DE102017208276A1 - Delivery unit for gaseous media - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Förderaggregat (10), bei dem ein erstes gasförmiges Medium (30) ein zweites gasförmiges Medium (38) fördert. Das Förderaggregat (10) umfasst ein Gehäuse (11), in dem ein Magnetkreis (18) mit einem Aktuator (22) aufgenommen ist. Ein Mischabschnitt (40), in dem sich die gasförmigen Medien (30, 38) mischen, ist zwischen einer ersten Mischabschnittslänge (42) und einer zweiten Mischabschnittslänge (44) stufenlos verstellbar. The invention relates to a delivery unit (10) in which a first gaseous medium (30) promotes a second gaseous medium (38). The delivery unit (10) comprises a housing (11) in which a magnetic circuit (18) with an actuator (22) is accommodated. A mixing section (40), in which the gaseous media (30, 38) mix, is continuously adjustable between a first mixing section length (42) and a second mixing section length (44).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf ein Förderaggregat zur Förderung gasförmiger Medien, wie beispielsweise Wasserstoff in Brennstoffzellensystemen. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf die Verwendung der Förderaggregate.The invention relates to a delivery unit for conveying gaseous media, such as hydrogen in fuel cell systems. The invention further relates to the use of the delivery units.
Stand der TechnikState of the art
Aus
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat vorgeschlagen, bei dem ein erstes gasförmiges Medium ein zweites gasförmiges Medium fördert; ferner umfasst das Förderaggregat ein Gehäuse, in dem ein Magnetkreis mit einem Aktuator aufgenommen ist. Ein Mischabschnitt des Förderaggregates, in dem sich die gasförmigen Medien vermischen, ist innerhalb eines Verstellbereiches zwischen einer ersten Mischabschnittslänge und einer zweiten Mischabschnittslänge stufenlos verstellbar. Aufgrund der stufenlosen Verstellbarkeit des Mischabschnittes kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass negative Strömungseffekte wie zum Beispiel senkrechte Stöße der gasförmigen Medien verhindert werden, bei deren Auftreten ansonsten die Strömungsgeschwindigkeit des zu fördernden gasförmigen Mediums verringert würde.According to the invention, a delivery unit is proposed in which a first gaseous medium promotes a second gaseous medium; Furthermore, the delivery unit comprises a housing in which a magnetic circuit is received with an actuator. A mixing section of the delivery unit, in which the gaseous media mix, is infinitely adjustable within an adjustment range between a first mixing section length and a second mixing section length. Due to the stepless adjustability of the mixing section can be achieved in an advantageous manner that negative flow effects such as vertical shocks of the gaseous media are prevented, otherwise the flow rate of the gaseous medium to be conveyed would be reduced when they occur.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates ist der Mischabschnitt durch ein Gehäuseteil und einen an diesem ausgebildeten rohrförmigen Fortsatz einerseits und durch ein relativ zu diesem bewegbares Ankerteil andererseits gebildet.In a further advantageous embodiment of the delivery unit proposed according to the invention, the mixing section is formed by a housing part and a tubular extension formed thereon on the one hand and by a relative thereto movable armature part on the other.
Ist der Aktuator als Elektromagnet innerhalb eines Magnetkreises ausgeführt, so lässt sich das Ankerteil in axiale Richtung stufenlos verstellen, entsprechend der Bestromung der Magnetspule. Somit kann insbesondere den Betriebsbedingungen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates im Teillastbetrieb Rechnung getragen werden. Während im Volllastbetrieb, auf den das Förderaggregat ausgelegt ist, eine kurze Mischzone gefordert ist, wird im Teillastbetrieb des Förderaggregates eine demgegenüber verlängerte Mischzone benötigt.If the actuator is designed as an electromagnet within a magnetic circuit, then the armature part can be infinitely adjusted in the axial direction, in accordance with the energization of the magnet coil. Thus, in particular the operating conditions of the pumping unit proposed according to the invention can be borne in partial load operation. While in the full load operation, on which the delivery unit is designed, a short mixing zone is required, in contrast, an extended mixing zone is required in partial load operation of the delivery unit.
In vorteilhafter Weise ist das Ankerteil durch eine Feder beaufschlagt, die sich an einem Einpressring abstützt. Bei nicht bestromtem Aktuator wird durch die Feder das Ankerteil an den Einpressring angestellt, so dass eine definierte Ruheposition des in axialer Richtung verschiebbaren Ankerteiles bei nicht bestromtem Aktuator gegeben ist. Die Ruheposition wird durch die Position des Einpressringes vorgegeben.Advantageously, the anchor member is acted upon by a spring which is supported on a press-fit. When the actuator is not energized, the armature part is set against the press-in ring by the spring, so that a defined rest position of the armature part which can be displaced in the axial direction is given when the actuator is not energized. The rest position is determined by the position of the press-fit ring.
In einer vorteilhaften Ausführungsmöglichkeit ist der Einpressring in ein Edelstahlhülsenteil eingepresst. Am erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregat für gasförmige Medien wird mindestens ein Edelstahlhülsenteil eingesetzt, um den Magnetkreis vom gasförmigen Medium zu trennen bzw. die Komponente des Magnetkreises gegen dieses zu kapseln.In an advantageous embodiment, the press-in ring is pressed into a stainless steel sleeve part. At least one stainless steel sleeve part is used to separate the magnetic circuit from the gaseous medium or to encapsulate the component of the magnetic circuit in opposition to the delivery device for gaseous media proposed by the invention.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Förderaggregat wird derart eingesetzt, dass das erste gasförmige Medium, bei dem es sich beispielsweise um gasförmigen Wasserstoff handelt, das zweite gasförmige Medium, bei dem es sich beispielsweise um H2-Rezirkulat aus einem Brennstoffzellenstapel handelt, fördert. Dazu wird der Strahlpumpeneffekt beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregat ausgenutzt, indem das erste gasförmige Medium mit höherer Strömungsgeschwindigkeit in den Strömungsweg des zweiten gasförmigen Mediums einschießt und demzufolge das zweite gasförmige Medium aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit des ersten gasförmigen Mediums in Strömungsrichtung weiter transportiert wird. Die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit des ersten gasförmigen Mediums erfolgt durch die Änderung des Verhältnisses der Strömungsquerschnitte für das Rezirkulat ARezi zum Strömungsquerschnitt an der Austrittsöffnung des Ringspaltes ARingspalt. Dieses Verhältnis kann in einem Bereich von 8 bis 50 verändert werden. Je größer das Verhältnis ist, desto kleiner ist die Austrittsöffnung des Ringspaltes und dies wiederum bedeutet, dass bei sehr kleinen Ringspaltöffnungen die Strömungsgeschwindigkeit des ersten gasförmigen Mediums, welches den Ringspalt verlässt, maximiert ist.The delivery unit proposed according to the invention is used in such a way that the first gaseous medium, which is, for example, gaseous hydrogen, is the second gaseous medium, which is, for example, H 2 recirculate from a fuel cell stack acts, promotes. For this purpose, the jet pump effect is utilized in the inventive proposed delivery unit by the first gaseous medium with higher flow velocity einschießt into the flow path of the second gaseous medium and consequently the second gaseous medium is further transported in the flow direction due to the higher flow rate of the first gaseous medium. The change in the flow velocity of the first gaseous medium takes place by changing the ratio of the flow cross sections for the recirculate A Rezi to the flow cross section at the outlet opening of the annular gap A annular gap . This ratio can be changed in a range of 8 to 50. The larger the ratio, the smaller the outlet opening of the annular gap and this in turn means that with very small annular gap openings, the flow velocity of the first gaseous medium leaving the annular gap is maximized.
In vorteilhafter Weise sind beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregat der Magnetkreis bzw. dessen Komponenten wie beispielsweise der als Magnetspule ausgebildete Aktuator, der Magnetkern gegen die gasförmigen Medien durch Edelstahlhülsenteile und Dichtringe abgedichtet.Advantageously, in the inventive proposed delivery unit, the magnetic circuit or its components such as the designed as a solenoid actuator, the magnetic core against the gaseous media sealed by stainless steel sleeve parts and sealing rings.
In weiterer vorteilhafter Ausführung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates weist das Gehäuseteil einen Rohrfortsatz auf, der Teil des Mischabschnittes ist und diesen mit seiner Innenmantelfläche begrenzt.In a further advantageous embodiment of the delivery unit proposed according to the invention, the housing part has a pipe extension, which is part of the mixing section and limits this with its inner circumferential surface.
Um im erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregat eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des ersten gasförmigen Mediums zu erreichen, strömt dieses innerhalb eines Ringspaltes, der sich in Richtung auf seine Mündungsstelle im zentralen Strömungskanal des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates verengt. Der Ringspalt ist durch ein trichterförmig konfiguriertes Leitelement und das Gehäuseteil begrenzt, an welchem der Rohrfortsatz ausgeführt ist, der den Mischabschnitt begrenzt.In order to achieve an increase in the flow velocity of the first gaseous medium in the delivery unit proposed according to the invention, this flows within an annular gap which narrows in the direction of its discharge point in the central flow channel of the delivery unit proposed according to the invention. The annular gap is limited by a funnel-shaped configured guide element and the housing part, on which the tube extension is designed, which limits the mixing section.
Die Erfindung bezieht sich darüber hinaus auf die Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates, insbesondere zur Förderung von gasförmigem H2-Rezirkulat, welches mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates durch Ausnutzung des Strahlpumpeneffektes als Rezirkulat aus einem Brennstoffzellenstapel je nach Bedarf, sei es bei Volllast sei es bei Teillast des Brennstoffzellensystems abgeführt wird.The invention also relates to the use of the invention proposed delivery unit, in particular for the promotion of gaseous H 2 -Rezirkulat, which by means of the present invention proposed delivery unit by utilizing the jet pump effect as recirculate from a fuel cell stack as needed, whether at full load, it was Partial load of the fuel cell system is dissipated.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung liegen vor allem darin, dass nun senkrechte Stöße vermieden werden können, mit denen das erste gasförmige Medium, was zur Förderung des zweiten gasförmigen Mediums mittels des Strahlpumpeneffektes eingesetzt wird, in die Strömung des zweiten gasförmigen Mediums, insbesondere des H2-Rezirkulates aus dem Brennstoffzellenstapel, eintritt. Senkrechte Stöße sind einem ungehinderten Transport des zweiten gasförmigen Mediums besonders abträglich, da der senkrecht zur Strömungsrichtung des zweiten gasförmigen Mediums auf diesen auftretende Strom des ersten gasförmigen Mediums das zweite gasförmige Medium abbremst, was einer ungehinderten Strömung des zweiten gasförmigen Mediums aus dem Brennstoffzellenstapel entgegenwirkt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung können senkrechte Stöße, insbesondere des ersten gasförmigen Mediums und die damit verbundenen negativen Begleiterscheinungen wirksam unterbunden werden. Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung den Vorteil, dass der Mischabschnitt stufenlos zwischen einer ersten Mischabschnittslänge und einer zweiten Mischabschnittslänge erstellbar ist. Dazu wird in vorteilhafter Weise das über den Aktuator bewegbare Ankerteil des Magnetkreises genutzt, welches bei entsprechender Bestromung des insbesondere als Elektromagneten ausgeführten Aktuators in axiale Richtung verschiebbar ist.The advantages of the proposed solution according to the invention lie in the fact that now vertical shocks can be avoided, with which the first gaseous medium, which is used to promote the second gaseous medium by means of the jet pump effect, in the flow of the second gaseous medium, in particular the H. 2 -Recirculates from the fuel cell stack, enters. Vertical impacts are particularly detrimental to an unhindered transport of the second gaseous medium, since the flow of the first gaseous medium occurring perpendicular to the flow direction of the second gaseous medium slows down the second gaseous medium, which counteracts unimpeded flow of the second gaseous medium out of the fuel cell stack. By the solution proposed according to the invention, vertical impacts, in particular of the first gaseous medium and the negative side effects associated therewith can be effectively prevented. In addition, the solution proposed according to the invention offers the advantage that the mixing section can be produced steplessly between a first mixing section length and a second mixing section length. For this purpose, the movable over the actuator armature part of the magnetic circuit is used in an advantageous manner, which is displaceable in the axial direction with appropriate energization of the particular designed as an electromagnet actuator.
Die Innenmantelfläche des Ankerteils, welche den Rohrfortsatz am Gehäuseteil konzentrisch umschließt, dient in vorteilhafter Weise - bei Bedarf - als Verlängerung des im Wesentlichen rohrförmig ausgebildeten, im Inneren des Förderaggregates ausgebildeten Mischabschnittes.The inner lateral surface of the anchor part, which concentrically encloses the tube extension on the housing part, serves advantageously as an extension of the substantially tubular design of the mixing section formed in the interior of the delivery unit.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene, den Strahlpumpeneffekt ausnutzende Förderaggregat liefert sein Optimum im Volllastbereich und ist auf diesen ausgelegt. Im Volllastbereich ist die Strömungsgeschwindigkeit sehr hoch. Auftretende Stöße verhindern jedoch einen ausreichenden Volumenstrom, wodurch sich eine Verschlechterung des Massenstroms ergibt. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung lassen sich bei Volllast Stöße verhindern, indem der Mischabschnitt hinsichtlich seiner Länge verkürzt werden kann. Dadurch ergibt sich eine Steigerung des Gesamtvolumenstroms um ca. 20 %. Das Verhältnis von Rezirkulat zu Treibgasstrom steigt um 20 % an. Da das erfindungsgemäß vorgeschlagene, den Strahlpumpeneffekt ausnutzende Förderaggregat auf Volllast ausgelegt ist, kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung eine Verlängerung des Mischabschnittes, insbesondere bei Teillastbetrieb erreicht werden. Während bei Volllastbetrieb des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Förderaggregates ein kurzer Mischabschnitt wünschenswert ist, verhält es sich bei Teillast genau umgekehrt, hier ist ein längerer Mischabschnitt wünschenswert. Diese beiden Anforderungen können durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Design des Förderaggregates erfüllt werden, wobei von einer kompakten Anordnung, d.h. einer kompakten Bauweise nicht abgewichen werden muss.The inventively proposed, the jet pump effect utilizing delivery unit provides its optimum in the full load range and is designed for this. In the full load range, the flow velocity is very high. However, occurring shocks prevent a sufficient volume flow, resulting in a deterioration of the mass flow. The proposed solution according to the invention can be prevented at full load shocks by the mixing section can be shortened in terms of its length. This results in an increase of the total volume flow by approx. 20%. The ratio of recirculate to propellant gas flow increases by 20%. Since the invention proposed, the jet pump effect ausnutzende delivery unit is designed for full load, can be achieved by the proposed solution according to the invention, an extension of the mixing section, especially at partial load operation. While at full load operation of the invention proposed delivery unit a short mixing section is desirable, it is exactly the opposite at part load, here a longer mixing section is desirable. These two requirements can be met by the inventively proposed design of the delivery unit, which does not have to deviate from a compact arrangement, ie a compact design.
Figurenlistelist of figures
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
-
1 zeigt einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Förderaggregat zur Förderung gasförmiger Medien
-
1 shows a longitudinal section through the invention proposed delivery unit for conveying gaseous media
In
In der Darstellung gemäß
Sobald der als Magnetspule ausgeführte Aktuator
Durch die Anpassung der Länge des Mischabschnittes
Die besonderen Vorteile der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Lösung sind vor allen Dingen darin zu erblicken, dass bei Einsatz eines Proportionalmagneten als Magnetspule
Im stromlosen Zustand wird der Mischabschnitt
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.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein. Rather, within the scope given by the claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
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Legal Events
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