WO2022184694A1 - Wasserstoffventil - Google Patents

Wasserstoffventil Download PDF

Info

Publication number
WO2022184694A1
WO2022184694A1 PCT/EP2022/055112 EP2022055112W WO2022184694A1 WO 2022184694 A1 WO2022184694 A1 WO 2022184694A1 EP 2022055112 W EP2022055112 W EP 2022055112W WO 2022184694 A1 WO2022184694 A1 WO 2022184694A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
valve
pilot
hydrogen
main body
main
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/055112
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dietmar Schulze
Mario WITOPIL
Christian Faltinath
Christopher DEJOK
Original Assignee
ECO Holding 1 GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102021104830.3A external-priority patent/DE102021104830A1/de
Application filed by ECO Holding 1 GmbH filed Critical ECO Holding 1 GmbH
Priority to US18/274,546 priority Critical patent/US20240084918A1/en
Priority to DE112022000516.5T priority patent/DE112022000516A5/de
Priority to CN202280018323.6A priority patent/CN117255908A/zh
Publication of WO2022184694A1 publication Critical patent/WO2022184694A1/de

Links

Classifications

    • 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
    • F16K31/00—Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/12—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid
    • F16K31/36—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor
    • F16K31/40—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor with electrically-actuated member in the discharge of the motor
    • F16K31/406—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor with electrically-actuated member in the discharge of the motor acting on a piston
    • F16K31/408—Actuating devices; Operating means; Releasing devices actuated by fluid in which fluid from the circuit is constantly supplied to the fluid motor with electrically-actuated member in the discharge of the motor acting on a piston the discharge being effected through the piston and being blockable by an electrically-actuated member making contact with the piston
    • 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
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • 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 hydrogen valve comprising a valve housing with a fluid inlet and a fluid outlet, a valve main body which moves between an open position, in which a volumetric flow connection is established between the fluid inlet and the fluid outlet, and a closed position, in which the valve main body is in a main sealing seat fixed to the housing is arranged and the volume flow connection between the fluid inlet and the fluid outlet is closed, is designed to be transferrable.
  • the hydrogen valve also includes a pilot valve device with a pilot body.
  • hydrogen is an alternative to conventional fuels. Due to the use of hydrogen in vehicles, the necessary valves in such fuel cell systems are exposed to extreme environmental conditions and must function absolutely reliably, not least because hydrogen is usually used as a gaseous fuel. A hydrogen valve must close reliably in every situation, be leak-proof and be able to work as energy-efficiently as possible in continuous operation.
  • the object of the invention is to create a hydrogen valve which belongs to the technical field mentioned at the outset and which at least partially overcomes the disadvantages of the prior art.
  • the hydrogen valve includes a valve housing with a fluid inlet and a fluid outlet.
  • the hydrogen valve comprises a valve main body, which is arranged between an open position, in which a volume flow connection is established between the fluid inlet and the fluid outlet, and a closed position, in which the valve main body is arranged in a main sealing seat fixed to the housing and the volume flow connection between the fluid inlet and the fluid outlet is closed, is designed to be transferrable.
  • this includes
  • Hydrogen valve is a pilot valve device with a pilot body which, by means of an actuator, moves between an open position, in which a throttle bore is cleared through the valve main body and connects the fluid inlet and the fluid outlet, and a closed position, in which the pilot body is seated in a pilot valve seat arranged on the valve main body rests against and closes the throttle bore, is designed to be transferrable.
  • the pilot valve device advantageously establishes a volume flow connection via the throttle bore between the fluid inlet and the fluid outlet before the main valve body is switched.
  • the pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet is reduced, as a result of which a steep rise in pressure at the fluid outlet is effectively avoided. Only in the next step will the Valve main body switched, whereby a direct flow connection between fluid inlet and fluid outlet is made.
  • the hydrogen valve according to the invention combines two valves in one housing, with only the pilot valve device being actuated by the actuator.
  • the actuator only has to actuate the pilot valve device with little effort and thus open the throttle bore.
  • the valve main body opens automatically when a certain pressure difference is reached, with the actuator no longer having to perform any additional actuation of the valve main body.
  • the hydrogen valve according to the invention reduces the number of components, the installation space and the amount of electricity required to operate the hydrogen valve.
  • the main valve body has a receptacle for the pilot body and for an energy accumulator, the pilot control body being transferrable by an actuator against a restoring force of the energy accumulator into the open position in order to release the throttle bore.
  • the pilot body By operating the actuator, the pilot body is pushed against the restoring force of the force accumulator into the receptacle in the form of a cage, which opens the throttle bore. By flowing through the throttle bore, the pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet is continuously reduced. If the fluid pressure difference falls below a certain level, the restoring force of the energy accumulator is sufficient to open the main valve body against the fluid pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet.
  • the transfer of the main valve body from the closed position to the open position takes place exclusively by the restoring force of the energy accumulator.
  • the actuator remains in its position and does not travel any further distance to allow movement of the valve main body. This achieves the further technical advantage, for example, that the valve main body can be opened independently of the voltage. Overall, the pilot body is opened electrically and the valve main body is opened mechanically.
  • the pressure difference is less than 5 bar.
  • the pressure difference is in an interval between 1 bar and 4 bar.
  • the receptacle is designed in the form of a cylindrical cage.
  • the recording assumes the function of an abutment for the force accumulator.
  • the seat is firmly connected to the main valve body, which is why the restoring force of the energy accumulator acts on the main valve body via the seat and moves it into the open position.
  • the actuator has an electrically actuable magnet armature, which is arranged inside the valve housing.
  • an actuator in connection with a magnet armature is expedient, especially when dealing with hydrogen, because the movement of the magnet armature also is ensured by a closed valve housing and leakages of hydrogen during operation can be reduced as far as possible.
  • the pilot body is designed to be connected to the magnet armature, with an axial movement of the magnet armature being directly convertible into an axial movement of the pilot body.
  • This also achieves the technical advantage that the actuator can only actuate the pilot valve.
  • the main valve body cannot be actuated directly, since this is only actuated by the restoring force of the energy store when the pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet falls below a certain level.
  • the hydrogen valve includes a first spring element, which is designed to move the main valve body into the closed position.
  • the first spring element is preferably designed as a compression spring and is supported relative to the valve housing. This achieves the technical advantage, for example, that the valve main body is always transferred to the closed position when the hydrogen valve is in the currentless state.
  • the technical advantage is achieved, for example, that the valve main body is also held in the closed position against accidental accelerations occurring during operation. This can occur irregularly, for example, when the motor vehicle is in operation.
  • the first spring element can compensate for accelerations of up to 15 g. 15 g corresponds to fifteen times the normal acceleration due to gravity.
  • the restoring force of the energy accumulator must be greater than the sum of the compressive force of the first spring element on the main valve body and the pressure difference between fluid inlet P and fluid outlet A.
  • the first spring element is preferably arranged coaxially with the receptacle. This achieves the technical advantage, for example, that a particularly compact arrangement of the first spring element is possible.
  • the first spring element can be guided by the cylindrical body of the receptacle, as a result of which the functional reliability of the hydrogen valve is additionally increased.
  • the hydrogen valve includes a second spring element, which is designed to move the pilot control body into the closed position.
  • a second spring element which is designed to move the pilot control body into the closed position.
  • the second spring element is arranged on a side of the magnet armature facing away from the pilot control body. This also achieves the technical advantage that the second spring element can be designed as a simple compression spring, with the restoring force of the second spring element acting directly on the magnet armature and thus directly on the pilot control body. There is thus a mechanically reliable force which transfers the pilot control body to the closed position.
  • the hydrogen valve is considerably easier to assemble.
  • the main sealing seat has a circumferential first contour edge and a circumferential second contour edge, the first Contour edge is in contact with a sealing element of the valve main body in the closed position and the second contour edge is designed as a stop for the valve main body relative to the main sealing seat.
  • the first contour edge can, for example, be formed with sharp edges and the sealing element on the valve main body can be formed as a soft elastomer. In the closed state, the sharp-edged first contour edge engages in the soft elastomer of the sealing element, as a result of which a high sealing effect can be achieved.
  • the second contour edge serves as a stop between the main valve body and the main sealing seat.
  • the second contour edge can, for example, produce direct contact between the main valve body and the main sealing seat next to the sealing element, as a result of which the depth of penetration of the first contour edge into the sealing element can be precisely determined.
  • the hydrogen valve includes a pole tube for guiding the electrically actuable magnet armature, with an extension of the pole tube being formed for guiding the main valve body between the closed and the open position.
  • the pole tube includes an extended portion which serves as a valve sleeve and guides the valve main body.
  • the pole tube is made of magnetizable high-grade steel.
  • the object is achieved by a hydrogen valve according to one of the above embodiments in a fuel cell arrangement for controlling a hydrogen supply to a fuel cell.
  • the pilot valve device can be used to establish a volume flow connection via the throttle bore between the fluid inlet and the fluid outlet before switching the main valve body, thereby reducing the pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet and effectively avoiding a steep pressure increase at the fluid outlet.
  • valve main body opens automatically when a certain pressure difference is reached, with the actuator no longer having to perform any additional actuation of the valve main body. The number of components, the installation space and the power consumption for operating the hydrogen valve and thus the fuel cell are reduced.
  • the object is achieved by a method for controlling a hydrogen valve according to one of the above embodiments.
  • the method includes the steps of moving the pilot body to an open position and releasing the throttle bore by energizing the actuator to reduce a pressure difference between the fluid inlet and fluid outlet, and moving the valve main body to an open position to create a gap between the fluid inlet and the fluid outlet Establish volume flow connection when a certain pressure difference between fluid inlet and fluid outlet is reached.
  • This achieves advantages comparable to those in the previous embodiments.
  • the sequence of the individual process steps is particularly advantageous. First, the pilot control body is moved to the open position by energizing the actuator.
  • the main valve body establishes a volume flow connection via the throttle bore between the fluid inlet and the fluid outlet, which reduces the pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet, as a result of which a steep rise in pressure at the fluid outlet is effectively avoided.
  • the valve main body switched, whereby a direct volume flow connection is established between the fluid inlet and the fluid outlet.
  • the pilot control body is moved into an open position against a restoring force of an energy store, and the valve main body is moved into an open position by the relaxation of the energy store.
  • the main valve body is not moved by an additional movement of the actuator but by the restoring force of the energy accumulator, the restoring force being strong enough above a certain pressure difference to move the main valve body.
  • the actuator must therefore only be actuated with little effort and a small distance in order to transfer the pilot valve device, which is possible with a greatly reduced effort and thus also with minimal on-board voltage.
  • the pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet is continuously reduced. If the fluid pressure difference falls below a certain level, the restoring force of the energy accumulator is sufficient to open the main valve body against the fluid pressure difference between the fluid inlet and the fluid outlet. In this case, the transfer of the valve main body from the closed position to the open position takes place exclusively by the restoring force of the energy accumulator.
  • the actuator remains in its position and does not travel any further distance to allow movement of the valve main body.
  • the main valve body can thus be opened independently of the voltage, as a result of which the pilot control body is opened electrically and the main valve body is opened mechanically.
  • the pilot control body when the actuator is energized with a minimum current, the pilot control body is immediately and completely transferred to an open end position, and the main valve body is transferred to an open position immediately thereafter when a certain pressure difference between fluid inlet and fluid outlet is reached.
  • This achieves the technical advantage, for example, that the magnet armature is moved directly into the end position when the minimum current intensity is reached, as a result of which an opening behavior of the main valve body is achieved which is independent of the supply voltage.
  • only the minimum current is necessary to ensure full functioning of the hydrogen valve. If the on-board voltage in a motor vehicle is 12 V, for example, then it is not absolutely necessary for this on-board voltage to prevail for the hydrogen valve to function. For example, the minimum current is 8.5 V. This ensures that the hydrogen valve can operate even if the battery voltage is low.
  • the invention relates to a pneumatic valve for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, having a housing with at least one inlet and one outlet, a main piston which forms a main stage with a main sealing seat in the housing and for opening and closing a direct Volume flow connection between the inlet and the outlet is arranged in a housing bore so as to be axially displaceable along a longitudinal axis, and a pilot piston, which forms a pilot stage with a pilot sealing seat on or in the main piston, the pilot piston having an actuator for opening or closing a throttle bore in the
  • the main piston is operatively connected, the input being able to be connected indirectly to the output via the main piston by means of the throttle bore, the main and pilot stages being closed when the pneumatic valve is de-energized.
  • the pilot stage advantageously enables a volume flow connection of the inlet and outlet via the throttle bore and thus a reduction in the pressure difference between the inlet and outlet. In this way, a steep rise in pressure at the outlet can be effectively avoided.
  • a direct volumetric flow connection between the inlet and outlet is only established when the main stage is opened.
  • the pneumatic valve according to the invention combines two valves in one Housing that this force and / or pressure can be adjusted via an actuator. The number of components, installation space and costs can be reduced in a targeted manner.
  • the object is achieved by a method for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen, in a fuel cell arrangement by means of a pneumatic valve in which the main stage and the pilot stage are closed when the actuator is de-energized, and the pilot stage is closed when the actuator is energized constantly.
  • stage is open, so that the pressure difference between the inlet and outlet decreases or pressure is equalized via the throttle bore in the main piston, the main stage opens as soon as the pressure difference between the inlet and outlet falls below a predetermined switching pressure when a switching threshold is reached, with the Main piston is moved against the closing force in an open position and the main stage remains closed as long as the pressure difference between the input and output is above the predetermined switching pressure.
  • the opening of the pilot stage advantageously allows a volume flow connection of the inlet and outlet via the throttle bore and thus a reduction in the pressure difference between the inlet and outlet. In this way, a steep rise in pressure at the outlet can be effectively avoided.
  • a direct flow connection between the inlet and outlet via the main stage is only established when the main stage is opened at a pressure difference below the predetermined switching pressure.
  • a pneumatic valve within the meaning of this invention can therefore also be understood as a hydrogen valve, since it must be suitable for this purpose.
  • a housing within the meaning of this invention can also be referred to as a valve housing, with a pilot stage also being referred to as a pilot valve device.
  • FIG. 2 shows the longitudinal section of the pneumatic valve according to FIG. 1 with the pilot stage open
  • FIG. 3 shows the longitudinal section of the pneumatic valve according to FIG. 1 with the pilot and main stages open;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an exemplary embodiment of the hydrogen valve of the present invention.
  • valve main body including a pilot valve device
  • Fig. 6 is a cross-sectional view of another exemplary embodiment of the hydrogen valve of the present invention.
  • valve main body 7 is an enlarged cross-sectional view of another valve main body including a pilot valve device.
  • the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a pneumatic valve 1 according to the invention in a closed position, which is provided for controlling a gaseous medium, in particular hydrogen. It comprises a housing 2 with at least one input P and one output A, the input P and the output A being designed as housing bores, to which lines a
  • Fuel cell assembly can be connected.
  • a main piston 3 for opening and closing a direct volume flow connection between the input P and the output A is arranged in the housing 2 and is axially displaceable in a housing bore 5 along a longitudinal axis L of the pneumatic valve 1 forms a main stage with a main sealing seat 4 in the housing 2 .
  • the main stage opens and closes the direct volume connection of the housing bores of inlet P and outlet A.
  • the main piston 3 rests against the main sealing seat 4 .
  • the main piston 3 has a peripheral sealing element 16 on its end face, which can be placed against the main seat 4 . This can be arranged in a circumferential groove on the end face of the main piston 3 .
  • the main sealing seat 4 is designed as a peripheral projection.
  • the pneumatic valve 1 has a pilot stage, which includes a pilot piston 6 and a pilot sealing seat 7 .
  • the pilot sealing seat 7 is arranged on or in the main piston 3 .
  • the pilot piston 6 has a disk-shaped sealing element 17 which can be placed in a sealing manner against the pilot sealing seat 7 designed as a peripheral projection and thus closes the pilot stage.
  • the pilot piston 7 is operatively connected to an actuator 8 for opening or closing a throttle bore 9 in the main piston 3 .
  • the inlet P can be connected to the outlet A indirectly via the main piston 3 by means of the throttle bore 9 .
  • the actuator 9 is provided as an electromagnetic actuator which has an armature 10 which is operatively connected to the pilot piston 6 and which is arranged coaxially with the housing 2 . Furthermore, the armature 10 is movably accommodated in the actuator housing 13 of the actuator 8 with the aid of the magnetic coil 18 surrounding the armature 10 , which encloses the magnetic coil 18 on an outer circumference and on at least one end face remote from the housing 2 .
  • the actuator 8 also has a pole cap 19 which is arranged in the interior of the actuator housing 13 and which comprises a pole core 20 and a pole tube 21 in axial succession in the direction of the end face of the magnetic coil 18 . Pole core 20 and pole tube 21 are connected in one piece by a connecting web 22 . Coaxial errors can thus be ruled out.
  • the armature 10 can be slidably mounted in a film structure arranged in the interior 23 (also called the armature space). Alternatively, the armature 10 can be coated. A foil structure or coating is used for the magnetic separation of armature 10 and pole cap 19, which reduces the transverse magnetic forces.
  • the pole tube 21 is closed in one piece on the front side facing away from the housing 2, with a separate cover plate also being possible.
  • the actuator housing 13 is attached to the housing 2 in a further sealed manner.
  • the main piston 3 and the pilot piston 6 can each be pushed into a closed position by means of spring means, in which the main stage or the pilot stage are closed and no volume flow connection between inlet P and outlet A is possible.
  • Compression springs 11, 12 are provided as spring means, with a first compression spring 11, which can act on the main piston 3, between the main piston 3 and the housing 2, and a second compression spring 12, which can act on the pilot piston 6, between the armature 10 and the pilot piston 6 or between the Armature 10 and an actuator housing 13 and a pole cap 14 are arranged.
  • the second compression spring 12 or its ends are each guided in recesses 24 or 25 of the pole cap 14 or of the armature 10, so that buckling of the compression spring 12 can be ruled out.
  • the first compression spring 11 can bear against a stop 26 fixed in the housing 2 .
  • the gaseous medium, in particular hydrogen, of the fuel cell arrangement is controlled by means of the pneumatic valve 1.
  • the actuator 8 When the actuator 8 is de-energized, the main stage and the pilot stage are closed by the spring force of the compression springs 11, 12 and/or the compressive force of the medium pressure present at the input P.
  • the pressure of the medium at outlet A is lower and there is a pressure difference between P and A.
  • the stop 15 is attached to the main piston 3 and forms a stroke limitation for the pilot piston 6.
  • the pilot stage When the actuator 8 is supplied with constant current, the pilot stage is first opened in that the actuator 8 pulls the pilot piston 6 into its open position and the pilot piston 6 is lifted from its pilot sealing seat 7 .
  • This position of the pneumatic valve 1 is shown in FIG.
  • the pressure difference between input P and Output A decreases because pressure is equalized via openings 27 and 28 and throttle bore 9 in main piston 3 .
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of an exemplary embodiment of the hydrogen valve 100 according to the invention.
  • the hydrogen valve 100 comprises a valve housing 102 with a fluid inlet P and a fluid outlet A.
  • valve housing 102 In the valve housing 102 is a valve main body 103.
  • the valve main body 103 is in contact with a housing-fixed Main sealing seat 104 whereby a volume flow connection between the fluid inlet P and the fluid outlet A is closed.
  • a volume flow connection between the fluid inlet P and the fluid outlet A is closed.
  • fluid can flow into the space behind the valve main body 103 only through a fluid inflow opening 125 .
  • the same fluid pressure prevails behind the main valve body 103 as is present at the fluid inlet P.
  • the fluid pressure P presses the main valve body 103 into the main sealing seat 104 fixed to the housing.
  • the valve main body 103 is designed to be displaceable between the closed position, in which it is in contact with the main sealing seat 104 fixed to the housing, and an open position, in which the valve main body 103 is spaced apart from the main sealing seat 104 . In the open position between the fluid inlet P and a maximum volume flow is established at the fluid outlet A.
  • the hydrogen valve 100 comprises a pilot valve device 105 with a pilot body 106 which is arranged behind the valve main body 103 and closes or opens a throttle bore 109 through the valve main body 103 .
  • the pilot body 106 can be transferred directly between an open position, in which a throttle bore 109 opens, and a closed position, in which the pilot body 106 rests against a pilot valve seat 107 and the throttle bore 109 closes.
  • the release of the throttle bore 109 establishes a fluid connection with a very small cross section between the fluid inlet P and the fluid outlet A, as a result of which fluid equalization and thus pressure equalization between the fluid inlet P and the fluid outlet A is made possible.
  • This enables continuous pressure equalization via the throttle bore 109, as a result of which the fluid pressure P, which presses the main valve body 103 into the main sealing seat 104 fixed to the housing, is continuously reduced.
  • the pilot control body 106 is moved into the open position by actuating the actuator 108, the pilot control body 106 being pushed into a cylindrical receptacle 120 against the restoring force of an energy accumulator 112, thereby releasing the throttle bore 109. Due to the retention of the pilot control body 106, the restoring force of the energy store 112 remains in the form of a compression spring, while the fluid pressure P, which presses the main valve body 103 into the main sealing seat 104 fixed to the housing, is continuously reduced due to the pressure equalization via the throttle bore 109. If the armature 1 10 of the actuator 108 remains unchanged in its position, the restoring force of the energy accumulator 1 12 opposes the pressing force of the fluid pressure P on the valve main body 103 .
  • the pressure difference between the fluid inlet P and the fluid outlet A is reduced in such a way that the restoring force of the energy accumulator 112 exceeds the fluid force on the valve main body 103 caused by the pressure difference. Consequently, the valve main body 103 is released from the housing-fixed main sealing seat 104 and is transferred to the open position. In the open position, a volumetric flow is established between the fluid inlet P and the fluid outlet A. The pressure difference between fluid inlet P and fluid outlet A was thus reduced in the first step by the throttle bore, and a steeper one Pressure increase at fluid outlet A is avoided.
  • a first spring element 1 1 1 is arranged coaxially to the cylindrical receptacle 120 and serves to transfer the valve main body 103 into the closed position.
  • Figure 5 shows an enlarged cross-sectional view of a main valve body 103 including the pilot valve device 105.
  • the main sealing seat 104 has a circumferential first contour edge 140 and a circumferential second contour edge 142 on a side facing the valve main body 103.
  • the first contour edge 140 and the second contour edge 142 run in a circumferential direction around the main sealing seat 104 parallel to each other.
  • the first contour edge 140 is arranged radially on the inside and the second contour edge 142 is arranged radially on the outside.
  • the first contour edge 140 is arranged in correspondence with a sealing element 132 of the valve main body 103 .
  • first contour edge 140 of the main sealing seat 104 and the sealing element 132 of the valve main body 103 meet in direct contact with each other in the closed state.
  • the second contour edge 142 is in direct contact as a stop with the valve main body 103 in the closed state, whereby a defined minimum distance between the main sealing seat 104 and the valve main body 103 is achieved in the closed position, which enables an optimum between tightness and wear on the sealing element 132.
  • the magnet armature 110 and the valve main body 103 are mounted within a pole tube 144 .
  • the pole tube 144 is formed in one piece and preferably made of magnetizable stainless steel, and serves both the magnet armature 1 10 and the valve main body 103 as a guide from the fully open to the fully closed position. There is no repeated description of identical features.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of another exemplary embodiment of the hydrogen valve 100 according to the invention.
  • the hydrogen valve 100 has a second spring valve 130.
  • the second spring valve 130 is used to transfer the pilot body 106 to the closed position Position.
  • the second spring element 130 is located on a side of the magnet armature 110 facing away from the pilot control body 106 and is supported against a wall of the valve housing 102 .
  • the hydrogen valve 100 is de-energized, the second spring element 130 acts on the magnet armature 110 and thus directly on the pilot control body 106, as a result of which the pilot control body 106 is transferred to the closed position.
  • the pilot body 106 In the closed position, the pilot body 106 is in contact with the pilot valve seat 107 and thereby closes the throttle bore 109.
  • Figure 7 shows an enlarged cross-sectional view of another valve main body 103 including a pilot valve device 105.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Magnetically Actuated Valves (AREA)
  • Fluid-Driven Valves (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffventil (100) mit einem Ventilgehäuse (102) mit einem Fluideingang (P) und einem Fluidausgang (A), einem Ventilhauptkörper (103), welcher zwischen einer geöffneten Position, in der zwischen dem Fluideingang (P) und dem Fluidausgang (A) eine Volumenstromverbindung hergestellt ist, und einer geschlossenen Position, in welcher der Ventilhauptkörper (103) in einem gehäusefesten Hauptdichtsitz (104) angeordnet ist und die Volumenstromverbindung zwischen dem Fluideingang (P) und dem Fluidausgang (A) verschlossen ist, überführbar ausgebildet ist, eine Vorsteuerventileinrichtung (150) mit einem Vorsteuerkörper (106), welcher mittels eines Aktuators (108) zwischen einer geöffneten Position, in welcher eine Drosselbohrung (109) durch den Ventilhauptkörper (103) hindurch freigegeben ist und den Fluideingang (P) und den Fluidausgang (A) miteinander verbindet, und einer geschlossenen Position, in welcher der Vorsteuerkörper (106) in einem am Ventilhauptkörper (103) angeordneten Vorsteuerventilsitz (107) anliegt und die Drosselbohrung (109) verschliesst, überführbar ausgebildet ist.

Description

Wasserstoffventil
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffventil umfassend ein Ventilgehäuse mit einem Fluideingang und einem Fluidausgang, einen Ventilhauptkörper, welcher zwischen einer geöffneten Position, in der zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang eine Volumenstromverbindung hergestellt ist, und einer geschlossenen Position, in welcher der Ventilhauptkörper in einem gehäusefesten Hauptdichtsitz angeordnet ist und die Volumenstromverbindung zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang verschlossen ist, überführbar ausgebildet ist. Das Wasserstoffventil umfasst ferner eine Vorsteuerventileinrichtung mit einem Vorsteuerkörper.
Stand der Technik
Im Bereich der Fahrzeugentwicklung ist Wasserstoff eine Alternative zu den herkömmlichen Kraftstoffen. Durch den Einsatz von Wasserstoff in Fahrzeugen, sind die notwendigen Ventile in solchen Brennstoffzellen-Systemen extremen Umweltbedingungen ausgesetzt und müssen dabei jeweils absolut zuverlässig funktionieren, nicht zuletzt deshalb, weil hierbei üblicherweise Wasserstoff als gasförmiger Brennstoff zum Einsatz kommt. Ein Wasserstoffventil muss in jeder Situation sicher schließen, dicht sein und im Dauerbetrieb möglichst energieeffizient arbeiten können.
Werden zur Steuerung der Wasserstoffgasströme herkömmliche Schaltventile mit zwei Schaltzuständen eingesetzt, haben diese den Nachteil, dass der Übergang zwischen den beiden Schaltzuständen zu schnell erfolgen kann und es zu einem steilen Druckanstieg am Ausgang des Ventils kommt. Dieser steile Druckanstieg kann zu einer Druckwellen- Ausbreitung im nachfolgenden Kreislauf führen.
Darstellung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörendes Wasserstoffventil zu schaffen, welches die Nachteile aus dem Stand der Technik zumindest teilweise überwindet.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäß der Erfindung umfasst das Wasserstoffventil ein Ventilgehäuse mit einem Fluideingang und einem Fluidausgang. Zusätzlich umfasst das Wasserstoffventil einen Ventilhauptkörper, welcher zwischen einer geöffneten Position, in der zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang eine Volumenstromverbindung hergestellt ist, und einer geschlossenen Position, in welcher der Ventilhauptkörper in einem gehäusefesten Hauptdichtsitz angeordnet ist und die Volumenstromverbindung zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang verschlossen ist, überführbar ausgebildet ist. Zudem umfasst das
Wasserstoffventil eine Vorsteuerventileinrichtung mit einem Vorsteuerkörper, welcher mittels eines Aktuators zwischen einer geöffneten Position, in welcher eine Drosselbohrung durch den Ventilhauptkörper hindurch freigegeben ist und den Fluideingang und den Fluidausgang miteinander verbindet, und einer geschlossenen Position, in welcher der Vorsteuerkörper in einem am Ventilhauptkörper angeordneten Vorsteuerventilsitz anliegt und die Drosselbohrung verschließt, überführbar ausgebildet ist.
Durch die Vorsteuerventileinrichtung wird vorteilhafterweise vor dem Schalten des Ventilhauptkörpers eine Volumenstromverbindung über die Drosselbohrung zwischen Fluideingang und Fluidausgang hergestellt. Dadurch wird die Druckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang verringert, wodurch ein steiler Druckanstieg am Fluidausgang wirkungsvoll vermieden wird. Erst im nachfolgenden Schritt wird der Ventilhauptkörper geschaltet, wodurch eine direkte Volumenstromverbindung zwischen Fluideingang und Fluidausgang hergestellt wird.
Ein weiterer Vorteil wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das erfindungsgemäße Wasserstoffventil zwei Ventile in einem Gehäuse vereint, wobei durch den Aktuator lediglich die Vorsteuerventileinrichtung betätigt wird. Mit anderen Worten muss der Aktuator lediglich mit kleinem Kraftaufwand die Vorsteuerventileinrichtung betätigen und damit die Drosselbohrung öffnen. Der Ventilhauptkörper öffnet sich automatisch, wenn eine bestimmte Druckdifferenz erreicht ist, wobei der Aktuator keine zusätzliche Betätigung des Ventilhauptkörpers mehr vollziehen muss. Insgesamt werden durch das erfindungsgemäße Wasserstoffventil die Anzahl der Bauteile, der Bauraum und der Stromaufwand zum Betreiben des Wasserstoffventils reduziert.
Ferner wird die Aufgabe durch die Vorrichtung gemäß dem Anspruch 13 und dem Verfahren gemäß dem Anspruch 14 gelöst. Die erfindungsgemäßen Vorteile der Ansprüche 13 und 14 sind mit denjenigen des unabhängigen Anspruchs 1 vergleichbar.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist der Ventilhauptkörper eine Aufnahme für den Vorsteuerkörper und für einen Kraftspeicher auf, wobei der Vorsteuerkörper durch einen Aktuator gegen eine Rückstellkraft des Kraftspeichers in die geöffnete Position überführbar ist um die Drosselbohrung freizugeben. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass zum Betätigen des Ventilhauptkörpers lediglich der Vorsteuerkörper betätigt werden muss. Der Aktuator muss lediglich den Vorsteuerkörper betätigen, was mit einem stark reduzierten Kraftaufwand und damit auch bei minimaler Bordspannung möglich ist. Vor dem Öffnen der Drosselbohrung liegt fluideingangsseitig ein hoher Druck an, welcher den Ventilhauptkörper in seine geschlossene in Richtung des gehäusefesten Flauptdichtsitzes drückt. Durch Betätigen des Aktuators wird der Vorsteuerkörper gegen die Rückstellkraft des Kraftspeichers in die Aufnahme in Form eines Käfigs gedrängt, wodurch sich die Drosselbohrung öffnet. Durch das Durchströmen der Drosselbohrung wird die Druckdifferenz zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang kontinuierlich reduziert. Bei der Unterschreitung einer bestimmten Fluiddruckdifferenz reicht die Rückstellkraft des Kraftspeichers aus, um den Ventilhauptkörper gegen die Fluiddruckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang zu öffnen. Hierbei erfolgt die Überführung des Ventilhauptkörpers von der geschlossenen Position in die geöffnete Position ausschließlich durch die Rückstellkraft des Kraftspeichers. Der Aktuator verbleibt in seiner Position und legt keine weitere Wegstrecke zurück um die Bewegung des Ventilhauptkörpers zu ermöglichen. Dadurch wird beispielsweise der weitere technische Vorteil erreicht, dass das Öffnen des Ventilhauptkörpers spannungsunabhängig erfolgen kann. Insgesamt erfolgen die Öffnung des Vorsteuerkörpers elektrisch und die Öffnung des Ventilhauptkörpers mechanisch.
Beispielsweise beträgt die Druckdifferenz weniger als 5 bar. Beispielsweise liegt die Druckdifferenz in einem Intervall zwischen 1 bar und 4 bar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahme in Form eines zylindrischen Käfigs ausgebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Vorsteuerkörper bei der Überführung von der geschlossenen Position in die geöffnete Position innerhalb des zylindrischen Käfigs axial geführt wird. Ein Verkannten kann somit trotz hohen Fluiddrucks und starker Kräfte ausgeschlossen werden. Zusätzlich übernimmt die Aufnahme die Funktion eines Widerlagers für den Kraftspeicher. Die Aufnahme ist fest mit dem Ventilhauptkörper verbunden, weshalb die Rückstellkraft des Kraftspeichers über die Aufnahme auf den Ventilhauptkörper wirkt und diesen in die geöffnete Position überführt.
Nach einer besonderen Ausführungsform weist der Aktuator einen elektrisch betätigbaren Magnetanker auf, welcher innerhalb des Ventilgehäuses angeordnet ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass auf bewährte technische Lösungen zurückgegriffen werden kann. Gerade im Umgang mit Wasserstoff ist eine Aktuator in Verbindung mit einem Magnetanker zielführend, weil die Bewegung des Magnetankers auch durch ein verschlossenes Ventilgehäuse sichergestellt ist und Leckagen des Wasserstoffs im Betrieb weitestgehend reduziert werden können.
Um eine möglichst präzise Steuerung des Vorsteuerkörpers unabhängig vom Ventilhauptkörper sicherzustellen, ist der Vorsteuerkörper mit dem Magnetanker verbunden ausgebildet, wobei eine axiale Bewegung des Magnetankers unmittelbar in eine axiale Bewegung des Vorsteuerkörpers überführbar. Dadurch wird zusätzlich der technische Vorteil erreicht, dass der Aktuator nur das Vorsteuerventil betätigen kann. Nicht unmittelbar betätigt werden kann der Ventilhauptkörper, da dieser erst bei Unterschreiten einer bestimmten Druckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang durch die Rückstellkraft des Kraftspeichers vollzogen wird.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Wasserstoffventil ein erstes Federelement, welches zum Überführen des Ventilhauptkörpers in die geschlossene Position ausgebildet ist. Vorzugsweise ist das erste Federelement als Druckfeder ausgebildet und gegenüber dem Ventilgehäuse abgestützt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Ventilhauptkörper im stromlosen Zustand des Wasserstoffventils immer in die geschlossene Position überführt wird. Zusätzlich wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Ventilhauptkörper auch gegen zufällig im Betrieb auftretende Beschleunigungen in der geschlossenen Position gehalten wird. Dies kann beispielsweise im Betrieb des Kraftfahrzeugs unregelmässig auftreten. Beispielsweise kann das erste Federelement Beschleunigungen von bis zu 15 g kompensieren. 15 g entsprechen dem Fünfzehnfachen der normalen Erdbeschleunigung. Zum Überführen des Ventilhauptkörpers in die geöffnete Position, muss die Rückstellkraft des Kraftspeichers grösser als die Summe der Druckkraft des ersten Federelements auf den Ventilhauptkörper und der Druckdifferenz zwischen Fluideingang P und Fluidausgang A sein. Vorzugsweise ist das erste Federelement koaxial zur Aufnahme angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine besonders kompakte Anordnung des ersten Federelements möglich ist. Zusätzlich kann das erste Federelement von dem zylindrischen Körper der Aufnahme geführt werden, wodurch die funktionale Zuverlässigkeit des Wasserstoffventils zusätzlich erhöht wird.
Nach einer zusätzlichen besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Wasserstoffventil ein zweites Federelement, welches zum Überführen des Vorsteuerkörpers in die geschlossene Position ausgebildet ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Vorsteuerkörper auch in einem stromlosen Zustand des Wasserstoffventils immer wieder in die geschlossene Position überführt wird. Dieser sicherheitsspezifische Aspekt ist primär dem Betrieb mit Wasserstoff geschuldet. Ein weiterer Aspekt liegt in einer Verbesserung des Ansprechverhaltens des Wasserstoffventils, welches nach einer Öffnung auch wesentlich einfacher in die geschlossene Position überführt werden kann.
Um die Montage des Wasserstoffventils zu vereinfachen ist das zweite Federelement auf einer dem Vorsteuerkörper abgewandten Seite des Magnetankers angeordnet. Dadurch wird zusätzlich der technische Vorteil erreicht, dass das zweite Federelement als einfache Druckfeder ausgebildet werden kann, wobei sich die Rückstellkraft des zweiten Federelements unmittelbar auf den Magnetanker und damit unmittelbar auf den Vorsteuerkörper auswirkt. Somit besteht eine mechanisch zuverlässige Kraft, welche den Vorsteuerkörper in die geschlossene Position überführt. Zusätzlich lässt sich das Wasserstoffventil erheblich einfacher montieren.
Um die Dichtwirkung des Ventilhauptkörpers zu verbessern und um gleichzeitig die Einsatzdauer des Wasserstoffventil zu erhöhen weist der Hauptdichtsitz eine umlaufende erste Konturkante und eine umlaufende zweite Konturkante auf, wobei die erste Konturkante mit einem Dichtelement des Ventilhauptkörpers in geschlossener Position in Kontakt steht und die zweite Konturkante als Anschlag für den Ventilhauptkörper gegenüber dem Hauptdichtsitz ausgebildet ist. Die erste Konturkante kann beispielsweise scharfkantig ausgebildet sein und das Dichtelement am Ventilhauptkörper kann als weiches Elastomer ausgebildet sein. Im geschlossenen Zustand greift die scharfkantige erste Konturkante in das weiche Elastomer des Dichtelements ein, wodurch eine hohe Dichtwirkung erzielt werden kann. Um jedoch ein zu tiefes Eingreifen der scharfkantigen ersten Konturkante und damit verbundenen Verschleiss des Dichtelements zu verhindern dient die zweite Konturkante als Anschlag zwischen dem Ventilhauptkörper und dem Hauptdichtsitz. Die zweite Konturkante kann beispielsweise neben dem Dichtelement einen unmittelbaren Kontakt zwischen dem Ventilhauptkörper und dem Hauptdichtsitz hersteilen, wodurch die Eindringtiefe der ersten Konturkante in das Dichtelement präzise bestimmt werden kann.
Gemäß einer zusätzlich vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Wasserstoffventil ein Polrohr zur Führung des elektrisch betätigbaren Magnetankers, wobei eine Verlängerung des Pohlrohrs zur Führung des Ventilhauptkörpers zwischen der geschlossenen und der geöffneten Position ausgebildet ist. Somit umfasst das Polrohr einen verlängerten Abschnitt, welcher als Ventilbuchse dient und den Ventilhauptkörper führt. Dadurch wird zusätzlich der technische Vorteil erreicht, dass die Montage des Wasserstoffventils aufgrund der reduzierten Anzahl an Bauteilen vereinfacht wird.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Polrohr aus magnetisierbarem Edelstahl hergestellt. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Wasserstoffventil nach einer der vorstehenden Ausführungsformen in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle gelöst. Dadurch werden beispielsweise vergleichbare Vorteile wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen erreicht. Insbesondere kann durch die Vorsteuerventileinrichtung vor dem Schalten des Ventilhauptkörpers eine Volumenstromverbindung über die Drosselbohrung zwischen Fluideingang und Fluidausgang hergestellt werden, wodurch die Druckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang verringert wird und ein steiler Druckanstieg am Fluidausgang wirkungsvollvermieden wird. Zusätzlich wird durch den Aktuator lediglich die Vorsteuerventileinrichtung betätigt, wodurch der Aktuator die Vorsteuerventileinrichtung lediglich mit kleinem Kraftaufwand betätigen und damit die Drosselbohrung öffnen muss. Der Ventilhauptkörper öffnet sich automatisch, wenn eine bestimmte Druckdifferenz erreicht ist, wobei der Aktuator keine zusätzliche Betätigung des Ventilhauptkörpers mehr vollziehen muss. Es werden die Anzahl der Bauteile, der Bauraum und der Stromaufwand zum Betreiben des Wasserstoffventils und damit der Brennstoffzelle reduziert.
Nach einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern eines Wasserstoffventils nach einem der vorstehenden Ausführungsformen gelöst. Das Verfahren umfasst die Schritte des Überführens des Vorsteuerkörpers in eine geöffnete Position und Freigabe der Drosselbohrung mittels Bestromen des Aktuators, um eine Druckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang zu reduzieren, und des Überführens des Ventilhauptkörpers in eine geöffnete Position, um zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang eine Volumenstromverbindung herzustellen, wenn eine bestimmte Druckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang erreicht wird. Dadurch werden vergleichbare Vorteile wie in den vorausgehenden Ausführungsformen erreicht. Besonders vorteilhaft ist die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte. Zunächst wird durch das Bestromen des Aktuators des Vorsteuerkörpers in die geöffnete Position überführt. Dadurch wird durch den Ventilhauptkörper eine Volumenstromverbindung über die Drosselbohrung zwischen Fluideingang und Fluidausgang hergestellt, welche die Druckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang verringert, wodurch ein steiler Druckanstieg am Fluidausgang wirkungsvoll vermieden wird. Erst im nachfolgenden Schritt wird der Ventilhauptkörper geschaltet, wodurch eine direkte Volumenstromverbindung zwischen Fluideingang und Fluidausgang hergestellt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Überführen des Vorsteuerkörpers in eine geöffnete Position gegen eine Rückstellkraft eines Kraftspeichers, und das Überführen des Ventilhauptkörpers in eine geöffnete Position erfolgt durch die Entspannung des Kraftspeichers. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Überführen des Ventilhauptkörpers nicht durch eine zusätzliche Bewegung des Aktuators sondern durch die Rückstellkraft des Kraftspeichers erfolgt, wobei die Rückstellkraft ab einem bestimmten Druckunterschied stark genug ist, um den Ventilhauptkörper zu bewegen. Der Aktuator muss also lediglich mit kleinem Kraftaufwand und kleinem Weg betätigt werden um die Vorsteuerventileinrichtung zu überführen, was mit einem stark reduzierten Kraftaufwand und damit auch bei minimaler Bordspannung möglich ist. Vor dem Öffnen der Drosselbohrung liegt fluideingangsseitig ein hoher Druck an, welcher den Ventilhauptkörper in seine geschlossene in Richtung des gehäusefesten Hauptdichtsitzes drückt. Durch Betätigen des Aktuators wird der Vorsteuerkörper gegen die Rückstellkraft des Kraftspeichers bewegt, wodurch sich die Drosselbohrung öffnet. Durch das Durchströmen der Drosselbohrung wird die Druckdifferenz zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang kontinuierlich reduziert. Bei der Unterschreitung einer bestimmten Fluiddruckdifferenz reicht die Rückstellkraft des Kraftspeichers aus, um den Ventilhauptkörper gegen die Fluiddruckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang zu öffnen. Hierbei erfolgt die Überführung des Ventilhauptkörpers von der geschlossenen Position in die geöffnete Position ausschliesslich durch die Rückstellkraft des Kraftspeichers. Der Aktuator verbleibt in seiner Position und legt keine weitere Wegstrecke zurück um die Bewegung des Ventilhauptkörpers zu ermöglichen. Das Öffnen des Ventilhauptkörpers kann somit spannungsunabhängig erfolgen, wodurch die Öffnung des Vorsteuerkörpers elektrisch und die Öffnung des Ventilhauptkörpers mechanisch vollzogen werden.
Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt bei Bestromung des Aktuators mit einer Mindeststromstärke ein unmittelbares und vollständiges Überführen des Vorsteuerkörpers in eine geöffnete Endlage-Position, und das Überführen des Ventilhauptkörpers in eine geöffnete Position erfolgt unmittelbar anschliessend, wenn eine bestimmte Druckdifferenz zwischen Fluideingang und Fluidausgang erreicht wird. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Magnetanker bei der Mindeststromstärke direkt in die Endlage bewegt wird, wodurch ein Öffnungsverhalten des Hauptventilkörpers erreicht wird, welches von der Versorgungsspannung unabhängig ist. Mit anderen Worten ist lediglich die Mindeststromstärke notwendig um ein vollständiges Funktionieren des Wasserstoffventils sicherzustellen. Wenn die Bordspannung in einem Kraftfahrzeug beispielsweise 12 V beträgt, so ist es nicht zwingend erforderlich, dass diese Bordspannung zur Funktion des Wasserstoffventils vorherrschen muss. Beispielsweise beträgt die Mindeststromstärke 8,5 V. Dadurch ist auch bei geringerer Batteriespannung ein Betrieb des Wasserstoffventils sichergestellt.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Pneumatikventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse mit wenigstens einem Eingang und einem Ausgang, einen Hauptkolben, welcher mit einem Hauptdichtsitz im Gehäuse eine Haupt-Stufe bildet und zum Öffnen und Schließen einer direkten Volumenstromverbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang entlang einer Längsachse axial verschiebbar in einer Gehäusebohrung angeordnet ist, sowie einen Pilotkolben, welcher mit einem Pilotdichtsitz am bzw. im Hauptkolben eine Pilot-Stufe bildet, wobei der Pilotkolben mit einem Aktuator zum Öffnen oder Schließen einer Drosselbohrung im Hauptkolben in Wirkverbindung steht, wobei mittels der Drosselbohrung der Eingang mit dem Ausgang indirekt über den Hauptkolben verbindbar ist, wobei bei stromlosem Pneumatikventil die Haupt- und die Pilot-Stufe geschlossen sind. Die Pilot-Stufe ermöglicht vorteilhafterweise eine Volumenstromverbindung von Ein- und Ausgang über die Drosselbohrung und damit eine Verringerung der Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang. So kann ein steiler Druckanstieg am Ausgang wirkungsvoll vermieden werden. Erst beim Öffnen der Haupt-Stufe wird eine direkte Volumenstromverbindung zwischen Ein- und Ausgang hergestellt.
Durch die Erfindung werden somit nicht mehrere Ventile für den Druckausgleich und den Haupt-Volumenstrom mit der entsprechenden Anzahl an Gehäusen, Aktuatoren etc. benötigt. Stattdessen vereint das erfindungsgemäße Pneumatikventil zwei Ventile in einem Gehäuse, dass diese über einen Aktuator kraft- und/oder druckgesteuert verstellt werden können. Bauteilanzahl, Bauraum und Kosten können gezielt reduziert werden.
Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, in einer Brennstoffzellenanordnung mittels eines Pneumatikventils gelöst, bei welchem bei stromlosem Aktuator die Haupt-Stufe und die Pilot-Stufe geschlossen sind, bei einer kontanten Bestromung des Aktuators die Pilot- Stufe geöffnet ist, so dass eine Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang geringer wird bzw. ein Druckausgleich über die Drosselbohrung im Hauptkolben erfolgt, die Haupt- Stufe öffnet, sobald bei Erreichen einer Schaltschwelle die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang unter einen vorbestimmten Schaltdruck fällt, wobei der Hauptkolben gegen die Schließkraft in eine Öffnungsstellung bewegt wird und die Haupt- Stufe geschlossen bleibt, solange die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang über dem vorbestimmten Schaltdruck liegt.
Das Öffnen der Pilot-Stufe ermöglicht vorteilhafterweise eine Volumenstromverbindung von Ein- und Ausgang über die Drosselbohrung und damit eine Verringerung der Druckdifferenz zwischen Ein- und Ausgang. So kann ein steiler Druckanstieg am Ausgang wirkungsvoll vermieden werden. Erst beim Öffnen der Haupt-Stufe bei einer Druckdifferenz unter dem vorbestimmten Schal druck wird eine direkte Volumenstromverbindung zwischen Ein- und Ausgang über die Haupt-Stufe hergestellt.
Ein Pneumatikventil im Sinne dieser Erfindung kann somit auch als Wasserstoffventil verstanden werden, da es für diesen Zweck geeignet sein muss. Ein Gehäuse im Sinne dieser Erfindung kann auch als Ventilgehäuse bezeichnet werden, wobei eine Pilot-Stufe auch als Vorsteuerventileinrichtung bezeichnet werden kann.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt des Pneumatikventils in einer geschlossenen Stellung mit geschlossener Haupt- und Pilot-Stufe;
Fig. 2 den Längsschnitt des Pneumatikventils gemäß Fig. 1 mit geöffneter Pilot- Stufe;
Fig. 3 den Längsschnitt des Pneumatikventils gemäß Fig. 1 geöffneter Pilot- und Haupt- Stufe;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserstoffventils;
Fig. 5 eine vergrösserte Querschnittsansicht eines Ventilhauptkörpers einschließlich einer Vorsteuerventileinrichtung;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht einerweiteren beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserstoffventils; und
Fig. 7 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines weiteren Ventilhauptkörpers einschließlich einer Vorsteuerventileinrichtung. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Pneumatikventil 1 im Längsschnitt in einer geschlossenen Stellung, welches zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, vorgesehen ist. Es umfasst ein Gehäuse 2 mit wenigstens einem Eingang P und einem Ausgang A, wobei der Eingang P sowie der Ausgang A als Gehäusebohrungen ausgebildet sind, an welche Leitungen einer
Brennstoffstoffzellenanordnung anschließbar sind. In dem Gehäuse 2 ist ein Hauptkolben 3 zum Öffnen und Schließen einer direkten Volumenstromverbindung zwischen dem Eingang P und dem Ausgang A entlang einer Längsachse L des Pneumatikventils 1 axial verschiebbar in einer Gehäusebohrung 5 angeordnet und bildet mit einem Hauptdichtsitz 4 im Gehäuse 2 eine Haupt-Stufe. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, öffnet und schließt die Haupt-Stufe die direkte Volumenverbindung der Gehäusebohrungen von Eingang P und Ausgang A. Bei geschlossener Haupt-Stufe liegt der Hauptkolben 3 an dem Hauptdichtsitz 4 an. Dabei weist der Hauptkolben 3 an seiner Stirnfläche, welche an den Hauptsitz 4 anlegbar ist, ein umlaufendes Dichtelement 16 auf. Dieses kann in einer umlaufenden Nut an der Stirnseite des Hauptkolbens 3 angeordnet sein. Der Hauptdichtsitz 4 ist in der gezeigten Ausführung als umlaufender Vorsprung ausgebildet. Weiter weist das Pneumatikventil 1 eine Pilot- Stufe auf, welche einen Pilotkolben 6 und einen Pilotdichtsitz 7 umfasst. Der Pilotdichtsitz 7 ist am bzw. im Hauptkolben 3 angeordnet. Zur dichten Anlage weist der Pilotkolben 6 ein scheibenförmiges Dichtelement 17 auf, welches an den als umlaufenden Vorsprung ausgebildeten Pilotdichtsitz 7 dichtend anlegbar ist und somit die Pilot-Stufe verschließt. Der Pilotkolben 7 steht mit einem Aktuator 8 zum Öffnen oder Schließen einer Drosselbohrung 9 im Hauptkolben 3 in Wirkverbindung. Mittels der Drosselbohrung 9 ist der Eingang P mit dem Ausgang A indirekt über den Hauptkolben 3 verbindbar.
Der Aktuator 9 ist als elektromagnetischer Aktuator vorgesehen, welcher weist einen mit dem Pilotkolben 6 wirkverbundenen Anker 10 auf, der koaxial zum Gehäuse 2 angeordnet ist. Weiter ist der Anker 10 mit Hilfe der den Anker 10 umfassenden Magnetspule 18 bewegbar in dem Aktuatorgehäuse 13 des Aktuators 8 aufgenommen, welches die Magnetspule 18 an einem Außenumfang und an wenigstens einer dem Gehäuse 2 abgewandten Stirnseite umschließt. Weiter weist der Aktuator 8 einen im Inneren des Aktuatorgehäuses 13 angeordneten Polhut 19 auf, welcher in Richtung Stirnseite der Magnetspule 18 axial aufeinander folgend einen Polkern 20 und ein Polrohr 21 umfasst. Polkern 20 und Polrohr 21 sind durch einen Verbindungssteg 22 einstückig verbunden. Koaxialfehler können damit ausgeschlossen werden. Der Anker 10 kann in einer im Innenraum 23 (auch Ankerraum genannt) angeordneten Folienstruktur gleitend gelagert sein. Alternativ kann der Anker 10 beschichtet sein. Eine Folienstruktur oder Beschichtung dient der magnetischen T rennung von Anker 10 und Polhut 19, wodurch die magnetischen Querkräfte reduziert werden. Das Polrohr 21 ist an der dem Gehäuse 2 abgewandten Stirnseite einstückig verschlossen, wobei ebenso ein separater Abschlussdeckel möglich ist. Das Aktuatorgehäuse 13 ist weiter abgedichtet am Gehäuse 2 befestigt.
Wie ferner aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind der Hauptkolben 3 und der Pilotkolben 6 jeweils mittels Federmitteln in eine Schließstellung drängbar, in welcher die Haupt- Stufe bzw. die Pilotstufe geschlossen sind und keine Volumenstromverbindung zwischen Eingang P und Ausgang A möglich ist. Dabei sind als Federmittel Druckfedern 1 1 , 12 vorgesehen sind, wobei eine den Hauptkolben 3 beaufschlagbare erste Druckfeder 1 1 zwischen dem Hauptkolben 3 und dem Gehäuse 2 und eine den Pilotkolben 6 beaufschlagbare zweite Druckfeder 12 zwischen dem Anker 10 und dem Pilotkolben 6 oder zwischen dem Anker 10 und einem Aktuatorgehäuse 13 bzw. einem Polhut 14 angeordnet sind. Die zweite Druckfeder 12 bzw. deren Enden sind jeweils in Ausnehmungen 24 bzw. 25 des Polhuts 14 bzw. des Ankers 10 geführt, so dass ein Verknicken der Druckfeder 12 ausgeschlossen werden kann. Die erste Druckfeder 1 1 kann an einem im Gehäuse 2 befestigten Anschlag 26 anliegen. Das gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, der Brennstoffzellenanordnung wird mittels des Pneumatikventils 1 gesteuert. Dabei sind bei stromlosem Aktuator 8 die Haupt-Stufe und die Pilot-Stufe durch die Federkraft der Druckfedern 1 1 , 12 und/oder die Druckkraft des am Eingang P anliegenden Mediumdruckes geschlossen. Der am Ausgang A anliegende Mediumdruck ist geringer und es herrscht eine Druckdifferenz zwischen P und A. Die Druckbeaufschlagung des Hauptkolbens 3 und des Pilotkolbens 6 kann mittels Durchbrüchen 27 bzw. 28 am Hauptkolben 3 bzw. an einem Anschlag 15 für den Pilotkolben 6 erfolgen. Der Anschlag 15 ist am Hauptkolben 3 befestigt und bildet eine Hub-Begrenzung für den Pilotkolben 6.
Bei einer kontanten Bestromung des Aktuators 8 wird zunächst die Pilot-Stufe geöffnet, indem der Aktuator 8 den Pilotkolben 6 in seine Öffnungsstellung zieht und der Pilotkolben 6 von seinem Pilotdichtsitz 7 abgehoben wird. Diese Stellung des Pneumatikventils 1 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Druckdifferenz zwischen Eingang P und Ausgang A wird geringer, da ein Druckausgleich über die Durchbrüche 27 und 28 sowie der Drosselbohrung 9 im Hauptkolben 3 erfolgt.
Sobald die Druckdifferenz zwischen Eingang P und Ausgang A durch den fortscheitenden Druckausgleich unter einen vorbestimmten Schaltdruck fällt, wird eine Schaltschwelle erreicht und die Haupt-Stufe öffnet durch Abheben des Hauptkolbens 3 vom Hauptdichtsitz 4, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Dabei wird der Hauptkolben 3 gegen die Schließkraft insbesondere der Druckfeder 1 1 in eine Öffnungsstellung bewegt wird. Mit anderen Worten öffnet die Haupt-Stufe zwangsgesteuert, sobald die Summe der schließenden Kräfte aus Druck und Federvorspannung unter die Aktuator-Kraft fällt. Die Haupt-Stufe bleibt geschlossen, solange die Druckdifferenz zwischen Eingang P und Ausgang A über dem vorbestimmten Schaltdruck liegt. Die Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Wasserstoffventils 100. Das Wasserstoffventil 100 umfasst ein Ventilgehäuse 102 mit einem Fluideingang P und einem Fluidausgang A. In dem Ventilgehäuse 102 befindet sich ein Ventilhauptkörper 103. Der Ventilhauptkörper 103 befindet sich in Anlage an einem gehäusefesten Hauptdichtsitz 104 wodurch eine Volumenstromverbindung zwischen dem Fluideingang P und dem Fluidausgang A verschlossen ist. Somit kann Fluid ausgehend vom Fluideingang P lediglich durch eine Fluideinströmöffnung 125 in den Raum hinter den Ventilhauptkörper 103 einströmen. Somit herrscht hinter dem Ventilhauptkörper 103 der identische Fluiddruck wie er am Fluideingang P anliegt. Mit anderen Worten drückt der Fluiddruck P den Ventilhauptkörper 103 in den gehäusefesten Hauptdichtsitz 104.
Der Ventilhauptkörper 103 ist zwischen der geschlossenen Position, in welcher er sich in Anlage an den gehäusefesten Hauptdichtsitz 104 befindet, und einer geöffneten Position, in welcher der Ventilhauptkörper 103 von dem Hauptdichtsitz 104 beabstandet ist, verschiebbar ausgebildet. In der geöffneten Position wird zwischen dem Fluideingang P und dem Fluidausgang A ein maximaler Volumenstrom hergestellt. Zusätzlich umfasst das Wasserstoffventil 100 eine Vorsteuerventileinrichtung 105 mit einem Vorsteuerkörper 106, der hinter dem Ventilhauptkörper 103 angeordnet ist und eine Drosselbohrung 109 durch den Ventilhauptkörper 103 hindurch verschließ oder öffnet. Mit Hilfe eines Aktuators 108 kann der Vorsteuerkörper 106 unmittelbar zwischen einer geöffneten Position, in welcher eine Drosselbohrung 109 freigibt, und einer geschlossenen Position, in welcher der Vorsteuerkörper 106 an einem Vorsteuerventilsitz 107 anliegt und die Drosselbohrung 109 verschliesst, überführt werden. Durch die Freigabe der Drosselbohrung 109 wird eine Fluidverbindung mit sehr kleinem Querschnitt zwischen dem Fluideingang P und dem Fluidausgang A hergestellt, wodurch ein Fluidausgleich und somit ein Druckausgleich zwischen dem Fluideingang P und den Fluidausgang A ermöglicht wird. Somit wird ein kontinuierlicher Druckausgleich über die Drosselbohrung 109 ermöglicht, wodurch der Fluiddruck P, welcher den Ventilhauptkörper 103 in den gehäusefesten Hauptdichtsitz 104 drückt, kontinuierlich reduziert wird.
Der Vorsteuerkörper 106 wird durch das Betätigen des Aktuators 108 in die geöffnete Position überführt, wobei der Vorsteuerkörper 106 gegen die Rückstellkraft eines Kraftspeichers 1 12 in eine zylindrische Aufnahme 120 gedrängt wird und dadurch die Drosselbohrung 109 freigibt. Durch das Rückhalten des Vorsteuerkörpers 106 bleibt die Rückstellkraft des Kraftspeichers 1 12 in Form einer Druckfeder bestehen, während sich aufgrund des Druckausgleichs über die Drosselbohrung 109 der Fluiddruck P, welcher den Ventilhauptkörper 103 in den gehäusefesten Hauptdichtsitz 104 drückt kontinuierlich reduziert. Wenn der Magnetanker 1 10 des Aktuators 108 unverändert in seiner Position verbleibt, so ist die Rückstellkraft des Kraftspeichers 1 12 der Druckkraft des Fluiddrucks P auf den Ventilhauptkörper 103 entgegengesetzt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist der Druckunterschied zwischen dem Fluideingang P und dem Fluidausgang A derart reduziert, dass die Rückstellkraft des Kraftspeichers 1 12 die durch den Druckunterschied begründete Fluidkraft auf den Ventilhauptkörper 103 übersteigt. Folglich löst sich der Ventilhauptkörper 103 aus dem gehäusefesten Hauptdichtsitz 104 und wird in die geöffnete Position überführt. In der geöffneten Position wird zwischen dem Fluideingang P und dem Fluidausgang A ein Volumenstrom hergestellt. Die Druckdifferenz zwischen Fluideingang P und Fluidausgang A wurde somit im ersten Schritt durch die Drosselbohrung verringert, und ein steiler Druckanstieg am Fluidausgang A wird vermieden. Ein erstes Federelement 1 1 1 ist koaxial zur zylindrischen Aufnahme 120 angeordnet und dient dem Überführen des Ventilhauptkörpers 103 in die geschlossene Position. Die Figur 5 zeigt eine vergrösserte Querschnittsansicht eines Ventilhauptkörpers 103 einschliesslich der Vorsteuerventileinrichtung 105. Der Hauptdichtsitz 104 verfügt an einer dem Ventilhauptkörper 103 zugewandte Seite über eine umlaufende erste Konturkante 140 und eine umlaufende zweite Konturkante 142. Die erste Konturkante 140 und die zweite Konturkante 142 verlaufen in einer Umfangsrichtung um den Hauptdichtsitz 104 parallel zueinander. Die erste Konturkante 140 ist radial innenliegend angeordnet und die zweite Konturkante 142 ist radial aussenliegend angeordnet. Die erste Konturkante 140 ist korrespondierend mit einem Dichtelement 132 des Ventilhauptkörpers 103 angeordnet. Mit anderen Worten treffen die erste Konturkante 140 des Hauptdichtsitzes 104 und das Dichtelement 132 des Ventilhauptkörpers 103 im geschlossenen Zustand in unmittelbarem Kontakt miteinander. Die zweite Konturkante 142 hingegen steht im geschlossenen Zustand unmittelbar als Anschlag mit dem Ventilhauptkörper 103 in unmittelbarem Kontakt, wodurch in der geschlossenen Position ein definierter Mindestabstand zwischen Hauptdichtsitz 104 und Ventilhauptkörpers 103 erreicht wird, welcher ein Optimum zwischen Dichtigkeit und Verschleiss am Dichtelement 132 ermöglicht. Der Magnetanker 1 10 und der Ventilhauptkörper 103 sind innerhalb eines Polrohrs 144 gelagert. Das Polrohr 144 ist einstückig und vorzugsweise aus magnetisierbarem Edelstahl ausgebildet, und dient sowohl dem Magnetanker 1 10 als auch dem Ventilhauptkörper 103 als Führung von der vollständig geöffneten bis hin zur vollständig geschlossenen Position. Auf eine wiederholte Beschreibung identischer Merkmale wird verzichtet.
Die Figur 6 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemässen Wasserstoffventils 100. Abweichend zur Ausführungsform in den Figuren 4 und 5 weist das Wasserstoffventil 100 ein zweites Federventil 130. Das zweite Federventil 130 dient dem Überführen des Vorsteuerkörpers 106 in die geschlossene Position. Das zweite Federelement 130 befindet sich auf einer dem Vorsteuerkörper 106 abgewandten Seite des Magnetankers 1 10 und stützt sich gegenüber einer Wandung des Ventilgehäuses 102 ab. Im stromlosen Zustand des Wasserstoffventils 100 wirkt das zweite Federelement 130 auf den Magnetanker 1 10 und damit unmittelbar auf den Vorsteuerkörpers 106 ein, wodurch der Vorsteuerkörpers 106 in die geschlossene Position überführt wird. In der geschlossenen Position befindet sich der Vorsteuerkörper 106 in Anlage an dem Vorsteuerventilsitz 107 und verschließt dadurch die Drosselbohrung 109.
Die Figur 7 zeigt eine vergrösserte Querschnittsansicht eines weiteren Ventilhauptkörpers 103 einschliesslich einer Vorsteuerventileinrichtung 105.

Claims

Patentansprüche
1. Wasserstoffventil (100), der Folgendes aufweist: ein Ventilgehäuse (102) mit einem Fluideingang (P) und einem Fluidausgang (A), einen Ventilhauptkörper (103), welcher zwischen einer geöffneten Position, in der zwischen dem Fluideingang (P) und dem Fluidausgang (A) eine
Volumenstromverbindung hergestellt ist, und einer geschlossenen Position, in welcher der Ventilhauptkörper (103) in einem gehäusefesten Hauptdichtsitz (104) angeordnet ist und die Volumenstromverbindung zwischen dem Fluideingang (P) und dem Fluidausgang (A) verschlossen ist, überführbar ausgebildet ist, eine Vorsteuerventileinrichtung (105) mit einem Vorsteuerkörper (106), welcher mittels eines Aktuators (108) zwischen einer geöffneten Position, in welcher eine Drosselbohrung ( 109) durch den Ventilhauptkörper (103) hindurch freigegeben ist und den Fluideingang (P) und den Fluidausgang (A) miteinander verbindet, und einer geschlossenen Position, in welcher der Vorsteuerkörper (106) in einem am Ventilhauptkörper (103) angeordneten
Vorsteuerventilsitz (107) anliegt und die Drosselbohrung (109) verschliesst, überführbar ausgebildet ist.
2. Wasserstoffventil (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ventilhauptkörper (103) eine Aufnahme (120) für den Vorsteuerkörper (106) und für einen Kraftspeicher (1 12) aufweist, wobei der Vorsteuerkörper (106) durch einen
Aktuator (108) gegen eine Rückstellkraft des Kraftspeichers (1 12) in die geöffnete Position überführbar ist um die Drosselbohrung (109) freizugeben.
3. Wasserstoffventil (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (120) in Form eines zylindrischen Käfigs ausgebildet ist.
4. Wasserstoffventil (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (108) einen elektrisch betätigbaren Magnetanker (1 10) aufweist, welcher innerhalb des Ventilgehäuses (102) angeordnet ist.
5. Wasserstoffventil (100) Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsteuerkörper (106) mit dem Magnetanker (1 10) verbunden ausgebildet ist, wobei eine axiale Bewegung des Magnetankers (1 10) unmittelbar in eine axiale Bewegung des Vorsteuerkörpers (106) überführbar ist.
6. Wasserstoffventil (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffventil (100) ein erstes Federelement (1 1 1) umfasst, welches zum Überführen des Ventilhauptkörpers (103) in die geschlossene Position ausgebildet ist.
7. Wasserstoffventil (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement (1 1 1) koaxial zur Aufnahme ( 120) angeordnet ist.
8. Wasserstoffventil (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffventil (100) ein zweites Federelement (130) umfasst, welches zum Überführen des Vorsteuerkörpers (106) in die geschlossene Position ausgebildet ist.
9. Wasserstoffventil (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Federelement (130) auf einer dem Vorsteuerkörper (106) abgewandten Seite des Magnetankers (1 10) angeordnet ist.
10. Wasserstoffventil (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptdichtsitz (104) eine umlaufende erste Konturkante (140) und eine umlaufende zweite Konturkante (142) aufweist, wobei die erste Konturkante (140) mit einem Dichtelement (132) des Ventilhauptkörpers (103) in geschlossener Position in Kontakt steht und die zweite Konturkante (142) als Anschlag für den Ventilhauptkörper ( 103) gegenüber dem Hauptdichtsitz ( 104) ausgebildet ist.
1 1. Wasserstoffventil (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserstoffventil (100) ein Polrohr (144) zur Führung des elektrisch betätigbaren Magnetankers (108) umfasst, wobei eine Verlängerung des Pohlrohrs (144) zur Führung des Ventil hauptkörpers (103) zwischen der geschlossenen und der geöffneten Position ausgebildet ist.
12. Wasserstoffventil (100) nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Polrohr (144) aus magnetisierbarem Edelstahl hergestellt ist.
13. Brennstoffzellenanordnung (200) mit einem Wasserstoffventil (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einer Brennstoffzelle.
14. Verfahren zum Steuern eines Wasserstoffventils (100) nach einem der Ansprüche 1 bis
12, mit den Schritten:
Überführen des Vorsteuerkörpers (106) in eine geöffnete Position und Freigabe der Drosselbohrung (109) mittels Bestromen des Aktuators (108), um eine Druckdifferenz zwischen Fluideingang (P) und Fluidausgang (A) zu reduzieren, - Überführen des Ventilhauptkörpers (103) in eine geöffnete Position, um zwischen dem Fluideingang (P) und dem Fluidausgang (A) eine Volumenstromverbindung herzustellen, wenn eine bestimmte Druckdifferenz zwischen Fluideingang (P) und Fluidausgang (A) erreicht wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Überführen des Vorsteuerkörpers (106) in eine geöffnete Position gegen eine Rückstellkraft eines
Kraftspeichers (1 12) erfolgt, und das Überführen des Ventilhauptkörpers (103) in eine geöffnete Position durch die Entspannung des Kraftspeichers (1 12) erfolgt.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bestromung des Aktuators (108) mit einer Mindeststromstärke ein unmittelbares und vollständiges Überführen des Vorsteuerkörpers (106) in eine geöffnete Endlage-Position erfolgt, und das Überführen des Ventilhauptkörpers (103) in eine geöffnete Position unmittelbar anschliessend erfolgt, wenn eine bestimmte Druckdifferenz zwischen Fluideingang (P) und Fluidausgang (A) erreicht wird.
PCT/EP2022/055112 2021-03-01 2022-03-01 Wasserstoffventil WO2022184694A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US18/274,546 US20240084918A1 (en) 2021-03-01 2022-03-01 Hydrogen valve
DE112022000516.5T DE112022000516A5 (de) 2021-03-01 2022-03-01 Wasserstoffventil
CN202280018323.6A CN117255908A (zh) 2021-03-01 2022-03-01 一种氢气阀

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021104830.3 2021-03-01
DE102021104830.3A DE102021104830A1 (de) 2021-03-01 2021-03-01 Pneumatikventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums
DE102021111708.9 2021-05-05
DE102021111708 2021-05-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022184694A1 true WO2022184694A1 (de) 2022-09-09

Family

ID=80735448

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2022/055112 WO2022184694A1 (de) 2021-03-01 2022-03-01 Wasserstoffventil

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20240084918A1 (de)
DE (1) DE112022000516A5 (de)
WO (1) WO2022184694A1 (de)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2654393A (en) * 1948-07-24 1953-10-06 United Aircraft Prod Two phase electromagnetic device
US4799645A (en) * 1988-01-19 1989-01-24 Deere & Company Pilot operated hydraulic control valve
US20030020033A1 (en) * 2001-07-25 2003-01-30 Chia-Ping Wang Solenoid gas valve
US7334770B2 (en) * 2005-08-22 2008-02-26 Wei-Ching Wang Solenoid isolation valve
DE102008020855A1 (de) * 2008-03-08 2009-09-10 Continental Teves Ag & Co. Ohg Elektromagnetventil, insbesondere für schlupfgeregelte Kraftfahrzeugbremsanlagen
DE102014224340A1 (de) * 2014-11-28 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Gasinjektor mit Elastomerdichtelement

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2654393A (en) * 1948-07-24 1953-10-06 United Aircraft Prod Two phase electromagnetic device
US4799645A (en) * 1988-01-19 1989-01-24 Deere & Company Pilot operated hydraulic control valve
US20030020033A1 (en) * 2001-07-25 2003-01-30 Chia-Ping Wang Solenoid gas valve
US7334770B2 (en) * 2005-08-22 2008-02-26 Wei-Ching Wang Solenoid isolation valve
DE102008020855A1 (de) * 2008-03-08 2009-09-10 Continental Teves Ag & Co. Ohg Elektromagnetventil, insbesondere für schlupfgeregelte Kraftfahrzeugbremsanlagen
DE102014224340A1 (de) * 2014-11-28 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Gasinjektor mit Elastomerdichtelement

Also Published As

Publication number Publication date
US20240084918A1 (en) 2024-03-14
DE112022000516A5 (de) 2023-11-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0951412B1 (de) Magnetventil
EP0941187B1 (de) Mehrwegeventil
DE102013213712A1 (de) Elektromagnetischer Aktor sowie Fluidventil mit einem solchen Aktor
EP1771675B1 (de) Elektrisch ansteuerbares ventil
WO2015000634A2 (de) Schaltventil zur regelung eines massenstroms
DE102013213713A1 (de) Fluidventil
EP1217273B1 (de) Elektromagnetventileinrichtung
EP2462335B1 (de) Vorrichtung zur kraftstoffhochdruckeinspritzung
DE19533400A1 (de) Elektromagnetisch steuerbare Ventilanordnung
DE4439695C2 (de) Magnetventil und dessen Verwendung
DE10164301A1 (de) Elektromagnet mit veränderlicher Strömung
WO2022184694A1 (de) Wasserstoffventil
WO2023160891A1 (de) Absperrventil sowie wasserstofftanksystem mit absperrventil
EP3844374A1 (de) Ventil
WO2023030787A1 (de) Magnetventil sowie wasserstofftanksystem mit magnetventil
WO2016026690A1 (de) Magnetventil
DE102011002600A1 (de) Ventilanordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug-Automatikgetriebe
DE3822830A1 (de) Eigenmediumbetaetigtes, durch ein bistabiles magnetventil servogesteuertes ventil fuer fluessige medien
DE102021104830A1 (de) Pneumatikventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums
DE102005020419A1 (de) Doppelsicherheitsabsperrventil
DE102018000058B4 (de) Betätigungsvorrichtung, insbesondere zum Betätigen von Ventilen,sowie Ventilansteuersystem
EP3643954A1 (de) Elektromagnetisches ventil, verfahren zum betrieb eines elektromagnetischen ventils
EP1611358A1 (de) Stetig verstellbares wegeventil
DE102022107951A1 (de) Pneumatikventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums
DE102017210364A1 (de) Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 22709699

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 18274546

Country of ref document: US

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 202280018323.6

Country of ref document: CN

Ref document number: 112022000516

Country of ref document: DE

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R225

Ref document number: 112022000516

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 22709699

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1