Titel:

Gasventil zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff

Die Erfindung betrifft ein Gasventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Das Gasventil soll insbesondere zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff eingesetzt werden, so dass es sich bei dem Gasventil insbesondere um ein Wasserstoffdosierventil handeln kann.

Stand der Technik

In mobilen Anwendungen werden Gasventile unter anderem zur Versorgung von Brennstoffzellen mit Wasserstoff eingesetzt. Dabei fördern sie zu 100 % trockenen Wasserstoff. Dies stellt eine besondere Herausforderung für die beweglichen Teile des Gasventils dar, da kein selbstschmierendes Medium vorliegt. Die Verwendung eines herkömmlichen Schmiermittels ist nicht möglich, da Brennstoffzellen hochempfindlich gegenüber Schmutz, Ölen und Fetten sind. Aufgrund der fehlenden Schmierung kann es zu einem erhöhten Abrieb in einem Führungsbereich, insbesondere im Bereich eines als Ankerführung dienenden Funktionsquerschnitts, kommen. Der Abrieb wiederum schädigt die Brennstoffzelle, so dass es schlimmstenfalls zu einem vollständigen Funktionsausfall kommt.

Aus dem Stand der Technik sind daher Gasventile bekannt, die Lagerbüchsen aus Kunststoff oder einem auf Kunststoff basierenden Werkstoff als Ankerführung einsetzen. Der Anker selbst wird aus einem metallischen Material gefertigt. Der Verschleißabtrag im Bereich der Ankerführung kann somit in gewissen Grenzen gehalten werden. Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Gasventil bereitzustellen, dass im Bereich eines als Ankerführung einsetzbaren Funktionsquerschnitts einen verringerten Abrieb bzw. Verschleiß aufweist. Auf diese Weise soll ein Gasventil geschaffen werden, das eine verlängerte Laufzeit aufweist somit auch zukünftigen Anforderungen genügt.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Gasventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Das vorgeschlagene Gasventil, das insbesondere zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff einsetzbar ist, umfasst ein Ventilgehäuse, einen gegenüber dem Ventilgehäuse hubbeweglichen Anker sowie einen Elektromagneten zur Einwirkung auf den Anker. Erfindungsgemäß ist der Anker außerhalb eines zentralen Ankerabschnitts von mindestens einem Zentrierelement umgeben, das im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist. Das Zentrierelement zentriert den Anker in Bezug auf einen Funktionsquerschnitt, der beispielsweise durch den Ventilkörper oder durch eine separate Hülse ausgebildet wird. Das Zentrierelement stellt somit einen umlaufend gleichen Radialspalt zwischen dem Anker und dem Funktionsquerschnitt sicher. Demzufolge wirkt das Zentrierelement einer einseitigen Reduzierung des Radialspalts und damit einem Kontakt des Ankers mit dem Funktionsquerschnitt entgegen.

Aufgrund des fehlenden Kontakts kommt es nicht zu einer Reibungsbeanspruchung des Ankers. Das heißt, dass sich der Anker weitgehend reibungsfrei und damit abriebsfrei bewegt. Die Führung des Ankers wird somit von dem Funktionsquerschnitt auf das mindestens eine Zentrierelement verlagert.

Bevorzugt ist das Zentrierelement mit dem Ventilgehäuse und/oder mit dem Anker fest verbunden. Das heißt, dass das Zentrierelement keine Relativbewegung gegenüber dem Ventilgehäuse und/oder dem Anker ausführt. Demzufolge entsteht auch zwischen dem Zentrierelement und dem Ventilgehäuse bzw. zwischen dem Zentrierelement und dem Anker keine Reibung. Idealerweise ist daher das Zentrierelement sowohl mit dem Ventilgehäuse als auch mit dem Anker fest verbunden. Des Weiteren bevorzugt ist das Zentrierelement in der Bewegungsrichtung des Ankers elastisch verformbar und/oder aus Federstahl oder einem federstahlartigen Werkstoff gefertigt. Die elastische Verformbarkeit und/oder die vorgeschlagene Werkstoffwahl gewährleistet bzw. gewährleisten, dass bei einer festen Verbindung des Zentrierelements sowohl mit dem Ventilgehäuse als auch mit dem Anker der Anker weiterhin eine Hubbewegung ausführen kann. Das heißt, dass das Zentrierelement in axialer Richtung nachgiebig ist, um die Hubbewegungen des Ankers zu ermöglichen, in radialer Richtung aber eine ausreichende Steifigkeit besitzt, um den Anker zu zentrieren.

Um dies zu gewährleisten, weist vorzugsweise das Zentrierelement eine Vielzahl von Aussparungen auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um großflächige Ausstanzungen handeln, die zur Ausbildung bzw. Freilegung von Federarmen führen. Vorzugsweise verlaufen die Aussparungen kreisbogenförmig und sind konzentrisch zueinander angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich das Zentrierelement gleichmäßig elastisch verformt und keine Querkräfte auf den Anker wirken.

Bevorzugt weist das Zentrierelement einen radial außenliegenden ersten Ringabschnitt und einen radial innenliegenden Ringabschnitt auf, welche über Stege miteinander verbunden sind. Während die Ringabschnitte der Abstützung des Zentrierelements in axialer Richtung dienen, bilden die Stege Federarme aus, die eine elastische Verformung des Zentrierelements und damit die Hubbewegungen des Ankers zulassen.

Das Zentrierelement kann radial außen an einem Absatz des Ventilgehäuses und/oder radial innen an einem Absatz des Ankers abgestützt sein. Durch den mindestens einen Absatz ist das Zentrierelement in axialer Richtung abgestützt und somit lagegesichert. Der Absatz des Ventilgehäuses und/oder des Ankers kann beispielsweise ringförmig ausgebildet sein, so dass das Zentrierelement umlaufend abgestützt ist.

Zur weiteren Lagesicherung wird vorgeschlagen, dass das Zentrierelement radial außen und/oder radial innen mittels mindestens eines Halterings eingespannt ist. Sofern lediglich ein Haltering vorgesehen ist, kann dieser das Zentrierelement in axialer Richtung gegen einen Absatz drücken, so dass das Zentrierelement daran gehindert wird, vom Absatz abzuheben. Sofern zwei Halteringe vorgesehen sind, kann das Zentrierelement zwischen den beiden Halteringen eingespannt sein. Zur Lagesicherung des Halterings ist dieser bevorzugt in das Ventilgehäuse eingepresst bzw. auf den Anker aufgepresst. In axialer Richtung kann der Haltering an einem Absatz des Ventilgehäuses bzw. an einem Absatz des Ankers abgestützt sein.

Bevorzugt weist bzw. weisen der Absatz des Ventilgehäuses und/oder der Haltering mindestens eine Freilegung zur Reduzierung der Kontaktfläche mit dem Zentrierelement auf. Die Freilegung kann großflächig ausgebildet sein, so dass sich die Kontaktfläche auf einzelne Kontaktpunkte reduziert. Dies hat den Vorteil, dass sich das Zentrierelement in Bewegungsrichtung des Ankers einfacher verformen lässt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Anker ein mit einem Dichtsitz zusammenwirkendes Dichtelement auf, das auf einen Endabschnitt des Ankers aufgesetzt, insbesondere aufgepresst, ist. Zwischen dem Dichtelement und dem Anker ist das Zentrierelement eingespannt. Der Anker weist hierzu bevorzugt einen Absatz auf, über den das Zentrierelement in axialer Richtung abgestützt ist. Das auf den Anker aufgesetzte, insbesondere aufgepresste, Dichtelement drückt das Zentrierelement gegen den Absatz des Ankers. Ein zusätzlicher Haltering ist somit entbehrlich.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Anker in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist und vorzugsweise zwischen der Feder und dem Anker das Zentrierelement eingespannt ist. Das Zentrierelement kann wiederum in axialer Richtung an einem Absatz des Ankers abgestützt sein, während die Federkraft der Feder das Zentrierelement gegen den Absatz drückt. Auch in diesem Fall ist ein zusätzlicher Haltering entbehrlich.

Um eine sichere Zentrierung des Ankers in Bezug auf den Funktionsquerschnitt zu bewirken, sind vorzugsweise mehr als nur ein Zentrierelement vorgesehen. Bevorzugt ist jeweils ein Zentrierelement im Bereich eines Endabschnitts des Ankers angeordnet, so dass der Anker über seine gesamte Länge zentriert ist. Der Anker ist bevorzugt gestuft ausgebildet und/oder aus mehreren Ankerteilen zusammengesetzt. Vorzugsweise weist der Anker einen innerhalb des Funktionsquerschnitts einen Radialspalt begrenzenden zentralen Ankerabschnitt sowie mindestens einen Endabschnitt mit verringertem Außendurchmesser zur Aufnahme eines Zentrierelements auf. Der Endabschnitt kann ebenfalls gestuft sein, so dass ein

Absatz zur axialen Abstützung des Zentrierelements ausgebildet wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Dosierventil,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch das Dosierventil der Fig. 1,

Fig. 3 einen weiteren schematischen Querschnitt durch das Dosierventil der Fig. 1, Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Dosierventil,

Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch das Dosierventil der Fig. 5, Fig. 7 einen weiteren schematischen Querschnitt durch das Dosierventil der Fig. 5, und

Fig. 8 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 5. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Gasventil 1 weist ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Ventilgehäuse 2 und einen hieran angesetzten Düsenkörper 20 auf. Im Ventilgehäuse 2 ist ein Anker 3 hubbeweglich aufgenommen und über eine durch das Ventilgehäuse 2 ausgebildeten Funktionsquerschnitt 21 geführt. Der Anker 3 weist einen zentralen Ankerabschnitt 5 auf, der im Bereich des Funktionsquerschnitts 21 einen Luftspalt LS begrenzt. Im Bereich des Funktionsquerschnitts 21 ist das Ventilgehäuse 2 zudem von einem ringförmigen Elektromagneten 4 umgeben.

Wird der Elektromagnet 4 bestromt, baut sich ein Magnetfeld auf, dessen Magnetkraft den Anker 3 entgegen der Federkraft einer Feder 18 nach oben bewegt. Zugleich hebt ein auf den Anker 3 aufgepresstes scheibenförmiges Dichtelement 17 von einem Dichtsitz 16 ab, der durch den Düsenkörper 20 ausgebildet wird. Das Gasventil 1 öffnet. Zum Schließen des Gasventils 1 wird die Bestromung des Elektromagneten 4 beendet, so dass der Anker 3 und das Dichtelement 17 über die Federkraft der Feder 18 rückgestellt werden. Die Federkraft der Feder 18 ist dabei über die gewählte Einpresstiefe einer in das Ventilgehäuse 2 eingepressten Einstellscheibe 19 einstellbar, an welcher die Feder 18 abgestützt ist.

Damit sich der Anker 3 möglichst reibungsfrei und damit abriebsfrei innerhalb des Funktionsquerschnitts 21 bewegt, ist der Anker 3 im Bereich seiner beiden Endabschnitte jeweils von einem scheibenförmigen Zentrierelement 6, 7 umgeben. Beide Zentrierelemente 6, 7 sind jeweils radial innen als auch radial außen eingespannt. Das untere Zentrierelement 6 ist radial innen zwischen einem ringförmigen Absatz 13 des Ankers 3 und dem aufgepressten Dichtelement 17 eingespannt. Radial außen ist das untere Zentrierelement 6 zwischen einem ringförmigen Absatz 12 des Ventilgehäuses 2 und einem Haltering 14 eingespannt, der in das Ventilgehäuse 2 eingepresst ist. Das obere Zentrierelement 7 ist radial innen zwischen einem ringförmigen Absatz 13 des Ankers 3 und der Feder 18 eingespannt. Radial außen ist das obere Zentrierelement 7 zwischen einem ringförmigen Absatz 12 des Ventilgehäuses 2 sowie einem weiteren Haltering 14 eingespannt, der ebenfalls in das Ventilgehäuse 2 eingepresst ist.

Wie insbesondere den Figuren 2 und 3 zu entnehmen ist, weisen die Zentrierelemente 6, 7 jeweils großflächige Aussparungen 8 auf, die eine elastische Verformung der Zentrierelemente 6, 7 in Bewegungsrichtung des Ankers 3 zulassen. Das Zentrierelement 6 weist gemäß der Fig. 2 mehrere kreisbogenförmige Aussparungen 8 auf, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Das Zentrierelement 7 weist sicherförmige Aussparungen 8 auf. Beide Zentrierelemente 6, 7 weisen jeweils einen radial außenliegenden Ringabschnitt 9 sowie einen radial innenliegenden Ringabschnitt 10 auf, die über Stege 11 miteinander verbunden sind. Die Stege 11 bilden Federarme aus, welche die elastische Verformbarkeit der Zentrierelemente 6, 7 in der Bewegungsrichtung des Ankers 3 sicherstellen (siehe Fig. 4, wobei „h“ den Hub des Ankers 3 bezeichnet).

Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können beide Zentrierelemente 6, 7 auch gleich, insbesondere beide gemäß der Fig. 2 oder beide gemäß der Fig. 3, ausgestaltet sein. Ferner kann das Zentrierelement 6 die Aussparungen 8 der Fig. 3 aufweisen und das Zentrierelement 7 die Aussparungen 8 der Fig. 2. Darüber hinaus kann auch die Form der Aussparungen 8 variieren, solange sie die geforderte elastische Verformbarkeit der Zentrierelemente 6, 7 gewährleisten.

Den Figuren 5 bis 7 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gasventils 1 zu entnehmen. Im Unterschied zum Gasventil 1 der vorhergehenden Figuren, sind hier die Zentrierelemente 6, 7 radial außen nicht über ihren gesamten Umfang abgestützt, sondern lediglich punktuell. Die Halteringe 14 weisen hierzu jeweils Freilegungen 15 auf, welche zu einer reduzierten Kontaktfläche 22 führen (siehe Fig. 6). Die Kontaktflächen 22 kontaktieren die Zentrierelemente 6, 7 nur noch punktuell, und zwar im Bereich der Kontaktflächen 22‘ (siehe Fig. 7).

Die gleichen Freilegungen 15 sind in den Absätzen 12 des Ventilgehäuses 2 vorgesehen (siehe Fig. 5), wobei die Einbaulage bzw. Winkellage der Halteringe 14 jeweils so gewählt ist, dass sich die jeweiligen Freilegungen 15 bzw. die jeweiligen Kontaktflächen 22 gegenüberliegen.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist in der Fig. 8 dargestellt. Hier ist das Zentrierelement 6 (oder 7) sowohl radial außen als auch radial innen jeweils zwischen zwei Halteringen 14 eingespannt.