DE102021202116B4 - Device for the controllable dosing of hydrogen and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb, die Vorrichtung aufweisendeinen Ventilsitz (7),ein Dichtelement (17) undeinen elektromagnetischen Aktuator mit einem Polkern (11), einer Magnetspule (2) und einem mit dem Dichtelement (17) gekoppelten Anker (16), wobei der Aktuator zum Bewegen des Dichtelements (17) entlang einer Achse (A) in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Magnetspule (2) konfiguriert ist,wobei das Dichtelement (17) eine sich axial in Richtung zum Ventilsitz (7) hin verjüngende Oberfläche aufweist, die zumindest einen ersten Abschnitt (171) mit einem ersten Neigungswinkel relativ zu der Achse (A) und einen zweiten Abschnitt (172) mit einem zweiten Neigungswinkel relativ zu der Achse (A) aufweist,wobei eine Oberfläche des Polkerns (11) und eine Oberfläche des Ankers (16) zusammen einen Doppelkonus bilden,wobei die Oberfläche des Polkerns (11) zumindest einen ersten Polkernoberflächenbereich (111) mit einem ersten Polkern-Konuswinkel und einen zweiten Polkernoberflächenbereich (112) mit einem zweiten Polkern-Konuswinkel aufweist, und wobei die Oberfläche des Ankers (16) zumindest einen ersten Ankeroberflächenbereich (161) mit einem ersten Anker-Konuswinkel und einen zweiten Ankeroberflächenbereich (162) mit einem zweiten Anker-Konuswinkel aufweist,wobei der erste Polkern-Konuswinkel gleich dem ersten Anker-Konuswinkel ist, und/oder wobei der zweite Polkern-Konuswinkel gleich dem zweiten Anker-Konuswinkel ist, undwobei die Spule (2) durch eine Hülse (3) vom Polkern (11) und Anker (16) getrennt ist.Device for the controllable metering of hydrogen to a fuel cell, in particular in a vehicle with an electric drive, the device having a valve seat (7), a sealing element (17) and an electromagnetic actuator with a pole core (11), a magnetic coil (2) and one with the sealing element (17) coupled armature (16), wherein the actuator is configured to move the sealing element (17) along an axis (A) in response to an electric current in the magnetic coil (2), the sealing element (17) having an axially in direction towards the valve seat (7) tapering surface, which has at least a first portion (171) with a first angle of inclination relative to the axis (A) and a second portion (172) with a second angle of inclination relative to the axis (A), wherein a surface of the pole core (11) and a surface of the armature (16) together form a double cone, wherein the surface of the pole core (11) has at least a first pole core surface area (111) with a first pole core cone angle and a second pole core surface area (112) with a second pole core cone angle, and wherein the surface of the armature (16) has at least a first armature surface area (161) with a first armature cone angle and a second armature surface area (162) having a second armature cone angle, wherein the first pole core cone angle is equal to the first armature cone angle, and/or wherein the second pole core cone angle is equal to the second armature cone angle, and wherein the coil (2) through a sleeve (3) is separated from the pole core (11) and armature (16).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Verwendung von Wasserstoff und Brennstoffzellen in Verbindung mit Fahrzeugmotoren. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung.The present invention relates to the technical field of using hydrogen and fuel cells in connection with vehicle engines. The present invention relates in particular to a device for the controllable metering of hydrogen to a fuel cell, in particular in a vehicle with an electric drive. The present invention also relates to a method for manufacturing such a device.
Der vorliegenden Erfindung liegt allgemein die Aufgabe zugrunde, eine präzise, effiziente und sichere Regelung von Wasserstoffzufuhr an Brennstoffzellen bereitzustellen und dabei insbesondere einen großen Regelbereich für eine zielgerichtet genaue Wasserstoffdosierung bei gleichzeitig hoher Mindermengengüte zu erzielen.The present invention is generally based on the task of providing a precise, efficient and reliable control of hydrogen supply to fuel cells and in particular of achieving a large control range for a targeted, precise metering of hydrogen while at the same time having a high quality in small quantities.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous embodiments of the present invention are described in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb beschrieben. Die beschriebene Vorrichtung weist Folgendes auf: einen Ventilsitz, ein Dichtelement und einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Polkern, einer Magnetspule und einem mit dem Dichtelement gekoppelten Anker, wobei der Aktuator zum Bewegen des Dichteelements entlang einer Achse in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Magnetspule konfiguriert ist. Das Dichtelement weist eine sich axial in Richtung zum Ventilsitz hin verjüngende Oberfläche auf, die zumindest einen ersten Abschnitt mit einem ersten Neigungswinkel relativ zu der Achse und einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten Neigungswinkel relativ zu der Achse aufweist.According to a first aspect of the invention, a device for the controllable metering of hydrogen to a fuel cell, in particular in a vehicle with an electric drive, is described. The device described has the following: a valve seat, a sealing element and an electromagnetic actuator with a pole core, a magnetic coil and an armature coupled to the sealing element, wherein the actuator is configured to move the sealing element along an axis in dependence on an electric current in the magnetic coil is. The sealing element has an axially tapering surface towards the valve seat, which has at least a first section with a first angle of inclination relative to the axis and a second section with a second angle of inclination relative to the axis.
Der beschriebenen Vorrichtung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Gestaltung des Dichtelements mit zumindest zwei Oberflächenabschnitten mit individuellem Neigungswinkel eine präzise und bedarfsgerechte Regelung des Wasserstoffvolumenstroms ermöglicht. Der Neigungswinkel bestimmt unmittelbar das Verhältnis zwischen Änderung der effektiven Ventilöffnung und Änderung des Ankerhubs. Je größer der Neigungswinkel ist, desto kleiner ist die Änderung der effektiven Ventilöffnung bei gegebener Änderung des Ankerhubs. Das so geformte Dichtelement ermöglicht somit insbesondere unterschiedliche Verhältnisse zwischen effektiver Ventilöffnung und Ankerbewegung in verschiedenen Betriebszuständen, wie zum Beispiel zum einen beim Öffnen/Schließen des Ventils und zum anderen bei offenem Ventil.The device described is based on the knowledge that the design of the sealing element with at least two surface sections with an individual angle of inclination enables precise and needs-based regulation of the hydrogen volume flow. The angle of inclination directly determines the relationship between change in effective valve opening and change in armature lift. The larger the angle of inclination, the smaller the change in effective valve opening for a given change in armature lift. The sealing element formed in this way thus enables, in particular, different relationships between the effective valve opening and armature movement in different operating states, such as for example when the valve is opening/closing and when the valve is open.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der erste Abschnitt näher an das Ventilsitz als der zweite Abschnitt und weist einen kleineren Neigungswinkel als der zweite Abschnitt auf.According to an embodiment of the invention, the first section is closer to the valve seat than the second section and has a smaller angle of inclination than the second section.
Mit anderen Worten bestimmt der Neigungswinkel des zweiten Abschnittes die effektive Ventilöffnung beim bzw. kurz nach dem Öffnen des Ventils, während der Neigungswinkel die effektive Ventilöffnung bei offenem Ventil bestimmt.In other words, the angle of inclination of the second section determines the effective valve opening at or shortly after opening of the valve, while the angle of inclination determines the effective valve opening when the valve is open.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die sich verjüngende Oberfläche einen dritten Abschnitt mit einem dritten Neigungswinkel relativ zu der Achse auf.According to another embodiment of the invention, the tapered surface has a third section with a third angle of inclination relative to the axis.
Durch Hinzufügen eines dritten Abschnitts mit einem dritten Neigungswinkel kann das Verhältnis zwischen Änderung der effektiven Ventilöffnung und Ankerbewegung weiter gestaltet werden. Bei Bedarf können noch weitere Abschnitte mit entsprechenden Neigungswinkeln hinzugefügt werden.By adding a third section with a third angle of inclination, the relationship between change in effective valve opening and armature movement can be further designed. If necessary, further sections with appropriate inclination angles can be added.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Vorrichtung eine einen Zusammenhang zwischen Massenstrom und Spulenstrom darstellende Kennlinie auf, die zumindest zwei linearen Abschnitte mit jeweils unterschiedlicher Steigung aufweist.According to a further exemplary embodiment of the invention, the device has a characteristic curve which represents a relationship between the mass flow and the coil current and which has at least two linear sections, each with a different slope.
Die zwei linearen Abschnitte der Kennlinie entsprechen insbesondere jeweils dem ersten und zweiten Abschnitt der Oberfläche des Dichtelements. Bei Mehr als zwei Oberflächenabschnitte mit individuellen Neigungswinkeln wird die Kennlinie entsprechend mehr lineare Abschnitte mit individueller Steigung aufweisen.The two linear sections of the characteristic correspond in particular to the first and second section of the surface of the sealing element. If there are more than two surface sections with individual angles of inclination, the characteristic curve will have correspondingly more linear sections with individual gradients.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der elektromagnetische Aktuator an einer Hochdruckseite der Vorrichtung angeordnet.According to a further exemplary embodiment of the invention, the electromagnetic actuator is arranged on a high-pressure side of the device.
Diese Anordnung stellt sicher, dass der Aktuator sich im Bereich des trockenen Wasserstoffs befindet und somit gut gegen Eisbildung, die an der Niederdruckseite auftreten können, geschützt ist.This arrangement ensures that the actuator is in the dry hydrogen area and is therefore well protected against ice formation that can occur on the low-pressure side.
Erfindungsgemäß bilden eine Oberfläche des Polkerns und eine Oberfläche des Ankers zusammen einen Doppelkonus.According to the invention, a surface of the pole core and a surface of the armature together form a double cone.
Mit anderen Worten weist sowohl die Oberfläche des Polkerns als auch die Oberfläche des Ankers jeweils eine Konusform auf. Die beiden Konusförmigen Oberflächen sind insbesondere so gestaltet, dass die Konusfläche des Polkerns in die Konusfläche des Ankers hineinpasst. Dieser Doppelkonus stellt einen weitgehend linearisierten Aktuator bereit, der eine gute Regelbarkeit über einen relativ großen Arbeitsbereich aufweist.In other words, both the surface of the pole core and the surface of the armature each have a cone shape. In particular, the two conical surfaces are designed in such a way that the conical surface of the pole core fits into the conical surface of the armature. This double cone provides a largely linearized actuator that has good controllability over a relatively large working range.
Erfindungsgemäß weist die Oberfläche des Polkerns zumindest einen ersten Polkernoberflächenbereich mit einem ersten Polkern-Konuswinkel und einen zweiten Polkernoberflächenbereich mit einem zweiten Polkern-Konuswinkel auf, und die Oberfläche des Ankers weist zumindest einen ersten Ankeroberflächenbereich mit einem ersten Anker-Konuswinkel und einen zweiten Ankeroberflächenbereich mit einem zweiten Anker-Konuswinkel auf.According to the invention, the surface of the pole core has at least a first pole core surface area with a first pole core cone angle and a second pole core surface area with a second pole core cone angle, and the surface of the armature has at least a first armature surface area with a first armature cone angle and a second armature surface area with a second anchor cone angle.
In diesem Zusammenhang ist unter dem Begriff „Konuswinkel“ insbesondere der Winkel zwischen der Achse und die Konusfläche zu verstehen.In this context, the term "cone angle" is to be understood in particular as the angle between the axis and the cone surface.
Mit anderen Worten weist sowohl der Polkernkonus als auch der Ankerkonus jeweils zwei Oberflächenbereiche mit verschiedenen Konuswinkeln auf. Dabei werden die magnetischen Feldlinien abhängig von Hub des Magneten unterschiedlich für die Linearisierung abgelenkt. Dadurch kann die Kennlinie so ausgeformt werden, dass die Regelgenauigkeit (Steigung der Kennlinie) auf die Bedarfe der Brennstoffzelle aufgepasst wird. Insbesondere kann mit einer Abstufung der Konusflächen eine entsprechende Segmentierung der Kennlinie erzielt werden.In other words, both the pole core cone and the armature cone each have two surface areas with different cone angles. Depending on the stroke of the magnet, the magnetic field lines are deflected differently for the linearization. As a result, the characteristic curve can be shaped in such a way that the control accuracy (gradient of the characteristic curve) is adapted to the requirements of the fuel cell. In particular, a corresponding segmentation of the characteristic curve can be achieved with a gradation of the cone surfaces.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind der erste Polkernoberflächenbereich und der erste Ankeroberflächenbereich jeweils näher an das Dichtelement als der zweite Polkernoberflächenbereich und der zweite Ankeroberflächenbereich, und der erste Polkern-Konuswinkel und der erste Anker-Konuswinkel sind jeweils kleiner als der zweite Polkern-Konuswinkel und der zweite Anker-Konuswinkel.According to a further exemplary embodiment of the invention, the first pole core surface area and the first armature surface area are each closer to the sealing element than the second pole core surface area and the second armature surface area, and the first pole core cone angle and the first armature cone angle are each smaller than the second pole core cone angle and the second anchor cone angle.
Mit anderen Worten sind die der erste Polkernoberflächenbereich und der erste Ankeroberflächenbereich steiler als der zweite Polkernoberflächenbereich und der zweite Ankeroberflächenbereich. Dies führt insbesondere zu einer flacheren Kennlinie bei kleineren Ventilöffnungen als bei größeren Ventilöffnungen und ermöglicht folglich eine genauere Regelung der Wasserstoffzufuhr beim Öffnen und kurz nach dem Öffnen des Ventils.In other words, the first pole core surface area and the first armature surface area are steeper than the second pole core surface area and the second armature surface area. In particular, this leads to a flatter characteristic curve at smaller valve openings than at larger valve openings and consequently enables more precise control of the hydrogen supply during opening and shortly after opening of the valve.
Erfindungsgemäß ist der erste Polkern-Konuswinkel gleich dem ersten Anker-Konuswinkel, und/oder der zweite Polkern-Konuswinkel ist gleich dem zweiten Anker-Konuswinkel.According to the invention, the first pole core cone angle is equal to the first armature cone angle, and/or the second pole core cone angle is equal to the second armature cone angle.
Mit anderen Worten entspricht die Konusform des Polkerns weitgehend der Konusform des Ankers.In other words, the cone shape of the pole core largely corresponds to the cone shape of the armature.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle, insbesondere in einem Fahrzeug mit Elektroantrieb beschrieben. Das beschriebene Verfahren weist Folgendes auf: (a) Bereitstellen eines Ventilsitzes, (b) Bereitstellen eines Dichtelements und (c) Bereitstellen eines elektromagnetischen Aktuators mit einem Polkern, einer Magnetspule und einem mit dem Dichtelement gekoppelten Anker, wobei der Aktuator zum Bewegen des Dichteelements entlang einer Achse in Abhängigkeit von einem elektrischen Strom in der Magnetspule konfiguriert ist, wobei das Dichtelement eine sich axial in Richtung zum Ventilsitz hin verjüngende Oberfläche aufweist, die zumindest einen ersten Abschnitt mit einem ersten Neigungswinkel relativ zu der Achse und einen zweiten Abschnitt mit einem zweiten Neigungswinkel relativ zu der Achse aufweist.According to a second aspect of the invention, a method for producing a device for the controllable metering of hydrogen to a fuel cell, in particular in a vehicle with an electric drive, is described. The method described includes: (a) providing a valve seat, (b) providing a sealing element, and (c) providing an electromagnetic actuator having a pole core, a magnetic coil, and an armature coupled to the sealing element, the actuator being used to move the sealing element along an axis in response to an electric current in the magnetic coil, wherein the sealing element has an axially tapering surface towards the valve seat, which has at least a first section with a first angle of inclination relative to the axis and a second section with a second angle of inclination relative to the axis.
Das beschriebene Verfahren basiert im Wesentlichen auf der gleichen Idee wie die oben beschriebene Vorrichtung und stellt insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung bereit.The method described is essentially based on the same idea as the device described above and in particular provides a method for producing such a device.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.It is pointed out that embodiments of the invention have been described with reference to different objects of the invention. In particular, some embodiments of the invention are provided with method claims and other embodiments of the invention are provided with pros directional claims described. However, it will be immediately clear to those skilled in the art upon reading this application that, unless explicitly stated otherwise, any combination of features belonging to different types of subject matter is also possible in addition to a combination of features belonging to one type of subject matter objects of the invention.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform.
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1 zeigt ein System zur Wasserstoffversorgung einer Brennstoffzelle. -
2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ventils. -
3 zeigt eine Kennlinie eines Ventils. -
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur regelbaren Dosierung von Wasserstoff an eine Brennstoffzelle. -
5 zeigt eine Detailansicht eines pneumatischen Bereichs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zugehöriger Kennlinie. -
6 zeigt eine Detailansicht eines Bereichs zur Magnetkrafterzeugung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zugehöriger Kennlinie.
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1 shows a system for supplying hydrogen to a fuel cell. -
2 shows a schematic diagram of a valve. -
3 shows a characteristic of a valve. -
4 shows a device according to the invention for the controllable metering of hydrogen to a fuel cell. -
5 shows a detailed view of a pneumatic area of a device according to the invention with the associated characteristic curve. -
6 shows a detailed view of an area for generating magnetic force of a device according to the invention with the associated characteristic curve.
Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.It is pointed out that the embodiments described below only represent a limited selection of possible embodiment variants of the invention.
Zunächst wird mit Bezug auf die
Die
Durch das Ventil 110 für die Wasserstoffdosierung erfolgt die gezielte Zudosierung des Wasserstoffs. Der Druck (Niederdruck) innerhalb der Anode A ist im Bereich mit ca. 0,8 bar bis 4 bar. Mit dem Druckgefälle vom Mitteldruck zum Niederdruck wird im Ventil 110 ein Wasserstoff-Massenstrom eingestellt. Die Regelung des Drucks in der Anode A, einem abgeschlossenen Volumen, erfolgt vorerst dahingehend, dass dieses Volumen über einen definierten Massenstrom an Wasserstoff gefüllt wird. Ein definierter Druck stellt sich im Volumen des Bereichs der Anode A ein.The hydrogen is metered in in a targeted manner through the
Der Wasserstoff reagiert in der Brennstoffzelle 114 mit dem Sauerstoff aus der Kathodenseite K. Der Sauerstoff in der Kathodenseite K wird über die separate Versorgungseinheit 116 zugeführt, welche sicherstellt, dass in diesem Bereich ausreichend Sauerstoff mit einem definierten Druck im Bereich der Kathode K zur Verfügung steht. Ein Überschuss an Sauerstoff kann über den Ausgang 118 entweichen bzw. abgelassen werden.The hydrogen reacts in the
Über die Zeit diffundiert durch die Membran Stickstoff und Wasser von der Kathodenseite K zur Anodenseite A hindurch. Diese blockieren die Kanäle des Wasserstoffpfades und verhindern damit die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs über die gesamte Membran. Um dem vorzubeugen, wird das Gas innerhalb des Anodenbereichs A rezirkuliert. Dies kann durch ein Gasgebläse 124 oder einen Ejektor 112 erfolgen. Hierbei wird das Gas von dem Ausgang 126 der Anode A der Brennstoffzelle 114 dem Eingang 128 der Anode A wieder zugeführt. Dadurch erfolgt ein Gasaustausch innerhalb der Anode A. Unverbrauchter Wasserstoff, Stickstoff und Wasser werden somit aus dem Stack gefördert und wieder zugeführt.Over time, nitrogen and water diffuse through the membrane from the cathode side K to the anode side A. These block the channels of the hydrogen path and thus prevent the even distribution of hydrogen over the entire membrane. To prevent this, the gas within the anode area A is recirculated. This can be done by a
Durch die Rezirkulation steigt der Anteil an Stickstoff und Wasser im Wasserstoffpfad. Wasser kann durch einen Wasserabscheider 120 bei der Rezirkulation abgeschieden werden. Stickstoff wird durch die Betätigung des Spülventils 122 abgeschieden. Durch das Dosieren von neuem Wasserstoff hält das Ventil 110 die Druckdifferenz zwischen Anoden- und Kathodenseite während dem Spülvorgang konstant.The recirculation increases the proportion of nitrogen and water in the hydrogen path. Water can be separated by a
Für die Regelung dieser Druckdifferenz wird der Druck auf der Anoden- und Kathodenseite durch Sensoren gemessen. Über einen Regelalgorithmus stellt die Elektronische Steuerung das Wasserstoffdosierventil 110 so gezielt ein, dass der Druck in der Anode A im definierten Bereich geregelt wird und die erforderliche Druckdifferenz zwischen Anode A und Kathode K für die Reaktion der beiden Gase vorhanden ist.To regulate this pressure difference, the pressure on the anode and cathode side is measured by sensors. The electronic control adjusts the
Die Anforderungen an ein solches Wasserstoffdosierventil 110 sind wie folgt, wobei alle Anforderungen gleichzeitig gelten:
- 1. Regelung und Steuerung des Wasserstoffs in einem möglichst großen Regelbereich.
- 2. Hohe Regelgüte in den
Hauptbetriebsbereichen der Brennstoffzelle 114. - 3. Hohe Regelgüte bei Kleinstmengen.
- 4. Keine Geräuschentwicklung.
- 5. Stromlos geschlossen: bei Unterbrechung des Steuersignals soll Ventil 110 geschlossen sein
- 6. Schutz der Membran auf der Anodenseite A bei Überdruck im Zulaufbereich des
Wasserstoffdosierventils 110. - 7. Regelbarkeit im Kaltstartbereich.
- 8. Keine Beschädigung des Magneten durch einfrierendes Wasser.
- 9. Dichtigkeit des Magneten zur Umwelt - keine externe Leckage.
- 1. Regulation and control of the hydrogen in the widest possible control range.
- 2. High control quality in the main operating ranges of the
fuel cell 114. - 3. High control quality with small quantities.
- 4. No noise.
- 5. Normally closed: when the control signal is interrupted,
valve 110 should be closed - 6. Protection of the membrane on the anode side A in the event of overpressure in the inlet area of the
hydrogen metering valve 110. - 7. Controllability in the cold start area.
- 8. No damage to the magnet from freezing water.
- 9. Magnet tightness to the environment - no external leakage.
Volumenstromregelventile, oder vielmehr für die Brennstoffzellentechnik Massenstromregelventile zur Versorgung der Anode A und Regelung des Anodendrucks sind Ventile, bei denen ein Querschnitt über einen direkt angesteuerten Magneten verschlossen oder freigeben wird. Im Folgenden wird eine optimale Bauform für ein solches Ventil hergeleitet. Ziel für die Funktion sind die ersten drei oben genannten Anforderungen (großer Regelbereich, hohe Regelgüte in Hauptbetriebsbereichen und bei Kleinstmengen).Volume flow control valves, or rather for fuel cell technology mass flow control valves for supplying the anode A and controlling the anode pressure, are valves in which a cross-section is closed or released via a directly controlled magnet. An optimal design for such a valve is derived below. The aim for the function is the first three requirements mentioned above (large control range, high control quality in the main operating areas and for very small quantities).
Hauptelement für die Dimensionierung ist die Pneumatik mit Ventilsitz und Dichtelement. In der
Bei dem Ventil soll bezüglich der Auslegung ein Querschnitt folgende Zustände einnehmen:
- • Keine Querschnittfreigabe - das Ventil soll abdichten - der Hub des Dichtelements
- • kontinuierlicher Massestrom - über ein Ventilelement soll ein definierter Querschnitt vorhanden sein
- • maximaler dauerhafter Massestrom, bei einem maximalen dauerhaften Querschnitt.
- • No cross-section release - the valve should seal - the stroke of the sealing element
- • Continuous mass flow - a defined cross-section should be present via a valve element
- • maximum permanent mass flow, with a maximum permanent cross-section.
Das Dichtelement DE kann unterschiedliche Stellungen im Ventilhub s einnehmen. Im Geschlossenen Zustand (s=0 mm) sitzt das Dichtelement DE mit dem Sitzdurchmesser dS auf dem Ventilsitz VS auf. Der Durchfluss durch das Ventil ist in diesem Zustand nicht vorhanden. Das Ventil dichtet ab. Die Kraft F auf das Dichtelement DE wird durch Druckfläche, die durch den Sitzdurchmesser dS gebildet wird, und der Druckdifferenz auf beiden Seiten des Dichtelements berechnet.The sealing element DE can assume different positions in the valve lift s. When closed (s=0 mm), the sealing element DE with the seat diameter dS sits on the valve seat VS. There is no flow through the valve in this condition. The valve seals. The force F on the sealing element DE is calculated using the pressure area formed by the seat diameter dS and the pressure difference on both sides of the sealing element.
Bei einer Vergrößerung des Ventilhubs s nimmt der durchflossene Querschnitt mit einem Wert x, in Annäherung die Linie senkrecht zu der Ventilsitzoberfläche bis zum Punkt des Sitzdurchmessers dS, zu. Der Wert x entspricht der Länge der Mantelfläche eines Kegelstumpfes. Die Durchflussrichtung ergibt sich über die Druckdifferenz über das Dichtelement DE.With an increase in the valve lift s, the cross-section through which flow occurs increases with a value x, approximately the line perpendicular to the valve seat surface up to the point of the seat diameter dS. The value x corresponds to the length of the lateral surface of a truncated cone. The direction of flow results from the pressure difference across the sealing element DE.
Dieser Querschnitt des Kegelstumpfes mit der Mantelflächenlänge x ist solange wirksam, als diese Fläche kleiner als der Querschnitt der Bohrung dB ist. Bei größeren Ventilhüben s ist der Querschnitt der Bohrung dB wirksam.This cross-section of the truncated cone with the lateral surface length x is effective as long as this surface is smaller than the cross-section of the hole dB. With larger valve lifts s, the cross-section of the bore dB is effective.
Bei der Auslegung gibt es drei Parameter, zwischen denen immer ein Optimum gefunden werden muss. Der Bohrungsdurchmesser dB definiert den maximal möglichen Massenstrom. Danach wird der minimal erforderliche Hub definiert, bei dem die Querschnittsfläche zwischen Dichtelement DE und Ventilsitz VS gerade noch nicht wirksam ist. Mit dem Ventilsitzwinkel α kann nach den Anforderungen die Querschnittsfläche im Hub eingestellt werden, wobei gleichzeitig die Bedingung der Wirksamkeit der Fläche des Bohrungsdurchmessers dB zu beachten ist.When designing, there are three parameters between which an optimum must always be found. The bore diameter dB defines the maximum possible mass flow. Then the minimum required lift is defined, at which the cross-sectional area between the sealing element DE and the valve seat VS is just not yet effective. With the valve seat angle α, the cross-sectional area in the stroke can be adjusted according to the requirements, while at the same time the condition of the effectiveness of the area of the bore diameter dB must be observed.
Auswahlparameter für den Aktuator sind die erforderliche Kraft des Dichtelements DE im geschlossenen Zustand und der erforderliche Ventilhub s, der dem Magnethub bei einem direktgesteuerten Ventil entspricht.Selection parameters for the actuator are the required force of the sealing element DE in the closed state and the required valve lift s, which corresponds to the magnet lift in a directly controlled valve.
Ziel von der Seite der Pneumatik ist es, für eine möglichst genaue Regelung in einem möglichst großen Bereich, einen großen wirksamen Ventilhub zu haben, mit einer möglichst großen massenstromdefinierenden Blende mit einem Durchmesser dB und einer daraus großen resultierenden pneumatischen Kraft im geschlossenen Zustand.The aim of the pneumatics is to have a large effective valve lift for the most precise control possible in the largest possible range, with the largest possible mass flow-defining orifice with a diameter dB and a large resulting pneumatic force in the closed state.
Das Ziel von der Seite der Pneumatik steht in einem direkten Zielkonflikt mit der Wahl des Aktuators mit möglichst kleinem Bauraum, bei dem der Hub möglichst klein sein muss, um eine ausreichende Kraft in Abhängigkeit des Aktuatorhubs zu erhalten.The aim of the pneumatics is in direct conflict with the choice of the actuator with the smallest possible installation space, in which the stroke must be as small as possible in order to obtain sufficient force as a function of the actuator stroke.
Die wichtigste Anforderung für die Auswahl des Aktuators ist (vgl. Nr. 4 oben): Keine Geräuschentwicklung - kontinuierliche und dauerhafte Freigabe eines definierten Querschnitts.The most important requirement for the selection of the actuator is (see No. 4 above): No noise development - continuous and permanent release of a defined cross-section.
Bei der Wahl des Magneten kann bereits ab dem Punkt „keine Geräuschentwicklung“ ein schaltender Magnet (mit nur zwei Schaltstellungen z.B. den von einem Injektor) ausgeschlossen werden. Der erste Grund ist die Geräuschentwicklung beim Schalten. Der zweite Grund ist, dass diese Magneten auf eine hohe Schaltgeschwindigkeit ausgelegt sind. Das bedeutet einerseits, dass der Widerstand gering ist (schnelle Stromerhöhung bei Spannungsbeaufschlagung). Dadurch würde dieser bei einer dauerhaften Bestromung überhitzten. Selbst wenn der Widerstand höher wäre, ist andererseits der Magnethub zu gering. Beim Schaltmagneten nimmt die Kraft bei größeren Polabständen δ stark ab. Hier wäre der erforderliche Strom zur Krafterzeugung sehr groß, und dadurch die Gefahr zur Überhitzung der Spule vorhanden. Um ein Überhitzen zu verhindern müsste man den Magneten zeitweise ausschalten, was zu einem zeitweisen Verschluss der Bohrung führen würde. Die Konsequenz wäre eine größere Bohrung und auch wieder ein größerer Magnet, um bei einer größeren Bohrung die pneumatischen Kräfte halten zu können.When choosing the magnet, a switching magnet (with only two switching positions, for example that of an injector) can be ruled out from the point of “no noise development”. The first reason is the noise generated when shifting gears. The second reason is that these magnets are designed for high switching speed. On the one hand, this means that the resistance is low (quick current increase when voltage is applied). This would cause it to overheat if it was energized for a long time. On the other hand, even if the resistance were higher, the magnet stroke is too small. In the case of switching magnets, the force decreases sharply with larger pole distances δ. In this case, the current required to generate the power would be very high, and the risk of the coil overheating would therefore exist. To prevent overheating, one would have to temporarily turn off the magnet, which would result in a temporary plugging of the bore. The consequence would be a larger bore and again a larger magnet in order to be able to hold the pneumatic forces with a larger bore.
Bei einer Linearisierung wird die Magnetkraft im Vergleich zu einem Schaltmagneten bei kleinen Magnethüben geschwächt, und für größere Magnethübe angehoben. Dadurch kann der Gesamthub eines Magneten vergrößert werden, die Magnetkraft an die Pneumatik angepasst und die nutzbare Arbeit vergrößert werden. Schwierig wird die Linearisierung, wenn der Magnet im Innenbereich druckausgeglichen sein muss und eine externe Dichtigkeit sichergestellt werden soll, und die Bauform des Magneten klein sein soll.With linearization, the magnetic force is weakened compared to a switching magnet for small magnet strokes and increased for larger magnet strokes. As a result, the total stroke of a magnet can be increased, the magnetic force can be adapted to the pneumatics and the usable work can be increased. The linearization becomes difficult if the magnet has to be pressure-balanced in the interior and external tightness has to be ensured, and the design of the magnet has to be small.
Die Ansteuerung erfolgt üblicherweise über einen „Gleichstrom“. Da im Fahrzeug nur eine Spannung aus einer Batterie vorliegt, wird diese Spannung über eine Pulsweitenmodulation in einen Gleichstrom umgewandelt. Bei passender Auslegung eines linearisierten Magneten kann ein Kennfeld beim Aktuator erzeugt werden, bei dem die Magnetkraft nur von einem angelegten Stromniveau abhängt. Arbeitet ein solcher linearisierter Magnet gegen eine Druckfeder und die pneumatischen Kräfte, kann mit einer solchen Charakteristik ein Magnetsystem aufgestellt werden, bei dem der Weg direkt abhängig von eingestellten Stromniveau ist. Die Frequenz für die Pulsweitenmodulation bestimmt dann die Welligkeit dieses Gleichstroms. Da die Magnetkraft direkt von Strom abhängig ist wird durch die Stromwelligkeit eine Schwingbewegung erzeugt. Der Anker wird durch die Schwingung einem Zustand mit Gleitreibung zum Gegenlager bewegt. Dadurch kann die Reibung im System und damit die Hysterese der Funktionskennlinie geringgehalten werden.Control is usually via a "direct current". Since the vehicle only has voltage from a battery, this voltage is converted into direct current using pulse width modulation. With a suitable design of a linearized magnet, a characteristic map can be generated for the actuator in which the magnetic force only depends on an applied current level. If such a linearized magnet works against a compression spring and the pneumatic forces, a magnet system can be set up with such a characteristic, in which the path is directly dependent on the set current level. The frequency for the pulse width modulation then determines the ripple of this direct current. Since the magnetic force is directly dependent on the current, an oscillating movement is generated by the current ripple. The armature is moved towards the counter bearing by the vibration in a state with sliding friction. As a result, the friction in the system and thus the hysteresis of the functional characteristic can be kept low.
Der Proportionalmagnet ist auch aus thermischer Sicht vorteilhaft. Randbedingung ist neben den Druck- und Massenstromfunktionen, dass der Magnet in einem großen Umgebungstemperaturbereich nicht thermisch überlastet wird. Ziel ist, dass die Pneumatik bei einem definierten Gleichstrom dauerhaft offengehalten werden kann, ohne thermisch zu überlasten. Der Spulenwiderstand ist bei geringen Temperaturen niedrig, und steigt bei höheren Temperaturen. Aufbauend auf der Umgebungstemperatur erwärmt die eingebrachte elektrische Leistung den Spulenwiderstand weiter. Die Spulendrahttemperatur darf einen gewissen Wert (z.B. 200°C) nicht überschreiten, da sonst die Isolierung des Spulendrahts beschädigt werden könnte. Auf dieser Basis kann ein maximaler Regelbereich der Kennlinie bis zu einem Strom Imax definiert werden, bei dem der vollständige Massenstrom eingestellt werden kann, und auf der anderen Seite die Spule nicht thermisch beschädigt wird.The proportional magnet is also advantageous from a thermal point of view. In addition to the pressure and mass flow functions, the boundary condition is that the magnet is not thermally overloaded in a large ambient temperature range. The aim is that the pneumatics can be kept permanently open with a defined direct current without being thermally overloaded. Coil resistance is low at low temperatures and increases at higher temperatures. Based on the ambient temperature, the electrical power introduced further heats the coil resistance. The coil wire temperature must not exceed a certain value (e.g. 200°C), otherwise the insulation of the coil wire could be damaged. On this basis, a maximum control range of the characteristic can be defined up to a current Imax, at which the full mass flow can be set and on the other hand the coil is not thermally damaged.
Nach der pneumatischen Auslegung des Magneten ist eine weitere Anforderung an das Ventil die Betriebsart, damit im Fehlerfall kein Schaden entsteht, oder Notlaufeigenschaften vorhanden sind. In diesem Fall ist definiert, dass im Fehlerfall, wenn kein elektrisches Signal vorhanden ist (Ausfall Elektronik, Beschädigung Kabelbaum, Stecker oder Durchbrennen der Spule) kein Massenstrom zum Stack vorhanden sein darf, um eine Beschädigung des Stacks zu verhindern. Die Anforderung aus o.g. Anforderungsliste lautet (vgl. Nr. 5 oben), dass das stromlos geschlossen sein muss. Hier gibt es mehrere Möglichkeiten für einen Aufbau eines solchen Ventils, die sich insbesondere durch die Richtung der Magnetkraft, der Kraft der Druckfeder und der pneumatischen Kraft unterscheiden.After the pneumatic design of the magnet, another requirement for the valve is the operating mode, so that no damage occurs in the event of a fault or emergency running properties are available. In this case, it is defined that in the event of an error, if there is no electrical signal (failure of electronics, damage to the wiring harness, connector or coil burnout), there must be no mass flow to the stack in order to prevent damage to the stack. The requirement from the above list of requirements is (see No. 5 above) that the must be closed when de-energized. There are several options for constructing such a valve, which differ in particular in the direction of the magnetic force, the force of the compression spring and the pneumatic force.
Betrachtet man die nächste Anforderung (vgl. Nr. 6 oben), d.h. Schutz der Membran auf der Anodenseite bei Überdruck im Zulaufbereich des Wasserstoffdosierventils, entsprechen nur die Konzepte dieser Anforderung bei denen kein Öffnungsdruck durch die Pneumatik vorhanden ist. Das bedeutet, dass durch eine Druckerhöhung das Ventilelement durch die Pneumatik nicht aufgeschoben werden kann. Dadurch kann kein oder nur geringe Mengen an Medium in den Anodenbereich gelangen, sodass die Membran in der Anode vor Überdruck geschützt ist.If you look at the next requirement (see No. 6 above), i.e. protection of the membrane on the anode side in the event of overpressure in the inlet area of the hydrogen metering valve, only the concepts in which there is no opening pressure from the pneumatics meet this requirement. This means that the valve element cannot be pushed open by the pneumatics due to an increase in pressure. As a result, no or only small amounts of medium can get into the anode area, so that the membrane in the anode is protected from overpressure.
In Anbetracht der letzten beiden Anforderungen (vgl. Nr. 7 und 8 oben) ergibt sich nun, dass der Aktuator im Bereich des trockenen Wasserstoffs im Zulauf liegen muss. Auf der Niederdruckseite sind neben dem dosierten Wasserstoff und Stickstoff auch noch Wasserdampf und deionisiertes Wasser. Würden diese Medien im Bereich des Aktuators vorhanden sein, könnte durch gefrorenes Wasser im Bereich der bewegten Teile die Regelbarkeit im Kaltstartbereich stark eingeschränkt, bis gar nicht vorhanden sein. Da sich Wasser beim Einfrieren ausdehnt, könnte der Magnet, falls Wasser im Magnetbereich gefriert, durch die Volumenausdehnung beschädigt werden.In view of the last two requirements (see Nos. 7 and 8 above), it now follows that the actuator must be in the area of the dry hydrogen in the inlet. In addition to the dosed hydrogen and nitrogen, there is also water vapor and deionized water on the low-pressure side. If these media were to be present in the area of the actuator, frozen water in the area of the moving parts could affect controllability in the cold starting area severely restricted, if not even available. Since water expands when it freezes, if water freezes in the area of the magnet, the volume expansion could damage the magnet.
Diese Überlegungen führen zum folgenden Ergebnis: Der Zulauf des Mediums erfolgt im Bereich des Magneten. Damit ist der Magnet vor Einfrieren geschützt. Durch die Druckdifferenz wird verhindert, dass Medium im Fehlerfall zur Anode kommt. Durch die Wahl des Proportionalmagneten kann die elektrische Leistung beschränkt werden und die Blende dauerhaft geöffnet werden. Dadurch kann der Magnet fast lautlos betrieben werden, fast ohne mechanische Belastung des Ventilelements. Die Funktionskennlinie (Zusammenhang zwischen Massenstrom m' und Spulenstrom) eines solchen Ventils ist in der
Ziel für die genaue Regelung ist ein möglichst geringer Öffnungsstrom löffnen und eine möglichst flache Kennlinie zum Punkt Imax, wobei die Kennlinie des Ventils auch an den Bedarf der Brennstoffzelle angepasst sein soll.The goal for precise control is the lowest possible opening current lopen and the flattest possible characteristic curve to point Imax, with the characteristic curve of the valve also being adapted to the requirements of the fuel cell.
Dieses Ziel erfordert
- • einen möglichst großen wirksamen Hub im Bereich der Pneumatik,
- • einen Magneten mit einem möglichst großen Hub und einer möglichst großen vorhandenen Magnetkraft und
- • darüber hinaus auch Möglichkeiten zur Formung der Kennlinie in einem Kräftegleichgewicht zwischen pneumatischen Kräften, magnetischen Kräften und mechanischen Kräften, die abhängig von einem Weg (Hub) sind.
- • the largest possible effective stroke in the field of pneumatics,
- • a magnet with the greatest possible stroke and the greatest possible existing magnetic force and
- • In addition, options for forming the characteristic curve in a force balance between pneumatic forces, magnetic forces and mechanical forces that are dependent on a path (stroke).
Das Problem bei diesen Ventilen ist der Zielkonflikt zwischen den relativ hohen Drücken in der Mitteldruckleitung wegen der relativ hohen erforderlichen Massenströme und der damit verbundenen Zulaufblende, der Bauform zur Erfüllung der erforderlichen Funktionen und des begrenzten Bauraums inklusive der Anforderung, dass der Magnet im Innenbereich druckausgeglichen und gegen die Umwelt abgedichtet sein muss.The problem with these valves is the conflict of objectives between the relatively high pressures in the medium-pressure line due to the relatively high required mass flows and the associated inlet orifice, the design to fulfill the required functions and the limited installation space, including the requirement that the magnet be pressure-balanced in the interior and must be sealed from the environment.
Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Ziel ist einen großen Regelbereich für eine zielgerichtet genaue Wasserstoffdosierung bei gleichzeitig hoher Mindermengengüte zu erzielen. In diesem Regelbereich ist der Gradient steigend. Der Zulaufblendenquerschnitt soll nicht in der Kennlinie des Regelbereichs wirksam sein, nur im Falle des maximalen Regelstroms. Das bedeutet, dass die Kennlinie oberhalb des Regelbereichs nicht annähernd waagerecht sein soll.The aim on which the present invention is based is to achieve a large control range for targeted, precise hydrogen metering while at the same time having a high quality in small quantities. In this control range, the gradient is increasing. The inlet orifice cross-section should not be effective in the characteristic curve of the control range, only in the case of the maximum control current. This means that the characteristic curve should not be approximately horizontal above the control range.
Die
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung findet sich in der Ausformung des pneumatischen Bereichs. Die
Die
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JPS60241586A (en) | 1984-05-15 | 1985-11-30 | Saginomiya Seisakusho Inc | Electrically-driven control valve in refrigerating apparatus |
US20040257185A1 (en) | 2003-06-09 | 2004-12-23 | Borgwarner Inc. | Variable force solenoid |
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- 2021-03-04 DE DE102021202116.6A patent/DE102021202116B4/en active Active
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JPS60241586A (en) | 1984-05-15 | 1985-11-30 | Saginomiya Seisakusho Inc | Electrically-driven control valve in refrigerating apparatus |
US20040257185A1 (en) | 2003-06-09 | 2004-12-23 | Borgwarner Inc. | Variable force solenoid |
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