IT202000017074A1 - Valvola anodo per un impianto di autotrazione a celle combustibile - Google Patents

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Marco Bosio
Davide Peroni
Renato Santulli
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Description

DESCRIZIONE
La presente invenzione si colloca nel settore dei componenti per impianti per autotrazione a celle combustibile a idrogeno; in particolare, forma oggetto della presente invenzione una valvola anodo, ossia una valvola che intercetta il ramo a bassa pressione dell?impianto che alimenta l?idrogeno alle celle combustibile.
In un impianto per autotrazione a celle combustibile, l?idrogeno ? stipato ad alta pressione in un serbatoio e alimentato tramite una linea ad alta pressione ad un regolatore di pressione, a valle del quale parte una linea a bassa pressione che alimenta le celle combustibile. Come prodotti delle reazioni chimiche che portano alla produzione di energia elettrica, utilizzata per l?azionamento di un motore elettrico, le celle combustibile scaricano una miscela formata da idrogeno, azoto, vapore acqueo e acqua liquida. La miscela ? trattata da un separatore (Anode Water Separator, AWS), che separa l?idrogeno, destinato ad essere rimesso in circolo, dagli altri componenti. La miscela formata da azoto, vapore acqueo e acqua liquida ? indirizzata ad una o pi? valvole anodo, che assumono denominazioni diverse secondo la miscela trattata. Solitamente, una valvola che tratta una miscela a prevalente componente liquida ? denominata Anode Drain Valve (valvola ADV); una valvola che tratta una miscela a prevalente componente gassosa ? denominata Anode Purge Valve (valvola APV); una valvola che tratta una miscela a prevalente componente gassosa, posta a monte della valvola ADV, ? denominata Anode Drain Valve Header (ADVH).
Le valvole anodo hanno l?esigenza di assicurare una elevata affidabilit?, messa a dura prova dalla vita utile richiesta e dal tempo trascorso a contatto con la miscela di gas e liquido trattata. Scopo della presente invenzione ? quello di realizzare una valvola anodo avente una elevata affidabilit?.
Tale scopo ? raggiunto da una valvola anodo secondo la rivendicazione 1. Le rivendicazioni da questa dipendenti individuano ulteriori vantaggiose forme di realizzazione dell?invenzione.
Le caratteristiche e i vantaggi della valvola anodo secondo la presente invenzione saranno evidenti dalla descrizione di seguito riportata, data a titolo esemplificativo e non limitativo, in accordo con le figure delle tavole allegate, in cui:
- la figura 1 rappresenta una valvola anodo secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, a parti separate;
- la figura 2 raffigura una sezione trasversale della valvola anodo della figura 1;
- la figura 3 mostra un?armatura di un dispositivo solenoide della valvola anodo secondo la presente invenzione; e
- la figura 4 illustra un assieme costituito dall?armatura e dall?avvolgimento del dispositivo solenoide della valvola anodo secondo la presente invenzione.
Con riferimento alla figura della tavola allegata, con 1 si ? complessivamente indicata una valvola anodo operativa lungo una linea a valle di celle combustibile, alimentata con un fluido che, secondo gli utilizzi della valvola, ? principalmente composto da componenti gassosi, quali idrogeno, azoto e vapore acqueo, oppure da acqua.
La valvola anodo 1 comprende un corpo valvola 2, solitamente realizzato in un unico pezzo in alluminio, ad esempio ottenuto da barra tramite lavorazioni d?utensile. Il corpo valvola 2 presenta un condotto ingresso 4 per l?ingresso del fluido nella valvola anodo 1 e un condotto uscita 6 per lo scarico del fluido, collegabile al condotto ingresso 4.
Il corpo valvola 2 presenta inoltre un vano corpo 5 per il contenimento di alcuni componenti; detto vano corpo 5 presenta sul fondo, in corrispondenza del passaggio fra il condotto ingresso 4 ed il condotto uscita 6, una superficie di appoggio 16, di cui si dir? in seguito.
Fra il condotto ingresso 4 e il condotto uscita 6 ? operativo un otturatore 8, almeno parzialmente deformabile elasticamente; in una configurazione di chiusura, l?otturatore 8 chiude a tenuta il passaggio del fluido dal condotto ingresso 4 al condotto uscita 6, mentre in una configurazione di apertura, l?otturatore 8 libera almeno parzialmente il passaggio ed il fluido pu? transitare dal condotto ingresso 4 al condotto uscita 6.
Preferibilmente, l?otturatore 8 comprende un corpo otturatore 10, che presenta almeno una superficie di contatto con una superficie di tenuta del corpo valvola 2 per chiudere il passaggio fra condotto ingresso 4 e condotto uscita 6, e una membrana otturatore 12, deformabile elasticamente, unita al corpo otturatore 10. Il corpo otturatore e la membrana otturatore sono preferibilmente realizzati in un unico pezzo, ad esempio in gomma sintetica, ad esempio in EPDM (Ethylene-Propylene Diene Monomer).
Ad esempio, il corpo otturatore 10 ha forma cilindrica e la membrana otturatore 12 si estende anularmente radialmente dal corpo otturatore 10.
Perifericamente, di preferenza, la membrana otturatore 12 presenta un ingrossamento 14 anulare per migliorare le caratteristiche di tenuta.
La membrana otturatore 12 poggia sulla superficie di appoggio 16.
Preferibilmente, la valvola anodo 1 comprende inoltre un elemento di pressione 18, ad esempio anulare, solitamente realizzato in materiale metallico, alloggiato nel vano corpo 5 del corpo valvola 2 e adatto a premere sulla membrana otturatore 12 in modo da realizzare una tenuta al fluido fra l?elemento di pressione 18 e la membrana otturatore 12 e fra la membrana otturatore 12 e la superficie di appoggio 16 del corpo valvola 2.
Conseguentemente, il vano corpo 5 ? chiuso ermeticamente rispetto al condotto ingresso 4 e al condotto uscita 6. Preferibilmente, la valvola anodo 1 comprende inoltre un involucro interno 20, ad esempio tubolare, alloggiato nel vano corpo 5 almeno parzialmente.
In particolare, l?involucro interno 20 comprende una prima porzione 22, alloggiata nel vano corpo 5, a contatto con l?elemento di pressione 18, comprendente una prima parete 24 tubolare che circonda una prima camera 26.
Sulla prima porzione 22, esternamente, opera un dado 28 che, avvitato al corpo valvola 2 all?imboccatura del vano corpo 5, opera in spinta sulla prima porzione 22, cos? che l?azione di spinta ? trasmessa all?elemento di pressione 18.
L?involucro interno 20 comprende inoltre una seconda porzione 30, che si estende assialmente dalla prima porzione 22 fino ad uscire dal vano corpo 5 attraversando il dado 28; la seconda porzione 30 comprende una seconda parete 32 tubolare che circonda una seconda camera 34. La seconda parete 32, terminante con una estremit? parete 32a, ? realizzata in un materiale metallico ferromagnetico, ad esempio in acciaio al carbonio, quale un 11SMn37.
Infine, l?involucro interno 20 comprende una terza porzione 36, unita alla seconda porzione 30, all?esterno del vano corpo 5, che chiude la seconda camera 34. Secondo una forma di realizzazione, detta terza porzione 36 costituisce altres? un nucleo fisso 36? di dispositivo solenoide adatto a movimentare il corpo otturatore 10 dell?otturatore 8 per azionamento elettromagnetico.
La terza porzione 36 ? realizzata in un materiale metallico ferromagnetico, ad esempio in acciaio al carbonio, quale un acciaio 11SMn37.
L?involucro interno 20 comprende inoltre una fascia 38 anulare, realizzata in un materiale amagnetico, ad esempio una lega di rame, quale CuAl8 o genericamente in bronzo, applicata all?estremit? parete 32a, interrompendo la continuit? magnetica con la terza porzione 36 o nucleo fisso 36?. Ad esempio, la fascia 38 costituisce la parte residua di una saldatura realizzata fra la seconda parete 32 e la terza porzione 36 o nucleo fisso 36?.
La valvola anodo 1 comprende inoltre una guida 40 fissa accolta nella seconda camera 34; ad esempio, la guida 40 comprende un piede 42, fissato alla terza porzione 36, uno stelo 44 che si estende lungo un asse principale X a partire dal piede 42, e una testa 46, unita all?estremit? dello stelo 44 opposta al piede 42.
La valvola anodo 1 comprende inoltre un nucleo mobile 48 del dispositivo solenoide, in materiale metallico ferromagnetico, alloggiato nella seconda camera 34 e montato scorrevole sullo stelo 44 della guida 40. Il nucleo mobile 48 si estende lungo l?asse principale X fra una prima estremit? 50, affacciata al terza porzione 36 (nucleo fisso), ed una opposta estremit? 52, affacciata alla testa 46, che costituisce un riscontro.
Per consentire un adeguato scorrimento sullo stelo 44, il nucleo mobile 48 presenta un foro nucleo 53 passante assialmente, coassiale allo stelo 44 e attraversato da questo; fra la superficie del foro nucleo 53 e la superficie dello stelo 44 vi ? un gap che, per quanto piccolo, consente lo scorrimento del nucleo mobile 48 senza inceppamento.
Il dispositivo solenoide comprende inoltre almeno una bronzina 55 solidale al nucleo mobile 48, coassiale allo stelo 44 e attraversata da questo, posta all?entrata del foro nucleo 53, scorrevole sulla superficie laterale dello stelo 44.
Preferibilmente, il dispositivo solenoide comprende due bronzine 55, la prima posta all?ingresso del foro nucleo 53, affacciata al nucleo fisso 36?, l?altra all?ingresso del foro nucleo 53, affacciata all?otturatore 8 ovvero alla testa 46 della guida 40.
Preferibilmente, detta bronzina ? realizzata in un polimero rinforzato autolubrificante.
Preferibilmente, la valvola anodo 1 comprende una bussola 54 solidale al nucleo mobile 48, ad esempio applicata a detto nucleo mobile 48 alla seconda estremit? 52; la bussola 54 comprende una parete bussola 56 anulare e una base bussola 58 che delimitano, insieme al nucleo mobile 48, un vano bussola 60, nel quale si trova la testa 46 della guida 40.
La valvola anodo 1 comprende inoltre mezzi di ritorno elastici adatti ad operare permanentemente sulla bussola 54 per portarla verso la configurazione di chiusura. Ad esempio, detti mezzi di ritorno comprendono una molla 62 alloggiata nel vano bussola 60, in compressione fra la guida 40, ed in particolare applicata alla testa 46, e la base bussola 58.
La bussola 54 ? collegata all?otturatore 8, cos? che la traslazione della bussola 54 comporta uno spostamento del corpo otturatore 10 fra la configurazione di chiusura e la configurazione di apertura.
Ad esempio, l?otturatore 8 comprende un piolo 64 solidale al corpo otturatore 10, ad esempio realizzato per costampaggio o co-iniezione con il corpo otturatore 10; il piolo 64, che si estende lungo detto asse principale X, ? impegnato, ad esempio avvitato, alla base bussola 58.
Preferibilmente, la valvola anodo 1 comprende mezzi di guida alloggiati nell?involucro interno 20, ed in particolare nella prima camera 26, solidali al nucleo mobile 48, ed in particolare applicati alla bussola 54, e adatti a guidare in traslazione detta bussola 54.
Preferibilmente, detti mezzi di guida comprendono almeno un pattino 65 supportato dalla bussola 54 e scorrevole sulla superficie laterale interna 24a della prima parete 24 per guidare la traslazione di detta bussola 54. Ad esempio, il pattino 65 ? realizzato in PTFE (Polytetrafluoroethylene) o PUR (Polyurethane).
Il dispositivo solenoide comprende inoltre un?armatura 68 fissa che supporta un avvolgimento 70 alimentabile elettricamente per generare un campo magnetico; all?interno dell?avvolgimento 70 ? contenuto almeno in parte il nucleo fisso 36 e, all?interno di questo, almeno in parte il nucleo mobile 48. La fascia 38 in materiale metallico amagnetico ? disposta fra l?avvolgimento 70 e la seconda camera 34, per deviare il campo magnetico e convogliarlo nel nucleo mobile 48.
L?armatura 68, preferibilmente realizzata in acciaio, ? conformata a C e comprende una parete principale 69, affacciata alla superficie laterale 70a dell?avvolgimento 70, e una coppia di pareti base 71, sporgenti dalla parete principale 69, fra le quali ? contenuto l?avvolgimento 70. Il dispositivo solenoide comprende infine, preferibilmente, un involucro esterno 72, che racchiude l?armatura 68 con l?avvolgimento 70 ed il nucleo fisso 36. Secondo una forma di realizzazione, inoltre, la valvola anodo 1 comprende almeno un riscaldatore 74, alimentabile elettricamente, per riscaldare il corpo valvola 2 e sciogliere eventuali depositi di ghiaccio formatisi alle basse temperature.
Nel normale funzionamento della valvola anodo 1, detta valvola anodo ? inizialmente nella configurazione di chiusura in cui il dispositivo solenoide ? in uno stato di disattivazione in cui l?avvolgimento 70 non ? alimentato elettricamente; conseguentemente, non ci sono azioni magnetiche di attrazione fra il nucleo fisso 36 ed il nucleo mobile 48 e l?azione dei mezzi di ritorno, in particolare della molla 62, fa s? che il corpo otturatore ostruisce il passaggio del fluido dal condotto ingresso 4 al condotto uscita 6. In tale configurazione, il nucleo mobile 48 ? in una posizione di chiusura in cui la prima estremit? 50 forma un gap G con il nucleo fisso 36.
Quando la valvola anodo 1 ? nella configurazione di chiusura, il fluido si accumula nel condotto ingresso 4 ed esercita sull?otturatore una pressione che tende a sollevarlo verso la configurazione di apertura. L?azione dei mezzi di ritorno deve pertanto essere particolarmente energica, in modo da mantenere l?otturatore nella configurazione di chiusura.
Quando l?impianto richiede di scaricare il fluido, l?avvolgimento 70 viene alimentato elettricamente, cos? da far passare il dispositivo solenoide in uno stato di attivazione. L?azione di attrazione fra nucleo mobile e nucleo fisso generata dal campo magnetico attira il nucleo mobile 48 verso il nucleo fisso 36; il nucleo mobile 48 si porta quindi in una posizione di apertura in cui il gap G ? ridotto al minimo. Conseguentemente, il corpo otturatore 10 libera il passaggio fra il condotto ingresso 4 ed il condotto uscita 6. La valvola 1 assume cos? la configurazione di apertura ed il fluido pu? essere scaricato a valle.
Poich? l?azione della molla 62, come si ? detto sopra, deve essere molto energica per assicurare la chiusura nella configurazione di chiusura, altrettanto energica deve essere l?azione di attrazione fra nucleo mobile e nucleo fisso per passare nella configurazione di apertura. A tale scopo, la fascia 38 consente di incanalare adeguatamente il flusso magnetico dall?avvolgimento verso il nucleo mobile, evitando che sia incanalato nell?involucro interno e aumentando cos? l?azione attrattiva fra nucleo fisso e nucleo mobile.
Vantaggiosamente, l?otturatore provvisto di membrana consente di isolare il vano corpo 5 dal condotto ingresso 4, in modo che l?idrogeno o ulteriori componenti del fluido in pressione nel condotto ingresso non possano risalire l?involucro interno fino ad arrivare alla fascia 38, il cui materiale ? particolarmente deteriorabile a contatto con tali gas. Infatti, in virt? della membrana dell?otturatore, il condotto ingresso 4 ed il condotto uscita 6 sono ermeticamente separati dal vano corpo e dalla seconda camera, sula quale si affaccia la fascia 38 in materiale amagnetico.
Inoltre, la presenza dell?armatura a C provoca una asimmetria delle azioni agenti sul nucleo mobile, che spinge pertanto sullo stelo 44 con azioni fuori asse che, a lungo andare, provocherebbero un?usura dello stelo e l?inceppamento del nucleo mobile. Vantaggiosamente, invece, la valvola anodo prevede i mezzi di guida che consentono di guidare il nucleo mobile durante la traslazione.
Inoltre, vantaggiosamente, il pattino, ed in particolare il materiale e la peculiare geometria, evita lo scorrimento del nucleo mobile, in acciaio, sulla superficie della parete dell?involucro interno, anch?essa in acciaio, riducendo cos? gli attriti e limitando dissipazioni di forza; conseguentemente, a parit? di taglia del dispositivo solenoide, si riesce a far passare la valvola nella configurazione di apertura in condizioni di temperatura o alimentazione pi? critiche.
Inoltre, le bronzine evitano o limitano moltissimo la formazione di polveri dovute allo strisciamento fra lo stelo ed il nucleo mobile, accentuato dalle azioni fuori asse prodotte dall?armatura.
Innovativamente, pertanto, la valvola anodo secondo la presente invenzione consente di soddisfare le esigenze di affidabilit? di cui si ? detto.
? chiaro che un tecnico del ramo, al fine di soddisfare esigenze contingenti, potrebbe apportare modifiche alla valvola anodo sopra descritta, tutte contenute nell?ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni seguenti.

Claims (9)

RIVENDICAZIONI
1. Valvola anodo (1) per un circuito a valle di celle combustibile di un impianto per autotrazione, comprendente:
- un corpo valvola (2) avente un condotto ingresso (4) per l?ingresso di un fluido, un condotto uscita (6) per lo scarico del fluido, collegabile al condotto ingresso (4), e un vano corpo (5);
- un otturatore (8) adatto a passare da una configurazione di chiusura, in cui impedisce il transito del fluido dal condotto ingresso (4) al condotto uscita (6), ad una configurazione di apertura in cui consente il transito del fluido dal condotto ingresso (4) al condotto uscita (6); - un dispositivo solenoide alimentabile elettricamente per movimentare l?otturatore (8) dalla configurazione di chiusura alla configurazione di apertura, comprendente un nucleo fisso (36?), una guida (40) fissa comprendente uno stelo (44), un nucleo mobile (48) scorrevole sullo stelo (44) e solidale all?otturatore (8), un avvolgimento (70) e un?armatura (68) fissa che supporta l?avvolgimento (70); - in cui l?armatura (68) ha conformazione a ?C? e comprende una parete principale (69), affacciata ad una superficie laterale (70a) dell?avvolgimento (70), e una coppia di pareti base (71), sporgenti dalla parete principale (69), fra le quali ? contenuto l?avvolgimento (70);
- in cui il nucleo mobile (48) presenta un foro nucleo (53) passante assialmente, coassiale allo stelo (44) e attraversato da questo, tale che fra una superficie laterale del foro nucleo (53) e una superficie laterale dello stelo (44) esiste un gap che consente lo scorrimento del nucleo mobile (48) sullo stelo (44);
- in cui il dispositivo solenoide comprende almeno una bronzina (55) solidale al nucleo mobile (48), coassiale allo stelo (44) e attraversata da questo, posta ad una entrata del foro nucleo (53), scorrevole sulla superficie laterale dello stelo (44).
2. Valvola anodo secondo la rivendicazione 1, in cui il dispositivo solenoide comprende due bronzine (55), la prima posta ad un ingresso del foro nucleo (53), affacciata al nucleo fisso (36?), l?altra ad un altro ingresso del foro nucleo (53), affacciata all?otturatore (8).
3. Valvola secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detta bronzina ? realizzata in un polimero rinforzato autolubrificante.
4. Valvola secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il dispositivo otturatore comprende un involucro interno (20) in cui ? disposto il nucleo mobile (48) e mezzi di guida alloggiati nell?involucro interno (20), solidali al nucleo mobile (48) e adatti a guidare in traslazione detto nucleo mobile (48).
5. Valvola anodo secondo la rivendicazione 4, comprendente una bussola (54) solidale al nucleo mobile (48) e in cui i mezzi di guida sono applicati alla bussola (54).
6. Valvola anodo secondo la rivendicazione 5, in cui i mezzi di guida comprendono almeno un pattino (65), supportato dalla bussola (54) e scorrevole su una superficie laterale interna (24a) di una prima parete (24) dell?involucro interno (20) per guidare la traslazione di detta bussola (54).
7. Valvola anodo secondo la rivendicazione 6, in cui il pattino (65) ? realizzato in PTFE o PUR.
8. Valvola anodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di ritorno elastici adatti ad operare permanentemente sul nucleo mobile (48) per portarlo verso la configurazione di chiusura.
9. Valvola anodo secondo la rivendicazione 8, in cui la bussola (54) ? provvista di una parete bussola (56) anulare e una base bussola (58) che delimitano, insieme al nucleo mobile (48), un vano bussola (60), e in cui detti mezzi di ritorno elastici sono accolti nel vano bussola (60).
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