DE102019204723A1 - Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums - Google Patents

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

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Abstract

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosierventil (6), wobei ein Ausgang des Förderaggregats (1) mit einem Anodeneingang (15) einer Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist, wobei die Strahlpumpe (4) einen Ansaugbereich (7), ein Mischrohr (18) und einen Diffusor (20) aufweist, wobei der Diffusor (20) zumindest mittelbar mit dem Anodeneingang (15) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist und wobei die Strahlpumpe (4) zumindest teilweise in Richtung einer ersten Strömungsrichtung V, die parallel zu einer ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft, vom gasförmigen Medium durchströmt wird. Erfindungsgemäß verläuft dabei eine zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) geneigt zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) oder gekrümmt.

Description

  • Stand der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.
  • Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich, wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens einem Tank, insbesondere einem Hochdrucktank, entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystems an das Förderaggregat geleitet. Dieses Förderaggregat führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
  • Aus der DE 10 2014 221 506 A1 ist ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System bekannt, zur Förderung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und einem Dosierventil. Dabei kann das Förderaggregat als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung ausgeführt sein und weist die Bauteile erster Zulauf, Ansaugbereich, Mischrohr und einen Diffusor aufweist und wobei der Diffusor über einen Auslass-Krümmer mit einem Anodeneingang einer Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist. Optional kann sich dabei ein Verbindungsstück zwischen dem Auslass-Krümmer und dem Anodeneingang befinden. Dabei kann mittels des Förderaggregats ein Medium, insbesondere ein Treibmedium durch eine Düse abgelassen werden, welches dann mit einem Rezirkulationsmedium vermischt wird. Der Strom des Treibmediums kann dabei mittels des Dosierventils gesteuert werden. Damit das gasförmige Medium nach dem Durchströmen der Ventils-Strahlpumpenanordnung in den Anodeneingang der Brennstoffzelle einströmen kann, muss eine Umlenkung aufgrund der Anordnung der Ventil-Strahlpumpenanordnung an der Brennstoffzelle erfolgen. Diese Umlenkung erfolgt aus der DE 10 2014 221 506 A1 bekannten Förderaggregat zumindest nahezu ausschließlich im Bereich des Auslass-Krümmers, wobei die Umlenkung zumindest nahezu rechtwinklig und/oder um zumindest nahezu 90° erfolgt, damit das gasförmige Medium aus dem Förderaggregat in die Brennstoffzelle strömen kann.
  • Das aus der DE 10 2014 221 506 A1 bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen.
  • Da die Umlenkung des gasförmigen Mediums im Bereich des Förderaggregats zumindest nahezu ausschließlich im Bereich des Auslass-Krümmers erfolgt, muss eine zumindest nahezu rechtwinklige Umlenkung ausschließlich in diesem Bereich erfolgen, insbesondere um zumindest nahezu 90°. Dabei verläuft eine erste Strömungsrichtung des Mischrohrs und/oder eine zweite Strömungsrichtung des Diffusors zumindest nahezu rechtwinklig zu einem zweiten Strömungspfad des Anodeneingangs der Brennstoffzelle, wobei der zweite Strömungspfad insbesondere die Einströmrichtung des gasförmigen Mediums in die Brennstoffzelle ausbildet. Dies führt zu hohen Strömungsverlusten und/oder Reibungsverlusten und/oder Druckverlusten zwischen dem gasförmigen Medium und den Wandungen des Förderaggregats, insbesondere im Bereich des Auslass-Krümmers, aufgrund der geringen Länge in Richtung einer ersten Längsachse der Strahlpumpe, die zur Verfügung steht, um die Umlenkung des gasförmigen Mediums zu bewirken. Zudem kann es bei dem im Stand der Technik gezeigten Förderaggregat, insbesondere im Strömungsbereich des Auslass-Krümmers, für den Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems, nachteiligen Verwirbelungen und/oder Strömungsabrissen kommen. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems verringert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H2 bezeichnet wird.
  • Bezugnehmend auf Anspruch 1 verläuft eine zweite Längsachse eines Diffusors geneigt zur ersten Längsachse eines Mischrohrs oder gekrümmt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Umlenkung des gasförmigen Mediums im Bereich des Förderaggregats nicht mehr ausschließlich im Bereich eines Auslass-Krümmers erfolgt, sondern dass im Bereich des Diffusors schon eine zumindest teilweise derartige Umlenkung des gasförmigen Mediums erfolgt, die den Winkel der notwendigen Strömungsumlenkung im Bereich des Auslass-Krümmers verringert. Auf diese Weise kann eine Umlenkung des gasförmigen Mediums im Bereich des Förderaggregats, insbesondere des Diffusors und/oder des Auslass-Krümmers, über eine längere Strömungsstrecke und/oder mittels einer geringeren Umlenkung auf einer Strömungsstrecke mit einer spezifischen Länge erzielt werden. Dabei können Strömungsverluste und/oder Reibungsverluste und/oder Druckverluste zwischen dem gasförmigen Medium und den Wandungen des Förderaggregats reduziert werden, da die Umlenkung strömungstechnisch günstiger erfolgt und eine Reibung des gasförmigen Mediums mit der Wandung des Förderaggregats reduziert wird. Auch kommt es im Bereich eines Verbindungsstücks des Förderaggregats und/oder eines Anodeneingangs einer Brennstoffzelle zu reduzierten nachteiligen Verwirbelungen und/oder Strömungsabrissen, da eine Umlenkung gleichmäßiger und im Zusammenspiel mit einem sich vergrößernden Durchmesser im Bereich des Diffusors erfolgt, wodurch nachteilige Strömungsveränderungen, beispielsweise durch lokal starke Strömungsgeschwindigkeits-Änderungen vermieden werden können. Dabei wird die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums im Diffusor reduziert, während das Medium gleichzeitig eine Umlenkung erfährt, wodurch ein verbessertes Einströmverhalten in die Brennstoffzelle herbeigeführt werden kann. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass Verluste von Impulsenergie, kinetischer Energie und Druck nahezu vermieden oder zumindest verringert werden. Weiterhin kann aufgrund der verbesserten Umlenkung eine möglichst geringe Reibung zwischen dem zu fördernden Medium, insbesondere H2, und der Oberfläche der Strömungsgeometrie des Förderaggregats, insbesondere des Endbereichs des Diffusors und des Auslass-Krümmers, erzielt werden. Des Weiteren können Druckverluste und/oder Reibungsverluste reduziert werden, die durch die Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die Umlenkung im Auslass-Krümmer auftreten können. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder einer Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzellen-System verbessern. Zudem kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass bei einer vorgegebenen Gesamt-Baulänge, beispielsweise durch vorhandenen Bauraum im Gesamtfahrzeug, ein größerer Umlenkradius erzielt werden kann, wodurch sich die Strömungsenergieverluste im Förderaggregat durch Reibung des gasförmigen Medium mit der Oberfläche der Strömungsgeometrie, weiter reduzieren lassen. Dies bietet den Vorteil eines hohen Wirkungsgrads des Förderaggregats bei einer gleichzeitigen kompakten Bauform des Förderaggregats.
  • Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Förderaggregats möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats verläuft eine erste Wandung des Diffusors zumindest teilweise parallel zur ersten Längsachse des Mischrohrs verläuft und eine der ersten Wandung gegenüberliegende zweite Wandung des Diffusors unter einem Winkel zur ersten Längsachse des Mischrohrs verläuft, wobei die erste Wandung auf der dem Anodeneingang abgewandten Seite des Diffusors verläuft und die zweite Wandung auf der dem Anodeneingang zugewandten Seite des Diffusors verläuft. Auf diese Weise kann ein derartiger Diffusor ausgebildet werden, der gleichzeitig eine Umlenkung des gasförmigen Mediums ermöglicht. Somit wird eine Integration eines Umlenkbereichs in den Diffusor erzielt, wodurch eine kompaktere Bauform des Förderaggregats herbeigeführt werden kann. Zudem kann durch die parallel zum Mischrohr verlaufende erste Wandung eine vereinfachte und kostengünstigere Fertigung eines Strömungsbereichs erzielt werden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die erste Wandung des Diffusors einen gekrümmten Verlauf auf, wobei die der ersten Wandung gegenüberliegende zweite Wandung des Diffusors einen zumindest nahezu linearen Verlauf aufweist und unter einem Winkel zur ersten Längsachse des Mischrohrs verläuft. Auf diese Weise lässt sich eine kontinuierlich zunehmende Umlenkung des gasförmigen Mediums in einer zweiten Strömungsrichtung erzielen, wobei eine zweite Strömungsachse insbesondere bogenförmig verläuft. Aufgrund des gekrümmten Verlaufs der zweiten Wandung können Strömungsverluste und/oder Reibungsverluste und/oder Druckverluste verhindert werden, da beispielsweise bei einem linearen Verlauf der zweiten Wandung mit einer Umlenkkante Verwirbelungen und/oder Strömungsabrisse auftreten können. Somit kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöht werden. Des Weiteren lassen sich Energieverluste, die bei einer erhöhten Reibung des gasförmigen Mediums mit der Wandung des Strömungsbereichs auftreten können, durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats verringern. Auf diese Weise lassen sich die Betriebskosten des Förderaggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems reduzieren, da sich ein höherer Wirkungsgrad herbeiführen lässt.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats ist die zweiten Längsachse des Diffusors in Richtung zum Anodeneingang geneigt ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass der Winkel der dritten Strömungsrichtung im Auslass-Krümmer reduziert werden kann, da das gasförmige Medium schon im Bereich des Diffusors zumindest teilweise in Einströmrichtung des Anodeneingangs umgelenkt wird. Dabei wird der Strömungswiderstand des Förderaggregats, das insbesondere auf einer Endplatte der Brennstoffzelle montiert ist, aufgrund der notwendigen Strömungsumlenkung des gasförmigen Mediums in dem Förderaggregat reduziert, da aufgrund der geneigten zweiten Längsachse des Diffusors das gasförmige Medium schon in dem Bereich umgelenkt wird, in dem es eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit erfährt. Somit muss im Bereich des Auslass-Krümmers nur noch eine geringere Umlenkung des gasförmigen Mediums erfolgen, da zumindest eine teilweise Umlenkung in die gleiche Richtung schon im Bereich des Diffusors erfolgt ist. Dabei lässt sich der Strömungswiderstand des Förderaggregats für die notwendige und nahezu rechtwinklige Umlenkung des gasförmigen Mediums reduzieren, wodurch ein Strahlpumpeneffekt des Förderaggregats verbessert werden kann und das Medium mit einer höheren Geschwindigkeit und/oder einem höheren Druck und/oder einem höheren Massenstrom in die Brennstoffzelle einströmen kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats verläuft die zweite Längsachse des Diffusors derart bogenförmig, dass diese im Anfangsbereich des Diffusors zumindest nahezu parallel zur ersten Längsachse des Mischrohrs verläuft und im Endbereich des Diffusors zumindest nahezu senkrecht zur ersten Längsachse des Mischrohrs verläuft. Auf diese Weise lässt sich zum einen eine strömungstechnisch optimierte Umlenkung um zumindest nahezu einen rechten Winkel erzielen, wobei die beiden Strömungsrichtungen zumindest nahezu orthogonal zueinander verlaufen. Durch das Vermeiden von kantenartigen Umleitungen und/oder durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Anfangsbereichs und des Endbereichs des Diffusors kann eine Reduzierung von Verwirbelungen und Strömungsabrissen beim Einströmen und Ausströmen des gasförmigen Mediums in und aus dem Diffusor erzielt werden, da in diesem Bereich abrupte Richtungsänderungen der Strömung verhindert wird. Somit können aufgrund der Umlenkung und/oder Änderung der Strömungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die bogenförmig verlaufende zweite Längsachse des Diffusors Druckverluste und Reibungsverluste reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzellen-System verbessert werden kann.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats befindet sich das Verbindungsstück und/oder der Auslass-Krümmer zwischen dem Diffusor und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle und verbindet diese zumindest mittelbar fluidisch miteinander. Zudem kann eine vierte Längsachse des Verbindungsstücks parallel zum Strömungspfad IV des gasförmigen Mediums im Anodeneingang verlaufen, wobei die zweite Längsachse des Diffusors im Endbereich des Diffusors zumindest nahezu parallel zur vierte Längsachse des Verbindungsstücks verläuft. Auf diese Weise kann eine Beschleunigung und/oder Abbremsung des gasförmigen Mediums verhindert werden, wobei diese Beschleunigung und/oder Abbremsung beispielsweise bei dem Einsatz eines externen Verrohrungssystems zwischen dem Förderaggregat und der Brennstoffzelle, insbesondere dem Anodeneingang, mit mehreren Umlenkungen, auftreten kann. Dabei kann verhindert werden, dass dem gasförmigen Medium Energie entzogen wird, die ihm beim Durchströmen eines externen Verrohrungsystems mit Umlenkungen aufgrund von innerer und äußerer Reibung verloren geht. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass Verluste von Impulsenergie, kinetischer Energie und Druck nahezu vermieden oder zumindest verringert werden. Zudem kann auf diese Weise, insbesondere aufgrund der strömungsoptimierten Ausführung des Verbindungsstücks und/oder des Auslass-Krümmers, eine möglichst geringe Reibung zwischen dem zu fördernden Medium, insbesondere H2, und der Oberfläche der Strömungsgeometrie des Förderaggregats erzielt werden. Weiterhin können Druckverluste und/oder Reibungsverluste reduziert werden, die durch die Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die Umlenkung im externen Verrohrungssystems auftreten können. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzellen-System verbessern. Des Weiteren kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass die Strömungsverbindung zwischen einer Strahlpumpe und dem Anodeneingang möglichst kurz und/oder zumindest nahezu ohne Strömungsumlenkung realisiert werden kann. Somit lässt sich aufgrund der reduzierten Reibungsverluste der Wirkungsgrad des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöhen. Weiterhin lässt sich bei einer Integration des Verbindungsstücks in einen Grundkörper der Strahlpumpe eine verbesserte Kaltstartfähigkeit des Förderaggregats erreichen, da das Verbindungsstück, insbesondere aufgrund der höheren Maße, somit langsamer abkühlt und daher eine Bildung von Eisbrücken im Strömungsquerschnitt erschwert wird, insbesondere bei kurzen Standzeiten.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats weist die Strahlpumpe ein Heizelement aufweist, wobei die Strahlpumpe und/oder der Auslass-Krümmer und/oder das Verbindungsstück aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass ein schnelles Aufheizen des erfindungsgemäßen Förderaggregats erzielt werden kann, insbesondere im Rahmen einer Kaltstartprozedur. Bevor das Förderaggregat und/oder das gesamte Brennstoffzellen-System bei niedrigen Temperaturen in Betrieb genommen wird, wird das Heizelement mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, versorgt, wobei das Heizelement diese Energie in Wärme und/oder Heizenergie umwandelt. Dieser Prozess wird in vorteilhafter Weise durch die geringe spezifische Wärmekapazität der weiteren Bauteile des Förderaggregats unterstützt, mittels derer die Wärmeenergie schnell in das gesamte Förderaggregat vordringen kann und vorhandene Eisbrücken beseitigen kann. Durch das schnellere Aufwärmen der Teilstücke und des Förderaggregats können vorhandene Eisbrücken schneller beseitigt werden, insbesondere durch Abschmelzen durch Wärmeeintrag. Zudem kann die Heizenergie bei einem Kaltstartvorgang in kurzer Zeit nach dem Einschalten des Heizelements zu einer Düse vordringen und es können vorhandene Eisbrücken im Bereich der Düse und der Aktorik eines Dosierventils erwärmt und somit beseitigt werden. Dadurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund einer Beschädigung der Bauteile des Förderaggregats reduziert werden. Auf diese Weise lässt sich die Kaltstartfähigkeit des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessern, da die Eisbrücken schneller aufgetaut und beseitigt werden können. Es muss zudem weniger Energie, insbesondere elektrische Energie und/oder Wärmeenergie durch das verwendete Heizelement, in das Förderaggregat eingebracht werden. Dadurch lassen sich die Betriebskosten des Förderaggregats und des gesamten Brennstoffzellen-Systems, insbesondere bei häufigen Kaltstartvorgängen aufgrund niedriger Umgebungstemperaturen und/oder langen Standzeiten des Fahrzeugs, reduzieren. Des Weiteren kann durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Materials auch eine hohe Beständigkeit gegen das durch das Förderaggregat zu fördernde Medium und/oder weitere Bestandteile aus der Umgebung des Förderaggregats, wie beispielsweise Chemikalien, erzielt werden. Dies wiederum erhöht die Lebensdauer des Förderaggregats und die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund von Materialschädigungen des Gehäuses kann reduziert werden.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats weist dieses als Komponenten eine Strahlpumpe, das Dosierventil und/oder einen Seitenkanalverdichter und/oder einen Wasserabscheider auf. Dabei ist das Förderaggregat und/oder dessen Komponenten derart auf der Endplatte der Brennstoffzelle positioniert, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats ausschließlich parallel zur Endplatte verlaufen, wobei die Endplatte zwischen der Brennstoffzelle und dem Förderaggregat angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine kompakte Anordnung des Förderaggregats an der Brennstoffzelle und/oder im Brennstoffzellen-System herbeigeführt werden, wodurch der Platzbedarf und der Bauraum des Brennstoffzellen-Systems im Gesamt-Fahrzeug reduziert werden kann.
  • Zudem kann auf diese Weise eine direkte und möglichst kurze Strömungsleitung zwischen den Komponenten der Fördereinrichtung und der Brennstoffzelle hergestellt werden. Des Weiteren kann die Anzahl der Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Bewegungsrichtungen des gasförmigen Mediums im Förderaggregat auf eine möglichst geringe Anzahl reduziert werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Strömungsverluste und/oder Druckverluste innerhalb des Förderaggregats aufgrund der Länge der Strömungsleitungen und/oder der Anzahl der Strömungsumlenkungen reduziert werden können. Es ist zudem weiterhin vorteilhaft, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats parallel zum plattenförmigen Trägerelement verlaufen. Somit wird eine Strömungsumlenkung des gasförmigen Mediums weiterhin reduziert, wodurch sich die Strömungsverluste weiter reduzieren lassen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats verbessert werden und der Energieaufwand zum Betreiben der Fördereinrichtung kann reduziert werden. Zudem kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass eine einfache Positionierung der Bauteile zueinander realisiert werden kann, indem die Komponenten jeweils mit der Endplatte verbunden werden müssen. Dadurch lässt sich die benötigte Anzahl an Bauteilen für die Montage reduzieren, was wiederum zu einer Kostenersparnis der Fördereinrichtung führt. Weiterhin wird die Wahrscheinlichkeit eines Montagefehlers aufgrund von fehlerhaft zueinander ausgerichteten Komponenten der Fördereinrichtung reduziert wird, was wiederum die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats im Betrieb reduziert.
  • Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen und/oder Kombinationen der in den Ansprüchen beschrieben Merkmale und/oder Vorteile möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
  • Figurenliste
  • Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
  • Es zeigt:
    • 1 eine teilweise schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellen-Systems mit einem Förderaggregat und einer Brennstoffzelle,
    • 2 eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
    • 3 eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
    • 4 eine schematische Schnittansicht der mindestens einen orthogonal zu einer Strömungsrichtung verlaufenden Querschnittsfläche A-A gemäß einer ersten Ausführungsform,
    • 5 eine schematische Schnittansicht der mindestens einen orthogonal zur Strömungsrichtung verlaufenden Querschnittsfläche A-A gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellen-Systems 31 mit einem Förderaggregat 1, wobei das Förderaggregat 1 eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 aufweist. Die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 weist dabei ein Dosierventil 6 und eine Strahlpumpe 4 auf, wobei das Dosierventil 6 beispielsweise mittels einer Verschraubung mit der Strahlpumpe 4 verbunden ist, insbesondere mit einem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4.
  • Die Strahlpumpe 4 weist dabei in ihrem Grundkörper 13 einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36a, einen Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 18, einen Diffusor 20 und einen Auslass-Krümmer 22 und/oder ein Verbindungsstück 26 auf. Das Dosierventil 6 weist einen zweiten Zulauf 36b und eine Düse 12 auf. Dabei ist das Dosierventil 6 insbesondere in Richtung einer ersten Längsachse 39, insbesondere des Mischrohrs 18, in die Strahlpumpe 4, insbesondere in eine Öffnung in dem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4 eingeschoben.
  • Das in 1 gezeigte Brennstoffzellen-System 31 weist zudem die Bauteile Brennstoffzelle 29, Wasserabscheider 24 und Seitenkanalverdichter 10 auf. Die Brennstoffzelle 29 ist dabei mittels eines Anodenausgangs 9 und/oder eines Anodeneingangs 15 zumindest mittelbar fluidisch mit dem Wasserabscheider 24 und/oder dem Seitenkanalverdichter 10 und /oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 verbunden. Dabei strömt das Rezirkulationsmedium. In Richtung eines ersten Strömungspfads III durch den Anodenausgang 9 aus der Brennstoffzelle 29 aus und, insbesondere nach dem Durchströmen von weiteren optionalen Bauteilen 10, 24 und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 über den Anodeneingang 15 in Richtung eines zweiten Strömungspfads IV wieder in die Brennstoffzelle 29 ein. Der erste Strömungspfad III und der zweite Strömungspfad IV verlaufen dabei zumindest annähernd parallel. Dabei sind die Bauteile Wasserabscheider 24 und/oder dem Seitenkanalverdichter 10 und /oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 zumindest mittelbar fluidisch miteinander verbunden. Die Bauteile Wasserabscheider 24 und Seitenkanalverdichter 10 sind optionale Bauteile, die nicht zwangsläufig im Förderaggregat 1 und/oder im Brennstoffzellen-System 31 vorhanden sein müssen. Weiterhin weist die Brennstoffzelle 29 eine Endplatte 2 auf, wobei der Anodenausgang 9 und der Anodeneingang 15 durch die Endplatte 2 verlaufen. Dabei befindet sich die Endplatte 2 auf der der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 zugewandten Seite der Brennstoffzelle 29. Die Komponenten Strahlpumpe 4, Dosierventil 6 und/oder Seitenkanalverdichter 10 und/oder den Wasserabscheider 24 sind dabei derart auf der Endplatte 2 der Brennstoffzelle 29 positioniert, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats 1 ausschließlich parallel zur Endplatte 2 verlaufen, wobei die Endplatte 2 zwischen der Brennstoffzelle 29 und dem Förderaggregat 1 angeordnet ist. Dabei strömt das unverbrauchte gasförmige Medium von dem Anodenausgang 9 der Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, auf einem Strömungsrichtung III durch die Endplatte 2, über einen optionalen Wasserabscheider 24 und einen optionalen Seitenkanalverdichter 10 in den ersten Zulauf 28 der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 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, das beim Betrieb der Brennstoffzelle 29 entsteht und zusammen mit dem gasförmigen Medium, insbesondere H2, durch den Anodenausgang 9 zurück in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 strömt, aus dem System abzuführen. Somit kann das Wasser, das gasförmig und/oder flüssig vorliegen kann, nicht in das Rezirkulationsgebläse 10 und/oder die Strahlpumpe 4 und/oder das Dosierventil 6 vordringen, da es schon direkt durch den Wasserabscheider 24 vom gasförmigen Medium separiert und aus dem Brennstoffzellen-System 31 Fördereinrichtung wird. Dadurch lässt sich eine Schädigung der Komponenten des Förderaggregats 1 und/oder des Brennstoffzellen-Systems 31, insbesondere der beweglichen Teile der Komponenten, durch Korrosion verhindern, wodurch die Lebensdauer aller durchströmten Komponenten erhöht wird.
  • In 1 ist zudem dargestellt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 von einem zu fördernden Medium in mindestens einer Strömungsrichtung durchströmt V, VI, VII, VIII wird. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 sind dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebildet und dienen zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um H2 handelt, in dem Förderaggregat 1. Dabei wird der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 zum einen ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H2 aus dem Anodenbereich der Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Das Rezirkulat strömt dabei durch den ersten Zulauf 28 in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein. Zum anderen strömt durch den zweiten Zulauf 36 von außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere H2, in eine Aussparung der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 und/oder in den Grundkörper 13 und/oder das Dosierventil 6 ein, wobei das Treibmedium von einem Tank 34 kommt und unter hohen Druck steht, insbesondere von mehr als 6 bar.
  • Dabei verläuft der zweite Zulauf 36a, b durch die Bauteile Grundkörper 13 und/oder Dosierventil 6. Vom Dosierventil 6 wird das Treibmedium mittels einer Aktorik und eines vollständig schließbaren Ventilelements, insbesondere stoßweise, durch die Düse 12 in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 abgelassen. Das durch die Düse 12 strömende und als Treibmedium dienende H2 weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, wobei das Rezirkulationsmedium aus dem ersten Zulauf 28 in das Förderaggregat 1 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 6 bar aufweist. Damit sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Massen-Strom in einen zentralen Strömungsbereich des Förderaggregats 1 gefördert, beispielsweise durch den Einsatz eines, dem Förderaggregat 1 vorgeschalteten, Seitenkanalverdichters 10. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere nahe der Schallgeschwindigkeit und somit darunter oder darüber liegen kann, durch die Düse 12 in den zentralen Strömungsbereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 ein.
  • Die Düse 12 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsquerschnitts auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere vom Dosierventil 6 kommend und in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 einströmend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im zentralen Strömungsbereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder DruckDifferenz zwischen dem Treibmedium und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung V beschleunigt und es entsteht für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 nachgefördert wird. Dieser Effekt kann als Strahlpumpeneffekt bezeichnet werden.
  • Durch das Ansteuern der Zu-Dosierung des Treibmediums mittels des Dosierventils 6 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden. In einem beispielhaften Betriebszustand des Förderaggregats 1 bei dem sich das Dosierventil 6 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in der Strömungsrichtung VII zum Rezirkulationsmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt.
  • Weiterhin weist die Strahlpumpe 4 aus der 1 technische Merkmale auf, die den Strahlpumpeneffekt und die Fördereffizienz zusätzlich verbessern und/oder das Kaltstartvorgang und/oder Fertigungs- und Montage-Kosten weiter verbessern. Dabei verläuft das Teilstück Diffusor 20 im Bereich seines inneren Strömungsquerschnitts konisch, insbesondere sich in der ersten Strömungsrichtung V und der zweiten Strömungsrichtung VI vergrößernd. Die Düse 12 und das Mischrohr 18 und/oder der Diffusor 20 können dabei koaxial zueinander verlaufen. Durch diese Ausformung des Teilstücks Diffusor 20 kann der vorteilhafte Effekt erzeugt werden, dass die kinetische Energie in Druckenergie umgewandelt wird, wodurch das mögliche Fördervolumen des Förderaggregats 1 weiter erhöht werden kann, wodurch mehr des zu fördernden Mediums, insbesondere H2, der Brennstoffzelle 29 zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden kann.
  • Wie in 1 gezeigt, weist die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 ein optionales Heizelement 11 auf, wobei die Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 und/oder der Auslass-Krümmer 22 und/oder das Verbindungsstück 26 aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind. Auf diese Weise kann die Kaltstartfähigkeit verbessert werden, insbesondere bei Temperaturen von unter 0° Celsius, da somit vorhandene Eisbrücken im Strömungsbereich der Ventil-Strahlpumpenanordnung 8 abgebaut werden können. Das Heizelement 11 kann dabei in dem Grundkörper 13 der Strahlpumpe 4 integriert sein oder an diesem angeordnet sein.
  • Erfindungsgemäß kann das Dosierventil 6 als ein Proportionalventil 6 ausgeführt sein, um eine verbesserte Dosierfunktion und ein exakteres Dosieren des Treibmediums in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 zu ermöglichen. Zur weiteren Verbesserung der Strömungsgeometrie und des Wirkungsgrads des Förderaggregats 1 sind die Düse 12 und das Mischrohr 18 rotationssymmetrisch ausgeführt, wobei die Düse 12 koaxial zum Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4 verläuft.
  • In 2 ist eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei ist ein Teil der inneren Strömungskontur des Förderaggregats 1, insbesondere des Grundkörpers 13, dargestellt, wobei dieser insbesondere in Durchströmrichtung des gasförmigen Mediums die Bereiche Ansaugbereich 7, Mischrohr 18, Diffusor 20, Auslass-Krümmer 22 und Verbindungsstück 26 aufweist. Es weisen jeweils das Mischrohr 18, der Diffusor 20, der Auslass-Krümmer 22 und das Verbindungsstück 26 eine jeweilige Längsachse 39, 40, 42, 44 auf. Entlang dieser jeweiligen Längsachse 39, 40, 42, 44 verläuft die jeweilige Strömungsrichtung V, VI, VII, VIII des gasförmigen Mediums in diesem Bereich.
  • Es ist dargestellt, dass das gasförmige Medium vom Ansaugbereich 7 kommend die Strömungskontur des Grundkörpers 13 zumindest nahezu vollständig durchströmt bis zum Anodeneingang 15 der Brennstoffzelle 29, wobei das gasförmige Medium das Mischrohr 18, den Diffusor 20, den Auslass-Krümmer 22 und das Verbindungsstück 26 durchströmt. Im Ansaugbereich 7 wird das aus dem zweiten Zulauf 36 kommenden Treibmedium mittels der Düse 12 zugeführt und trifft auf das durch den ersten Zulauf 28 zugeführte Rezirkulationsmedium, das insbesondere von der Brennstoffzelle 29 kommt.
  • In 2 ist des Weiteren gezeigt, dass das Mischrohr 18 eine erste Längsachse 39 aufweist, wobei die erste Strömungsrichtung V zumindest nahezu parallel zur ersten Längsachse 39 verläuft. Der Diffusor 20 weist eine zweite Längsachse 40 auf, wobei die zweite Strömungsrichtung VI parallel zur zweiten Längsachse 40 verläuft. Der Auslass-Krümmer 22 weist eine dritte Längsachse 42 auf, wobei die dritte Strömungsrichtung VII parallel zur dritten Längsachse 42 verläuft. Das Verbindungsstück 26 weist eine vierte Längsachse 44 auf, wobei die vierte Strömungsrichtung VIII parallel zur vierten Längsachse 44 verläuft. Die Längsachsen 39, 40, 42, 44 und/oder Strömungsrichtungen V, VI, VII, VIII im jeweiligen Bereich weisen dabei unterschiedliche Vektoren auf und verlaufen nicht parallel und/oder in der gleichen Richtung, so dass das gasförmige Medium eine Umlenkung im jeweiligen Abschnitt 18, 20, 22, 26 erfährt. Dabei ist die zweite Längsachse 40 des Diffusors 20 geneigt zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 ausgeführt, insbesondere geneigt um einen Winkel α, wobei die zweite Längsachse 40 des Diffusors 20 in Richtung zum Anodeneingang 15 geneigt ist. Des Weiteren ist die dritte Längsachse 42 des Auslass-Krümmers 22 geneigt zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 ausgeführt, insbesondere geneigt um einen Winkel γ, wobei die dritte Längsachse 42 des Auslass-Krümmers 22 in Richtung zum Anodeneingang 15 geneigt ist. Zudem ist die vierte Längsachse 44 des Verbindungsstücks 26 geneigt zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 ausgeführt, insbesondere geneigt um einen zumindest nahezu rechten Winkel, wobei die parallel zur vierten Längsachse 44 des Verbindungsstück 26 verlaufende vierte Strömungsrichtung VIII zum Anodeneingang 15 gerichtet ist.
  • Des Weiteren ist in 2 gezeigt, dass eine erste Wandung 17 des Diffusors 20 zumindest teilweise parallel zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 verläuft und eine der ersten Wandung 17 gegenüberliegende zweite Wandung 19 des Diffusors 20 unter einem Winkel β zur ersten Längsachse 39 verläuft, wobei die erste Wandung 17 auf der dem Anodeneingang 15 abgewandten Seite des Diffusors 20 verläuft und die zweite Wandung 19 auf der dem Anodeneingang 15 zugewandten Seite des Diffusors 20 verläuft. Das gasförmige Medium strömt dabei im Bereich der Düse 12 und/oder des Mischrohrs 18 in einer ersten Strömungsrichtung V und von dort in den Diffusor 20, wobei das gasförmige Medium im Übergangsbereich des Mischrohrs 18 zum Diffusor 20 eine Richtungsänderung erfährt, so dass das gasförmige Medium im Diffusor 20 zumindest nahezu in der zweiten Strömungsrichtung VI strömt. Dabei ist der Winkel β größer als der Winkel α.
  • 2 zeigt, dass sich im innenliegenden Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 Strömungsquerschnitte ausbilden, die insbesondere orthogonal zur jeweiligen Strömungsrichtung V, VI, VII, VIII verlaufen. Im Bereich des Diffusors 20 sind die Strömungsquerschnitte beispielhaft als die mindestens eine Querschnittsfläche A-A ausgebildet, wobei die mindestens eine Querschnittsfläche A-A orthogonal zur zweiten Strömungsrichtung VI und oder der zweiten Längsachse 40 des Diffusors 20 verläuft. Dabei vergrößert sich die Querschnittsfläche A-A in der zweiten Strömungsrichtung VI. Dabei kann es im Diffusor 20 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums kommen, insbesondere aufgrund der sich vergrößernden Querschnittsfläche A-A. Zudem verläuft die zweite Strömungsrichtung VI und/oder die zweite Längsachse 40 aufgrund des zumindest nahezu linearen Verlaufs der ersten und zweiten Wandung 17, 19 zumindest nahezu linear im Bereich des Diffusors 20, so dass auch das gasförmige Medium zumindest nahezu linear im Bereich des Diffusor 20 strömt.
  • Das gasförmige Medium strömt nach dem Durchströmen des Diffusors 20 in den Auslass-Krümmer 22 und von dort in das Verbindungsstück 26. In 2 ist dabei gezeigt, dass sich im Bereich des Auslaus-Krümmers 22 eine dritte Wandung 21 auf der dem Anodeneingang 15 abgewandten Seite des Auslass-Krümmers 22 verläuft. Diese dritte Wandung 21 kann dabei einen zumindest teilweise linearen Verlauf und/oder zumindest teilweise eine Krümmung 23 aufweisen, wobei die Krümmung 23 insbesondere einen Radius aufweisen kann. Mittels des Verlaufs der dritte Wandung 21, insbesondere als Krümmung 23, kann das gasförmige Medium beim Durchströmen des Auslass-Krümmers 22 zum Anodeneingang 15 hin gelenkt werden. Dabei verläuft die dritte Längsachse 42 des Auslass-Krümmers 22 und/oder die dritte Strömungsrichtung VII des gasförmigen Mediums im Bereich des Auslass-Krümmers 22 unter einem Winkel γ zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 und zum Anodeneingang 15 hin gerichtet. Dabei ist der Winkel γ insbesondere größer als der Winkel α und/oder der Winkel β.
  • Wie in 2 gezeigt, erfährt das gasförmige Medium beim Durchströmen des Diffusors 20 und/oder des Auslass-Krümmers 22 und/oder des Verbindungsstücks 26 eine entsprechende Umlenkung, wobei es von einer zumindest nahezu rechtwinklig zum ersten Strömungspfad III und/oder zweiten Strömungspfad IV verlaufenden ersten Strömungsrichtung V in eine zumindest nahezu parallel zum jeweiligen Strömungspfad III, IV verlaufenden vierten Strömungsrichtung VIII umgelenkt wird.
  • In 3 ist eine schematische Schnittansicht des Förderaggregats 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei ist ein Teil der inneren Strömungskontur des Förderaggregats 1, insbesondere eines Grundkörpers 13, dargestellt, wobei dieser die Bereiche Ansaugbereich 7, Mischrohr 18, Diffusor 20 und Verbindungsstück 26 aufweist. Es weisen jeweils das Mischrohr 18, der Diffusor 20 und das Verbindungsstück 26 eine jeweilige Längsachse 39, 40, 44 auf. Entlang dieser jeweiligen Längsachse 39, 40, 44 verläuft die jeweilige Strömungsrichtung V, VI und VIII des gasförmigen Mediums in diesem Bereich. Dabei verläuft die zweite Längsachse 40 des Diffusors 20 bogenförmig, so dass das gasförmige Medium beim Durchströmen des Diffusors 20 zum Anodeneingang 15 hin umgelenkt wird, insbesondere kontinuierlich.
  • Der bogenförmige Verlauf der zweiten Längsachse 40 des Diffusors 20 resultiert aus der Ausformung der Wandungen 17, 19 des Strömungsbereichs. Dabei weist eine erste Wandung 17 des Diffusors 20 die Krümmung 23 auf und eine der ersten Wandung 17 gegenüberliegende zweite Wandung 19 des Diffusors 20 einen zumindest nahezu linearen Verlauf auf. Die zweite Wandung 19 verläuft dabei unter einem Winkel β zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform kann die zweite Wandung 19 auch eine Krümmung aufweisen. Der Winkel α zwischen der gekrümmt verlaufenden zweiten Längsachse 40 und der ersten Längsachse 39 vergrößert sich dabei mit fortschreitendem Durchströmen des Diffusors 20 von einem Wert von zumindest nahezu 0° bis zu einem Wert von zumindest nahezu 90° zum Anodeneingang 15 hingewandt. Dabei verläuft die zweite Längsachse 40 des Diffusors 20 derart bogenförmig, dass diese im Anfangsbereich des Diffusors 20 zumindest nahezu parallel zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 verläuft und im Endbereich des Diffusors 20 zumindest nahezu senkrecht zur ersten Längsachse 39 des Mischrohrs 18 verläuft, wobei insbesondere die Öffnung des Endbereichs des Diffusors 20 zum Anodeneingang 15 hin gerichtet ist.
  • Weiterhin ist in 3 gezeigt, dass die vierte Längsachse 44 des Verbindungsstücks 26 parallel zum zweiten Strömungspfad IV des gasförmigen Mediums im Anodeneingang 15 verläuft, wobei die zweite Längsachse 40 des Diffusors 20 im Endbereich des Diffusors 20 zumindest nahezu parallel zur vierte Längsachse 44 des Verbindungsstücks 26 verläuft.
  • Des Weiteren zeigt 3, dass sich im innenliegenden Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 Strömungsquerschnitte ausbilden, die insbesondere orthogonal zur jeweiligen Strömungsrichtung V, VI, VIII verlaufen. Im Bereich des Diffusors 20 sind die Strömungsquerschnitte beispielhaft als die mindestens eine Querschnittsfläche A-A ausgebildet, wobei die mindestens eine Querschnittsfläche A-A orthogonal zur zweiten Strömungsrichtung VI und oder der zweiten, insbesondere bogenförmig verlaufenden, Längsachse 40 des Diffusors 20 verläuft. Dabei vergrößert sich die Querschnittsfläche A-A in der zweiten Strömungsrichtung VI. Dabei kann es im Diffusor 20 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums kommen, insbesondere aufgrund der sich vergrößernden Querschnittsfläche A-A. Zudem verläuft die zweite Strömungsrichtung VI und/oder die zweite Längsachse 40, insbesondere aufgrund des gekrümmten Verlaufs der ersten Wandung 17 und/oder des zumindest nahezu linearen Verlaufs der zweiten Wandung 19, zumindest nahezu bogenförmig im Bereich des Diffusors 20, so dass auch das gasförmige Medium zumindest nahezu bogenförmig im Bereich des Diffusor 20 strömt, insbesondere zum Anodeneingang 15 hin gerichtet.
  • In 4 ist eine schematische Schnittansicht der mindestens einen orthogonal zur Strömungsrichtung VI verlaufenden Querschnittsfläche A-A gemäß einer ersten Ausführungsform. Dabei weist die jeweilige Querschnittsfläche A-A des Diffusors 20 eine zumindest nahezu kreisförmige Form auf. Durch die erste Wandung 17, die insbesondere zumindest im Anfangsbereich des Diffusors 20 vom Anodeneingang 15 abgewandt verläuft, und die zweite Wandung 19 des Strömungsquerschnitts verläuft eine erste Bezugsachse 48. Orthogonal zu dieser ersten Bezugsachse 48 verläuft eine zweite Bezugsachse 50. Durch den Schnittpunkt der zwei Bezugsachse 48, 50 verläuft orthogonal zur beiden Achsen 48, 50 in einer nicht dargestellten Ebene die zweite Längsachse 40.
  • In 5 ist eine schematische Schnittansicht der mindestens einen orthogonal zur zweiten Strömungsrichtung VI verlaufenden Querschnittsfläche A-A gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Dabei weist die jeweilige Querschnittsfläche A-A einen gerundeten, insbesondere eine ovoidische und/oder eiförmige Form auf. Durch die erste Wandung 17, die insbesondere zumindest im Anfangsbereich des Diffusors 20 vom Anodeneingang 15 abgewandt verläuft, und die zweite Wandung 19 des Strömungsquerschnitts verläuft die erste Bezugsachse 48. Dabei verläuft die zweite Bezugsachse 50 derart orthogonal zur ersten Bezugsachse der ovoidischen Querschnittsfläche, dass sich diese im Bereich des größten Abstands der Wandungen des Strömungsquerschnitts befindet. Durch den Schnittpunkt der zwei Bezugsachse 48, 50 verläuft orthogonal zur beiden Achsen 48, 50 in einer nicht dargestellten Ebene die zweite Längsachse 40.
  • Optional können auch die Querschnittsflächen der Strömungsbereiche des Auslass-Krümmers 22 und/oder des Verbindungsstücks 26 eine entsprechende zumindest nahezu kreisförmige und/oder ovoidische Form aufweisen.
  • Auf die in 4 und 5 beschriebene erste und zweite Ausführungsform Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine verbesserte Umlenkung des gasförmigen Mediums beim Durchströmen des Diffusors 20 erreicht wird, bei der die Reibungs- und/oder Strömungs-Verlusten reduziert werden, während der für die Umlenkung des gasförmigen Mediums zum Anodeneingang 15 benötigte Bauraum reduziert werden kann. Somit kann das Förderaggregat 1 und/oder die Strahlpumpe 4 auch in Fahrzeuge verbaut werden, die nur einen geringen zur Verfügung stehenden Bauraum aufweisen. Die Strömungsübergänge innerhalb des Strömungsquerschnitts der Strahlpumpe 4 sind dabei möglichst strömungsoptimiert ausgeführt, so dass die Verwirbelungen und/oder ein Abbremsen der Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums verhindert wird.
  • Insbesondere in der zweiten Ausführungsform der mindestens einen Querschnittsfläche A-A kann der Großteil des zu fördernden gasförmigen Mediums im Bereich der zweiten Bezugsachse 50 in der zweiten Strömungsrichtung VI durch den Diffusor 20 strömen und somit eine stärkere Umlenkung zum Anodeneingang 15 hin erfahren, da die zweite Bezugsachse 50 weniger Abstand zur zweiten Wandung 19 und/oder zum Anodeneingang 15 hat, insbesondere im Vergleich zur ersten Ausführungsform der mindestens einen Querschnittsfläche A-A, was zu einem verbesserten Strömungsverhalten und einer kompakteren Bauform führt. Zudem kann auf diese Weise eine verbesserte Strömungsführung des gasförmigen durch den Diffusor 20 und/oder das gesamte Förderaggregat 1 erzielt werden.
  • Des Weiteren können diese in 4 oder 5 gezeigten Formen der Querschnittsflächen A je nach Ausführungsform des Förderaggregats 1 und/oder der Strahlpumpe 4 in einer beliebigen Kombination der Bereiche Diffusor 20, Auslass-Krümmer 22, Verbindungsstück 26 und Anodeneingang 15 im erfindungsgemäßen Förderaggregat 1 Verwendung finden, jedoch auch in allen anderen Strömungsbereichen des Brennstoffzellen-Systems 31.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102014221506 A1 [0003, 0004]

Claims (10)

  1. Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosierventil (6), wobei ein Ausgang des Förderaggregats (1) mit einem Anodeneingang (15) einer Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist, wobei die Strahlpumpe (4) einen Ansaugbereich (7), ein Mischrohr (18) und einen Diffusor (20) aufweist, wobei der Diffusor (20) zumindest mittelbar mit dem Anodeneingang (15) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist und wobei die Strahlpumpe (4) zumindest teilweise in Richtung einer ersten Strömungsrichtung V, die parallel zu einer ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft, vom gasförmigen Medium durchströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) geneigt zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft oder gekrümmt verläuft.
  2. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Wandung (17) des Diffusors (20) zumindest teilweise parallel zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft und eine der ersten Wandung (17) gegenüberliegende zweite Wandung (19) des Diffusors (20) unter einem Winkel (β) zur ersten Längsachse (39) verläuft, wobei die erste Wandung (17) auf der dem Anodeneingang (15) abgewandten Seite des Diffusors (20) verläuft und die zweite Wandung (19) auf der dem Anodeneingang (15) zugewandten Seite des Diffusors (20) verläuft.
  3. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Wandung (17) des Diffusors (20) einen gekrümmten Verlauf (23) aufweist und eine der ersten Wandung (17) gegenüberliegende zweite Wandung (19) des Diffusors (20) einen zumindest nahezu linearen Verlauf aufweist und unter einem Winkel (β) zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft.
  4. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) in Richtung zum Anodeneingang (15) geneigt ist.
  5. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) derart bogenförmig verläuft, dass diese im Anfangsbereich des Diffusors (20) zumindest nahezu parallel zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft und im Endbereich des Diffusors (20) zumindest nahezu senkrecht zur ersten Längsachse (39) des Mischrohrs (18) verläuft.
  6. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Verbindungsstück (26) und/oder ein Auslass-Krümmer (22) zwischen dem Diffusor (20) und dem Anodeneingang (15) der Brennstoffzelle (29) befinden und diese zumindest mittelbar fluidisch miteinander verbinden.
  7. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine vierte Längsachse (44) des Verbindungsstücks (26) parallel zu einem zweiten Strömungspfad IV des gasförmigen Mediums im Anodeneingang (15) verläuft, wobei die zweite Längsachse (40) des Diffusors (20) im Endbereich des Diffusors (20) zumindest nahezu parallel zur vierten Längsachse (44) des Verbindungsstücks (26) verläuft.
  8. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (4) ein Heizelement (11) aufweist, wobei die Strahlpumpe (4) und/oder der Auslass-Krümmer (22) und/oder das Verbindungsstück (26) aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind.
  9. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Komponenten Strahlpumpe (4), Dosierventil (6) und/oder einen Seitenkanalverdichter (10) und/oder einen Wasserabscheider (24) aufweist, wobei diese derart auf einer Endplatte (2) der Brennstoffzelle (29) positioniert sind, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten des Förderaggregats (1) ausschließlich parallel zur Endplatte (2) verlaufen, wobei die Endplatte (2) zwischen der Brennstoffzelle (29) und dem Förderaggregat (1) angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellen-System (31) mit einem Förderaggregat (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
DE102019204723.8A 2019-04-03 2019-04-03 Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums Pending DE102019204723A1 (de)

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