WO2021190890A1 - Ventilvorrichtung für ein brennstoffzellensystem und tankvorrichtung zur speicherung eines gasförmigen mediums - Google Patents

Ventilvorrichtung für ein brennstoffzellensystem und tankvorrichtung zur speicherung eines gasförmigen mediums Download PDF

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WO2021190890A1
WO2021190890A1 PCT/EP2021/055320 EP2021055320W WO2021190890A1 WO 2021190890 A1 WO2021190890 A1 WO 2021190890A1 EP 2021055320 W EP2021055320 W EP 2021055320W WO 2021190890 A1 WO2021190890 A1 WO 2021190890A1
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WO
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valve
valve element
opening
main
tank
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PCT/EP2021/055320
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English (en)
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Andreas Rau
Joerg Hahn
Udo Schaich
Marco Stieber
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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
    • 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
    • Y02E60/32—Hydrogen storage
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    • 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 valve device for a fuel cell system and a tank device for a fuel cell tank, in particular for storing hydrogen, for example for use in vehicles with fuel cell drives.
  • DE 102018201 055 A1 describes a tank device with at least two storage units, each of which has a control valve and which are connected to an output line via a line system. At least one control valve of at least one storage unit is designed as a main valve, and at least one control valve of at least one storage unit is designed as a secondary valve, the main valve and the secondary valve being designed differently.
  • each tank device must have such a shut-off valve.
  • the shut-off valve can close the tank container in the event of damage to the tank device caused by an accident in the vehicle with a fuel cell drive or if a line in the tank device breaks, so that no gas can escape from the tank device.
  • shut-off valves Due to the high safety requirements for the shut-off valves and due to high system pressures of, for example, 800 bar or more, such shut-off valves are structurally very challenging and have a large construction space. This in turn increases the total weight of the entire Tankvorrich device, which in the event of an accident to the vehicle with fuel cell drive high acceleration forces and possible deformations of the valve device or the tank device.
  • valve device with the characterizing features of claim 1 has the advantage that a compactly designed safety valve with a positive energy balance and compliance with all safety-relevant criteria is achieved in a structurally simple manner.
  • the valve device for a fuel cell system has a valve housing in which a pilot valve element which is movable along a longitudinal axis of the valve device is arranged.
  • the pilot valve element interacts with a first sealing seat to open and close a connection opening and thus forms a pilot valve.
  • the valve device comprises a solenoid through which the pilot valve element can be moved along the longitudinal axis.
  • a main valve element is arranged in the valve housing, which cooperates with a second sealing seat to open and close a main opening and thus forms a main valve.
  • the main valve element has transverse bores and the pilot valve element has transverse bores, which transverse bores of the pilot valve element open into the transverse bores of the main valve element.
  • a driver element is arranged in one of the transverse bores of the pilot valve element and in one of the transverse bores of the main valve element.
  • the efficiency and the functioning of the Ventilvor device can be optimized in a simple manner with simultaneous cost savings by minimizing the necessary magnetic forces for opening the valve device.
  • the magnetic circuit is improved by optimal design of the magnetic flux due to the optimized choice of material, the cross-sectional dimensions and the design of the surface structures of the valve device, thus achieving a compact and inexpensive valve device.
  • the Mit Talentele element is designed in the shape of a pin.
  • the driver element is constructed in several parts and has two balls.
  • the driver element is elliptical or circular-cylindrical or polygonal in cross-section.
  • the geometric design of the driver element is adapted according to the required functions, so that an optimal functioning of the entire valve device is achieved.
  • the pilot valve element has a dome-shaped end, which dome-shaped end is arranged in a dome-shaped space, the dome-shaped space being delimited by the main valve element and the driver element. This geometric shape promotes optimal functioning of the valve device.
  • a control chamber is formed in the Ventilvor direction, in which control chamber the main valve element is arranged and in which control chamber a spring is arranged, which spring acts on the main valve element with a force in the direction of the pilot valve element.
  • the pilot valve element has an opening in which opening a spring is arranged, which spring the pilot valve element with a force in the direction of the first sealing seat and which spring the The main valve element is subjected to a force in the direction of the second sealing seat.
  • the opening opens into the transverse bores of the pilot valve element and the slave element is arranged at least partially in the opening.
  • a throttle in the form of a constriction of the connection opening is arranged in the connection opening and the connection opening opens into a main opening formed in the valve housing.
  • the connection opening and the main opening are cylindrical and a diameter of the main opening is larger than a diam water of the connection opening.
  • the valve device described is preferably suitable in a Tankvor direction for storing a gaseous medium, in particular hydrogen.
  • the tank device has a tank interior which can be connected to an anode area of a fuel cell system by means of the valve device and by means of an inlet line.
  • valve device has a valve housing pot, which valve housing pot is firmly connected to the valve housing and which valve housing pot is arranged in a neck region of the tank device and is pressed against a tank bottom within the neck region.
  • a through opening is formed in the tank bottom and in the valve housing pot, which through opening opens into the opening of the pilot valve element.
  • the interior of the valve device can thus be connected in a simple manner to a tank interior of the tank device.
  • the tank interior can be connected to a tank point by means of the valve device and by means of the inlet line.
  • the interior of the tank can be filled with hydrogen via the same valve device and the same feed line as is made available to the anode area of the fuel cell system.
  • the tank device described is preferably suitable in a fuel cell system for storing hydrogen for the operation of a fuel cell.
  • the tank device described for storing hydrogen for the operation of a fuel cell is also advantageously suitable in a fuel cell operated vehicle.
  • a Tankvor device according to the invention for storing a gaseous medium, in particular hydrogen, and embodiments of a valve device according to the invention are provided. It shows in 1 shows an embodiment of a tank device according to the invention with a valve device according to the invention in longitudinal section,
  • FIG. 2a shows an enlarged view of the exemplary embodiment from FIG. 1,
  • FIG. 2b shows an enlarged view in the area of the driver element from FIG. 2a
  • Fig. 2d is a cross-sectional view of the driver element in circular cylindrical shape ger
  • FIG. 2e shows a cross-sectional view of the driver element in polygonal form
  • FIG. 3a shows an enlarged view in the area of the driver element from FIG. 1 with a multi-part spherical driver element
  • Fig. 3b is an enlarged view in the area of the driver element from FIG. 1 with a multi-part spherical driver element and egg ner spring.
  • Fig.l shows an embodiment of a tank device 1 according to the invention with a valve device 2 according to the invention with a longitudinal axis 101 in longitudinal section.
  • the tank device 1 has a tank housing 100 which has a neck region 46 which opens into a tank interior 8 via an opening channel 42.
  • the opening channel 42 is formed in a tank bottom 45 of the tank device 1, which separates the neck area 46 from the tank interior 8.
  • the valve device 2 is net angeord in the neck region 46 of the tank device 1.
  • the valve device 2 has a valve housing 200 and a valve housing pot 201, with which valve housing pot 201 the valve device 2 is embedded in the neck region 46 and rests against the tank bottom 45.
  • the Ven- Valve housing pot 201 has a through opening 47 which opens into the opening channel 42 Publ.
  • the valve housing 200 and the tank housing 100 are firmly connected to one another by means of screwing elements 202.
  • a control valve element 10 which is movable along the longitudinal axis 101 is arranged, which together with a first sealing seat 32 forms a pilot valve 105.
  • the pilot valve element 10 has a cylindrical through opening 16 which merges into a cylindrical opening 12, the diameter D of the opening 12 being greater than the diameter d of the through opening 16.
  • the opening 12 also opens into the through opening 47.
  • a pin-shaped driver element 18 is arranged, as shown in FIG. 2a in an enlarged illustration of the exemplary embodiment from FIG.
  • One of the opening 12 facing away from the end 22 of the pilot valve element 10 is dome-shaped forms.
  • the pilot valve element 10 as shown in Figure 2b, further transverse bores 107 to ensure a flow of the gaseous medium.
  • the driver element 18 in cross section can also be elliptical 500, circular-cylindrical 600 or polygonal 700, i.e. as a polygon.
  • a main valve element 34 is arranged in the valve device 2 coaxially to the pilot valve element 10, which together with a second sealing seat 36 formed on the valve housing 200 forms a main valve 340.
  • the first sealing seat 32 is formed on the main valve element 34.
  • the main valve element 34 has a dome-shaped opening 342 in which the dome-shaped end 22 of the pilot valve element 32 is received and leads ge.
  • the main valve element 34 has a transverse bore 341 which opens into the transverse bore 106 of the pilot valve element 32. Included the driver element 18 is also partially arranged in the transverse bore 341 of the main valve element 34.
  • the main valve element 34 has further transverse bores 343 in order to ensure a flow of the gaseous medium.
  • connection opening 26 with a throttle 24 in the form of a narrowing of the connection opening 26 is formed in the main valve element 34.
  • the dome-shaped end 22 of the pilot valve element 32 interacts with the first sealing seat 32 to open and close the connecting opening 26.
  • connection opening 26 opens into a cylindrical main opening 28 which is formed in the valve housing 200 of the valve device 2 and which is connected to an inlet line 30.
  • the feed line 30 is connected, for example, to an anode region 53 of a fuel cell system in order to supply a fuel cell arranged in the fuel cell system with hydrogen.
  • the main valve element 34 cooperates with the second sealing seat 36 to open and close the main opening 28, an opening cross-section of this main opening 28 in connection with the second sealing seat 36 being larger than an opening cross-section of the connecting opening 26 in connection with the first sealing seat 32 the main opening 28 is larger than the diameter of the connecting opening 26.
  • the valve housing 200 and the main valve element 34 delimit a control space 40 in which a spring 20 is arranged.
  • This spring 20 is supported on the one hand on the valve housing 200 and on the other hand on the main valve element 34 and acts on the main valve element 34 with a force in the direction of the pilot valve element 10.
  • the pilot valve element 10 is acted upon by a spring 4 in the opening 12 with a force in the direction of the main valve element 34, so that the pilot valve element 10 rests on the first sealing seat 32. It is in the Opening 12, an adjusting element 14 is arranged, whereby the tensioning force of the spring 4 can be adjusted.
  • a solenoid 5 is arranged in the valve device 2, which has an electrical connection 50 in the valve device 2 for power supply.
  • the solenoid 5 forms, together with the pilot valve element 10 and the valve housing pot 201, an electromagnet 51.
  • Fig.3a and Fig.3b show further versions of the driver element 18.
  • the ses is designed in several parts here.
  • the driver element 18 has two balls 180 which are arranged in the transverse bores 106, 341.
  • the balls 180 are pressed into the pilot valve element 10, since the balls 180 snap into the main valve element 34 during assembly and are thus fixed in the pilot valve element 10 and the main valve element 34.
  • a spring 181 is additionally arranged in the transverse bore 106, which is supported on a shoulder 182 of the transverse bore 106 and biases the balls 180 in the transverse bores 106, 341, since the balls 180 during assembly in the main valve element 34 snap into place and are fixed by the spring 181.
  • the functioning of the tank device 1 is as follows: When the solenoid 5 is energized, a magnetic field is formed, which leads to a magnetic force between the pilot valve element 10 and the housing pot 201. When the magnetic force is sufficiently high, the pilot valve element 10 lifts from the first sealing seat 32 and releases the opening cross-section between the dome-shaped space 343 and the connecting opening 26.
  • a gaseous medium for example hydrogen
  • a gaseous medium now flows from the tank interior 8 via the opening channel 42, the through opening 47, the opening 12 of the pilot valve element 10, the through opening 16 and the dome-shaped space 343 into the main opening 28.
  • a pressure level is established which is comparable to the pressure level on the pilot valve element 10. Due to the pressure balance of the main valve element 34, it is lifted out of the second sealing seat 36 by the force of the spring 20 and thus opens the large opening cross-section, a connection between the main opening 28 and the control chamber 40 Anode area 53 of the fuel cell system.
  • the main valve element 34 can be drawn out of the second sealing seat 36 in a defined manner with the aid of the mechanical driver element 18 via the pilot valve element 10 with a time delay.
  • the principle of the automatic closing of the valve device 2 also works in the event of an emergency, for example when the power supply is interrupted. It can thus be ensured that the hydrogen is enclosed in the tank device 1 and that it is not released into the environment in an uncontrolled manner.
  • the main opening 28 is provided with pressure via a tank unit.
  • the pressure in the main opening 28 is higher than in the valve device 2 and the tank interior 8.
  • the different pressure ratios lead to the main valve element 34 being pushed out of the second sealing seat 36 and the large opening cross-section at the second sealing seat 36 released will.
  • the tank interior 8 can now be filled with hydrogen.
  • the pressure in the main opening 28 is equal to the pressure in the valve device 2 and the tank interior 8, so that the main valve element 34, supported by the force of the spring 4, moves in the direction of the second sealing seat 36 moves and closes it again.
  • the tank interior 8 can thus be filled with hydrogen via the supply line 30, which is then connected to a filling station 54 here, via the same valve device 2 as the hydrogen is made available for the fuel cell.
  • the geometric shape of the driver element 18 can take place depending on the required function.
  • the time offset between the opening of the first sealing seat 32 and the opening of the second sealing seat 36 can be set by selecting the geometrical shape and tolerance configurations of the Mitauerele element 18.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

Ventilvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit einem Ventilgehäuse, in welchem Ventilgehäuse ein entlang einer Längsachse der Ventilvorrichtung bewegliches Vorsteuerventilelement angeordnet ist, welches Vorsteuerventilelement zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsöffnung mit einem ersten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil ausbildet. Die Ventilvorrichtung umfasst eine Magnetspule, durch welche Magnetspule das Vorsteuerventilelement entlang der Längsachse bewegbar ist, wobei in dem Ventilgehäuse ein Hauptventilelement angeordnet ist, welches Hauptventilelement zum Öffnen und Schließen einer Hauptöffnung mit einem zweiten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Hauptventil ausbildet. Darüber hinaus weist das Hauptventilelement Querbohrungen auf und das Vorsteuerventilelement weist Querbohrungen auf, welche Querbohrungen des Vorsteuerventilelements in die Querbohrungen des Hauptventilelements mündet, wobei in eine der Querbohrungen des Vorsteuerventilelements und in eine der Querbohrungen des Hauptventilelements ein Mitnehmerelement angeordnet ist.

Description

Beschreibung
VENTILVORRICHTUNG FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND TANKVORRICHTUNG ZUR SPEICHERUNG EINES GASFÖRMIGEN MEDIUMS
Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem und eine Tankvorrichtung für einen Brennstoffzellentank, insbesondere zur Speiche rung von Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brenn stoffzellenantrieb.
Stand der Technik
Die DE 102018201 055 Al beschreibt eine Tankvorrichtung mit mindestens zwei Speichereinheiten, welche jeweils ein Steuerventil aufweisen, und welche über ein Leitungssystem mit einer Ausgangsleitung verbunden sind. Dabei ist mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit als Hauptventil ausgebildet, und mindestens ein Steuerventil mindestens einer Speichereinheit ist als Nebenventil ausgebildet, wobei das Hauptventil und das Nebenventil un terschiedlich ausgebildet sind.
Die Sicherheitsvorrichtungen für solch eine Tankvorrichtung sind normiert. Dabei muss jede Tankvorrichtung solch ein Absperrventil aufweisen. So kann das Ab sperrventil bei einer Beschädigung der Tankvorrichtung hervorgerufen durch ei nen Unfall des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb oder bei einem Bruch einer Leitung der Tankvorrichtung die Tankbehälter verschließen, so dass kein Gas aus der Tankvorrichtung austreten kann.
Aufgrund der hohen Sicherheitsanforderungen an die Absperrventile und auf grund hoher Systemdrücke von beispielsweise 800 bar oder mehr sind solche Absperrventile konstruktiv sehr herausfordernd und weisen einen großen Bau raum auf. Dies erhöht wiederum das Gesamtgewicht der gesamten Tankvorrich tung, was im Falle eines Unfalls des Fahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb zu hohen auftretenden Beschleunigungskräften und möglichen Verformungen der Ventilvorrichtung oder der Tankvorrichtung führen kann.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass in konstruktiv einfa cher Weise ein kompakt ausgelegtes Sicherheitsventil mit positiver Energiebilanz und Einhaltung aller sicherheitsrelevanten Kriterien erzielt wird.
Dazu weist die Ventilvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem ein Ventilge häuse auf, in dem ein entlang einer Längsachse der Ventilvorrichtung bewegli ches Vorsteuerventilelement angeordnet ist. Das Vorsteuerventilelement wirkt zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsöffnung mit einem ersten Dichtsitz zusammen und bildet so ein Vorsteuerventil aus. Außerdem umfasst die Ventil vorrichtung eine Magnetspule, durch die das Vorsteuerventilelement entlang der Längsachse bewegbar ist. Weiterhin ist in dem Ventilgehäuse ein Hauptventilele ment angeordnet, welches zum Öffnen und Schließen einer Hauptöffnung mit ei nem zweiten Dichtsitz zusammenwirkt und so ein Hauptventil ausbildet. Darüber hinaus weist das Hauptventilelement Querbohrungen auf und das Vorsteuerven tilelement weist Querbohrungen auf, welche Querbohrungen des Vorsteuerventil elements in die Querbohrungen des Hauptventilelements mündet. Dabei ist in eine der Querbohrungen des Vorsteuerventilelements und in eine der Querboh rungen des Hauptventilelements ein Mitnehmerelement angeordnet.
So kann in einfacher Weise die Effizienz und die Funktionsweise der Ventilvor richtung bei gleichzeitiger Kostenersparnis durch Minimierung der notwendigen magnetischen Kräfte für die Öffnung der Ventilvorrichtung optimiert werden. Wei terhin wird durch optimale Auslegung des magnetischen Flusses aufgrund opti mierter Materialwahl, der Querschnittsdimensionierungen und der Gestaltung der Oberflächenstrukturen der Ventilvorrichtung der Magnetkreis verbessert und so eine kompakte und kostengünstige Ventilvorrichtung erzielt. In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Mitnehmerele ment stiftförmig ausgebildet ist.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Mitnehmerelement mehrteilig ausgebildet ist und zwei Kugeln aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Mitneh merelement im Querschnitt elliptisch oder kreiszylinderförmig oder polygonisch ausgebildet ist.
Die geometrische Gestaltung des Mitnehmerelements wird entsprechend der ge forderten Funktionen angepasst, so dass eine optimale Funktionsweise der ge samten Ventilvorrichtung erzielt wird.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Vorsteuerventilelement ein kuppenförmiges Ende aufweist, welches kuppenförmige Ende in einem kup penförmigen Raum angeordnet ist, wobei der kuppenförmige Raum von dem Hauptventilelement und dem Mitnehmerelement begrenzt wird. Durch diese geo metrische Ausformung wird eine optimale Funktionsweise der Ventilvorrichtung begünstigt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in der Ventilvor richtung ein Steuerraum ausgebildet ist, in welchem Steuerraum das Hauptventil element angeordnet ist und in welchem Steuerraum eine Feder angeordnet ist, welche Feder das Hauptventilelement mit einer Kraft in Richtung des Vorsteuer ventilelements beaufschlagt.
In vorteilhafter Weiterbildung weist das Vorsteuerventilelement eine Öffnung auf, in welcher Öffnung eine Feder angeordnet ist, welche Feder das Vorsteuerventil element mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes und welche Feder das Hauptventilelement mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes beauf schlagt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass die Öffnung in die Querbohrungen des Vorsteuerventilelements mündet und das Mit nehmerelement zumindest teilweise in der Öffnung angeordnet ist. So wird ein kompakter Aufbau der Ventilvorrichtung erzielt.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass in der Verbindungsöffnung eine Drossel in Form einer Verengung der Verbindungsöffnung angeordnet ist und die Verbindungsöffnung in eine in dem Ventilgehäuse ausgebildete Hauptöff nung mündet. Die Verbindungsöffnung und die Hauptöffnung sind zylinderförmig ausgebildet und ein Durchmesser der Hauptöffnung ist größer als ein Durchmes ser der Verbindungsöffnung. So kann der Fluss des gasförmigen Mediums in ein facher Weise gesteuert werden. Weiterhin wird eine schnelle und effiziente Öff nung der gesamten Ventilvorrichtung ermöglicht, da nur geringe magnetische Kräfte für die Öffnung notwendig sind.
Die beschriebene Ventilvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Tankvor richtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasser stoff. Dabei weist die Tankvorrichtung einen Tankinnenraum auf, der mittels der Ventilvorrichtung und mittels einer Zulaufleitung mit einem Anodenbereich eines Brennstoffzellensystems verbindbar ist.
In vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass die Ventilvorrichtung einen Ventilgehäusetopf aufweist, welcher Ventilgehäusetopf fest mit dem Ventilge häuse verbunden ist und welcher Ventilgehäusetopf in einem Halsbereich der Tankvorrichtung angeordnet und gegen einen Tankboden innerhalb des Halsbe reichs gepresst ist.
Aufgrund der konstruktiven Auslegung der Ventilvorrichtung innerhalb des Hals bereichs wird eine geringere Druckangriffsfläche erzielt, was geringere axiale Druckkräfte zur Folge hat. Bei hohen Drücken stellen geringere Druckangriffsflä chen eine hohe Entlastung bezüglich Bauteilbelastungen dar, was sich in gerin geren Verformungen, weniger Verschleiß und Dichtheitseinflüssen und einer er höhten Lebensdauer der gesamten Tankvorrichtung und der Ventilvorrichtung wi derspiegelt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Tankboden und in dem Ventilgehäusetopf eine Durchgangsöffnung ausge bildet ist, welche Durchgangsöffnung in die Öffnung des Vorsteuerventilelements mündet. So kann das Innere der Ventilvorrichtung in einfacher Weise mit einem Tankinnenraum der Tankvorrichtung verbunden werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Tankinnen raum mittels der Ventilvorrichtung und mittels der Zulaufleitung mit einer Tank stelle verbindbar ist. Somit kann in konstruktiv einfacher Weise der Tankinnen raum über dieselbe Ventilvorrichtung und dieselbe Zulaufleitung mit Wasserstoff befüllt werden wie dieser dem Anodenbereich des Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt wird.
Die beschriebene Tankvorrichtung eignet sich vorzugsweise in einem Brennstoff zellensystem zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoff zelle.
Die beschriebene Tankvorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff für den Be trieb einer Brennstoffzelle eignet sich weiterhin vorteilhaft in einem brennstoffzel lenbetriebenen Fahrzeug.
Zeichnungen
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Tankvor richtung zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasser stoff, und Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung dar gestellt. Es zeigt in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung im Längsschnitt,
Fig. 2a eine vergrößerte Ansicht des Ausführungsbeispiels aus der Fig. 1,
Fig. 2b eine vergrößerte Ansicht im Bereich des Mitnehmerelements aus der Fig. 2a,
Fig. 2c eine Querschnittansicht des Mitnehmerelements in elliptischer Form,
Fig. 2d eine Querschnittansicht des Mitnehmerelements in kreiszylinderförmi ger Form,
Fig. 2e eine Querschnittansicht des Mitnehmerelements in polygoner Form, Fig. 3a eine vergrößerte Ansicht im Bereich des Mitnehmerelements aus der Fig. 1 mit einem mehrteiligen kugelförmigen Mitnehmerelement,
Fig. 3b eine vergrößerte Ansicht im Bereich des Mitnehmerelements aus der Fig. 1 mit einem mehrteiligen kugelförmigen Mitnehmerelement und ei ner Feder.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.l zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Tankvorrichtung 1 mit einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 2 mit einer Längsachse 101 im Längsschnitt. Die Tankvorrichtung 1 weist ein Tankgehäuse 100 auf, das einen Halsbereich 46 aufweist, welcher über einen Öffnungskanal 42 in einen Tankin- nenraum 8 mündet. Dabei ist der Öffnungskanal 42 in einem Tankboden 45 der Tankvorrichtung 1 ausgebildet, welcher den Halsbereich 46 von dem Tankinnen- raum 8 trennt.
Die Ventilvorrichtung 2 ist in dem Halsbereich 46 der Tankvorrichtung 1 angeord net. Dabei weist die Ventilvorrichtung 2 ein Ventilgehäuse 200 und ein Ventilge häusetopf 201 auf, mit welchem Ventilgehäusetopf 201 die Ventilvorrichtung 2 in dem Halsbereich 46 eingebettet ist und an dem Tankboden 45 anliegt. Der Ven- tilgehäusetopf 201 weist eine Durchgangsöffnung 47 auf, welche in den Öff nungskanal 42 mündet. Das Ventilgehäuse 200 und das Tankgehäuse 100 sind dabei mittels Verschraubungselementen 202 fest miteinander verbunden.
In der Ventilvorrichtung 2 ist ein entlang der Längsachse 101 bewegliches Vor steuerventilelement 10 angeordnet, welches zusammen mit einem ersten Dicht sitz 32 ein Vorsteuerventil 105 ausbildet. Das Vorsteuerventilelement 10 weist eine zylinderförmige Durchgangsöffnung 16 auf, welche in eine zylinderförmige Öffnung 12 übergeht, wobei der Durchmesser D der Öffnung 12 größer ist als der Durchmesser d der Durchgangsöffnung 16. Die Öffnung 12 mündet außerdem in die Durchgangsöffnung 47.
In einer Querbohrung 106 des Vorsteuerventilelements 10 ist ein stiftförmig aus gebildetes Mitnehmerelement 18 angeordnet, wie in Fig.2a in einer vergrößerten Darstellung des Ausführungsbeispiels aus der Fig.l gezeigt. Ein der Öffnung 12 abgewandtes Ende 22 des Vorsteuerventilelements 10 ist kuppenförmig ausge bildet. Weiterhin weist das Vorsteuerventilelement 10, wie in Fig.2b gezeigt, wei tere Querbohrungen 107 auf, um einen Durchfluss des gasförmigen Mediums zu gewährleisten.
Weiterhin kann, wie in den Fig.2c, Fig.2d und Fig.2e gezeigt, das Mitnehmerele ment 18 im Querschnitt auch elliptisch 500, kreiszylinderförmig 600 oder polygo- nisch 700, d.h. als Vieleck, ausgebildet sein.
Außerdem ist in der Ventilvorrichtung 2 koaxial zu dem Vorsteuerventilelement 10 ein Hauptventilelement 34 angeordnet, welches zusammen mit einem an dem Ventilgehäuse 200 ausgebildeten zweiten Dichtsitz 36 ein Hauptventil 340 ausbil det. Dabei ist der erste Dichtsitz 32 an dem Hauptventilelement 34 ausgebildet.
Das Hauptventilelement 34 weist eine kuppenförmige Öffnung 342 auf, in der das kuppenförmige Ende 22 des Vorsteuerventilelements 32 aufgenommen und ge führt ist. Außerdem weist das Hauptventilelement 34 eine Querbohrung 341 auf, welche in die Querbohrung 106 des Vorsteuerventilelements 32 mündet. Dabei ist auch das Mitnehmerelement 18 teilweise in der Querbohrung 341 des Haupt ventilelements 34 angeordnet. Weiterhin weist das Hauptventilelement 34 wei tere Querbohrungen 343 auf, um einen Durchfluss des gasförmigen Mediums zu gewährleisten.
Darüber hinaus ist in dem Hauptventilelement 34 eine zylinderförmige Verbin dungsöffnung 26 mit einer Drossel 24 in Form einer Verengung der Verbindungs öffnung 26 ausgebildet. Dabei wirkt das kuppenförmige Ende 22 des Vorsteuer ventilelements 32 mit dem ersten Dichtsitz 32 zum Öffnen und Schließen der Verbindungsöffnung 26 zusammen.
Die Verbindungsöffnung 26 mündet in eine in dem Ventilgehäuse 200 der Ventil vorrichtung 2 ausgebildeten zylinderförmigen Hauptöffnung 28, welche mit einer Zulaufleitung 30 verbunden ist. Die Zulaufleitung 30 ist beispielsweise mit einem Anodenbereich 53 eines Brennstoffzellensystems verbunden, um eine in dem Brennstoffzellensystem angeordnete Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versor gen.
Das Hauptventilelement 34 wirkt zum Öffnen und Schließen der Hauptöffnung 28 mit dem zweiten Dichtsitz 36 zusammen, wobei ein Öffnungsquerschnitt dieser Hauptöffnung 28 in Verbindung mit dem zweiten Dichtsitz 36 größer ist als ein Öffnungsquerschnitt der Verbindungsöffnung 26 in Verbindung mit dem ersten Dichtsitz 32. Denn der Durchmesser der Hauptöffnung 28 ist größer als der Durchmesser der Verbindungsöffnung 26.
Das Ventilgehäuse 200 und das Hauptventilelement 34 begrenzen einen Steuer raum 40, in welchem eine Feder 20 angeordnet ist. Diese Feder 20 stützt sich ei nerseits an dem Ventilgehäuse 200 und andererseits an dem Hauptventilelement 34 ab und beaufschlagt das Hauptventilelement 34 mit einer Kraft in Richtung des Vorsteuerventilelements 10.
Das Vorsteuerventilelement 10 wird mittels einer Feder 4 in der Öffnung 12 mit einer Kraft in Richtung des Hauptventilelements 34 beaufschlagt, so dass das Vorsteuerventilelement 10 auf dem ersten Dichtsitz 32 anliegt. Dabei ist in der Öffnung 12 ein Einstellelement 14 angeordnet, wodurch die Spannkraft der Feder 4 einstellbar ist.
Weiterhin ist in der Ventilvorrichtung 2 eine Magnetspule 5 angeordnet, welche in der Ventilvorrichtung 2 zur Stromversorgung einen elektrischen Anschluss 50 aufweist. Die Magnetspule 5 bildet zusammen mit dem Vorsteuerventilelement 10 und dem Ventilgehäusetopf 201 einen Elektromagneten 51 aus.
Fig.3a und Fig.3b zeigen weitere Ausführungen des Mitnehmerelements 18. Die ses ist hier mehrteilig ausgebildet. Dabei weist das Mitnehmerelement 18 zwei Kugeln 180 auf, die in den Querbohrungen 106, 341 angeordnet sind.
In der Ausführung der Fig.3a sind die Kugeln 180 in dem Vorsteuerventilelement 10 eingepresst, da die Kugeln 180 bei der Montage in das Hauptventilelement 34 einrasten und so in dem Vorsteuerventilelement 10 und dem Hauptventilelement 34 fixiert sind.
In der Ausführung der Fig.3b ist zusätzlich jeweils eine Feder 181 in der Quer bohrung 106 angeordnet, welche sich an einem Absatz 182 der Querbohrung 106 abstützt und die Kugeln 180 in den Querbohrungen 106, 341 vorspannt, da die Kugeln 180 bei der Montage in das Hauptventilelement 34 einrasten und durch die Feder 181 fixiert sind.
Die Funktionsweise der Tankvorrichtung 1 ist wie folgt: Bei einer Bestromung der Magnetspule 5 bildet sich ein magnetisches Feld aus, was zu einer magneti schen Kraftwirkung zwischen dem Vorsteuerventilelement 10 und dem Ventilge häusetopf 201 führt. Bei ausreichend hoher Magnetkraft hebt das Vorsteuerven tilelement 10 von dem ersten Dichtsitz 32 ab und gibt den Öffnungsquerschnitt zwischen dem kuppenförmigen Raum 343 und der Verbindungsöffnung 26 frei.
So strömt nun gasförmiges Medium, beispielsweise Wasserstoff, aus dem Tank- innenraum 8 über den Öffnungskanal 42, die Durchgangsöffnung 47, die Öffnung 12 des Vorsteuerventilelements 10, die Durchgangsöffnung 16 und den kuppen förmigen Raum 343 in die Hauptöffnung 28. Dies führt dazu, dass sich die Hauptöffnung 28 mit gasförmigem Medium füllt und so durch das Drucksystem ein ausgleichendes Druckniveau um das Hauptventil element 34 aufgebaut wird. Dabei stellt sich mit der Zeit ein Druckniveau ein, welches vergleichbar mit dem Druckniveau am Vorsteuerventilelement 10 ist. Durch die Druckausgeglichenheit des Hauptventilelements 34 wird dieses durch die Kraft der Feder 20 aus dem zweiten Dichtsitz 36 gehoben und öffnet so den großen Öffnungsquerschnitt, eine Verbindung zwischen der Hauptöffnung 28 und dem Steuerraum 40. So strömt nun beispielsweise Wasserstoff zur Versorgung einer Brennstoffzelle in Richtung des Anodenbereichs 53 des Brennstoffzellen systems.
Sollten sich die ausgleichenden Druckverhältnisse um das Hauptventilelement 34 verändern bzw. sollten diese noch nicht ausgeglichen sein, so kann das Haupt ventilelement 34 mit Hilfe des mechanischen Mitnehmerelements 18 kraftschlüs sig über das Vorsteuerventilelement 10 zeitversetzt aus dem zweiten Dichtsitz 36 definiert gezogen werden.
Wird die Bestromung der Magnetspule 5 unterbrochen, so bricht das magneti sche Feld zusammen und es wird eine schließende Kraft auf das Vorsteuerventil element 10 und das Hauptventilelement 34 durch die Feder 4 und den pneumati schen Druckverhältnissen in der Ventilvorrichtung 2 ausgeübt. Das Vorsteuer ventilelement 10 und das Hauptventilelement 34 bewegen sich dadurch wieder in Richtung des ersten Dichtsitzes 32 und des zweiten Dichtsitzes 36 und dichten so wieder die Öffnungsquerschnitte an dem ersten Dichtsitz 32 und dem zweiten Dichtsitz 36 ab. Gasförmiges Medium strömt nun nicht mehr aus der Tankvorrich tung 1 über die Ventilvorrichtung 2 in Richtung des Anodenbereichs 53 des Brennstoffzellensystems.
Das Prinzip des selbstständigen Verschließens der Ventilvorrichtung 2 wirkt auch bei einem Notfall, wenn beispielsweise die Stromzufuhr unterbrochen ist. So kann sichergestellt werden, dass der Wasserstoff in der Tankvorrichtung 1 einge schlossen ist und dieser nicht unkontrolliert in die Umgebung abgegeben wird. Im Betankungsfall wird die Hauptöffnung 28 über eine Tankeinheit mit Druck ver sorgt. Dabei ist der anstehende Druck in der Hauptöffnung 28 höher als in der Ventilvorrichtung 2 und dem Tankinnenraum 8. Die unterschiedlichen Druckver hältnisse führen dazu, dass das Hauptventilelement 34 aus dem zweiten Dicht sitz 36 gedrückt wird und der große Öffnungsquerschnitt an dem zweiten Dicht sitz 36 freigegeben wird. Der Tankinnenraum 8 kann nun mit Wasserstoff befüllt werden. Wird der Tankvorgang beendet, so gleicht sich der Druck in der Hauptö ffnung 28 wieder dem Druck in der Ventilvorrichtung 2 und dem Tankinnenraum 8 an, so dass sich das Hauptventilelement 34, unterstützt durch die Kraft der Fe der 4, in Richtung des zweiten Dichtsitzes 36 bewegt und diesen wieder ver schließt. Somit kann der Tankinnenraum 8 über die Zulaufleitung 30, welche hier dann an eine Tankstelle 54 angeschlossen wird, über dieselbe Ventilvorrichtung 2 mit Wasserstoff befüllt werden, wie der Wasserstoff für die Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird.
Die geometrische Form des Mitnehmerelements 18 kann je nach geforderter Funktion erfolgen. Beispielsweise kann der zeitliche Versatz zwischen der Öff nung des ersten Dichtsitzes 32 und der Öffnung des zweiten Dichtsitzes 36 über die Wahl der geometrischen Form und Toleranzauslegungen des Mitnehmerele ments 18 eingestellt werden.
Je nach Ausbildung, Materialpaarungen und Fertigungsverfahren des Vorsteuer ventilelements 10 bzw. des Hauptventilelements 34 sind für das Mitnehmerele ment 18 geschraubte, gebördelte, geclipste Lösungen oder Schnapp-Lösungen möglich.
So wird eine ausreichende Kraft, Flächenpressung, erzielt und es findet eine zeit versetzte Bewegung des Vorsteuerventilelements 10 und des Hauptventilele ments 34 statt. Dies führt insgesamt zu kleineren Öffnungskräften und damit zu geringen Bauteilbelastungen und geringem Verschleiß.

Claims

Ansprüche
1. Ventilvorrichtung (2) für ein Brennstoffzellensystem mit einem Ventilge häuse (200), in welchem Ventilgehäuse (200) ein entlang einer Längsachse (101) der Ventilvorrichtung (2) bewegliches Vorsteuerventilelement (10) angeord net ist, welches Vorsteuerventilelement (10) zum Öffnen und Schließen einer Verbindungsöffnung (26) mit einem ersten Dichtsitz (32) zusammenwirkt und so ein Vorsteuerventil (105) ausbildet, wobei die Ventilvorrichtung (2) eine Magnet spule (5) umfasst, durch welche Magnetspule (5) das Vorsteuerventilelement (10) entlang der Längsachse (101) bewegbar ist, wobei in dem Ventilgehäuse (200) ein Hauptventilelement (34) angeordnet ist, welches Hauptventilelement (34) zum Öffnen und Schließen einer Hauptöffnung (28) mit einem zweiten Dicht sitz (36) zusammenwirkt und so ein Hauptventil (340) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventilelement (34) Querbohrungen (341, 343) auf weist und das Vorsteuerventilelement (10) Querbohrungen (106, 107) aufweist, welche Querbohrungen (106, 107) des Vorsteuerventilelements (10) in die Quer bohrungen (341, 343) des Hauptventilelements (34) münden, wobei in eine der Querbohrungen (106) des Vorsteuerventilelements (10) und in eine der Querboh rungen (341) des Hauptventilelements (34) ein Mitnehmerelement (18) angeord net ist.
2. Ventilvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitnehmerelement (18) stiftförmig ausgebildet ist.
3. Ventilvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitnehmerelement (34) mehrteilig ausgebildet ist und zwei Kugeln (180) auf weist.
4. Ventilvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mitnehmerelement (18) im Querschnitt elliptisch (500) oder kreiszylinderför mig (600) oder polygonisch (700) ausgebildet ist.
5. Ventilvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventilelement (10) ein kuppenförmi- ges Ende (22) aufweist, welches kuppenförmiges Ende (22) in einem kuppenför migen Raum (343) angeordnet ist, wobei der kuppenförmige Raum (343) von dem Hauptventilelement (34) und dem Mitnehmerelement (18) begrenzt wird.
6. Ventilvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ventilvorrichtung (2) ein Steuerraum (40) ausgebildet ist, in welchem Steuerraum (40) das Hauptventilelement (34) ange ordnet ist und in welchem Steuerraum (40) eine Feder (20) angeordnet ist, wel che Feder (20) das Hauptventilelement (34) mit einer Kraft in Richtung des Vor steuerventilelements (10) beaufschlagt.
7. Ventilvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventilelement (10) eine Öffnung (12) aufweist, in welcher Öffnung (12) eine Feder (4) angeordnet ist, welche Fe der (4) das Vorsteuerventilelement (10) mit einer Kraft in Richtung des ersten Dichtsitzes (32) und welche Feder (4) das Hauptventilelement (34) mit einer Kraft in Richtung des zweiten Dichtsitzes (36) beaufschlagt.
8. Ventilvorrichtung (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Öffnung (12) in die Querbohrungen (106, 107) des Vor steuerventilelements (10) mündet und das Mitnehmerelement (18) zumindest teil weise in der Öffnung (12) angeordnet ist.
9. Ventilvorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsöffnung (26) eine Drossel (24) in Form einer Verengung der Verbindungsöffnung (26) angeordnet ist und die Verbindungsöffnung (26) in eine in dem Ventilgehäuse (200) ausgebildete Haup töffnung (28) mündet, wobei die Verbindungsöffnung (26) und die Hauptöffnung (28) zylinderförmig ausgebildet sind und ein Durchmesser der Hauptöffnung (28) größer ist als ein Durchmesser der Verbindungsöffnung (26).
10. Tankvorrichtung (1) zur Speicherung eines gasförmigen Mediums, ins besondere Wasserstoff, mit einem Tankinnenraum (8) und einer Ventilvorrich tung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Tankinnenraum (8) mittels der Ventilvorrichtung (2) und mittels einer Zulaufleitung (30) mit einem Anodenbereich (53) eines Brennstoffzellensystems verbindbar ist.
11. Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Ventilvorrichtung (2) einen Ventilgehäusetopf (201) auf weist, welcher Ventilgehäusetopf (201) fest mit dem Ventilgehäuse (101) verbun den ist und welcher Ventilgehäusetopf (201) in einem Halsbereich (46) der Tank vorrichtung (1) angeordnet und gegen einen Tankboden (45) innerhalb des Hals bereichs (46) gepresst ist.
12. Tankvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass in dem Tankboden (45) und in dem Ventilgehäusetopf (201) eine Durchgangsöffnung (47) ausgebildet ist, welche Durchgangsöffnung (47) in die Öffnung (12) des Vorsteuerventilelements (10) mündet.
13. Tankvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Tankinnenraum (8) mittels der Ventilvorrich tung (2) und mittels der Zulaufleitung (30) mit einer Tankstelle (54) verbindbar ist.
14. Brennstoffzellensystem mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 13.
15. Brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug mit einer Tankvorrichtung (1) zur Speicherung von Wasserstoff für den Betrieb einer Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 10 bis 13.
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