer Ausführungsform umfasst ein Ventil für ein Brennstoffzellensystem: ein Ventilgehäuse mit einem darin geformten Ventilsitz, wobei der Ventilsitz eine darin geformte Öffnung besitzt, um eine Fluidströmung durch das Ventilgehäuse zuzulassen; und ein bewegbares Element, das in dem Ventilgehäuse angeordnet und linear zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei zumindest ein Abschnitt des bewegbaren Elements in der Öffnung angeordnet ist, um einer Bildung von Eis über die Öffnung des Ventilsitzes entgegenzuwirken, wenn sich das bewegbare Element in der geschlossenen Position befindet.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Ventil für ein Brennstoffzellensystem: ein Ventilgehäuse mit einem darin geformten Ventilsitz, wobei der Ventilsitz eine darin geformte Öffnung aufweist, um eine Fluidströmung durch das Ventilgehäuse zuzulassen; und ein bewegbares Element, das in dem Ventilgehäuse angeordnet und zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei das bewegbare Element ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Kragen aufweist, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei das erste Ende eine Basis besitzt, wobei zumindest ein Abschnitt der Basis in der Öffnung des Ventilsitzes angeordnet ist, wenn sich das bewegbare Element in der geschlossenen Position befindet, und wobei eine fluiddichte Dichtung zwischen dem Kragen und dem Ventilsitz geformt ist, wenn sich das bewegbare Element in der geschlossenen Position befindet.
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Bei einer anderen Ausführungsform umfasst ein Ventil für ein Brennstoffzellensystem: ein Ventilgehäuse mit einem darin geformten Ventilsitz, wobei der Ventilsitz eine darin geformte Öffnung besitzt, um eine Fluidströmung durch das Ventilgehäuse zuzulassen; und ein bewegbares Element, das in dem Ventilgehäuse angeordnet und linear zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position bewegbar ist, wobei das bewegbare Element ein erstes Ende, ein zweites Ende und einen Kragen aufweist, der zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende angeordnet ist, wobei das erste Ende einen länglichen Abschnitt und eine allgemein konisch geformte Basis besitzt, wobei die Basis entfernt von der Öffnung des Ventilsitzes positioniert ist, wenn sich das bewegbare Element in der offenen Position befindet, um so eine Strömung des Fluides durch die Öffnung nicht zu stören, und zumindest ein Abschnitt der Basis in der Öffnung des Ventilsitzes angeordnet ist, wenn sich das bewegbare Element in der geschlossenen Position befindet, um einer Bildung von Eis über die Öffnung des Ventilsitzes entgegenzuwirken, und wobei eine fluiddichte Dichtung zwischen dem Kragen und dem Ventilsitz geformt ist, wenn sich das bewegbare Element in der geschlossenen Position befindet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen wie auch weitere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden dem Fachmann leicht aus der folgenden detaillierten Beschreibung insbesondere unter Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
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1 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das ein Anodenventil der vorliegenden Erfindung aufweist;
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2 ist eine schematische bruchstückhafte Schnittansicht des Anodenventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ein bewegbares Element des Anodenventils in einer geschlossenen Position zeigt;
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3 ist eine schematische bruchstückhafte Schnittansicht des in 2 gezeigten Anodenventils, die das bewegbare Element des Anodenventils in einer offenen Position zeigt;
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4 ist eine schematische bruchstückhafte Schnittansicht des in den 2–3 gezeigten Anodenventils, die ein alternatives bewegbares Element des Anodenventils in einer offenen Position zeigt; und
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5 ist eine schematische bruchstückhafte Schnittansicht des in den 2–4 gezeigten Anodenventils, die einen Lagerbügel zeigt, der dazu verwendet wird, eine Ausrichtung des bewegbaren Elements zu unterstützen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, den Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung durchzuführen und anzuwenden, und sind nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken.
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 des Typs, in dem die vorliegende Erfindung ausgeführt werden kann, allgemein in einer vereinfachten Form gezeigt. Obwohl eine einzelne Brennstoffzelle 12 gezeigt ist, kann das Brennstoffzellensystem 10 viele Brennstoffzellen 12 besitzen, die benachbart zueinander angeordnet sind, um so einen Stapel zu bilden. Die Brennstoffzelle 12 weist einen Elektrolyten 16 auf, wie eine Polymerelektrolyt-Protonenaustauschmembran, die zwei Hauptflächen besitzt, benachbart denen sich eine Anode 14 und eine Kathode 18 befinden. Brennstoff (z. B. Wasserstoff) wird über einen Anodenkreislauf 20 an die Anode 14 in gasförmiger Form von einer Brennstoffquelle 22 zugeführt, und ein Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff oder Luft) wird über einen Kathodenkreislauf 24 an die Kathode 18 von einer Sauerstoffquelle 26 geliefert. Gemäß der Erfindung wird in einer Niedertemperaturumgebung der Brennstoff durch ein Anodenventil 30 geführt, das durch einen Solenoid 32 betätigt wird, um sich mit dem Oxidationsmittel zu mischen und damit ein verdünntes Brennstoff/Oxidationsmittelgemisch an die Kathode 18 zu liefern, um die Brennstoffzelle 12 aufzuwärmen. Typischerweise steuert ein Controller 33 das Solenoid 32, um das Ventil 30 zu öffnen, wenn das Fahrzeug zu starten ist, und steuert das Solenoid 32, um das Ventil 30 zu schließen, um eine Überhitzung der Kathode 18 zu vermeiden. Obwohl das nachfolgend beschriebene Ventil 30 zur Verwendung in dem Anodenkreislauf 20 des Brennstoffzellensystems 10 dient, sei zu verstehen, dass das Ventil 30 gegebenenfalls auch in dem Kathodenkreislauf 24 verwendet werden kann.
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Wie in den 2–5 gezeigt ist, weist das Ventil 30 ein Ventilgehäuse 34 auf. Das Ventilgehäuse 34 wird mit Brennstoff durch ein Einlassende 36 beliefert, und der Brennstoff wird von dem Ventilgehäuse 34 durch ein Auslassende 38 ausgetragen. Das Auslassende 38, das gezeigt ist, weist ein Paar von darin geformten Austragsdurchbrechungen 39 auf. Es sei jedoch zu verstehen, dass das Auslassende 38 gegebenenfalls weniger oder zusätzliche Austragsdurchbrechungen 39, als gezeigt ist, besitzen kann. Wie gezeigt ist, ist das Ventilgehäuse 34 mit einem ersten Dichtungselement 41 und einem zweiten Dichtungselement 43 versehen. Das erste Dichtungselement 41 ist um einen Außenumfang des Einlassendes 36 des Ventilgehäuses 34 angeordnet, um einer Leckage des Brennstoffs von dem Einlassende 36 zu dem Auslassende 38 entgegenzuwirken. Das zweite Dichtungselement 43 ist um einen Außenumfang des Auslassendes 38 des Ventilgehäuses 34 angeordnet, um einer Leckage des Brennstoffs von dem Auslassende 38 zu der Atmosphäre entgegenzuwirken. Gegebenenfalls können zusätzliche oder weniger Dichtungselemente, als gezeigt ist, verwendet werden.
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Ein Ventilsitz 40 ist in dem Ventilgehäuse 34 geformt. Der Ventilsitz 40 weist eine darin geformte zentrale Öffnung 42 auf, um eine Strömung des Brennstoffs durch das Ventil 30 zuzulassen. Ein bewegbares Element 44 ist axial verstellbar in dem Ventilgehäuse 34 angeordnet, um das Ventil 30 selektiv zu öffnen und zu schließen. Das bewegbare Element 44, das gezeigt ist, besitzt eine allgemein kreisförmige Querschnittsform und weist ein erstes Ende 46 und ein zweites Ende 47 auf. Ein allgemein kreisförmiger Kragen 48 ist zwischen dem ersten Ende 46 und dem zweiten Ende 47 geformt.
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Wie in den 2–3 gezeigt ist, weist das erste Ende 46 einen länglichen Abschnitt 48 und eine allgemein konisch geformte Basis 50 auf. Es sei jedoch zu verstehen, dass das erste Ende 46 gegebenenfalls ohne den länglichen Abschnitt 48 geformt sein kann, wie in 4 gezeigt ist. Ein Durchmesser der Basis 50 erhöht sich allmählich von dem länglichen Abschnitt 48 zu einer ersten Fläche 52 des Kragens 48. Wie in 2 gezeigt ist, ist der Durchmesser der Basis 50 kleiner als der Durchmesser der in dem Ventilsitz 40 geformten Öffnung 42, wodurch zugelassen wird, dass zumindest ein Abschnitt der Basis 50 in der Öffnung 42 angeordnet ist, wenn das Ventil 30 geschlossen ist. Wenn das Ventil 30 offen ist, wie in 3 gezeigt ist, ist die Basis 50 weg von der Öffnung 42 positioniert, um so eine Strömung des Brennstoffs durch die Öffnung 42 nicht zu stören. Demgemäß beeinflusst die Basis 50 einen effektiven Soll-Strömungsfaktor (Kv von engl.: ”desired effective flow faktor”) des Ventils 30 nicht. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel ist die Basis 50 aus einem weicheren Material geformt, als der Ventilsitz 40. Somit findet, wenn die Basis 50 häufig mit dem Ventilsitz 40 während eines Öffnens und Schließens des Ventils 30 in Kontakt tritt, ein Verschleiß bzw. eine Abnutzung der Basis 50 vor einer Abnutzung des Ventilsitzes 40 statt. Da die Basis 50 den effektiven Soll-Strömungsfaktor Kv des Ventils 30 nicht beeinflusst, stört die Abnutzung der Basis 50 nicht den Betrieb des Ventils 30. Ein Übergang 53 zwischen der Basis 50 und dem länglichen Abschnitt 48 wie auch ein Rand des Ventilsitzes 40 benachbart der Öffnung 42 sind gekrümmt, um einen gleitfähigen Kontakt zwischen dem bewegbaren Element 44 und dem Ventilsitz 40 beim Öffnen und Schließen des Ventils 30 zu unterstützen.
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Ein Durchmesser des länglichen Abschnitts 48 ist proportional zu dem Durchmesser der Öffnung 42, um den effektiven Soll-Strömungsfaktor Kv des Ventils 30 zu erhalten, wenn das Ventil 30 offen ist. Falls beispielsweise der Durchmesser des länglichen Abschnitts 48 erhöht ist, um einem Bruch desselben entgegenzuwirken, ist auch ein Durchmesser der Öffnung 42 erhöht, um den effektiven Soll-Strömungsfaktor Kv beizubehalten. Wie gezeigt ist, ist eine Länge des länglichen Abschnitts 48 so, dass ein Abschnitt davon in der Öffnung 42 verbleibt, wenn sich das bewegbare Element 44 in der offenen Position befindet, um eine Ausrichtung des bewegbaren Elements 44 beizubehalten.
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Wie in 5 gezeigt ist, kann ein Lagerbügel 54 einteilig oder separat in dem Ventilsitz 40 geformt sein. Der Lagerbügel 54 sieht eine zusätzliche Abstützung und Ausrichtung des länglichen Abschnitts 48 vor und begrenzt einen Grad an Verkippen oder seitlicher Bewegung des bewegbaren Elements 44. Durch Beschränken des Grades an Verkippen oder seitlicher Bewegung des bewegbaren Elements 44 begrenzt der Lagerbügel 54 auch eine Wirkung, die das Verkippen oder die seitliche Bewegung des bewegbaren Elements 44 auf den effektiven Soll-Strömungsfaktor Kv des Ventils 30 besitzt. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel weist der Lagerbügel 54 ein Paar beabstandeter Trägerarme 55 auf, die ein dazwischen angeordnetes Querelement 56 besitzen. Das Querelement 56 weist eine darin geformte Durchbrechung 57 auf, um den länglichen Abschnitt 48 hindurch aufzunehmen. Das längliche Element 48 steht mit einer Innenfläche der Durchbrechung 57 in Kontakt, wenn ein maximal zulässiger Grad an Verkippen oder seitlicher Bewegung des bewegbaren Elements 44 erreicht ist.
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Das zweite Ende 47 besitzt einen allgemein gleichförmigen Durchmesser von einem Außenrad 58 davon zu einer zweiten Fläche 59 des Kragens 48. Es sei jedoch zu verstehen, dass das erste und zweite Ende 46, 47 nach Bedarf eine beliebige Form und eine beliebige Größe besitzen können. Zumindest ein distaler Abschnitt des zweiten Endes 47 ist aus einem magnetischen Metallmaterial, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, hergestellt. Es sei zu verstehen, dass das gesamte zweite Ende 47 oder das bewegbare Element 44 gegebenenfalls aus dem magnetischen Metallmaterial geformt sein können. Das zweite Element 47 ist funktional mit dem Solenoid 32 zur selektiven Positionierung des bewegbaren Elements 44 zwischen einer geschlossenen Position, wie in 2 gezeigt ist, und einer offenen Position, wie in 3 gezeigt ist, gekoppelt.
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Das Solenoid 32 weist ein Solenoidgehäuse 60 auf, das eine darin angeordnete Wicklung 62 besitzt. Die Wicklung 62 ist um das zweite Ende 47 angeordnet. Ein Rückstellmechanismus 64 ist zwischen dem zweiten Ende 47 und dem Solenoidgehäuse 60 positioniert. Der Rückstellmechanismus 64 spannt das bewegbare Element 44 zur Verstellung zu dem Ventilsitz 40 des Ventilgehäuses 34 vor, um das Ventil 30 zu schließen. Bei einem nicht beschränkenden Beispiel ist eine fluiddichte Abdichtung zwischen dem bewegbaren Element 44 und dem Ventilsitz 40 gebildet, wenn das Ventil 30 geschlossen ist. Wie gezeigt ist, steht das Solenoid 32 in elektrischer Kommunikation mit einer Leistungsquelle 66. Die Leistungsquelle 66 liefert elektrischen Strom durch einen elektrischen Pfad 68 an das Solenoid 32 zum Erregen der Wicklung 62. Ein Schalter 70 kann in dem elektrischen Pfad 68 angeordnet sein, um einen Fluss des elektrischen Stroms von der Leistungsquelle 66 zuzulassen oder zu unterbrechen. Wie gezeigt ist, wird der Schalter 70 durch den Controller 33 des Brennstoffzellensystems 10 geöffnet und geschlossen.
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Nachfolgend wird ein Betrieb des Ventils 30 beschrieben. Wenn der Schalter 70 durch den Controller 33 des Brennstoffzellensystems 10 geöffnet wird, wie in den 2 und 5 gezeigt ist, wird der Fluss des elektrischen Stromes von der Leistungsquelle 66 unterbrochen. Demgemäß wird die Wicklung 62 nicht erregt, und der Rückstellmechanismus 64 spannt das bewegbare Element 44 zu dem Ventilsitz 40 des Ventils 30 vor. Insbesondere überwindet eine Federkraft des Rückstellmechanismus 64 einen Druck des Brennstoffs in dem Einlassende 36 des Ventils 30, wobei eine geschlossene Position des bewegbaren Elements 44 beibehalten wird. Somit liegt der Kragen 48 des bewegbaren Elements 44 an dem Ventilsitz 40 des Ventils 30 an, wobei eine fluiddichte Dichtung dazwischen gebildet wird. Ferner ist zumindest ein Abschnitt der Basis 50 in der Öffnung 42 des Ventilsitzes 40 angeordnet, wobei ein Zentralabschnitt der Öffnung 42 besetzt wird. Demgemäß erfolgt nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 und wenn das in dem Anodenkreislauf 20 verbleibende Wasser infolge einer Niedertemperaturumgebung gefriert, eine Eisbildung an dem Abschnitt der Basis 50, der in der Öffnung 42 angeordnet ist, und entlang eines Umfangs der Öffnung 42 zwischen der Basis 50 und dem Ventilsitz 40. Somit wirkt die Basis 50 der Eisbildung über die gesamte Öffnung 42 entgegen.
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Beim Start des Brennstoffzellensystems 10 wird, wenn typischerweise ein Aufwärmen der Brennstoffzelle 12 erwünscht ist, der Schalter 70 durch den Controller 33 geschlossen, wie in 3 gezeigt ist. Wenn der Schalter 70 durch den Controller 33 geschlossen ist, ist ein Fluss von elektrischem Strom von der Leistungsquelle 66 zu dem Solenoid 32 zugelassen. Folglich wird die Wicklung 62 erregt, um magnetische Flüsse zu erzeugen, die von der Wicklung 62 zu dem bewegbaren Element 44 und dann zurück zu der Wicklung 62 fließen, wobei eine Magnetkraft erzeugt wird. Die Magnetkraft bewirkt eine Bewegung des bewegbaren Elements 44 zu der Wicklung 62 gegen die Federkraft des Rückstellmechanismus 64. Somit wird der Kragen 48 des bewegbaren Elements 44 weg von dem Ventilsitz 40 verstellt, und die Basis 50 wird weg von der Öffnung 42 positioniert, wodurch die Strömung des Brennstoffs durch das Ventil 30 zugelassen wird. Da die Basis 50 der Bildung von Eis über die gesamte Öffnung 42 entgegenwirkt, wenn das Ventil 30 geschlossen ist, wird jegliches Eis, das sich an dem länglichen Abschnitt 48 und der Basis 50 und entlang des Umfangs der Öffnung 42 infolge des in dem Anodenkreislauf 20 verbleibenden Wassers gebildet hat, leicht durch die Verstellung der Basis 50 von der Öffnung 42 überwunden. Somit minimiert das Ventil 30 den elektrischen Strom (d. h. Energie) sowie eine Zeit, die erforderlich ist, um das Ventil 30 in einen normalen Betriebszustand zu bringen, im Gegensatz zur Verwendung eines Heizers, um das Eis zu schmelzen, wie es üblicherweise bekannt ist.
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Während bestimmte repräsentative Ausführungsformen und Einzelheiten zu Zwecken der Veranschaulichung der Erfindung gezeigt worden sind, sei dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen ohne Abweichung von dem Schutzumfang der Offenbarung durchgeführt werden können, der ferner in den folgenden angefügten Ansprüchen beschrieben ist.
