WO2020216577A1 - Pump assembly for a fuel cell system for conveying and controlling a gaseous medium - Google Patents

Pump assembly for a fuel cell system for conveying and controlling a gaseous medium Download PDF

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WO2020216577A1
WO2020216577A1 PCT/EP2020/058747 EP2020058747W WO2020216577A1 WO 2020216577 A1 WO2020216577 A1 WO 2020216577A1 EP 2020058747 W EP2020058747 W EP 2020058747W WO 2020216577 A1 WO2020216577 A1 WO 2020216577A1
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WO
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actuator
bearing element
nozzle
jet pump
nozzle needle
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Application number
PCT/EP2020/058747
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French (fr)
Inventor
Armin RICHTER
Jochen Wessner
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • 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
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/14—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid
    • F04F5/16—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles
    • F04F5/461—Adjustable nozzles
    • 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

  • Delivery unit for a fuel cell system for delivering and controlling a gaseous medium
  • the present invention relates to a delivery unit for a fuel cell system for delivering and controlling a gaseous medium, insbesonde re hydrogen, which is intended in particular for use in vehicles with a fuel cell drive.
  • gaseous fuels will also play an increasing role in the future.
  • Hydrogen gas flows must be controlled, particularly in vehicles with fuel cell drives.
  • the gas flows are no longer controlled discontinuously, as is the case with the injection of liquid fuel, but the gas is taken from at least one high-pressure tank and fed to the delivery unit via an inflow line of a medium-pressure line system.
  • This delivery unit carries the gas to a fuel cell via a connecting line of a low-pressure line system.
  • a delivery unit for a fuel cell system in which a gaseous medium is delivered and the delivery unit has a base body in which a nozzle and a nozzle needle are arranged.
  • the nozzle needle is located upstream of the nozzle and a medium, in particular a propellant medium, which is then mixed with a recirculation medium, can be discharged through the nozzle by means of the delivery unit.
  • the nozzle needle is located in the flow path of the propellant medium.
  • the conveyor unit known from US 2006/0251935 A1 can have certain disadvantages.
  • the supply of the propellant medium from a second inlet to the nozzle, in particular through an inner flow channel of the nozzle, is disadvantageous in terms of flow technology, since the nozzle needle is located in this area and thus reduces the flow diameter and / or the flow cross-section upstream of the nozzle, which increases the flow rate Forms flow resistance, which is disadvantageous in particular for the under high pressure and / or at a high speed Ge through the second inlet and / or the nozzle flowing propellant medium.
  • such an arrangement of the nozzle needle can be disadvantageous because a metering valve can no longer be placed in the delivery unit so that it opens axially to a longitudinal axis and coaxially to the nozzle due to structural space restrictions.
  • a delivery unit for a fuel cell system for pumping and controlling a gaseous medium, the delivery unit having at least one jet pump with a base body, in which a nozzle and a nozzle needle are arranged and the nozzle needle over an actuator arranged in the interior of the housing assembly can be adjusted in an axial direction.
  • the nozzle needle and / or a bearing element is advantageously arranged downstream of the nozzle, in particular in the region of a mixing tube of the jet pump.
  • the inventive design of the delivery unit offers the advantage that the nozzle needle is not located in the area of an inner flow channel of the nozzle and / or a second inlet. In this way, the flow resistance in these areas, which would occur through the nozzle needle, in particular in a flow direction III and / or the axial direction, can be reduced.
  • the efficiency of the delivery unit and / or the fuel cell system can be increased, whereby a more efficient introduction of a propellant medium into a suction area can be achieved and the propellant medium in particular a higher speed and / or a higher pressure and / or a higher kinetic energy having.
  • the advantage can be achieved that the nozzle
  • the needle and a metering valve are arranged coaxially to a longitudinal axis, with the opening and closing function, which is represented by the two elements in the area of the delivery unit, taking place in the direction of the longitudinal axis and coaxially and / or at least parallel to one another.
  • the components can also run from the structure rotationally symmetrically about the longitudinal axis. In this way, a compact design of the delivery unit can be achieved, while the manufacturing costs and / or the operating costs of the delivery unit can be reduced.
  • the efficiency of the delivery unit can be improved, since the energy expenditure for actuating the metering valve and / or the nozzle needle can be reduced, with the nozzle needle in particular being able to be moved in the axial direction with less energy expenditure due to the reduced friction .
  • the bearing element is arranged displaceably in the axial direction in the jet pump, the bearing element in particular moving along with the nozzle needle in the axial direction.
  • the bearing element in particular moving along with the nozzle needle in the axial direction.
  • the nozzle needle and the bearing element are positively and / or cohesively and / or are connected to one another in a non-positive manner.
  • a cost-effective assembly and / or fastening of the bearing element on the nozzle needle can be achieved, whereby the manufacturing costs of the entire conveying unit can be reduced.
  • a reliable connection of the nozzle needle with the bearing element can be brought about in this way, whereby the probability of failure of the delivery unit and thus the entire fuel cell system can be reduced.
  • an annular gap is formed between a Nadelflä surface of the nozzle needle and a nozzle surface of the nozzle, the annular gap being delimited by the needle surface on the one hand and the nozzle surface on the other.
  • a gap width between the needle surface and the nozzle surface can be changed.
  • an improved conveying effect of the recirculation medium can be achieved by the propellant medium.
  • a delivery rate of the delivery unit can be set in such a way that an injection quantity, an injection speed and an injection direction, in particular in the form of an injection cone, the propellant can be regulated in a central flow area.
  • the delivery unit can be adapted as best as possible to a respective flow rate of the recirculation medium by influencing the flow speed of the motive medium and its effect on the recirculation medium through the nozzle needle and the nozzle, which can be adjusted in the axial direction.
  • This makes it possible to increase the efficiency of the delivery unit and the flow rate can be optimally adapted to the respective requirements of the operating state of the fuel cell system. This leads to lower operating costs and an increased service life of the entire fuel cell system since, in particular, permanent saturation of a fuel cell with the delivery medium can be guaranteed.
  • an annular gap-shaped flow cross section is located between an outer flow contour of the nozzle needle and an inner flow contour of the jet pump, in particular of the base body.
  • the gaseous medium which in particular consists of the recirculate and / or the driving medium, can flow through the annular gap-shaped flow cross-section between the nozzle needle and the jet pump, the flow resistance can be kept low.
  • the gaseous medium can flow through the jet pump by means of the annular gap-shaped flow cross-section in such a way that the flow properties are improved and disadvantageous flow effects, such as turbulence in the gaseous medium when flowing through the jet pump, can be reduced.
  • the flow losses of the Reduced jet pump whereby the efficiency of the delivery unit can be improved sert.
  • the bearing element has an outer ring-shaped element and an inner ring-shaped element, which are connected to one another by means of at least one connecting web, with at least one recess being formed between the at least one connecting web circumferentially around the longitudinal axis.
  • the gaseous medium can flow through the jet pump, in particular the flow cross section, at least almost without resistance, since the bearing element has the at least one recess, which is also designed in a flow-optimized manner.
  • a higher efficiency of the delivery unit and / or the jet pump can be achieved, whereby an improved supply of the fuel cell with the gaseous medium, in particular hydrogen, can be ensured, with greatly varying operating states of the fuel cell.
  • the bearing element consists at least partially of a magnetic material and / or the bearing element can be adjusted in the axial direction when the actuator is actuated.
  • the actuator can be designed as an electrical actuator, in particular as an electromagnetic actuator.
  • the actuator can effect an adjustment of the bearing element, in particular in the axial direction, without a further component, in particular a magnetic component, having to be attached to the bearing element in order to effect a magnetic adjustment force on the bearing element when the actuator is energized can.
  • the bearing element can be adjusted in the axial direction when the actuator is actuated, without the actuator making mechanical contact with the bearing element.
  • the components that would be necessary for mechanical power transmission from the actuator to the bearing element and in particular from the bearing element to the nozzle needle can be saved, which lowers the component costs and the assembly costs of the delivery unit.
  • the probability of failure of the delivery unit is reduced due to the reduction in the total number of components, in particular due to a negative effect due to tolerance chains in the event of a mechanical adjustment of the nozzle needle.
  • Another advantage of the electromagnetic actuator is that by measuring the properties of a magnetic field of the actuator, conclusions can be drawn about a position of the bearing element and / or the nozzle needle in the axial direction and thus the gap width between the nozzle and the nozzle needle. Let the needle pull. This is possible without the need for further sensors on the nozzle needle and / or the actuator and / or the surrounding components, which in turn leads to cost savings in the delivery unit.
  • the flow geometry of the annular gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section of the mixing tube can be changed when the bearing element is adjusted and / or moved, in particular due to its at least one recess.
  • the gap width and / or the annular gap-shaped flow cross section and / or the flow cross section of the mixing tube can be adjusted at the same time by actuating the actuator.
  • the annular gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section of the mixing tube can be adapted to the respective operating state of the feed unit and / or the fuel cell in such a way that the annular-gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section of the mixing tube with regard to its geometric shape in the Flow direction III and can be adjusted with regard to the size of the cross-sectional area running orthogonally to the longitudinal axis in the respective section of the mixing tube.
  • the annular gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section can be adapted to the respective operating state of the jet pump and / or the För deraggregats and / or the fuel cell system so that, for example, at a low operating point and / or at a low För derrate and / or with a small delivery volume of the gaseous medium only a reduced and / or reduced flow cross-section is open. Since the maximum flow cross-section is opened at a high operating point and / or at a high required delivery rate and / or at a high required delivery volume of the gaseous medium.
  • the efficiency of the jet pump and / or of the delivery unit and / or of the fuel cell system can be improved and / or can be adapted more quickly to the respective operating state of the overall vehicle.
  • the manufacturing costs and / or operating costs of the delivery unit can be reduced, since instead of the at least two separate actuators for adjusting the gap width and / or the annular gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section of the mixing tube, this can now be done using only one common actuator.
  • At least one Federele element is supported in the axial direction on the bearing element and an end face of the base body in such a way that the spring element acts on the bearing element with a restoring force that counteracts the actuator force of the actuator in the axial direction.
  • the at least one spring element can exert a restoring force on the bearing element which is opposed to an actuator force of the actuator in the axial direction.
  • the at least one spring element is designed as a corrugated bellows, whereby an additional encapsulation of the actuator against the penetration of the medium to be conveyed, in particular hydrogen, it can be aimed. In this way, an optimal encapsulation of the actuator against the delivery medium can be guaranteed.
  • This encapsulation is advantageous because contact of the delivery medium, in particular H 2 , with the actuator causes damage.
  • a corrugated bellows By encapsulating the actuator using a corrugated bellows, a short circuit due to the entry of the pumped medium, in particular into the electrical components of the actuator and / or the setting element, can be avoided, since all electrical components are located within the encapsulated space and thus against the pumped medium are protected.
  • the conveying medium can damage the surfaces of the magnetic components of the actuator, in particular of soft magnetic components, the damage being caused in particular by corrosion of the surfaces of the components. le can be done.
  • the encapsulation of the actuator prevents the delivery medium and any oxygen that may be present in the recirculation medium from being ignited by electrical sparks from the electromagnet and thereby damaging the delivery unit and other components of the fuel cell system.
  • the design of the delivery unit according to the invention can increase the life of the entire delivery unit.
  • the bearing element when the actuator is not actuated, the bearing element is at least indirectly in contact with an adjusting disk in the direction of the longitudinal axis, the bearing element being pressed against the stop element in particular by the spring force of the at least one spring element. In this way, when the actuator is not actuated, the bearing element can at least indirectly be moved back into contact with the adjusting disk and / or by the spring element into this basic position.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a conveyor unit with a
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the jet pump with a base body, a bearing element and a nozzle needle
  • Figure 3 shows the inventive bearing element of the jet pump in a
  • Figure 4 is a schematic representation of a fuel cell arrangement according to the invention with a fuel cell and the delivery unit
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a För deraggregats 1, wherein the conveyor unit 1 has a combined valve jet pump arrangement 3.
  • the combined valve-jet pump arrangement 3 has a metering valve 10 and a jet pump 4, the metering valve 10 being connected to the jet pump 4 by means of a screw connection, in particular to a base body 8 of the jet pump 4.
  • the jet pump 4 has a first inlet 28, a second inlet 36 a, a suction area 7, a mixing tube 9 and a diffuser area 11.
  • the metering valve 10 has the second inlet 36b and a nozzle 12.
  • the metering valve 10 is in particular in the direction of a longitudinal axis 52 in the Jet pump 4, in particular pushed into an opening in the base body 8 of the jet pump 4.
  • Fig. 1 it is also shown that the combined valve jet pump arrangement 3 is flowed through by a medium to be conveyed in a flow direction III.
  • the majority of the flow through areas of the valve jet pump arrangement 3 are at least approximately tubular remplibil det and serve to convey and / or guide the gaseous medium, which is in particular h, in the delivery unit 1.
  • the gaseous medium flows through a central flow area 19 inside the base body 8 parallel to the longitudinal axis 52 in the flow direction III, where the central flow area 19 begins in the area of the mouth of the nozzle 12 in the suction area 7 and runs through the mixing tube 9 to the diffuser area 11 and, for example, beyond extends, in particular in an area with an at least almost constant diameter of a flow cross-section of the delivery unit 1.
  • a recirculate is fed to the valve jet pump arrangement 3 through the first inlet 28, the recirculate being in particular the unused H2 from a Anode region of a fuel cell 32 , in particular a stack, acts, wherein the recirculate can also contain water and nitrogen.
  • the recirculate flows into the valve jet pump arrangement 3 on a first flow path IV.
  • a gaseous propellant medium flows through the second inlet 36 on a second flow path V from outside the valve jet pump arrangement 3 into an opening of the valve jet pump arrangement 3 and / or into the base body 8 and / or the metering valve 10 , wherein the propellant can come from a tank 34 and is under high pressure, in particular of more than 5 bar.
  • the second inlet 36a, b runs through the components of the base body 8 and / or the metering valve 10. From the metering valve 10, the propellant medium is fed through the nozzle 12 into the suction area 7 and / or by means of an actuator and a fully closable valve element, in particular intermittently Mixing tube 9 drained.
  • the H2 flowing through the nozzle 12 and serving as the motive medium has a pressure difference and / or speed difference to the recirculation medium flowing from the first inlet 28 into the delivery unit 1, the motive medium in particular having a higher pressure of at least 5 bar .
  • the recirculation medium is conveyed with a low pressure and a low mass flow into the central flow area 19 of the delivery unit 1. changes, for example by using a side channel compressor upstream of the conveyor unit 1.
  • the propellant flows through the nozzle 12 into the central flow area 19 of the suction area 7 and / or the mixing tube 9 at the described pressure difference and at a high speed, which can in particular be close to the speed of sound.
  • the nozzle 12 has an inner recess in the form of a flow cross section through which the gaseous medium can flow, in particular coming from the metering valve 10 and flowing into the suction region 7 and / or the mixing tube 9.
  • the motive medium meets the recirculation medium, which is already located in the central flow area 19 of the suction area 7 and / or the mixing tube 18. Due to the high speed and / or pressure difference between the motive medium and the recirculation medium, internal friction and turbulence are generated between the media. This creates a shear stress in the boundary layer between the fast propellant medium and the much slower recirculation medium. This voltage causes a pulse transmission, whereby the recirculation medium is accelerated and carried away. Mixing takes place according to the principle of conservation of momentum.
  • the recirculation medium is accelerated in the flow direction III and a pressure drop occurs for the recirculation medium, as a result of which a suction effect sets in and thus further recirculation medium is fed from the area of the first inlet 28.
  • This effect can be referred to as the jet pump effect.
  • the mixed medium to be conveyed which consists in particular of the recirculation medium and the propellant medium, flows in the flow direction III into the diffuser area 11, with a reduction in the flow velocity in the diffuser area 11. men can. From there, the medium flows further into an anode region 38 of the fuel cell 32, for example.
  • the delivery unit 1 from FIG. 1 has technical features which additionally improve the jet pump effect and the delivery efficiency and / or further improve the cold start process and / or manufacturing and assembly costs.
  • the section diffuser area 11 runs conically in the area of its inner flow cross section, in particular increasing in the flow direction III. This shaping of the section diffuser area 11 can produce the advantageous effect that the kinetic energy is converted into pressure energy, whereby the possible delivery volume of the delivery unit 1 can be further increased, whereby more of the medium to be delivered, in particular F , can be supplied to the fuel cell 32, whereby the efficiency of the entire fuel cell system 31 can be increased.
  • the metering valve 10 can be designed as a proportional valve 10 to enable an improved metering function and more precise metering of the propellant medium in the suction area 7 and / or the mixing tube 9.
  • the nozzle 12 and the mixing tube 9 are designed to be rotationally symmetrical, the nozzle 12 running coaxially with the mixing tube 9 of the jet pump 4.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of the jet pump 4 with the base body 8, a bearing element 14 and a nozzle needle 2.
  • the jet pump 4 has the nozzle 12, the inside of which is rotationally symmetrical about the longitudinal axis 52 an inner flow channel 20, which connects the central flow area 19 and / or the suction area 7 to the second inlet 36 and through which a propellant medium can flow.
  • the nozzle needle 2 runs at least almost rotationally symmetrically about the longitudinal axis 52, the nozzle needle 2 being arranged in the central flow area 19 of the jet pump 4.
  • an actuator 30 is arranged in the jet pump 4, the nozzle needle 2 being adjustable in an axial direction 42 by the actuator 30, the nozzle needle 2 in the jet pump 4 when moving in the axial direction 42, the runs parallel to the longitudinal axis 52 of the jet pump 4, is guided by at least one bearing element 14.
  • the actuator 30 also has at least one setting element 18, wherein the entry lelement 18 is designed as a magnetic coil 18 in an exemplary embodiment of the delivery unit 1.
  • the nozzle 12 is arranged in a stationary manner in the conveyor unit 1, either in the base body 8 or in or on the metering valve 10.
  • the nozzle 12 is essentially annular.
  • the nozzle needle 2 and / or the bearing element 14 is arranged downstream, in particular in the flow direction III, from the nozzle 12, in particular in the area of the suction area 7 and / or the mixing tube 9 and / or the diffuser area 11 of the Jet pump 4.
  • the bearing element 14 is arranged in the jet pump 4 so as to be displaceable in the axial direction 42, the bearing element 14 in particular moving with the nozzle needle 2 in the axial direction 42.
  • a gaseous recirculation medium flows into the central flow area 19 from outside the conveyor unit 1 through the first inlet 28, in particular F, the gaseous recirculation medium being conveyed from a fuel cell stack, for example.
  • This gaseous recirculation medium flows in the flow direction III between the nozzle 12 and the base body 8 into the suction area 7 and / or the mixing tube 9.
  • FIG. 2 shows that an annular gap-shaped flow cross section 33 is located between an outer flow contour 35 of the nozzle needle 2 and an inner flow contour 37 of the jet pump 4, in particular of the base body 8.
  • the geometric contour of this annular gap-shaped flow cross-section 33 is significantly influenced and / or formed by the surfaces of the components base body 8, nozzle needle 2 and bearing element 14, in particular the surfaces of the components that are located in the flow cross-section 33.
  • the bearing element 14 has in each case an outer ring-shaped element 44 running in a ring around the longitudinal axis 52 and an inner ring-shaped element 46. In this case, the bearing element 14 is with the inside diameter of its inner annular element 46 with the outer diameter of the nozzle needle 2 radially to the longitudinal axis 52 at least in contact.
  • the bearing element 14 with the outer diameter of its outer ring-shaped element 44 is at least in contact with the inner diameter of the base body 8, in particular the inner flow contour 37, radially to the longitudinal axis 52. In this way, a guide of the nozzle needle 2 in the Jet pump 4 by means of the bearing element 14, in particular radially to the longitudinal axis 52, are effected.
  • the gaseous propellant flows in the direction of flow direction III.
  • the F flowing from the second inlet 36 into the annular gap 26 and serving as the motive medium has a pressure difference to the recirculation medium that flows into the conveyor unit 1 from the first inlet 28, the motive medium in particular having a higher pressure of at least 5 bar.
  • the recirculation medium is conveyed with a low pressure and a low mass flow into the central flow area 19 of the conveying unit 1, for example by using a recirculation pump upstream of the conveying unit 1.
  • the propellant flows through the annular gap 26 into the central flow area 19 and / or the suction area 7 at the described pressure difference and at a high speed, which can in particular be close to the speed of sound.
  • the motive medium meets the recirculation medium, which is already in the central flow area 19 and / or the suction area 7. Due to the high speed difference and / or pressure difference between the driving medium and the recirculation medium, internal friction and turbulence between the media is generated.
  • the inflow quantity and / or the inflow angle and / or the inflow speed and / or the direction of injection of the propellant can be regulated. be lured.
  • a delivery rate of the recirculation medium can be regulated and adapted to the respective requirements of the entire fuel cell system 31 (not shown in FIG. 1, see FIG. 3) depending on the operating state and Radioan requirements.
  • the propellant medium can also flow into the central flow area 19 and / or the suction area 7 of the feed unit through the metering valve 10 upstream of the second inlet 36, in particular a proportional valve 10 and / or a hydrogen metering valve 10 1 can be prevented or regulated by the second inlet 36.
  • the gap width 25 and / or the annular gap-shaped flow cross section 33 and / or the flow cross section of the mixing tube 9 can be adjusted at the same time by actuating the actuator 30.
  • the bearing element 14 is made at least partially from a magnetic material. Since, in an exemplary embodiment of the conveyor unit 1, the actuator 30 is designed and / or designed as an electrical actuator 30, in particular as an electromagnetic actuator 30, the bearing element 14 is adjustable in the axial direction 42 when the actuator 30 is actuated.
  • At least one spring element 22 can be supported in the axial direction 42 on the bearing element 14 and an end face of the base body 8 in such a way that the spring element 22 acts on the bearing element 14 with a restoring force that is opposite to the actuator force of the actuator 30 in the axial direction 42 works.
  • the spring element 22 can be designed as a corrugated bellows 22 in order to be able to bring about an improved encapsulation of the actuator 30 against the medium flowing through the jet pump 4.
  • the corrugated bellows 22 is connected to the bearing element 14 and the base body 8 so that the actuator 30 can be encapsulated.
  • the bearing element 14 when the actuator 30 is not actuated, the bearing element 14, and thus in particular in a basic position, is at least indirectly on an adjusting disk 16 in the direction of the longitudinal axis 52 in contact, the bearing element 14 in particular being pressed against the adjusting disk 16 by the spring force of the at least one spring element 22.
  • the spring element 22 exerts a restoring force on the bearing element 14, the restoring force opposing the actuator force of the actuator 30 in the axial direction 42.
  • the bearing element 14 In this basic position, the bearing element 14 is pressed, in particular, in the axial direction 42 against the adjusting disk 16 and / or held in contact.
  • the setting disk 16 is inserted into the base body 8 of the jet pump 4 in such a way that the setting disk 16 is fixed axially to the longitudinal axis 52 in the base body 8 by means of a non-positive and / or a form-fitting and / or a material connection after assembly.
  • the adjusting washer 16 can be aligned axially to the longitudinal axis 52 in the base body 8 of the jet pump 4 in such a way that manufacturing tolerances of the components adjusting washer 16, base body 8, bearing element 14 and spring element 22 can be compensated so that the bearing element 14 is reliably axial is held in contact with the longitudinal axis 52 with the adjusting disk 16 and the spring is not excessively pretensioned in this basic position of the bearing element 14.
  • the inventive bearing element 14 of the jet pump 4 is shown in a plan view. It is shown here that the bearing element 14 has the outer ring-shaped element 44 and the inner ring-shaped element 46. These in the elements 44, 46 are connected to one another by means of at least one connecting web 48, the at least one connecting web 48 running at least partially radially to the longitudinal axis 52. At least one recess 50 is formed between the min least one connecting web 48 around the longitudinal axis 52, with a total of three recesses 50 being formed between three connecting webs 48 in the bearing element 14 shown by way of example in FIG.
  • the gaseous medium flows through this at least one recess 50, at least approximately parallel to the longitudinal axis 52, through the bearing element 14 in the area of the annular gap-shaped flow cross-section 33 in the area of the jet pump 4.
  • the recess 50 runs in the flow direction III so that its flow contours and / or can change flow cross-sectional areas so that certain flow effects in the case of a gaseous medium flowing through when flowing through the bearing element 14 and / or the annular gap-shaped flow cross-section 33 can be generated.
  • these flow effects can be caused by loading because of the bearing element 14 in the axial direction 42 by means of the actuator 30. be added.
  • a swirl can be applied to the gaseous medium due to the geometric shape of the at least one connecting web 48 and / or the at least one recess 50, which leads to improved flow behavior.
  • the nozzle needle 2 and the bearing element 14 are positively and / or cohesively and / or non-positively connected to one another.
  • the nozzle needle 2 is introduced into the area of a bore 54 of the bearing element 14, in particular a rotationally symmetrical around the longitudinal axis 52, the inner bore 54 being surrounded by the inner annular element 46 of the bearing element 14 in a rotationally symmetrical manner around the axis of rotation 52 .
  • the connection between the nozzle needle 2 and the bearing element 14 can take place, for example, by means of a press fit and / or by means of adhesive bonding and / or by means of a welding process.
  • the geometry of the annular gap-shaped flow cross-section 33 and / or the flow cross-section of the mixing tube 9 can be changed when the bearing element 14 is adjusted and / or moved, in particular due to its at least one recess 50.
  • FIG. 4 an exemplary embodiment of the fuel cell system 31 is shown, in particular an anode circuit. It is shown here that the delivery unit 1 is connected to the fuel cell 32 via a connecting line 29, which comprises the anode area 38 and a cathode area 40.
  • a return line 23 is provided which connects the anode region 38 of the fuel cell 32 with the first inlet 28, and thus in particular with the suction region 7, of the delivery unit 1.
  • the first gaseous medium which is not evaluated in the anode region 38 during operation of the fuel cell 32 can be returned to the first inlet 28.
  • This first gaseous medium is in particular the recirculation medium described above.
  • the second gaseous medium stored in the tank 34 is fed via an inflow line 21 to an inflow area, which is in particular designed as the second inflow 36, of the delivery unit 1.
  • This second gaseous medium is in particular the propellant.

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Abstract

The invention relates to a pump assembly (1) for a fuel cell system (31) for conveying and controlling a gaseous medium, wherein the pump assembly (1) comprises at least one jet pump (4) with a main body (8), in which a nozzle (12) and a nozzle needle (2) are arranged, wherein an actuator (30) is arranged in the jet pump (4), wherein the nozzle needle (2) can be adjusted by the actuator (30) in an axial direction (42). According to the invention, with a movement in the axial direction (42), running parallel to a longitudinal axis (52) of the jet pump (4), the nozzle needle (2) in the jet pump (54) is guided by at least one bearing element (14). In addition, the nozzle needle (2) and/or the bearing element (14) are arranged downstream of the nozzle (12), in particular in the region of the mixing tube (9) of the jet pump (4).

Description

Beschreibung description
Titel title
Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium Delivery unit for a fuel cell system for delivering and controlling a gaseous medium
Stand der Technik State of the art
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen- System zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium, insbesonde re Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist. The present invention relates to a delivery unit for a fuel cell system for delivering and controlling a gaseous medium, insbesonde re hydrogen, which is intended in particular for use in vehicles with a fuel cell drive.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasför mige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens ei nem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruck leitungssystem an das Förderaggregat geleitet. Dieses Förderaggregat führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. In the vehicle sector, in addition to liquid fuels, gaseous fuels will also play an increasing role in the future. Hydrogen gas flows must be controlled, particularly in vehicles with fuel cell drives. The gas flows are no longer controlled discontinuously, as is the case with the injection of liquid fuel, but the gas is taken from at least one high-pressure tank and fed to the delivery unit via an inflow line of a medium-pressure line system. This delivery unit carries the gas to a fuel cell via a connecting line of a low-pressure line system.
Aus der US 2006/0251935 Al ist ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen- System bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium gefördert wird und wobei das Förderaggregat einen Grundkörper aufweist, in dem eine Düse und eine Düsen- Nadel angeordnet sind. Dabei befindet sich die Düsen-Nadel stromaufwärts der Düse und mittels des Förderaggregats kann ein Medium, insbesondere ein Treibmedium durch die Düse abgelassen werden, welches dann mit einem Re- zirkulationsmedium vermischt wird. Die Düsen-Nadel befindet sich dabei im Strömungspfad des Treibmediums. From US 2006/0251935 A1 a delivery unit for a fuel cell system is known, in which a gaseous medium is delivered and the delivery unit has a base body in which a nozzle and a nozzle needle are arranged. The nozzle needle is located upstream of the nozzle and a medium, in particular a propellant medium, which is then mixed with a recirculation medium, can be discharged through the nozzle by means of the delivery unit. The nozzle needle is located in the flow path of the propellant medium.
Das aus der US 2006/0251935 Al bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen. Die Zuführung des Treibmediums von einem zweiten Zulauf zur Düse, insbeson dere durch einen inneren Strömungskanals der Düse ist strömungstechnisch nachteilig, da sich die Düsen-Nadel in diesem Bereich befindet und somit den Strömungsdurchmesser und/oder der Strömungsquerschnitt stromaufwärts der Düse verkleinert wodurch sich ein erhöhter Strömungswiderstand ausbildet, der insbesondere für das unter hohem Druck stehende und/oder mit einer hohen Ge schwindigkeit durch den zweiten Zulauf und/oder die Düse strömende Treibme dium nachteilig ist. Des Weiteren kann eine derartige Anordnung der Düsen- Nadel insoweit nachteilig sein, da ein Dosierventil aufgrund von Bauraumbe schränkungen nun nicht mehr axial öffnend zu einer Längsachse und koaxial zur Düse in dem Förderaggregat platziert werden kann. The conveyor unit known from US 2006/0251935 A1 can have certain disadvantages. The supply of the propellant medium from a second inlet to the nozzle, in particular through an inner flow channel of the nozzle, is disadvantageous in terms of flow technology, since the nozzle needle is located in this area and thus reduces the flow diameter and / or the flow cross-section upstream of the nozzle, which increases the flow rate Forms flow resistance, which is disadvantageous in particular for the under high pressure and / or at a high speed Ge through the second inlet and / or the nozzle flowing propellant medium. Furthermore, such an arrangement of the nozzle needle can be disadvantageous because a metering valve can no longer be placed in the delivery unit so that it opens axially to a longitudinal axis and coaxially to the nozzle due to structural space restrictions.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System vor geschlagen, zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium, wobei das Förderaggregat zumindest eine Strahlpumpe mit einem Grundkörper auf weist, in der eine Düse und eine Düsen-Nadel angeordnet sind und die Düsen- Nadel über einen im Inneren der Gehäuse-Baugruppe angeordneten Aktor in ei ner axialen Richtung verstellbar ist. In vorteilhafter Weise ist die Düsen-Nadel und/oder ein Lagerelement stromabwärts von der Düse angeordnet, insbesonde re im Bereich eines Mischrohrs der Strahlpumpe. According to the invention, a delivery unit for a fuel cell system is proposed for pumping and controlling a gaseous medium, the delivery unit having at least one jet pump with a base body, in which a nozzle and a nozzle needle are arranged and the nozzle needle over an actuator arranged in the interior of the housing assembly can be adjusted in an axial direction. The nozzle needle and / or a bearing element is advantageously arranged downstream of the nozzle, in particular in the region of a mixing tube of the jet pump.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats den Vorteil, dass sich die Düsen-Nadel nicht im Bereich eines inneren Strömungskanals der Düse und/oder eines zweiten Zulaufs befindet. Auf diese Weise kann der Strömungswiderstand in diesen Bereichen, der durch die Düsen-Nadel, insbesondere in einer Strömungsrichtung III und/oder der axialen Richtung auftreten würde, verringert werden. Somit kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems erhöht werden, wobei ein effizienteres Einbringen eines Treibmediums in einen Ansaugbereich erreicht werden kann und wobei das Treibmedium insbesondere eine höherer Geschwin digkeit und/oder einen höheren Druck und/oder eine höhere kinetische Energie aufweist. Des Weiteren kann mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 1 der Vorteil erzielt werden, dass die Düsen- Nadel und ein Dosierventil koaxial zu einer Längsachse angeordnet sind, wobei insbesondere die Funktion des Öffnens und Schließens, die durch die beiden Elemente im Bereich des Förderaggregats abgebildet wird, in Richtung der Längsachse und koaxial und/oder zumindest parallel zueinander erfolgt. In einer beispielhaften Ausführungsform können die Bauteile zudem vom Aufbau rotati- onssymetrisch um die Längsachse verlaufen. Auf diese Weise lässt sich eine kompakte Bauform des Förderaggregats erzielen, während die Herstellkosten und/oder die Betriebskosten des Förderaggregat verringert werden können. Zu dem kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats verbessert werden, da ein Energieaufwand für die Betätigung des Dosierventils und/oder der Düsen-Nadel reduziert werden kann, wobei sich insbesondere die Düsen-Nadel in der axialen Richtung aufgrund der verringerten Reibung mit weniger Energieaufwand bewe gen lässt. With reference to claim 1, the inventive design of the delivery unit offers the advantage that the nozzle needle is not located in the area of an inner flow channel of the nozzle and / or a second inlet. In this way, the flow resistance in these areas, which would occur through the nozzle needle, in particular in a flow direction III and / or the axial direction, can be reduced. Thus, the efficiency of the delivery unit and / or the fuel cell system can be increased, whereby a more efficient introduction of a propellant medium into a suction area can be achieved and the propellant medium in particular a higher speed and / or a higher pressure and / or a higher kinetic energy having. Furthermore, by means of the design of the delivery unit according to the invention, the advantage can be achieved that the nozzle The needle and a metering valve are arranged coaxially to a longitudinal axis, with the opening and closing function, which is represented by the two elements in the area of the delivery unit, taking place in the direction of the longitudinal axis and coaxially and / or at least parallel to one another. In an exemplary embodiment, the components can also run from the structure rotationally symmetrically about the longitudinal axis. In this way, a compact design of the delivery unit can be achieved, while the manufacturing costs and / or the operating costs of the delivery unit can be reduced. In addition, the efficiency of the delivery unit can be improved, since the energy expenditure for actuating the metering valve and / or the nozzle needle can be reduced, with the nozzle needle in particular being able to be moved in the axial direction with less energy expenditure due to the reduced friction .
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung. The subclaims relate to preferred developments of the invention.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Lagerelement in axialer Rich tung verschiebbar in der Strahlpumpe angeordnet, wobei sich insbesondere das Lagerelement mit der Düsen-Nadel in axialer Richtung mitbewegt. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass es aufgrund der Relativbewegung der Dü sen-Nadel zum Lagerelement zu einem Verschleiß, insbesondere einem Reib- verschleiss, an der Oberfläche der Düsen-Nadel und/oder der Oberfläche des Lagerelements kommt. Zudem kann eine zuverlässige Führung der Düsen-Nadel mittels des Lagerelements in einem Strömungsquerschnitt der Strahlpumpe er zielt werden. Somit kann die Lebensdauer der Düsen-Nadel und/oder des La gerelements erhöht werden, wodurch sich die Zuverlässigkeit und/oder die Le bensdauer des gesamten Förderaggregats verbessern lässt. According to an advantageous embodiment, the bearing element is arranged displaceably in the axial direction in the jet pump, the bearing element in particular moving along with the nozzle needle in the axial direction. In this way it can be prevented that the relative movement of the nozzle needle to the bearing element causes wear, in particular frictional wear, on the surface of the nozzle needle and / or the surface of the bearing element. In addition, reliable guidance of the nozzle needle by means of the bearing element in a flow cross section of the jet pump can be achieved. The service life of the nozzle needle and / or the bearing element can thus be increased, as a result of which the reliability and / or the service life of the entire delivery unit can be improved.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Düsen-Nadel und das La gerelement formschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder einer kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Auf diese Weise kann eine kostengünstige Montage und/oder Befestigung des Lagerelements an der Düsen-Nadel erzielt werden, wodurch sich die Herstellkosten des gesamten Förderaggregats reduzieren las sen. Zudem kann auf diese Weise eine zuverlässige Verbindung der Düsen- Nadel mit dem Lagerelement herbeigeführt werden, wodurch die Ausfallwahr scheinlichkeit des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen- Systems reduziert werden kann. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist zwischen einer Nadelflä che der Düsen-Nadel und einer Düsenfläche der Düse ein Ringspalt ausgebildet ist, wobei der Ringspalt durch die Nadelfläche einerseits und die Düsenfläche andererseits begrenzt ist. Zudem ist bei Betätigung des Aktors eine Spaltweite zwischen der Nadelfläche und der Düsenfläche änderbar. Auf diese Weise kann eine verbesserte Förderwirkung des Rezirkulationsmediums durch das Treibme dium erzielt werden kann. Zudem lässt sich durch eine entsprechende Anord nung der Düsen-Nadel, und die Möglichkeit die Düsen-Nadel in axialer Richtung zu verstellen, eine Förderrate des Förderaggregats derart einstellen, dass eine Einspritzmenge, eine Einspritzgeschwindigkeit und eine Einspritzrichtung, insbe sondere in Form eines Einspritzkonus, des Treibmediums in einen zentralen Strömungsbereich regulieren lässt. According to an advantageous development, the nozzle needle and the bearing element are positively and / or cohesively and / or are connected to one another in a non-positive manner. In this way, a cost-effective assembly and / or fastening of the bearing element on the nozzle needle can be achieved, whereby the manufacturing costs of the entire conveying unit can be reduced. In addition, a reliable connection of the nozzle needle with the bearing element can be brought about in this way, whereby the probability of failure of the delivery unit and thus the entire fuel cell system can be reduced. According to a particularly advantageous embodiment, an annular gap is formed between a Nadelflä surface of the nozzle needle and a nozzle surface of the nozzle, the annular gap being delimited by the needle surface on the one hand and the nozzle surface on the other. In addition, when the actuator is operated, a gap width between the needle surface and the nozzle surface can be changed. In this way, an improved conveying effect of the recirculation medium can be achieved by the propellant medium. In addition, through an appropriate arrangement of the nozzle needle and the possibility of adjusting the nozzle needle in the axial direction, a delivery rate of the delivery unit can be set in such a way that an injection quantity, an injection speed and an injection direction, in particular in the form of an injection cone, the propellant can be regulated in a central flow area.
Weiterhin kann das Förderaggregat bestmöglich auf eine jeweilige Durchströmra- te des Rezirkulationsmediums angepasst werden, indem durch die in axialer Richtung verstellbare Düsen-Nadel und die Düse die Strömungsgeschwindigkeit des Treibmediums und dessen Effekt auf das Rezirkulationsmedium beeinflusst wird. Damit lässt sich eine Effizienz des Förderaggregats erhöhen und die Durchströmrate lässt sich optimal an die jeweiligen Anforderungen des Betriebs zustandes des Brennstoffzellen-Systems anpassen. Dies führt zu geringeren Be triebskosten und einer erhöhten Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellen- Systems, da insbesondere eine dauerhafte Sättigung einer Brennstoffzelle mit dem Fördermedium gewährleistet werden kann. Furthermore, the delivery unit can be adapted as best as possible to a respective flow rate of the recirculation medium by influencing the flow speed of the motive medium and its effect on the recirculation medium through the nozzle needle and the nozzle, which can be adjusted in the axial direction. This makes it possible to increase the efficiency of the delivery unit and the flow rate can be optimally adapted to the respective requirements of the operating state of the fuel cell system. This leads to lower operating costs and an increased service life of the entire fuel cell system since, in particular, permanent saturation of a fuel cell with the delivery medium can be guaranteed.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung befindet sich ein ringspalt förmiger Strömungsquerschnitt zwischen einer äußeren Strömungskontur der Düsen-Nadel und einer inneren Strömungskontur der Strahlpumpe, insbesondere des Grundkörpers. Auf diese Weise kann das gasförmige Medium, das insbe sondere aus dem Rezirkulat und/oder dem Treibmedium besteht, den ringspalt förmigen Strömungsquerschnitt zwischen der Düsen-Nadel und der Strahlpumpe durchströmen, wobei der Strömungswiderstand geringgehalten werden kann. Zudem kann das gasförmige Medium mittels des ringspaltförmigen Strömungs querschnitt derart gerichtet durch die Strahlpumpe strömen, dass die Strö mungseigenschaften verbessert werden und nachteilige Strömungseffekte, wie beispielsweise Verwirbelungen im gasförmigen Medium beim Durchströmen der Strahlpumpe reduziert werden können. Somit werden die Strömungsverluste der Strahlpumpe verringert, wodurch der Wirkungsgrad des Förderaggregats verbes sert werden kann. According to a particularly advantageous development, an annular gap-shaped flow cross section is located between an outer flow contour of the nozzle needle and an inner flow contour of the jet pump, in particular of the base body. In this way, the gaseous medium, which in particular consists of the recirculate and / or the driving medium, can flow through the annular gap-shaped flow cross-section between the nozzle needle and the jet pump, the flow resistance can be kept low. In addition, the gaseous medium can flow through the jet pump by means of the annular gap-shaped flow cross-section in such a way that the flow properties are improved and disadvantageous flow effects, such as turbulence in the gaseous medium when flowing through the jet pump, can be reduced. Thus, the flow losses of the Reduced jet pump, whereby the efficiency of the delivery unit can be improved sert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Lagerelement ein äußeres ringförmiges Element und ein inneres ringförmiges Element auf, die mittels min destens eines Verbindungs-Stegs miteinander verbunden sind, wobei sich zwi schen dem mindestens einen Verbindungs-Steg umlaufend um die Längsachse jeweils mindestens eine Aussparung ausbildet. Auf diese Weise kann eine zuver lässige Führung der Düsen-Nadel im Bereich der Strahlpumpe erzielen, wobei die Relativbewegungen der Düsen-Nadel radial zu der Längsachse, insbesonde re beim Öffnen und Schließens der Düse mittels einer Bewegung in axialer Rich tung, zumindest nahezu verhindert wird oder zumindest reduziert wird, indem das Lagerelement konstruktiv versteift ausgeführt ist mittels des mindestens einen Verbindungs-Stegs. Dabei kann das gasförmige Medium die Strahlpumpe, ins besondere den Strömungsquerschnitt, zumindest nahezu Widerstandsfrei durch strömen, da das Lagerelement die mindestens eine Aussparung aufweist, die zudem insbesondere strömungsoptimiert ausgeführt ist. Dabei kann ein höherer Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder der Strahlpumpe erzielt werden, wobei eine verbesserte Versorgung der Brennstoffzelle mit dem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, sichergestellt werden kann, bei stark variie renden Betriebszuständen der Brennstoffzelle. According to an advantageous embodiment, the bearing element has an outer ring-shaped element and an inner ring-shaped element, which are connected to one another by means of at least one connecting web, with at least one recess being formed between the at least one connecting web circumferentially around the longitudinal axis. In this way, reliable guidance of the nozzle needle in the area of the jet pump can be achieved, with the relative movements of the nozzle needle radially to the longitudinal axis, in particular when opening and closing the nozzle by means of a movement in the axial direction, is at least almost prevented or is at least reduced in that the bearing element is made structurally stiffened by means of the at least one connecting web. In this case, the gaseous medium can flow through the jet pump, in particular the flow cross section, at least almost without resistance, since the bearing element has the at least one recess, which is also designed in a flow-optimized manner. A higher efficiency of the delivery unit and / or the jet pump can be achieved, whereby an improved supply of the fuel cell with the gaseous medium, in particular hydrogen, can be ensured, with greatly varying operating states of the fuel cell.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung besteht das Lagerelement zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff und/oder das Lagerelement ist bei einer Betätigung des Aktors in axialer Richtung verstellbar. Zudem kann der Ak tor als ein elektrischer Aktor, insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor, ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Aktor eine Verstellung des La gerelements, insbesondere in axialer Richtung bewirken, ohne dass ein weiteres Bauteil, insbesondere ein magnetisches Bauteil, am Lagerelement angebracht werden muss, um eine magnetische Verstellkraft bei einer Bestromung des Ak tors auf das Lagerelement bewirken zu können. Dabei kann das Lagerelement bei der Betätigung des Aktors in axialer Richtung verstellt werden, ohne dass ein mechanischer Kontakt des Aktors mit dem Lagerelement. Dadurch können die Bauteile, die für eine mechanische Kraftübertragung des Aktors auf das Lager- lement und insbesondere vom Lagerelement auf die Düsen-Nadel, notwendig wären, eingespart werden, wodurch die Bauteilkosten und die Montagekosten des Förderaggregats senkt. Des Weiteren wird die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats aufgrund der Reduzierung der Gesamtanzahl an Bauteilen reduziert, insbesondere wegen eines negativen Effekts aufgrund von Toleranzketten bei einer mechanischen Verstellung der Düsen-Nadel. According to an advantageous development, the bearing element consists at least partially of a magnetic material and / or the bearing element can be adjusted in the axial direction when the actuator is actuated. In addition, the actuator can be designed as an electrical actuator, in particular as an electromagnetic actuator. In this way, the actuator can effect an adjustment of the bearing element, in particular in the axial direction, without a further component, in particular a magnetic component, having to be attached to the bearing element in order to effect a magnetic adjustment force on the bearing element when the actuator is energized can. In this case, the bearing element can be adjusted in the axial direction when the actuator is actuated, without the actuator making mechanical contact with the bearing element. As a result, the components that would be necessary for mechanical power transmission from the actuator to the bearing element and in particular from the bearing element to the nozzle needle can be saved, which lowers the component costs and the assembly costs of the delivery unit. Furthermore, the probability of failure of the delivery unit is reduced due to the reduction in the total number of components, in particular due to a negative effect due to tolerance chains in the event of a mechanical adjustment of the nozzle needle.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei dem elektromagnetischen Aktor dadurch, dass mittels einer Messung der Eigenschaften eines Magnetfelds des Aktors Rück schlüsse auf eine Position des Lagerelement und/oder der Düsen-Nadel in axia ler Richtung und somit der Spaltweite zwischen der Düse und der Düsen-Nadel ziehen lassen. Dies ist möglich, ohne dass weitere Sensoren an der Düsen- Nadel und/oder dem Aktor und/oder den umliegenden Bauteilen notwendig sind, was wiederum zur Kostenersparnis bei dem Förderaggregats führt. Another advantage of the electromagnetic actuator is that by measuring the properties of a magnetic field of the actuator, conclusions can be drawn about a position of the bearing element and / or the nozzle needle in the axial direction and thus the gap width between the nozzle and the nozzle needle. Let the needle pull. This is possible without the need for further sensors on the nozzle needle and / or the actuator and / or the surrounding components, which in turn leads to cost savings in the delivery unit.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich die Strömungsge ometrie des ringspaltförmigen Strömungsquerschnitts und/oder des Strömungs querschnitts des Mischrohrs bei einer Verstellung und/oder Bewegung des La gerelements, insbesondere aufgrund seiner mindestens einen Aussparung, än dern. Zudem lässt sich mittels einer Betätigung des Aktors gleichzeitig die Spalt weite und/oder der ringspaltförmige Strömungsquerschnitt und/oder der Strö mungsquerschnitt des Mischrohrs verstellen. Auf diese Weise kann der ringspalt förmigen Strömungsquerschnitt und/oder der Strömungsquerschnitt des Misch rohrs auf den jeweiligen Betriebszustand des Förderaggregats und/oder der Brennstoffzelle derart angepasst werden, dass der ringspaltförmige Strömungs querschnitt und/oder der Strömungsquerschnitt des Mischrohrs hinsichtlich sei ner geometrischen Ausformung in der Strömungsrichtung III und hinsichtlich der Größe der orthogonal zur Längsachse verlaufenden Querschnittsfläche im jewei ligen Abschnitt des Mischrohrs angepasst werden kann. Auf diese Weise lässt sich der ringspaltförmige Strömungsquerschnitt und/oder der Strömungsquer schnitt auf den jeweiligen Betriebszustand der Strahlpumpe und/oder des För deraggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems derart anpassen, dass bei spielsweise bei einem niedrigen Betriebspunkt und/oder bei einer geringen För derrate und/oder bei einem geringen Fördervolumen des gasförmigen Mediums nur ein reduzierter und/oder verminderter Strömungsquerschnitt geöffnet ist. Da bei wird bei einem hohen Betriebspunkt und/oder bei einer hohen benötigten Förderrate und/oder bei einem hohen benötigten Fördervolumen des gasförmi gen Mediums der maximale Strömungsquerschnitt geöffnet. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad der Strahlpumpe und/oder des Förderaggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems verbessert werden und/oder schneller an den jeweiligen Betriebszustand des Gesamtfahrzeugs angepasst werden kann. Zudem können die Herstellkosten und/oder Betriebskosten des Förderaggregats reduziert werden, da anstatt der mindestens zwei separaten Aktoren zur Verstel lung der Spaltweite und/oder der ringspaltförmigen Strömungsquerschnitts und/oder des Strömungsquerschnitts des Mischrohrs dies nun mittels des nur ei nen gemeinsamen Aktors erfolgen kann. According to a particularly advantageous embodiment, the flow geometry of the annular gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section of the mixing tube can be changed when the bearing element is adjusted and / or moved, in particular due to its at least one recess. In addition, the gap width and / or the annular gap-shaped flow cross section and / or the flow cross section of the mixing tube can be adjusted at the same time by actuating the actuator. In this way, the annular gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section of the mixing tube can be adapted to the respective operating state of the feed unit and / or the fuel cell in such a way that the annular-gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section of the mixing tube with regard to its geometric shape in the Flow direction III and can be adjusted with regard to the size of the cross-sectional area running orthogonally to the longitudinal axis in the respective section of the mixing tube. In this way, the annular gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section can be adapted to the respective operating state of the jet pump and / or the För deraggregats and / or the fuel cell system so that, for example, at a low operating point and / or at a low För derrate and / or with a small delivery volume of the gaseous medium only a reduced and / or reduced flow cross-section is open. Since the maximum flow cross-section is opened at a high operating point and / or at a high required delivery rate and / or at a high required delivery volume of the gaseous medium. In this way the efficiency of the jet pump and / or of the delivery unit and / or of the fuel cell system can be improved and / or can be adapted more quickly to the respective operating state of the overall vehicle. In addition, the manufacturing costs and / or operating costs of the delivery unit can be reduced, since instead of the at least two separate actuators for adjusting the gap width and / or the annular gap-shaped flow cross-section and / or the flow cross-section of the mixing tube, this can now be done using only one common actuator.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung stützt sich mindestens ein Federele ment in axialer Richtung derart an dem Lagerelement und einer Stirnfläche des Grundkörpers ab, dass das Federelement mit einer Rückstellkraft auf das La gerelement wirkt, die entgegengesetzt zur Aktorkraft des Aktors in axialer Rich tung wirkt. Auf diese Weise kann durch das mindestens eine Federelement eine Rückstellkraft auf das Lagerelement ausgeübt werden, die einer Aktorkraft des Aktors in axialer Richtung entgegengesetzt ist. Dies bietet den Vorteil, dass ein Zurückbewegen des Lagerelements in eine Grundposition bewirkt wird, sobald der Aktor nicht mehr betätigt wird. Dadurch können die Bauteile eingespart wer den, die benötigt werden, um das Lagerelement in seine Grundposition und Ru hestellung zurückzubewegen, wodurch die Komplexität des Förderaggregats ver ringert wird und somit Fertigungs- und Montagekosten reduziert werden können. According to an advantageous embodiment, at least one Federele element is supported in the axial direction on the bearing element and an end face of the base body in such a way that the spring element acts on the bearing element with a restoring force that counteracts the actuator force of the actuator in the axial direction. In this way, the at least one spring element can exert a restoring force on the bearing element which is opposed to an actuator force of the actuator in the axial direction. This offers the advantage that the bearing element is moved back into a basic position as soon as the actuator is no longer actuated. As a result, the components can be saved who are required to move the bearing element back into its home position and rest position, whereby the complexity of the delivery unit is reduced and thus manufacturing and assembly costs can be reduced.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das mindestens eine Federelement als ein Wellbalg ausgeführt, wodurch eine zusätzliche Kapselung des Aktors ge gen das Eindringen des zu fördernden Mediums, insbesondere Wasserstoff, er zielt werden kann. Auf diese Weise kann eine optimale Kapselung des Aktors gegen das Fördermedium gewährleistet werden kann. Diese Kapselung ist vor teilhaft, da ein Kontakt des Fördermediums, insbesondere von H2, mit dem Aktor, eine Schädigung bewirkt. Durch die Kapselung des Aktors mittels des Einsatzes eines Wellbalgs kann ein Kurzschluss durch Eintrag des Fördermediums, insbe sondere in die elektrischen Bauteile des Aktors und/oder des Einstellelements, vermieden werden, da sich alle elektrischen Bauteile innerhalb des gekapselten Raums befinden und somit gegen das Fördermedium geschützt sind. According to an advantageous further development, the at least one spring element is designed as a corrugated bellows, whereby an additional encapsulation of the actuator against the penetration of the medium to be conveyed, in particular hydrogen, it can be aimed. In this way, an optimal encapsulation of the actuator against the delivery medium can be guaranteed. This encapsulation is advantageous because contact of the delivery medium, in particular H 2 , with the actuator causes damage. By encapsulating the actuator using a corrugated bellows, a short circuit due to the entry of the pumped medium, in particular into the electrical components of the actuator and / or the setting element, can be avoided, since all electrical components are located within the encapsulated space and thus against the pumped medium are protected.
Des Weiteren kann das Fördermedium die Oberflächen der magnetischen Bau teile des Aktors, insbesondere von weichmagnetischen Bauteilen, schädigen, wobei die Schädigung insbesondere durch Korrosion der Oberflächen der Bautei- le erfolgen kann. Zudem wird durch die Kapselung des Aktors verhindert, dass sich das Fördermedium und ein gegebenenfalls vorhandener Sauerstoff, der ins besondere im Rezirkulationsmedium vorhanden sein kann, durch elektrische Funken des Elektromagneten entzündet und dadurch das Förderaggregat und weitere Bauteile des Brennstoffzellen-Systems schädigen kann. Somit lässt sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats die Lebens dauer des gesamten Förderaggregats erhöhen. Furthermore, the conveying medium can damage the surfaces of the magnetic components of the actuator, in particular of soft magnetic components, the damage being caused in particular by corrosion of the surfaces of the components. le can be done. In addition, the encapsulation of the actuator prevents the delivery medium and any oxygen that may be present in the recirculation medium from being ignited by electrical sparks from the electromagnet and thereby damaging the delivery unit and other components of the fuel cell system. Thus, the design of the delivery unit according to the invention can increase the life of the entire delivery unit.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats steht das Lagerelement im unbetätigten Zustand des Aktors zumindest mittelbar an ei ner Einstellscheibe in Richtung der Längsachse in Anlage, wobei das Lagerele ment insbesondere durch die Federkraft des mindestens einen Federelements gegen das Anschlagelement gedrückt wird. Auf diese Weise kann das Lagerele ment in unbetätigtem Zustand des Aktors zumindest mittelbar an der Einstell- scheibe in Anlage und/oder durch das Federelement in diese Grundposition zu rückbewegt werden. Dies bietet den Vorteil, dass die genaue Position des La gerelements in axialer Richtung in dieser Grundposition durch die Bearbeitung eines Anschlagelements, insbesondere die Bearbeitung der Länge des Anschla gelements in Richtung der Symmetrieachse, festgelegt werden kann und somit eine aufwändige Bearbeitung des Lagerelements und/oder eines Deckels und/oder des Federelements und/oder des Grundkörpers entfallen kann. According to a particularly advantageous embodiment of the delivery unit, when the actuator is not actuated, the bearing element is at least indirectly in contact with an adjusting disk in the direction of the longitudinal axis, the bearing element being pressed against the stop element in particular by the spring force of the at least one spring element. In this way, when the actuator is not actuated, the bearing element can at least indirectly be moved back into contact with the adjusting disk and / or by the spring element into this basic position. This offers the advantage that the exact position of the bearing element in the axial direction in this basic position can be determined by machining a stop element, in particular machining the length of the stop element in the direction of the axis of symmetry, and thus a complex machining of the bearing element and / or a cover and / or the spring element and / or the base body can be omitted.
Dadurch lassen sich die Fertigungskosten und die Montagekosten des Förderag gregats reduzieren. This allows the production costs and the assembly costs of the conveyor unit to be reduced.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrie ben. With reference to the drawing, the invention will be described in more detail below.
Es zeigt: It shows:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregats mit einer Figure 1 is a schematic sectional view of a conveyor unit with a
Strahlpumpe und einem Dosierventil Jet pump and a metering valve
Figur 2 eine schematische Schnittansicht der Strahlpumpe mit einem Grund körper, einem Lagerelement und einer Düsen-Nadel Figure 2 is a schematic sectional view of the jet pump with a base body, a bearing element and a nozzle needle
Figur 3 das erfindungsgemäße Lagerelement der Strahlpumpe in einer Figure 3 shows the inventive bearing element of the jet pump in a
Draufsicht, Top view,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoff zellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und dem Förderaggregat, Figure 4 is a schematic representation of a fuel cell arrangement according to the invention with a fuel cell and the delivery unit,
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines För deraggregats 1, wobei das Förderaggregat 1 eine kombinierte Ventil- Strahlpumpenanordnung 3 aufweist. Die kombinierte Ventil- Strahlpumpenanordnung 3 weist dabei ein Dosierventil 10 und eine Strahlpumpe 4 auf, wobei das Dosierventil 10 beispielsweise mittels einer Verschraubung mit der Strahlpumpe 4 verbunden ist, insbesondere mit einem Grundkörper 8 der Strahlpumpe 4. The illustration according to FIG. 1 shows a schematic sectional view of a För deraggregats 1, wherein the conveyor unit 1 has a combined valve jet pump arrangement 3. The combined valve-jet pump arrangement 3 has a metering valve 10 and a jet pump 4, the metering valve 10 being connected to the jet pump 4 by means of a screw connection, in particular to a base body 8 of the jet pump 4.
Dabei weist die Strahlpumpe 4 einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36a einen Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 9 und einen Diffusor- Bereich 11 auf. Das Dosierventil 10 weist dabei den zweiten Zulauf 36b und eine Düse 12 auf. Dabei ist das Dosierventil 10 insbesondere in Richtung einer Längsachse 52 in die Strahlpumpe 4, insbesondere in eine Öffnung in dem Grundkörper 8 der Strahl pumpe 4 eingeschoben. The jet pump 4 has a first inlet 28, a second inlet 36 a, a suction area 7, a mixing tube 9 and a diffuser area 11. The metering valve 10 has the second inlet 36b and a nozzle 12. The metering valve 10 is in particular in the direction of a longitudinal axis 52 in the Jet pump 4, in particular pushed into an opening in the base body 8 of the jet pump 4.
In Fig. 1 ist zudem dargestellt, dass die kombinierte Ventil- Strahlpumpenanordnung 3 von einem zu fördernden Medium in einer Strömungs richtung III durchströmt wird. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Ventil- Strahlpumpenanordnung 3 sind dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebil det und dienen zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um h handelt, in dem Förderaggregat 1. Dabei durch strömt das gasförmige Medium einen zentralen Strömungsbereich 19 im Inneren des Grundkörpers 8 parallel zur Längsachse 52 in der Strömungsrichtung III, wo bei der zentrale Strömungsbereich 19 im Bereich der Mündung der Düse 12 im Ansaugbereich 7 beginnt und sich durch das Mischrohr 9 bis den Diffusor- Bereich 11 und beispielsweise darüber hinaus erstreckt, insbesondere in einem Bereich mit einem zumindest nahezu gleichbleibenden Durchmesser eines Strö mungsquerschnitts des Förderaggregats 1. Dabei wird der Ventil- Strahlpumpenanordnung 3 zum einen ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H2 aus einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle 32, insbesondere einem Stack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Das Rezirkulat strömt dabei auf einem ersten Strömungspfad IV in die Ventil- Strahlpumpenanordnung 3 ein. Zum anderen strömt durch den zweiten Zulauf 36 auf einem zweiten Strömungspfad V von außerhalb der Ventil- Strahlpumpenanordnung 3 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere H2, in ei ne Öffnung der Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 und/oder in den Grundkörper 8 und/oder das Dosierventil 10 ein, wobei das Treibmedium von einem Tank 34 kommen kann und unter hohen Druck, insbesondere von mehr als 5 bar, steht. Dabei verläuft der zweite Zulauf 36a, b durch die Bauteile Grundkörper 8 und/oder Dosierventil 10. Vom Dosierventil 10 wird das Treibmedium mittels ei ner Aktorik und eines vollständig schließbaren Ventilelements, insbesondere stoßweise, durch die Düse 12 in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 abgelassen. Das durch die Düse 12 strömende und als Treibmedium dienende H2 weist eine Druckdifferenz und/oder Geschwindigkeitsdifferenz zum Rezirkula- tionsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in das Förderaggregat 1 ein strömt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindes tens 5 bar aufweist. Damit sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Mas- sen-Strom in den zentralen Strömungsbereich 19 des Förderaggregats 1 geför- dert, beispielsweise durch den Einsatz eines, dem Förderaggregat 1 vorgeschal teten, Seitenkanalverdichters. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschrie benen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch die Düse 12 in den zentralen Strö mungsbereich 19 des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 9 ein. Die Dü se 12 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsquerschnitts auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere vom Dosier ventil 10 kommend und in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 ein strömend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im zentralen Strömungsbereich 19 des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder Druck- Differenz zwischen dem Treibmediums und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung be wirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung III beschleunigt und es entsteht für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 nachgefördert wird. Dieser Effekt kann als Strahlpumpen effekt bezeichnet werden. Durch das Ansteuern der Zu-Dosierung des Treibme diums mittels des Dosierventils 10 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmedi- ums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesamten Brennstoff- zellen-Systems 31 (nicht gezeigt in Fig. 1) je nach Betriebszustand und Be triebsanforderungen angepasst werden. In einem beispielhaften Betriebszustand des Förderaggregats 1 bei dem sich das Dosierventil 10 in geschlossenem Zu stand befindet, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich 19 der Strahlpumpe 4 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung III zum Rezirkulati onsmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt. In Fig. 1 it is also shown that the combined valve jet pump arrangement 3 is flowed through by a medium to be conveyed in a flow direction III. The majority of the flow through areas of the valve jet pump arrangement 3 are at least approximately tubular ausgebil det and serve to convey and / or guide the gaseous medium, which is in particular h, in the delivery unit 1. The gaseous medium flows through a central flow area 19 inside the base body 8 parallel to the longitudinal axis 52 in the flow direction III, where the central flow area 19 begins in the area of the mouth of the nozzle 12 in the suction area 7 and runs through the mixing tube 9 to the diffuser area 11 and, for example, beyond extends, in particular in an area with an at least almost constant diameter of a flow cross-section of the delivery unit 1. On the one hand, a recirculate is fed to the valve jet pump arrangement 3 through the first inlet 28, the recirculate being in particular the unused H2 from a Anode region of a fuel cell 32 , in particular a stack, acts, wherein the recirculate can also contain water and nitrogen. The recirculate flows into the valve jet pump arrangement 3 on a first flow path IV. On the other hand, a gaseous propellant medium, in particular H2 , flows through the second inlet 36 on a second flow path V from outside the valve jet pump arrangement 3 into an opening of the valve jet pump arrangement 3 and / or into the base body 8 and / or the metering valve 10 , wherein the propellant can come from a tank 34 and is under high pressure, in particular of more than 5 bar. The second inlet 36a, b runs through the components of the base body 8 and / or the metering valve 10. From the metering valve 10, the propellant medium is fed through the nozzle 12 into the suction area 7 and / or by means of an actuator and a fully closable valve element, in particular intermittently Mixing tube 9 drained. The H2 flowing through the nozzle 12 and serving as the motive medium has a pressure difference and / or speed difference to the recirculation medium flowing from the first inlet 28 into the delivery unit 1, the motive medium in particular having a higher pressure of at least 5 bar . So that a so-called jet pump effect occurs, the recirculation medium is conveyed with a low pressure and a low mass flow into the central flow area 19 of the delivery unit 1. changes, for example by using a side channel compressor upstream of the conveyor unit 1. The propellant flows through the nozzle 12 into the central flow area 19 of the suction area 7 and / or the mixing tube 9 at the described pressure difference and at a high speed, which can in particular be close to the speed of sound. The nozzle 12 has an inner recess in the form of a flow cross section through which the gaseous medium can flow, in particular coming from the metering valve 10 and flowing into the suction region 7 and / or the mixing tube 9. The motive medium meets the recirculation medium, which is already located in the central flow area 19 of the suction area 7 and / or the mixing tube 18. Due to the high speed and / or pressure difference between the motive medium and the recirculation medium, internal friction and turbulence are generated between the media. This creates a shear stress in the boundary layer between the fast propellant medium and the much slower recirculation medium. This voltage causes a pulse transmission, whereby the recirculation medium is accelerated and carried away. Mixing takes place according to the principle of conservation of momentum. The recirculation medium is accelerated in the flow direction III and a pressure drop occurs for the recirculation medium, as a result of which a suction effect sets in and thus further recirculation medium is fed from the area of the first inlet 28. This effect can be referred to as the jet pump effect. By controlling the metering of the propellant medium by means of the metering valve 10, a delivery rate of the recirculation medium can be regulated and based on the respective requirements of an entire fuel cell system 31 (not shown in FIG. 1) depending on the operating state and operating requirements be adjusted. In an exemplary operating state of the delivery unit 1 in which the metering valve 10 is in the closed state, it can be prevented that the propellant from the second inlet 36 flows into the central flow area 19 of the jet pump 4, so that the propellant does not continue in flow direction III to the recirculation medium can flow into the suction area 7 and / or the mixing tube 9 and thus suspend the jet pump effect.
Nach dem Passieren des Mischrohrs 9 strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibmedi um besteht, in der Strömungsrichtung III in den Diffusor- Bereich 11, wobei es im Diffusor- Bereich 11 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kom- men kann. Von dort strömt das Medium beispielsweise weiter in einen Anoden bereich 38 der Brennstoffzelle 32. After passing through the mixing tube 9, the mixed medium to be conveyed, which consists in particular of the recirculation medium and the propellant medium, flows in the flow direction III into the diffuser area 11, with a reduction in the flow velocity in the diffuser area 11. men can. From there, the medium flows further into an anode region 38 of the fuel cell 32, for example.
Weiterhin weist das Förderaggregat 1 aus der Fig. 1 technische Merkmale auf, die den Strahlpumpeneffekt und die Fördereffizienz zusätzlich verbessern und/oder das Kaltstartvorgang und/oder Fertigungs- und Montage- Kosten weiter verbessern. Dabei verläuft das Teilstück Diffusor- Bereich 11 im Bereich seines inneren Strömungsquerschnitts konisch, insbesondere sich in der Strömungsrich tung III vergrößernd. Durch diese Ausformung des Teilstücks Diffusor- Bereich 11 kann der vorteilhafte Effekt erzeugt werden, dass die kinetische Energie in Dru ckenergie umgewandelt wird, wodurch das mögliche Fördervolumen des Förder- aggregats 1 weiter erhöht werden kann, wodurch mehr des zu fördernden Medi ums, insbesondere F , der Brennstoffzelle 32 zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden kann. Furthermore, the delivery unit 1 from FIG. 1 has technical features which additionally improve the jet pump effect and the delivery efficiency and / or further improve the cold start process and / or manufacturing and assembly costs. The section diffuser area 11 runs conically in the area of its inner flow cross section, in particular increasing in the flow direction III. This shaping of the section diffuser area 11 can produce the advantageous effect that the kinetic energy is converted into pressure energy, whereby the possible delivery volume of the delivery unit 1 can be further increased, whereby more of the medium to be delivered, in particular F , can be supplied to the fuel cell 32, whereby the efficiency of the entire fuel cell system 31 can be increased.
Erfindungsgemäß kann das Dosierventil 10 als ein Proportionalventil 10 ausge führt sein, um eine verbesserte Dosierfunktion und ein exakteres Dosieren des Treibmediums in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 zu ermögli chen. Zur weiteren Verbesserung der Strömungsgeometrie und des Wirkungs grads des Förderaggregats 1 sind die Düse 12 und das Mischrohr 9 rotationssy- metrisch ausgeführt, wobei die Düse 12 koaxial zum Mischrohr 9 der Strahlpum pe 4 verläuft. According to the invention, the metering valve 10 can be designed as a proportional valve 10 to enable an improved metering function and more precise metering of the propellant medium in the suction area 7 and / or the mixing tube 9. To further improve the flow geometry and the efficiency of the delivery unit 1, the nozzle 12 and the mixing tube 9 are designed to be rotationally symmetrical, the nozzle 12 running coaxially with the mixing tube 9 of the jet pump 4.
In Fig. 2 ist ein eine schematische Schnittansicht der Strahlpumpe 4 mit dem Grundkörper 8, einem Lagerelement 14 und einer Düsen-Nadel 2. Die Strahl pumpe 4 weist dabei die Düse 12 auf, die in ihrem Inneren rotationssymetrisch um die Längsachse 52 einen inneren Strömungskanals 20 aufweist, der den zentralen Strömungsbereich 19 und/oder den Ansaugbereich 7 mit dem zweiten Zulauf 36 verbindet und durch die ein Treibmedium strömen kann. Weiterhin ver läuft die Düsen-Nadel 2 zumindest nahezu rotationsymmetrisch um die Längs achse 52, wobei die Düsen-Nadel 2 im zentralen Strömungsbereich 19 der Strahlpumpe 4 angeordnet ist. Des Weiteren ist in der Strahlpumpe 4 ein Aktor 30 angeordnet, wobei die Düsen-Nadel 2 durch den Aktor 30 in einer axialen Richtung 42 verstellbar ist, wobei die Düsen-Nadel 2 in der Strahlpumpe 4 bei ei ner Bewegung in axialer Richtung 42, die parallel zu der Längsachse 52 der Strahlpumpe 4 verläuft, durch mindestens ein Lagerelement 14 geführt ist. Der Aktor 30 weist zudem mindestens ein Einstellelement 18 auf, wobei das Einstei- lelement 18 in einer beispielhaften Ausführungsform des Förderaggregats 1 als ein Magnetspule 18 ausgeführt ist. Die Düse 12 ist hierbei stationär im Förderag gregats 1 angeordnet, entweder im Grundkörper 8 oder im oder am Dosierventil 10. Die Düse 12 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Dabei ist die Düsen- Nadel 2 und/oder das Lagerelement 14 stromabwärts, insbesondere in der Strö mungsrichtung III, von der Düse 12 angeordnet sind, insbesondere im Bereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 9 und/oder des Diffusor- Bereichs 11 der Strahlpumpe 4. Zusätzlich zur Düsen-Nadel 2 ist das Lagerele ment 14 in axialer Richtung 42 verschiebbar in der Strahlpumpe 4 angeordnet, wobei sich insbesondere das Lagerelement 14 mit der Düsen-Nadel 2 in axialer Richtung 42 mitbewegt. In Fig. 2 is a schematic sectional view of the jet pump 4 with the base body 8, a bearing element 14 and a nozzle needle 2. The jet pump 4 has the nozzle 12, the inside of which is rotationally symmetrical about the longitudinal axis 52 an inner flow channel 20, which connects the central flow area 19 and / or the suction area 7 to the second inlet 36 and through which a propellant medium can flow. Furthermore, the nozzle needle 2 runs at least almost rotationally symmetrically about the longitudinal axis 52, the nozzle needle 2 being arranged in the central flow area 19 of the jet pump 4. Furthermore, an actuator 30 is arranged in the jet pump 4, the nozzle needle 2 being adjustable in an axial direction 42 by the actuator 30, the nozzle needle 2 in the jet pump 4 when moving in the axial direction 42, the runs parallel to the longitudinal axis 52 of the jet pump 4, is guided by at least one bearing element 14. The actuator 30 also has at least one setting element 18, wherein the entry lelement 18 is designed as a magnetic coil 18 in an exemplary embodiment of the delivery unit 1. The nozzle 12 is arranged in a stationary manner in the conveyor unit 1, either in the base body 8 or in or on the metering valve 10. The nozzle 12 is essentially annular. The nozzle needle 2 and / or the bearing element 14 is arranged downstream, in particular in the flow direction III, from the nozzle 12, in particular in the area of the suction area 7 and / or the mixing tube 9 and / or the diffuser area 11 of the Jet pump 4. In addition to the nozzle needle 2, the bearing element 14 is arranged in the jet pump 4 so as to be displaceable in the axial direction 42, the bearing element 14 in particular moving with the nozzle needle 2 in the axial direction 42.
In Fig. 2 ist zudem dargestellt, dass in den zentralen Strömungsbereich 19 von außerhalb des Förderaggregats 1 durch den ersten Zulauf 28 ein gasförmiges Rezirkulationsmedium einströmt, insbesondere F , wobei das gasförmige Rezir- kulationsmedium beispielsweise aus einem Brennstoffzellenstapel gefördert wird. Dieses gasförmige Rezirkulationsmedium strömt in der Strömungsrichtung III zwischen der Düse 12 und dem Grundkörper 8 hindurch in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 ein. 2 also shows that a gaseous recirculation medium flows into the central flow area 19 from outside the conveyor unit 1 through the first inlet 28, in particular F, the gaseous recirculation medium being conveyed from a fuel cell stack, for example. This gaseous recirculation medium flows in the flow direction III between the nozzle 12 and the base body 8 into the suction area 7 and / or the mixing tube 9.
Weiterhin ist in Fig. 2 gezeigt, dass sich ein ringspaltförmiger Strömungsquer schnitt 33 zwischen einer äußeren Strömungskontur 35 der Düsen-Nadel 2 und einer inneren Strömungskontur 37 der Strahlpumpe 4, insbesondere des Grund körpers 8, befindet. Dabei wird die geometrische Kontur dieses ringspaltförmigen Strömungsquerschnitts 33 maßgeblich durch die Oberflächen der Bauteile Grundkörper 8, Düsen-Nadel 2 und Lagerelement 14 beeinflusst und/oder aus gebildet, insbesondere der Oberflächen der Bauteile, die sich im Strömungsquer schnitt 33 befinden. Dabei weist das Lagerelement 14 jeweils ein ringförmig um die Längsachse 52 verlaufendes äußeres ringförmiges Element 44 und ein inne res ringförmiges Element 46 auf. Dabei steht das Lagerelement 14 mit dem In nendurchmesser seines inneren ringförmigen Elements 46 mit dem Außen durchmesser der Düsen-Nadel 2 radial zur Längsachse 52 zumindest in Anlage. Weiterhin steht das Lagerelement 14 mit dem Außendurchmesser seines äuße ren ringförmigen Elements 44 mit dem Innendurchmesser des Grundkörpers 8, insbesondere der inneren Strömungskontur 37, radial zur Längsachse 52 zumin dest in Anlage. Auf diese Weise kann eine Führung der Düsen-Nadel 2 in der Strahlpumpe 4 mittels des Lagerelements 14, insbesondere radial zur Längsach se 52, bewirkt werden. Furthermore, FIG. 2 shows that an annular gap-shaped flow cross section 33 is located between an outer flow contour 35 of the nozzle needle 2 and an inner flow contour 37 of the jet pump 4, in particular of the base body 8. The geometric contour of this annular gap-shaped flow cross-section 33 is significantly influenced and / or formed by the surfaces of the components base body 8, nozzle needle 2 and bearing element 14, in particular the surfaces of the components that are located in the flow cross-section 33. The bearing element 14 has in each case an outer ring-shaped element 44 running in a ring around the longitudinal axis 52 and an inner ring-shaped element 46. In this case, the bearing element 14 is with the inside diameter of its inner annular element 46 with the outer diameter of the nozzle needle 2 radially to the longitudinal axis 52 at least in contact. Furthermore, the bearing element 14 with the outer diameter of its outer ring-shaped element 44 is at least in contact with the inner diameter of the base body 8, in particular the inner flow contour 37, radially to the longitudinal axis 52. In this way, a guide of the nozzle needle 2 in the Jet pump 4 by means of the bearing element 14, in particular radially to the longitudinal axis 52, are effected.
Durch den zweiten Zulauf 36 strömt von außerhalb des Förderaggregats 1 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere F , in einen Bereich zwischen der Düse 12 und der Düsen-Nadel 2, der als ein Ringspalt 26 bezeichnet wird, wobei sich der Ringspalt 26 insbesondere zwischen einer Düsenfläche 27 der Düse 12 und einer Nadelfläche 24 der Düsen-Nadel 2 ausbildet. Dabei strömt das gasförmige Treibmedium in Richtung der Strömungsrichtung III. Das aus dem zweiten Zulauf 36 in den Ringspalt 26 strömende und als Treibmedium dienende F weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in das Förderaggregat 1 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 5 bar aufweist. Damit sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Massenstrom in den zentralen Strömungsbereich 19 des Förderaggregats 1 gefördert, beispielsweise durch den Einsatz einer, dem Förderaggregat 1 vorgeschalteten, Rezirkulations-Pumpe. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwin digkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch den Ringspalt 26 in den zentralen Strömungsbereich 19 und/oder den Ansaugbereich 7 ein. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich be reits im zentralen Strömungsbereich 19 und/oder den Ansaugbereich 7 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeitsdifferenz und/oder Druckdifferenz zwi schen dem Treibmediums und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Rei bung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mit gerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung III beschleunigt und es entsteht auch für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch ei ne Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Be reich des ersten Zulaufs 28 nachgefördert wird. Dieser Effekt kann als Strahl pumpeneffekt bezeichnet werden. Durch die Änderung einer Spaltweite 25 des Ringspaltes 26, insbesondere durch die Bewegung der Düsen-Nadel 2 in axialer Richtung 42, kann die Einströmmenge und/oder der Einströmwinkel und/oder die Einströmgeschwindigkeit und/oder die Einspritzrichtung des Treibmediums regu- liert werden. Dadurch kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 (nicht in Fig. 1 gezeigt, vgl. Fig. 3) je nach Betriebszustand und Betriebsan forderungen angepasst werden. A gaseous propellant medium, in particular F , flows through the second inlet 36 from outside the conveyor unit 1 into an area between the nozzle 12 and the nozzle needle 2, which is referred to as an annular gap 26, the annular gap 26 in particular between a nozzle surface 27 the nozzle 12 and a needle surface 24 of the nozzle needle 2 forms. The gaseous propellant flows in the direction of flow direction III. The F flowing from the second inlet 36 into the annular gap 26 and serving as the motive medium has a pressure difference to the recirculation medium that flows into the conveyor unit 1 from the first inlet 28, the motive medium in particular having a higher pressure of at least 5 bar. So that a so-called jet pump effect occurs, the recirculation medium is conveyed with a low pressure and a low mass flow into the central flow area 19 of the conveying unit 1, for example by using a recirculation pump upstream of the conveying unit 1. The propellant flows through the annular gap 26 into the central flow area 19 and / or the suction area 7 at the described pressure difference and at a high speed, which can in particular be close to the speed of sound. The motive medium meets the recirculation medium, which is already in the central flow area 19 and / or the suction area 7. Due to the high speed difference and / or pressure difference between the driving medium and the recirculation medium, internal friction and turbulence between the media is generated. This creates a shear stress in the boundary layer between the fast propellant medium and the much slower recirculation medium. This tension causes an impulse transmission, whereby the recirculation medium is accelerated and entrained. Mixing takes place according to the principle of conservation of momentum. The recirculation medium is accelerated in the flow direction III and there is also a pressure drop for the recirculation medium, whereby a suction effect sets in and thus further recirculation medium is replenished from the area of the first inlet 28. This effect can be referred to as the jet pump effect. By changing a gap width 25 of the annular gap 26, in particular by moving the nozzle needle 2 in the axial direction 42, the inflow quantity and / or the inflow angle and / or the inflow speed and / or the direction of injection of the propellant can be regulated. be lured. As a result, a delivery rate of the recirculation medium can be regulated and adapted to the respective requirements of the entire fuel cell system 31 (not shown in FIG. 1, see FIG. 3) depending on the operating state and Betriebsan requirements.
In einem beispielhaften Betriebszustand des Förderaggregats 1 bei dem sich die Düsen-Nadel 2 mit der Düse 12 in Anlage befindet und sich der Dichtsitz zwi schen der Düsen-Nadel 2 mit der Düse 12 ausgebildet hat, kann verhindert wer den, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strö mungsbereich 19 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strö mungsrichtung III zum Rezirkulationsmedium einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt. In einer beispielhaften Ausführungsform des För deraggregats 1 kann jedoch auch durch das dem zweiten Zulauf 36 vorgelagerte Dosierventil 10, insbesondere ein Proportionalventil 10 und/oder ein Wasser stoffdosierventil 10 ein Einströmen des Treibmediums in den zentralen Strö mungsbereich 19 und/oder den Ansaugbereich 7 des Förderaggregats 1 durch den zweiten Zulauf 36 verhindert oder geregelt werden. In an exemplary operating state of the delivery unit 1 in which the nozzle needle 2 is in contact with the nozzle 12 and the sealing seat is formed between the nozzle needle 2 and the nozzle 12, whoever can prevent the propellant from flowing out of the Second inlet 36 flows into the central flow area 19, so that the propellant cannot flow further in flow direction III to the recirculation medium and thus the jet pump effect is suspended. In an exemplary embodiment of the feed unit 1, however, the propellant medium can also flow into the central flow area 19 and / or the suction area 7 of the feed unit through the metering valve 10 upstream of the second inlet 36, in particular a proportional valve 10 and / or a hydrogen metering valve 10 1 can be prevented or regulated by the second inlet 36.
In Fig. 2 ist gezeigt, dass sich mittels einer Betätigung des Aktors 30 gleichzeitig die Spaltweite 25 und/oder der ringspaltförmigen Strömungsquerschnitts 33 und/oder des Strömungsquerschnitts des Mischrohrs 9 verstellen lässt. Dabei ist das Lagerelement 14 zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt. Da in einer beispielhaften Ausführungsform des Förderaggregats 1 der Aktor 30 als ein elektrischer Aktor 30 ausgeführt und/oder ausgebildet ist, insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor 30, ist das Lagerelement 14 bei einer Betätigung des Aktors 30 in axialer Richtung 42 verstellbar. Des Weiteren kann sich mindestens ein Federelement 22 in axialer Richtung 42 derart an dem Lagerelement 14 und einer Stirnfläche des Grundkörpers 8 abstützen, dass das Federelement 22 mit einer Rückstellkraft auf das Lagerelement 14 wirkt, die ent gegengesetzt zu der Aktorkraft des Aktors 30 in axialer Richtung 42 wirkt. In ei ner weiteren Ausführungsform des Förderaggregats 1 kann das Federelement 22 als ein Wellbalg 22 ausgeführt sein, um eine verbesserte Kapselung des Aktors 30 gegen das die Strahlpumpe 4 durchströmende Medium bewirken zu können. Dabei ist der Wellbalg 22 mit dem Lagerelement 14 und dem Grundkörper 8 ver bunden, so dass eine Kapselung des Aktors 30 erzielt werden kann. Zudem steht das Lagerelement 14 im unbetätigten Zustand des Aktors 30, und somit insbe sondere in einer Grundposition, zumindest mittelbar an einer Einstellscheibe 16 in Richtung der Längsachse 52 in Anlage, wobei das Lagerelement 14 insbe sondere durch die Federkraft des mindestens einen Federelements 22 gegen die Einstellscheibe 16 gedrückt wird. Dabei wird durch das Federelement 22 eine Rückstellkraft auf das Lagerelement 14 ausgeübt, wobei die Rückstellkraft der Aktorkraft des Aktors 30 in axialer Richtung 42 entgegengesetzt ist. In dieser Grundposition wird das Lagerelement 14 insbesondere in axialer Richtung 42 gegen die Einstellscheibe 16 gedrückt und/oder in Anlage gehalten. Die Einstell scheibe 16 ist dabei derart in den Grundkörper 8 der Strahlpumpe 4 eingeführt, dass die Einstellscheibe 16 nach erfolgter Montage mittels einer kraftschlüssigen und/oder einer formschlüssigen und/oder einer stoffschlüssigen Verbindung axial zur Längsachse 52 im Grundkörper 8 fixiert ist. Bei der Montage lässt sich jedoch die Einstellscheibe 16 derart im Grundkörper 8 der Strahlpumpe 4 axial zur Längsachse 52 ausrichten, dass Fertigungstoleranzen der Bauteile Einstellschei be 16, Grundkörper 8, Lagerelement 14 und Federelement 22 ausgeglichen wer den können, so dass das Lagerelement 14 zuverlässig axial zur Längsachse 52 mit der Einstellscheibe 16 in Anlage gehalten wird und die Feder in dieser Grundposition des Lagerelements 14 nicht zu stark vorgespannt wird. In FIG. 2 it is shown that the gap width 25 and / or the annular gap-shaped flow cross section 33 and / or the flow cross section of the mixing tube 9 can be adjusted at the same time by actuating the actuator 30. The bearing element 14 is made at least partially from a magnetic material. Since, in an exemplary embodiment of the conveyor unit 1, the actuator 30 is designed and / or designed as an electrical actuator 30, in particular as an electromagnetic actuator 30, the bearing element 14 is adjustable in the axial direction 42 when the actuator 30 is actuated. Furthermore, at least one spring element 22 can be supported in the axial direction 42 on the bearing element 14 and an end face of the base body 8 in such a way that the spring element 22 acts on the bearing element 14 with a restoring force that is opposite to the actuator force of the actuator 30 in the axial direction 42 works. In a further embodiment of the delivery unit 1, the spring element 22 can be designed as a corrugated bellows 22 in order to be able to bring about an improved encapsulation of the actuator 30 against the medium flowing through the jet pump 4. The corrugated bellows 22 is connected to the bearing element 14 and the base body 8 so that the actuator 30 can be encapsulated. In addition, when the actuator 30 is not actuated, the bearing element 14, and thus in particular in a basic position, is at least indirectly on an adjusting disk 16 in the direction of the longitudinal axis 52 in contact, the bearing element 14 in particular being pressed against the adjusting disk 16 by the spring force of the at least one spring element 22. In this case, the spring element 22 exerts a restoring force on the bearing element 14, the restoring force opposing the actuator force of the actuator 30 in the axial direction 42. In this basic position, the bearing element 14 is pressed, in particular, in the axial direction 42 against the adjusting disk 16 and / or held in contact. The setting disk 16 is inserted into the base body 8 of the jet pump 4 in such a way that the setting disk 16 is fixed axially to the longitudinal axis 52 in the base body 8 by means of a non-positive and / or a form-fitting and / or a material connection after assembly. During assembly, however, the adjusting washer 16 can be aligned axially to the longitudinal axis 52 in the base body 8 of the jet pump 4 in such a way that manufacturing tolerances of the components adjusting washer 16, base body 8, bearing element 14 and spring element 22 can be compensated so that the bearing element 14 is reliably axial is held in contact with the longitudinal axis 52 with the adjusting disk 16 and the spring is not excessively pretensioned in this basic position of the bearing element 14.
In Fig. 3 ist das erfindungsgemäße Lagerelement 14 der Strahlpumpe 4 in einer Draufsicht gezeigt. Dabei ist gezeigt, dass das Lagerelement 14 das äußere ring förmige Element 44 und das innere ringförmige Element 46 aufweist. Diese bei den Elemente 44, 46 sind mittels mindestens eines Verbindungs-Stegs 48 mitei nander verbunden, wobei der mindestens eine Verbindungs-Steg 48 zumindest teilweise radial zur Längsachse 52 verläuft. Dabei bildet sich zwischen dem min destens einen Verbindung-Steg 48 umlaufend um die Längsachse 52 jeweils mindestens eine Aussparung 50 aus, wobei sich in der beispielhaft in Fig. 3 dar gestellten Lagerelement 14 insgesamt drei Aussparungen 50 zwischen drei Ver bindungs-Stegen 48 ausbilden. Durch diese mindestens eine Aussparung 50 strömt das gasförmige Medium zumindest annähernd parallel zur Längsachse 52 durch das Lagerelement 14 im Bereich des ringspaltförmigen Strömungsquer schnitts 33 im Bereich der Strahlpumpe 4. Die Aussparung 50 verläuft dabei der art in der Strömungsrichtung III, dass sich Ihre Strömungskonturen und/oder Strömungsquerschnittsflächen ändern können, sodass bestimmte Strömungsef fekte bei gasförmigen durchströmenden Medium beim Durchströmen des La gerelements 14 und/oder des ringspaltförmigen Strömungsquerschnitts 33 er zeugt werden können. Zusätzlich können diese Strömungseffekte durch ein Be wegen des Lagerelements 14 in axialer Richtung 42 mittels des Aktors 30 her- beigeführt werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das gasförmige Medium durch die geometrische Ausformung des mindestens einen Verbin dungs-Stegs 48 und/oder der mindestens einen Aussparung 50 mit einem Drall beaufschlagt wird, was zu einem verbesserten Strömungsverhalten führt. In Fig. 3, the inventive bearing element 14 of the jet pump 4 is shown in a plan view. It is shown here that the bearing element 14 has the outer ring-shaped element 44 and the inner ring-shaped element 46. These in the elements 44, 46 are connected to one another by means of at least one connecting web 48, the at least one connecting web 48 running at least partially radially to the longitudinal axis 52. At least one recess 50 is formed between the min least one connecting web 48 around the longitudinal axis 52, with a total of three recesses 50 being formed between three connecting webs 48 in the bearing element 14 shown by way of example in FIG. The gaseous medium flows through this at least one recess 50, at least approximately parallel to the longitudinal axis 52, through the bearing element 14 in the area of the annular gap-shaped flow cross-section 33 in the area of the jet pump 4. The recess 50 runs in the flow direction III so that its flow contours and / or can change flow cross-sectional areas so that certain flow effects in the case of a gaseous medium flowing through when flowing through the bearing element 14 and / or the annular gap-shaped flow cross-section 33 can be generated. In addition, these flow effects can be caused by loading because of the bearing element 14 in the axial direction 42 by means of the actuator 30. be added. In an exemplary embodiment, a swirl can be applied to the gaseous medium due to the geometric shape of the at least one connecting web 48 and / or the at least one recess 50, which leads to improved flow behavior.
Des Weiteren ist in Fig. 3 dargestellt, dass die Düsen-Nadel 2 und das La gerelement 14 formschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder einer kraftschlüs sig miteinander verbunden sind. Dabei wird die Düsen-Nadel 2 in den Bereich ei ner, insbesondere rotationssymetrisch um die Längsachse 52 verlaufenden, in neren Bohrung 54 des Lagerelements 14 eingeführt, wobei die innere Bohrung 54 rotationssymetrisch um die Drehachse 52 vom inneren ringförmigen Element 46 des Lagerelements 14 umgeben ist. Die Verbindung zwischen der Düsen- Nadel 2 und dem Lagerelement 14 kann dabei beispielsweise mittels eines Pressverbands und/oder mittels einer Klebung und/oder mittels eines Schweiß verfahrens erfolgen. Furthermore, it is shown in Fig. 3 that the nozzle needle 2 and the bearing element 14 are positively and / or cohesively and / or non-positively connected to one another. In this case, the nozzle needle 2 is introduced into the area of a bore 54 of the bearing element 14, in particular a rotationally symmetrical around the longitudinal axis 52, the inner bore 54 being surrounded by the inner annular element 46 of the bearing element 14 in a rotationally symmetrical manner around the axis of rotation 52 . The connection between the nozzle needle 2 and the bearing element 14 can take place, for example, by means of a press fit and / or by means of adhesive bonding and / or by means of a welding process.
Zudem lässt sich die Geometrie des ringspaltförmigen Strömungsquerschnitts 33 und/oder des Strömungsquerschnitts des Mischrohrs 9 bei einer Verstellung und/oder Bewegung des Lagerelements 14, insbesondere aufgrund seiner min destens einen Aussparung 50, ändern. In addition, the geometry of the annular gap-shaped flow cross-section 33 and / or the flow cross-section of the mixing tube 9 can be changed when the bearing element 14 is adjusted and / or moved, in particular due to its at least one recess 50.
In Fig. 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Brennstoffzellen-Systems 31 dargestellt, insbesondere eines Anodenkreislaufs. Dabei ist gezeigt, dass das Förderaggregat 1 über eine Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden, die den Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung 23 vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 mit dem ersten Zulauf 28, und somit insbesondere mit dem Ansaugbereich7, des Förderaggregats 1 verbindet. Mittels der Rückführleitung 23 kann das im Anodenbereich 38 beim Betrieb der Brennstoffzelle 32 nicht ver wertete erste gasförmige Medium zum ersten Zulauf 28 zurückgeführt werden. Bei diesem ersten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das vorrangegangen beschriebene Rezirkulationsmedium. In FIG. 4, an exemplary embodiment of the fuel cell system 31 is shown, in particular an anode circuit. It is shown here that the delivery unit 1 is connected to the fuel cell 32 via a connecting line 29, which comprises the anode area 38 and a cathode area 40. In addition, a return line 23 is provided which connects the anode region 38 of the fuel cell 32 with the first inlet 28, and thus in particular with the suction region 7, of the delivery unit 1. By means of the return line 23, the first gaseous medium which is not evaluated in the anode region 38 during operation of the fuel cell 32 can be returned to the first inlet 28. This first gaseous medium is in particular the recirculation medium described above.
Wie aus Fig. 4 weiter ersichtlich, wird das in dem Tank 34 gespeicherte zweite gasförmige Medium über eine Zuströmleitung 21 einem Zuströmbereich, der ins besondere als der zweite Zulauf 36 ausgebildet ist, des Förderaggregats 1 zuge führt. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das Treibmedium. As can also be seen from FIG. 4, the second gaseous medium stored in the tank 34 is fed via an inflow line 21 to an inflow area, which is in particular designed as the second inflow 36, of the delivery unit 1. This second gaseous medium is in particular the propellant.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium, wobei das Förderaggregat (1) zumindest eine Strahlpumpe (4) mit einem Grundkörper (8) aufweist, in der eine Düse (12) und eine Düsen-Nadel (2) angeordnet sind, wobei in der Strahlpumpe (4) ein Aktor (30) angeordnet ist, wobei die Düsen- Nadel (2) durch den Aktor (30) in einer axialen Richtung (42) verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen-Nadel (2) in der Strahl pumpe (4) bei einer Bewegung in axialer Richtung (42), die parallel zu einer Längsachse (52) der Strahlpumpe (4) verläuft, durch mindestens ein Lagerelement (14) geführt ist und dass die Düsen-Nadel (2) und/oder das Lagerelement (14) stromabwärts von der Düse (12) ange ordnet sind, insbesondere im Bereich des Mischrohrs (9) der Strahlpum pe (4). 1. Delivery unit (1) for a fuel cell system (31) for pumping and controlling a gaseous medium, the delivery unit (1) having at least one jet pump (4) with a base body (8) in which a nozzle (12) and a nozzle needle (2) are arranged, an actuator (30) being arranged in the jet pump (4), the nozzle needle (2) being adjustable in an axial direction (42) by the actuator (30), characterized in that the nozzle needle (2) in the jet pump (4) during a movement in the axial direction (42), which runs parallel to a longitudinal axis (52) of the jet pump (4), by at least one bearing element (14) is guided and that the nozzle needle (2) and / or the bearing element (14) are arranged downstream of the nozzle (12), in particular in the area of the mixing tube (9) of the jet pump (4).
2. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (14) in axialer Richtung (42) verschiebbar in der Strahlpumpe (4) angeordnet ist, wobei sich insbesondere das Lagerele ment (14) mit der Düsen-Nadel (2) in axialer Richtung (42) mitbewegt. 2. Delivery unit (1) according to claim 1, characterized in that the bearing element (14) is arranged displaceably in the axial direction (42) in the jet pump (4), wherein in particular the Lagerele element (14) with the nozzle needle ( 2) moved in the axial direction (42).
3. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen-Nadel (2) und das Lagerelement (14) formschlüssig und/oder stoffschlüssig und/oder einer kraftschlüssig miteinander verbunden sind. 3. Conveyor unit (1) according to claim 2, characterized in that the nozzle needle (2) and the bearing element (14) are positively and / or cohesively and / or a non-positively connected to one another.
4. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Nadelfläche (24) der Düsen-Nadel (2) und der Düsenfläche (27) der Düse (12) ein Ringspalt (26) ausgebildet ist, wobei der Ringspalt (26) durch die Nadelfläche (24) einerseits und die Düsenfläche (27) andererseits begrenzt ist. 4. Conveying unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that between a needle surface (24) of the nozzle needle (2) and the nozzle surface (27) of the nozzle (12) an annular gap (26) is formed, wherein the Annular gap (26) is limited by the needle surface (24) on the one hand and the nozzle surface (27) on the other hand.
5. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betätigung des Aktors (30) eine Spaltweite (25) zwischen der Nadel fläche (24) und der Düsenfläche (27) änderbar ist. 5. Delivery unit (1) according to claim 4, characterized in that when the actuator (30) is actuated, a gap width (25) between the needle surface (24) and the nozzle surface (27) can be changed.
6. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein ringspaltförmiger Strömungsquerschnitt (33) zwischen einer äu- ßeren Strömungskontur (35) der Düsen-Nadel (2) und einer inneren Strömungskontur (37) der Strahlpumpe (4), insbesondere des Grund körpers (8), befindet. 6. conveying unit (1) according to claim 1, characterized in that an annular gap-shaped flow cross-section (33) between an outer ßeren flow contour (35) of the nozzle needle (2) and an inner flow contour (37) of the jet pump (4), in particular of the base body (8), is located.
7. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (14) ein äußeres ringförmiges Element (44) und ein inneres ringförmiges Element (46) aufweist, die mittels mindestens eines Verbindungs-Stegs (48) miteinan der verbunden sind, wobei sich zwischen dem mindestens einen Verbin dungs-Steg (48) umlaufend um die Längsachse (52) jeweils mindestens eine Aussparung (50) ausbildet. 7. Conveyor unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing element (14) has an outer annular element (44) and an inner annular element (46) which miteinan by means of at least one connecting web (48) are connected, with at least one recess (50) being formed between the at least one connec tion web (48) circumferentially around the longitudinal axis (52).
8. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (14) zumindest teil weise aus einem magnetischen Werkstoff besteht und/oder bei einer Be tätigung des Aktors (30) in axialer Richtung (42) verstellbar ist. 8. Conveyor unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the bearing element (14) at least partially consists of a magnetic material and / or when the actuator (30) is actuated in the axial direction (42) is adjustable.
9. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsgeometrie des ringspaltförmigen Strö mungsquerschnitts (33) und/oder des Strömungsquerschnitts des Misch rohrs (9) bei einer Verstellung und/oder Bewegung des Lagerelements (14), insbesondere aufgrund seiner mindestens einen Aussparung (50), ändern lässt. 9. Conveyor unit (1) according to claim 7 or 8, characterized in that the flow geometry of the annular gap-shaped Strö flow cross-section (33) and / or the flow cross-section of the mixing tube (9) when adjusting and / or moving the bearing element (14), in particular because of its at least one recess (50) can be changed.
10. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Betätigung des Aktors (30) gleichzeitig die Spalt weite (25) und/oder der ringspaltförmigen Strömungsquerschnitt (33) und/oder der Strömungsquerschnitt des Mischrohrs (9) verstellen lässt. 10. Delivery unit (1) according to claim 7 and 8, characterized in that by means of an actuation of the actuator (30) at the same time the gap width (25) and / or the annular gap-shaped flow cross-section (33) and / or the flow cross-section of the mixing tube (9) can be adjusted.
11. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (30) als ein elektrischer Aktor (30), insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor (30), ausgebildet ist. 11. Conveying unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the actuator (30) is designed as an electrical actuator (30), in particular as an electromagnetic actuator (30).
12. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Federelement (22) in axialer Richtung (42) derart an dem Lagerelement (14) und einer Stirnfläche des Grundkörpers (8) abstützt, dass das Federelement (22) mit einer Rückstellkraft auf das Lagerelement (14) wirkt, die entgegen gesetzt zu der Aktorkraft des Aktors (30) in axialer Richtung (42) wirkt. 12. Conveying unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one spring element (22) is supported in the axial direction (42) on the bearing element (14) and an end face of the base body (8) that the spring element ( 22) acts on the bearing element (14) with a restoring force which counteracts the actuator force of the actuator (30) in the axial direction (42).
13. Förderaggregat (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (22) als ein Wellbalg (22) ausgeführt ist und dadurch eine zusätzliche Kapselung des Aktors (30) gegen das Eindringen des zu fördernden Mediums, insbesondere Wasserstoff, er zielt wird. 13. Delivery unit (1) according to claim 12, characterized in that the at least one spring element (22) is designed as a corrugated bellows (22) and thereby an additional encapsulation of the actuator (30) against the penetration of the medium to be conveyed, in particular hydrogen, he aims will.
14. Förderaggregat (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerelement (14) im unbetätigten Zustand des Aktors (30) zumindest mittelbar an einer Einstellscheibe (16) in Richtung der Längsachse (52) in Anlage steht, wobei das Lagerelement (14) ins besondere durch die Federkraft des mindestens einen Federelements (22) gegen das Anschlagelement (7) gedrückt wird. 14. Conveying unit (1) according to one of claims 12 to 13, characterized in that the bearing element (14) in the unactuated state of the actuator (30) is at least indirectly in contact with an adjusting disk (16) in the direction of the longitudinal axis (52), wherein the bearing element (14) is pressed against the stop element (7) in particular by the spring force of the at least one spring element (22).
15. Verwendung des Förderaggregates (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Brennstoffzellen-System (31). 15. Use of the delivery unit (1) according to one of claims 1 to 13 in a fuel cell system (31).
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