DE102018216299B3

DE102018216299B3 - Brennstoffzellen-System mit einem Förderaggregat und/oder ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasför-migen Mediums

Info

Publication number: DE102018216299B3
Application number: DE102018216299.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Grünberger; Armin Richter; Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-09-25
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2020-02-13
Anticipated expiration: 2038-09-26
Also published as: CN112771274A; WO2020064189A1; CN112771274B; US11916268B2; US20220037686A1; JP7246470B2; JP2022500832A

Abstract

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl des unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosierventil (6) mit einer Düse (12), wobei das Förderaggregat (1) als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (2) ausgeführt ist, wobei das gasförmige Medium der Strahlpumpe (4) mittels des Dosierventils (6) zugeführt wird, wobei die Strahlpumpe (4) einen Grundkörper (8) wobei die Strahlpumpe (4) mit einem Anodeneingang (3) einer Brennstoffzelle (29) verbunden ist.Erfindungsgemäß erfolgt dabei eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in einer Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums von der Strahlpumpe (4) zum Anodeneingang (3) der Brennstoffzelle (29) ausschließlich im Umlenk-Bereich (22), wobei die Strahlpumpe (4) einen mit dem Grundkörper (8) verbundenen separaten Verschluss-Deckel (5) aufweist und wobei der Umlenk-Bereich (22) und/oder die Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Bereichs (22) für das gasförmige Medium ausschließlich im Bauteil Verschluss-Deckel (5) ausgebildet wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-System mit einem Förderaggregat und/oder 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 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 Diffusor-Bereich auf.Dabei weist das Dosierventil einen zweiten Zulauf und eine Düse auf. 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 des Dosierventils gesteuert werden.
DE 10 2010 043 618 A1 bezieht sich auf ein Proportionalventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Das Proportionalventil weist dabei ein Ventilgehäuse, eine Ejektoreinheit, einen Aktor und ein Schließelement auf. Die Ejektoreinheit ist dabei am Ventilgehäuse angeordnet und weist einen Zuströmbereich auf, welchem ein erstes gasförmiges Medium unter Druck zugeführt wird, und einen Ansaugbereich auf, an welchem ein zweites gasförmiges Medium ansteht. Des Weiteren weist die Ejektoreinheit einen Mischrohrbereich auf, aus welchem ein Gemisch des ersten und zweiten gasförmigen Mediums austritt. Dabei ist der Ansaugbereich zwischen dem Zuströmbereich und dem Mischrohrbereich angeordnet. Das Schließelement ist dabei mit dem Aktor verbunden und gibt eine Durchgangsöffnung frei und verschließt diese, wobei die Durchgangsöffnung zwischen dem Zuströmbereich und dem Ansaugbereich der Ejektoreinheit angeordnet ist.
DE 10 2017 220 800 A1 bezieht sich auf eine Strahlpumpeneinheit umfassend ein Pumpengehaeuse , ein Dosierventil mit einem Ventilgehaeuse, einen Mischrohrbereich, einen Ansaugkanal und einen Ablaufbereich. Dabei ist in dem Pumpengehaeuse eine Durchgangsbohrung ausgebildet, die eine Durchgangsoeffnung ausbildet. Darueber hinaus ist das Dosierventil in der Durchgangsoeffnung aufgenommen, wobei in der Durchgangsoeffnung radial zu einer Laengsachse der Strahlpumpeneinheit eine erste Stufe und eine zweite Stufe zur radialen Zentrierung und Fuehrung des Dosierventils in dem Pumpengehaeuse ausgebildet sind.
DE 10 2017 222 390 A1 bezieht sich auf eine Fördereinrichtung fuer ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasfoermigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Die Fördereinrichtung umfasst dabei ein Rezirkulationsgebläse , eine Strahlpumpe, die mit einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenden wird. Darüber hinaus umfasst die Fördereinrichtung ein Dossierventil, wobei das unter Druck stehende gasfoermigen Medium der Strahlpumpe mittels des Dossierventils zugefuehrt wird und wobei ein Anodenausgang einer Brennstoffzelle mit einem Eingang der Fördereinrichtung fluidisch verbunden ist und/oder ein Ausgang der Foerdereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist. Dabei bilden die Strahlpumpe und das Dossierventil eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung. Die Komponenten der Fördereinrichtung sind dabei derart auf einem plattenförmigen Traegerelement positioniert, dass die Stroemungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten der Foerdereinrichtung auschliesslich parallel zum plattenfoermigen Trägerelement verlaufen, wobei das plattenförmige Traegerelement zwischen der Brennstoffzelle und der Fördereinrichtung angeordnet ist.
DE 10 2018 200 314 A1 bezieht sich auf Dosierventil zum Steuern eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Das Dosierventil weist dabei ein Ventilgehaeuse auf, in dem ein Innenraum ausgebildet ist. In dem Innenraum ist entlang einer Längsachse des Dosierventils ein bewegbares Schliesselement an geordnet, das zum Öffnen oder Schliessen eines Öffnungsquerschnitts von einem Zulaufbereich in eine Durchlassöffnung mit einem Ventilsitz zusammenwirkt. Darueber hinaus weist das Dosierventil eine Düse auf, in welcher die Durchlassöffnung ausgebildet ist. Die Durchlassöffnung geht dabei in einen Umlenkstutzen über und ist mit der Düse fest verbunden, so dass das aus der Durchlassöffnung austretende gasförmige Medium durch den Umlenkstutzen von der Längsachse des Dosierventils umgelenkt wird.
JP 2007 303 638 A bezieht sich auf ein Flüssigkeitsregelventil zur Reduzierung der Streuung einer vollständig geöffneten Durchflussmenge. Das Fluidsteuerven til umfasst einen zylindrischen Ventilkörper, einen Fluidausströmteil mit einem Fluidausströmloch und eine Dichtfläche, ein Ventilelement zum Öffnen und/oder Schließen des Fluidausströmlochs, eine Erregungseinrichtung zum Erregen des Ventilelements in eine Ventilschließrichtung, eine elektromagnetische Krafterzeu gungseinrichtung zum Erzeugen einer elektromagnetischen Kraft auf das Ventilelement in eine Ventilöffnungsrichtung und ein vollständig geöffnetes Positionsbegrenzungselement zum Begrenzen der vollständig geöffnete Position des Ven tilelements. Das Fluidausströmteil hat ein erstes Sitzelement, das an einem Ende des Ventilkörpers befestigt ist, und ein zweites Sitzelement mit dem Fluidausströmloch und dem Sitzfläche und in Bezug auf das erste Sitzelement in der Position einstellbar. Das zweite Sitzelement ist in Bezug auf das erste Sitzelement in der Bewegungsrichtung des Ventilelements in der Position einstellbar, so dass das Ventilelement eine festgelegte Menge durchlässt, wenn es sich in der komplett geöffneten Position befindet.
Das aus der DE 10 2014 105 995 A1 und dem weiteren Stand der Technik bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen.
Bei einem Anbau des Förderaggregats an einen Anodeneingang der Brennstoffzelle muss das zu fördernde Medium stromabwärts des Förderaggregats, insbesondere nach dem Durchströmen des Diffusor-Bereichs, umgelenkt werden, bevor es in den Anodeneingang einströmen kann. Bei dieser Umlenkung, insbesondere einer Strömungsumlenkung des zu fördernden Mediums, kann es aufgrund der Umlenkung, die in einem Strömungsleitungssystem, das beispielsweise als ein Rohrleitungssystem ausgeführt ist, zwischen dem Förderaggregat, insbesondere der kombinierten Ventil-Strahlpumpenanordnung, und dem Anodeneingang zu Strömungsverlusten und/oder Druckverlusten kommen. Dabei wird der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems, insbesondere der Ventil-Strahlpumpenanordnung, verringert. Des Weiteren ist die Verbindung des Förderaggregats und des Anodeneingangs durch Rohrleitungen insoweit nachteilig, da es bei den Rohrleitungen über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellen-Systems, insbesondere bei starken Temperaturschwankungen, zu Dichtigkeitsproblemen kommen kann, insbesondere bei geschweißten und/oder verschweißten Rohrleitungen. Dadurch ist die Ausfallswahrscheinlichkeit des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, zum Fördern und/oder Rezirkulieren eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H₂ bezeichnet wird.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 erfolgt eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in einer Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums von einer Strahlpumpe zu einem Anodeneingang einer Brennstoffzelle ausschließlich in einem Umlenk-Bereich und wobei die Strahlpumpe einen mit einen Grundkörper verbundenen separaten Verschluss-Deckel aufweist, wobei der Umlenk-Bereich und/oder eine Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Bereichs für das gasförmige Medium ausschließlich im Bauteil Verschluss-Deckel ausgebildet wird. Auf diese Weise kann die Umlenkungs- und Führungsgeometrie in die Strahlpumpe integriert werden und es bedarf keiner weiteren Umlenkung des zu fördernden Mediums in einem Strömungsleitungssystem und/oder Rohrleitungssystem zwischen dem Förderaggregat, insbesondere einem Diffusor-Bereich, und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle. Des Weiteren können die Strömungsverluste und/oder Druckverluste aufgrund der Umlenkung möglichst gering gehalten werden. Zu diesem Zweck ist der Radius im Umlenk-Bereich und/oder die Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Bereichs für das gasförmige Medium derart ausgeführt, dass eine möglichst geringe Reibung zwischen dem zu fördernden Medium, insbesondere H₂, und der Oberfläche der Strömungsgeometrie des Umlenk-Bereich auftritt. Somit können aufgrund der Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Strömungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die Krümmung Druckverluste und Reibungsverluste reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder einer Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzellen-System verbessert werden. Zudem lässt sich durch die Integration des Umlenk-Bereichs in die Strahlpumpe, insbesondere in den Verschluss-Deckel, der Vorteil erzielen, dass zwischen dem Ausgang der Ventil-Strahlpumpenanordnung und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle ein möglichst geringer Abstand vorliegt und somit eine kürzere Strömungsleitung ausgebildet wird. Dadurch können die Strömungsverluste und/oder Druckverluste gering gehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems weiter verbessert werden kann. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass die Gefahr von Undichtigkeiten des Brennstoffzellen-Systems reduziert wird, da ein Rohrleitungssystem, insbesondere zwischen der Strahlpumpe und der Brennstoffzelle, entweder gar nicht mehr benötigt wird oder nur in verkürzter Form benötigt wird. Zudem ist eine Integration des Umlenk-Bereichs in die Strahlpumpe insoweit vorteilhaft, dass kein weitere Bauraum beispielsweise in Form einer zusätzlichen Verrohrung benötigt wird. Somit lässt sich der Vorteil einer kompakten Bauform des Förderaggregats erzielen.
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 Ausgestaltung des Förderaggregats weist der Verschluss-Deckel einen Umlenkungsstutzen mit einer vorzugsweise zylindrischen äußeren Form auf, wobei der Umlenkungsstutzen des Verschluss-Deckels in verbautem Zustand im Grundkörper in Richtung einer Längsachse verläuft und wobei der Umlenkungsstutzen vorzugsweise eine Aussparung an seiner inneren Form aufweist, wobei die Aussparung insbesondere zur Strömungsführung des gasförmigen Mediums dient. Des Weiteren ist das Förderaggregat derart ausgeführt, dass im Umlenk-Bereich mittels des Umlenkstutzens eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des gasförmigen Mediums nahezu rechtwinklig erfolgt. Auf diese Weise kann eine Umlenkung des gasförmigen Mediums derart erzielt werden, dass möglichst geringe Reibungsverluste auftreten, wodurch sich der Wirkungsgrad der Strahlpumpe und/oder des Förderaggregats und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessern lässt. Zudem sind keine weiteren Rohrleitungen zwischen der Strahlpumpe und dem Anodeneingang notwendig, wodurch die Anzahl zusätzlicher Bauteile zur Umsetzung einer Umlenkung, insbesondere einer Strömungsumlenkung des gasförmigen Mediums, reduziert wird. Weiterhin kann somit die Komplexität des Brennstoffzellen-System verringert werden, da weniger Bauteile benötigt werden. Dadurch lassen sich die Materialkosten, die Fertigungskosten und die Montagekosten reduzieren. Des Weiteren kann die Masse des Baumaterials des Brennstoffzellen-Systems reduziert werden und/oder die Wärmekapazität verringert werden, wodurch ein schnelleres Aufwärmen des Förderaggregats erzielt wird und sich somit ausgebildete Eisbrücken schneller abbauen lassen. Somit wird eine 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.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats befindet sich ein Verbindungsstück zwischen dem Verschluss-Deckel und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Strömungsverbindung zwischen der Strahlpumpe, insbesondere dem Verschlussdeckel, und dem Anodeneingang möglichst kurz zumindest nahezu ohne Strömungsverluste realisiert werden kann. Somit lässt sich aufgrund der reduzierten Reibungsverluste der Wirkungsgrad des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöhen. Weiterhin lassen sich, aufgrund der Integration des Verbindungsstücks als Teil des Grundkörpers der Strahlpumpe, die Übergänge im Strömungsbereich des Förderaggregats zwischen den Teilstücken der Strahlpumpe strömungsoptimiert ausführen. Dadurch kann der Strömungswiderstand des Förderaggregats insbesondere im Bereich der Teilstücke Diffusor-Bereich, Umlenk-Bereich und Verbindungsstück verringert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Strömungsgeschwindigkeit des zu fördernden Medium im inneren Strömungsquerschnitt auf einem hohen Niveau gehalten 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 einer Brennstoffzelle verbinden lassen, wodurch der Platzbedarf und der Bauraum des Brennstoffzellen-Systems im GesamtFahrzeug reduziert werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung verbindet die Aussparung des Umlenkstutzens den Diffusor-Bereich und das Verbindungsstück der Strahlpumpe zumindest mittelbar fluidisch miteinander. Weiterhin ist die Aussparung des Umlenkstutzens derart ausgeformt, dass diese zum Strömungsquerschnitt des Diffusor-Bereichs und zum Strömungsquerschnitt des Verbindungsstücks offen ist, so dass das gasförmige Medium den Umlenkstutzen in Strömungsrichtung VII durchströmen kann. Zudem weist der Umlenkstutzen im Bereich der Aussparung in seinem innenliegenden Strömungsquerschnitt zumindest teilweise eine zumindest annähernd kugelförmige Innenfläche auf. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Übergänge im Strömungsquerschnitt des Förderaggregats zwischen den Teilstücken Diffusor-Bereich, Umlenk-Bereich und Verbindungsstück möglichst fließend und strömungsoptimiert ausgeführt sind. Dabei werden insbesondere Spalte oder Kanten, die für Verwirbelungen oder Strömungsabrisse des zu fördernden Mediums sorgen können, im Bereich dieser Übergänge nahezu vermieden. 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 erfindungsgemäße Ausgestaltung des Umlenkstutzens und/oder der Aussparung des Umlenkstutzens eine kostengünstige Fertigung des Umlenk-Bereichs in dem Förderaggregat erzielt werden, da die Umlenkungs-Strömungsgeometrie nur in das Bauteil Umlenkstutzen eingebracht werden muss. Zudem ist der Verschluss-Deckel mit dem Umlenkstutzen vor einer möglichen Montage im Grundkörper der Strahlpumpe für ein Fertigungsverfahren, bei dem es sich insbesondere um ein spanendes Fertigungsverfahren handelt, leicht zugänglich und es muss nur ein relativ kleines Bauteil bearbeitet und auf eine Bearbeitungsmaschine aufgespannt werden. Somit lassen sich die Fertigungskosten, die Bearbeitungskosten und die Bauteilkosten verringern. Zudem kann auf diese Weise eine erhöhte Diffusionsdichtheit bewirkt werden, da die Bauteile die den Strömungsquerschnitt zwischen einem Mischrohr der Strahlpumpe und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle ausbilden, möglichst wenige Schnittstellen aufweisen, wobei die Schnittstellen zwischen den Bauteilen bei einem fehlerhaften Verbindungsverfahren anfällig gegen Undichtheit sind. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats aufgrund einer Undichtheit des Strömungsquerschnitts des Brennstoffzellen-System reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Verschluss-Deckel des Förderaggregats mittels einer lösbaren Verbindung, insbesondere einer Verschraubung, mit dem Grundkörper verbunden. Dabei lässt sich der Verschluss-Deckel vom Grundkörper demontieren, insbesondere wenn die Verschraubung gelöst wird. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass im Falle einer Beschädigung des Strömungsquerschnitts im Umlenk-Bereich des Förderaggregats, beispielsweise durch Eispartikel bei einer geringen Umgebungstemperatur und/oder einer Kaltstartprozedur, eine kostengünstige und schnelle Behebung der Beschädigung durch ein Auswechseln des Verschlussdeckels mittels des Lösens der Verschraubung herbeiführen lässt. Auch lässt sich der Verschlussdeckel im Falle von Wartungsarbeiten und/oder Reparaturarbeiten mittels der Verschraubung schnell und ohne zerstörende Bearbeitung vom Grundkörper trennen, wodurch die Wartungsfreundlichkeit erhöht wird und die Wartungskosten und/oder Betriebskosten gesenkt werden können. Zudem kann verhindert werden, dass bei einer Beschädigung des Umlenkbereichs und oder der angrenzenden Strömungsbereiche das gesamte Förderaggregat ersetzt werden muss, sondern es ausreicht den Verschlussdeckel zur tauschen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats sind die Teilstücke Grundkörper und/oder Verschluss-Deckel aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt. Des Weiteren können die Bauteile Grundkörper und/oder Verschluss-Deckel der Strahlpumpe aus einem metallischen Material oder einer Metall-Legierung hergestellt sein. Zudem kann die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung ein Heizelement aufweist. 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. Somit kann durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials ein schnelleres Aufwärmen der Teilstücke Grundkörper und/oder Verschluss-Deckel und somit des gesamten Förderaggregats herbeigeführt werden. Eine weitere Maßnahme, um ein schnelles Aufheizen des erfindungsgemäßen Förderaggregats zu realisieren ist die Verwendungen eines Heizelements. 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 des 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 des Förderaggregats sind die orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen des Endabschnitts des Diffusor-Bereichs, der Strahlpumpe, des Umlenk-Bereichs, des Verbindungsstücks der Strahlpumpe und des Anodeneingangs zumindest annährend gleich. Auf diese Weise kann ein Volumenstrom und somit eine Strömungsgeschwindigkeit des Mediums im Förderaggregat konstant gehalten werden, wodurch die Energieverluste durch die Beschleunigung oder das Abbremsen des Mediums reduziert werden können. Darüber hinaus werden auch die Reibungsverluste des Mediums mit den Wandungen des Strömungsbereichs des Förderaggregats reduziert, die bei einem sich verändernden Strömungsquerschnitt auftreten. 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 Ausformung der Querschnittsflächen der Teilstücke des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass bei der Umlenkung des gasförmigen Mediums im Umlenk-Bereich die Reibungsverluste und/oder die Druckverluste und/oder die Strömungsverluste gering gehalten werden. Dies ist möglich, da nicht zusätzlich zur Umlenkung des Mediums weitere die vorgenannten Verluste hervorrufenden konstruktiven Ausführungen am Förderaggregat vorhanden sind, wie beispielsweise sich ändernde Querschnittsflächen vor dem Umlenk-Bereich, im Umlenk-Bereich und/oder hinter dem Umlenk-Bereich. Derartige Ausführungen können zu einem Strömungs-Rückstau des Mediums führen, wobei ein solcher Strömungs-Rückstau zu weiteren Reibungsverlusten und/oder Druckverlusten und/oder die Strömungsverlusten führt, wodurch sich der Wirkungsgrad des gesamten Förderaggregats weiter verschlechtert.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dosierventil als ein Proportionalventil ausgeführt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das Gewicht des Förderaggregats reduziert wird und eine kompakte Bauweise erzielt werden kann, da ein als ein Proportionalventil ausgeführtes Dosierventil weniger Bauraum benötigt und ein geringeres Eigengewicht aufweist. Zudem kann mittels des Proportionalventil ein genaueres und schnelleres Ansteuern des Dosierventils herbeigeführt werden, verglichen mit alternativen technischen Ausführungsformen des Dosierventils. Somit lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Menge und der Zeitpunkt eines mittels des Dosierventils zugeführten Treibmediums in einen Ansaugbereich und/oder das Mischrohr der Strahlpumpe exakter zu dosiert werden kann, wodurch sich der Wirkungsgrad der Strahlpumpe und somit des gesamten Förderaggregats verbessern lässt.
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, insbesondere im Ansaugbereich und/oder im Mischrohr erzielt werden kann. Weiterhin kann eine verbesserte Impulsübertragung vom Treibmedium aus dem Dosierventil auf das Rezirkulat im Ansaugbereich und im Bereich des Mischrohres erfolgen. Somit lässt sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats erhöhen und die Betriebskosten des Förderaggregats bei gleicher Förderleistung können reduziert werden.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregats mit einer kombinierten Ventil-Strahlpumpenanordnung
2 ein erfindungsgemäßer Verschluss-Deckel des Förderaggregats in einer perspektivischen Darstellung,
3 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 2 aufweist. Die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 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 8 der Strahlpumpe 4.
Die Strahlpumpe 4 weist die Komponenten Grundkörper 8 und Verschluss-Deckel 5 auf. Dabei weist die Strahlpumpe 4 im Bereich jeweils einer oder beider Komponenten einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36a, einen Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 18, einen Diffusor-Bereich 20 und einen Umlenk-Bereich 22 und/oder ein Verbindungsstück 26 auf. Das Dosierventil 6 weist einen zweiten Zulauf 36b, ein erstes Dichtelement 14, ein zweites Dichtelement 16 und eine Düse 12 auf. Dabei ist das Dosierventil 6 insbesondere in Richtung einer Längsachse 30 in die Strahlpumpe 6, insbesondere in eine Öffnung in dem Grundkörper 8 der Strahlpumpe 6 eingeschoben. Der Verschluss-Deckel 5 kann in einer beispielhaften Ausführungsform des Förderaggregats 1 in Richtung der Längsachse 30 in den Grundkörper 8 eingeschoben werden.
In 1 ist zudem dargestellt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 von einem zu fördernden Medium in einer Strömungsrichtung VII durchströmt wird. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 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 21 im Inneren des Grundkörpers 8 parallel zu Längsachse 30 in der Strömungsrichtung VII, wobei der zentrale Strömungsbereich 21 im Bereich der Mündung der Düse 12 im Ansaugbereich 7 beginnt und sich durch das Mischrohr 18, den Diffusor-Bereich 20 bis in den Umlenk-Bereich 22 erstreckt. Dabei wird der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 zum einen ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H₂ aus einem Anodenbereich einer Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Das Rezirkulat strömt dabei auf einem ersten Strömungspfad V in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 ein. Zum anderen strömt durch den zweiten Zulauf 36 auf einem zweiten Strömungspfad VI von außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere H₂, in eine Aussparung der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 und/oder in den Grundkörper 8 und/oder das Dosierventil 6 ein, wobei das Treibmedium von einem Tank 34 kommen kann und unter hohen Druck steht. Dabei verläuft der zweite Zulauf 36a, b durch die Bauteile Grundkörper 8 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, 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 10 (nicht gezeigt in 1). 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 Treibmediums und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung 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 eines 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-Bereich 20, wobei es im Diffusor-Bereich 20 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium in Strömungsrichtung VII aus dem Diffusor-Bereich 20 in den Umlenk-Bereich 22, bei dem es eine entsprechende Umlenkung erfährt, und von dort weiter über das Verbindungsstück 26 in einen Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29.
Dabei weist der Verschluss-Deckel 5 einen Umlenkstutzen 15 mit einer Aussparung 17 auf, wobei der Umlenkstutzen 15 in eine Öffnung des Grundkörpers 8 hineinragt und mittels der Ausformung 17 den Strömungsbereich und/oder Strömungsquerschnitt der Strahlpumpe 4 im Umlenk-Bereich 22 ausbildet. Dabei wird durch die Aussparung 17 des Umlenkstutzens 15 der Diffusor-Bereich 20 und das Verbindungsstück 26 der Strahlpumpe 4 zumindest mittelbar fluidisch miteinander verbunden. Des Weiteren ist die Aussparung 17 des Umlenkstutzens 5 derart ausgeformt, dass diese zum Strömungsquerschnitt des Diffusor-Bereichs 20 und zum Strömungsquerschnitt des Verbindungsstücks 26 offen ist, so dass das gasförmige Medium den Umlenkstutzen 15 in Strömungsrichtung VII durchströmen kann. Auf diese Weise kann im Umlenk-Bereich 22 mittels des Umlenkstutzens 15 eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des gasförmigen Mediums nahezu rechtwinklig erfolgen. Der Verschluss-Deckel 5 ist dabei mittels einer lösbaren Verbindung, insbesondere einer Verschraubung, mit dem Grundkörper 8 verbunden ist, so dass sich der Verschluss-Deckel 5 vom Grundkörper 8 demontieren lässt. Weiterhin kann der Verschluss-Deckel 5 aus einem anderen Material hergestellt sein, wie der Grundkörper 8, wobei die beiden Materialien insbesondere unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Zudem kann der Verschluss-Deckel 5 in einer beispielhaften Ausführungsform vor der Montage und dem Einschieben in den Grundkörper 8 und dem Fixieren mittels einer Verschraubung derart abgekühlt werden, dass der Durchmesser, insbesondere des Umlenkstutzens 15, verkleinert ist. Auf diese Weise lässt sich eine vereinfachte Montage erzielen aufgrund des verkleinerten Durchmessers des Verschluss-Deckels 5, insbesondere des Umlenkstutzen 15. In weiterhin vorteilhafter Weise dehnt sich der Durchmesser bei Erreichen der Umgebungstemperatur derart aus, dass sich verbessernde Dicht- und/oder Kapselungseigenschaften zwischen den Bauteilen Verschluss-Deckel 5 und Grundkörper 8 erzielen lassen. Es kann sich zudem ein drittes Dichtelement zwischen dem Verschluss-Deckel 5 und dem Grundkörper 8 befinden.
Die Aufgabe des in der 1 gezeigten ersten Dichtelements 14 und/oder des zweiten Dichtelements 16 ist die Kapselung des über den zweiten Strömungspfad VI in das Dosierventil 6 einströmende unter hohem Druck stehenden Treibmediums. Das jeweilige Dichtelement ist dabei 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 Grundkörpers 8 und/oder des Dosierventils 6 austreten kann und in den Bereich außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 austreten kann, indem das mindestens eine Dichtelement 14, 16 eine kapselnde Wirkung zwischen dem Dosierventil 6 und dem Grundkörper 8 erzielt. In dem Bereich außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 könnte das zu fördernde Medium eine nachteiligen Reaktion mit dem umliegenden Sauerstoff herbeiführen und das Förderaggregat 1 und/oder das Gesamtfahrzeug beschädigen.
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, der Brennstoffzelle 29 zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden kann.
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 rotationssymetrisch ausgeführt, wobei die Düse 12 koaxial zum Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4 verläuft.
In 2 ist der erfindungsgemäße Verschluss-Deckel 5 mit dem Umlenkstutzen 15 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Dabei weist der Verschluss-Deckel 5 den Umlenkungsstutzen 15 mit einer vorzugsweise zylindrischen äußeren Form auf, wobei der Umlenkungsstutzen 15 des Verschluss-Deckels 5 in verbautem Zustand im Grundkörper 8 in Richtung einer Längsachse 30 (wie in 1 gezeigt) verläuft und wobei der Umlenkungsstutzen 15 vorzugsweise eine Aussparung 17 an seiner inneren Form aufweist, wobei die Aussparung 17 insbesondere zur Strömungsführung des gasförmigen Mediums dient. Es ist zudem in 2 gezeigt der Umlenkstutzen 15 im Bereich der Aussparung 17 in seinem innenliegenden Strömungsquerschnitt zumindest teilweise eine zumindest annähernd kugelförmige Innenfläche 19 aufweist. Aufgrund dieser zumindest annähernd kugelförmigen Innenfläche 19 kommt es bei der Umlenkung des zu fördernden Medium im Umlenk-Bereich 22 der Strahlpumpe 4 zu weniger Reibungsverlusten, da auf diese Weise die Reibung zwischen dem zu fördernden Medium und der Innenfläche 19 und/oder der Strömungsgeometrie des Verschluss-Deckels 5 reduziert wird. Auf diese Weise werden Reibungsverluste und/oder die Druckverluste und/oder die Strömungsverluste in diesem Bereich gering gehalten wodurch sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats 1 verbessert. Auch weist die Innenfläche 19 eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit auf, was zu einer weiteren Reduzierung der Strömungsverluste führt.
Wie in 2 gezeigt weist der Umlenkstutzen 15 im Bereich der Innenfläche 19 eine derart auslaufende Kontur der kugelförmigen Innenfläche 19 zu den weiteren Strömungsquerschnitten des Diffusor-Bereichs 20 und des Verbindungsstücks 26 auf, dass die Übergänge von der kugelförmigen Kontur der Innenfläche 19 zu den weiteren Strömungsquerschnitten strömungsoptimiert ausgeführt sind. Dadurch kann der Strömungswiderstand des Förderaggregats 1 insbesondere irr Bereich der Teilstücke Diffusor-Bereich 20, Umlenk-Bereich 22 und Verbindungs stück 26 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 kann der Wirkungsgrad der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2, des Förderaggregats 1 und somit der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden. Dabei ist der innere Strömungsquerschnitt glatt und strömungsoptimiert ausgeführt, so 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 Grundkörpers 8 und/oder des Verschluss-Deckels 5.
Die Darstellung gemäß 3 zeigt eine teilweise schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellen-Systems 31 mit der Ventil-Strahlpumpeneinheit 2, einer Brennstoffzelle 29 und den optionalen Bauteilen Wasserabscheider 24 und Seitenkanalverdichter 10. Dabei ist gezeigt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 an der Brennstoffzelle 29 verbaut und/oder angebracht ist, wobei die Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 insbesondere auf einer Endplatte 13 der Brennstoffzelle 29 montiert ist. In 3 ist dabei gezeigt, dass das die Strahlpumpe 4 in Strömungsrichtung VII und parallel zur Längsachse 30 durchströmende gasförmige Medium vor einem Eintritt in den Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29 eine Umlenkung und somit Strömungsrichtungsänderung erfahren muss.
Dabei ist in 3 gezeigt, dass eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in einer Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums von der Strahlpumpe 4 zum Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29 ausschließlich im Umlenk-Bereich 22 erfolgt, wobei die Strahlpumpe 4 einen mit dem Grundkörper 8 verbundenen separaten Verschluss-Deckel 5 aufweist und wobei der Umlenk-Bereich 22 und/oder die Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Bereichs 22 für das gasförmige Medium ausschließlich im Bauteil Verschluss-Deckel 5 ausgebildet wird.
In 3 ist gezeigt, dass zum einen das unverbrauchte gasförmige Medium von einem Anodenausgang 9 der Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, in Strömungsrichtung VII durch die Endplatte 13, über einen optionalen Wasserabscheider 24 und eine optionalen Seitenkanalverdichter 10 in den ersten Zulauf 28 der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 ein. 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 2 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 ein 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 Umlenk-Stutzen 15 im Umlenk-Bereich 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 3 einströmen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 und/oder das Förderaggregat 1 vorzugsweise parallel zur Endplatte 13 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 3 der Brennstoffzelle 29 zu gelangen. Dabei ist der Strömungsbereich derart des Förderaggregats 1 derart ausgeführt, dass die orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen des Endabschnitts des Diffusor-Bereichs 20 der Strahlpumpe 4, des Umlenk-Bereichs 22, des Verbindungsstücks 26 der Strahlpumpe 4 und des Anodeneingangs 3 der Brennstoffzelle 29 zumindest annährend gleich sind.
In 3 ist zudem gezeigt, dass sich ein Verbindungsstück 26 zwischen dem Verschluss-Deckel 5 und dem Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29 befindet. Diese Verbindungsstück 26 ist als Teil des Grundkörpers 8 ausgebildet und mittels des Verbindungsstücks 26 kann das zu fördernden Medium ohne weitere Strömungsumlenkung und nahezu ohne weitere Reibungsverluste und/oder Strömungsverluste und/oder Druckverluste vom Umlenk-Bereich 22 in den Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29 strömen. Dabei ist die Strahlpumpe 4 und/oder der Grundkörper 8 fluidisch mit dem Anodeneingang 3 verbunden, wobei zudem eine zumindest zusätzliche mechanische Befestigung der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 an der Brennstoffzelle 29, insbesondere der Endplatte 13 möglich ist. Die Befestigung der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 und/oder des Seitenkanalverdichters 10 und/oder des Wasserabscheiders 24 an der Brennstoffzelle 29, insbesondere der Endplatte 13 kann dabei formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig erfolgen. Darüber hinaus können die Komponenten Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 und/oder Seitenkanalverdichter 10 und/oder Wasserabscheider 24 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein oder anderweitig miteinander verbunden sein.
Des Weiteren sind die Teilstücke Grundkörper 8 und/oder Verschluss-Deckel 5 aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt, wobei die Bauteile Grundkörper 8 und/oder Verschluss-Deckel 5 der Strahlpumpe 4 aus einem metallischen Material oder einer Metall-Legierung hergestellt sind. Diese beispielshafte Ausführung der Teilstücke begünstigt ein schnelles Aufheizen der Bauteile insbesondere in einem Strömungsbereich und somit eine Vermeidung von Eisbrücken bei einer Kaltstartprozedur. Dabei ist weiterhin vorteilhaft dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 ein Heizelement 11 aufweist, mittels dem sich ein schnelles Aufheizen der Bauteile des Förderaggregats 1 erreichen lässt.

Claims

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl des unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosierventil (6) mit einer Düse (12), wobei das Förderaggregat (1) als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (2) ausgeführt ist, wobei das gasförmige Medium der Strahlpumpe (4) mittels des Dosierventils (6) zugeführt wird, wobei die Strahlpumpe (4) einen Grundkörper (8) wobei die Strahlpumpe (4) mit einem Anodeneingang (3) einer Brennstoffzelle (29) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in einer Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums von der Strahlpumpe (4) zum Anodeneingang (3) der Brennstoffzelle (29) ausschließlich in einem Umlenk-Bereich (22) erfolgt, wobei die Strahlpumpe (4) einen mit dem Grundkörper (8) verbundenen separaten Verschluss-Deckel (5) aufweist und wobei der Umlenk-Bereich (22) und/oder die Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Bereichs (22) für das gasförmige Medium ausschließlich im Bauteil Verschluss-Deckel (5) ausgebildet wird.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss-Deckel (5) einen Umlenkungsstutzen (15) mit einer vorzugsweise zylindrischen äußeren Form aufweist, wobei der Umlenkungsstutzen (15) des Verschluss-Deckels (5) in verbautem Zustand im Grundkörper (8) in Richtung einer Längsachse (30) verläuft und wobei der Umlenkungsstutzen (15) vorzugsweise eine Aussparung (17) an seiner inneren Form aufweist, wobei die Aussparung (17) insbesondere zur Strömungsführung des gasförmigen Mediums dient.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Verbindungsstück (26) zwischen dem Verschluss-Deckel (5) und dem Anodeneingang (3) der Brennstoffzelle (29) befindet.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (17) des Umlenkstutzens (15) einen Diffusor-Bereich (20) und das Verbindungsstück (26) der Strahlpumpe (4) zumindest mittelbar fluidisch miteinander verbindet.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (17) des Umlenkstutzens (15) derart ausgeformt ist, dass diese zum Strömungsquerschnitt des Diffusor-Bereichs (20) und zum Strömungsquerschnitt des Verbindungsstücks (26) offen ist, so dass das gasförmige Medium den Umlenkstutzen (15) in Strömungsrichtung VII durchströmen kann.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Umlenk-Bereich (22) mittels des Umlenkstutzens (15) eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des gasförmigen Mediums nahezu rechtwinklig erfolgt.
Förderaggregat (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkstutzen (15) im Bereich der Aussparung (17) in seinem innenliegenden Strömungsquerschnitt zumindest teilweise eine zumindest annähernd kugelförmige Innenfläche (19) aufweist.
Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss-Deckel (5) mittels einer lösbaren Verbindung, insbesondere einer Verschraubung, mit dem Grundkörper (8) verbunden ist, so dass sich der Verschluss-Deckel (5) vom Grundkörper (8) demontieren lässt.
Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke Grundkörper (8) und/oder Verschluss-Deckel (5) aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind.
Förderaggregat (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile Grundkörper (8) und/oder Verschluss-Deckel (5) der Strahlpumpe (4) aus einem metallischen Material oder einer Metall-Legierung hergestellt sind.
Förderaggregat (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (2) ein Heizelement (11) aufweist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen des Endabschnitts eines Diffusor-Bereichs (20) der Strahlpumpe (4), des Umlenk-Bereichs (22), eines Verbindungsstücks (26) der Strahlpumpe (4) und des Anodeneingangs (3) zumindest annährend gleich sind.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (6) als ein Proportionalventil (6) ausgeführt ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (12) und ein Mischrohr (18) der Strahlpumpe (4) rotationssymmetrisch ausgeführt sind, wobei die Düse (12) koaxial zum Mischrohr (18) der Strahlpumpe (4) verläuft.
Brennstoffzellen-System (31) mit einem Förderaggregat (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.