DE102017208263A1

DE102017208263A1 - Förderaggregat für eine Brennstoffzellenanordnung zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium

Info

Publication number: DE102017208263A1
Application number: DE102017208263.1A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Martin Katz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-17
Filing date: 2017-05-17
Publication date: 2018-11-22
Also published as: WO2018210545A1

Abstract

Förderaggregat (8) für ein Brennstoffzellensystem (31), wobei das Förderaggregat (8) eine Gehäuse-Baugruppe (6) aufweist, in dem eine Düse (12) und eine Düsen-Nadel (2) angeordnet sind.Erfindungsgemäß ist dabei in der Gehäuse-Baugruppe (6) ein Aktor (30) angeordnet, wobei die Düsen-Nadel (2) durch den Aktor (30) verstellbar ist und wobei die Düsen-Nadel (2) bei einer Bewegung in Richtung einer Symetrieachse (52) durch ein Führungselement (14) und/oder ein Lagerelement (10) geführt wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellensystem zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige 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 einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an das Förderaggregat geleitet. Dieses Förderaggregat führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
Aus der US 2002/0106547 A1 ist ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium gefördert wird und wobei das Förderaggregat eine Gehäuse-Baugruppe aufweist, in dem eine Düse und eine Düsen-Nadel angeordnet sind. Dabei kann mittels des Förderaggregats ein Medium, insbesondere ein Treibmedium durch die Düse abgelassen werden, welches dann mit einem Rezirkulationsmedium vermischt wird. Die Düsen-Nadel ist dabei verstellbar und die Düse ist als in der Gehäuse-Baugruppe feststehendes Bauteil ausgeführt und ist somit nicht verstellbar.
Das aus der US 2002/0106547 A1 bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen.
Eine unzureichende Führung der Düsen-Nadel kann zu einer reduzierten Lebensdauer des Förderaggregats, insbesondere durch einen auftretenden Verschleiß im Kontaktbereich der Düsen-Nadel mit der Düse, führen. Weiterhin kann das aus der US 2002/0106547 A1 bekannte Förderaggregat gewisse Nachteile aufweisen, insbesondere bei einem Einsatz von Bauteilen, die eine Unverträglichkeit gegenüber dem zu fördernden Medium, dem es sich insbesondere um Wasserstoff handeln kann, aufweisen. Hierbei kann es zu einer Schädigung der Bauteile kommen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für Brennstoffzellensysteme vorgeschlagen, wobei das Förderaggregat eine Gehäuse-Baugruppe aufweist, in der eine Düse und eine Düsen-Nadel angeordnet sind und die Düsen-Nadel über einen im Inneren der Gehäuse-Baugruppe angeordneten Aktor in einer axialen Richtung verstellbar ist. In vorteilhafter Weise ist die Düsen-Nadel so angeordnet, dass diese eine Spaltweite eines Ringspaltes, der zwischen der in axialer Richtung verstellbaren Düsen-Nadel und der stationär in der Gehäuse-Baugruppe angeordneten Düse ausgeführt ist, ändert. Dadurch erfolgt eine Variation eines Querschnittverhältnisses zwischen dem Ringspalt, durch den ein Treibmedium ausströmt, in Bezug auf einen Strömungsquerschnitt und damit eine Regelung einer Rezirkulation. Weiterhin strömt ein Rezirkulationsmedium, dass insbesondere aus einem Brennstoffzellenstapel rezirkuliert wird, durch einen ersten Zulauf in einen zentralen Strömungsbereich des Förderaggregats. Zudem ist es möglich, dass sich die Düsen-Nadel mit einer Nadelfläche in der axialen Richtung vollständig an eine Düsenfläche der Düse heranbewegt und sich somit der Ringspalt komplett schließt und die Düsen-Nadel mit der Düse somit in Anlage steht. Dabei wird verhindert, dass weiteres Treibmedium aus einem zweiten Zulauf in den zentralen Strömungsbereich des Förderaggregats gelangen kann. Bei dem zu fördernden Rezirkulationsmedium und/oder dem Treibmedium kann es sich um ein gasförmiges Medium handeln, insbesondere um Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H₂ bezeichnet wird. Durch die Möglichkeit der Variation des Querschnittverhältnisses des Ringspalt zwischen der Nadelfläche und der Düsenfläche im Bezug auf den Strömungsquerschnitt lässt sich die Regelung einer H₂-Rezirkulation je nach Bedarf bewirken.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats den Vorteil, dass eine reibungsarme Führung der Düsen-Nadel in einem Betrieb des Förderaggregats erzielt wird. Im Betrieb des Förderaggregats kann die Düsen-Nadel in hochfrequenter Weise durch eine Betätigung des Aktors in der axialen Richtung bewegt werden. Dabei lässt sich durch einen Einsatz eines Führungselements und eines Lagerelements zur Führung der Düsen-Nadel ein präziser Dichtsitz zwischen der Düsen-Nadel und der Düse erzielen und der Verschleiß zwischen beiden Bauteilen beim Öffnen und Schließen aufgrund einer präzisen Führung der Düsen-Nadel bei der finalen Schließbewegung reduzieren. Dadurch lässt sich die Lebensdauer der Düsen-Nadel und/oder der umliegenden Bauteile und/oder des gesamten Förderaggregats erhöhen. Des Weiteren lassen sich Kosten beim Betrieb des Förderaggregats einsparen, da zum einen die Bauteile und Komponenten des Förderaggregats weniger häufig gewartet und ausgetauscht werden müssen. Zum anderen kann ein Energieaufwand für die Betätigung des Aktors und/oder des Einstellelements reduziert werden, da sich die Düsen-Nadel in der axialen Richtung aufgrund der verringerten Reibung mit weniger Energieaufwand bewegen lässt.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 2 kann eine Schädigung von Bauteilen des Aktors verhindert werden, da eine Kapselung des Aktors und weiterer Bauteilen vom durchströmenden Medium durch den Einsatz wenigstens eines Dichtelements erzielt wird. Bei einer Nicht-Kapselung des Aktors kann es bei bestimmten Bauteilen, die beispielsweise aufgrund Ihrer Werkstoffeigenschaften mit dem durchströmenden Medium reagieren können, zu einer Schädigung und gegebenfalls zu einem Materialsversagen kommen, wodurch eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats erhöht wird. Eine beispielhafte Reaktion insbesondere weichmagentischer Bauteile des Aktors mit H₂ ist eine Wasserstoffversprödung, wobei die Materialeigenschaften durch ein Eindringen und Einlagern von H₂, insbesondere von H₂-Atomen, in beispielsweise ein Metallgitter verschlechtert werden, was letztendlich zu einem Versagen der Bauteile führen kann. Dieser negative Effekt kann jedoch durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats in Form der Kapselung verhindert werden, wodurch sich die Lebensdauer des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellensystems erhöhen lässt. Des Weiteren lassen sich Kosten beim Betrieb des Förderaggregats einsparen, da die Bauteile und Komponenten des Förderaggregats weniger häufig gewartet und ausgetauscht werden müssen.
Gemäß Anspruch 3 und 4 ist das Dichtelement radial zwischen der Düsen-Nadel und dem Führungselement eingespannt und bei dem Dichtelement handelt es sich um einen O-Ring. Dies bietet den Vorteil, dass ein direkter Kontakt der Oberfläche der Düsen-Nadel mit dem Führungselement vermieden wird. Aufgrund eines für das Führungselement verwendeten Materials und einer damit einhergenden hohen Oberflächenhärte kann bei dem direkten Kontakt des Führungselements mit der Düsen-Nadel eine Schädigung der Oberfläche der Düsen-Nadel hervorgerufen werden, insbesondere bei der hochfrequenten Bewegung der Düsen-Nadel in axialer Richtung.
Dies kann darüber hinaus zur reduzierten Lebensdauer des gesamten Förderaggregats führen, da ein Ausfall der Düsen-Nadel zum Ausfall des gesamten Förderaggregats führen kann. Zum anderen können beim direkten Kontakt der Düsen-Nadel mit dem Führungselement aufgrund der hohen Oberflächenhärte der Kontaktpartner Partikel aufgrund von Materialabtragungen an beiden Bauteilen auftreten. Diese Partikel können die Bauteile Düsen-Nadel und Führungselement weiter schädigen, und zudem können die umliegenden Bauteile durch die abfließenden Partikel beschädigt werden. Der Einsatz des Dichtelements, das als O-Ring ausgeführt ist, und aus einem weichen Material besteht, minimiert die Schädigung der Bauteile Düsen-Nadel und Führungselement, insbesondere bei einer hochfrequenten Bewegung der Düsen-Nadel. Somit wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 3 und 4 die Lebensdauer der Düsen-Nadel und des gesamten Förderaggregats erhöht.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 5 bietet mehrere Vorteile. Da der Aktor, der insbesondere das Einstellelement aufweist, in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Förderaggregates als ein elektrischer Aktor und/oder als ein elektromagnetischer Aktor ausgebildet ist, wobei das Einstellelement insbesondere als eine Magnetspule ausgebildet ist, kann die Düsen-Nadel bei der Betätigung des Aktors in axialer Richtung verstellt werden, ohne dass ein mechanischer Kontakt des Aktors mit der Düsen-Nadel gegeben sein muss. Dadurch können die Bauteile, die für eine mechanische Kraftübertragung des Aktors auf die Düsen-Nadel notwendig wären, eingespart werden, was die Bauteilkosten und die Montagekosten des Förderaggregats senkt.
Des Weiteren wird die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats aufgrund der Reduzierung der Gesamtanzahl an Bauteilen reduziert, insbesondere aufgrund eines negativen Effekts aufgrund von Toleranzketten bei einer mechanischen Verstellung der Düsen-Nadel.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei dem elektromagnetischen Aktor dadurch, dass mittels einer Messung der Eigenschaften eines Magnetfelds des Aktors Rückschlüsse auf eine Position der Düsen-Nadel in axialer 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.
Bezugnehmend auf Anspruch 6 bis 8 bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats den Vorteil, dass durch eine spezielle geometrische Ausformung der Bauteile Düse und Düsen-Nadel, sowie des Ringspalts, der durch die Nadelfläche und die Düsenfläche begrenzt wird, eine verbesserte Förderwirkung des Rezirkulationsmediums durch das Treibmedium erzielt werden kann. Zudem lässt sich durch eine entsprechende Anordnung 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, insbesondere in Form eines Einspritzkonus, des Treibmediums in den zentralen Strömungsbereich regulieren lässt.
Weiterhin kann das Förderaggregat bestmöglich auf eine jeweilige Durchströmrate des Rezirkulationsmediums angepasst werden, indem durch die axial 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 Betriebszustandes des Brennstoffzellen-Systems anpassen. Dies führt zu geringeren Betriebskosten und einer erhöhten Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellensystems, da insbesondere eine dauerhafte Sättigung einer Brennstoffzelle mit dem Fördermedium gewährleistet werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 9 kann durch das mindestens eine Federelement eine Rückstellkraft auf die Düsen-Nadel ausgeübt werden, die einer Aktorkraft des Aktors in axialer Richtung entgegengesetzt ist. Dies bietet den Vorteil, dass ein Zurückbewegen der Düsen-Nadel in eine Grundposition bewirkt wird, sobald der Aktor nicht mehr betätigt wird. Dadurch können die Bauteile eingespart werden, die benötigt werden, um die Düsen-Nadel in ihre Grundposition und Ruhestellung zurückzubewegen, wodurch die Komplexität des Förderaggregats verringert wird und somit Fertigungs- und Montagekosten reduziert werden können.
Ein Vorteil bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß Anspruch 10 besteht darin, dass bei der Ausführung des mindestens einen Federelements als ein Wellbalg die optimale Kapselung des Aktors gegen das Fördermedium gewährleistet werden kann. Diese Kapselung ist vorteilhaft, da ein Kontakt des Fördermediums, insbesondere von H₂, mit dem Aktor, insbesondere mit dem Bauteil Einstellelement, das als eine Magnetspule ausgeführt sein kann, eine Schädigung bewirkt. Durch die Kapselung des Aktors mittels des Einsatzes mindestens eines Wellbalgs kann ein Kurzschluss durch Eintrag des Fördermediums, insbesondere 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.
Des Weiteren kann das Fördermedium die Oberflächen der magnetischen Bauteile des Aktors, insbesondere von weichmagnetischen Bauteilen, schädigen, wobei die Schädigung insbesondere durch Korrosion der Oberflächen der Bauteile erfolgen kann. Zudem wird durch die Kapselung des Aktors verhindert, dass sich das Fördermedium und ein gegebenenfalls vorhandener Sauerstoff, der insbesondere im Rezirkulationsmedium vorhanden sein kann, durch elektrische Funken des Elektromagneten entzündet und dadurch das Förderaggregat und weitere Bauteile des Brennstoffzellensystems schädigen kann. Somit lässt sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 10 die Lebensdauer des gesamten Förderaggregats erhöhen.
Gemäß Anspruch 11 weisen die Bauteile der Gehäuse-Baugruppe eine Durchgangsbohrung auf, die durch alle Bauteile parallel zu einer Symetrieachse verläuft. Durch diese Bohrung wird ein Verschraubungselement gesteckt, insbesondere ein Bolzen, das die Bauteile der Gehäuse-Baugruppe mittels eines Befestigungselements in Richtung der Symetrieachse, insbesondere formschlüssig, miteinander fixiert. Dies hat den Vorteil, dass alle Bauteile der Gehäuse-Baugruppe in einem einzigen Montageschritt auf eine kostengünstige Montageart miteinander fixiert werden können. Dies steht im Gegensatz zu einer aufwändigen Fixierung, bei dem die einzelnen Bauteile der Gehäuse-Baugruppe jeweils miteinander verbunden werden müssen. Ein weiterer Vorteil der Fixierung der Bauteile gemäß Anspruch 11 ist der, dass auftretende Toleranzabweichung der Oberflächen der einzelnen Bauteile der Gehäuse-Baugruppe die miteinander in Kontakt stehen, insbesondere in axialer Richtung, durch diese Art der Fixierung ausgeglichen werden können. Dies hat zudem den Vorteil, dass eine verbesserte Dichtigkeit des Förderaggregats gegen ein Austreten des Wasserstoffs erzielt werden kann. Des Weiteren lassen sich die Fertigungskosten reduzieren und die Lebensdauer des gesamten Förderaggregats erhöhen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 12 kann die Düsen-Nadel in unbetätigtem Zustand des Aktors zumindest mittelbar an einem Anschlagselement in Anlage und/oder durch das Federelement in diese Grundposition zurückbewegt werden. Dies bietet den Vorteil, dass die genaue Position der Düsen-Nadel in axialer Richtung in dieser Grundposition durch die Bearbeitung eines Anschlagelements, insbesondere die Bearbeitung der Länge des Anschlagelements in Richtung der Symetrieachse, festgelegt werden kann und somit eine aufwändige Bearbeitung der Düsen-Nadel und/oder eines Deckels und/oder des Federelements und/oder des Führungselements entfallen kann. Dadurch lassen sich die Fertigungskosten und die Montagekosten des Förderaggregats reduzieren.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregates mit einer axial verstellbaren Düsen-Nadel gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Förderaggregats in vergrößerter Darstellung,
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und dem Förderaggregat,
4 eine schematische Schnittansicht des Förderaggregates mit einer axial verstellbaren Düsen-Nadel gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
Der Darstellung gemäß 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines Förderaggregates 8 gemäß der Erfindung mit einer axial verstellbaren Düsen-Nadel 2 zu entnehmen.
In 1 ist ein Längsschnitt durch das rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse 52 ausgebildete erfindungsgemäß vorgeschlagene Förderaggregat 8 dargestellt. Das Förderaggregat 8 weist dabei eine Gehäuse-Baugruppe 6 auf, in der eine Düse 12 und die Düsen-Nadel 2 angeordnet sind. Weiterhin ist in der Gehäuse-Baugruppe 6 ein Aktor 30 angeordnet, wobei die Düsen-Nadel 2 durch den Aktor 30 in einer axialen Richtung 42, die in Richtung einer Symetrieachse 52 verläuft, verstellbar ist. Die Düse 12 ist hierbei stationär in der Gehäuse-Baugruppe 6 des Förderaggregats 8 angeordnet und die Düsen-Nadel 2 ist relativ zu dieser in axialer Richtung 42 verstellbar. Die Düse 12 ist im wesentlichen ringförmig ausgebildet.
Des Weiteren weist der Aktor 30 ein Einstellelement 18, eine Einstellelement-Aufnahme 4 und ein Zwischen-Gehäuse 20 auf, wobei die Einstellelement-Aufnahme 4 und das Zwischen-Gehäuse 20 zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Werkstoff ausgeführt sein können.
Die Gehäuse-Baugruppe 6 weist hierbei einen Endabschnitt 16, ein Düsengehäuse 25, ein Führungselement 14, die Einstellelement-Aufnahme 4, das Zwischen-Gehäuse 20 und einen Deckel 5 auf. Das Führungselement 14 dient hierbei zumindest einer mittelbaren Führung der Düsen-Nadel 2 radial zur Symsterieachse 52. Zudem weist das Düsengehäuse 25 im Inneren des Förderaggregats 8, insbesondere auf der der Symetrieachse 52 zugewandten Seite, die Düse 12 auf. In einem zentralen Strömungsbereich 35 des Förderaggregats 8 kann die Düsen-Nadel 2 durch Betätigung des Aktors 30 eine Spaltweite 46 zwischen einer Nadelfläche 48 der Düsen-Nadel 2 und einer Düsenfläche 50 der Düse 12 ändern, indem sich die Düsen-Nadel 2 in axialer Richtung 42 zur Düse 12 hin bewegt. Bei einer maximalen Annäherung der Düsen-Nadel 2 an die Düse 12 wird die Spaltweite 46 derart reduziert, dass die Nadelfläche 48 mit der Düsenfläche 50 in Kontakt kommt und sich ein Dichtsitz zwischen der Düsen-Nadel 2 und der Düse 12 ausbildet. Des Weiteren weist der Aktor 30 das Einstellelement 18 auf, wobei das Einstellelement 18 innerhalb der Gehäuse-Baugruppe 6 aufgenommen ist und zum einen radial zur Symetrieachse 52 vom Zwischen-Gehäuse 20 umgeben ist. Der Aktor 30 kann dabei als ein elektrischer Aktor 30, insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor 30 ausgebildet sein, wobei das Einstellelement 18 insbesondere als eine Magnetspule 18 ausgebildet sein kann. Zum anderen grenzt das Bauteil Einstellelement-Aufnahme 4 an das Einstellelement 18. Weiterhin weist das Führungselement 14 ein Dichtelement 9 auf, wobei sich das Dichtelement 9 radial zur Symetrieachse 52 zwischen dem Führungselement 14 und dem der Düsen-Nadel 2 befindet. Das Dichtelement 9 dient zudem zur Lagerung und Führung der Düsen-Nadel 2, um eine Bewegung der Düsen-Nadel 2 in der axialen Richtung 42 zu ermöglichen und eine Bewegung der Düsen-Nadel 2 radial zur Symstrieachse 52 zu verhindern und um einen direkten Kontakt zwischen der Düsen-Nadel 2 und dem Führungselement 14 zu verhindern. Weiterhin dient das Dichtelement 9 zur Kapselung des Aktors 30 gegen ein Eindringen eines zu fördernden Mediums, insbesondere Wasserstoff.
Zudem ist das Dichtelement 9 radial zwischen der Düsen-Nadel 2 und dem Führungselement 14 eingespannt, wobei das Dichtelement 9 insbesondere als ein O-Ring 9 ausgeführt sein kann. Dadurch lässt sich ein direkter Kontakt der Bauteile Führungselement 14 und Düsen-Nadel 2 verhindern und eine verbesserte Führung der Düsen-Nadel 2 erzielen.
Darüber hinaus ist die Düsen-Nadel 2 durch ein Lagerelement 10 gelagert und geführt, wobei sich das Lagerelement 10 insbesondere zwischen der Düsen-Nadel 2 und dem Deckel 5 befindet. Somit ist die Düsen-Nadel 2 durch die beiden Elemente Führungselement 14 und Lagerelement 10 geführt. Die Düsen-Nadel 2 ist in axialer Richtung 42 zwischen dem Deckel 5 und dem zentralen Strömungsbereich 35 angeordnet und weist auf der der Düse 12 zugewandten Seite die Nadelfläche 48 auf. Weiterhin weist die Düsen-Nadel 2 einen Bereich mit einem vergrößerten Durchmesser 24 auf, wobei der vergrößerte Durchmesser 24 radial zur Symetrieachse 52 verläuft. Im Bereich des vergrößerten Durchmessers 24 bildet die Düsen-Nadel 2 auf der dem Führungselement 14 zugewandten Seite einen ersten Absatz 26 und auf der dem Deckel 5 zugewandten Seite einen zweiten Absatz 27 aus.
Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass, sobald der Aktor 30 betätigt wird, die verstellbare Düsen-Nadel 2 aus einer Grundposition im umbestromten Zustand des Aktors 30 angezogen wird. Die Düsen-Nadel 2 und/oder ein mit der Düsen-Nadel 2 verbundenes Bauteil und/oder der Bereich mit dem vergrößerten Durchmesser 24 haben/hat dabei die Funktion eines Magnetankers 2 des Aktors 30. Dabei können die Bauteile Düsen-Nadel 2, Einstellelement 18, Einstellelement-Aufnahme 4 und Zwischen-Gehäuse 20 einen Magnetkreis ausbilden und zumindest teilweise aus einem weichmagnetischen Werkstoff ausgeführt sein.
In dem in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist ein Federelement 22 in axialer Richtung 42 zwischen dem ersten Absatz 26 der Düsen-Nadel 2 und dem Führungselement 14 angeordnet. Das sich am Führungselement 14 in axialer Richtung 42 abstützende Federelement 22 bewegt dabei die Düsen-Nadel 2 über den ersten Absatz 26 mittels einer Federkraft, insbesondere im unbetätigten Zustand des Aktors 30, zurück in die Grundposition. Dabei wird durch das Federelement 22 eine Rückstellkraft auf die Düsen-Nadel 2 ausgeübt, wobei die Rückstellkraft der Aktorkraft des Aktors 30 in axialer Richtung 42 entgegengesetzt ist. In dieser Grundposition wird die Düsen-Nadel 2 insbesondere in axialer Richtung 42 gegen ein Anschlagelement 7 gedrückt und/oder in Anlage gehalten, wobei sich das Anschlagelement 7 in axialer Richtung 42 zwischen der Düsen-Nadel 2 und dem Deckel 5 befindet.
In 1 ist zudem dargestellt, dass sich der zentrale Strömungsbereich 35 im Inneren der Gehäuse-Baugruppe 6 des Förderaggregats 8, insbesondere entlang eines Teils der Symetrieachse 52, befindet. In den zentralen Strömungsbereich 35 strömt von außerhalb des Förderaggregats 8 durch einen ersten Zulauf 28 ein gasförmiges Rezirkulationsmedium ein, insbesondere H₂, wobei das gasförmige Rezirkulationsmedium beispielsweise aus einem Brennstoffzellenstapel gefördert wird. Dieses gasförmige Rezirkulationsmedium strömt in einer Strömungsrichtung III zwischen der Düse 12 und dem Endabschnitt 16 hindurch in den zentralen Strömungsbereich 35 ein.
Durch einen zweiten Zulauf 36 strömt strömt von außerhalb des Förderaggregats 8 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere H₂, in einen Bereich zwischen der Düse 12 und der Düsen-Nadel 2, der als ein Ringspalt 44 bezeichnet wird, wobei sich der Ringspalt 44 insbesondere zwischen der Düsenfläche 50 und der Nadelfläche 48 ausbildet. Dabei strömt das gasfrömige Treibmedium in Richtung der Strömungsrichtung III. Das aus dem zweiten Zulauf 36 in den Ringspalt 44 strömende und als Treibmedium dienende H₂ weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in das Förderaggregat 8 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 10 bar aufweist. Damit sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Maßenstrom in den zentralen Strömungsbereich 35 des Förderaggregats 8 gefördert, beispielsweise durch den Einsatz einer, dem Förderaggregat 8 vorgeschalteten, Rezirkulations-Pumpe. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch den Ringspalt 44 in den zentralen Strömungsbereich 35 ein. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im zentralen Strömungsbereich 35 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits und/oder Druckdifferenz 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 bewirkt 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 auch 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 Strahlpumpeneffekt bezeichnet werden. Durch die Änderung der Spaltweite 46 des Ringspaltes 44, 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 reguliert werden. Dadurch kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 (nicht in 1 gezeigt, vgl. 3) je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden.
In einem beispielhaften Betriebszustand des Förderaggregats 8 bei dem sich die Düsen-Nadel 2 mit der Düse 12 in Anlage befindet und sich der Dichtsitz zwischen der Düsen-Nadel 2 mit der Düse 12 ausgebildet hat, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Stömungsbereich 35 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung III zum Rezirkulationsmedium einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt. In einer beispielhaften Ausführungsform des Förderaggregats 8 kann jedoch auch durch ein dem zweiten Zulauf 36 vorgelagertes Ventil, insbesondere ein Proportionalventil und/oder ein Dosierventil und/oder ein Wasserstoffdosierventil ein Einströmen des Treibmediums in den zentralen Strömungsbereich 35 des Förderaggregats durch den zweiten Zulauf 36 verhindert oder geregelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Förderaggregats 8 kann das Federelement 22 als ein Wellbalg 22 ausgeführt sein, um eine verbesserte Kapselung des Aktors 30 gegen das durchströmende Medium bewirken zu können. Dabei ist der Wellbalg 22 mit dem Führungselement 14 und dem ersten Absatz 26 der Düsen-Nadel 2 verbunden, so dass eine Kapselung des Aktors erzielt werden kann.
2 zeigt einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Förderaggregats 8, bei dem insbesondere die Bauteile der Gehäuse-Baugruppe 6 teilweise dargestellt sind.
Wie in 2 dargestellt weisen die Bauteile der Gehäuse-Baugruppe 6 jeweils mindestens eine Durchgangsbohrung 11 auf, die durch alle Bauteile parallel zur Symetrieachse 52 verläuft. Durch diese Durchgangsbohrung 11 ist mindestens ein Verschraubungselement 13 gesteckt, das die Bauteile mittels eines Befestigungselements 15, insbesondere formschlüssig, miteinander fixiert. Dabei kann das Verschraubungselelement 13, das insbesondere als ein Bolzen 13 ausgeführt ist, ein Außengewinde 17 aufweisen. Das Befestigungselement 15, dass insbesondere als eine Mutter 15 ausgeführt ist, kann ein Innengewinde 19 aufweisen, so dass beide Bauteile 13, 15 miteinander verschraubt werden können. Die Gehäuse-Baugruppe 6 kann dabei die Bauteile Endabschnitt 16, Düsengehäuse 25, Führungselement 14, Einstellelement-Aufnahme 4, Zwischen-Gehäuse 20 und Deckel 5 umfassen. Das Verschraubungselement 13 verläuft dabei in Richtung der Symetrieachse 52 durch die Durchgangsbohrung 11 aller Bauteile der Gehäuse-Baugruppe 6. Vorteilhafterweise können durch diese Form der Fixierung der Bauteile der Gehäuse-Baugruppe Toleranzabweichungen der Breite der Bauteile der Gehäuse-Baugruppe 6 in Richtung der Symetrieachse 52 ausgeglichen werden und eine erhöhte Dichtigkeit des Förderaggregat gegen ein Austreten von H₂ erzielt werden.
In 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 31 dargestellt, das das Föderaggregat 8 und weitere Bauteile aufweist, wobei insbesondere eine Anodenseite des Brennstoffzellensystems 31 dargestellt ist. Wie aus 3 ersichtlich, ist das Förderaggregat 8 über eine Verbindungsleitung 29 mit einer Brennstoffzelle 32 verbunden, die einen Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung 23 vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 mit einem Ansaugbereich, der insbesondere als der erste Zulauf 28 ausgebildet ist, des Förderaggregats 8 verbindet. Mittels der Rückführleitung 23 kann das im Anodenbereich 38 beim Betrieb der Brennstoffzelle 32 nicht verwertete erste gasförmige Medium zum ersten Zulauf 28 zurückgeführt werden. Bei diesem ersten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das vorrangegangen beschriebene Rezirkulationsmedium.
Wie aus 3 weiter ersichtlich, wird das in einem Tank 34 gespeicherte zweite gasförmige Medium über eine Zuströmleitung 21 einem Zuströmbereich, der insbesondere als der zweite Zulauf 36 ausgebildet ist, des Förderaggregats 8 zugeführt. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das Treibmedium.
In 4 ist eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats 8 gemäß dem zweiten Ausführungbeispiel dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel ist dabei vom Grundaufbau gleich wie das erste Ausführungsbeispiel, im Folgenden werden jedoch die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. In diesem zweiten Ausführungsbeispiel des Förderaggregats 8 ist das Federelement 22 in axialer Richtung 42 zwischen dem zweiten Absatz 27 der Düsen-Nadel 2 und dem Lagerelement 10 angeordnet. Weiterhin weist der Deckel 5 einen dritten Absatz 54 auf, über den sich das Federelement 22 zumindest mittelbar über das Lagerelement 10 am Deckel 5 in axialer Richtung 42 abstützen kann. Das sich am Lagerelement 10 und mittelbar am Deckel 5 in axialer Richtung 42 abstützende Federelement 22 bewegt dabei die Düsen-Nadel 2 über den zweiten Absatz 27 mittels einer Federkraft, insbesondere im unbetätigten Zustand des Aktors 30, zurück in die Grundposition. In dieser Grundposition wird die Düsen-Nadel 2 insbesondere in axialer Richtung 42 gegen die Düse 12 gedrückt und/oder in Anlage gehalten, so dass sich zwischen der Düsen-Nadel 2 und der Düse 2 der Dichtsitz ausbildet und somit kein Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich 35 nachströmen kann.
Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass, sobald der Aktor 30 betätigt wird, die verstellbare Düsen-Nadel 2 aus Ihrer Schließstellung mit der Düse 12 im umbestromten Zustand des Aktors 30 angezogen wird und somit das Treibmedium in den zentralen Strömungsbereich 35 einströmen kann. Die Düsen-Nadel 2 und/oder ein mit der Düsen-Nadel 2 verbundenes Bauteil hat dabei die Funktion eines Magnetankers 2 des Aktors 30.
Die Anordnung des Federelements 22 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel bietet den Vorteil, dass ein Zurückbewegen der Düsen-Nadel 2 in die Schließstellung bewirkt wird, sobald der Aktor 30 nicht mehr betätigt wird. Dies bietet den Vorteil, dass sich im Falle eines Stromausfalls oder eines Ausfalls des Aktors 30 der Dichtsitz zwischen der Düse 12 und der Düsen-Nadel 2 einstellt und somit ein Einströmen des Treibmediums verhindert werden kann.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2002/0106547 A1 [0003, 0004, 0005]

Claims

Förderaggregat (8) für ein Brennstoffzellensystem (31), wobei das Förderaggregat (8) eine Gehäuse-Baugruppe (6) aufweist, in dem eine Düse (12) und eine Düsen-Nadel (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gehäuse-Baugruppe (6) ein Aktor (30) angeordnet ist, wobei die Düsen-Nadel (2) durch den Aktor (30) verstellbar ist und wobei die Düsen-Nadel (2) bei einer Bewegung in Richtung einer Symetrieachse (52) durch ein Führungselement (14) und/oder ein Lagerelement (10) geführt wird.
Förderaggregat (8) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kapselung des Aktors (30) gegen ein Eindringen eines zu fördernden Mediums, insbesondere Wasserstoff, durch wenigstens ein Dichtelement (9) erzielt wird.
Förderaggregat (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (9) radial zwischen der Düsen-Nadel (2) und dem Führungselement (14) eingespannt ist.
Förderaggregat (8) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (9) als ein O-Ring (9) ausgeführt ist.
Förderaggregat (8) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (30) als ein elektrischer Aktor (30), insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor (30), ausgebildet ist.
Förderaggregat (8) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer Nadelfläche (48) der Düsen-Nadel (2) und einer Düsenfläche (50) der Düse (12) ein Ringspalt (44) ausgebildet ist, wobei der Ringspalt (44) durch die Nadelfläche (48) einerseits und die Düsenfläche (50) andererseits begrenzt ist.
Förderaggregat (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (12) stationär in der Gehäuse-Baugruppe (6) angeordnet ist und die Düsen-Nadel (2) relativ zu dieser in einer axialen Richtung (42) in Richtung der Symetrieachse (52) verstellbar ist.
Förderaggregat (8) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betätigung des Aktors (30) eine Spaltweite (46) zwischen der Nadelfläche (48) und der Düsenfläche (50) änderbar ist.
Förderaggregat (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Federelement (22) in axialer Richtung (42) derart an der Düsen-Nadel (2) abstützt, dass das Federelement (22) mit einer Rückstellkraft auf die Düsen-Nadel (2) wirkt, die entgegengesetz zu der Aktorkraft des Aktors (30) in axialer Richtung (42) wirkt.
Förderaggregat (8) nach Anspruch 9, 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, erzielt wird.
Förderaggregat (8) nach einem der vorrangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile der Gehäuse-Baugruppe (6) jeweils mindestens eine Durchgangsbohrung (11) aufweisen, die durch alle Bauteile parallel zur Symetrieachse (52) verläuft und durch die mindestens ein Verschraubungselement (13) gesteckt ist, das die Bauteile mittels eines Befestigungselements (15) in Richtung der Symetrieachse (52), insbesondere formschlüssig, miteinander fixiert.
Förderaggregat (8) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen-Nadel (2) im unbetätigten Zustand des Aktors (30) zumindest mittelbar an einem Anschlagelement (7) in Richtung der Symetrieachse (52) in Anlage steht, wobei die Düsen-Nadel (2) insbesondere durch die Federkraft des mindestens einen Federelements (22) gegen das Anschlagelement (7) gedrückt wird
Verwendung des Förderaggregates (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem Brennstoffzellensystem (31).