DE102017208271A1

DE102017208271A1 - Förderaggregat für eine Brennstoffzellenanordnung zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium

Info

Publication number: DE102017208271A1
Application number: DE102017208271.2A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner
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

Abstract

Förderaggregat (8) für Brennstoffzellensysteme, wobei das Förderaggregat (8) ein Gehäuse (6) aufweist, in dem eine Düse (12) und ein Diffusor (16) angeordnet sind.Erfindungsgemäß wird dabei in dem Gehäuse (6)ein Aktor (30) angeordnet, wobei der Diffusor (16) durch den Aktor (30) in Richtung einer Symetrieachse (52) verstellbar ist und wobei eine Kapselung des Aktors (30) gegen ein Eindringen eines zu fördernden Mediums, insbesondere Wasserstoff, durch wenigstens ein flexibles Dichtelement (24, 25) erzielt wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Förderaggregat für eine Brennstoffzellenanordnung zum Fördern und Steuern von 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 eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
Aus der US 8,999,593 B2 ist ein Förderaggregat für eine Brennstoffzelleanordnung bekannt, bei dem ein gasförmiges Medium gefördert wird und wobei das Förderaggregat ein Gehäuse aufweist, in dem eine Düse und ein Diffusor angeordnet sind. Dabei kann mittels des Förderaggregats ein Medium, insbesondere ein Treibmedium durch die Düse abgelassen werden, welches dann von dem Diffusor mit einem Rezirkulationsmedium vermischt wird. Dabei ist die Düse verstellbar in Richtung einer Symetrieachse, insbesondere mittelbar über ein Ansteuern mittels Druck, insbesondere Druckluft ausgeführt. Der Diffusor ist in der US 8,999,593 als im Gehäuse feststehendes Bauteil ausgeführt und ist somit nicht verstellbar.
Das aus der US 8,999,593 B2 bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen.
Insbesondere beim Einsatz von Bauteilen, die eine Unverträglichkeit gegenüber dem zu fördernden Medium aufweisen, bei dem es sich insbesondere um Wasserstoff handeln kann, und/oder die durch das zu fördernde Medium geschädigt werden können.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für Brennstoffzellensysteme vorgeschlagen, wobei das Förderaggregat ein Gehäuse aufweist, in dem eine Düse und ein Diffusor angeordnet sind und der Diffusor über einen im Inneren des Gehäuses angeordneten Aktor in einer axialen Richtung verstellbar ist. In vorteilhafter Weise ist der Diffusor so angeordnet, dass dieser einen ersten Zulauf öffnet oder verschließt und gleichzeitig eine Spaltweite eines Ringspaltes, der zwischen dem in axialer Richtung verstellbaren Diffusor und der stationär im Gehäuse angeordneten Düse ausgeführt ist, ändert. Dadurch erfolgt eine Variation des Querschnittverhältnisses zwischen dem Ringspalt, durch den ein Treibmedium aus dem ersten Zulauf ausströmt, in Bezug auf einen Strömungsquerschnitt für ein mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates zu förderndes Rezirkulat und damit eine Regelung einer Rezirkulation. Bei dem zu fördernden Rezirkulat 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 Querschnittsverhältnisses zwischen dem Ringspalt im Bezug auf den Strömungsquerschnitt lässt sich eine Regelung der H₂-Rezirkulation je nach Bedarf bewirken.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats den Vorteil, dass eine Schädigung von Bauteilen des Aktors verhindert wird, da eine Kapselung des Aktors und weiterer Bauteilen vom durchströmenden Medium, bei dem es sich insbesondere um H₂ handelt, durch den Einsatz wenigstens eines flexiblen 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 führen, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats erhöht wird. Eine beispielhafte Reaktion der Bauteile mit H₂ ist eine Wasserstoffversprödung, wobei die Materialeigenschaften durch das 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.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß Anspruch 2 ist der Diffusor mit einem ersten flexiblen Dichtelement und einem zweiten flexiblen Dichtelement verbunden, wobei die Dichtelemente elastisch verformbar ausgeführt sind. Diese elastische Verformbarkeit der Dichtelemente hat den Vorteil, dass bei einer Bewegung des Diffusors in einer axialen Richtung, sich die flexiblen Dichtelemente derart längen, verkürzen oder verbiegen können, dass der Diffusor in axialer Richtung bewegbar bleibt, ohne dass sich einschränkende Kräfte durch das mindestens eine flexible Dichtelement auf den Diffusor ergeben. Darüber hinaus bleibt eine optimale Kapselungswirkung des wenigstens einen flexiblen Dichtelements bestehen, ohne dass sich negative Effekte auf den Diffusor, weitere umliegende Bauteile oder das durchströmende Medium einstellen. Des Weiteren bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats den Vorteil, dass eine bauraumneutrale Ausführung der Kapselung des Aktor und/oder eines Lagersitz-Elements und/oder einer Lagerstelle und/oder eines Teils des Diffusors und/oder eines Teils eines Endabschnitts und/oder eines Teils des Gehäuses durch mindestens ein flexibles Dichtelements möglich ist. Dadurch lassen sich die Kosten für eine Kapselung reduzieren, während die Lebensdauer des Förderaggregats erhöht werden kann.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 3 bietet mehrere Vorteile. Da der Aktor, der insbesondere ein Einstellelement aufweisen kann, in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Förderaggregates als Elektromagnet ausgebildet ist, wird ein Kontakt des Fördermediums, insbesondere von H₂, mit dem Aktor, insbesondere mit dem Bauteile Einstellelement, das als eine Magnetspule ausgeführt sein kann, eine Schädigung bewirken. Durch die Kapselung des Aktors mittels des Einsatzes mindestens eines flexiblen Dichtelements kann ein Kurzschluss durch Eintrag des Fördermediums, insbesondere der 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 könnte 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 vorhandener Sauerstoff, der insbesondere im Rezirkulat 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 3 die Lebensdauer des Förderaggregats erhöhen. Weiterhin bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats gemäß Anspruch 3 den Vorteil, dass der Aktor als ein elektrischer Aktor und/oder als ein elektromagnetischer Aktor ausgebildet ist, und somit der Diffusor bei einer Betätigung des Aktors in axialer Richtung verstellt werden kann ohne dass ein mechanischer Kontakt des Aktors mit dem Diffusor vorhanden sein muss. Dadurch können die Bauteile, die zu einer mechanischen Kraftübertragung des Aktors auf den Diffusor 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 des Diffusors. Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei dem elektromagnetischen Aktor dadurch, dass mittels der Messung der Eigenschaften eines Magnetfelds des Aktors Rückschlüsse auf die Position der Diffusors in axialer Richtung und somit der Spaltweite zwischen der Düse und dem Diffusor ermittelt werden können. Dies ist möglich, ohne dass weitere Sensoren an dem Diffusor und/oder dem Aktor und/oder den umliegenden Bauteilen notwendig sind, was wiederum zu einer Kostenersparnis des Förderaggregats führt.
Bezugnehmend auf Anspruch 4 und 5 bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats den Vorteil, dass durch die geometrische Ausformung der Bauteile Düse und Diffusor, sowie des Ringspalts, der durch eine Diffusorfläche und eine Düsenfläche begrenzt wird, eine verbesserte Förderwirkung des Rezirkulats durch das Treibmedium erzielt werden kann. Zudem lässt sich durch die Anordnung des Diffusors und die Möglichkeit den Diffusor in axialer Richtung zu verstellen eine Förderrate des Förderaggregats einstellen. Zum Anderen kann das Förderaggregat bestmöglich auf eine jeweilige Durchströmrate des Rezirkulats angepasst werden, indem durch den axial verschiebbaren Diffusor eine Strömungsgeschwindigkeit des aus dem ersten Zulauf als gasförmiges Treibmedium, insbesondere H₂, austretenden Mediums beeinflusst wird.
Vorteilhaft ist es weiterhin, dass durch das erfindungsgemäß ausgeführte Förderaggregat eine aktive Verstellung des Diffusors über das Einstellelement im Inneren des Gehäuses erfolgt. So kann die Strömungsgeschwindigkeit des aus dem ersten Zulauf austretenden als gasförmiges Treibmedium dienenden Mediums, insbesondere H₂, beeinflusst und damit die H₂-Rezirkulation an einem Brennstoffzellensystem bedarfsgerecht geregelt werden. Durch die Variation der Strömungsquerschnitte von A_Rezirkulat / A_Ringspalt wird bei konstantem Strömungsquerschnitt für das Rezirkulat, bei dem es sich insbesondere um H₂ handelt, eine Austrittsöffnung des Ringspaltes in einen zentralen Strömungsbereich vergrößert oder verkleinert, wodurch sich eine Verkleinerung bzw. Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit des aus dem ersten Zulauf austretenden gasförmigen Treibmedium, d.h. H₂ in den zentralen Strömungsbereich einstellt. Dies bietet den Vorteil, dass die Effizienz des Förderaggregat gesteigert werden kann und ein verbesserter Wirkungsgrad des Förderaggregats bei verschiedenen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystem erzielt werden kann. 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.
Ein Vorteil bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß Anspruch 6 besteht darin, dass bei der Ausführung des ersten flexiblen Dichtelements und/oder des zweiten flexiblen Dichtelements als Wellbalg eine optimale Kapselung des Aktors gegen das Fördermedium gewährleistet werden kann. Weiterhin kann eine parallele oder orthogonale oder schräge Anordnung und Einbaulage des jeweiligen Wellbalgs vorgenommen werden, ohne dass ein Verlust der kapselnden Eigenschaften des jeweiligen Dichtelements bei einer Bewegung des Diffusors in einer axialen Richtung entsteht. Dieser Vorteil ergibt sich aufgrund der geometrischen Oberflächengestaltung des jeweiligen Wellbalgs, der ein Längen, Verkürzen oder Verbiegen des Wellbalgs zulässt. Dadurch lässt sich die Zuverlässigkeit der Kapselung, insbesondere bei einer hochfrequenten Bewegung des Diffusors in axialer Richtung, erreichen, die Ausfallwahrscheinlichkeit der Bauteile des Aktors verringern und somit die Lebensdauer des gesamten Förderaggregats erhöhen. Zudem lässt sich in einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Förderaggregates der Vorteil erzielen, dass durch das Aufweisen einer Federkonstante des ersten und/oder zweiten flexiblen Dichtelelements, die jeweils als Wellbalg ausgeführt sein können, ein Zurückbewegen des Diffusors in die Grundposition bewirkt, sobald der Aktor nicht mehr betätigt wird. Dadurch wird kein zusätzliches Bauteil benötigt, um den Diffusor in seine Grundposition und Ruhestellung zurückzubewegen, wodurch die Komplexität des Förderaggregats verringert wird und somit Fertigungs- und Montagekosten reduziert werden können.
Gemäß der Ansprüche 7 bis 10 ist der Diffusor in axialer Richtung, insbesondere parallel zu einer Symetrieachse durch mindestens einen Wellbalg vorgespannt. In Ruhestellung drückt mindestens ein Wellbalg den Diffusor in axialer Richtung auf einen Sitz, mit welchem der Diffusor den ersten Zulauf verschließt. Der den Diffusor mit einer Kraft beaufschlagende erste Wellbalg stützt sich seinerseits an einem Einpressring ab, der in den Endabschnitt des Gehäuses eingepresst ist. Je nach Axialposition des in den Endabschnitt eingepressten Einpressrings kann der Federweg und die Vorspannkraft, mit der der erste Wellbalg in Ruhestellung den Diffusor beaufschlagt, eingestellt werden. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform des Diffusors verschließt dieser in unbetätigtem Zustand des Einstellelements mittels eines Dichtsitzes, der beispielsweise als Elastomer-Dichtring oder dergleichen ausgebildet sein kann, den ersten Zulauf. Wird der Aktor, insbesondere über das als Elektromagnet ausgebildete Einstellelement, betätigt, wird der Diffusor in axiale Richtung entgegen der auf diesen wirkenden Vorspannkraft des mindestens einen Wellbalgs verstellt, so dass der erste Zulauf freigegeben wird und andererseits gleichzeitig eine Spaltweite des Ringspaltes eingestellt wird. Der Verstellweg der Elektromagnetanordnung liegt zwischen 0 µm und 1000 µm, bevorzugt zwischen 0 µm und 500 µm und besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0 µm und 300 µm in axialer Richtung. Je nach Bestromung des Betätigungselements, kann bei dem geöffneten ersten Zulauf die Spaltweite des Ringspaltes zwischen der Düsenfläche und der Diffusorfläche verändert werden. Damit lässt sich die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussen, mit der gasförmiges H₂ aus dem Ringspalt austritt und somit die H₂-Rezirkulation beeinflusst. Dadurch lässt sich die die Effizienz des Förderaggregat erhöhen und es kann ein verbesserter Wirkungsgrad des Förderaggregats bei verschiedenen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystem erzielt werden. Dies führt zu geringeren Betriebskosten des gesamten Brennstoffzellensystems und einer erhöhten Lebensdauer des Brennstoffzellensystems, da insbesondere die dauerhafte Sättigung der Brennstoffzelle mit dem Fördermedium gewährleistet werden kann.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Förderaggregates mit einem axial verstellbaren Diffusor,
2 einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Förderaggregats in vergrößerter Darstellung.

Ausführungsformen der Erfindung
Der Darstellung gemäß 1 ist eine Ausführungsvariante eines Förderaggregates 8 gemäß der Erfindung mit einem axial verstellbaren Diffusor 16 zu entnehmen.
Der Darstellung gemäß 1 ist ein Längsschnitt durch das rotationssymmetrisch zu einer Symmetrieachse 52 ausgebildete erfindungsgemäß vorgeschlagene Förderaggregat 8 zu entnehmen. Das Förderaggregat 8 weist dabei ein Gehäuse 6 auf, in dem eine Düse 12, der Diffusor 16 und ein Aktor 30 angeordnet sind. Dabei ist der Diffusor 16 durch den Aktor 30 in einer axialen Richtung 42, die in Richtung der Symetrieachse 52 verläuft, verstellbar. Die Düse 12 ist hierbei stationär im Gehäuse 6 des Förderaggregats 8 angeordnet und der Diffusor 16 ist relativ zu dieser in axialer Richtung 42 verstellbar. Des Weiteren weist der Aktor 30 ein Einstellelement 18, ein Lagersitz-Element 14, eine Lagerstelle 20 und den Diffusor 16 auf, wobei der Diffusor 16 mit mindestens einem flexiblen Dichtelement 24, 25 , inbesondere einem ersten flexiblen Dichtelement 24 und einem zweiten flexiblen Dichtelement 25 verbunden ist. Weiterhin weist das Gehäuse 6 den Endabschnitt 10 auf. Der Diffusor 16 ist im Wesentlichen ringförmig ausgeführt und wird mittels des Aktors 30, der das Einstellelement 18 aufweist, das insbesondere als Magnetspule 18 ausgeführt ist, betätigt. Das Einstellelement 18 ist hierbei innerhalb des Gehäuses 6 aufgenommen und wird zum einen radial zur Symetrieachse 52 vom Gehäuse 6 umgeben und zum anderen grenzen die Bauteile Endabschnitt 10 und Lagersitz-Element 14 an das Einstellelement 18. Zwischen dem Diffusor 16 und dem Lagersitz-Element 14 ist eine Lagerstelle 20 angeordnet, wobei die Lagerstelle 20 zur Lagerung und Führung des ringförmig ausgebildeten Diffusors 16 dient, um eine Bewegung des Diffusors 16 in der axialen Richtung 42 zu ermöglichen und eine Bewegung des Diffusors 16 radial zur Symstrieachse 52 zu verhindern. Das Lagersitz-Element 14 dient dabei zu Aufnahme der Lagerstelle 20 und zur Aufnahme des Einstellelements 18. Dabei kann das Bauteil Lagerstelle 20 in axialer Richtung 42 in das Lagersitz-Element 14 eingepresst sein und dabei eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere einen Pressverband, ausbilden. Der Diffusor 16 ist dabei derart auf der Lagerstelle 20 gelagert, dass der Diffusor 16 radial zur Symetrieachse 52 fixiert ist, während eine Bewegung des Diffusors 16 in axialer Richtung 42 möglich ist
Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass der im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Diffusor 16 durch das erste flexible Dichtelement 24, das insbesondere als ein erster Wellbalg 24 ausgeführt ist, wobei der erste Wellbalg 24 eine Federkonstante aufweist, in der axialen Richtung 42, die parallel zur Symetrieachse 52 verläuft, mit einer Kraft beaufschlagt ist und somit vorgespannt ist. Der erste Wellbalg 24 stützt sich dabei an einem Einpressring 22 ab. Der Einpressring 22 ist in den Endabschnitt 10 eingepresst.
Je nach gewünschter Vorspannung, welche durch den ersten Wellbalg 24 auf den Diffusor 16 ausgeübt werden soll, erfolgt die Montage des Einpressringes 22 an der Innenmantelfläche des Endabschnitts 10. In Ruhestellung des Einstellelements 18 drückt der, sich am Einpressring 22 abstützende, erste Wellbalg 24 den Diffusor 16 in Richtung der Düse 12. Die Düse 12 weist hierbei eine Düsenfläche 50 und der Diffusor 16 weist hierbei eine Diffusorfläche 48 auf. An einem Sitz 34 des Diffusors 16 verschließt dieser in unbetätigtem Zustand des Einstellelements 18 mittels eines Dichtsitzes, der beispielsweise als ein Elastomer-Dichtring oder dergleichen ausgebildet sein kann, einen ersten Zulauf 28. Der Sitz 34 ist hierbei entweder zwischen dem Gehäuse 6 und dem Diffusor 16 gebildet oder zwischen der Düse 12 und dem Diffusor 16 gebildet. Der Elastomer-Dichtring ist in dieser Ausführungsform bevorzugt ringförmig ausgebildet. Durch die Vorspannkraft, die durch einen Wellbalg 24, 25 auf den Diffusor 16 ausgeübt wird, wird der erste Zulaufs 28 verschlossen. In geschlossenem Zustand des ersten Zulaufs 28 wird verhindert, dass ein Medium, insbesondere H₂, in einen zentralen Strömungsbereich 27 des Förderaggregates 8 gelangt. Das aus dem ersten Zulauf 28 austretende H₂ dient als gasförmiges Treibmedium für ein gasförmiges Rezirkulat, insbesondere H₂-Rezirkulat, das über einen weiteren, zweiten Zulauf 36 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates 8 aus einem Brennstoffzellenstapel gefördert wird. Das gasförmige Rezirkulat strömt dabei einer Strömungsrichtung III zwischen der Düse 12 und der Nadel 54 hindurch und durch den zentralen Strömungsbereich 27 ein.
Dabei weist das aus dem ersten Zulauf 28 austretende und als Treibmedium dienende H₂ eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem zweiten Zulauf 36 austritt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 10 bar aufweisen kann. Damit sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt, kann insbesondere das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Maßenstrom in den zentralen Strömungsbereich 27 des Förderaggregats 8 gebracht werden, beispielsweise durch den Einsatz einer, dem Förderaggregat 8 vorgeschalteten, Rezirkulations-Pumpe. Sobald nun das Einstellemenent 18 betätigt wird bewegt sich der Diffusor 16 und der Sitz 34 von dem Gehäuse 6 oder der Düse 12 in axialer Richtung 42 weg, wobei der Dichtsitz aufgehoben wird. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenenen Druckdifferenz, die mindestens 10 bar über dem vorhandenen Druck liegen kann, und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, in den Ringspalt 44 ein. Von hier strömt das Treibmedium weiter in einen zentralen Strömungsbereich 27 des Förderaggregats 8, der sich im Bereich zwischen dem Diffusor 16 und der Symetrieachse 52 befindet. In diesem zentralen Strömungsbereich 27 trifft nun das Treibmedium aus dem ersten Zulauf 28 auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im zentralen Strömungsbereich 27 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. Durch die Aufweitung des Ringspaltes 44 und durch die Ansaugung des gasförmigen Rezirkulationsmediums wird das Rezirkulationsmedium in dem zentralen Strömungsbereich 27 beschleunigt und es entsteht auch für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des zweiten Zulaufs 36 nachgefördert wird.
Der Aktor 30 kann als ein elektrischer Aktor 30, insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor 30 ausgebildet sein.
Der Aktor 30 wird dabei vom Fördermedium, insbesondere H₂ gekapselt, indem der Diffusor 16 wenigstens ein flexibles Dichtelement 24, 25 aufweist. In der in 1 dargestellten Ausführungsvariante ist dabei zum Einen ein erstes flexibles Dichtelement 24 mit dem Diffusor 16 und dem Einpressring 22 verbunden und zum Anderen ein zweites flexibles Dichtelement 25 mit dem Diffusor 16 und dem Lagersitz-Element 14 und/oder dem Gehäuse 6 verbunden, wodurch die Kapselung des Aktors 30 gegen das das Förderaggregat 8 durchströmende Medium erzielt werden kann.
Neben dem ersten Zulauf 28 verfügt die stationär im Förderaggregat 8 aufgenommene Düse 12 über den einen zweiten Zulauf 36. Über diesen zweiten Zulauf 36 strömt insbesondere gasförmiger Wasserstoff in den zentralen Strömungsbereich 27 des Förderaggregates 8. Entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit des über den ersten Zulauf 28 in den zentralen Strömungskanal des Förderaggregates 8 einströmenden, als Treibmedium dienenden gasförmigen H₂, wird über den zweiten Zulauf 36 zuströmendes Rezirkulat, insbesondere H₂-Rezirkulat gefördert. Die Höhe der Strömungsgeschwindigkeit des aus dem ersten H₂-Zulauf 28 in den zentralen Strömungsbereich 27 des Förderaggregates 8 einströmenden H₂ bestimmt die Fördergeschwindigkeit des H₂-Rezirkulates aus dem zweiten Zulauf 36. Mit Bezugszeichen 54 ist eine Nadel des als Strahlpumpe ausgebildeten Förderaggregats 8 bezeichnet.
Aus der Darstellung gemäß 1 geht hervor, dass sobald das bevorzugt als Magnetspule 18 ausgebildete Einstellelement 18 betätigt wird, der verstellbare Diffusor 16 aus seiner Ruhestellung im umbestromten Zustand des Einstellelements 18 angezogen wird. Der Diffusor 16 und/oder ein mit dem Diffusor 16 verbundenes Bauteil hat dabei die Funktion eines Magnetankers des Aktors 30. Dabei wird die Mündung des ersten Zulaufes 28 in den zentralen Strömungsbereich 27 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregats 8 freigegeben. Entsprechend der Bestromung des Einstellelements 18 weist die Mündungsstelle einen größeren oder einen kleineren Strömungsquerschnitt auf. Abhängig vom Strömungsquerschnitt an der Mündungsstelle des ersten Zulaufs 28, stellt sich die Austrittsgeschwindigkeit bis aus dem ersten Zulauf 28 in den zentralen Strömungsbereich 27 einschießenden gasförmigen Treibmediums ein.
Eine aktive Verstellung des Diffusors 16 in axiale Richtung 42, erfolgt durch die Bestromung des Einstellelements 18, das in dem Lagersitz-Element 14 aufgenommen ist. Erfolgt eine Bestromung des Einstellelements 18, wird der Diffusor 16 entgegen der Vorspannkraft, die durch den Wellbalg 24, 25 erzeugt wird, angezogen und der Sitz 34 am Ende des ersten Zulaufes 28 wird geöffnet.
In einer weiteren Ausführungsform des Förderaggregats 8 kann das Lagersitz-Element 14 über einen bevorzugt gasdichten stoffschlüssigen Fügevorgang mit dem Gehäuse 6 und dem Endabschnittl 10 verbunden werden. Die nicht näher dargestellten Anschlüsse des Einstellelements 18, können durch Bohrungen in einer Aufnahme und einem Deckel des Förderaggregates 8 sowie im Endabschnitt 10 zu beiden Seiten des Förderaggregates 8 nach außen geführt werden.
2 zeigt einen in 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Förderaggregats 8, bei dem die Düse 12, der Diffusor 16, die Lagerstelle 20 und die Symetrieachse 52 zumindest teilweise dargestellt sind.
Wie in 2 dargestellt wird ein Ringspalt 44 zwischen der Diffusorfläche 48 und der Düsenfläche 50 ausgebildet. Bei einem Öffnen des ersten Zulaufs 28 je nach Bestromungsgrad des Einstellelements 18 wird eine Spaltweite 46 des Ringspaltes 44 verändert. Der Ringspalt 44 zwischen der stationär im Förderaggregat 8, insbesondere im Gehäuse 6, angeordneten Düse 12 einerseits und dem in axialer Richtung 42 aktiv verstellbaren Diffusor 16 andererseits, wird je nach Bestromungsgrad des Einstellelements 18 erweitert oder verengt. Bei geöffnetem ersten Zulauf 28 strömt gasförmiges H₂ durch den Ringspalt 44 einer rezirkulierten H₂-Strömung zu, die parallel zur Symmetrieachse 52 des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates 8 dieses durchströmt und dem Förderaggregat 8 durch den zweiten Zulauf 36 ungehindert zuströmt. Der Ringspalt 44 zwischen der Düse 12 und dem verstellbaren Diffusor 16 ist einerseits durch eine Düsenfläche 50 der stationär im Förderaggregat 8 angeordneten Düse 12 begrenzt und andererseits durch die Diffusorfläche 48 des in axiale Richtung 42 verstellbaren Diffusors 16 begrenzt. Der Ringspalt 44 verengt sich in Richtung seiner Mündungsstelle aufgrund der unterschiedlichen Neigungen der Diffusorfläche 48 und der stationären Düsenfläche 50, entsprechend der Axialposition des Diffusors 16.
Bei nicht bestromten Einstellelement 18 verschließt der Diffusor 16, insbesondere mittels eines eingelassenen Dichtelements den ersten Zulauf 28. Dadurch hat der verstellbare Diffusor 16 eine Dichtfunktion, was bedeutet, dass bei geschlossenem ersten Zulauf 28 ein Einströmen des als gasförmiges Treibmedium dienenden H₂ verhindert ist.
Während bei der dargestellten Ausführungsvariante rezirkuliertes gasförmiges H₂ durch den zweiten Zulauf 36 der Düse 12 in den zentralen Strömungsbereich 27 im Bereich der Symmetrieachse 52 des Förderaggregates 8 einströmt, kann durch den in axiale Richtung 42 verstellbaren Diffusor 16 bei Betätigung des Einstellelements 18 ein Öffnen oder ein Verschließen des ersten Zulaufes 28 erreicht werden. Nach Öffnen des ersten Zulaufes 28 des Förderaggregates 8, kann bei entsprechender Bestromung des bevorzugt als Magnetspule 18 ausgebildeten und an dem Lagersitz-Element 14 gelagerten Einstellelements 18 eine Veränderung der Weite 46 des Ringspaltes 44 erreicht werden. Dadurch wiederum ist eine gezielte Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit des zuströmenden gasförmigen H₂ je nach Bedarf möglich, insbesondere bei Teillastbetrieb. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen H₂, das an der Mündungsstelle des Ringspaltes 44 im Bereich der Symmetrieachse 52 des Förderaggregats 8 austritt, wird aufgrund eines Strahlpumpeneffekts rezirkuliertes H₂ aus dem Brennstoffzellenstapel in den zweiten Zulauf 36 geführt. Beim Strahlpumpeneffekt wird durch einen Impulsaustausch ein Massenstrom, hier insbesondere das H₂-Rezirkulat, aus dem Saugbereich angesaugt. Ist das Einstellelement 18 hingegen unbestromt, so ist der erste Zulauf 28 geschlossen.
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 8999593 B2 [0003, 0004]
US 8999593 [0003]

Claims

Förderaggregat (8) für Brennstoffzellensysteme, wobei das Förderaggregat (8) ein Gehäuse (6) aufweist, in dem eine Düse (12) und ein Diffusor (16) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (6) ein Aktor (30) angeordnet ist, wobei der Diffusor (16) durch den Aktor (30) in Richtung einer Symetrieachse (52) verstellbar ist und wobei eine Kapselung des Aktors (30) gegen ein Eindringen eines zu fördernden Mediums, insbesondere Wasserstoff, durch wenigstens ein flexibles Dichtelement (24, 25) erzielt wird.
Förderaggregat (8) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (16) mit einem ersten flexiblen Dichtelement (24) und einem zweiten flexiblen Dichtelement (25) verbunden ist, wobei die Dichtelemente (24, 25) derart elastisch verformbar sind, dass der Diffusor (16) in einer axialen Richtung (42), insbesondere in Richtung der Symetrieachse (52), bewegbar bleibt.
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 Düsenfläche (50) der Düse (12) und einer Diffusorfläche (48) des Diffusors (16) ein Ringspalt (44) ausgebildet ist, wobei der Ringspalt (44) durch die Diffusorfläche (48) einerseits und der Düsenfläche (50) andererseits begrenzt ist.
Förderaggregat (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (12) stationär im Gehäuse (6) angeordnet ist und der Diffusor (16) relativ zu dieser in axialer Richtung (42) verstellbar ist.
Förderaggregat nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine flexible Dichtelement (24, 25) als ein Wellbalg (24, 25) ausgeführt ist, wobei der Wellbalg (24, 25) eine Federkonstante aufweist.
Förderaggregat (8) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (16) durch den Wellbalg (24, 25) in der axialen Richtung (42), die parallel zur Symetrieachse (52) verläuft, vorgespannt ist.
Förderaggregat (8) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Wellbalg (24) an einem Einpressring (22) abstützt, der in einen Endabschnitt (10) des Gehäuses (6) eingepresst ist.
Förderaggregat (8) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (16) im unbetätigten Zustand des Aktors (30) zumindest mittelbar einen Zulauf (28) für ein gasförmiges Medium verschließt.
Förderaggregat (8) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betätigung des Aktors (30) der Zulauf (28) geöffnet ist und durch Betätigung des Aktors (30) eine Spaltweite (46) zwischen der Diffusorfläche (48) und der Düsenfläche (50) änderbar ist.
Verwendung des Förderaggregates (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 in einem Brennstoffzellensystem.