-
Stand der Technik
-
Es ist bereits eine Rezirkulationsvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases einer Brennstoffzelleneinheit zu rezirkulieren, mit zumindest einer Strahlpumpe, welche ein Strahlpumpengehäuse aufweist und dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas zu fördern, und mit zumindest einer Einstelleinheit, welche zu einer Einstellung einer Rezirkulationsrate vorgesehen ist, vorgeschlagen worden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die Erfindung geht aus von einer Rezirkulationsvorrichtung, welche dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil eines Anodenabgases einer Brennstoffzelleneinheit zu rezirkulieren, mit zumindest einer Strahlpumpe, welche ein Strahlpumpengehäuse aufweist und dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas zu fördern, und mit zumindest einer Einstelleinheit, welche zu einer Einstellung einer Rezirkulationsrate vorgesehen ist.
-
Es wird vorgeschlagen, dass die Einstelleinheit zumindest ein Drosselelement aufweist, welches zumindest im Wesentlichen vollständig innerhalb des Strahlpumpengehäuses angeordnet ist.
-
Unter einer „Rezirkulationsvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, ein brenngashaltiges, insbesondere wasserstoffhaltiges, Anodenabgas einer Brennstoffzelleneinheit einer Anode der Brennstoffzelleneinheit erneut zuzuführen. Insbesondere ist der Rezirkulationskreis dazu vorgesehen, der Anode der Brennstoffzelleneinheit nicht umgesetztes Brenngas, insbesondere nicht umgesetzten Wasserstoff, erneut anodenseitig zuzuführen. Die Rezirkulationsvorrichtung ist insbesondere dazu vorgesehen, der Anode der Brennstoffzelleneinheit eingangsseitig einen insbesondere festgelegten und/oder veränderlichen Prozentsatz eines Volumenstroms des Anodenabgases zuzuführen. Insbesondere ist die Rezirkulationsvorrichtung dazu vorgesehen, das Anodenabgas einer Mischstelle zuzuführen, an welcher das Anodenabgas mit einem frisch zugeführtem Brenngas und/oder einem frisch zugeführtem Brenngasgemisch vermischt wird. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
-
Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Einheit mit zumindest einer Brennstoffzelle verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine chemische Energie zumindest eines, insbesondere kontinuierlich zugeführten Brenngases, insbesondere Wasserstoff, und zumindest eines Oxidationsmittels, insbesondere Sauerstoff, insbesondere in elektrische Energie umzuwandeln. Vorzugsweise umfasst die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit eine Vielzahl von Brennstoffzellen, welche insbesondere in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sind. Insbesondere ist die Brennstoffzelleneinheit zu einer Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehen. Unter einem „Brennstoffzellensystem“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein System zu einer stationären und/oder mobilen Gewinnung, insbesondere elektrischer und/oder thermischer Energie, unter Verwendung zumindest einer Brennstoffzelleneinheit verstanden werden.
-
Unter einer „Strahlpumpe“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Pumpe verstanden werden, in der die Pumpwirkung durch einen Fluidstrahl eines Treibmediums erzeugt wird, welcher insbesondere durch einen Impulsaustausch zumindest ein Saugmedium ansaugt, beschleunigt und verdichtet und/oder fördert. Insbesondere ist die Strahlpumpe als ein Injektor ausgebildet. Das Treibmedium ist insbesondere ein Brenngas und/oder ein Brenngasgemisch, welches der Strahlpumpe zugeführt wird. Das Saugmedium ist insbesondere das Anodenabgas, welches von der Strahlpumpe angesaugt und gefördert wird. Unter einer „Einstelleinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, zumindest eine Kenngröße, insbesondere eine Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere eine Strömungsgeschwindigkeit des Treibmediums durch die Strahlpumpe, zur Einstellung einer Rezirkulationsrate des Anodenabgases zu steuern und/oder zu regeln. Unter einem „Drosselelement“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Element verstanden werden, dessen Position und/oder Ausrichtung und/oder Formgebung insbesondere in Abhängigkeit zumindest einer Stellgröße insbesondere aktiv veränderbar ist. Insbesondere ist durch eine Veränderung der Position und/oder der Ausrichtung und/oder der Formgebung des zumindest einen Drosselelements zumindest ein Strömungspfad, entlang die Strahlpumpe von zumindest einem Fluid durchströmbar ist, erweiterbar und/oder verengbar und/oder zumindest im Wesentlichen vollständig verschließbar.
-
Durch eine derartige Ausgestaltung kann eine gattungsgemäße Rezirkulationsvorrichtung mit vorteilhaften Betriebseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Anordnung des Drosselelements innerhalb eines Gehäuses eine vorteilhaft hohe Integrationsdichte erreicht werden. Insbesondere kann vorteilhaft auf eine zusätzliche Regelvorrichtung zur Regelung einer Rezirkulationsrate verzichtet werden, wodurch ein Bauraumbedarf, ein Installationsaufwand und/oder Material- und/oder Installationskosten vorteilhaft reduziert werden können.
-
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Drosselelement verschiebbar innerhalb des Strahlpumpengehäuses angeordnet ist. Insbesondere ist das Drosselelement linear verschiebbar innerhalb des Strahlpumpengehäuses gelagert. Das Drosselelement ist insbesondere entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung der Strahlpumpe linear verschiebbar innerhalb des Strahlpumpengehäuses gelagert. Vorzugsweise ist das Drosselelement vollständig innerhalb eines Strömungsraums der Strahlpumpe angeordnet. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Drosselelement zumindest einen durchgehenden Strömungskanal aufweist. Insbesondere erstreckt sich der Strömungskanal zumindest im Wesentlichen entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung der Strahlpumpe. Insbesondere weist das Strahlpumpengehäuse ein mit dem zumindest einen Drosselelement zusammenwirkendes und/oder vorzugsweise korrespondierendes Anlageelement mit zumindest einer Anlagefläche für das zumindest eine Drosselelement auf, welche insbesondere zumindest eine Ausnehmung, welche insbesondere zumindest teilweise einen Strömungspfad zumindest ein Fluid bildet, in Umfangsrichtung begrenzt. Insbesondere ist das Anlageelement einstückig mit dem Strahlpumpengehäuse ausgebildet. Unter „einstückig“ soll insbesondere zumindest stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder Klebeprozess usw., und besonders vorteilhaft angeformt verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren. Das Drosselelement ist insbesondere relativ zu dem Anlageelement verschiebbar. Durch ein Verfahren des Drosselelements relativ zu dem Anlageelement ist zumindest ein Spalt zwischen dem Drosselelement und dem Anlageelement vergrößerbar und/oder verkleinerbar und/oder zumindest im Wesentlichen vollständig verschließbar. Hierdurch kann eine vorteilhafte einfache und/oder zuverlässige Regulierung einer Strömungsgeschwindigkeit des Treibmediums durch die Strahlpumpe, zur Einstellung einer Rezirkulationsrate des Anodenabgases erreicht werden.
-
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Einstelleinheit, zumindest einer elektromagnetischen Aktoreinheit aufweist, welcher zu einem berührungslosen Positionieren des Drosselelements innerhalb des Strahlpumpengehäuses vorgesehen ist. Insbesondere ist die Aktoreinheit als eine Tauchkernaktoreinheit ausgebildet. Unter einer „Tauchkernaktoreinheit“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Aktoreinheit verstanden werden, welche zumindest einen Primärteil und zumindest einen zu dem zumindest einen Primärteil beweglich gelagerten Sekundärteil aufweist. Der Primärteil umfasst insbesondere zumindest eine Spule, welche in einem Luftspalt eines Magnetkreises des Primärteils angeordnet ist. Der Sekundärteil umfasst insbesondere zumindest ein innerhalb der Spule des Primärteils gelagertes ferromagnetisches Tauchelement. Der Primärteil ist insbesondere vorzugsweise mechanisch fixiert. Bei einer Beaufschlagung der zumindest einen Spule des Primärteils mit einem Strom wirkt auf die den Sekundärteil eine Magnetkraft, welche den Sekundärteil entlang des Primärteils verlagert. Die Kraft ist dabei insbesondere proportional zum Strom. Eine Richtung des Kraftvektors wird dabei insbesondere von der Stromrichtung bestimmt. Hierdurch kann eine Aktoreinheit bereitgestellt werden, welche vorteilhaft ein bidirektionales Verfahren der Drosseleinheit ermöglicht. Ferner kann eine vorteilhaft exakte Positionierung der Drosseleinheit erreicht werden.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Einstelleinheit zumindest ein Federelement aufweist, welches dazu vorgesehen, das Drosselelement mit einer Schließkraft zu beaufschlagen. Insbesondere ist das Federelement dazu vorgesehen, das Drosselelement mit einer zumindest im Wesentlichen in Richtung des Anlageelements des Strahlpumpengehäuses gerichteten Kraft zu beaufschlagen. Die Aktoreinheit ist insbesondere in zumindest einem Betriebszustand dazu vorgesehen, das Drosselelement mit einer entgegen der Federkraft gerichteten Kraft zu beaufschlagen. Unter einem „Federelement“ soll insbesondere ein Element verstanden werden, das zumindest eine Erstreckung aufweist, die in einem normalen Betriebszustand um zumindest 10 %, insbesondere um wenigstens 20 %, vorzugsweise um mindestens 30 % und besonders vorteilhaft um zumindest 50 % elastisch veränderbar ist, und das insbesondere eine von einer Veränderung der Erstreckung abhängige und vorzugsweise zu der Veränderung proportionale Gegenkraft erzeugt, die der Veränderung entgegenwirkt. Unter einer „Erstreckung“ eines Elements soll insbesondere ein maximaler Abstand zweier Punkte einer senkrechten Projektion des Elements auf eine Ebene verstanden werden. Vorzugsweise ist das zumindest eine Federelement als eine Schraubenfeder, insbesondere als eine gewundene Torsionsfeder, insbesondere als eine Druckfeder, ausgebildet. Hierdurch können eine vorteilhaft exakte Positionierung des Drosselelements und/oder ein sicheres Schließen der Strahlpumpe bei einer Stromlosigkeit der Antriebseinheit erreicht werden.
-
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Strahlpumpengehäuse zumindest ein mit dem Drosselelement zusammenwirkendes Anlageelement mit einer zumindest im Wesentlichen keilförmigen Anlagekontur aufweist. Darunter, dass das Anlageelement eine zumindest im Wesentlichen „keilförmige“ Anlagekontur aufweist, soll insbesondere verstanden werden, dass sich das Anlageelement ausgehend von einer Anlageelementbasis zu einem in Richtung des Drosselelements weisenden Ende hin verjüngt. Alternativ kann das Drosselelement ein mit dem Strahlpumpengehäuse zusammenwirkendes Anlageelement aufweisen. Hierdurch kann eine Dichtwirkung vorteilhaft weiter verbessert werden.
-
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Einstelleinheit zumindest ein Dichtelement aufweist, welches an dem Drosselelement angeordnet ist. Das Dichtelement kann insbesondere in Umfangsrichtung umlaufend an dem zumindest einen Drosselelement, angeordnet sein. Unter einem „Dichtelement“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Element verstanden werden, welches dazu vorgesehen ist, einen insbesondere ungewollten Austritt zumindest eines Fluids aus der Strahlpumpe und/oder einen insbesondere ungewollten Eintritt zumindest eines Fluids in die Strahlpumpe zu begrenzen und/oder zumindest zu einem Großteil zu verhindern. Insbesondere kann das Dichtelement zumindest teilweise aus einem Elastomer, beispielsweise Polyurethan und/oder Nitrilkautschuk, bestehen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Dichtelement an einem Anlageelement des Strahlpumpengehäuses angeordnet sein. Das Dichtelement ist insbesondere dazu vorgesehen, mit der keilförmigen Anlagekontur des Anlageelements zusammenzuwirken. Hierdurch kann eine vorteilhaft verbesserte Dichtwirkung erreicht werden, insbesondere auch bei einer Beaufschlagung des Drosselelements mit einer relativ geringen Kraft, insbesondere durch das Federelement.
-
Zudem wird ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer erfindungsgemäßen Rezirkulationsvorrichtung vorgeschlagen. Hierdurch kann vorteilhaft auf eine zusätzliche Regelvorrichtung zur Regelung einer Rezirkulationsrate verzichtet werden, wodurch ein Bauraumbedarf, ein Installationsaufwand und/oder Material- und/oder Installationskosten vorteilhaft reduziert werden können.
-
Die erfindungsgemäße Rezirkulationsvorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Rezirkulationsvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
-
Zeichnung
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
-
Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Rezirkulationsvorrichtung mit einer Strahlpumpe,
-
2 eine Schnittdarstellung der Rezirkulationsvorrichtung mit geschlossener Strahlpumpe und
-
3 eine Schnittdarstellung der Rezirkulationsvorrichtung mit geöffneter Strahlpumpe.
-
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
-
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 36 mit einer Brennstoffzelleneinheit 12. Die Brennstoffzelleneinheit 12 ist hier vereinfacht als eine Brennstoffzelle 38 dargestellt. Zweckmäßig ist jedoch eine Ausbildung einer Brennstoffzelleneinheit als ein Brennstoffzellenstack mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelleneinheit 12 weist eine Anode 40 und eine Kathode 42 auf. Der Anode 40 wird ein Brenngas 44, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Der Kathode 42 wird Sauerstoff 46, insbesondere Luftsauerstoff, zugeführt. Ferner weist das Brennstoffzellensystem 36 eine Rezirkulationsvorrichtung 10 auf, welche dazu vorgesehen ist, einen Teil eines Anodenabgases 48 der Brennstoffzelleneinheit 12 zu rezirkulieren. Die Rezirkulationsvorrichtung 10 weist eine Strahlpumpe 14 auf, welche dazu vorgesehen ist, das Anodenabgas 48 innerhalb einer Rezirkulationsleitung 50 zu fördern.
-
2 zeigt die Rezirkulationsvorrichtung 10 in einer Schnittdarstellung. Die Rezirkulationsvorrichtung 10 umfasst die Strahlpumpe 14, welche ein Strahlpumpengehäuse 16 aufweist. Ferner weist die Rezirkulationsvorrichtung 10 eine Einstelleinheit 18 auf, welche zu einer Einstellung einer Rezirkulationsrate des Anodenabgases 48 vorgesehen ist. Die Einstelleinheit 18 weist ein Drosselelement 20 auf, welches vollständig innerhalb des Strahlpumpengehäuses 16 angeordnet ist. Das Drosselelement 20 ist vollständig innerhalb eines Strömungsraums 22 der Strahlpumpe 14 angeordnet. Das Drosselelement 20 weist einen durchgehenden Strömungskanal 24 auf. Das Drosselelement 20 ist verschiebbar innerhalb des Strahlpumpengehäuses 16 angeordnet. Das Drosselelement 20 ist entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung 68 der Strahlpumpe 14 linear verschiebbar innerhalb des Strahlpumpengehäuses 16 gelagert. Das Strahlpumpengehäuse 16 weist ein mit dem Drosselelement 20 zusammenwirkendes Anlageelement 30 mit einer zumindest im Wesentlichen keilförmigen Anlangekontur 32 auf. Das Anlageelement 30 ist einstückig mit dem Strahlpumpengehäuse 16 ausgebildet. Die Einstelleinheit 18 umfasst des Weiteren ein Dichtelement 34, welches an dem Drosselelement 20 angeordnet ist. Insbesondere kann das Dichtelement 34 zumindest teilweise aus einem Elastomer, beispielsweise Polyurethan und/oder Nitrilkautschuk, bestehen.
-
Die Einstelleinheit 18 weist ferner eine elektromagnetische Aktoreinheit 26 auf, welche zu einem berührungslosen Positionieren des Drosselelements 20 innerhalb des Strahlpumpengehäuses 16 vorgesehen ist. Des Weiteren umfasst die Einstelleinheit 18 ein Federelement 28, welches dazu vorgesehen ist, das Drosselelement 20 mit einer Schließkraft zu beaufschlagen. Die Aktoreinheit 26 umfasst eine Spule 52 und eine Magnetflussführung 54. Die Aktoreinheit 26 ist an einer Außenseite des Strahlpumpengehäuses 16 mechanisch in ihrer Position fixiert. Das als eine Druckfeder ausgebildete Federelement 28 ist dazu vorgesehen, das Drosselelement 20 in einem unbestromten Zustand der Aktoreinheit 26 in Richtung des Anlageelements 30 des Strahlpumpengehäuses 16 zu drücken und die Strahlpumpe 14 somit zu schließen. Das Federelement 28 ist dazu auf einer dem Anlageelement 30 abgewandten Seite des Drosselelements 20 zwischen dem Drosselelement 20 und dem Strahlpumpengehäuse 16 angeordnet. 2 zeigt die Strahlpumpe 14 in einem geschlossenen Zustand, in welchem kein Anodenabgas 48 durch die Rezirkulationsvorrichtung 10 rezirkuliert wird.
-
3 zeigt die die Rezirkulationsvorrichtung 10 mit geöffneter Strahlpumpe 14. Durch eine Bestromung der Aktoreinheit 26 ist das Drosselelement 20 linear gegen eine Federkraft des Federelements 28 bewegbar. Das Drosselelement 20 besteht zumindest im Wesentlichen aus einem ferromagnetischen Material. Eine Führung des Drosselelements 20 innerhalb des Strahlpumpengehäuses 16 erfolgt über eine Lagerbuchse 56, welche mittels einer Hülse 58 an dem Drosselelement 20 fixiert ist. Durch die lineare Bewegung des Drosselelements 20 gegen die Federkraft des Federelements 28 erfolgt ein Abheben des Drosselelements 20 von dem Anlageelement 30, wodurch die Strahlpumpe 14 geöffnet wird. Bei geöffneter Strahlpumpe 14 strömt das Brenngas 44 als Treibmedium über eine Einlassöffnung 60 in die Strahlpumpe 14 ein. Das Anodenabgas 48 wird als Saugmedium über einen Anodenabgaseinlass 62 angesaugt und mit dem Brenngas 44 vermischt. Das Gemisch 64 aus Brenngas 44 und Anodenabgas 48 wird über den Strömungskanal 24 des Drosselelements 20 einem Auslass 66 der Strahlpumpe 14 zugeleitet von wo es der Anode 40 der Brennstoffzelleneinheit 12 zugeführt wird. Eine Rezirkulationsrate des Anodenabgases 48 kann über eine Position des Drosselelements 20 eingestellt werden.
