Dosierventil

Die Erfindung betrifft ein Dosierventil zum Zuführen von Gas an eine

Brennstoffzelle.

Stand der Technik

Brennstoffzellensysteme umfassen herkömmlicherweise eine Brennstoffzelle, die einen Kathodenraum und einen von dem Kathodenraum durch eine Membran getrennten Anodenraum aufweist, weiterhin umfassend eine Anodengasquelle, eine mit der Anodengasquelle und dem Anodenraum verbundene Gaszuführung, eine mit dem Anodenraum verbundene Abluftleitung, eine Kathodengasquelle, eine mit der Kathodengasquelle und dem Kathodenraum verbundene

Gaszuführung und eine mit dem Kathodenraum verbundene Abluftleitung.

In der Gaszuführung des Anodenraums ist herkömmlicherweise ein Dosierventil angeordnet.

DE 10 2013 226 820 AI offenbart eine Steuereinheit, welche einen

Betriebszustand der Brennstoffzelle erkennt und in Abhängigkeit des

Betriebsstatus das Dosierventil ansteuert, also insbesondere einen

Durchflussquerschnitt bzw. einen Druck variiert.

Herkömmliche Dosierventile weisen überdies Nachteile bei der Werkstoffauswahl auf, da bei einem Betrieb des Dosierventils Gas aus einem Ventilbereich in einen Magnetbereich des Dosierventils strömt bzw. diffundiert. Somit kommt es zu einer nachteilhaften Versprödung von Bauteilen im Magnetbereich des Dosierventils. Es ist daher wünschenswert, vorstehend genannte Nachteile zu vermeiden.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Dosierventil zum Zuführen von Gas an eine Brennstoffzelle, mit einem Grundkörper, in welchem ein Elektromagnet angeordnet ist, und einer Düse, welche mit dem Grundkörper verbunden ist, wobei in der Düse ein Anker zum Betätigen eines Verschlusselements angeordnet ist, wobei das Verschlusselement dazu ausgebildet ist, einen

Dichtsitz des Dosierventils zu öffnen und zu schließen, wobei der Anker von dem Elektromagnet betätigbar ist, wobei die Düse eine Einlassöffnung zum Zuführen von Gas an das Dosierventil und eine Auslassöffnung zum Abführen von Gas an die Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen dem Grundkörper und der Düse oder im Bereich der Düse eine Membran zum gasdichten Abdichten der Düse angeordnet ist.

Eine Idee der vorliegenden Erfindung ist es, durch Anordnen der Membran zwischen dem Grundkörper und der Düse oder im Bereich der Düse eine gasdichte Abdichtung eines durch den Grundkörper ausgebildeten

Magnetbereichs des Dosierventils und einem durch die Düse ausgebildeten Ventilbereich des Dosierventils vorzusehen. Somit kann in vorteilhafter Weise eine Optimierung der Werkstoffauswahl getroffen werden, da durch das

Vorsehen der Membran kein Gas von dem Ventilbereich in den Magnetbereich entweichen kann und einer geringen Neigung zur h -Versprödung vorzusehen.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran in Radialrichtung des Dosierventils in dem Dosierventil angeordnet ist, wobei die Membran an einem ersten Endabschnitt mit dem Anker oder einer mit dem Anker gekoppelten Lagerstange des Ankers verbunden ist. Somit kann eine effektive Abgrenzung bzw. Abdichtung des Grundkörpers und der Düse vorgesehen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran mit dem Anker oder der mit dem Anker gekoppelten Lagerstange des

Ankers in Radialrichtung des Dosierventils positionsfest verbunden ist, und wobei die Membran bei einer Bewegung des Ankers oder der mit dem Anker gekoppelten Lagerstange des Ankers in Axialrichtung des Dosierventils mit dem Anker mitbewegbar ist. Somit kann die Membran in vorteilhafter Weise neben ihrer Funktion der Abdichtung die Bewegung des Ankers oder der Lagerstange aufnehmen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran an einem zweiten Endabschnitt an zumindest einem positionsfest angeordneten Bauteil der Düse, insbesondere zwischen einem ersten

Gehäuseelement und einem zweiten Gehäuseelement eines Gehäuses des Dosierventils geklemmt oder stoffschlüssig verbunden ist. Somit ist die Membran an ihrem anderen Endabschnitt positionsfest im Dosierventil befestigt und kann eine effektive Abdichtung vornehmen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Membran aus einem flexiblen Werkstoff ausgebildet und/oder zwischen dem Anker oder einer mit dem Anker gekoppelten Lagerstange des Ankers und dem positionsfest angeordneten Bauteil der Düse derart eingespannt ist, dass die Membran im Wesentlichen wellenförmig ausgebildet ist. Somit kann die

Membran durch ihre Länge als auch Flexibilität die Bewegung des Ankers oder der mit dem Anker gekoppelten Lagerstange in vorteilhafter Weise ausgleichen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement des Gehäuses benachbart zueinander angeordnet sind, wobei das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement des Gehäuses durch ein im Wesentlichen L-förmiges

Befestigungselement aneinander gefügt sind. Somit kann durch Vorsehen des im Wesentlichen L-förmigen Befestigungselements die Membran zwischen dem ersten Gehäuseelement des Gehäuses und dem zweiten Gehäuseelement des Gehäuses eingeklemmt bzw. gehalten werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das im Wesentlichen L-förmige Befestigungselement mit dem ersten Gehäuseelement und mit dem zweiten Gehäuseelement des Gehäuses verbunden, vorzugsweise verschraubt, geklebt oder verschweißt ist. Somit kann eine einfache und sichere Befestigung des ersten Gehäuseelements an dem zweiten Gehäuseelement bzw. umgekehrt vorgesehen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Anker oder der mit dem Anker gekoppelten Lagerstange des Ankers und dem ersten Gehäuseelement ein erstes Lager angeordnet ist, und wobei zwischen dem Anker oder der mit dem Anker gekoppelten Lagerstange des Ankers und dem zweiten Gehäuseelement ein zweites Lager angeordnet ist. Die Lagerelemente dienen in vorteilhafter Weise zur Erzeugung der Dichtkraft an der Membran.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Anker durch einen Tauchanker ausgebildet ist, wobei der Anker durch ein

Federelement rückstellbar ist. Somit ist ein effektives Öffnen und Schließen des Dichtsitzes bei gleichzeitig effektiver Abdichtung des Grundkörpers gegenüber der Düse realisierbar. Die beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich beliebig miteinander kombinieren.

Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der

Erfindung. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die beiliegenden Zeichnungen sollen ein weiteres Verständnis der

Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen

Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung.

Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die dargestellten Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Dosierventils zum Zuführen von Gas an eine Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 2 eine Detailansicht einer Düse des Dosierventils zum Zuführen von

Gas an die Brennstoffzelle gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Elemente, Bauteile oder Komponenten, soweit nichts

Gegenteiliges angegeben ist.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Dosierventils zum Zuführen von Gas an eine Brennstoffzelle gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der

Erfindung.

Das Dosierventil 1 zum Zuführen von Gas an die Brennstoffzelle weist einen Grundkörper 10 auf. In dem Grundkörper 10 ist ein Elektromagnet 12

angeordnet. Des Weiteren umfasst das Dosierventil 1 eine Düse 14, welche mit dem Grundkörper 10 verbunden ist. In der Düse 14 ist ein Anker 16 zum

Betätigen eines Verschlusselements 18 angeordnet. Das Verschlusselement 18 ist dazu ausgebildet, einen Dichtsitz 20 des Dosierventils 1 zu öffnen und zu schließen, wobei der Anker 16 von dem Elektromagnet 12 betätigbar ist, wobei die Düse 14 eine Einlassöffnung 30 zum Zuführen von Gas an das Dosierventil 1 und eine Auslassöffnung 32 zum Abführen von Gas an die Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen dem Grundkörper 10 und der Düse 14 oder im Bereich der Düse 14 eine Membran 34 zum gasdichten Abdichten der Düse 14 angeordnet ist.

Die Membran 34 ist in Radialrichtung R des Dosierventils 1 in dem Dosierventil 1 angeordnet. Die Membran 34 ist an einem ersten Endabschnitt 34a mit dem Anker 16 verbunden. Alternativ kann die Membran 34 beispielsweise an dem ersten Endabschnitt 34a mit einer mit dem Anker 16 gekoppelten Lagerstange 36 des Ankers 16 verbunden sein.

Die Membran 34 ist mit dem Anker 16 in Radialrichtung des Dosierventils 1 positionsfest verbunden. Alternativ kann der Anker 16 mit der mit dem Anker 16 gekoppelten Lagerstange 36 des Ankers 16 in Radialrichtung des Dosierventils 1 positionsfest verbunden sein.

Die Membran 34 ist bei einer Bewegung des Ankers 16 in Axialrichtung des Dosierventils 1 mit dem Anker 16 mitbewegbar. Alternativ kann die Membran 34 mit der mit dem Anker 16 gekoppelten Lagerstange 36 des Ankers 16 in

Axialrichtung des Dosierventils 1 mitbewegbar sein.

Die Membran 34 ist an einem zweiten Endabschnitt 34b an zumindest einem positionsfest angeordneten Bauteil 38 der Düse 14, insbesondere zwischen einem ersten Gehäuseelement 40 und einem zweiten Gehäuseelement 42 eines Gehäuses 44 des Dosierventils 1 geklemmt. Alternativ kann beispielsweise eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen sein.

Die Membran 34 ist aus einem flexiblen Werkstoff ausgebildet. Ferner ist die Membran 34 zwischen dem Anker 16 und dem positionsfest angeordneten Bauteil 38 der Düse 14 derart eingespannt, dass die Membran 34 im

Wesentlichen wellenförmig ausgebildet ist. Das erste Gehäuseelement 40 und das zweite Gehäuseelement 42 des

Gehäuses 44 sind benachbart zueinander angeordnet. Das erste

Gehäuseelement 40 und das zweite Gehäuseelement 42 des Gehäuses 44 sind durch ein im Wesentlichen L-förmiges Befestigungselement 46 aneinander gefügt.

Das im Wesentlichen L-förmige Befestigungselement 46 ist mit dem ersten Gehäuseelement 40 und mit dem zweiten Gehäuseelement 42 des Gehäuses 44 verbunden. Die Verbindung ist vorzugsweise durch eine Schraubverbindung ausgebildet. Alternativ kann die Verbindung beispielsweise durch eine

Klemmverbindung oder eine Schweißverbindung ausgebildet sein.

Zwischen dem Anker 16 und dem ersten Gehäuseelement 40 ist ein erstes Lager 48 angeordnet. Zwischen dem Anker 16 und dem zweiten Gehäuseelement 42 ist ferner ein zweites Lager 50 angeordnet. Alternativ können die Lager 48, 50 beispielsweise zwischen der mit dem Anker 16 gekoppelten Lagerstange 36 und dem ersten bzw. zweiten Gehäuseelement 40, 42 angeordnet sein.

Der Anker 16 ist durch einen Tauchanker ausgebildet. Der Anker 16 ist durch ein Federelement 52 rückstellbar. Der Elektromagnet 12 weist überdies eine

Magnetspule 54 auf, welche dazu ausgebildet ist, durch Anlegen eines Stroms ein Magnetfeld zum Bewegen des Ankers 16 zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt eine Detailansicht einer Düse des Dosierventils zum Zuführen von Gas an die Brennstoffzelle gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die

Membran 34 im Bereich des zweiten Endabschnitts 34b zwischen einer

Oberfläche des ersten Gehäuseelements 40 und einem Befestigungselement 56 geklemmt ist, wobei das erste Gehäuseelement 40 an einer ersten Seite der Membran 34 und das Befestigungselement 56 auf einer gegenüberliegenden Seite der Membran 34 anliegen. Durch die spezielle Ausgestaltung sowie geometrische Ausbildung des ersten Gehäuseelements 40 und des Befestigungselements 56 ist das in Fig. 1 gezeigte im Wesentlichen L-förmige Befestigungselement, welches dazu ausgebildet ist, jeweils benachbart zueinander angeordnete Gehäuseelemente aneinander zu befestigen, nicht erforderlich. Zwischen dem Befestigungselement 56 und dem

Anker 16 bzw. der mit dem Anker 16 gekoppelten Lagerstange 36 ist das zweite Lager 50 angeordnet.

Ferner ist an der mit dem Anker 16 gekoppelten Lagerstange 36 ein ringförmiges Element 80 angeordnet. Zwischen dem ringförmigen Element 80 und dem

Dichtsitz 20 ist ein Federelement 8 angeordnet, welches die Lagerstange 36 mit einer Federkraft in Richtung des Ankers 16 beaufschlagt.

Der erste Endabschnitt 34a der Membran 34 wird somit kontinuierlich sowohl von dem Anker 16 als auch der Lagerstange 36 mit einer vorgegebenen Druckkraft beaufschlagt.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.

Beispielsweise kann eine Form, Abmessung und/oder eine Beschaffenheit der Komponenten des Dosierventils entsprechend jeweiliger baulicher bzw.

konstruktiver Anforderungen abgeändert werden.