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Hintergrund
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, und betrifft insbesondere eine Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, welche Wasserstoff von einem Wasserstofftank und unreagierten/nicht-reagierten Wasserstoff, der von einem Stapel ausgelassen wird, zu dem Stapel zuführt.
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Beschreibung der bezogenen Technik
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Im Allgemeinen weist ein Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie erzeugt, ein Brennstoffzuführungssystem, das neuen/frischen Brennstoff/Kraftstoff (Wasserstoff) und rückgeführten Wasserstoff zu dem Stapel zuführt, ein Luft-Zuführungssystem, das (Luft-)Sauerstoff in der Luft als ein Oxidationsmittel, das für eine elektrochemische Reaktion des Brennstoffzellenstapels benötigt wird, zuführt, ein Kühlsystem, das Reaktionswärme des Brennstoffzellenstapels zu der Außenseite des Systems abführt bzw. entfernt und eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels steuert, usw., auf.
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Mit Bezug auf die 1 (bezogene Technik), ist ein Brennstoffzuführungssystem aus den Komponenten eines Brennstoffzellensystems dazu eingerichtet, aufzuweisen eine Wasserstoff-Zuführungsleitung 110, die mit einem Wasserstofftank 100 verbunden ist, eine Wasserstoff-Rückführungsleitung 120, in welcher Wasserstoff, der in einem Brennstoffzellenstapel (im Folgenden auch als Stapel bezeichnet) 170 nicht reagiert hat, zurückgeführt bzw. rezirkuliert wird, Ejektoren 140A und 140B, die an Punkten montiert sind, an welchen der Stapeleinlass 130 und die Wasserstoff-Rückführungsleitung 120 aufeinander treffen, um den neuen/frischen Wasserstoff und den zurückgeführten Wasserstoff zu einer Anode des Brennstoffzellenstapels zu pumpen und zuzuführen, einen Stapel-Einlassseite-Drucksensor 150, der an dem Stapeleinlass 130 montiert ist und Wasserstoffdruck und Luftdruck misst, einen Regler bzw. Regulator 160, der an der Wasserstoff-Zuführungsleitung 110 montiert ist, usw.
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Hier dienen die Ejektoren 140A und 140B dazu, komprimierten Wasserstoff, der von dem Wasserstofftank bzw. Wasserstoff-Speichertank 100 zugeführt wird, durch eine
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Düse zu dem Stapel auszugeben, und eine Vakuum-Saugkraft zu erzeugen, und dazu, den unreagierten Wasserstoff, der von dem Brennstoffzellenstapel ausgelassen wird, mittels der Vakuum-Saugkraft zu erhalten/empfangen, und um den erhaltenen unreagierten Wasserstoff zu dem Stapel zurückzuführen.
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In dem Brennstoffzellensystem kann eine Pumpe bzw. ein Gebläse als ein Mittel zur Wasserstoff-Rückführung verwendet werden, aber das Gebläse hat die Nachteile, dass das Gebläse als ein Motor-basierter Aktuator teuer ist, und es eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt, dass ein Lager oder andere Komponenten in dem Gebläse mittels Kondenswassers eines rezirkulierten Gases korrodieren, und dass das Problem, dass, wenn Drehkomponenten in dem Gebläse durch das Kondenswasser feststehen (zum Beispiel festkorrodiert sind), die feststehenden Drehkomponenten mittels eines Wärmers/Heizers geschmolzen werden, signifikant zunimmt.
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Um das obige Problem zu lösen, wird ein Ejektor als ein Mittel zum Zuführen des neuen/frischen Wasserstoffs und des zurückgeführten Wasserstoffs zu dem Stapel verwendet.
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Der Ejektor strömt Wasserstoff mit ungefähr 100 bar, welcher aus einem Wasserstofftank zu einem hinteren Ende eines Hochdruck-Reglers strömt und eine Kraft (Vakuum-Saugkraft) generiert, die benötigt wird für die Wasserstoff-Rückführung, um den neuen Wasserstoff von dem Wasserstofftank und den rückgeführten Wasserstoff von dem Stapel beide zu dem Stapel zuzuführen, aber wenn ein Düse-Durchmesser der Ausgabeeinrichtung zunimmt, nimmt eine Strahlgeschwindigkeit/Strömungsgeschwindigkeit (zum Beispiel der Wasserstoffströmung) ab, weswegen die Saugleistung signifikant verschlechtert wird.
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Wegen dieser Gründe ist ein Verringern der Düsengröße der Ausgabeeinrichtung vorteilhaft im Hinblick auf die Wasserstoff-Zuführungsleistung, aber eine Fläche eines Düsenhalses muss groß sein, um eine große Strömungsmenge/Stoffmenge mit hoher Last zuzuführen.
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Daher, wie es in der 1 gezeigt ist, sind der Ejektor 140A, der einen großen Düsenhals hat, und der Ejektor 140B, der einen kleinen Düsenhals hat, zusammen an einem Punkt angeordnet, an welchem der Stapeleinlass 130 und die Wasserstoff-Rückführungsleitung 120 aufeinandertreffen.
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Als Ergebnis werden selektiv gemäß der Wasserstoffstrom-Last, welche auf den Ejektor wirkt, wenn die Last gering ist, der kleine Ejektor 140B verwendet, und wenn die Last groß ist, der große Ejektor 140A verwendet.
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Jedoch gibt es den Nachteil, dass eine separates Ventil oder eine separate Steuereinrichtung zum Auswählen des Ejektors erforderlich ist, und das Problem, dass mehr Raum, der von den beiden Ejektoren belegt wird, erforderlich ist.
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Um dieses Problem zu lösen, hat die vorliegende Anmelderin einen Ejektor eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen, in welchem eine große Düse und eine kleine Düse in einem (zum Beispiel einzelnem) Pilotventil kombiniert sind, und als Ergebnis, die kleine Düse und die große Düse automatisch ausgewählt werden gemäß einem Wasserstoffdruck auf einer Stromabwärts-Seite eines Strömungssteuerventils (
koreanische Patentanmeldung Nr. 10-2014-0058698 (16. Mai 2014)).
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Da jedoch die große Düse und die kleine Düse in einem Außendurchmesser-Teil und einem Innendurchmesser-Teil in einem engen Raum des Pilotventils angeordnet sind, gibt es den Nachteil, dass ein Montageprozess davon kompliziert ist, gibt es den Nachteil, dass die große Düse und die kleine Düse gemeinsam dem Wasserstoffgas, das eine hohe Geschwindigkeit hat, ausgesetzt sind, und als Ergebnis ein Druckverlust in jeder Düse auftritt, und gibt es das Problem, dass die kleine Düse Geräusch zusammen mit Vibrationen erzeugt durch das Wasserstoffgas, das eine hohe Geschwindigkeit hat.
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Die Informationen, die oben im Abschnitt „Hintergrund“ beschrieben werden, dienen nur zur Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und können daher Informationen enthalten, die nicht Teil des Standes der Technik sind, wie er dem Fachmann schon bekannt ist.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt bereit ein Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, welche Wasserstoff zu einem Stapel zuführen kann durch eine erste Düse, wenn ein Wasserstoffzufuhrdruck gering ist, und Wasserstoff zu dem Stapel zuführen kann durch eine zweite Düse, die den Coanda-Effekt (z.B. Coandă-Effekt) nutzt und eine andere als die erste Düse ist, wenn der Wasserstoffzufuhrdruck hoch ist, um eine benötigte Wasserstoffzufuhrmenge über einen gesamten Betriebsbereich einer Brennstoffzelle zuzuführen und um Düsenvibration und Geräuscherzeugung zu verhindern.
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Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung bereit eine Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem aufweisend eine erste Wasserstoff-Zuführeinrichtung (z.B. Wasserstoffzuführblock) aufweisend eine Wasserstoff-Zuführleitung, durch welche Wasserstoff aus/von einem Wasserstofftank strömt, ein Strömungssteuerventil, das an der Oberseite der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung montiert ist, um die Wasserstoff-Zuführleitung zu öffnen bzw. zu schließen, eine zweite Wasserstoff-Zuführeinrichtung (z.B. Wasserstoffzuführblock), die mit einer Struktur bereitgestellt ist, die aufweist eine erste Wasserstoff-Abzweigleitung und eine zweite Wasserstoff-Abzweigleitung, welche mit der Wasserstoff-Zuführleitung der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung in Fluidverbindung sind, und die an der Unterseite (z.B. Boden) der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung montiert ist, eine Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung (Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführblock), die mit einer Struktur bereitgestellt ist, die einen Rückgeführter-Wasserstoff-Einlass zum Einbringen von Wasserstoff, der von einem Stapel zurückgeführt wird, aufweist und die an der Unterseite (z.B. dem Boden) der zweiten Wasserstoff-Zuführeinrichtung montiert ist, ein Pilotventil (z.B. Ventil; z.B. Druckventil), das durch bzw. an bzw. zwischen über einem/einen Endabschnitt der zweiten Wasserstoff-Abzweigleitung und der/die Oberseite der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung montiert ist, eine erste Düse, die an einem Endabschnitt der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung montiert ist und in der Mitte (z.B. eines Innendurchmessers) der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung angeordnet ist, und ein Diffusionsmischrohr (z.B. Diffusionsmischleitung), das eine zweite Düse, die in ein proximales Ende der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung hinein eingebracht und an diesem bzw. dort montiert ist und den Wasserstoff von dem Pilotventil ausgibt unter Verwendung eines Coanda-Effekts, an einem hinteren Teil des Diffusionsmischrohrs aufweist, und das eine Mischleitung und eine Diffusionsleitung an einem vorderen Ende des Diffusionsmischrohrs, die den Wasserstoff, der von der ersten Düse und der zweiten Düse ausgegeben wird, zu dem Stapel (der sich beispielsweise an dem vorderen Ende befinden kann) zuführen, aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Pilotventil aufweisen eine hohle Buchse (z.B. einen Hohlkörper), die in/mit einer hohlen Struktur, in welcher eine Wasserstoff-Durchgangsnut an einer Umfangsfläche des Pilotventils gebildet ist, bereitgestellt ist und die in einer Montageöffnung, die an der Oberseite der Rückgeführten-Wasserstoff-Zuführeinrichtung gebildet ist, sitzt bzw. montiert ist, und ein Ventilelement (z.B. Schließelement, z.B. Ventilplättchen), das so in die hohle Buchse eingebracht ist, dass es mittels einer Feder zurückgebracht bzw. zurückgestellt bzw. wiederhergestellt wird, um die zweite Wasserstoff-Abzweigleitung zu öffnen bzw. zu schließen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Stützhalter (zum Beispiel Stützbacke, z.B. Stützklaue, z.B. Stützmaul), an welchem die hohle Buchse sitzt bzw. montiert ist, in einem unteren Innendurchmesser der Montageöffnung, die an der Oberseite der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung gebildet ist, gebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann ein Verlängerungsrohr, das sich zu der Mitte des Innendurchmessers der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung erstreckt, an dem Endteil bzw. Endabschnitt der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung gebildet sein, und die erste Düse kann an dem Ende des Verlängerungsrohrs montiert sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die erste Düse bei/in der Mitte (z.B. des Strömungsquerschnitts) der zweiten Düse, die den Coanda-Effekt verwendet, angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die zweite Düse in einer bzw. mit einer gekurvten/gekrümmten Fläche, welche den Coanda-Effekt zeigt bzw. verursachen kann, gebildet sein, um die Richtung des Wasserstoffs zu ändern und den Wasserstoff auszugeben von dem Pilotventil zu dem Innendurchmesser des Diffusionsmischrohrs, und kann integral (zum Beispiel monolithisch integral) an einem Hinterende des Diffusionsmischrohrs in einer Umfangsrichtung gebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann eine Führungstrennwand bzw. ein Führungsvorsprung bzw. eine Führungsfläche bzw. ein Führungsflansch, die/der einen Wasserstoff-Strömungsabstand bildet, der einen vorbestimmten Abstand zu der zweiten Düse hat bzw. bildet, hat, integral in dem Innendurchmesser-Teil bzw. Innendurchmesserabschnitt der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung gebildet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform kann eine Mehrzahl von Schlitzöffnungen, die den gleichen Abstand voneinander haben bzw. äquidistant gebildet sind, in der zweiten Düse gebildet sein, um eine Wasserstoff-Ausgabemenge zu steuern.
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Ein Brennstoffzellensystem kann aufweisen eine Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung aufweisend eine erste Wasserstoff-Zuführeinrichtung aufweisend eine Wasserstoff-Zuführleitung, durch welche Wasserstoff aus/von einem Wasserstofftank strömt, ein Strömungssteuerventil, das an der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung montiert ist, um die Wasserstoff-Zuführleitung zu öffnen bzw. zu schließen, eine zweite Wasserstoff-Zuführeinrichtung, die mit/in einer Struktur bereitgestellt ist, die aufweist eine erste Wasserstoff-Abzweigleitung und eine zweite Wasserstoff-Abzweigleitung, welche (z.B. beide) mit der Wasserstoff-Zuführleitung der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung in Fluidverbindung sind, und die an der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung montiert ist, eine Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung, die mit/in einer Struktur bereitgestellt ist, die einen Rückgeführter-Wasserstoff-Einlass zum Einbringen von Wasserstoff, der von/aus einem Stapel zurückgeführt wird, aufweist und die an der zweiten Wasserstoff-Zuführeinrichtung montiert ist, ein Pilotventil, das durch die bzw. zwischen der zweite(n) Wasserstoff-Abzweigleitung und die bzw. der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung montiert ist, eine erste Düse, die an der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung montiert ist und die in der Mitte der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung angeordnet ist, und ein Diffusionsmischrohr, das eine zweite Düse, die in ein proximales Ende der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung eingebracht und an dieser bzw. an dem proximalen Ende davon montiert ist und den Wasserstoff von dem Pilotventil ausgibt unter Verwendung eines Coanda-Effekts, an einem hinteren Teil des Diffusionsmischrohrs aufweist, und eine Mischleitung und eine Diffusionsleitung an einem vorderen Ende des Diffusionsmischrohrs aufweist, die den Wasserstoff, der von der ersten Düse und der zweiten Düse ausgegeben wird, zu dem Stapel zuführen.
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Ein Brennstoffzellensystem kann jede der hierin beschriebenen Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtungen aufweisen.
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Durch die oben genannte Struktur, die die Aufgabe bzw. die Probleme löst, erzielt die vorliegende Erfindung die folgenden Effekte.
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Zunächst kann neuer/frischer Wasserstoff durch eine erste Düse in einem Niedrige-Last-Betriebszustand (wenn der Wasserstoffdruck niedrig ist) zu einem Stapel zugeführt werden, und rückgeführter Wasserstoff kann (zusätzlich bzw. zusammen) einfach zu dem Stapel zugeführt werden mittels eines Ausgabedrucks der ersten Düse.
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Ferner kann der neue Wasserstoff zu dem Stapel zugeführt werden durch eine zweite Düse, die einen Coanda-Effekt verwendet und eine andere ist als die erste Düse bzw. separat von der ersten Düse ist, in einem Mittlere/Hohe-Last-Betriebszustand (wenn der Wasserstoffdruck hoch ist), und der rückgeführte Wasserstoff kann zusammen mit diesem neuen Wasserstoff einfach zu dem Stapel zugeführt werden mittels des Ausgabedrucks der ersten Düse und der zweiten Düse.
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Ferner, da die erste Düse nicht dem Wasserstoffgas, das eine hohe Geschwindigkeit hat, ausgesetzt ist, und da die zweite Düse einen festen Zustand beibehalten kann, selbst wenn sie dem Wasserstoffgas, das eine hohe Geschicklichkeit hat, ausgesetzt ist, mittels Verwendens des Coanda-Effekts, können Düsevibration und Geräuschentwicklung verhindert werden.
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Weitere Aspekte und Ausführungsform der Findung werden im Folgenden beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail mit Bezug auf bestimmte exemplarische Ausführungsformen davon, die in den begleitenden Zeichnungen gezeigt sind, beschrieben, wobei die Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung dienen und die vorliegende Erfindung nicht beschränken.
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Die 1 (bezogene Technik) zeigt eine schematische Ansicht, die einen grundsätzlichen Aufbau eines Brennstoffzuführungssystems für ein Brennstoffzellensystem zeigt.
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Die 2 zeigt eine schematische Ansicht zum Beschreiben eines Coanda-Effekts.
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht, die eine Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die 4 und 5 zeigen Schnittansichten, die einen Betriebszustand der Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Die 6 zeigt eine schematische Ansicht, die Schlitzöffnungen, die in einer zweiten Düse der Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind, zeigt.
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Die 7a bis 7d zeigen schematische Ansichten, die eine Ausführungsform zeigen, in welcher Schlitzöffnungen in der zweiten Düse der Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet sind.
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Die 8a und 8b sind Geschwindigkeitsverteilungsdiagramme, die Wasserstoff-Strömungsraten, wenn eine erste Düse in der Mitte der zweiten Düse positioniert ist, und wenn die erste Düse nicht in der Mitte der zweiten Düse postiert ist, in der Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Beispielsweise ist in der 8a eine Geschwindigkeitsverteilung, die erzeugt wird mittels der zweiten Düse in Coanda-Form ohne die erste Düse, gezeigt und ist in der 8b die Geschwindigkeitsverteilung, die erzeugt wird, wenn die erste Düse in der Mitte der der zweiten Düse positioniert ist, gezeigt.
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Es muss verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und unter Umständen eine etwas vereinfachte Darstellung von zahlreichen Merkmalen, die die Grundprinzipien der Erfindung zeigen, zeigen können. Die spezifischen Designmerkmale der vorliegenden Erfindung, wie sie hierin offenbart wird, inklusive zum Beispiel spezifischer Abmessungen, Orientierungen, Positionen und Formen, wird teilweise bestimmt durch die im Besonderen angedachte Anwendung und Nutzungsumgebung.
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In den Figuren beziehen sich durchgängig die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen oder gleichwirkende Teile der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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Es wird nun im Detail Bezug genommen auf zahlreiche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, von welchen Beispiele in den begleitenden Figuren gezeigt sind und im Folgenden beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Verbindung mit exemplarischen Ausführungsformen beschrieben wird, wird deutlich werden, dass die vorliegende Beschreibung nicht dazu gedacht ist, die Erfindung auf diese exemplarischen Ausführungsformen einzuschränken. Im Gegenteil, die Erfindung ist dazu gedacht, nicht nur die exemplarischen Ausführungsformen abzudecken, sondern auch zahlreiche Alternativen, Modifikationen, Abwandlungen und andere Ausführungsformen, die im Sinn und Umfang der Erfindung, wie er durch die angehängten Ansprüche definiert ist, enthalten sind.
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Die Begriffe „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere ähnliche Begriffe, wie sie hierin verwendet werden, schließen Motorfahrzeuge im Allgemeinen, wie zum Beispiel Personenkraftfahrzeuge inklusive Sport-Nutzfahrzeuge (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge inklusive verschiedener Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und ähnliche, Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In(Einstecken)-Hybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge, die mit anderen alternativen Kraftstoffen (Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden, mit ein. Wie es hierin verwendet wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Leistungsquellen hat, zum Beispiel Fahrzeuge die sowohl Kraftstoff-betrieben als auch elektrisch-betrieben werden.
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Die Terminologie, die hierin verwendet wird, dient zum Beschreiben von bestimmten Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung einzuschränken. Es ist hierin beabsichtigt, dass die Singular/Einzahl-Form (ein, eine, der/die/das) auch die Plural-Form mit einschließt, außer es ergibt sich aus dem Kontext deutlich etwas anderes. Die Begriffe „aufweisen“ und/oder „weist auf“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, geben das Vorhandensein der genannten Merkmale, Integer, Schritte, Betätigungen, Elemente und/oder Komponenten an, aber schließen nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, Integern, Schritten, Betätigungen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon aus. Wie es hierin verwendet wird, schließt der Begriff und/oder jede und alle Kombinationen von einem oder mehreren der genannten Begriffe ein. Außer es wird explizit das Gegenteil beschrieben, bedeutet das Wort aufweisen und Variationen davon, wie zum Beispiel „weist auf“ oder „aufweisend“, das Vorhandensein der genannten Elemente, aber nicht den Ausschluss von irgendwelchen weiteren Elementen. Ferner bedeuten die Begriffe Einheit, Modul, Einrichtung, Vorrichtung usw., die in der Beschreibung beschrieben werden, Einheiten zum Ausführen von zumindest einer Funktion und einem Betrieb, und sie können mittels Hardwarekomponenten oder Softwarekomponenten und/oder Kombinationen davon implementiert sein.
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Die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung kann implementiert sein als nicht flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium, das ausführbare Programminstruktionen enthält, die mittels eines Prozessors, einer Steuereinrichtung oder ähnlichem ausgeführt werden können. Beispiele von computerlesbaren Medien weisen auf, sind aber nicht beschränkt auf: ROM, RAM, CD-ROM, Magnetbänder, Disketten, Flash-Speicher, Smartcards und optische Datenspeichereinrichtungen. Das computerlesbare Medium kann auch in mit einem Netzwerk verbundenen Computersystemen verteilt sein, sodass das computerlesbare Medium auf eine verteilte Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, zum Beispiel mittels eines Telematikservers oder eines Controller-Area-Networks (CAN).
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben.
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Zunächst wird im Folgenden ein Coanda-Effekt (z.B. Coandă-Effekt) beschrieben, um beim Verständnis der vorliegenden Erfindung zu helfen.
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Mit Bezug auf die 2, wenn ein Fluid (zum Beispiel Wasser) linear fällt bzw. strömt, wird, wenn ein gekrümmter/gekurvter Mechanismus (zum Beispiel ein Löffel/Esslöffel) das Fluid kontaktiert, eine Bewegungsrichtung/Fallrichtung des Fluids entlang einer gekurvten/gekrümmten Fläche des Mechanismus geändert, und dieses Phänomen wird als der Coanda-Effekt bezeichnet.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vom Komplexe-Düse-Typ bereit, in welcher eine (z.B. allgemeine) erste Düse und die zweite Düse, die den Coanda-Effekt verwendet, kombiniert sind.
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Im Folgenden wird eine Konfiguration einer Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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Die 3 zeigt eine Schnittansicht, die eine Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
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In der 3 bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine erste Wasserstoff-Zuführeinrichtung (z.B: Wasserstoff-Zuführblock), zu welcher Wasserstoff von einem Wasserstofftank zugeführt wird.
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Eine Wasserstoff-Zuführleitung 12, durch welche der Wasserstoff von dem Wasserstofftank 100 strömt, ist in der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 gebildet.
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Ferner ist ein Strömungssteuerventil 20, das einen Wasserstoff-Zuführungsstrom steuert, auf/an der Oberseite der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 montiert, und ein Kolben bzw. Schließelement 22 des Strömungssteuerventils 20 dient dazu, die Wasserstoff-Zuführleitung der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 zu schließen/zu öffnen.
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Spezifischer beschrieben führt das Strömungssteuerventil 20 einen Betrieb des Anhebens und Absenken des Kolbens 22 mittels eines elektrischen Signals aus, und ein Öffnungsgrad der Wasserstoff-Zuführleitung 12 der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 wird gesteuert gemäß der Anheben-Betätigung oder der Absenken-Betätigung des Kolbens 22.
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Eine zweite Wasserstoff-Zuführeinrichtung (z.B. Wasserstoff-Zuführblock) 30 ist an der Unterseite (z.B. dem Boden) der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 so montiert, dass sie fluid-verbunden sind, und als Ergebnis ist die zweite Wasserstoff-Zuführeinrichtung 30 mit einer Struktur bereitgestellt, in welcher eine erste Wasserstoff-Abzweigleitung 32 und eine zweite Wasserstoff-Abzweigleitung 34, welche in Fluidverbindung sind mit der Wasserstoff-Zuführleitung 12 der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10, vertikal (z.B. im Wesentlichen vertikal) in der zweiten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 30 gebildet sind.
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Dadurch strömt der Wasserstoff, der durch die erste Wasserstoff-Zuführleitung 12 der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 strömt, so, dass er zu der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung 32 und der zweiten Wasserstoff Abzweigleitung 34 verteilt/zugeführt wird.
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Eine Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 ist an der Unterseite (z.B. Boden) der zweiten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 30 montiert, und als ein Ergebnis ist die Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 mit/in einer Struktur bereitgestellt, in welcher ein Rückgeführter-Wasserstoff-Einlass 42 zum Einbringen des rückgeführten Wasserstoffs von dem Stapel horizontal (zum Beispiel durchdringend/penetrierend) gebildet ist.
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Ferner ist eine Montageöffnung 44, die mit der zweiten Wasserstoff-Abzweigleitung 34 koinzidiert (zum Beispiel mit dieser zusammenfällt bzw. deckungsgleich ist), so gebildet, dass sie an der Oberseite der zweiten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 30 durchdringt bzw. penetriert, und wenn der Druck des Wasserstoffs in der Montageöffnung 44 hoch ist, wird ein Pilotventil 50 montiert bzw. betätigt, welches einen Öffnen-Betrieb ausführt, um den Wasserstoff passieren zu lassen.
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Das Pilotventil (z.B. Steuerventil, z.B. Vorsteuerventil) 50 wird gebildet mittels einer hohlen Buchse 54 und einem Schließelement (z.B. Ventilplättchen) 58, welches in die hohle Buchse 54 hinein eingebracht ist, um elastisch mittels einer Feder 56 zurückgestellt zu werden.
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Spezifischer ist die hohle Buchse 54 in/mit einer hohlen Struktur bereitgestellt, in welcher die Wasserstoff-Durchgangsnut 52 an einer Umfangsfläche davon gebildet ist, um in der Montageöffnung 44, die an der Oberseite der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 gebildet ist, zu sitzen, und das Schließelement 58 ist in die hohle Buchse 54 eingebracht, um mittels der Feder 56 elastisch zurückgestellt zu werden, um dazu zu dienen, die zweite Wasserstoff-Abzweigleitung 34 zu öffnen bzw. zu schließen.
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In diesem Fall ist ein Stützhalter bzw. Stützsitz (z.B. Maul, z.B. Klaue) 46, der einen unteren Umfangsabschnitt der hohlen Buchse 54 abstützt, integral so gebildet, dass die hohle Buchse 54 stabil auf einem unteren Innendurchmesser der Montageöffnung 44 der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 sitzt bzw. abgestützt ist.
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Demgemäß, wenn ein Wasserstoffdruck mit einer vorbestimmten Höhe oder mehr auf das Schließelement 58 wirkt, wird das Schließelement 58 nach unten bewegt, während die Feder 56 komprimiert wird, um die zweite Wasserstoff-Abzweigleitung 34 zu öffnen, und nachfolgend strömt der Wasserstoff von der zweiten Wasserstoff-Abzweigleitung 34 zu einer zweiten Düse 72, die unten beschrieben wird, hin durch die Wasserstoff-Durchgangsnut 52 der hohlen Buchse 54.
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Andererseits, wenn Wasserstoffdruck mit einer vorbestimmten Höhe oder weniger auf das Schließelement 58 wirkt, wird das Schließelement 58 nicht nach unten bewegt, und die zweite Wasserstoff-Abzweigleitung 34 ist andauernd geschlossen mittels der elastischen Rückstellkraft der Feder 56.
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Eine erste Düse 60, die bei/in der Mitte eines Innendurchmesser der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 angeordnet ist, ist an einem Endteil bzw. Endabschnitt der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung 32 der zweiten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 30 montiert, und die erste Düse 60 dient dazu, den Wasserstoff von der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung 32 zu einer Mischleitung 74 (z.B. einem Mischpfad) eines Diffusionsmischrohrs 70 auszugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform kann ein Verlängerungsrohr (z.B. Verlängerungsleitung) 36, das sich zu der Mitte des Innendurchmessers der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 erstreckt, an dem Endpunkt/Endabschnitt der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung 32 gebildet sein, und die erste Düse 60 kann an dem Ende (z.B. dem in der Mitte des Innendurchmessers) des Verlängerungsrohrs 36 montiert sein.
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Die erste Düse 60 ist in der Mitte (der Mitte des Innendurchmesser des Diffusionsmischrohrs) der zweiten Düse 72, die einen Coanda-Effekt verwendet bzw. zeigt, angeordnet.
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Das Diffusionsmischrohr 70 ist in ein proximales Ende der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 eingebracht und dort montiert.
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Die zweite Düse 72, die in das proximale Ende der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 eingebracht und dort montiert ist und den Wasserstoff von dem Pilotventil 50 ausgibt mittels Verwendens des Coanda-Effekts, ist an einem Hinterende bzw. hinteren Ende des Diffusionsmischrohrs 70 gebildet.
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Ferner sind eine Mischleitung 74, die einen geraden Querschnitt (z.B. einen konstanten Innendurchmesser) hat, welche den Wasserstoff, der von der ersten Düse 60 und der zweiten Düse 72 ausgegeben wird, zu dem Stapel zuführt, und eine Diffusionsleitung 76, die einen Durchmesser hat, welcher graduell (zum Beispiel kontinuierlich) zunimmt, nacheinander (z.B. in der genannten Reihenfolge in Strömungsrichtung) bei einem Hinterende des Diffusionsmischrohrs 70 gebildet.
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Die zweite Düse 72 ist mit einer gekrümmten bzw. gekurvten Form gebildet, die den Coanda-Effekt zeigt bzw. ermöglich bzw. aufweist, um den Wasserstoff, der durch das Pilotventil 50 strömt, auszugeben mittels Änderns/Schaltens der Richtung/Strömungsrichtung des Wasserstoffs zu dem Innendurchmesser des Diffusionsmischrohrs 70 hin, und die integral an dem Hinterende des Diffusionsmischrohrs 70 in einer Umfangsrichtung gebildet ist.
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In diesem Fall ist eine Führungstrennwand (z.B. ein Führungsflansch) 48, die einen Wasserstoff-Strömungsspalt C bildet, der einen vorbestimmten Abstand von der zweiten Düse 72 hat/bildet, integral in dem Innendurchmesser-Teil bzw. -Abschnitt der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 gebildet.
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Demgemäß wird Wasserstoff, der vertikal durch das Pilotventil 50 strömt bzw. fällt, entlang der zweiten Düse 72, die die gekrümmte/gekurvten Form hat, welche den Coanda-Effekt zeigt, geschaltet bzw. umgeleitet, und passiert durch den Wasserstoff-Strömungsspalt C zwischen der zweiten Düse 78 und der Führungstrennwand 48, und wird danach zu der Mischleitung 74 des Diffusionsmischrohrs 70 ausgegeben.
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Im Folgenden wird ein Betrieb (z.B. Betriebsströmung) der Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung, welche die beschriebene Konfiguration hat, beschrieben.
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Niedrige-Last-Betrieb
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Die 4 zeigt eine Schnittansicht, die einen Betriebszustand der Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welche in einem Niedrige-Last-Betrieb bzw. Niedrige-Last-Zustand ist.
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Ein Öffnen/Schließen-Grad der Wasserstoff-Zuführleitung 12 der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 nimmt zu oder ab gemäß der Anheben-Strecke bzw. Absenken-Strecke (bzw. -Länge) des Kolbens des Strömungssteuerventils 20 (gezeigt in der 3), und der stromabwärtsseitige Wasserstoffströmungsdruck der Wasserstoff-Zuführleitung 12 nimmt auch zu bzw. ab.
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D.h., wenn ein Öffnungsgrad bzw. Öffnungsniveau der Wasserstoff-Zuführleitung 12 gering ist, nimmt der stromabwärtsseitige Wasserstoffströmungsdruck ab bzw. ist gering, und wenn der Öffnungsgrad groß ist, nimmt auch der stromabwärtsseitige Wasserstoffströmungsdruck zu bzw. ist groß.
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Daher, wenn sich das Brennstoffzellensystem in dem Niedrige-Last-Betrieb befindet, wird/ist der Kolben 22 des Strömungssteuerventils 20 herabbewegt/abgesenkt mittels des elektrischen Signals, und als Ergebnis wird der Öffnungsgrad der Wasserstoff-Zuführleitung 12 so gesteuert, dass er klein ist.
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Daher, wenn der Wasserstoff von dem Wasserstofftank zu der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 zugeführt wird, strömt der Wasserstoff durch die Wasserstoff-Zuführleitung 12, deren Öffnungsgrad so gesteuert ist/wird, dass er klein ist, um zu der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung 32 und der zweiten Wasserstoff-Abzweigleitung 34 der zweiten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 30 zu strömen.
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Wenn der Wasserstoffströmungsdruck (des Wasserstoffs), der durch die Wasserstoff-Zuführleitung 12 passiert, niedrig ist, schließt das Schließelement 58 des Pilotventils 50 kontinuierlich (z.B. dauernd) die zweite Wasserstoff-Abzweigleitung 34 mittels der elastischen Rückstellkraft der Feder 56.
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Nachfolgend strömt der Wasserstoff, der durch die Wasserstoff-Zuführleitung 12 strömt, entlang der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung 32 und wird danach durch die erste Düse 60 zu der Mischleitung 74 des Diffusionsmischrohrs 70 ausgegeben.
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In diesem Fall wird der rückgeführte Wasserstoff (Wasserstoff, der unreagiert ist bzw. nicht reagiert hat und von dem Stapel ausgelassen wird), der in den Rückgeführter-Wasserstoff-Einlass 42 der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 eingebracht wird, zusammen (z.B. mit dem frischen Wasserstoff von dem Tank) zu der Mischleitung 74 des Diffusionsmischrohrs 70 ausgegeben mittels des Ausgabedrucks des Wasserstoffs, der von der ersten Düse 60 ausgegeben wird.
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Daher werden der Wasserstoff, der von der ersten Düse 60 ausgegeben wird, und der rückgeführte Wasserstoff, der in den Rückgeführter-Wasserstoff-Einlass 42 eingebracht wird, in der Mischleitung 74 des Diffusionsmischrohrs 70 gemischt, und werden danach durch die Diffusionsleitung 76 zu dem Stapel zugeführt.
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Hohe-Last-Betrieb
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Die 5 zeigt eine Schnittansicht, die einen Betriebszustand der Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, welches sich in einem Hohe-Last-Betrieb befindet.
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Wenn das Brennstoffzellensystem in einem Mittlere/Hohe-Last-Betrieb ist, wird der Kolben 22 des Strömungssteuerventils 20 nach oben/unten bewegt mittels des elektrischen Signals, und als ein Ergebnis wird der Öffnungsgrad der Wasserstoff-Zuführleitung 12 so gesteuert, dass er groß ist.
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Daher, wenn der Wasserstoff von dem Wasserstofftank zu der ersten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 10 zugeführt wird, strömt der Wasserstoff durch die Wasserstoff-Zuführleitung 12, von welcher der Öffnungsgrad so gesteuert wird, dass er groß ist, um zu der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung 32 und der zweiten Wasserstoff-Abzweigleitung 34 der zweiten Wasserstoff-Zuführeinrichtung 30 zu strömen.
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In diesem Fall, da der Wasserstoffströmungsdruck (des Wasserstoffs), der durch die Wasserstoff-Zuführleitung 12 strömt, hoch ist, strömt der Wasserstoff von der zweiten Wasserstoff-Zuführleitung 34, wenn das Schließelement 58 des Pilotventils 50 nach unten bewegt wird, während es die Feder 56 komprimiert, um die zweite Wasserstoff-Abzweigleitung 4 30 zu öffnen, durch die Wasserstoff-Durchgangsnut 52 der hohlen Buchse 54 zu der zweiten Düse 72.
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Nachfolgend wird die Richtung von Wasserstoff, der vertikal durch die Wasserstoff-Durchgangnut 52 der hohlen Buchse 54 strömt bzw. fällt, geändert entlang der zweiten Düse 72, die die gekrümmte bzw. gekurvten Form hat, welche den Coanda-Effekt aufweist bzw. zeigt, und strömt durch den Wasserstoff-Strömungsspalt C zwischen der zweiten Düse 72 und der Führungstrennwand 48, und wird dann zu der Mischleitung 74 des Diffusionsmischrohrs 70 hin ausgegeben.
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Gleichzeitig strömt der Wasserstoff, der durch die Wasserstoff-Zuführleitung 12 strömt, entlang der ersten Wasserstoff-Abzweigleitung 32 und wird danach durch die erste Düse 60 zu der Mischleitung 74 des Diffusionsmischrohrs 70 ausgegeben.
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In diesem Fall wird der zurückgeführte Wasserstoff (Wasserstoff, der nicht reagiert hat und von dem Stapel ausgelassen wird), der in den Rückgeführter-Wasserstoff-Einlass 42 der Rückgeführter-Wasserstoff-Zuführeinrichtung 40 eingebracht wird, zu dem Mischpfad 74 des Diffusionsmischrohrs 70 zusammen (z.B. mit dem frischen Wasserstoff) ausgegeben mittels des Ausgabedrucks des Wasserstoffs, der von der ersten Düse 60 und der zweiten Düse 72 ausgegeben wird.
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Daher werden der Wasserstoff, der von der ersten Düse 60 und der zweiten Düse 72 ausgegeben wird, und der rückgeführte Wasserstoff, der in den Rückgeführten-Wasserstoff-Einlass 42 eingebracht wird, in der Mischleitung 74 des Diffusionsmischrohrs 70 gemischt und danach durch die Diffusionsleitung 76 zu dem Stapel zugeführt.
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Wenn, wie es in der 8A gezeigt ist, der Wasserstoff nur aus der zweiten Düse 72, die den Coanda-Effekt verwendet, ohne die erste Düse 60 (zu verwenden) ausgegeben wird, ist eine Strömungsrate des Wasserstoffs in dem Diffusionsmischrohr 70 an der (z.B. radialen) Außenseite höher als in der Mitte, weswegen die Wasserstoff-Zuführeffizienz zu dem Stapel verschlechtert sein kann.
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Andererseits, wie es in der 8B gezeigt ist, wenn der Wasserstoff von beiden, d.h. der ersten Düse 60 und der zweiten Düse 72, die den Coanda-Effekt verwendet, ausgegeben wird, ist die Strömungsrate des Wasserstoffs in dem Diffusionsmischrohr 70 höher in der Mitte als an der Außenseite (zum Beispiel am Außenrand), weswegen der Wasserstoff sanft bzw. gleichmäßig zu dem Stapel zugeführt werden kann.
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Daher, wenn die erste Düse 60 und die zweite Düse 70, die den Coanda-Effekt verwendet, kombiniert sind bzw. werden, kann die Wasserstoff-Zuführeffizienz zu dem Stapel zunehmen, und dazu kann (ferner) die erste Düse 60 in der Mitte (der Mitte des Innendurchmesser des Diffusionsmischrohrs) der zweiten Düse 70, die den Coanda-Effekt verwendet, angeordnet sein bzw. werden.
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Hierin kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie es in 6 gezeigt ist, eine Mehrzahl von Schlitzöffnungen 78, die den gleichen Abstand voneinander haben bzw. äquidistant gebildet sind, ferner in der zweiten Düse 72 in einer Umfangsrichtung (davon) gebildet sein, um eine Wasserstoff-Ausgabemenge zu steuern.
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Die Gründe für das Bilden der Schlitzöffnungen 78 werden im Folgenden beschrieben.
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Der Wasserstoff-Strömungsspalt C zwischen der zweiten Düse 72 und der Führungstrennwand 48 hat im Allgemeinen eine Größe von etwa 0,1 bis 0,25 mm, und als Ergebnis kann Dampf (zum Wasserdampf) des rückgeführten Wasserstoffgases in dem kleinen Spalt C kondensieren und gefroren werden, nachdem das Brennstoffzellensystem stoppt, und es ist auch im Hinblick auf die Produktivität sehr schwierig, eine Spaltgröße präzise bereitzustellen.
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Daher ist die Mehrzahl an Schlitzöffnungen 78 in der zweiten Düse 72 gebildet, um den Wasserstoff-Strömungsspalt C zwischen der zweiten Düse zu und 70 und der Führungstrennwand 48 sicherzustellen.
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In diesem Fall können ein Bildungsabstand und die Anzahl der Schlitzöffnungen 78 ermittelt werden bzw. bestimmt sein gemäß dem Wasserstoff-Strömungsspalt C zwischen der zweiten Düse 72 und der Führungstrennwand 48.
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Zum Beispiel, wie es in den 7A bis 7D gezeigt ist, wenn der Wasserstoff-Strömungsspalt C eine Größe von 0,1 mm hat, sind mehrere Schlitzöffnung 78, die ein Intervall bzw. einen Abstand von etwa 20 bis 30° haben, in der zweiten Düse 72 gebildet; wenn der Wasserstoff-Strömungsspalt C eine Größe von (z.B. etwa) 0,15 mm hat, sind die Schlitzöffnungen 78, die einen Abstand bzw. ein Intervall von etwa 60° haben/bilden, in der zweiten Düse 72 gebildet; wenn der Wasserstoff-Strömungsspalt C eine Größe von 0,2 mm hat, sind Schlitzöffnung 78, die einen Abstand bzw. ein Intervall von ungefähr 90° haben/bilden, in der zweiten Düse 72 gebildet; und wenn der Wasserstoff-Strömungsspalt C eine Größe von 0,25 mm hat, sind die Schlitzöffnung 78, die ein Intervall bzw. einen Abstand von ungefähr 120° bilden/haben, in der zweiten Düse 72 gebildet.
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Wie es oben beschrieben ist, wird eine Wasserstoff-Zuführung-und-Rückführung-Vorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vom Typ mit komplexer/zusammengesetzter Düse, in welcher die erste Düse, die einen allgemeinen Ausgeben-Betrieb ausführt, und die zweite Düse, die den Coanda-Effekt verwendet, kombiniert sind, bereitgestellt, um eine benötigte Wasserstoff-Zufuhrmenge zu dem Stapel über einen gesamten Betriebsbereich der Brennstoffzelle zu erfüllen bzw. zuzuführen, und um Düsenvibration und Geräuscherzeugung, wie sie in der bezogenen Technik auftreten, zu verhindern.
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Die Erfindung wurde im Detail mit Bezug auf Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es können jedoch Änderungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von den Grundprinzipien und dem Sinn der Erfindung, deren Umfang durch die angehängten Ansprüche und deren Äquivalente definiert ist, abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 10-2014-0058698 [0013]
