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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.
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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.
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Aus der
DE 10 2014 105 995 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-Bereich aufweist und wobei das Dosierventil einen zweiten Zulauf und eine Düse aufweist. Dabei kann mittels des Förderaggregats ein Medium, insbesondere ein Treibmedium durch die Düse abgelassen werden, welches dann mit einem Rezirkulationsmedium vermischt wird. Der Strom des Treibmediums kann dabei mittels eines Dosierventils gesteuert werden.
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Bei einem Abschalten des Fahrzeugs und somit auch des Brennstoffzellen-Systems kann es im Bereich der Ventil-Strahlpumpenanordnung zu Wasserabscheidung aus dem Medium und Anlagerung an den Bauteilen des Förderaggregats kommen. Bei einer unter den Gefrierpunkt fallenden Außentemperatur gepaart mit einer langen Standzeit des Brennstoffzellen-System kann das angelagerte Wasser nun Eisbrücken ausbilden. Aufgrund der Ausführung des Förderaggregats aus einem massiven Körper der Ventil-Strahlpumpenanordnung wird ein hoher Anteil an Material und/oder Masse verwendet, wobei es sich insbesondere um ein wärmeleitfähiges Metall handeln kann. Bei einem Kaltstartvorgang kann das Aufheizen aufgrund der hohen Masse des Baumaterials der Ventil-Strahlpumpenanordnung eine lange Zeitspanne in Anspruch nehmen, so dass trotz des Einsatzes mindestens eines Heizelements die Eisbrücken bei der Inbetriebnahme des Förderaggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems nicht rechtzeitig beseitigt sind, da Teile des Materials noch nicht vollständig aufgeheizt sind. Dies kann eine Beschädigung des Förderaggregats und insbesondere der beweglichen Teile oder der Düse hervorrufen. Des Weiteren muss bei jedem Kaltstartvorgang eine hohe Energiemenge eingesetzt werden, um die hohe Masse des Materials der Ventil-Strahlpumpenanordnung aufzuheizen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, vorgesch lagen.
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Bezugnehmend auf Anspruch 1 weist das Fördergaggregat eine Strahlpumpe mit einem Gehäuse auf, wobei das Gehäuse die Teilstücke erster Zulauf, Ansaugbereich, Mischrohr, Diffusor-Bereich, einen Auslass-Krümmer und/oder ein Verbindungsstück aufweist, wobei die Teilstücke des Gehäuses rohrförmig ausgebildet sind. Auf diese Weise kann der Anteil an Material und/oder Masse, die für die Ausbildung des Gehäuse des Förderaggregats aufgewendet werden müssen, reduziert werden. Somit lassen sich die Materialkosten des Förderaggregats reduzieren. Weiterhin kann durch die Reduzierung der hohen Masse des Baumaterials des Gehäuses und/oder der Teilstücke des Gehäuses und/oder einer Ventil-Strahlpumpenanordnung die Wärmekapazität verringert werden, wodurch ein schnelleres Aufwärmen des Förderaggregats erzielt werden kann und sich somit ausgebildete Eisbrücken schneller abbauen lassen. Somit wird die Beschädigung der Bauteile des Förderaggregats und weiterer Bauteile des Brennstoffzellen-Systems, insbesondere einer Membran eines Stacks, durch Eisbrücken und/oder im zu fördernden Medium mitgeförderte Eispartikel verhindert, die sich bei einem zu langsamen Erwärmen des Förderaggregats bei einem Kaltstartvorgang von den Oberflächen lösen können. Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Ausführung des Förderaggregats gemäß Anspruch 1 dazu beitragen, dass das Förderaggregat und/oder das gesamte Brennstoffzellen-System beim Kaltstartvorgang schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden kann, beispielsweise durch den Einsatz mindestens eines Heizelements am Förderaggregat, und das Brennstoffzellen-System schneller ansprechen kann, wodurch das Gesamt-Fahrzeug schneller einsatzbereit und fahrfertig ist. Zudem lässt sich eine verbesserte Förderung und/oder Rezirkulation des gasförmigen Mediums im Förderaggregat erzielen und der Wirkungsgrad des Förderaggregats kann erhöht werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Förderaggregats möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung verläuft das Teilstück Diffusor-Bereich im Bereich eines inneren Strömungsquerschnitts konisch, insbesondere sich in einer Strömungsrichtung VII vergrößernd. Beim inneren Strömungsquerschnitt des Förderaggregats handelt es sich um den das zu fördernde Medium leitende und nach außen abgedichtete Teil des Gehäuses des Förderaggregats. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Übergänge im Strömungsbereich des Förderaggregats zwischen den Teilstücken des Gehäuses strömungsoptimiert ausgeführt sind. Dadurch kann der Strömungswiderstand des Förderaggregats insbesondere im Bereich der Teilstücke Auslass-Krümmer und Diffusor-Bereich verringert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Strömungsgeschwindigkeit des zu fördernden Medium im inneren Strömungsquerschnitt konstant gehalten werden und es kommt zu nahezu keinen Reibungs- und/oder Strömungs-Verlusten. Dadurch können der Wirkungsgrad der Ventil-Strahlpumpenanordnung, des Förderaggregats und somit der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöht werden. Weiterhin kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass unterschiedliche Größen an Förderaggregaten, insbesondere je nach Kundenwunsch, abgedeckt werden können. Dies ist aufgrund der hohen Variabilität der Teilstücke des Gehäuses untereinander und beispielsweise unter Verwendung eines Teilstück-Baukastenprinzips zur Kombination unterschiedlicher Teilstückgrößen für das Förderaggregat möglich. Dadurch lassen sich die Herstellkosten von unterschiedlichen Förderaggregat-Größen und/oder -Ausführungen aufgrund einer Gleichteile-Strategie bei den Gehäuse Teilstücken verringern.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Teilstücke des Gehäuses aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt. Weiterhin kann für die Herstellung der Teilstücke des Gehäuses ein metallisches Material und/oder eine Metall-Legierung verwendet werden. Auf diese Weise kann, insbesondere aufgrund der verbesserten Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials, ein schnelleres Aufwärmen der Teilstücke des Gehäuses und somit des Förderaggregats herbeigeführt werden, wodurch sich die Kaltstartfähigkeit des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessert, da Eisbrücken schneller aufgetaut und abgebaut werden können. Es muss zudem weniger Energie, insbesondere elektrische Energie und/oder Wärmeenergie durch ein in einer beispielhaften Ausführungsform verwendetes 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 für die Herstellung der Teilstücke des Gehäuses zum einen die Diffusionsdichtheit verbessert werden. Zum anderen kann jedoch 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.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Gehäuse der Strahlpumpe als zusätzliches Teilstück einen Ansaugstutzen auf, wobei dieses zusätzliche Teilstück des Gehäuses rohrförmig ausgebildet ist und wobei das Teilstück Ansaugstutzen im Bereich seines inneren Strömungsquerschnitts zylindrisch ausgebildet ist. Zudem können die Teilstücke des Gehäuses mittels eines Umformprozesses, insbesondere mittels eines Zugdruckumformprozesses und/oder mittels eines Tiefziehprozesses, hergestellt werden. Vorteilhaft ist dabei darüber hinaus, die Teilstücke des Gehäuses als separate Teilstücke herzustellen, wobei die Teilstücke nachträglich derart miteinander verbunden werden, dass durch die Teilstücke das vollständige Gehäuse ausgebildet wird. Dazu kann beispielsweise die Verbindungsmethode des stoffschlüssigen Verbindens und/oder Zusammenfügens der Teilstücke des Gehäuses angewandt werden, beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Übergänge im Strömungsquerschnitt des Förderaggregats zwischen den Teilstücken des Gehäuses, 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.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist das Förderaggregat einen Ventilhalter auf, wobei sich der Ventilhalter zum Befestigen eines Dosierventils am Gehäuse zwischen dem Dosierventil und der Strahlpumpe befindet und wobei der Ventilhalter kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Dosierventil und/oder der Strahlpumpe verbunden ist. Dabei kann sich wenigstens ein Dichtelement zwischen dem Ventilhalter und dem Dosierventil befinden, wobei das jeweilige Dichtelement insbesondere als ein Dichtring ausgeführt ist. Auf diese Weise kann eine einfache und kostengünstige Verbindung des Gehäuses mit dem Dosierventil, insbesondere mittels des Ventilhalters, realisiert werden. Die Verbindung bildet dabei auch bei hohen Drücken, die im und am Dosierventil auftreten, eine nahezu vollständige Kapselung aus, so dass nahezu kein zu förderndes Medium, insbesondere kein Treibmedium in Form von Wasserstoff, zwischen dem Dosierventil und der Strahlpumpe hindurch in den Bereich außerhalb des Förderaggregats gelangen kann. Dadurch kann verhindert werden, dass sich das zu fördernde Medium mit einem hohen Wasserstoffanteil außerhalb des Förderaggregats sammelt und mit dem Umgebungsmedium reagiert, was beispielsweise zu einer Beschädigung des Brennstoffzellen-Systems und/oder des Gesamt-Fahrzeugs führen kann. Des Weiteren kann eine Verbindung des Dosierventils und der Strahlpumpe derart umgesetzt werden, dass eine kompakte und platzsparende Bauweise des Förderaggregats erzielt werden kann. Zudem lassen sich Materialkosten, Fertigungskosten und Montagekosten durch den Einsatz des Ventilhalters und des wenigstens einen Dichtelements erzielen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung bildet das Gehäuse eine Ventilaufnahme aus, mit der das Dosierventil kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist. Dabei kann die Ventilaufnahme aus einem dünnwandigen Material ausgebildet sein, wobei die Ventilaufnahme insbesondere rohrförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise kann das Bauteil Ventilhalter entfallen und somit können Bauteilkosten eingespart werden. Darüber hinaus kann eine kompaktere Bauweise erzielt werden. Auch lässt sich das Gehäuse im Bereich der Ventilaufnahme und des Ansaugbereichs bei einem Kaltstartvorgang schneller erwärmen, da hier weniger Baumaterial und somit weniger Maße an Material, die aufgeheizt werden,müsste, eingesetzt wird. Somit lässt sich ein schnelles Starten des Brennstoffzellen-Systems erzielen und eine Schädigung des Förderaggregats durch Eisbrücken und Eis-Stücke, insbesondere der beweglichen und filigranen Bauteile, kann verhindert werden. Zudem lässt sich die Größe der Ventilaufnahme, insbesondere des Innendurchmessers, anpassen, wodurch unterschiedliche Baugrößen des Dosierventils verwendet werden können. Dadurch wird durch die erfindungsgemäße Ausprägung des Gehäuses eine hohe Varianz an Förderaggregat-Größen ermöglicht, während die Kosten aufgrund der baulichen Varianz, insbesondere aufgrund einer Gleichteilestrategie, gering gehalten werden können.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dosierventil als ein Proportionalventil ausgeführt. Darüber hinaus kann eine Düse als weiteres Teilstück des Gehäuses ausgeführt sein. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das Gewicht des Förderaggregats reduziert wird und eine kompakte Bauweise erzielt werden kann, insbesondere aufgrund der als Teil des Gehäuses ausgeführten Düse. Weiterhin bietet die als weiteres Teilstück des Gehäuses ausgeführte Düse den Vorteil, dass ein verbesserter da verkürzter Kaltstartvorgang durchgeführt werden kann, insbesondere wenn die Düse aus dem gleichen Material, bei dem es sich um ein Material oder eine Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität handelt, wie die restlichen Teilstücke des Gehäuses ausgeführt ist und die Düse mittels einer stoffschlüssigen Verbindungsmethode mit zumindest einem weiteren Teilstück des Gehäuses verbunden ist. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Teilstück Ansaugbereich oder das Teilstück Ventilaufnahme die Düse direkt ausbilden, beispielsweise mittels der Fertigungsprozesses Tiefziehen, wodurch sich die angeführten Vorteile weiter verbessern lassen. Weiterhin lässt sich beispielsweise bei dem Einsatz mindestens eines Heizelements der Vorteil erzielen, dass diese Heizenergie bei einem Kaltstartvorgang in kurzer Zeit nach dem Einschalten des Heizelements zur Düse vordringen und vorhandene Eisbrücken im Bereich der Düse und der Aktorik des Dosierventils erwärmt und somit beseitigt werden können. Dadurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund einer Beschädigung der Bauteile des Förderaggregats reduziert werden.
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Des Weiteren kann eine Verbesserung des Ansprechverhaltens des Dosierventils aufgrund der Ausführung als Proportionalventil erzielt werden, wodurch eine verbesserte Zu-Dosierung des Treibmediums in die Strahlpumpe erreicht wird, wodurch sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Düse und das Mischrohr des Förderaggregats rotationssymetrisch ausgeführt, wobei die Düse koaxial zum Mischrohr der Strahlpumpe verläuft. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine verbesserte Vermischung des Treibmediums mit dem Rezirkulat in der Strahlpumpe erzielt wird. Weiterhin kann eine bessere Impulsübertragung vom Treibmedium aus dem Dosierventil mit dem Rezirkulat im Bereich des Mischrohres erfolgen. Somit lässt sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats erhöhen und die Betriebskosten des Förderaggregats bei gleicher Förderleistung können reduziert werden.
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Figurenliste
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregates gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer Strahlpumpe, einem Dosierventil und einem Ventilhalter,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und dem Förderaggregat,
- 3 eine schematische Schnittansicht des Förderaggregates gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit der Strahlpumpe, dem Dosierventil und einer Ventilaufnahme.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der Darstellung gemäß 1 ist eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregats 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zu entnehmen. Das Förderaggregat 1 weist dabei eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 auf. Die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 weist dabei ein Dosierventil 6 und eine Strahlpumpe 4 auf, wobei das Dosierventil 6 mittels eines Ventilhalters 8 mit der Strahlpumpe 4 verbunden ist, insbesondere mit mindestens einem Teilstück eines Gehäuses 24 der Strahlpumpe 4. Der Ventilhalter 8 kann hierbei beispielsweise mittels eines stoffschlüssigen Verfahrens, insbesondere eines Schweiß-Verfahrens, mit dem Dosierventil 6 verbunden sein. Dabei befindet sich ein erstes Dichtelement 14 und ein zweites Dichtelement 16 zwischen dem Ventilhalter 8 und dem Dosierventil 6. Die Strahlpumpe 4 dabei weist das Gehäuse 24 auf, wobei das Gehäuse 24 die Teilstücke erster Zulauf 28, Ansaugbereich 7, Mischrohr 18, Diffusor-Bereich 20 und optional einen Auslass-Krümmer 22 und/oder ein Verbindungsstück 26 aufweist. Die Teilstücke des Gehäuses 24 sind dabei rohrförmig ausgebildet und dienen zum Fördern und Leiten des gasförmigen Mediums in einem Förderaggregat 1. Zudem befindet sich eine Düse 12 im Ansaugbereich 7 des Gehäuses 24, durch ein Treibmedium vom Dosierventil 6 kommend in Teile des Ansaugbereichs 7 und in das Mischrohr 18 einströmt. Die Düse 12 weist dabei eine innere Aussparung 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. Das Gehäuse 24 der Strahlpumpe 4 kann darüber hinaus als zusätzliches Teilstück einen Ansaugstutzen 10 aufweisen, wobei dieses zusätzliche Teilstück des Gehäuses 24 rohrförmig ausgebildet ist und wobei das Teilstück Ansaugstutzen 10 im Bereich seines inneren Strömungsquerschnitts zylindrisch ausgebildet ist.
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In 1 ist zudem dargestellt, dass sich ein zentraler Strömungsbereich im Inneren des Gehäuses 24 befindet, durch den das zu fördernde gasförmige Medium in der Strömungsrichtung VII strömt, wobei der zentrale Strömungsbereich im Bereich der Mündung der Düse 12 im Ansaugbereich 7 beginnt und sich durch das Mischrohr 18, den Diffusor-Bereich 20 bis in den optionalen Auslass-Krümmer 22 erstreckt. Der Strömungsquerschnitt des Ansaugstutzens 10 und/oder des ersten Zulaufs 28 kann dabei orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufen. In den zentralen Strömungsbereich strömt von außerhalb des Förderaggregats 1 durch den ersten Zulauf 28 ein gasförmiges Rezirkulationsmedium, insbesondere H2 , aus einer Rückführleitung 23 auf einem ersten Strömungspfad V in das Förderaggregat 1 ein, wobei das gasförmige Rezirkulationsmedium beispielsweise aus einem Anodenbereich 38 einer Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, gefördert wird. Dieses gasförmige Rezirkulationsmedium kann dabei beispielsweise durch den Ansaugstutzen 10, der in diesem Fall den ersten Zulauf 28 ausbildet, in den Ansaugbereich 7 und teilweise in das Mischrohr 18 des Gehäuses 24 einströmen.
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Durch einen zweiten Zulauf 36 strömt von außerhalb des Förderaggregats 1 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere H2 , in eine Aussparung des Ventilhalters 8 und/oder in das Dosierventil 6 ein, wobei das Treibmedium aus einer Zuströmleitung 21 auf einem zweiten Strömungspfad VI über den zweiten Zulauf 36 in das Förderaggregat 1 einströmt. 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, das 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. 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 des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 ein. 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 Druck-Differenz 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 und/oder des Ansaugstutzens 10 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 eines gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden.
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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-Bereich 20, wobei es im Diffusor-Bereich 20 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium in Einströmrichtung VIII entweder direkt in eine Verbindungsleitung 27 und über die Verbindungsleitung 27 zurück in den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 29 (nicht gezeigt in 1). In einer beispielhaften alternativen Ausführungsform strömt das Medium aus dem Diffusor-Bereich 20 durch den Auslass-Krümmer 22, bei dem es eine entsprechende Umlenkung erfährt, und von dort weiter über das Verbindungsstück 26. Vom Verbindungstück 26 strömt das Medium dann entweder direkt in Einströmrichtung VIII in die Brennstoffzelle 29, insbesondere in den Anodenbereich 38 und/oder einen Stack der Brennstoffzelle 29, oder alternativ über die Verbindungsleitung 27 in die Brennstoffzelle 29. 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 Anodenbereich 38 einströmen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird das Förderaggregat 1 vorzugsweise parallel zu einer Endplatte der Brennstoffzelle 29 angeordnet. Dies gilt insbesondere, wenn das Brennstoffzellen-System 31 aufgrund von baulichen Restriktionen am oder im Fahrzeug kompakte Abmaße aufweisen muss. In dieser Endplatte befindet sich ein Zuström-Öffnung des Anodenbereichs 38 der Brennstoffzelle 29. Daher muss der Anodengasstrom der aus der Strahlpumpe 4 austritt nahezu rechtwinklig oder zumindest in einem spitzen Winkel umgelenkt werden, um zur Zuström-Öffnung des Anodenbereichs 38 zu gelangen. Dies erzeugt große Umlenkverluste, da am Austritt der Strahlpumpe 4 der größte Volumenstrom vorliegt. Diese Umlenkverluste reduzieren dadurch die Rezirkulationsmenge der Strahlpumpe 4. Um im begrenzten Bauraum beispielsweise an der Brennstoffzelle 29, insbesondere eines Stacks, eine Reduktion der Umlenkverluste zu erreichen, wird hier vorgeschlagen, direkt am Austritt des Diffusor-Bereichs 20 der Strahlpumpe 4 den Auslass-Krümmer 22 vorzusehen.
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Die Aufgabe des in der 1 gezeigten ersten Dichtelements 14 und/oder des zweiten Dichtelements 16 ist die Kapselung des über den ersten Strömungspfad V in das Dosierventil 6 einströmenden unter hohem Druck, insbesondere über 5 bar, stehenden Treibmediums, so dass das Treibmedium nicht über einen Pfad zwischen dem Ventilhalter 8 und dem Dosierventil 6 in die Umgebung entweichen kann. Dabei befindet sich wenigstens ein Dichtelement 14, 16 zwischen dem Ventilhalter 8 und dem Dosierventil 6, wobei das jeweilige Dichtelement 14, 16 insbesondere als ein Dichtring 14, 16 ausgeführt ist. Dabei wird verhindert, dass das Treibmedium in den Umgebungs-Bereich außerhalb des Förderaggregats 1 entweichen kann und es dort zu einer nachteiligen Reaktion mit dem umliegenden Sauerstoff kommen kann. Das Treibmedium strömt dabei über den zweiten Strömungspfad VI beispielsweise von einem Tank 34 über die Zuströmleitung 21 und beispielsweise mindestens eines Zwischenventils zum Dosierventil 6.
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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 Stömungsbereich 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.
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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-Bereich 20 im Bereich seines inneren Strömungsquerschnitts konisch, insbesondere sich in der Strömungsrichtung VII vergrößernd. Durch diese Ausformung des Teilstücks Diffusor-Bereich 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 , dem Anodenbereich 38 zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöht werden kann. Des Weiteren sind die Teilstücke des Gehäuses 24 aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt, wobei es sich bei diesem Material gemäß einer beispielhaften Ausführungsform um ein metallisches Material oder einer Metall-Legierung handelt. In einer weiteren vorteilhaften erfinderischen Ausführung können die Teilstücke des Gehäuses 24 mittels eines Umformprozesses, insbesondere mittels eines Zugdruckumformprozesses und/oder mittels eines Tiefziehprozesses, hergestellt werden. Dabei werden die Teilstücke des Gehäuses 24 als separate Teilstücke hergestellt und erst nachträglich bei der Montage miteinander verbunden um das Gehäuse 24 ausbilden. Um zum einen eine möglichst optimale Kapselung des inneren Strömungsquerschnitts zu erreichen werden die Teilstücke des Gehäuses 24 durch eine stoffschlüssige Verbindungsmethode zum Gehäuse 24 zusammengefügt, beispielsweise mittels eines Schweißverfahrens. Zum anderen sorgt diese stoffschlüssige Verbindungsmethode dafür, dass die Übergänge zwischen den Teilstücken des Gehäuses 24 möglichst glatt und strömungsoptimiert ausgeführt werden können, dass sich ein möglichst geringer Strömungswiderstand aufgrund der in diesem Bereich zusammengefügten im inneren Strömungsquerschnitt liegenden Oberflächen ergibt. Eine weitere Verbesserung der Strömungsoptimierung der Oberflächen kann aufgrund einer maschinellen Nachbehandlung der im inneren Strömungsquerschnitt liegenden Oberflächen der Teilstücke erzielt werden, indem diese beispielsweise entgratet, geschliffen, gefräst oder poliert werden, was derart nur beim Einsatz einer stoffschlüssigen Verbindungsmethode möglich ist, insbesondere bei metallischen Teilstücken des Gehäuses 24.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel des Förderaggregats 1 gemäß 1 weist dieses den Ventilhalter 8 auf, wobei sich der Ventilhalter 8 zum Befestigen des Dosierventils 6 am Gehäuse 24 eignet. Der Ventilhalter 8 befindet sich dabei zwischen dem Dosierventil 6 und der Strahlpumpe 4 und wobei der Ventilhalter 8 kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Dosierventil 6 und/oder der Strahlpumpe 4 verbunden ist. In einer vorteilhaften Weise kann der Ventilhalter 8 dabei derart ausgeführt sein, dass dieser Anschlagpunkte aufweist, um das Förderaggregat 1 als Ganzes oder in Teilen an den Bauteilen des restlichen Anodenkreislaufs und/oder des Brennstoffzellen-Systems 31 und/oder der Brennstoffzelle 29 und/oder an Bauteilen des Gesamt-Fahrzeugs zu befestigen. Der Ventilhalter 8 kann somit in vorteilhafter Weise als strukturelle Einbauhilfe und Montagehilfe verwendet werden.
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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. In einer weiteren vorteilhaften Weise kann die Düse 12 als weiteres Teilstück des Gehäuses 24 ausgeführt sein. Dadurch lässt sich eine kostengünstigere und schnellere Fertigung, insbesondere mittels eines Tiefziehprozesses erzielen, wobei beispielsweise das Teilstück Ansaugbereich 7 oder der Ventilhalter 8 oder das Dosierventil 6 oder das Teilstück Ansaugstutzen 10 oder eine Ventilaufnahme 9 (in 1 nicht gezeigt, jedoch in 3) die Düse 12 aufweisen kann. Zur weiteren Verbesserung der Strömungsgeometrie und des Wirkungsgrads des Förderaggregats 1 sind die Düse 12 und das Mischrohr 18 rotationssymetrisch ausgeführt, wobei die Düse 12 koaxial zum Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4 verläuft.
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In 2 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Brennstoffzellen-Systems 31 dargestellt, wobei das Brennstoffzellen-System 31 das Förderaggregat 1 und weitere Bauteile aufweist und wobei insbesondere eine Anodenseite des Brennstoffzellen-Systems 31 dargestellt ist. Wie aus 2 ersichtlich, ist das Förderaggregat 1 über die Verbindungsleitung 27 mit der Brennstoffzelle 29 verbunden, die den Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist die Rückführleitung 23 vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 29 mit dem Ansaugbereich 7, der insbesondere als der erste Zulauf 28 ausgebildet ist, des Förderaggregats 1 verbindet. Mittels der Rückführleitung 23 kann das im Anodenbereich 38 beim Betrieb der Brennstoffzelle 29 nicht verwertete erste gasförmige Medium zum ersten Zulauf 28 zurückgeführt werden. Bei diesem ersten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das vorrangegangen beschriebene Rezirkulationsmedium. Optional kann ein Seitenkanalverdichter dem Förderaggregat 1 vorgeschaltet sein, wobei sich der Seitenkanalverdichter an der Rückführleitung 23 angeordnet und fluidisch integriert zwischen der Brennstoffzelle 29 und dem Förderaggregat 1 befindet. Der Seitenkanalverdichter dient zur Verbesserung des Strömungsverhaltens des Rezirkulats im Anodenkreislauf bei bestimmten Betriebszuständen des Brennstoffzellen-Systems 31.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich, wird das in dem Tank 34 gespeicherte zweite gasförmige Medium über die Zuströmleitung 21 in einen Zuströmbereich, der insbesondere als der zweite Zulauf 36 ausgebildet ist, des Förderaggregats 1 zugeführt. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das Treibmedium.
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Die Darstellung gemäß 3 zeigt eine schematische Schnittansicht des Förderaggregates gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit der Strahlpumpe 4, dem Dosierventil 6 und der Ventilaufnahme 9.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel des Förderaggregats 1 gemäß 3 bildet das Gehäuse 24 die Ventilaufnahme 9 aus, mit der das Dosierventil 6 kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist. Die Ventilaufnahme 9 ist dabei aus einem dünnwandigen Material ausgebildet, wobei die Ventilaufnahme 9 insbesondere rohrförmig ausgebildet sein kann. Mittels der Verwendung der Ventilaufnahme 9 kann das zusätzliche Bauteil Ventilhalter 8 entfallen, wodurch Materialkosten und/oder Montagekosten eingespart werden können. Zudem muss weniger Wärmeenergie zum Abbau von Eisbrücken im Förderaggregat 1 bei einem Kaltstartvorgang aufgewendet werden, da nicht zusätzlich das Bauteil Ventilhalter 8 erwärmt werden muss. Dabei ist in 3 dargestellt, dass bei einer entsprechenden Ausformung des Außendurchmessers des Dosierventils 6 die Ventilaufnahme 9 beispielsweise als zylindrische Verlängerung des Teilstücks Ansaugbereich 7 ausgeführt sein kann, wobei das Dosierventil 6 derart in die rohrförmige Aussparung der Ventilaufnahme 9 eingeschoben wird, dass der Außendurchmesser des Dosierventils 6 am Innendurchmesser des rohrförmigen Teilstücks Ventilaufnahme 9 anliegt. Eine leicht konische Ausführung des jeweiligen Außendurchmessers und Innendurchmessers ist möglich, um hier eine dichtende Kapselung mittels eines Pressverbands zu bewirken. Zusätzlich können sich das erste Dichtelement 14 und/oder das zweite Dichtelement 16 zwischen dem Innendurchmesser der Ventilaufnahme 9 und dem Außendurchmesser des Dosierventils 6 befinden. Das jeweilige Dichtelement ist als ein um das Dosierventil 6 umlaufendes Dichtelement 14, 16 ausgeführt, insbesondere als ein O-Ring. Das mindestens eine Dichtelement 14, 16 verhindert dabei, dass das Treibmedium aus dem Bereich des zweiten Zulaufs 36 und/oder das zu fördernde Medium aus dem inneren des Gehäuses 24 austreten kann und in den Bereich außerhalb des Förderaggregats 1 austreten kann, indem das mindestens eine Dichtelement 14, 16 eine kapselnde Wirkung zwischen dem Dosierventil 6 und dem Gehäuse 24, insbesondere der Ventilaufnahme 9 und dem Gehäuse 24 erzielt.
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Auch in diesem zweiten Ausführungsbeispiel des Förderaggregats 1 kann das Medium nach dem Durchströmen des Diffusor-Bereichs 20 entweder direkt in die Verbindungsleitung 27 und von über die Verbindungsleitung 27 zurück in den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 29 strömen (nicht gezeigt in 3). In einer beispielhaften alternativen Ausführungsform strömt das Medium aus dem Diffusor-Bereich 20 durch den Auslass-Krümmer 22, bei dem es eine entsprechende Umlenkung erfährt, und von dort weiter über das Verbindungsstück 26. Vom Verbindungstück 26 strömt das Medium dann entweder direkt in die Brennstoffzelle 29, insbesondere in den Anodenbereich 38 und/oder einen Stack der Brennstoffzelle 29 oder alternativ über die Verbindungsleitung 27 in die Brennstoffzelle 29.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014105995 A1 [0003, 0004]
