Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums

Die Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, beispielsweise zur Anwendung in Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb.

Stand der Technik

Die DE 10 2012 204 565 AI beschreibt eine Dosiervorrichtung, hier als Proportionalventil ausgebildet, zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Proportionalventil einen Düsenkörper, ein Schließelement und ein elastisches Dichtelement umfasst. In dem Düsenkörper ist wenigstens eine Durchlassöffnung ausgebildet, welche durch das Schließelement an einem Ventilsitz freigegeben oder verschlossen werden kann. Das elastische Dichtelement dichtet dabei am Ventilsitz ab.

Die in der Dosiervorrichtung auftretenden Temperaturänderungen haben jedoch Einfluss auf die Verformung des elastischen Dichtelements. Dadurch kann der Öffnungsvorgang der Dosiervorrichtung beeinträchtigt werden, da die Hubbewegung des Schließelements nicht mehr präzise eingestellt werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, weist diesbezüglich den Vorteil auf, dass trotz der Temperaturabhängigkeit des elastischen Dichtelements eine optimale Funktionsweise der Dosiervorrichtung erzielt wird. Dazu weist die Dosiervorrichtung zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, ein Ventilgehäuse auf, in welchem ein Innenraum ausgebildet ist. In dem Innenraum ist ein hubbeweglicher Anker mit einem elastischen Dichtelement angeordnet, das zum Öffnen oder Schließen mindestens einer Durchlassöffnung mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Weiterhin ist an dem Anker ein Rahmenelement angeordnet und mit diesem fest verbunden, wobei das elastische Dichtelement in einer Ausnehmung des Rahmenelements so aufgenommen ist, dass die thermische Ausdehnung des elastischen Dichtelements und die thermische Ausdehnung des Rahmenelements an einer Berührungsflä- che gleich sind, wobei das Rahmenelement in radialer Richtung bezüglich einer

Längsachse der Dosiervorrichtung einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als in axialer Richtung bezüglich der Längsachse der Dosiervorrichtung. Dadurch wird durch Überlagerung der thermischen axialen und radialen Ausdehnung eine Verringerung der axialen Ausdehnung des elastischen Dichtelements erzielt, so dass keine Veränderung in Hubrichtung des elastischen Dichtelements erfolgt. So ist trotz thermischer Ausdehnung des elastischen Dichtelements eine präzise Einstellung des Öffnungshubs der Dosiervorrichtung möglich, wodurch eine bedarfsgerechte Einstellung an gasförmigem Medium in einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle gewährleistet ist.

In erster vorteilhafter Weiterbildung ist es vorgesehen, dass das Rahmenelement aus einem kohlefaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist. Dadurch kann das elastische Dichtelement in einfacher Weise in dem Rahmenelement aufgenommen und an der Berührungsfläche an die thermische Ausdehnung des Rahmenelements angepasst werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass der Anker mittels eines Elektromagneten hubbewegbar ist und mittels einer Schließfeder in Richtung des Ventilsitzes kraftbeaufschlagt ist. Vorteilhafterweise ist die Schließfeder zwischen dem Ventilgehäuse und dem Anker angeordnet und in einer Ausnehmung des Elektromagneten aufgenommen. Dadurch kann die Schließfeder in einfacher konstruktiver Weise in der Dosiervorrichtung angeordnet werden.

In vorteilhafter Weiterbildung ist der Ventilsitz an einer Erhebung des Ventilgehäuses als Flachsitz ausgebildet. Durch die Verwendung eines flachen Ventilsitzes in Kombination eines elastischen Dichtelements kann in einfacher Weise und ohne große konstruktive Veränderungen die Dichtheit der Dosiervorrichtung sichergestellt werden, so dass beispielsweise kein Wasserstoff aus der Dosiervorrichtung austreten kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorteilhaft vorgesehen, dass in dem Ventilgehäuse ein Durchlasskanal ausgebildet ist, durch welchen der Innenraum mit gasförmigem Medium befüllbar ist.

Die beschriebene Dosiervorrichtung eignet sich vorzugsweise in einer Brennstoffzellenanordnung zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr zu einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle. Vorteile sind die geringen Druckschwankungen im Anodenpfad und ein leiser Betrieb.

Zeichnungen

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung zur Steuerung einer Gaszufuhr, insbesondere Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle, dargestellt. Es zeigt in

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung mit einem Rahmenelement im Längsschnitt,

Fig. 2 das Rahmenelement aus der Fig. 1 im Querschnitt, wobei nur die

rechte Hälfte gezeigt ist. Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig.l zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 1 im Längsschnitt. Die Dosiervorrichtung 2 weist ein Ventilgehäuse 2 auf, in dem ein Innenraum 18 ausgebildet ist. In dem Innenraum 18 ist ein Elektromagnet 50 angeordnet, der eine Magnetspule 5 mit einem Magnetspulengehäuse 6 und einen Magnetkern 7 umfasst.

Weiterhin ist in dem Innenraum 18 ein hubbeweglicher Anker 10 angeordnet, an dem ein Rahmenelement 11 angeordnet und mit diesem fest verbunden ist. In dem Rahmenelement 11 ist in einer Ausnehmung 27 ein elastisches Dichtelement 12 angeordnet. Das elastische Dichtelement 12 wirkt mit einem Ventilsitz 14 zum Öffnen und Schließen einer Durchlassöffnung 3 zusammen. Der Dichtsitz 14 ist dabei als Flachsitz an einer Erhebung 16 des Ventilgehäuses 2 ausgebildet.

Radial zu einer Längsachse 15 der Dosiervorrichtung 1 ist in dem Ventilgehäuse 2 ein Durchlasskanal 4 ausgebildet, wodurch der Innenraum 18 der Dosiervorrichtung 1 mit gasförmigem Medium, beispielsweise Wasserstoff, befüllbar ist. Über die Durchlassöffnung 3 kann das gasförmige Medium aus der Dosiervorrichtung 1 in Richtung einem Anodenbereich einer Brennstoffzellenanordnung austreten.

Zwischen dem Ventilgehäuse 2 und dem Anker 10 in einer Ausnehmung 9 des Magnetkerns 7 ist eine Schließfeder 8 angeordnet, die den Anker 10 in Richtung des Ventilsitzes 14 kraftbeaufschlagt, so dass das elastische Dichtelement 12 in einer Schließstellung der Dosiervorrichtung 1 gegen den Ventilsitz 14 gedrückt wird. Der Anker 10 kann dabei beispielsweise über das Ventilgehäuse 2 in der Dosiervorrichtung 1 geführt sein, so dass Verkippungen bezüglich des Dichtsitzes 14 minimiert sind.

Die Funktionsweise der Dosiervorrichtung 1 ist wie folgt:

Bei nicht bestromter Magnetspule 5 wird das elastische Dichtelement 12 über die Schließfeder 8 an den Ventilsitz 14 gedrückt, so dass kein gasförmiges Medium aus der Dosiervorrichtung 1 in Richtung der Durchlassöffnung 3 erfolgt. Wird die Magnetspule 5 bestromt, so wird eine magnetische Kraft auf den Anker 10 erzeugt, welcher der Schließkraft der Schließfeder 8 entgegengerichtet ist und diese überkompensiert. Das elastische Dichtelement 12 hebt vom Ventilsitz 14 ab. Ein Gasdurchfluss durch die Dosiervorrichtung 1 ist freigegeben.

Der Hub des Ankers 10 kann über die Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 5 eingestellt werden. Je höher die Stromstärke an der Magnetspule 5, desto größer ist der Hub des Ankers 10 und desto höher ist auch der Gasdurchfluss in der Dosiervorrichtung 1, da die Kraft der Schließfeder 8 hubabhängig ist. Wird die

Stromstärke an der Magnetspule 5 reduziert, wird auch der Hub des Ankers 10 reduziert und somit der Gasdurchfluss gedrosselt.

Wird der Strom an der Magnetspule 5 unterbrochen, wird die magnetische Kraft auf den Anker 10 abgebaut. Das elastische Dichtelement 12 bewegt sich in Richtung des Ventilsitzes 14 und dichtet an diesem wieder ab. Der Gasdurchfluss in der Dosiervorrichtung 1 ist unterbrochen.

In der Dosiervorrichtung 1 auftretende Temperaturänderungen führen zu thermischen Ausdehnungen an dem elastischen Dichtelement 12. Dadurch wird der Hub des Ankers 10 beeinflusst, was zu unpräzisen Hubeinstellungen führen kann. Durch den Einsatz des Rahmenelements 11, in welchem das elastische Dichtelement 12 aufgenommen ist, können diese thermischen Ausdehnungen kompensiert werden.

Fig.2 zeigt das Rahmenelement 11 aus dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung 1 der Fig.l im Querschnitt, wobei nur die rechte Hälfte gezeigt ist. Das elastische Dichtelement 12 ist in der Ausnehmung 27 des Rahmenelements 11 angeordnet. Dabei ist das elastische Dichtelement 12 an einer Berührungsfläche 30 fest mit dem Rahmenelement 11 verbunden.

Das Rahmenelement 11 weist weiterhin in einer radialen Richtung 20 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als in einer axialen Richtung 21 zu der Längsachse 15 der Dosiervorrichtung 1. Durch die feste Verbindung des elastischen Dichtelements 12 mit dem Rahmenelement 11 über die Berührungsfläche 30 weist das elastische Dichtelement 12 in einer radialen Richtung 24 dieselbe thermische Ausdehnung auf wie das Rahmenelement 11. Weist das elastische Dichtelement 12 dennoch einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten in einer axialen Richtung 25 auf als in radialer Richtung 24 bezüglich der Längsachse 15 der Dosiervorrichtung 1, wird durch die Berührungsfläche 30 und die dadurch entstehende Überlagerung der thermischen axialen und radialen Ausdehnung des elastischen Dichtelements 12 eine Verringerung der thermischen Ausdehnung des elastischen Dichtelements 12 in axialer Richtung 25 bezüglich der Längsachse 15 bewirkt. Die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung 1 kann beispielsweise in einer Brennstoffzellenanordnung Verwendung finden. Mittels der Dosiervorrichtung 1 kann einem Anodenbereich der Brennstoffzelle Wasserstoff aus einem Tank zugeführt werden. Je nach Höhe der Stromstärke an der Magnetspule 5 der Dosiervorrichtung 1 , durch welche der Hub des elastischen Dichtelements 12 betätigt wird, wird damit ein Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 3 derart verändert, dass kontinuierlich eine bedarfsgerechte Einstellung der der Brennstoffzelle zugeführten Gasströmung erfolgt.

Die Dosiervorrichtung 1 zum Steuern eines gasförmigen Mediums weist somit den Vorteil auf, dass hierbei die Zuführung des ersten gasförmigen Mediums und die Zudosierung von Wasserstoff in den Anodenbereich der Brennstoffzelle mittels elektronisch gesteuerten Anpassung des Strömungsquerschnitts der Durchlassöffnung 3 bei gleichzeitiger Regelung des Anodendrucks wesentlich exakter erfolgen kann. Hierdurch werden die Betriebssicherheit und Dauerhaltbarkeit der angeschlossenen Brennstoffzelle deutlich verbessert, da Wasserstoff immer in einem überstöchiometrischen Anteil zugeführt wird. Zudem können auch Folgeschäden, wie zum Beispiel Beschädigungen eines nachgeordneten Katalysators, verhindert werden.