DE102018213313A1

DE102018213313A1 - Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE102018213313A1
Application number: DE102018213313.1A
Authority: DE
Inventors: Stephan Wursthorn; Armin Richter; Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-08-08
Filing date: 2018-08-08
Publication date: 2020-02-13
Also published as: WO2020030343A1

Abstract

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosierventil (6), wobei das Förderaggregat (1) als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (8) ausgeführt ist, wobei ein Ausgang des Förderaggregats (1) mit einem Anodeneingang (5) einer Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist, wobei die Strahlpumpe (4) einen Ansaugbereich (7), ein Mischrohr (18) und einen Diffusor (20) aufweist und vom gasförmigen Medium in einer Strömungsrichtung VII durchströmt wird und wobei der Diffusor (20) über einen Auslass-Krümmer (22) mit dem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist. Erfindungsgemäß sind dabei die Größe einer orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsfläche A des dem Auslass-Krümmer (22) zugewandten Endbereichs des Diffusors (20) und die Größe von den orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers (22) zumindest annähernd gleich.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, 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 Tank, insbesondere 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 DE 10 2014 221 506 A1 ist ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System bekannt, zur Förderung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und einem Dosierventil. Dabei kann das Förderaggregat als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung ausgeführt sein und weist die Bauteile erster Zulauf, Ansaugbereich, Mischrohr und einen Diffusor aufweist und wobei der Diffusor über einen Auslass-Krümmer mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist. Optional kann sich dabei ein Verbindungsstück zwischen dem Auslass-Krümmer und dem Anodeneingang befinden. Dabei kann mittels des Förderaggregats ein Medium, insbesondere ein Treibmedium durch eine Düse abgelassen werden, welches dann mit einem Rezirkulationsmedium vermischt wird. Der Strom des Treibmediums kann dabei mittels des Dosierventils gesteuert werden.
Das aus der DE 10 2014 221 506 A1 bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen.
Die Größen der orthogonal zu einer Strömungsrichtung verlaufenden Querschnittsflächen des Förderaggregats, insbesondere die Querschnittsflächen vom Endbereich des Diffusors und/oder des Auslass-Krümmers und/oder des optionalen Verbindungsstücks und/oder des Anodeneingangs, variieren, wodurch sich erhöhte Druckverluste und/oder Reibungsverluste für das zu fördernde gasförmige Medium ergeben, während es durch das Förderaggregat und/oder die Brennstoffzelle strömt. Bei einer Verringerung der Größe der Querschnittsflächen in Strömungsrichtung wird eine Drosselwirkung erzielt und es bildet sich in Strömungsrichtung ein örtlicher Strömungswiderstand aus. Weiterhin kommt es bei einer Erhöhung der Größe der Querschnittsflächen in Strömungsrichtung zu nachteiligen Effekten wie Strömungsverlusten und/oder Druckverlusten. Des Weiteren wird das gasförmige Medium durch die sich ändernde Größe der Querschnittsflächen mehrmals beschleunigt und abgebremst, was zu zusätzliche Strömungsenergieverlusten und/oder Druckenergieverlusten führen kann. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Förderaggregats verringert. Zudem kann es bei dem im Stand der Technik gezeigten Förderaggregat bei einem schnellen Übergang von der kreisförmigen Form im Endbereich des Diffusors zu einer rechteckigen Form, insbesondere mit nicht gerundeten Ecken, im Auslass-Krümmer zu, für den Wirkungsgrad der Pumpe, nachteiligen Verwirbelungen und/oder Strömungsabrissen kommen.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H₂ bezeichnet wird.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die Größe einer orthogonal zu einer Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsfläche A des einem Auslass-Krümmer zugewandten Endbereichs eines Diffusors und die Größe von orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers zumindest annähernd gleich sind. Auf diese Weise kann der Druckverlust und/oder Reibungsverlust des gasförmigen Mediums in dem Förderaggregat, insbesondere im Bereich des Endbereichs des Diffusors und des Auslass-Krümmers, reduziert werden, da aufgrund der gleichbleibenden Größe der Querschnittsfläche, Geschwindigkeitsschwankungen und/oder Druckschwankungen im das Förderaggregat durchströmenden Medium nahezu verhindert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Beschleunigung und/oder Abbremsung des gasförmigen Mediums beim Durchströmen des Endbereichs des Diffusors und des Auslass-Krümmers aufgrund von sich verkleinernden und/oder vergrößernden Querschnittsflächen verhindert wird. Dabei kann verhindert werden, dass dem gasförmigen Medium Energie entzogen wird, die ihm beim Durchströmen von verkleinernden und/oder vergrößernden Querschnittsflächen aufgrund von innerer und äußerer Reibung verloren gehen würde. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass Verluste von Impulsenergie, kinetischer Energie und Druck nahezu vermieden oder zumindest verringert werden. Weiterhin kann aufgrund der gleichbleibenden Größe der Querschnittsfläche eine möglichst geringe Reibung zwischen dem zu fördernden Medium, insbesondere H₂ , und der Oberfläche der Strömungsgeometrie des Förderaggregats, insbesondere des Endbereichs des Diffusors und des Auslass-Krümmers, erzielt werden. Des Weiteren können Druckverluste und/oder Reibungsverluste reduziert werden, die durch die Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die Umlenkung im Auslass-Krümmer auftreten können. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder einer Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzellen-System verbessern. Zudem kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass bei einer vorgegebenen Gesamt-Baulänge, beispielsweise durch vorhandenen Bauraum im Gesamtfahrzeug, ein größerer Umlenkradius erzielt werden kann, wodurch sich die Strömungsenergieverluste im Förderaggregat durch Reibung des gasförmigen Medium mit der Oberfläche der Strömungsgeometrie, weiter reduzieren lassen. Dies bietet den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads des Förderaggregats bei einer gleichzeitigen kompakten Bauform des Förderaggregats.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Förderaggregats möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats befindet sich ein Verbindungsstück zwischen dem Auslass-Krümmer und einem Anodeneingang einer Brennstoffzelle, wobei die Größe der orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks zumindest annähernd gleich der Größe der Querschnittsfläche A und der Größe der Querschnittsflächen B sind, wobei insbesondere das Verbindungsstück den Auslass-Krümmer mit dem Anodeneingang der Brennstoffzelle zumindest mittelbar fluidisch verbindet. Des Weiteren ist die Größe der orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen D des Anodeneingangs der Brennstoffzelle zumindest annähernd gleich der Größe der Querschnittsflächen A, B und C sind, wobei eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums ausschließlich im Bereich des Auslass-Krümmers erfolgt. Auf diese Weise kann eine Beschleunigung und/oder Abbremsung des gasförmigen Mediums beim Durchströmen des Verbindungsstücks und des Anodeneingangs der Brennstoffzelle aufgrund von sich verkleinernden und/oder vergrößernden Querschnittsflächen verhindert werden. Dabei kann verhindert werden, dass dem gasförmigen Medium Energie entzogen wird, die ihm beim Durchströmen von verkleinernden und/oder vergrößernden Querschnittsflächen aufgrund von innerer und äußerer Reibung verloren geht. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass Verluste von Impulsenergie, kinetischer Energie und Druck nahezu vermieden oder zumindest verringert werden. Zudem kann auf diese Weise aufgrund der gleichbleibenden Größe der Querschnittsfläche des Verbindungsstücks und des Anodeneingangs eine möglichst geringe Reibung zwischen dem zu fördernden Medium, insbesondere H₂ , und der Oberfläche der Strömungsgeometrie des Förderaggregats erzielt werden. Weiterhin können Druckverluste und/oder Reibungsverluste reduziert werden, die durch die Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die Umlenkung im Auslass-Krümmer auftreten können. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzellen-System verbessern.
Des Weiteren kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass die Strömungsverbindung zwischen einer Strahlpumpe und dem Anodeneingang möglichst kurz und/oder zumindest nahezu ohne Strömungsumlenkung realisiert werden kann. Somit lässt sich aufgrund der reduzierten Reibungsverluste der Wirkungsgrad des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöhen. Weiterhin lässt sich bei einer Integration des Verbindungsstücks in einen Grundkörper der Strahlpumpe zum einen eine verbesserte Kaltstartfähigkeit des Förderaggregats erreichen, da das Verbindungsstück, insbesondere aufgrund der höheren Maße, somit langsamer abkühlt und daher eine Bildung von Eisbrücken im Strömungsquerschnitt erschwert wird, insbesondere bei kurzen Standzeiten. Zum anderen können die Übergänge im Strömungsbereich des Förderaggregats zwischen den Teilstücken der Strahlpumpe strömungsoptimiert ausgeführt werden. Dadurch kann der Strömungswiderstand des Förderaggregats insbesondere im Bereich der Teilstücke Diffusor, Auslass-Krümmer und Verbindungsstück verringert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Strömungsverluste und/oder Druckverluste des zu fördernden Medium im inneren Strömungsquerschnitt des Förderaggregats reduziert werden und es kommt zu nahezu keinen Reibungs- und/oder Strömungs-Verlusten. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats und somit der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöht werden. Zudem kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass sich das Förderaggregat und/oder die kombinierte Ventil-Stahlpumpenanordnung in einer platzsparenden und kompakten Bauweise mit einer Endplatte der Brennstoffzelle verbinden lassen, wodurch der Platzbedarf und der Bauraum des Brennstoffzellen-Systems im Gesamt-Fahrzeug reduziert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats weisen die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors und/oder die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks und/oder die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs der Brennstoffzelle jeweils eine kreisförmige Form auf. Auf diese Weise wird ein strömungsoptimierter Übergang vom Strömungsbereich des Endbereichs des Diffusors zum Strömungsbereich des Auslass-Krümmers und/oder vom Strömungsbereich des Auslass-Krümmers zum Strömungsbereich des Verbindungsstücks und/oder zum Strömungsbereich des Anodeneingangs der Brennstoffzelle realisiert. Da in einer beispielhaften Ausführungsform die Größe der Querschnittsflächen A, B und/oder C und/oder D zumindest annähernd gleich sind, ist somit auch der Durchmesser der Strömungsbereiche der jeweiligen Bereiche gleich. Daher gibt es nahezu keine Strömungswiderstände zwischen den Strömungsbereichen Diffusor, Auslass-Krümmer und/oder Verbindungsstück und/oder Anodeneingang der Brennstoffzelle aufgrund von Formübergänge, wie beispielsweise ein Formübergang von einer kreisförmigen Form der Querschnittsfläche zu einer rechteckigen Form mit gerundeten Ecken. Auf diese Weise werden Spalte oder Kanten im Strömungsbereich des Förderaggregats, die für Verwirbelungen oder Strömungsabrisse des zu fördernden Mediums sorgen können, im Bereich dieser Übergänge nahezu vermieden. Somit kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats gesteigert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats weisen die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors und/oder die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs der Brennstoffzelle jeweils eine kreisförmige Form auf, wobei die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks jeweils eine ovale Form aufweisen, wobei die oval ausgeführten Querschnittsflächen B, C als eine Ellipse ausgeformt ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine verbesserte Umlenkung des gasförmigen Mediums beim Durchströmen, insbesondere des Auslass-Krümmer, erreicht wird, bei der die Reibungs- und/oder Strömungs-Verlusten, insbesondere im Vergleich zu einer kreisförmigen Form der Querschnittsflächen B und C, reduziert werden. Die ovale Form des Auslass-Krümmers ist derart ausgeführt, dass sich der Vorteil ergibt, dass der Krümmungsbereich aufgrund des geringeren Abstands der Oberflächen des Strömungsbereichs, insbesondere der parallel zum Krümmungsradius verlaufenden Abstand, kompakter auszuführen lässt und somit eine kompaktere Bauform des Förderaggregats erzielt werden kann. Somit kann das Förderaggregat auch in Fahrzeuge verbaut werden, die nur einen geringen zur Verfügung stehenden Bauraum aufweisen. Die Strömungsübergänge von der kreisförmigen Form zur ovalen Form und umgekehrt, werden dabei möglichst strömungsoptimiert ausgeführt, so dass sich keine Kanten oder Spalte orthogonal zur Strömungsrichtung VII des gasförmigen Mediums ausbilden, die Verwirbelungen und/oder ein Abbremsen bewirken könnten.
Weiterhin ist der Übergang von einer kreisförmigen Form der Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors zur ovalen Form der Querschnittsfläche B des Auslass-Krümmers strömungstechnisch vorteilhaft, da bei einem Übergang von einer kreisförmigen zu einer rechteckigen Form mit nicht gerundeten Ecken, wie dies insbesondere im Stand der Technik der Fall ist, ein nachteiliger Effekt entsteht, bei dem es vermehrt zu Verwirbelungen und/oder Strömungsabrissen des zu fördernden Mediums im Bereich der Übergänge kommt, was den Wirkungsgrad des Förderaggregats verringert. Dieser nachteilige Effekt wird jedoch durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Übergangs der Querschnittsflächen vom Endbereich des Diffusors zum Auslass-Krümmer zumindest nahezu vollständig vermieden. Daher kann der Vorteil erzielt werden, den Wirkungsgrad und die Förderrate des Förderaggregats zu verbessern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats weist die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors und/oder die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks jeweils eine kreisförmige Form auf, wobei die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs der Brennstoffzelle jeweils eine rechteckige Form mit gerundeten Ecken aufweisen. Zudem weist die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors eine kreisförmige Form auf, wobei die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks jeweils eine ovale Form aufweisen und wobei die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs der Brennstoffzelle jeweils eine rechteckige Form mit gerundeten Ecken aufweisen. Weiterhin ändern sich die jeweiligen Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers und/oder die jeweiligen Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks in Strömungsrichtung VII von einer kreisförmigen Form zu einer ovalen Form und/oder von einer ovalen Form zu einer kreisförmigen Form. Auf diese Weise kann eine verbesserte Strömungsführung des gasförmigen Mediums im Förderaggregat erzielt werden, wobei das gasförmige Medium aufgrund der Übergange der Form vom Endbereich des Diffusors zum Auslass-Krümmer und/oder vom Auslass-Krümmer zum Verbindungsstück und/oder zum Anodeneingang der Brennstoffzelle eine derartige Strömungsführung erfährt, so dass es mit verringerten Strömungsverlusten und/oder Druckverlusten durch den Bereich strömen kann, in dem es eine Umlenkung oder Richtungsänderung erfährt, insbesondere durch dem Auslass-Krümmer. Erfindungsgemäß sind dabei die FormÜbergänge in Strömungsrichtung VII derart ausgeführt, dass keine Kanten und/oder Spalte auftreten, die einen Strömungsabriss und/oder Verwirbelungen beim durchströmenden gasförmigen Medium verursachen könnten. Daher sind gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Förderaggregats die Querschnittsflächen, die eine rechteckige Form aufweisen jeweils mit gerundeten Ecken ausgeführt, wobei der Radius der gerundeten Ecken einen möglichst strömungsoptimierten Übergang zu einem Strömungsquerschnitt mit einer kreisförmigen Form oder einer ovalen Form zulässt. Dabei kann der Radius der gerundeten Ecken des jeweiligen Bereichs in Strömungsrichtung VII derart variieren, um zum einen einen strömungsoptimierten Übergang zu realisieren. Zum anderen kann der Radius der gerundeten Ecken jedoch auch derart variieren, dass eine strömungsoptimierte Umlenkung oder Richtungsänderung des gasförmigen Mediums im Förderaggregat erzielt werden kann. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass bei einer vorgegebenen Gesamt-Baulänge, beispielsweise durch vorhandenen Bauraum im Gesamtfahrzeug, ein größerer Umlenkradius erzielt werden kann, wodurch sich die Strömungsenergieverluste im Förderaggregat durch Reibung des gasförmigen Mediums verringern.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats sind die Teilstücke Auslass-Krümmer und/oder Verbindungsstück als separate Teilstücke hergestellt, wobei diese nachträglich miteinander und/oder mit dem Anodeneingang der Brennstoffzelle und/oder mit dem Diffusor der Ventil-Strahlpumpenanordnung verbunden werden, wobei die Verbindung insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig erfolgt. Darüber hinaus sind die Teilstücke Auslass-Krümmer und/oder Verbindungsstück mittels eines Umformprozesses, insbesondere mittels eines Zugdruckumformprozesses und/oder mittels eines Tiefziehprozesses, hergestellt. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Übergänge im Strömungsquerschnitt des Förderaggregats zwischen den Teilstücken des Förderaggregats, insbesondere im Übergang von einem zum nächsten Teilstück, möglichst fließend und strömungsoptimiert ausgeführt werden können, wobei insbesondere Spalte oder Kanten im Bereich dieser Übergänge nahezu vermieden werden können. Durch derartige Spalte oder Kanten im Strömungsquerschnitt kann es zu Verwirbelungen oder einem Abbremsen der Strömung des zu fördernden Mediums kommen. Somit lässt sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der innere Strömungswiderstand im Strömungsquerschnitt verringern, wodurch sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats erhöht. Weiterhin kann durch eine derartige Verbindungsmethode des stoffschlüssigen Verbindens in Kombination mit einem Herstellverfahrens der Teilstücke mittels Umformens, insbesondere Zugdruckumformens, unterschiedliche Größen des Förderaggregats durch Variieren der Größen der Teilstücke und einer entsprechenden Kombination der Teilstücke, beispielsweise mittels eines modularen Baukastenaufbaus der einzelnen Teilstücke, umgesetzt werden, während die Herstellkosten, die Fertigungskosten und die Montagekosten gering gehalten werden können. Zudem kann auf diese Weise eine erhöhte Diffusionsdichtheit bewirkt werden, da durch das stoffschlüssige Verbindungs- und Füge-Verfahren der Teilstücke eine nachhaltige und nahezu nicht trennbare Verbindung der Teilstücke erfolgt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats weist die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung ein Heizelement auf, wobei die Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder der Auslass-Krümmer und/oder das Verbindungsstück aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind. Da beim Betrieb des Brennstoffzellen-Systems Wasser im Bereich der Brennstoffzelle von einem Kathodenbereich in einen Anodenbereich durch eine Membran diffundieren kann, kann dieses Wasser im Strömungsbereich der Anodenseite mitströmen und sich an bestimmten Stellen anlagern. Bei einem abgeschaltetem Fahrzeug und somit einem abgeschalteten Brennstoffzellen-System kann dieses Wasser bei niedrigen Temperaturen, insbesondere unter 0°C, und bei langen Standzeiten des Fahrzeugs gefrieren und sogenannte Eisbrücken ausbilden. Diese Eisbrücken können die Bauteile des Brennstoffzellen-Systems und/oder des Förderaggregats und/oder der Strahlpumpe schädigen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann daher der Vorteil erzielt werden, dass ein schnelleres Aufwärmen der Teilstücke Auslass-Krümmer und Verbindungsstück und somit des gesamten Förderaggregats herbeigeführt werden. Auf diese Weise kann im Rahmen einer Kaltstartprozedur, bevor das Förderaggregat und/oder das gesamte Brennstoffzellen-System bei niedrigen Temperaturen in Betrieb genommen wird, das Heizelement mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, versorgt werden, wobei das Heizelement diese Energie in Wärme und/oder Heizenergie umwandelt. Dieser Prozess wird in vorteilhafter Weise durch die geringe spezifische Wärmekapazität der weiteren Bauteile des Förderaggregats unterstützt, mittels derer die Wärmeenergie schnell in das gesamte Förderaggregat vordringen kann und vorhandene Eisbrücken beseitigen kann. Durch das schnellere Aufwärmen der Teilstücke und des Förderaggregats können vorhandene Eisbrücken schneller beseitigt werden, insbesondere durch Abschmelzen durch Wärmeeintrag. Zudem kann die Heizenergie bei einem Kaltstartvorgang in kurzer Zeit nach dem Einschalten des Heizelements zu einer Düse vordringen und es können vorhandene Eisbrücken im Bereich der Düse und der Aktorik eines Dosierventils erwärmt und somit beseitigt werden. Dadurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund einer Beschädigung der Bauteile des Förderaggregats reduziert werden. Auf diese Weise lässt sich die Kaltstartfähigkeit des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessern, da die Eisbrücken schneller aufgetaut und beseitigt werden können. Es muss zudem weniger Energie, insbesondere elektrische Energie und/oder Wärmeenergie durch das verwendete Heizelement, in das Förderaggregat eingebracht werden. Dadurch lassen sich die Betriebskosten des Förderaggregats und des gesamten Brennstoffzellen-Systems, insbesondere bei häufigen Kaltstartvorgängen aufgrund niedriger Umgebungstemperaturen und/oder langen Standzeiten des Fahrzeugs, reduzieren. Des Weiteren kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Materials auch eine hohe Beständigkeit gegen das durch das Förderaggregat zu fördernde Medium und/oder weitere Bestandteile aus der Umgebung des Förderaggregats, wie beispielsweise Chemikalien, erzielt werden. Dies wiederum erhöht die Lebensdauer des Förderaggregats und die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Materialschädigungen des Gehäuses kann reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Förderaggregat als Komponenten die Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder einen Seitenkanalverdichter und/oder einen Wasserabscheider auf, wobei diese derart auf der Endplatte der Brennstoffzelle positioniert sind, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats ausschließlich parallel zur Endplatte verlaufen, wobei die Endplatte zwischen der Brennstoffzelle und dem Förderaggregat angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine direkte und möglichst kurze Strömungsleitung zwischen den Komponenten der Fördereinrichtung hergestellt werden. Des Weiteren kann die Anzahl der Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gasförmigen Mediums im Förderaggregat auf eine möglichst geringe Anzahl reduziert werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Strömungsverluste und/oder Druckverluste innerhalb des Förderaggregats aufgrund der Länge der Strömungsleitungen und/oder der Anzahl der Strömungsumlenkungen reduziert werden können. Es ist zudem weiterhin vorteilhaft, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats parallel zum plattenförmigen Trägerelement verlaufen. Somit wird eine Strömungsumlenkung des gasförmigen Mediums weiterhin reduziert, wodurch sich die Strömungsverluste weiter reduzieren lassen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats verbessert werden und der Energieaufwand zum Betreiben der Fördereinrichtung kann reduziert werden. Zudem kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass eine einfache Positionierung der Bauteile zueinander realisiert werden kann, indem die Komponenten jeweils mit dem plattenförmigen Trägerelement verbunden werden müssen. Dadurch lässt sich die benötigte Anzahl an Bauteilen für die Montage reduzieren, was wiederum zu einer Kostenersparnis der Fördereinrichtung führt. Weiterhin wird die Wahrscheinlichkeit eines Montagefehlers aufgrund von fehlerhaft zueinander ausgerichteten Komponenten der Fördereinrichtung reduziert wird, was wiederum die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats im Betrieb reduziert.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregats mit einer kombinierten Ventil-Strahlpumpenanordnung
2 eine schematische Schnittansicht der orthogonal zu einer Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen A, B, C, D jeweils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
3 eine schematische Schnittansicht der orthogonal zu einer Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen B, C jeweils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
4 eine schematische Schnittansicht der orthogonal zu einer Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen D gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
5 eine teilweise schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellen-Systems mit der Ventil-Strahlpumpeneinheit und einer Brennstoffzelle

Ausführungsformen der Erfindung
Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregats 1, wobei das Förderaggregat 1 eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 aufweist. Die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 weist dabei ein Dosierventil 6 und eine Strahlpumpe 4 auf, wobei das Dosierventil 6 beispielsweise mittels einer Verschraubung mit der Strahlpumpe 4 verbunden ist, insbesondere mit einem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4.
Die Strahlpumpe 4 weist dabei in ihrem Grundkörper 13 einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36a, einen Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 18, einen Diffusor 20 und einen Auslass-Krümmer 22 und/oder ein Verbindungsstück 26 auf. Das Dosierventil 6 weist einen zweiten Zulauf 36b und eine Düse 12 auf. Dabei ist das Dosierventil 6 insbesondere in Richtung einer Längsachse 50 in die Strahlpumpe 4, insbesondere in eine Öffnung in dem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4 eingeschoben.
Weiterhin ist ein Brennstoffzellen-System 31 in 1 dargestellt, wobei das Brennstoffzellen-System 31 die Bauteile Brennstoffzelle 29, Wasserabscheider 24, Seitenkanalverdichter 10 und Förderaggregat mit Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 aufweist.
Die Brennstoffzelle 29 ist mittels eines Anodenausgangs 9 und/oder eines Anodeneingangs 5 zumindest mittelbar fluidisch mit dem Wasserabscheider 24 und/oder dem Seitenkanalverdichter 10 und /oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 verbunden. Zudem sind die Bauteile Wasserabscheider 24 und/oder dem Seitenkanalverdichter 10 und /oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 zumindest mittelbar fluidisch miteinander verbunden. Die Bauteile Wasserabscheider 24 und Seitenkanalverdichter 10 sind optionale Bauteile, die nicht zwangsläufig im Förderaggregat 1 und/oder im Brennstoffzellen-System 31 vorhanden sein müssen. Weiterhin weist die Brennstoffzelle 29 eine Endplatte 2 auf, wobei der Anodenausgang 9 und der Anodeneingang 5 durch die Endplatte 2 verlaufen. Dabei befindet sich die Endplatte 2 auf der der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 zugewandten Seite der Brennstoffzelle 29.
In 1 ist zudem dargestellt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 von einem zu fördernden Medium in einer Strömungsrichtung VII durchströmt wird. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 sind dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebildet und dienen zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um H₂ handelt, in dem Förderaggregat 1. Dabei durchströmt das gasförmige Medium einen zentralen Strömungsbereich im Inneren des Grundkörpers 13 parallel zur Längsachse 50 in der Strömungsrichtung VII, wobei der zentrale Strömungsbereich im Bereich der Mündung der Düse 12 im Ansaugbereich 7 beginnt und sich durch das Mischrohr 18, den Diffusor 20 bis in den Auslass-Krümmer 22 erstreckt. Dabei wird der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 zum einen ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H₂ aus dem Anodenbereich der Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Das Rezirkulat strömt dabei auf einem ersten Strömungspfad in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein. Zum anderen strömt durch den zweiten Zulauf 36 auf einem zweiten Strömungspfad von außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere H₂ , in eine Aussparung der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 und/oder in den Grundkörper 13 und/oder das Dosierventil 6 ein, wobei das Treibmedium von einem Tank 34 kommt und unter hohen Druck steht, insbesondere von mehr als 10 bar.
Dabei verläuft der zweite Zulauf 36a, b durch die Bauteile Grundkörper 13 und/oder Dosierventil 6. Vom Dosierventil 6 wird das Treibmedium mittels einer Aktorik und eines vollständig schließbaren Ventilelements, insbesondere stoßweise, durch die Düse 12 in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 abgelassen. Das durch die Düse 12 strömende und als Treibmedium dienende H₂ weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, wobei das Rezirkulationsmedium aus dem ersten Zulauf 28 in das Förderaggregat 1 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 Massen-Strom in den zentralen Strömungsbereich des Förderaggregats 1 gefördert, beispielsweise durch den Einsatz eines, dem Förderaggregat 1 vorgeschalteten, Seitenkanalverdichters 10. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch die Düse 12 in den zentralen Strömungsbereich 21 des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 ein.
Die Düse 12 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsquerschnitts auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere vom Dosierventil 6 kommend und in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 einströmend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im zentralen Strömungsbereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder DruckDifferenz zwischen dem Treibmedium 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 VII beschleunigt und es entsteht 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 das Ansteuern der Zu-Dosierung des Treibmediums mittels des Dosierventils 6 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden. In einem beispielhaften Betriebszustand des Förderaggregats 1 bei dem sich das Dosierventil 6 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung VII zum Rezirkulationsmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt.
Nach dem Passieren des Mischrohrs 18 strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibmedium besteht, in der Strömungsrichtung VII in den Diffusor 20, wobei es im Diffusor 20 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium in Strömungsrichtung VII aus dem Diffusor 20 in den Auslass-Krümmer 22, bei dem es eine entsprechende Umlenkung erfährt, und von dort weiter über das Verbindungsstück 26 in den Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29. Dabei ändert sich die Strömungsrichtung VII durch die Umlenkung im Auslass-Krümmer 22 in einem Bereich der nahezu rechtwinklig ist, wobei das gasförmige Medium im Bereich des Mischrohrs 18 und des Diffusors 20 nahezu in Richtung der Längsachse 50 strömt und wobei das gasförmige Medium nach dem Passieren des Auslass-Krümmers 22 im Bereich des Verbindungsstücks 26 und zumindest eines Teilbereichs des Anodeneingangs 5 in Richtung einer Querachse 52 strömt.
Weiterhin weist die Strahlpumpe 4 aus der 1 technische Merkmale auf, die den Strahlpumpeneffekt und die Fördereffizienz zusätzlich verbessern und/oder das Kaltstartvorgang und/oder Fertigungs- und Montage-Kosten weiter verbessern. Dabei verläuft das Teilstück Diffusor 20 im Bereich seines inneren Strömungsquerschnitts konisch, insbesondere sich in der Strömungsrichtung VII vergrößernd. Die Düse 12 und das Mischrohr 18 und/oder der Diffusor 20 können dabei koaxial zueinander verlaufen. Durch diese Ausformung des Teilstücks Diffusor 20 kann der vorteilhafte Effekt erzeugt werden, dass die kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt wird, wodurch das mögliche Fördervolumen des Förderaggregats 1 weiter erhöht werden kann, wodurch mehr des zu fördernden Mediums, insbesondere H₂ , der Brennstoffzelle 29 zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden kann.
1 zeigt, dass sich im innenliegenden Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 Strömungsquerschnitte ausbilden, die insbesondere orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufen. Dabei bildet der Endbereich des konisch sich vergrößernden Diffusors 20 eine Querschnittsfläche A aus, der Auslass-Krümmer 22 bildet mindestens zwei Querschnittsflächen B aus, wobei diese Querschnittsflächen B aufgrund der Krümmung und/oder der Biegung des Auslass-Krümmers 22 nicht parallel zueinander verlaufen. Das optionale Verbindungsstück 26 bildet mindestens zwei Querschnittsflächen C aus und der Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29 bildet mindestens zwei Querschnittsflächen D aus. Das Förderaggregat 1, insbesondere die Strahlpumpe 4, ist dabei derart ausgebildet, dass die Größe der orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsfläche A des dem Auslass-Krümmer 22 zugewandten Endbereichs des Diffusors 20 und die Größe von den orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers 22 zumindest annähernd gleich sind. Zudem befindet sich das Verbindungsstück 26 zwischen dem Auslass-Krümmer 22 und dem Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29, wobei die Größe der orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks 26 zumindest annähernd gleich der Größe der Querschnittsfläche A und der Größe der Querschnittsflächen B sind. Das Verbindungsstück 26 verbindet dabei zumindest mittelbar fluidisch den Auslass-Krümmer 22 mit dem Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29. Des Weiteren kann die Größe der orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen D des Anodeneingangs 5 der Brennstoffzelle 29 zumindest annähernd gleich der Größe der Querschnittsflächen A, B und C sein. Gemäß der erfindungsgemäßen Ausprägung erfolgt eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums in der Strahlpumpe 4 ausschließlich im Bereich des Auslass-Krümmers 22.
Erfindungsgemäß kann das Dosierventil 6 als ein Proportionalventil 6 ausgeführt sein, um eine verbesserte Dosierfunktion und ein exakteres Dosieren des Treibmediums in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 zu ermöglichen. Zur weiteren Verbesserung der Strömungsgeometrie und des Wirkungsgrads des Förderaggregats 1 sind die Düse 12 und das Mischrohr 18 rotationssymmetrisch ausgeführt, wobei die Düse 12 koaxial zum Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4 verläuft.
In 2 ist eine schematische Schnittansicht der orthogonal zu einer Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen A, B, C, D gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei ist gezeigt, dass die Querschnittsflächen der jeweiligen Bauteile der Strahlpumpe, wie beispielsweise Diffusor 20, Auslass- Krümmers 22, Verbindungsstücks 26, Anodeneingangs 5 der Brennstoffzelle 29 kreisförmig sind, wobei die jeweilige Querschnittsfläche A, B, C, D dabei kreisförmig mit einem nahezu konstanten Radius verläuft. In einer beispielhaften ersten Ausführungsform des Strömungsbereichs der Strahlpumpe 4 weisen die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors 20 und/oder die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers 22 und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks 26 und/oder die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs 5 der Brennstoffzelle 29 jeweils eine kreisförmige Form auf, wobei die jeweilige Querschnittsfläche A, B, C, D dabei kreisförmig mit einem nahezu konstanten Radius verläuft.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Förderaggregat 1 und/oder die Strahlpumpe 4 diese kreisförmige Form der Querschnittsflächen A, B, C, D in weiteren Bereichen aufweisen, insbesondere in den Strömungsbereichen, jedoch auch in allen anderen Strömungsbereichen des Brennstoffzellen-Systems 31.
In 3 ist eine schematische Schnittansicht der orthogonal zu einer Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen B, C gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist die jeweilige Querschnittsfläche oval ausgeführt
In einer beispielhaften zweiten Ausführungsform des Strömungsbereichs der Strahlpumpe 4 weisen die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors 20 und/oder die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs 5 der Brennstoffzelle 29 jeweils eine kreisförmige Form aufweisen (wie in 2 gezeigt) und die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers 22 und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks 26 jeweils eine ovale Form auf (wie in 3 gezeigt). Zudem können die oval ausgeführten Querschnittsflächen B, C als eine Ellipse ausgeformt sein, wobei insbesondere eine kleine Halbachse der Ellipse in Richtung der Längsachse 50 und/oder der Querachse 52 verläuft.
Des Weiteren kann diese in 3 gezeigte ovale Form der Querschnittsflächen A, B, C, D je nach Ausführungsform des Förderaggregats 1 und/oder der Strahlpumpe 4 in einer beliebigen Kombination der Bereiche Diffusor 20, Auslass-Krümmer 22, Verbindungsstück 26 und Anodeneingang 5 im erfindungsgemäßen Förderaggregat 1 Verwendung finden, jedoch auch in allen anderen Strömungsbereichen des Brennstoffzellen-Systems 31.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Förderaggregats 1 und/oder der Strahlpumpe 4 können sich die jeweiligen Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers 22 und/oder die jeweiligen Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks 26 in Strömungsrichtung VII von einer kreisförmigen Form zu einer ovalen Form ändern und/oder von einer ovalen Form zu einer kreisförmigen Form ändern.
In 4 ist eine schematische Schnittansicht der orthogonal zu der Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen D gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei weist die Querschnittsfläche D eine rechteckige Form mit gerundeten Kanten auf.
In einer beispielhaften dritten Ausführungsform des Strömungsbereichs der Strahlpumpe 4 weisen die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors 20 und/oder die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers 22 und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks 26 jeweils eine kreisförmige Form auf (wie in 2 gezeigt) und die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs 5 der Brennstoffzelle 29 weisen jeweils eine rechteckige Form mit gerundeten Ecken auf (wie in 4 gezeigt).
In einer beispielhaften vierten Ausführungsform des Strömungsbereichs der Strahlpumpe 4 weisen die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors 20 eine kreisförmige Form auf und die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers 22 und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstück 26 jeweils eine ovale Form auf und die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs 5 der Brennstoffzelle 29 jeweils eine rechteckige Form mit gerundeten Ecken auf.
Des Weiteren kann diese in 4 gezeigte rechteckige Form mit gerundeten Ecken der Querschnittsflächen D je nach Ausführungsform des Förderaggregats 1 und/oder der Strahlpumpe 4 in einer beliebigen Kombination der Bereiche Diffusor 20, Auslass-Krümmer 22, Verbindungsstück 26 und Anodeneingang 5 im erfindungsgemäßen Förderaggregat 1 Verwendung finden, jedoch auch in allen anderen Strömungsbereichen des Brennstoffzellen-Systems 31.
Die Darstellung gemäß 5 zeigt eine teilweise schematische Schnittansicht des Brennstoffzellen-Systems 31 mit der Ventil-Strahlpumpeneinheit 2, der Brennstoffzelle 29 und den optionalen Bauteilen Wasserabscheider 24 und Seitenkanalverdichter 10. Dabei ist gezeigt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 an der Brennstoffzelle 29 verbaut und/oder angebracht ist, wobei die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 insbesondere auf der Endplatte 2 der Brennstoffzelle 29 montiert ist.
In 5 ist dargestellt, dass die Bauteile Auslass-Krümmer 22 und Verbindungstück 26 nicht als Teil des Grundkörpers 13 der Strahlpumpe 4 ausgebildet sind und/oder sich nicht im Grundkörper 13 befinden. Dabei sind die Bauteile Auslass-Krümmer 22 und/oder Verbindungsstück 26 als separate Teilstücke hergestellt, die nachträglich miteinander und/oder mit dem Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29 und/oder mit dem Diffusor 20 der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 und/oder dem Grundkörper 13 verbunden, wobei die Verbindung insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig erfolgt. Dabei können die die Teilstücke Auslass-Krümmer 22 und/oder Verbindungsstück 26 mittels eines Umformprozesses, insbesondere mittels eines Zugdruckumformprozesses und/oder mittels eines Tiefziehprozesses, hergestellt sein.
Wie in 5 gezeigt weist die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein optionales Heizelement 11 auf, wobei die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 und/oder der Auslass-Krümmer 22 und/oder das Verbindungsstück 26 aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind. Auf diese Weise kann die Kaltstartfähigkeit verbessert werden, insbesondere bei Temperaturen von unter 0° Celsius, da somit vorhandene Eisbrücken im Strömungsbereich der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 abgebaut werden können. Das Heizelement 11 kann dabei in dem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4 integriert sein oder an diesem angeordnet sein.
Des Weiteren ist in 5 gezeigt, dass zum einen das unverbrauchte gasförmige Medium von dem Anodenausgang 9 der Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, in Strömungsrichtung VII durch die Endplatte 2, über einen optionalen Wasserabscheider 24 und einen optionalen Seitenkanalverdichter 10 in den ersten Zulauf 28 der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 einströmt. Von dort strömt das gasförmige Medium in den Ansaugbereich 7 und teilweise in das Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4. Der Wasserabscheider 24 hat hierbei die Aufgabe, Wasser, dass beim Betrieb der Brennstoffzelle 29 entsteht und zusammen mit dem gasförmigen Medium, insbesondere H₂ , durch den Anodenausgang 9 zurück in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 strömt, aus dem System abzuführen. Somit kann das Wasser, das gasförmig und/oder flüssig vorliegen kann, nicht in das Rezirkulationsgebläse 10 und/oder die Strahlpumpe 4 und/oder das Dosierventil 6 vordringen, da es schon direkt durch den Wasserabscheider 24 vom gasförmigen Medium separiert und aus dem Brennstoffzellen-System 31 Fördereinrichtung wird. Dadurch lässt sich eine Schädigung der Komponenten des Förderaggregats 1 und/oder des Brennstoffzellen-Systems 31, insbesondere der beweglichen Teile der Komponenten, durch Korrosion verhindern, wodurch die Lebensdauer aller durchströmten Komponenten erhöht wird.
Des Weiteren kann ein frühes und schnelles Abscheiden des Wassers im Brennstoffzellen-System 31 den Wirkungsgrad des Förderaggregats 1 erhöhen. Dies ist dadurch begründet, dass das Wasser nicht durch weitere Komponenten des Förderaggregats 1 mit dem gasförmigen Medium, insbesondere H₂ , mitgefördert werden muss, was eine Reduzierung des Wirkungsgrads bewirken würde, da für den Anteil Wasser in dem Förderaggregat 1 weniger vom gasförmigen Medium gefördert werden kann und da Wasser eine höhere Maße hat. Somit lässt sich durch die Verwendung und die jeweilige Anordnung des Wasserabscheiders 24 der Vorteil erzielen, dass der Wirkungsgrad des Förderaggregats 1 erhöht werden kann. Mittels der Umlenkung des Mediums über den Auslass-Krümmer 22 muss das Medium keine weitere Umlenkung im späteren Verlauf erfahren, und kann nach dem Passieren des Auslass-Krümmers 22 nahezu ohne weitere oder mit nur geringen weiteren Umlenkungen und Reibungsverlusten in den Anodeneingang 5 einströmen.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 und/oder das Förderaggregat 1 vorzugsweise parallel zur Endplatte 2 der Brennstoffzelle 29 angeordnet. Dies gilt insbesondere, wenn das Brennstoffzellen-System 31 aufgrund von baulichen Restriktionen am oder im Fahrzeug kompakte Abmaße aufweisen kann. Daher muss der Anodengasstrom der aus der Strahlpumpe 4 austritt nahezu rechtwinklig oder zumindest in einem spitzen Winkel umgelenkt werden, um zum Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29 zu gelangen. Weiterhin weist das Förderaggregat 1 als Komponenten die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 und/oder den Seitenkanalverdichter 10 und/oder den Wasserabscheider 24 aufweist, wobei diese derart auf der Endplatte 2 der Brennstoffzelle 29 positioniert sind, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats 1 parallel zur Endplatte 2 verlaufen, wobei die Endplatte 2 zwischen der Brennstoffzelle 29 und dem Förderaggregat 1 angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014221506 A1 [0003, 0004]

Claims

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosierventil (6), wobei das Förderaggregat (1) als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (8) ausgeführt ist, wobei ein Ausgang des Förderaggregats (1) mit einem Anodeneingang (5) einer Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist, wobei die Strahlpumpe (4) einen Ansaugbereich (7), ein Mischrohr (18) und einen Diffusor (20) aufweist und vom gasförmigen Medium in einer Strömungsrichtung VII durchströmt wird und wobei der Diffusor (20) über einen Auslass-Krümmer (22) mit dem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe einer orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsfläche A des dem Auslass-Krümmer (22) zugewandten Endbereichs des Diffusors (20) und die Größe von den orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers (22) zumindest annähernd gleich sind.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Verbindungsstück (26) zwischen dem Auslass-Krümmer (22) und dem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) befindet, wobei die Größe der orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks (26) zumindest annähernd gleich der Größe der Querschnittsfläche A und der Größe der Querschnittsflächen B sind, wobei insbesondere das Verbindungsstück (26) den Auslass-Krümmer (22) mit dem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) zumindest mittelbar fluidisch verbindet.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen D des Anodeneingangs (5) der Brennstoffzelle (29) zumindest annähernd gleich der Größe der Querschnittsflächen A, B und C sind.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors (20) und/oder die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers (22) und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks (26) und/oder die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs (5) der Brennstoffzelle (29) jeweils eine kreisförmige Form aufweisen.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors (20) und/oder die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs (5) der Brennstoffzelle (29) jeweils eine kreisförmige Form aufweisen und dass die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers (22) und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks (26) jeweils eine ovale Form aufweisen.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors (20) und/oder die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers (22) und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks (26) jeweils eine kreisförmige Form aufweisen und dass die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs (5) der Brennstoffzelle (29) jeweils eine rechteckige Form mit gerundeten Ecken aufweisen.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche A des Endbereichs des Diffusors (20) eine kreisförmige Form aufweisen und dass die Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers (22) und/oder die Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks (26) jeweils eine ovale Form aufweisen und dass die Querschnittsflächen D des Anodeneingangs (5) der Brennstoffzelle (29) jeweils eine rechteckige Form mit gerundeten Ecken aufweisen.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die jeweiligen Querschnittsflächen B des Auslass-Krümmers (22) und/oder die jeweiligen Querschnittsflächen C des Verbindungsstücks (26) in Strömungsrichtung VII von einer kreisförmigen Form zu einer ovalen Form ändern und/oder von einer ovalen Form zu einer kreisförmigen Form ändern.
Förderaggregat (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke Auslass-Krümmer (22) und/oder Verbindungsstück (26) als separate Teilstücke hergestellt sind, die nachträglich miteinander und/oder mit dem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) und/oder mit dem Diffusor (20) der Ventil-Strahlpumpenanordnung (8) verbunden sind, wobei die Verbindung insbesondere kraftschlüssig und/oder formschlüssig erfolgt.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke Auslass-Krümmer (22) und/oder Verbindungsstück (26) mittels eines Umformprozesses, insbesondere mittels eines Zugdruckumformprozesses und/oder mittels eines Tiefziehprozesses, hergestellt sind.
Förderaggregat (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (8) ein Heizelement (11) aufweist, wobei die Ventil-Strahlpumpenanordnung (8) und/oder der Auslass-Krümmer (22) und/oder das Verbindungsstück (26) aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind.
Förderaggregat (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums ausschließlich im Bereich des Auslass-Krümmers (22) erfolgt.
Förderaggregat (1) gemäß einem der Ansprüche 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oval ausgeführten Querschnittsflächen B, C als eine Ellipse ausgeformt sind.
Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderaggregat (1) als Komponenten die Ventil-Strahlpumpenanordnung (8) und/oder einen Seitenkanalverdichter (10) und/oder einen Wasserabscheider (24) aufweist, wobei diese derart auf einer Endplatte (2) der Brennstoffzelle (29) positioniert sind, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats (1) ausschließlich parallel zur Endplatte (2) verlaufen, wobei die Endplatte (2) zwischen der Brennstoffzelle (29) und dem Förderaggregat (1) angeordnet ist.
Brennstoffzellen-System (31) mit einem Förderaggregat (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.