WO2019015841A1 - Metering device for controlling a gaseous medium - Google Patents

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WO2019015841A1
WO2019015841A1 PCT/EP2018/064626 EP2018064626W WO2019015841A1 WO 2019015841 A1 WO2019015841 A1 WO 2019015841A1 EP 2018064626 W EP2018064626 W EP 2018064626W WO 2019015841 A1 WO2019015841 A1 WO 2019015841A1
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WO
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metal
metering device
closing
closing element
housing
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Application number
PCT/EP2018/064626
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jochen Wessner
Martin Katz
Original Assignee
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
    • F16K31/025—Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic actuated by thermo-electric means
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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 metering device for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
  • DE 10 2012 204 565 A1 describes a metering device for metering a gaseous medium, in particular hydrogen, in the form of a proportional valve.
  • the metering device comprises a nozzle body, a closing element and an elastic sealing element.
  • 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 closing element can be moved by means of a magnet armature, which can be actuated via an electromagnet.
  • Proportional valves are characterized to the effect that when using these only small pressure fluctuations in the anode path of a fuel cell occur and quiet operation can be ensured. In the normal operating range of the proportional valve, frequent opening and closing operations occur. To optimize flushing processes in the anode path of the fuel cell or for optimized operation of a suction jet pump in a fuel cell assembly, additional switching operations may also be desired.
  • the metering device according to the invention for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, has the advantage in this respect that the
  • Opening and closing operations of the metering device is realized via an active control of the closing element.
  • the metering device for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen a valve housing, in which an interior space is formed.
  • a heating element and a closing element are arranged in the interior.
  • the closing element cooperates with a valve seat for opening or closing at least one passage opening.
  • a bi-metal is disposed in the interior, which is in thermal contact with the heating element. The closing element is applied to the bi-metal.
  • Bi-metals are characterized in that they are made of layers of two different metals, which are connected to each other in a fluid or form-fitting manner. Due to the different coefficients of thermal expansion of the metals, bi-metals deform when the temperature changes.
  • the direct arrangement of the bi-metal on the closing element thus enables by means of the thermal displacement of the bi-metal an active activation of the opening and closing operation of the closing element.
  • the mass flow of the gaseous medium can be regulated.
  • the temperature of the medium inside the metering device can be determined by means of the heating current applied to the heating element and the mass flow rate of the gaseous medium.
  • the bi-metal is formed in cross-section L-shaped.
  • the valve housing comprises a holding body and a nozzle body, wherein the bi-metal is fixed between a first shoulder and a second shoulder of the holding body and rests on the second shoulder. This allows the bi-metal to open simple and compact way in the dosing device function optimized to be arranged.
  • the heating element comprises a heating coil and a coil housing, wherein the bi-metal is arranged on the coil housing.
  • a heat-conducting element is arranged in the coil housing for heat conduction, and advantageously the bi-metal is at least partially received in a recess of the coil housing. This ensures a fast and effective control and thus thermal adjustment of the bi-metal. This leads to a compact design and optimal functioning of the entire metering device.
  • an elastic sealing element is arranged between the valve seat and the closing element.
  • the valve seat is designed as a flat seat.
  • a closing spring is arranged between the valve housing and the closing element, wherein the
  • Closing spring presses the closing element with a spring force F to the bi-metal.
  • the closing spring thus ensures the seating of the elastic sealing element on the valve seat, so that an optimal tightness of the metering device is achieved.
  • a direct arrangement of the closing element is thus ensured on the bi-metal, so that the lifting movement of the closing element is directly controllable via the thermal displacement of the bi-metal.
  • a passage is formed in the valve housing, through which the valve housing can be filled with gaseous medium.
  • the metering device described is preferably suitable in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to an anode region of a fuel cell. Advantages are the low pressure fluctuations in the anode path and a quiet operation.
  • Fuel cell shown. It shows in
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a metering device according to the invention with a bi-metal in longitudinal section, wherein only the right half is shown,
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a metering device according to the invention in the region of the bi-metal in longitudinal section.
  • Fig.l shows a first embodiment of the metering device 1 according to the invention in longitudinal section.
  • the metering device 1 has a valve housing 2, which comprises a holding body 3 and a nozzle body 4, which are gas-tightly connected to each other and fixed by means of a clamping nut 21 against each other.
  • a valve housing 2 which comprises a holding body 3 and a nozzle body 4, which are gas-tightly connected to each other and fixed by means of a clamping nut 21 against each other.
  • an inner space 50 is formed, in which a heating element 7 is arranged with a heating coil 70 and a coil housing 700.
  • the heating coil 70 can be controlled via an electrical contact 8, which is fixed in the holding body 3 via a clamping element 9.
  • a closing element 13 is arranged, on which an elastic sealing element 14 is arranged and fixedly connected thereto.
  • the elastic sealing element 14 cooperates with a valve seat 12 for opening and closing a passage opening 17.
  • the passage opening 17 is formed in a seat element 11, which is fixedly connected to the nozzle body 4.
  • the valve seat 12 is formed.
  • a in cross-section L-shaped bi-metal 15 is arranged with a first arm 26 and a second arm 27 which is fixed between a first shoulder 25 and a second shoulder 19 of the holding body 3 and on the second paragraph 19 rests.
  • the bi-metal 15 is arranged on the coil housing 700 and seals this against the interior 50 from.
  • the closing element 13 has a collar 18 with which the closing element 13 rests on the first arm 26 of the bi-metal 15.
  • the closing element 13 is pressed by means of a closing spring 5 with a force F against the bi-metal 15 and in the direction of the valve seat 12.
  • the closing spring 5 is mounted between a further shoulder 22 of the holding body 3 and a valve seat 12 facing away from the end 23 of the closing element 13.
  • a flow channel 10 is formed in the holding body 3, whereby the interior 50 of the metering device 1 with gaseous medium, for example hydrogen, can be filled.
  • gaseous medium for example hydrogen
  • the stroke of the closing element 13 can be adjusted by the amount of current at the
  • Heating coil 70 can be adjusted. The higher the current intensity at the heating coil 70, the greater the stroke of the closing element 13 due to the greater bending of the bi-metal 15 and the higher the gas flow in the metering device 1, since the force of the closing spring 5 is stroke-dependent. If the current is reduced at the heating coil 70, and the stroke of the closing element 13 is reduced and thus throttled the gas flow.
  • the bi-metal resumes its original shape and the closing element 13 moves by means of the closing spring 5 in the direction of the passage opening 17, so that the closing element 13 rests again on the valve seat 12 and the passage opening 17 is closed.
  • the gas flow through the metering device 1 is interrupted.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a metering device 1 according to the invention in the region of the bi-metal in a longitudinal section. Components of the same function are designated by the same reference numerals.
  • the bi-metal 15 is received here with the second arm 27 in a recess 20 of the bobbin case 700.
  • a heat-conducting element 16 is further arranged, so that a faster heat transfer takes place on the bi-metal. This accelerates the bending of the bi-metal resulting from the temperature change and thus achieves a faster opening process.
  • the basic structure and the operation of the second embodiment correspond to those of the first.
  • a characteristic field can be determined, from which the temperature of the medium in the metering device 1 can be determined.
  • the mechanical stress of the bi-metal 15 remains in the elastic range, usually below 20 MPa, and the temperature does not exceed the linearity range of about 200 ° C of the coefficient of thermal expansion, so that the bending of the bi-metal supports an optimal functioning of the dosing device 1 .
  • the metering device 1 according to the invention can be used, for example, in a fuel cell arrangement.
  • hydrogen can be supplied from a tank to an anode region of the fuel cell.
  • the metering device 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 adjustment of the flow cross section of the passage opening 17 while controlling the anode pressure can be done much more accurately , As a result, the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion. In addition, consequential damage, such as damage to a downstream catalyst can be prevented.

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Abstract

The invention relates to a metering device (1) for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, comprising a valve housing (2), in which an inner chamber (50) is formed. A heating element (7) and a liftable closing element (13) are mounted in the inner chamber (50). The closing element (13) works together with a valve seat (12) for opening or closing at least one passage opening (17). A bi-metal (15) is also arranged in the inner chamber (50), the bi-metal being in thermal contact with the heating element (7), the closing element (13) resting on the bi-metal (15).

Description

Beschreibung  description
Titel title
Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums  Dosing device for controlling a gaseous medium
Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb. The invention relates to a metering device for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drive.
Stand der Technik State of the art
Die DE 10 2012 204 565 AI beschreibt eine Dosiervorrichtung zum Zumessen eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, in Form eines Proportionalventils. Die Dosiervorrichtung umfasst einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das Schließelement ist über einen Magnetanker, welcher über einen Elektromagnet betätigbar ist, hubbewegbar. DE 10 2012 204 565 A1 describes a metering device for metering a gaseous medium, in particular hydrogen, in the form of a proportional valve. The metering device comprises a nozzle body, a closing element and an elastic sealing element. 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 closing element can be moved by means of a magnet armature, which can be actuated via an electromagnet.
Proportionalventile zeichnen sich dahingehend aus, dass bei Verwendung von diesen nur geringe Druckschwankungen im Anodenpfad einer Brennstoffzelle auftreten und ein leiser Betrieb gewährleistbar ist. Im normalen Betriebsbereich des Proportionalventils treten häufige Öffnungs- und Schließvorgänge auf. Zur Optimierung von Spülvorgängen im Anodenpfad der Brennstoffzelle oder zum optimierten Betrieb einer Saugstrahlpumpe in einer Brennstoffzellenanordnung können auch zusätzliche Schaltvorgänge gewünscht sein. Vorteile der Erfindung Proportional valves are characterized to the effect that when using these only small pressure fluctuations in the anode path of a fuel cell occur and quiet operation can be ensured. In the normal operating range of the proportional valve, frequent opening and closing operations occur. To optimize flushing processes in the anode path of the fuel cell or for optimized operation of a suction jet pump in a fuel cell assembly, additional switching operations may also be desired. Advantages of the invention
Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Medi- ums, insbesondere Wasserstoff, weist diesbezüglich den Vorteil auf, dass dieThe metering device according to the invention for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, has the advantage in this respect that the
Öffnungs- und Schließvorgänge der Dosiervorrichtung über eine aktive Steuerung des Schließelements realisiert ist. Opening and closing operations of the metering device is realized via an active control of the closing element.
Dazu weist die Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, ins- besondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in welchem ein Innenraum ausgebildet ist. In dem Innenraum sind ein Heizelement und ein Schließelement angeordnet. Das Schließelement wirkt zum Öffnen oder Schließen mindestens einer Durchlassöffnung mit einem Ventilsitz zusammen. Darüber hinaus ist in dem Innenraum ein Bi-Metall angeordnet, welches in thermischen Kontakt mit dem Heizelement steht. Das Schließelement liegt dabei an dem Bi-Metall an. For this purpose, the metering device for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, a valve housing, in which an interior space is formed. In the interior, a heating element and a closing element are arranged. The closing element cooperates with a valve seat for opening or closing at least one passage opening. In addition, a bi-metal is disposed in the interior, which is in thermal contact with the heating element. The closing element is applied to the bi-metal.
Bi-Metalle zeichnen sich dahingehend aus, dass diese aus Schichten zweier unterschiedlicher Metalle hergestellt sind, die stoffflüssig oder formschlüssig miteinander verbunden sind. Durch den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Metalle verformen sich Bi-Metalle bei einer Temperaturänderung. Bi-metals are characterized in that they are made of layers of two different metals, which are connected to each other in a fluid or form-fitting manner. Due to the different coefficients of thermal expansion of the metals, bi-metals deform when the temperature changes.
Die direkte Anordnung des Bi-Metalls an dem Schließelement ermöglicht somit mittels der thermischen Verstellung des Bi-Metalls eine aktive Ansteuerung des Öffnungs- und Schließvorgangs des Schließelements. Dadurch kann der Mas- sendurchfluss des gasförmigen Mediums geregelt werden. Darüber hinaus kann über an dem Heizelement angelegter Heizstrom sowie dem Massendurchfluss des gasförmigen Mediums die Medientemperatur im Innern der Dosiervorrichtung ermittelt werden. In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Bi-Metall im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist. Vorteilhafterweise umfasst das Ventilgehäuse einen Haltekörper und einen Düsenkörper, wobei das Bi-Metall zwischen einem ersten Absatz und einem zweiten Absatz des Haltekörpers fixiert ist und an dem zweiten Absatz aufliegt. Dadurch kann das Bi-Metall auf einfache und kompakte Weise in der Dosiervorrichtung funktionsoptimiert angeordnet werden. The direct arrangement of the bi-metal on the closing element thus enables by means of the thermal displacement of the bi-metal an active activation of the opening and closing operation of the closing element. As a result, the mass flow of the gaseous medium can be regulated. In addition, the temperature of the medium inside the metering device can be determined by means of the heating current applied to the heating element and the mass flow rate of the gaseous medium. In a first advantageous embodiment of the invention, it is provided that the bi-metal is formed in cross-section L-shaped. Advantageously, the valve housing comprises a holding body and a nozzle body, wherein the bi-metal is fixed between a first shoulder and a second shoulder of the holding body and rests on the second shoulder. This allows the bi-metal to open simple and compact way in the dosing device function optimized to be arranged.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Heizelement eine Heizspule und ein Spulengehäuse umfasst, wobei das Bi-Metall an dem Spulengehäuse angeordnet ist. Vorteilhafterweise ist in dem Spulengehäuse zur Wärmeleitung ein Wärmeleitelement angeordnet und vorteilhafterweise ist das Bi-Metall zumindest teilweise in einer Ausnehmung des Spulengehäuses aufgenommen. Dadurch ist eine schnelle und effektive Ansteuerung und damit thermische Verstellung des Bi-Metalls gewährleistet. Dies führt zu einem kompakten Aufbau und einer optimalen Funktionsweise der gesamten Dosiervorrichtung. In an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the heating element comprises a heating coil and a coil housing, wherein the bi-metal is arranged on the coil housing. Advantageously, a heat-conducting element is arranged in the coil housing for heat conduction, and advantageously the bi-metal is at least partially received in a recess of the coil housing. This ensures a fast and effective control and thus thermal adjustment of the bi-metal. This leads to a compact design and optimal functioning of the entire metering device.
In vorteilhafter Weiterbildung ist zwischen dem Ventilsitz und dem Schließelement ein elastisches Dichtelement angeordnet. Vorteilhafterweise ist der Ventilsitz als Flachsitz ausgebildet. Durch die Verwendung eines flachen Ventilsitzes in Kombination eines elastischen Dichtelements zur Abdichtung am Ventilsitz kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit des Proportionalventils sichergestellt werden, so dass beispielsweise kein Wasserstoff aus dem Proportionalventil austreten kann. In an advantageous embodiment, an elastic sealing element is arranged between the valve seat and the closing element. Advantageously, the valve seat is designed as a flat seat. By using a flat valve seat in combination with an elastic sealing element for sealing the valve seat, the tightness of the proportional valve can be ensured in a simple manner and without major structural changes, so that, for example, no hydrogen can escape from the proportional valve.
In weiterer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist zwischen dem Ventilgehäuse und dem Schließelement eine Schließfeder angeordnet, wobei die In a further embodiment of the inventive concept, a closing spring is arranged between the valve housing and the closing element, wherein the
Schließfeder das Schließelement mit einer Federkraft F an das Bi-Metall drückt. Die Schließfeder gewährleistet somit das Aufsitzen des elastischen Dichtelements auf dem Ventilsitz, so dass eine optimale Dichtheit der Dosiervorrichtung erzielt wird. Außerdem ist somit eine direkte Anordnung des Schließelements an dem Bi-Metall gewährleistet, so dass die Hubbewegung des Schließelements unmittelbar über die thermische Verstellung des Bi-Metalls steuerbar ist. Closing spring presses the closing element with a spring force F to the bi-metal. The closing spring thus ensures the seating of the elastic sealing element on the valve seat, so that an optimal tightness of the metering device is achieved. In addition, a direct arrangement of the closing element is thus ensured on the bi-metal, so that the lifting movement of the closing element is directly controllable via the thermal displacement of the bi-metal.
In vorteilhafter Weiterbildung ist in dem Ventilgehäuse ein Durchlasskanal ausgebildet, durch welchen das Ventilgehäuse mit gasförmigem Medium befüllbar ist. Die beschriebene Dosiervorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb. In an advantageous development, a passage is formed in the valve housing, through which the valve housing can be filled with gaseous medium. The metering device described is preferably suitable in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to an anode region of a fuel cell. Advantages are the low pressure fluctuations in the anode path and a quiet operation.
Zeichnungen drawings
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff zu einer In the drawing, embodiments of a metering device according to the invention for controlling a gas supply, in particular hydrogen to a
Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in Fuel cell, shown. It shows in
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung mit einem Bi-Metall im Längsschnitt, wobei nur die rechte Hälfte gezeigt ist, 1 shows a first embodiment of a metering device according to the invention with a bi-metal in longitudinal section, wherein only the right half is shown,
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung im Bereich des Bi-Metalls im Längsschnitt.  Fig. 2 shows a second embodiment of a metering device according to the invention in the region of the bi-metal in longitudinal section.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the embodiments
Fig.l zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 1 im Längsschnitt. Die Dosiervorrichtung 1 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, welches einen Haltekörper 3 und einen Düsenkörper 4 umfasst, die gasdicht miteinander verbunden und mittels einer Spannmutter 21 gegeneinander fixiert sind. In dem Ventilgehäuse 2 ist ein Innenraum 50 ausgebildet, in welchem ein Heizelement 7 mit einer Heizspule 70 und einem Spulengehäuse 700 angeordnet ist. Die Heizspule 70 kann über einen elektrischen Kontakt 8 angesteuert werden, der über ein Spannelement 9 in dem Haltekörper 3 fixiert ist. Fig.l shows a first embodiment of the metering device 1 according to the invention in longitudinal section. The metering device 1 has a valve housing 2, which comprises a holding body 3 and a nozzle body 4, which are gas-tightly connected to each other and fixed by means of a clamping nut 21 against each other. In the valve housing 2, an inner space 50 is formed, in which a heating element 7 is arranged with a heating coil 70 and a coil housing 700. The heating coil 70 can be controlled via an electrical contact 8, which is fixed in the holding body 3 via a clamping element 9.
In dem Innenraum 50 ist ein Schließelement 13 angeordnet, an welchem ein elastisches Dichtelement 14 angeordnet und mit diesem fest verbunden ist. Das elastische Dichtelement 14 wirkt mit einem Ventilsitz 12 zum Öffnen und Schließen einer Durchlassöffnung 17 zusammen. Die Durchlassöffnung 17 ist in einem Sitzelement 11 ausgebildet, welches fest mit dem Düsenkörper 4 verbunden ist. An einer Erhebung 24 des Sitzelements 11 ist der Ventilsitz 12 ausgebildet. Weiterhin ist in dem Innenraum 50 ein im Querschnitt L-förmig ausgebildetes Bi-Metall 15 mit einem ersten Arm 26 und einem zweiten Arm 27 angeordnet, welches zwischen einem ersten Absatz 25 und einem zweiten Absatz 19 des Haltekörpers 3 fixiert ist und auf dem zweiten Absatz 19 aufliegt. Dabei ist das Bi-Metall 15 an dem Spulengehäuse 700 angeordnet und dichtet dieses gegen den Innenraum 50 ab. Das Schließelement 13 weist einen Bund 18 auf, mit dem das Schließelement 13 auf dem ersten Arm 26 des Bi-Metalls 15 anliegt. In the interior 50, a closing element 13 is arranged, on which an elastic sealing element 14 is arranged and fixedly connected thereto. The elastic sealing element 14 cooperates with a valve seat 12 for opening and closing a passage opening 17. The passage opening 17 is formed in a seat element 11, which is fixedly connected to the nozzle body 4. At a survey 24 of the seat member 11, the valve seat 12 is formed. Furthermore, in the interior 50 a in cross-section L-shaped bi-metal 15 is arranged with a first arm 26 and a second arm 27 which is fixed between a first shoulder 25 and a second shoulder 19 of the holding body 3 and on the second paragraph 19 rests. In this case, the bi-metal 15 is arranged on the coil housing 700 and seals this against the interior 50 from. The closing element 13 has a collar 18 with which the closing element 13 rests on the first arm 26 of the bi-metal 15.
Das Schließelement 13 wird mittels einer Schließfeder 5 mit einer Kraft F gegen das Bi-Metall 15 und in Richtung des Ventilsitzes 12 gedrückt. Die Schließfeder 5 ist dabei zwischen einem weiteren Absatz 22 des Haltekörpers 3 und einem dem Ventilsitz 12 abgewandten Ende 23 des Schließelements 13 gelagert. The closing element 13 is pressed by means of a closing spring 5 with a force F against the bi-metal 15 and in the direction of the valve seat 12. The closing spring 5 is mounted between a further shoulder 22 of the holding body 3 and a valve seat 12 facing away from the end 23 of the closing element 13.
Radial zu einer Längsachse 40 der Dosiervorrichtung 1 ist in dem Haltekörper 3 ein Durchflusskanal 10 ausgebildet, wodurch der Innenraum 50 der Dosiervorrichtung 1 mit gasförmigem Medium, beispielsweise Wasserstoff, befüllbar ist. Radially to a longitudinal axis 40 of the metering device 1, a flow channel 10 is formed in the holding body 3, whereby the interior 50 of the metering device 1 with gaseous medium, for example hydrogen, can be filled.
Funktionsweise der Dosiervorrichtung 1 Operation of the dosing device 1
Bei nicht bestromter Heizspule 70 wird das Schließelement 13 über die Schließfeder 5 an den Ventilsitz 12 gedrückt, so dass die Verbindung zwischen der When not energized heating coil 70, the closing element 13 is pressed by the closing spring 5 to the valve seat 12, so that the connection between the
Durchlassöffnung 17 und dem Innenraum 50 unterbrochen ist und kein Gas- durchfluss erfolgt. Through opening 17 and the interior 50 is interrupted and no gas flow occurs.
Wird die Heizspule 70 bestromt, so wird mittels des Heizstroms eine Temperaturänderung in dem Bi-Metall 15 erzeugt, was aufgrund der unterschiedlichen If the heating coil 70 is energized, then a temperature change in the bi-metal 15 is generated by means of the heating current, which due to the different
Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Metalle in dem Bi-Metall zu einer Verbiegung des Bi-Metalls 15 führt. Dadurch wird das an dem Bi-Metall 15 anliegende Schließelement 13 angehoben, wodurch dieses vom Ventilsitz 12 abhebt und ein Gasdurchfluss aus der Dosiervorrichtung 1 über die Durchlassöffnung 17 freigegeben ist. Thermal expansion coefficient of the two metals in the bi-metal leads to a bending of the bi-metal 15. As a result, the closing element 13 bearing against the bi-metal 15 is raised, as a result of which it lifts off from the valve seat 12 and a gas flow is released from the metering device 1 via the passage opening 17.
Der Hub des Schließelements 13 kann über die Höhe der Stromstärke an der The stroke of the closing element 13 can be adjusted by the amount of current at the
Heizspule 70 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Heizspule 70, desto größer ist der Hub des Schließelements 13 durch die stärkere Verbiegung des Bi-Metalls 15 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss in der Dosiervorrichtung 1, da die Kraft der Schließfeder 5 hubabhängig ist. Wird die Stromstärke an der Heizspule 70 reduziert, wird auch der Hub des Schließelements 13 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt. Heating coil 70 can be adjusted. The higher the current intensity at the heating coil 70, the greater the stroke of the closing element 13 due to the greater bending of the bi-metal 15 and the higher the gas flow in the metering device 1, since the force of the closing spring 5 is stroke-dependent. If the current is reduced at the heating coil 70, and the stroke of the closing element 13 is reduced and thus throttled the gas flow.
Wird der Heizstrom an der Heizspule 70 unterbrochen, so nimmt das Bi-Metall seine ursprüngliche Form wieder an und das Schließelement 13 bewegt sich mittels der Schließfeder 5 in Richtung der Durchlassöffnung 17, so dass das Schließelement 13 wieder auf dem Ventilsitz 12 anliegt und die Durchlassöffnung 17 geschlossen ist. Der Gasdurchfluss durch die Dosiervorrichtung 1 ist unterbrochen. If the heating current is interrupted at the heating coil 70, then the bi-metal resumes its original shape and the closing element 13 moves by means of the closing spring 5 in the direction of the passage opening 17, so that the closing element 13 rests again on the valve seat 12 and the passage opening 17 is closed. The gas flow through the metering device 1 is interrupted.
Fig.2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 1 im Bereich des Bi-Metalls im Längsschnitt. Bauteile gleicher Funktion sind mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel ist das Bi-Metall 15 hier mit dem zweiten Arm 27 in einer Ausnehmung 20 des Spulengehäuses 700 aufgenommen. In dem Spulengehäuse 700 ist weiterhin ein Wärmeleitelement 16 angeordnet, so dass eine schnellere Wärmeübertragung auf das Bi-Metall erfolgt. Dadurch wird die aus der Temperaturveränderung resultierende Verbiegung des Bi-Metalls beschleunigt und damit ein schnellerer Öffnungsvorgang erzielt. Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen dem des ersten. 2 shows a second embodiment of a metering device 1 according to the invention in the region of the bi-metal in a longitudinal section. Components of the same function are designated by the same reference numerals. In contrast to the first embodiment, the bi-metal 15 is received here with the second arm 27 in a recess 20 of the bobbin case 700. In the coil housing 700, a heat-conducting element 16 is further arranged, so that a faster heat transfer takes place on the bi-metal. This accelerates the bending of the bi-metal resulting from the temperature change and thus achieves a faster opening process. The basic structure and the operation of the second embodiment correspond to those of the first.
Darüber hinaus kann mittels des Heizstroms der Heizspule 70 und des Massenstroms des gasförmigem Mediums ein Kennfeld bestimmt werden, woraus die Medientemperatur in der Dosiervorrichtung 1 ermittelt werden kann. In addition, by means of the heating current of the heating coil 70 and the mass flow of the gaseous medium, a characteristic field can be determined, from which the temperature of the medium in the metering device 1 can be determined.
Die mechanische Spannung des Bi-Metalls 15 bleibt im elastischen Bereich, üblicherweise unter 20 MPa, und die Temperatur überschreitet nicht den Linearitäts- bereich von etwa 200° C des Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass die Verbiegung des Bi-Metalls eine optimale Funktionsweise der Dosiervorrichtung 1 unterstützt. Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung Verwendung finden. Mittels der Dosiervorrichtung 1 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden. Je nach Höhe der Stromstärke an der Heizspule 70 der Dosiervorrich- tung 1 , durch welche der Hub des Schließelements 13 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 17 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt. Die Dosiervorrichtung 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 17 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. The mechanical stress of the bi-metal 15 remains in the elastic range, usually below 20 MPa, and the temperature does not exceed the linearity range of about 200 ° C of the coefficient of thermal expansion, so that the bending of the bi-metal supports an optimal functioning of the dosing device 1 , The metering device 1 according to the invention can be used, for example, in a fuel cell arrangement. By means of the metering device 1, hydrogen can be supplied from a tank to an anode region of the fuel cell. Depending on the magnitude of the current intensity at the heating coil 70 of the metering device 1, through which the stroke of the closing element 13 is actuated, a flow cross-section of the passage opening 17 is changed in such a way that a demand-adjusted adjustment of the gas flow supplied to the fuel cell takes place continuously. The metering device 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 adjustment of the flow cross section of the passage opening 17 while controlling the anode pressure can be done much more accurately , As a result, the reliability and durability of the connected fuel cell are significantly improved, since hydrogen is always supplied in a superstoichiometric proportion. In addition, consequential damage, such as damage to a downstream catalyst can be prevented.

Claims

Ansprüche claims
1. Dosiervorrichtung (1) zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Ventilgehäuse (2), in welchem ein Innenraum (50) ausgebildet ist, mit einem darin angeordneten Heizelement (7) und einem hubbeweglichen Schließelement (13), das zum Öffnen oder Schließen mindestens einer Durchlassöffnung (17) mit einem Ventilsitz (12) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Innenraum (50) ein Bi- Metall (15) angeordnet ist, welches in thermischen Kontakt mit dem Heizelement (7) steht, wobei das Schließelement (13) an dem Bi-Metall (15) anliegt. Dosing device (1) for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, with a valve housing (2), in which an interior space (50) is formed, with a heating element (7) and a liftable closing element (13) arranged therein Opening or closing at least one passage opening (17) with a valve seat (12) cooperates, characterized in that in the interior (50) a Bi- metal (15) is arranged, which is in thermal contact with the heating element (7), wherein the closing element (13) bears against the bi-metal (15).
2. Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bi-Metall (15) im Querschnitt L-förmig ausgebildet ist. 2. metering device (1) according to claim 1, characterized in that the bi-metal (15) is formed in cross-section L-shaped.
3. Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (2) einen Haltekörper (3) und einen Düsenkörper (4) umfasst, wobei das Bi-Metall (15) zwischen einem ersten Absatz (25) und einem zweiten Absatz (19) des Haltekörpers (3) fixiert ist und an dem zweiten Absatz (19) aufliegt. 3. dosing device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the valve housing (2) comprises a holding body (3) and a nozzle body (4), wherein the bi-metal (15) between a first shoulder (25) and a second shoulder (19) of the holding body (3) is fixed and rests on the second shoulder (19).
4. Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (7) eine Heizspule (70) und ein Spulengehäuse (700) umfasst, wobei das Bi-Metall (15) an dem Spulengehäuse (700) angeordnet ist. 4. dosing device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the heating element (7) comprises a heating coil (70) and a coil housing (700), wherein the bi-metal (15) on the coil housing (700) is arranged ,
5. Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Spulengehäuse (700) zur Wärmeübertragung zwischen der Heizspule (70) und dem Bi-Metall (15) ein Wärmeleitelement (16) angeordnet ist. 5. metering device (1) according to claim 4, characterized in that in the coil housing (700) for heat transfer between the heating coil (70) and the bi-metal (15) a heat conducting element (16) is arranged.
6. Dosiervorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bi-Metall (15) zumindest teilweise in einer Ausnehmung (20) des Spulengehäuses (700) aufgenommen ist. 6. metering device (1) according to claim 4 or 5, characterized in that the bi-metal (15) is at least partially received in a recess (20) of the coil housing (700).
7. Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ventilsitz (12) und dem Schließelement (13) ein elastisches Dichtelement (14) angeordnet ist. 7. metering device (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that between the valve seat (12) and the closing element (13) an elastic sealing element (14) is arranged.
8. Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (12) als Flachsitz ausgebildet ist. 8. Metering device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the valve seat (12) is designed as a flat seat.
9. Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ventilgehäuse (2) und dem Schließelement (13) eine Schließfeder (5) angeordnet ist, wobei die Schließfeder (13) das Schließelement (13) mit einer Federkraft F an seinem Bund (18) an das Bi-Metall (15) drückt. 9. dosing device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that between the valve housing (2) and the closing element (13) a closing spring (5) is arranged, wherein the closing spring (13) the closing element (13) with a spring force Press F on its collar (18) to the bi-metal (15).
10. Dosiervorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilgehäuse (2) ein Durchlasskanal (10) ausgebildet ist, durch welchen das Ventilgehäuse (2) mit gasförmigem Medium befüllbar ist. 10. dosing device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that in the valve housing (2) has a passage channel (10) is formed, through which the valve housing (2) can be filled with gaseous medium.
11. Brennstoffzellenanordnung mit einer Dosiervorrichtung (1) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 11. A fuel cell assembly with a metering device (1) for controlling a hydrogen supply to a fuel cell according to one of the preceding claims.
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