CN115698518A - 燃料电池系统的用于输送和/或控制气态介质的输送机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统(31)的输送机构(1)，用于输送和/或控制气态介质，尤其氢气，所述输送机构具有由处于压力下的气态介质的驱动射流驱动的射流泵(4)，其中，所述输送机构(1)的输出端与燃料电池(32)的阳极输入端(5)流体连通，其中，所述射流泵(4)具有吸入区域(7)、混合管(9)和扩散区域(11)，并且被气态介质沿流动方向III流经，所述流动方向平行于所述射流泵(4)的纵轴线(52)延伸，并且其中，所述扩散区域(11)至少间接地与燃料电池(32)的阳极输入端(5)流体连通。所述射流泵(4)具有壳体组件(6)，其中，所述壳体组件(6)具有构件基体(8)和混合管插入件(17)，并且其中，尤其得到所述射流泵(4)的模块化结构。

Description

燃料电池系统的用于输送和/或控制气态介质的输送机构

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的输送机构，该输送机构用于输送和/或控制气态介质、尤其氢气，所述输送机构尤其设置为用于使用在具有燃料电池驱动器的车辆中。

背景技术

除了液体燃料外，气体燃料未来也在车辆领域中发挥越来越大的作用。尤其在具有燃料电池驱动器的车辆中必须控制氢气流。在此，气流不再如在喷射液态燃料时那样不连续地被控制，而是从至少一个箱、尤其高压箱中取出，并且通过中压管路系统的流入管路引导到喷射器单元上。该喷射器单元将气体通过低压管路系统的连接管路引导至燃料电池。

由DE102018213313已知一种用于燃料电池系统的输送机构，用于输送和/或控制气态介质，尤其氢气。在此，输送机构具有至少一个由处于压力下的气态介质的驱动射流驱动的射流泵，其中，输送机构的输出端与燃料电池的阳极输入端流体连接。在此，喷嘴布置在射流泵的基体中，其中，射流泵的基体具有吸入区域、混合管和扩散区域，并且被气态介质沿平行于射流泵纵轴线的流动方向流经。

由DE102018213313已知的输送机构可以具有一定缺点。

通过由于变化的燃料电池尺寸和燃料电池性能的不同客户要求，不同尺寸的射流泵可能在内部通流轮廓的几何造型方面是必要的，尤其在混合管的区域，例如混合管半径和/或混合管长度，以及在吸入区域和/或扩散区域的相邻通流区域中。这些特定的和不同的客户要求产生关于单个零件层面的高度变型多样化，尤其关于输送机构基体，以及整个输送机构的装配层面。通过高的物流成本、制造成本、装备成本、在价值链起始的小批量以及变型形成，由此导致成本劣势。

发明内容

根据本发明，燃料电池系统的用于输送和/或控制气态介质、尤其氢气的输送机构，具有由处于压力下的气态介质的驱动射流驱动的射流泵，其中，输送机构的输出端与燃料电池的阳极输入端流体连通，其中，射流泵具有吸入区域、混合管和扩散区域并且被气态介质沿流动方向III流经，该流动方向平行于射流泵的纵轴线延伸，并且其中，扩散区域至少间接地与燃料电池的阳极输入端流体连通。

参考权利要求1，输送机构的根据本发明的构型提供以下优点：射流泵具有壳体组件，其中，壳体组件具有构件基体和混合管插入件，其中，混合管插入件是可互换的，尤其在装配时，使得至少两个混合管插入件能够安装在基体中。以这种方式可以获得以下优点：在关于射流泵的内部通流轮廓的几何造型的不同客户要求的情况下，可以借助混合管插入件体现差异，而基体保持不变。在此，在装配时，在基体中相应地安装混合管插入件，该混合管插入件体现了对通流几何形状相应所需的要求。基体关于其几何造型与客户要求无关地均保持不变。因此，可以使用射流泵的相同基体用于不同的客户要求和/或射流泵的内部通流轮廓的几何造型。以这种方式可以减少关于单个零件层级的变型多样性，尤其关于输送机构的基体以及甚至整个输送机构的组件层级。由此可以实现能够减少物流费事和/或制造费事的优点，由此能够减少物流成本和/或制造成本。此外，因为对于基体的批量增加，可以降低装备成本。在此可以降低整个输送机构的成本，同时可以减少相应输送机构的制造时间和/或生产时间。

从属权利要求涉及本发明的优选扩展方案。

根据输送机构的一个有利构型，构件基体和混合管插入件一起至少部分地形成在射流泵内部中的流动区域吸入区域、混合管和扩散区域。以这种方式，至少几乎能够通过基体和混合管插入件体现射流泵的内部通流轮廓的部分，由此可以降低制造成本，因为通流轮廓的几何形状仅须借助制造过程在这两个构件中成型。混合管插入件的根据本发明的造型具有以下优点：可以极大地减少用于该构件的制造成本，因为该构件借助成本低的方法，例如车削方法制造。以这种方式可以降低整个输送装置的成本。

根据输送机构的一个特别有利的扩展方案，至少两个混合管插入件具有不同的混合管半径和/或不同的混合管长度，其中，混合管长度平行于纵轴线延伸并且混合管半径正交于纵轴线延伸。以这种方式可以获得以下优点：输送机构的产品差异至少几乎完全转移到构件混合管插入件中，由此可以降低用于制造输送机构的制造成本和/或物流成本。借助安装具有不同混合管半径和/或不同混合管长度的不同混合管插入件的可能性，可以在射流泵和输送机构中体现相应于客户要求的多个通流轮廓。在此，所需的体积流、压力、燃料电池的理想运行点、在燃料电池系统中安装的射流泵的数量、温度、整个车辆和/或燃料电池的功率等因素都具有对所需的混合管半径和所需的混合管长度的影响。在此，现在可以实现对输送机构和/或射流泵的不同客户要求，使得可以在装配时安装相应地合适的混合管插入件，而可以保持射流泵的标准基体。因此，可以提高射流泵的效率，同时可以降低射流泵和输送机构的总成本，尤其制造成本。

根据输送机构的一个有利构型，基体在其内径处具有至少一个第一凸肩，并且混合管插入件在其外径区域中相应地具有至少一个第二凸肩。以这种方式可以通过将相应地所需的混合管插入件沿纵轴线的方向插入到基体中实现快速且成本低的装配。在此，混合管插入件与纵轴线正交地固定，使得混合管插入件以其外径至少间接地与基体的内径贴靠。沿纵轴线的方向，混合管插入件在一个方向上通过第二凸肩固定，该第二凸肩与基体的第一凸肩贴靠。此外，混合管插入件可以在装配之前冷却，以便减小其外径和因此能够简化装配。

根据输送机构的一个特别有利的构型，输送机构在射流泵旁具有配量阀，由此，输送机构实施为组合的阀-射流泵组件。以这种方式可以获得以下优点：一方面，可以实现配量阀和射流泵之间尽可能短的流动连接，因为两个部件在空间上直接彼此并排地处于共同的基体中和/或两个构件之间的流动连接至少几乎没有流动偏转。在此，可以减少气态介质和通流管路之间的摩擦损失，由此能够改善输送装置的效率。另一方面，通过输送机构作为组合的阀-射流泵组件(其中配量阀和射流泵布置在基体中和/或基体上)的有利构型可以减小两个构件的表面，由此产生输送机构的更好的冷启动性能。在此，当车辆在低温下停放时，构件配量阀和射流泵更缓慢地冷却。此外，构造为组合的阀-射流泵组件的构件配量阀和射流泵能够更快地加热。以这种方式可以降低输送机构的失效概率，例如通过减少系统或构件中的冰桥，并且可以提高输送机构的使用寿命。

根据一个特别有利的扩展方案，加热元件位于基体和混合管插入件之间。以这种方式可以实现射流泵和/或整个输送机构的改善的冷启动过程，其方式是：在整个车辆和/或燃料电池系统在低于0℃的低温下长时间停机时，其中在内部通流轮廓区域中的气态介质中可能存在的水可以形成冰和/或冰桥。在此，可能通过锋利的冰桥损坏表面而发生射流泵和/或射流泵的下游和其他部件的流动相关表面的损坏。借助加热元件，冰桥可以在冷启动过程期间融化和因此在输送机构和整个燃料电池系统投入运行之前消除。以这种方式可以降低输送机构的失效概率，例如通过减少系统或组件中的冰桥，并且可以提高输送机构的使用寿命。

根据输送机构的一个有利构型，基体和混合管插入件由不同的材料构成。以这种方式可以获得以下优点：基体的材料选择为，以便满足抗压强度或耐腐蚀性的要求，而混合管插入件的材料选择为，能够快速且成本低地加工。以这种方式可以降低射流泵和输送机构的成本，其方式是：借助不同的材料选择尽可能满足对基体和混合管插入件的不同要求。因此，还可以提高射流泵的使用寿命和/或减少输送机构的总重量。

根据一个有利的扩展方案，混合管插入件在流动通道的区域中具有高表面质量和/或低表面粗糙度。以这种方式可以减小气态介质与射流泵和/或输送机构的内部通流轮廓之间的摩擦损失。因此可以改善输送机构的效率。

根据输送机构的一个特别有利的构型，混合管插入件至少部分地由具有低热容和/或高导热性的材料制成。以这种方式可以有针对性地在冷启动过程中仅加热混合管插入件，而基体不必完全一起加热。以这种方式可以降低加热功率，因为混合管插入件可以比基体更快地加热，由此可以降低输送机构的运行成本，尤其在冷启动过程中。

本发明不限于在此描述的实施例和在其中强调的方面。更多地，在通过权利要求给定的范围内可以实现多个变型，这些变型在本领域技术人员的能力范围内。

附图说明

下面根据附图详细地描述本发明。附图示出了：

图1：具有射流泵和配量阀的输送机构的示意性剖视图；

图2：以放大视图示出输送机构的射流泵的在图1中用X标记的局部，所述射流泵具有壳体组件；

图3：壳体组件的在图2中用XI标记的局部，所述壳体组件具有构件基体、混合管插入件、加热元件和密封元件；

图4：具有燃料电池和输送机构的根据本发明的燃料电池组件的示意图。

具体实施方式

根据图1的示图示出输送机构1的示意性剖视图，其中，输送机构1具有组合的阀-射流泵组件3。在此，组合的阀-射流泵组件3具有配量阀10和射流泵4，其中，配量阀10例如借助螺纹连接与射流泵4连接，尤其与射流泵4的基体8连接。

在此，射流泵4具有第一入口28、第二入口36a、吸入区域7、混合管9和扩散区域11。在此，配量阀10具有第二入口36b和喷嘴12。在此，配量阀10尤其沿纵轴线52的方向插入到射流泵4中，尤其插入到射流泵4的基体8中的开口中。

此外，在图1中示出组合的阀-射流泵组件3被待输送的介质沿流动方向III流经。阀-射流泵组件3的流经区域的大部分在此至少近似管状地构造并且用于在输送机构1中输送和/或引导气态介质、尤其是具有H₂O和N₂成分的H₂。在此，气态介质平行于纵轴线52沿流动方向III流经基体8内部的中央流动区域19，其中，中央流动区域19从吸入区域7中的喷嘴12的口部区域开始并且通过混合管9延伸到扩散区域11中并且例如超过该扩散区域延伸，尤其延伸到输送机构1的通流横截面的具有至少几乎恒定直径的区域中。在此，阀-射流泵组件3一方面通过第一入口28供应再循环，其中，再循环尤其是来自燃料电池32的阳极区域38(如图4所示)、尤其堆垛的未消耗的H₂，其中，再循环也可以具有水和氮气。在此，再循环在第一流动路径IV上流入到阀-射流泵组件3中。另一方面，气态驱动介质，尤其是H₂从阀-射流泵组件3外部通过第二入口36在第二通流路径V上流入到阀-射流泵组件3的开口中和/或基体8和/或配量阀10中，其中，驱动介质可以来自箱34并且处于高压下，尤其超过5bar。在此，第二入口36a、b穿过构件基体8和/或配量阀10延伸。驱动介质从配量阀10借助促动装置和可完全关闭的阀元件、尤其以冲击方式通过喷嘴12排出到吸入区域7和/或混合管9中。流经喷嘴12并且用作驱动介质的H₂具有相对于再循环介质的压差和/或速度差，所述再循环介质从第一入口28流入到输送机构1中，其中，驱动介质尤其具有至少5bar的较高压力。当出现所谓的射流泵效应时，再循环介质以低压被输送到输送机构1的中央流动区域19中，例如通过使用位于输送机构1上游的侧通道压缩机。在此，驱动介质以所述压差和尤其可以接近声速的高速度通过喷嘴12流入到吸入区域7和/或混合管9的中央流动区域19中。在此，喷嘴12具有呈通流横截面形式的内槽口，气态介质可以通过该内槽口流动，尤其来自配量阀10并且流入到吸入区域7和/或混合管9中。在此，驱动介质冲击到已经处于吸入区域7和/或混合管9的中央流动区域19中的再循环介质上。由于驱动介质和再循环介质之间的高速度差和/或压差，在这两种介质之间产生内部摩擦和湍流。在此，在快速的驱动介质和明显更慢的再循环介质之间的边界层中形成剪切应力。该应力引起动量传递，其中，再循环介质被加速和携动。按照动量守恒原理发生混合。在此，循再环介质在流动方向III上被加速并且对于再循环介质形成压力降，由此产生抽吸效应并且因此另外的再循环介质从第一入口28的区域补充输送。该效应可以称为射流泵效应。通过借助配量阀10操控驱动介质的配量，可以调节再循环介质的输送率，并且使其根据运行状态和运行要求适配整个燃料电池系统31(在图1中未示出)的各个要求。在输送机构1的配量阀10处于关闭状态下的示例性运行状态中，可以防止驱动介质从第二入口36补充流入到射流泵4的中央流动区域19中，使得驱动介质不再能够沿流动方向III朝向再循环介质流入到吸入区域7和/或混合管9中并且因此射流泵效应停止。

在通过混合管9之后，经混合的并且待输送的介质(其尤其由再循环介质和驱动介质组成)沿流动方向III流到扩散区域11中，其中，在扩散区域11中可以发生流速降低。从那里，介质例如进一步流到燃料电池32的阳极区域38中。

此外，图1的输送机构1还具有附加地改善射流泵效应和输送效率和/或进一步改善冷启动过程和/或制造和装配成本的技术特征。在此，子零件扩散区域11在其内通流横截面的区域中锥形地、尤其沿流动方向III增大地延伸。通过子零件扩散区域11的这种造型可以产生有利的效果，即动能被转化为压力能，由此可以进一步提高输送机构1的可能的输送体积，由此可以将更多的待输送介质、尤其是H₂供应给燃料电池32，由此可以提高整个燃料电池系统31的效率。

根据本发明，配量阀10可以实施为比例阀10，以便能够实现改善的配量功能和将驱动介质更精确地配量到吸入区域7和/或混合管9中。为了进一步改善输送机构1的通流几何形状和效率，喷嘴12和混合管9旋转对称地实施，其中，喷嘴12与射流泵4的混合管9同轴地延伸。

图2以放大视图示出输送机构1的射流泵4的在图1中用X标记的局部，所述射流泵具有壳体组件6，该壳体组件具有基体8和混合管插入件17。在此，射流泵4具有喷嘴12，该喷嘴在其内部绕着纵轴线52旋转对称地具有内部通流开口20，该内部通流开口将中央流动区域19和/或吸入区域7与第二入口36连接，并且驱动介质可以流经该内部通流开口。在此，射流泵4具有壳体组件6，其中，该壳体组件6具有构件基体8和混合管插入件17，其中，混合管插入件17可以互换，尤其在装配时，使得至少两个混合管插入件17能够安装在基体8中。以这种方式，输送机构1和因此射流泵4能够适配不同的客户要求和/或设计要求，使得尤其在模块化原理的范畴内，仅混合管插入件17被更换，但基体8可以用于不同的客户要求。在此，构件基体8和混合管插入件17一起至少部分地形成射流泵4内部的通流区域：吸入区域7、混合管9和扩散区域11，其中，混合管插入件17至少几乎完全绕着纵轴线52旋转对称地延伸。此外，至少两个混合管插入件17具有不同的混合管半径25和/或不同的混合管长度26，其中，混合管长度26平行于纵轴线52延伸，而混合管半径25正交于纵轴线52延伸。在此，混合管半径25在纵轴线52和相应混合管插入件17的内壁35之间形成。

此外，在图2中示出，基体8在其内径上具有至少一个第一凸肩13，混合管插入件17在其外径的区域中相应地具有至少一个第二凸肩14。在此，混合管插入件17在该示例性的实施方式中具有两个第一凸肩13。在此，至少一个第一凸肩13沿纵轴线52的方向与第二凸肩贴靠。以这种方式，混合管插入件17在装配时可以沿纵轴线52的方向插入到基体8中，直至该混合管插入件以其第一凸肩13与基体8的第二凸肩14贴靠，由此可以确保构件基体8和混合管插入件17相对彼此正确地定向，尤其沿纵轴线52的方向，使得如所要求的那样形成内部通流轮廓。改善根据本发明的射流泵4的构型的另一措施是在构件射流泵4的凸肩13、14之间布置至少一个密封元件15。

由于对射流泵4的再循环能力的不同要求，尤其客户方面的要求，在射流泵4的中央流动区域19的区域中出现单独优化的内部几何形状的很大差异。在许多情况下，最优几何形状的设计仅在混合管9的区域和/或吸入区域7和/或扩散区域11的直接邻接的通流区域中明显相区别。因此，提出一种输送机构1的模块化结构，在这种结构中，通流几何形状区域中的差异被转移到构件混合管插入件17中，而射流泵4的基体8保持不变地设计。由此可以提高通用件的数量和从而降低成本、尤其差异成本。因此，输送机构1例如具有“平台”壳体组件，其具有客户定制的混合管插入件17。

此外，在图2还示出气态再循环介质，尤其H₂从输送机构1外部通过第一入口28流入到中央流动区域19中，其中，气态再循环介质例如从燃料电池堆中被输送。该气态再循环介质沿流动方向III穿过喷嘴12和基体8之间流入到吸入区域7和/或混合管9中。

图3示出在混合管9的区域中的在图2中用XI标记的壳体组件6的局部，所述壳体组件具有构件基体8、混合管插入件17、加热元件27和至少一个密封元件15。在此，加热元件27可以位于基体8和混合管插入件17之间。在此示出，基体8具有第一凸肩13，并且混合管插入件17具有第二凸肩14，其中，在所示的示例性实施方式中，加热元件27沿纵轴线52的方向位于第一凸肩13和第二凸肩14之间。在此，加热元件27可以至少几乎旋转对称地和/或套筒形地环绕着纵轴线52延伸。借助加热元件27可以防止在输送机构1，尤其射流泵4中形成冰的危险，例如在冷启动时，因为冰可以借助加热元件27的供能来解冻，例如在电加热元件27的情况下以电能的形式。此外，在冷启动时可以防止在本来冷却的混合管中的水重新冻结。加热元件27的接触例如可以通过基体8中的孔实现。在此，在图3的示例性实施方式中示出各一个单独的环绕着旋转轴线52的密封元件15(例如可以实施为O型环15)将加热元件27相对于来自射流泵4的中央流动区域19的气态介质和/或其他液体封装，使得能够防止例如电气构件的损坏。

在此，还有利的是，基体8和混合管插入件17由不同材料构成。在此有利地，混合管插入件17至少部分地由尤其与基体8的材料相比具有低热容和/或高导热性的材料制成。以这种方式，借助加热元件27可以实现混合管插入件17的快速加热，而基体8仅被略微加热。因此，可以减小用于对基体8进行不必要加热的能量，因为仅在混合管插入件的表面区域中的冰桥应被融化。此外有利的是，混合管插入件17尤其与基体8相比在流动通道的区域中具有高的表面质量和/或低的表面粗糙度。通流轮廓(对于该通流轮廓而言，高的表面质量和/或低的表面粗糙度意味着气态介质和输送机构1之间的摩擦损失很小)在此至少几乎仅位于混合管插入件17的区域中。因此，可以降低输送机构1的产品成本，同时可以提高输送机构1的效率。

在图4中示出燃料电池系统31、尤其阳极回路的一个示例性实施方式。在此示出，输送机构1通过连接管路29与燃料电池32连接，该燃料电池包括阳极区域38和阴极区域40。此外，设置回流管路23，该回流管路将燃料电池32的阳极区域38与第一入口28和因此尤其与输送机构1的吸入区域7连接。借助回流管路23，在燃料电池32运行时在阳极区域38中未被利用的第一气态介质可以被引回至第一入口28。该第一气态介质尤其是上述再循环介质。

从图4进一步可看到，储存在箱34中的第二气态介质通过流入管路21供应给输送机构1和/或射流泵4的流入区域，该流入区域尤其构造为第二入口36。该第二气态介质尤其是驱动介质。

Claims (10)

1.一种用于燃料电池系统(31)的输送机构(1)，用于输送和/或控制气态介质、尤其氢气，所述输送机构具有由处于压力下的气态介质的驱动射流驱动的射流泵(4)，其中，所述输送机构(1)的输出端与燃料电池(32)的阳极输入端(5)流体连通，其中，所述射流泵(4)具有吸入区域(7)、混合管(9)和扩散区域(11)并且被气态介质沿流动方向III流经，所述流动方向平行于所述射流泵(4)的纵轴线(52)延伸，并且其中，所述扩散区域(11)至少间接地与燃料电池(32)的阳极输入端(5)流体连通，其特征在于，所述射流泵(4)具有壳体组件(6)，其中，所述壳体组件(6)具有构件基体(8)和混合管插入件(17)，其中，所述混合管插入件(17)能够更换，尤其在装配时，使得至少两个混合管插入件(17)能够安装在所述基体(8)中。

2.根据权利要求1所述的输送机构(1)，其特征在于，构件基体(8)和混合管插入件(17)一起至少部分地形成在所述射流泵(4)内部中的流动区域吸入区域(7)、混合管(9)和扩散区域(11)，其中，所述混合管插入件(17)绕着所述纵轴线(52)至少几乎完全旋转对称地延伸。

3.根据权利要求1或2所述的输送机构(1)，其特征在于，所述至少两个混合管插入件(17)具有不同的混合管半径(25)和/或不同的混合管长度(26)，其中，所述混合管长度(26)平行于所述纵轴线(52)延伸，并且所述混合管半径(25)正交于所述纵轴线(52)延伸。

4.根据前述权利要求中任一项所述的输送机构(1)，其特征在于，所述基体(8)在其内径处具有至少一个第一凸肩(13)，并且所述混合管插入件(17)在其外径的区域中相应地具有至少一个第二凸肩(14)。

5.根据前述权利要求中任一项所述的输送机构(1)，其特征在于，所述输送机构(1)在所述射流泵(4)旁具有配量阀(10)，由此，所述输送机构(1)实施为组合的阀-射流泵组件(3)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的输送机构(1)，其特征在于，加热元件(27)位于所述基体(8)和所述混合管插入件(17)之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的输送机构(1)，其特征在于，所述基体(8)和所述混合管插入件(17)由不同材料构成。

8.根据权利要求7所述的输送机构(1)，其特征在于，所述混合管插入件(17)在流动通道的区域中具有高的表面质量和/或低的表面粗糙度。

9.根据权利要求7或8所述的输送机构(1)，其特征在于，所述混合管插入件(17)至少部分地由具有低热容和/或高导热性的材料制成。

10.一种根据权利要求1至9中任一项所述的输送机构(1)在燃料电池系统(31)中的使用。

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