WO2018233910A1 - Proportionalventil zum steuern eines gasförmigen mediums - Google Patents

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WO2018233910A1
WO2018233910A1 PCT/EP2018/060561 EP2018060561W WO2018233910A1 WO 2018233910 A1 WO2018233910 A1 WO 2018233910A1 EP 2018060561 W EP2018060561 W EP 2018060561W WO 2018233910 A1 WO2018233910 A1 WO 2018233910A1
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closing element
controlling
proportional valve
valve
gaseous medium
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PCT/EP2018/060561
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Inventor
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/0644—One-way valve
    • F16K31/0655—Lift valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K1/00—Lift valves or globe valves, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces
    • F16K1/32—Details
    • F16K1/34—Cutting-off parts, e.g. valve members, seats
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
  • a proportional valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen
  • the proportional valve comprises a nozzle body, a closing element and an elastic sealing element.
  • the nozzle body In the nozzle body, at least one passage opening is formed, which can be released or closed by the closing element on a valve seat.
  • the elastic sealing element seals on the valve seat and has a recess with an inner wall area. The inner wall area is acted upon in the closed state of the proportional valve with pressure of the gaseous medium.
  • the proportional valve according to the invention for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, in contrast, has the advantage that also At high supply pressure, a tightness of the valve seat and thus the tightness of the entire proportional valve is ensured without generating increased wear of one or more components.
  • the proportional valve has a valve housing, on which a nozzle body is formed, wherein in the valve housing, an inflow region and an outflow region are formed.
  • a closing element arranged in the valve housing releases at least one passage opening formed on the nozzle body against a valve seat formed on the nozzle body or obstructs the passage opening.
  • a magnetic device is arranged in the valve housing, by means of which magnetic device a magnetic force can be generated on the closing element and the closing element can be moved in a stroke.
  • the closing element is arranged in the inflow region.
  • a closing spring is arranged in the inflow region, wherein the spring force of the closing spring of the magnetic force of the magnetic device is directed opposite and the closing element is subjected to force by the spring force of the closing spring in the direction of the valve seat.
  • the magnet device is arranged in the outflow region.
  • the closing element opens when the valve seat is released into the inflow region.
  • the magnetic device comprises a magnetic coil, an outer pole and an inner pole.
  • the magnetic device generates a magnetic force upon opening of the proportional valve, whereby the closing element opens into the inflow region and releases the valve seat.
  • the closing element therefore opens in a direction which leads away from the actuator area.
  • the magnetic device is in contrast arranged to the closing element in the outflow area, so that the magnetic device is not exposed to the high supply pressure.
  • a reduction in wear is achieved because the materials for the magnetic device, in particular for the magnetic coil, the outer pole and the inner pole, can be optimized in their magnetic properties, without having a high resistance to the gaseous medium, in particular hydrogen.
  • the inflow region can be connected to the outflow region via the at least one passage opening.
  • a gas flow in particular hydrogen gas flow, can be controlled via the opening cross-section of the proportional valve.
  • a magnetic armature device which comprises a magnet armature and a connecting element is arranged in the outflow region, the magnet armature device being operatively connected to the closing element.
  • the magnet armature device and the closing element can be firmly connected to each other, for example by a weld.
  • a fixed connection is not required due to the opening direction of the closing element, so that a resting of the magnetic armature device on the closing element is possible. This has the advantage that overall a lower tolerance requirement is achieved on the overall structure of the proportional valve.
  • the outflow region comprises a spring chamber and a magnet armature space, wherein in the spring chamber another spring is arranged.
  • the further spring acts on the magnetic armature device and the closing element with a force which is opposite to the force of the closing spring.
  • the magnetic armature device and the closing element are permanently arranged and operatively connected to one another, so that a magnetic force can be transmitted to the closing element via the magnet armature device.
  • the valve seat is designed as a flat seat.
  • an elastic sealing element is arranged between the closing element and the valve seat, which seals on the valve seat.
  • the closing spring between the valve housing and the closing element is arranged.
  • the closing element can be subjected to a force in the direction of the valve seat by the closing spring in a simple manner and with efficient space utilization.
  • the closing element is guided in an axial guide in the nozzle body.
  • the guide is formed directly in the nozzle body on which the valve seat is formed, whereby not only a reduction in wear, but also an improvement in the tightness of the proportional valve is achieved.
  • the inflow space is divided by the closing element into a first inflow part space and a second inflow part space, wherein the first inflow part space and the second inflow part space are interconnected via bores formed in the closing element.
  • the described proportional valve is preferably suitable in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to an anode region of a fuel cell.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a proportional valve according to the invention in longitudinal section
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the proportional valve according to the invention in longitudinal section.
  • Fig.l shows a first embodiment of a proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section.
  • the proportional valve 1 has a valve housing 2, wherein in a space 40 of the valve housing 2, a magnetic device 3 is arranged.
  • the magnet device 3 comprises a magnet coil 6, an inner pole 8 and an outer pole 4.
  • a magnet armature device 5 which comprises a magnetic armature 10 and a connecting element 14 is arranged in the valve housing 2.
  • a first passage hole 17 is formed through which the connecting element 14 protrudes and is guided therein.
  • the connecting element 14 is fixedly connected to the magnet armature 10, wherein the magnet armature 10 is received in a guide portion 12 of the valve housing 2.
  • the inner pole 8 and the valve housing 2 define a spring chamber 19, in which a spring 26 is arranged.
  • This spring 26 is supported on the one hand on the valve housing 2 and on the other hand on the plate-shaped end 15 of the first connecting member 14 and acts on this with a force in the direction of the nozzle body 20.
  • limit the inner pole 8 and the valve housing 2 a magnet armature space 21, in which with the first connecting element 14 fixedly connected armature 10 is arranged.
  • the spring chamber 19 and the magnet armature space 21 are connected to one another via a first channel 7 formed in the inner pole 8.
  • the valve housing 2 and the inner pole 8 are connected to each other via a spacer element 28, which is made of a non-magnetic material, wherein the spacer element 28 is formed as a spacer.
  • the spacer element 28 is firmly connected to the inner pole 8 and the valve housing 2 via a weld seam 39. Furthermore, the spacer element 28 seals the magnetic coil 6 against the interior 40 of the valve body 2, so that the magnetic coil 6 is sealed against the gaseous medium.
  • a nozzle body 20 is further arranged, which divides the inner space 40 into an inflow region 34 and an outflow region 36.
  • the outflow region 36 comprises the spring chamber 19 and the magnet armature space 21.
  • the magnet device 3 and the magnet armature device 5 are arranged in the outflow region 36.
  • the inflow region 34 and the outflow region 36 can be connected to one another via a passage opening 27 formed on the nozzle body 20.
  • the nozzle body 20 is fixedly connected to the valve body 2.
  • a closing element 18 is arranged with an elastic sealing element 22.
  • a flat valve seat 30 is formed in the inflow region 34, which cooperates with the elastic sealing element 22 of the closing element 18, so that when the closing element 18 rests with the elastic sealing element 22 on the flat valve seat 30, the passage opening 27 is closed.
  • a closing spring 24 is arranged, which is supported on the one hand on the valve body 2 and on the other hand on the closing element 18 and presses the closing element 18 in the direction of the valve seat 30.
  • inlet openings 23 are formed, through which gaseous medium, for example hydrogen, can flow into the proportional valve 1.
  • gaseous medium for example hydrogen
  • a discharge space 41 is formed, which is connected via a valve housing 2 formed in the second channel 9 with the armature space 21.
  • outlet openings 13 are formed, via which the gaseous medium, for example hydrogen, can flow out of the proportional valve 1.
  • the connecting element 14 protrudes from the magnet armature space 21 into the outflow space 41 via a second passage bore 29 formed in the valve body 2 and, with its end 33 facing the closing element 18, sits against the closing element 18 due to the spring force of the spring 26 and is therewith operatively connected.
  • the end 33 of the connecting element 14 may also be executed crowned.
  • Solenoid 6 can be adjusted. The higher the current at the solenoid 6, the greater the stroke of the closing element 18 and the higher the gas flow in the proportional valve 1, since the force of the closing spring 24 is dependent on the stroke. If the current is reduced at the magnetic coil 6, and the stroke of the closing element 18 is reduced and thus the gas flow throttled.
  • the magnetic force is reduced to the armature 10, so that the force on the closing element 18th is reduced by means of the connecting element 14.
  • the closing element 18 moves in the direction of the passage opening 27 and seals with the elastic sealing element 22 on the valve seat 30.
  • the gas flow in the proportional valve 1 is interrupted.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the proportional valve 1 according to the invention in longitudinal section. Components with the same function have been designated with the same reference numeral as in Fig.l. 2 shows a somewhat different embodiment of the closing element 18.
  • the closing element 18 is guided here in an axial guide 16 in the nozzle body 20.
  • the inflow region 34 is thereby subdivided into a first inflow part space 37 and a second inflow part space 38.
  • the first inflow part space 37 and the second inflow part space 38 are connected to one another via bores 35, in this case longitudinal bores, formed in the closing element 18.
  • valve housing shown in Fig.l and Fig.2 is designed in several parts to allow a mounting of the nozzle body 20 and the closing element 18 in the proportional valve 1.
  • the proportional valve 1 can be used for example in a fuel cell assembly.
  • hydrogen can be supplied from a tank to an anode region of the fuel cell.
  • a flow cross-section of the passage opening 27 is changed in such a way that a demand-oriented adjustment of the gas flow supplied to the fuel cell takes place continuously.
  • the proportional valve 1 for controlling a gaseous medium thus has the advantage that in this case the supply of the first gaseous medium and the metered addition of hydrogen into the anode region of the fuel cell by means of electronically controlled adaptation of the flow cross section of the passage opening 27 while controlling the anode pressure can be carried out much more accurately.
  • the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion.
  • consequential damage, such as damage to a downstream catalyst can be prevented.

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Abstract

Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), an welchem ein Düsenkörper (20) ausgebildet ist, wobei in dem Ventilgehäuse (2) ein Zuströmbereich (34) und ein Abströmbereich (36) ausgebildet sind, wobei ein in dem Ventilgehäuse (2) angeordnetes Schließelement (18) mindestens eine an dem Düsenkörper (20) ausgebildete Durchlassöffnung (27) an einem an dem Düsenkörper (20) ausgebildeten Ventilsitz (30) freigibt oder versperrt. In dem Ventilgehäuse (2) ist eine Magneteinrichtung (3) angeordnet, durch welche Magneteinrichtung (3) eine Magnetkraft auf das Schließelement (18) erzeugbar und das Schließelement (18) hubbewegbar ist. Darüber hinaus ist das Schließelement (18) in dem Zuströmbereich (34) angeordnet. Außerdem ist in dem Zuströmbereich (34) eine Schließfeder (24) angeordnet, wobei die Federkraft der ersten Feder (24) der Magnetkraft der Magneteinrichtung (3) entgegengerichtet ist und das Schließelement (18) durch die Federkraft der ersten Feder (24) in Richtung des Ventilsitzes (30) kraftbeaufschlagt ist, wobei die Magneteinrichtung (3) in dem Abströmbereich (36) angeordnet ist

Description

Beschreibung
Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums
Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.
Stand der Technik
Die DE 10 2012 204 565 AI beschreibt ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Proportionalventil einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement um- fasst. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtelement dichtet dabei am Ventilsitz ab und weist eine Ausnehmung mit einem Innenwandbereich auf. Der Innenwandbereich ist im geschlossenen Zustand des Proportionalventils mit Druck des gasförmigen Mediums beaufschlagt.
In der DE 10 2012 204 565 AI ist eine Feder vorhanden, welche das Schließelement in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt. Die Federkraft der Feder ist dem Versorgungsdruck entgegengesetzt, so dass eine hohe Beanspruchung der Feder erfolgt, da diese auch bei hohem Versorgungsdruck die Dichtheit des Ventilsitzes gewährleisten muss.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist demgegenüber den Vorteil auf, dass auch bei hohem Versorgungsdruck eine Dichtheit des Ventilsitzes und damit die Dichtheit des gesamten Proportionalventils gewährleistet ist, ohne einen erhöhten Verschleiß eines oder mehrerer Bauteile zu erzeugen. Hierzu weist das Proportionalventil ein Ventilgehäuse auf, an welchem ein Düsenkörper ausgebildet ist, wobei in dem Ventilgehäuse ein Zuströmbereich und ein Abströmbereich ausgebildet sind. Ein in dem Ventilgehäuse angeordnetes Schließelement gibt mindestens eine an dem Düsenkörper ausgebildete Durchlassöffnung an einem an dem Düsenkörper ausgebildeten Ventilsitz frei oder versperrt die Durchlassöffnung. In dem Ventilgehäuse ist eine Magneteinrichtung angeordnet, durch welche Magneteinrichtung eine Magnetkraft auf das Schließelement erzeugbar und das Schließelement hubbewegbar ist. Darüber hinaus ist das Schließelement in dem Zuströmbereich angeordnet. Weiterhin ist in dem Zuströmbereich eine Schließfeder angeordnet, wobei die Federkraft der Schließfeder der Magnetkraft der Magneteinrichtung entgegengerichtet ist und das Schließelement durch die Federkraft der Schließfeder in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt ist. Die Magneteinrichtung ist in dem Abströmbereich angeordnet.
Durch die Anordnung des Schließelements in dem Zuströmbereich des Proportionalventils ist auch bei steigendem Versorgungsdruck eine Dichtheit des Ventilsitzes gewährleistet, da der Versorgungsdruck zusätzlich zur Federkraft der Schließfeder eine optimale Dichtheit des Schließelements an dem Dichtsitz gewährleistet und so eine Absperrfunktion in die Funktion eines Proportionalventils integriert ist.
In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Schließelement bei Freigabe des Ventilsitzes in den Zuströmbereich hinein öffnet. Vorteilhafterweise umfasst die Magneteinrichtung eine Magnetspule, einen Außenpol und einen Innenpol.
Die Magneteinrichtung erzeugt bei Öffnung des Proportionalventils eine magnetische Kraft, wodurch das Schließelement in den Zuströmbereich hinein öffnet und den Ventilsitz freigibt. Das Schließelement öffnet daher in eine Richtung, welche vom Aktorbereich wegführt. Zusätzlich ist die Magneteinrichtung im Gegensatz zum Schließelement in dem Abström bereich angeordnet, so dass die Magneteinrichtung nicht dem hohen Versorgungsdruck ausgesetzt ist. Darüber hinaus wird eine Verschleißreduzierung erzielt, da die Materialien für die Magneteinrichtung, insbesondere für die Magnetspule, den Außenpol und den Innenpol, in ihren magnetischen Eigenschaften optimiert werden können, ohne eine hohe Beständigkeit gegenüber dem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, aufzuweisen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Zuströmbereich über die mindestens eine Durchlassöffnung mit dem Abströmbereich verbindbar ist. So kann ein Gasdurchfluss, insbesondere Wasserstoff-Gas- Durchfluss, über den Öffnungsquerschnitt des Proportionalventils gesteuert werden.
In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in dem Abströmbereich eine Magnetankervorrichtung, welche einen Magnetanker und ein Verbindungselement umfasst, angeordnet, wobei die Magnetankervorrichtung mit dem Schließelement wirkverbunden ist. Dabei können die Magnetankervorrichtung und das Schließelement fest miteinander verbunden sein, beispielsweise durch eine Schweißnaht. Eine feste Verbindung ist jedoch aufgrund der Öffnungsrichtung des Schließelements nicht erforderlich, so dass auch ein Aufliegen der Magnetankervorrichtung an dem Schließelement möglich ist. Dies hat den Vorteil, dass insgesamt eine geringere Toleranzanforderung an den Gesamtaufbau des Proportionalventils erzielt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Abströmbereich einen Federraum und einen Magnetankerraum umfasst, wobei in dem Federraum eine weitere Feder angeordnet ist. Vorteilhafterweise beaufschlagt die weitere Feder die Magnetankervorrichtung und das Schließelement mit einer Kraft, welcher der Kraft der Schließfeder entgegengerichtet ist. Dadurch sind die Magnetankervorrichtung und das Schließelement dauerhaft aneinander angeordnet und wirkverbunden, so dass über die Magnetankervorrichtung eine magnetische Kraft auf das Schließelement übertragbar ist. In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist der Ventilsitz als Flachsitz ausgebildet. Vorteilhafterweise ist zwischen dem Schließelement und dem Ventilsitz ein elastisches Dichtelement angeordnet ist, welches am Ventilsitz abdichtet. Durch die Verwendung eines Flachsitzes in Kombination eines elastischen Dichtelements zur Abdichtung am Ventilsitz kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Proportionalventils sichergestellt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Schließfeder zwischen dem Ventilgehäuse und dem Schließelement angeordnet ist. Dadurch kann in einfacher Weise und mit effizienter Bauraumausnutzung das Schließelement durch die Schließfeder in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt werden.
In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist es vorgesehen, dass das Schließelement in einer axialen Führung in dem Düsenkörper geführt ist. Dabei ist die Führung direkt in dem Düsenkörper ausgebildet, an dem auch der Ventilsitz ausgebildet ist, wodurch nicht nur eine Verschleißreduzierung, sondern auch eine Verbesserung der Dichtheit des Proportionalventils erzielt wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Zuströmraum durch das Schließelement in einen ersten Zuströmteilraum und einen zweiten Zuströmteilraum aufgeteilt ist, wobei der erste Zuströmteilraum und der zweite Zuströmteilraum über in dem Schließelement ausgebildete Bohrungen miteinander verbunden sind. Dadurch kann bei geöffnetem Schließelement ein Gasdurchfluss, insbesondere Wasserstoff-Gas-Durchfluss, durch das Proportionalventil gesteuert werden.
Das beschriebene Proportionalventil eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle.
Zeichnungen In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Proportionalventils zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils im Längsschnitt,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils im Längsschnitt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Das Proportionalventil 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, wobei in einem Innenraum 40 des Ventilgehäuses 2 eine Magneteinrichtung 3 angeordnet ist. Die Magneteinrichtung 3 umfasst eine Magnetspule 6, einen Innenpol 8 und einen Außenpol 4. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse 2 eine Magnetankervorrichtung 5 angeordnet, welche einen Magnetanker 10 und ein Verbindungselement 14 umfasst. In dem Innenpol 8 ist eine erste Durchlassbohrung 17 ausgebildet, durch welche das Verbindungselement 14 ragt und darin geführt ist. Das Verbindungselement 14 ist mit dem Magnetanker 10 fest verbunden, wobei der Magnetanker 10 in einem Führungsabschnitt 12 des Ventilgehäuses 2 aufgenommen ist.
Der Innenpol 8 und das Ventilgehäuse 2 begrenzen einen Federraum 19, in welchem eine Feder 26 angeordnet ist. Diese Feder 26 stützt sich einerseits an dem Ventilgehäuse 2 und andererseits an dem tellerförmigen Ende 15 des ersten Verbindungselements 14 ab und beaufschlagt dieses mit einer Kraft in Richtung des Düsenkörpers 20. Zusätzlich begrenzen der Innenpol 8 und das Ventilgehäuse 2 einen Magnetankerraum 21, in welchem der mit dem ersten Verbindungselement 14 fest verbundene Magnetanker 10 angeordnet ist. Der Federraum 19 und der Magnetankerraum 21 sind über einen in dem Innenpol 8 ausgebildeten ersten Kanal 7 miteinander verbunden. Das Ventilgehäuse 2 und der Innenpol 8 sind über ein Distanzbuchsenelement 28, welches aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist, miteinander verbunden, wobei das Distanzbuchsenelement 28 als Abstandshalter ausgebildet ist. Das Distanzbuchsenelement 28 ist mit dem Innenpol 8 und dem Ventilgehäuse 2 über eine Schweißnaht 39 fest verbunden. Weiterhin dichtet das Distanzbuchsenelement 28 die Magnetspule 6 gegen den Innenraum 40 des Ventilkörpers 2 ab, so dass die Magnetspule 6 gegen das gasförmige Medium abgedichtet ist.
In dem Innenraum 40 des Ventilkörpers 2 ist weiterhin ein Düsenkörper 20 angeordnet, welcher den Innenraum 40 in einen Zuströmbereich 34 und einen Abströmbereich 36 unterteilt. Der Abströmbereich 36 umfasst den Federraum 19 und den Magnetankerraum 21. Die Magneteinrichtung 3 und die Magnetankervorrichtung 5 sind dabei in dem Abströmbereich 36 angeordnet. Der Zuströmbereich 34 und der Abströmbereich 36 sind über eine an dem Düsenkörper 20 ausgebildete Durchlassöffnung 27 miteinander verbindbar.
Der Düsenkörper 20 ist fest mit dem Ventilkörper 2 verbunden. In einer Ausnehmung 25 des Düsenkörpers 20 in dem Zuströmbereich 34 ist ein Schließelement 18 mit einem elastischen Dichtelement 22 angeordnet. An dem Düsenkörper 20 ist in dem Zuströmbereich 34 ein flacher Ventilsitz 30 ausgebildet, welcher mit dem elastischen Dichtelement 22 des Schließelements 18 zusammenwirkt, so dass beim Aufliegen des Schließelements 18 mit dem elastischen Dichtelement 22 auf dem flachen Ventilsitz 30 die Durchlassöffnung 27 geschlossen ist. In dem Zuströmbereich 34 ist eine Schließfeder 24 angeordnet, welche sich einerseits an dem Ventilkörper 2 und andererseits an dem Schließelement 18 abstützt und das Schließelement 18 in Richtung des Ventilsitzes 30 drückt.
In dem Ventilkörper 2 sind Eintrittsöffnungen 23 ausgebildet, durch welche gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, in das Proportionalventil 1 einströmen kann.
In dem Abström bereich 36 ist ein Abströmraum 41 ausgebildet, welcher über einen in dem Ventilgehäuse 2 ausgebildeten zweiten Kanal 9 mit dem Magnetankerraum 21 verbunden ist. In dem Ventilgehäuse 2 sind Austrittsöffnungen 13 ausgebildet, über welche das gasförmige Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Proportionalventil 1 ausströmen kann. Das Verbindungselement 14 ragt über eine in dem Ventilkörper 2 ausgebildete zweite Durchlassbohrung 29 von dem Magnetankerraum 21 in den Abströmraum 41 hinein und sitzt mit seinem dem Schließelement 18 zugewandeten Ende 33 aufgrund der Federkraft der Fe- der 26 an dem Schließelement 18 auf und ist mit diesem wirkverbunden. Um einen besseren Ausgleich von Winkeltoleranzen zu erzielen, kann das Ende 33 des Verbindungselements 14 auch ballig ausgeführt sein.
Funktionsweise des Proportionalventils 1 im ersten Ausführungsbeispiel
Bei nicht bestromter Magnetspule 6 wird das Schließelement 18 über die Schließfeder 24 an den Ventilsitz 30 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen dem Zuströmbereich 34 und dem Abströmbereich 36 unterbrochen ist und kein Gasdurchfluss erfolgt.
Wird die Magnetspule 6 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Magnetanker 10 erzeugt, welcher der Schließkraft der Schließfeder 24 entgegengerichtet ist. Diese magnetische Kraft wird über das Verbindungselement 14 auf das Schließelement 18 übertragen, so dass die Schließkraft der Schließfeder 24 und die pneumatischen Kräfte überkompensiert werden und das Schließelement 18 vom Ventilsitz 30 abhebt und in den Zuströmbereich 34 hineingedrückt wird. Ein Gasdurchfluss vom Zuströmbereich 34 über die Durchlassöffnung 27 in den Abströmbereich 36 ist freigegeben. Der Hub des Schließelements 18 kann über die Höhe der Stromstärke an der
Magnetspule 6 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 6, desto größer ist der Hub des Schließelements 18 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1, da die Kraft der Schließfeder 24 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Magnetspule 6 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 18 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt.
Wird der Strom an der Magnetspule 6 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Magnetanker 10 abgebaut, so dass die Kraft auf das Schließelement 18 mittels des Verbindungselements 14 reduziert wird. Das Schließelement 18 bewegt sich in Richtung der Durchlassöffnung 27 und dichtet mit dem elastischen Dichtelement 22 an dem Ventilsitz 30 ab. Der Gasdurchfluss im Proportionalventil 1 ist unterbrochen.
Fig.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Proportionalventils 1 im Längsschnitt. Bauteile mit gleicher Funktion wurden mit derselben Bezugsziffer bezeichnet wie in Fig.l. Fig.2 zeigt eine etwas andere Ausführung des Schließelements 18. Das Schließelement 18 wird hier in einer axialen Führung 16 in dem Düsenkörper 20 geführt. Der Zuströmbereich 34 wird dadurch in einen ersten Zuströmteilraum 37 und einen zweiten Zuströmteilraum 38 unterteilt. Der erste Zuströmteilraum 37 und der zweite Zuströmteilraum 38 sind über in dem Schließelement 18 ausgebildete Bohrungen 35, hier Längsbohrungen, miteinander verbunden.
Der restliche Aufbau und die Funktionsweise des in Fig.2 gezeigten Ausführungsbeispiels entsprechen dem Ausführungsbeispiel aus der Fig.l.
Das in Fig.l und Fig.2 gezeigte Ventilgehäuse ist mehrteilig ausgebildet, um eine Montierung des Düsenkörpers 20 und des Schließelements 18 in das Proportionalventil 1 zu ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Proportionalventil 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung Verwendung finden. Mittels des Proportionalventils 1 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden. Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 6 des Proportionalventils 1 , durch welche der Hub des Schließelements 18 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 27 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt.
Das Proportionalventil 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums weist somit den Vorteil auf, dass hierbei die Zuführung des ersten gasförmigen Mediums und die Zudosierung von Wasserstoff in den Anodenbereich der Brennstoffzelle mittels elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchlassöffnung 27 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.

Claims

Ansprüche
1. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), an welchem ein Düsenkörper (20) ausgebildet ist, wobei in dem Ventilgehäuse (2) ein Zuströmbereich (34) und ein Abströmbereich (36) ausgebildet sind, wobei ein in dem Ventilgehäuse (2) angeordnetes Schließelement (18) mindestens eine an dem Düsenkörper (20) ausgebildete Durchlassöffnung (27) an einem an dem Düsenkörper (20) ausgebildeten Ventilsitz (30) freigibt oder versperrt, wobei in dem Ventilgehäuse (2) eine Magneteinrichtung (3) angeordnet ist, durch welche Magneteinrichtung (3) eine Magnetkraft auf das Schließelement (18) erzeugbar und das Schließelement (18) hubbewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (18) in dem Zuströmbereich (34) angeordnet ist, wobei in dem Zuströmbereich (34) eine Schließfeder (24) angeordnet ist, wobei die Federkraft der Schließfeder (24) der Magnetkraft der Magneteinrichtung (3) entgegengerichtet ist und das Schließelement (18) durch die Federkraft der Schließfeder (24) in Richtung des Ventilsitzes (30) kraftbeaufschlagt ist und wobei die Magneteinrichtung (3) in dem Abströmbereich (36) angeordnet ist.
2. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (18) bei Freigabe des Ventilsitzes (30) in den Zuströmbereich (34) hinein öffnet.
3. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung (3) eine Magnetspule (6), einen Außenpol (4) und einen Innenpol (8) um- fasst.
4. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmbereich (34) über die mindestens eine Durchlassöffnung (27) mit dem Abström bereich (36) verbindbar ist.
5. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abströmbereich (36) eine Magnetankervorrichtung (5), welche einen Magnetanker (10) und ein Verbindungselement (14) umfasst, angeordnet ist, wobei die Magnetankervorrichtung (5) mit dem Schließelement (18) wirkverbunden ist.
6. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abström bereich (36) einen Federraum (19) und einen Magnetankerraum (21) umfasst, wobei in dem Federraum (19) eine weitere Feder (26) angeordnet ist.
7. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Feder (26) die Magnetankervorrichtung (5) und das Schließelement (18) mit einer Kraft beaufschlagt, welcher der Kraft der Schließfeder (24) entgegengerichtet ist.
8. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (30) als Flachsitz ausgebildet ist.
9. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schließelement (18) und dem Ventilsitz (30) ein elastisches Dichtelement (22) angeordnet ist, welches am Ventilsitz (30) abdichtet.
10. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließfeder (24) zwischen dem Ventilgehäuse (2) und dem Schließelement (18) angeordnet ist.
11. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließelement (18) in einer axialen Führung (16) in dem Düsenkörper (20) geführt ist.
12. Proportionalventil (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmbereich (34) durch das Schließelement (18) in einen ersten Zuströmteilbereich (37) und einen zweiten Zuströmteilbereich (38) aufgeteilt ist, wobei der erste Zuströmteilbereich (37) und der zweite Zuströmteilbereich (38) über in dem Schließelement (18) ausgebildete Bohrungen (35) miteinander verbunden sind.
13. Brennstoffzellenanordnung mit einem Proportionalventil (1) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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