DE102019208521A1

DE102019208521A1 - Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE102019208521A1
Application number: DE102019208521.0A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Armin Richter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17

Abstract

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium, wobei das Förderaggregat (1) zumindest eine Strahlpumpe (4) mit einem Grundkörper (8) aufweist, in der eine Düse (12) und ein Mischrohr (9) angeordnet sind, wobei das Mischrohr (9) ausgebildet ist, mittels einer Membran (14) einen Querschnitt eines Strömungskanals zu ändern, wobei die Membran (14) ganz oder teilweise verformbar ausgebildet ist und wobei sich die Membran (14) zumindest nahezu ringförmig um eine Längsachse (52) der Strahlpumpe (4) erstreckt.Erfindungsgemäß ist dabei die Membran (14) mit Ihrem stromaufwärtigen Ende an einem Absatz (13) des Grundkörpers (8), insbesondere stoffschlüssig, fixiert und an ihrem stromabwärtigen Ende an einem Stellelement (15), insbesondere stoffschlüssig, fixiert, wobei das Stellelement (15) in Richtung (42) der Längsachse (52) bewegbar im Grundkörper (8) gelagert ist.

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 eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
Aus der DE 10 2015 216 457 ist ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, wobei das Förderaggregat zumindest eine Strahlpumpe mit einem Grundkörper aufweist, in der eine Düse und ein Mischrohr angeordnet sind. Dabei ist das Mischrohr derart ausgebildet, dass es mittels einer Membran einen Querschnitt seines Strömungskanals ändern kann, wobei die Membran ganz oder teilweise verformbar ausgebildet ist und wobei sich die Membran zumindest nahezu ringförmig um eine Längsachse der Strahlpumpe erstreckt.
Das aus der DE 10 2015 216 457 bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen.
Die Membran lässt sich zum einen mittels mindestens eines Stellelement, insbesondere einer Feder, in zumindest zwei Positionen verstellen. Dabei bewegt sich das mindestens eine Stellelement radial zur Längsachse der Strahlpumpe. Dadurch ergibt sich der Nachteil, das das Stellelement einen großen Stellweg radial zur Längsachse zurücklegen muss, um die Membran in gleichem Maße in Richtung der Längsachse zu verstelle, was zu langen Reaktionszeiten bei der Verstellung der Membran und/oder des Querschnitts des Strömungskanals führt.
Des Weiteren ist die Membran an ihrem stromaufwärtigen Ende und ihrem stromabwärtigen Ende an dem Grundkörper der Strahlpumpe fixiert ist. Bei einer Betätigung und/oder Bewegung des Stellelements radial zur Längsachse wird die Membran durch das Stellelement zur Längsachse hin bewegt und aufgrund der Fixiering der Membran an zwei Punkten, insbesondere an ihrem stromaufwärtigen Ende und ihrem stromabwärtigen Ende, wird die Membran zudem durch den radial zur Längsachse verlaufenden Stellweg des Stellelements, wobei die Membran in diesem Bereich zumindest nahezu parallel zur Längsachse verläuft, gelängt. Diese Längung der Membran erhöht die Materialspannung in der Membran, wobei es insbesondere zu einer schwellenden und/oder wechselnden Spannungsbelastung kommt. Dies kann zu Schädigungen der Membran und schlussendlich einem Versagen und/oder Reißen der Membran führen, insbesondere bei einer häufigen Betätigung des Stellelements. Zudem kann ein Versagen der Membran zu einer Schädigung der elektrischen Bauteile wie beispielsweise eines Aktors und nachgelagerter Bauteile führen, sollten diese durch das Versagen der Membran mit dem zu fördernden gasförmigen Medium, bei dem es sich insbesondere um Wasserstoff handelt, in Berührung kommen und/oder es könnte durch elektrischen Funkenschlag zu einer Explosion und/oder Entzündung des zu fördernden Mediums kommen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium vorgeschlagen, wobei das Förderaggregat zumindest eine Strahlpumpe mit einem Grundkörper aufweist, in der eine Düse und ein Mischrohr angeordnet sind, wobei das Mischrohr ausgebildet ist, mittels einer Membran einen Querschnitt eines Strömungskanals der Strahlpumpe zu ändern, wobei die Membran ganz oder teilweise verformbar ausgebildet ist und wobei sich die Membran zumindest nahezu ringförmig um eine Längsachse der Strahlpumpe erstreckt. In vorteilhafter Weise ist dabei die Membran mit Ihrem stromaufwärtigen Ende an einem Absatz des Grundkörpers, insbesondere stoffschlüssig, fixiert und an ihrem stromabwärtigen Ende an einem Stellelement, insbesondere stoffschlüssig, fixiert, wobei das Stellelement in Richtung der Längsachse bewegbar im Grundkörper gelagert ist.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 bietet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats den Vorteil, dass die Membran nur noch mit ihrem stromaufwärts liegenden Ende fest mit dem Grundkörper der Strahlpumpe verbunden ist. Mit dem anderen stromabwärts liegenden Ende ist die Membran nun mit dem Stellelement verbunden. Auf diese Weise kann eine Längung der Membran derart vermieden werden, dass die Membran nun nicht mehr mittels des Stellelements radial zur Drehachse zur Längsachse hin bewegt und somit gelängt wird. Vielmehr wird das eine stromabwärts liegende Ende der Membran mittels des in Richtung und somit parallel zur Längsachse bewegbaren Stellelement mitbewegt wird, wobei die Membran nicht über Ihren Grundspannungszustand hinaus gelängt wird, sondern eher derart in Richtung der Längsachse zusammengedrückt wird, dass sich die Membran von selber, insbesondere ohne eingebrachte Dehnspannung, radial zur Längsachse hin verformt. Auf diese Weise kann zum einen die Lebensdauer der Membran erhöht werden, da eine Dehnung der Membran über den Grunddehnungszustand hinaus und/oder eine Überdehnung in den plastischen Bereich hinein vermieden wird, wodurch sich die Lebensdauer des Förderaggregats erhöhen lässt und/oder die Ausfallwahrscheinlichkeit des Brennstoffzellen-Systems erhöhen lässt. Zum anderen ist der Stellweg des Stellelements zumindest annähernd halbiert oder zumindest geringer zum vergleichbaren Stand der Technik, da das Stellelement in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Förderaggregats nur den halben Stellweg axial zur Längsachse zurücklegen muss, im Vergleich zum radial zur Längsachse zurückzulegenden Weg, um eine identische Verformung der Membran zur Längsachse hin bewirken zu können.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats ist das Stellelement bei einer Betätigung eines Aktors in einer axialen Richtung verstellbar, wobei das Stellelement radial zur Längsachse im Grundkörper geführt ist. Auf diese Weise kann der Aktor derart betätigt und/oder angesteuert werden, dass das Stellelement in axialer Richtung, insbesondere parallel zur Längsachse, verstellt werden kann, sich dadurch die Membran verformt und somit die Geometrie und/oder der Durchmesser des Mischrohr, insbesondere eines Mischrohrabschnitts, ändern lässt, so dass das Förderaggregat bestmöglich auf eine jeweilige Durchströmrate des Rezirkulationsmediums angepasst werden kann, indem die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums im Bereich des Mischrohrs durch dessen Durchmesser und Geometrie beeinflusst wird. Damit lässt sich eine Effizienz des Förderaggregats erhöhen und die Durchströmrate lässt sich optimal an die jeweiligen Anforderungen des Betriebszustandes des Brennstoffzellen-Systems anpassen. Dies führt zu geringeren Betriebskosten und einer erhöhten Lebensdauer des gesamten Brennstoffzellen-Systems, da insbesondere eine dauerhafte Sättigung einer Brennstoffzelle mit dem Fördermedium gewährleistet werden kann. Zudem kann mittels der Führung des Stellelements radial zur Längsachse der Verschleiß des Stellelements und/oder der gesamten Aktorik bei einer Bewegung in axialer Richtung reduziert werden, was die Lebensdauer des Förderaggregats erhöht.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist der Aktor als ein elektrischer Aktor, insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor, ausgebildet. Zudem kann das Stellelement zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff bestehen, wobei das Stellelement somit insbesondere als ein Ankerteil ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der Aktor eine Verstellung des Stellelements, insbesondere in axialer Richtung bewirken, ohne dass ein weiteres Bauteil, insbesondere ein magnetisches Bauteil, am Stellelement angebracht werden muss, um eine magnetische Verstellkraft bei einer Bestromung des Aktors auf das Stellelement bewirken zu können. Dabei kann das Stellelement bei der Betätigung des Aktors in axialer Richtung verstellt werden, ohne dass ein mechanischer Kontakt des Aktors mit dem Stellelement notwendig ist. Dadurch können die Bauteile, die für eine mechanische Kraftübertragung des Aktors auf das Stellelement notwendig wären, eingespart werden, wodurch die Bauteilkosten und die Montagekosten des Förderaggregats gesenkt werden können.
Des Weiteren wird die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats aufgrund der Reduzierung der Gesamtanzahl an Bauteilen reduziert, insbesondere wegen eines negativen Effekts aufgrund von Toleranzketten bei einer mechanischen Verstellung des Stellelements und/oder der Membran.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich bei dem elektromagnetischen Aktor dadurch, dass mittels einer Messung der Eigenschaften eines Magnetfelds des Aktors Rückschlüsse auf eine Position des Stellelements und/oder der Membran in axialer Richtung ziehen lassen. Dies ist möglich, ohne dass weitere Sensoren an dem Stellelement und/oder dem Aktor und/oder den umliegenden Bauteilen notwendig sind, was wiederum zur Kostenersparnis beim Förderaggregat führt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats befindet sich ein, insbesondere vom Strömungskanal der Strahlpumpe gekapselter, Membranraum zwischen der Membran und dem Grundkörper, der mittels eines Versorgungskanals angesteuert wird, insbesondere hydraulisch. Auf diese Weise kann die geometrische Ausformung der Membran geändert werden, insbesondere durch eine Befüllung des Membranraums mit einem Medium und/oder einer Erhöhung des Drucks im Membranraum, wodurch sich die Membran zumindest über einen Teil Ihrer Länge zur Längsachse hin bewegt und sich somit ein Mischrohrradius verkleinert und/oder verengt, zumindest teilweise über einen Abschnitt der Länge der Längsachse. Diese derart hervorgerufene Änderung der geometrische Ausformung der Membran kann zudem eine Bewegung und/oder Verstellung des Stellelements in axialer Richtung bewirken, da das Stellelement zumindest mit einem Ende der Membran verbunden ist und insbesondere von diesem in axialer Richtung gezogen oder gedrückt wird. Diese Verstellung des Stellelements und/oder der Membran kann dabei zusätzlich zur Verstellung mittels des Aktors wirken. Somit lässt sich der Vorteil erzielen, dass zum einen bei einem Ausfall des Aktors eine Verstellung des Stellelements und/oder der Membran möglich ist. Zum anderen kann mittels der vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats mit dem Membranraum der Vorteil erzielt werden, dass beide Verstellungen, die mittels des Aktors und mittels des durch den Versorgungskanal befüllbaren Membranraums eine schnelle Verstellung bewirkt werden kann und/oder eine Verstellung, die insgesamt weniger Energie benötigt. Somit kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats und die Zuverlässigkeit des Förderaggregats erhöht werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats weist die Membran in einer Grundstellung des Stellelements oder des Ankerteils bei einem nicht betätigtem Aktor, zumindest über einen Teil ihrer Länge, eine zur Längsachse hin gerichtete Wölbung auf. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass sich die Membran bei einer Bewegung des Stellelements, insbesondere mittels einer Betätigung des Aktors, in axialer Richtung und zur Düse hin, mit Ihrer Geometrie derart verformt, dass sich die Membran zumindest über einen Teil Ihrer Länge zur Längsachse hinbewegt, und sich somit der Mischrohrradius verkleinert. Ohne diese zur Längsachse hin gerichtete Wölbung besteht die Gefahr, dass sich die Membran bei einer Bewegung des Stellelement nicht wie erwünscht verformt und sich die Membran somit zumindest über einen Teil Ihrer Länge von der Längsachse wegbewegt und beschädigt wird. Somit kann auf diese Weise die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats reduziert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die Membran als ein Wellbalg ausgeführt, wobei der Wellbalg eine Federkonstante aufweist. Auf diese Weise kann zum einen die optimale Kapselung des Aktors gegen das Fördermedium gewährleistet werden, insbesondere aufgrund der Ausführung der Membran als Wellbalg. Zum anderen kann das Aufweisen einer Federkonstante des Wellbalgs vorteilhaft sein, da das Zurückbewegen des Stellelements in die Grundposition, insbesondere bei einem Nicht-betätigen des Aktors, allein durch den flexiblen Wellbalg erzielt werden kann. Dadurch werden keine zusätzlichen Bauteile benötigt, um des Stellelement und/oder die Membran in Ihre Grundposition zurückzubewegen. Ein solches zusätzliches Bauteil könnte beispielsweise mindestens ein zusätzliches Federelement sein. Somit kann die Komplexität des Förderaggregats verringert werden und somit können die Fertigungs- und Montagekosten reduziert werden.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregats mit einer Strahlpumpe und einem Dosierventil,
2 eine schematische Schnittansicht der Strahlpumpe mit einem Grundkörper, sowie einem Stellelement und einer Membran in einer ersten Grundstellung,
3 eine schematische Schnittansicht der Strahlpumpe mit einem Grundkörper, sowie dem Stellelement und der Membran in einer zweiten Stellung,
4 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und dem Förderaggregat,

Ausführungsformen der Erfindung
Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregats 1, wobei das Förderaggregat 1 eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 aufweist. Die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 weist dabei ein Dosierventil 10 und eine Strahlpumpe 4 auf, wobei das Dosierventil 10 beispielsweise mittels einer Verschraubung mit der Strahlpumpe 4 verbunden ist, insbesondere mit einem Grundkörper 8 der Strahlpumpe 4.
Dabei weist die Strahlpumpe 4 einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36a einen Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 9 und einen Diffusor-Bereich 11 auf. Das Dosierventil 10 weist dabei den zweiten Zulauf 36b und eine Düse 12 auf. Dabei ist das Dosierventil 10 insbesondere in Richtung einer Längsachse 52 in die Strahlpumpe 4, insbesondere in eine Öffnung in dem Grundkörper 8 der Strahlpumpe 4 eingeschoben.
In 1 ist zudem dargestellt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 von einem zu fördernden Medium in einer Strömungsrichtung III durchströmt wird. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 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 19 im Inneren des Grundkörpers 8 parallel zur Längsachse 52 in der Strömungsrichtung III, wobei der zentrale Strömungsbereich 19 im Bereich der Mündung der Düse 12 im Ansaugbereich 7 beginnt und sich durch das Mischrohr 9 bis den Diffusor-Bereich 11 und beispielsweise darüber hinaus erstreckt, insbesondere in einem Bereich mit einem zumindest nahezu gleichbleibenden Durchmesser eines Strömungsquerschnitts des Förderaggregats 1. Dabei wird der Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 zum einen ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H₂ aus einem Anodenbereich 38 (gezeigt in 4) einer Brennstoffzelle 32, insbesondere einem Stack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Das Rezirkulat strömt dabei auf einem ersten Strömungspfad IV in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 ein. Zum anderen strömt durch den zweiten Zulauf 36 auf einem zweiten Strömungspfad V von außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 ein gasförmiges Treibmedium, insbesondere H₂, in eine Öffnung der Ventil-Strahlpumpenanordnung 3 und/oder in den Grundkörper 8 und/oder das Dosierventil 10 ein, wobei das Treibmedium von einem Tank 34 kommen kann und unter hohen Druck, insbesondere von mehr als 5 bar, steht. Dabei verläuft der zweite Zulauf 36a, b durch die Bauteile Grundkörper 8 und/oder Dosierventil 10. Vom Dosierventil 10 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 9 abgelassen. Das durch die Düse 12 strömende und als Treibmedium dienende H₂ weist eine Druckdifferenz und/oder Geschwindigkeitsdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in das Förderaggregat 1 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 5 bar aufweist. Damit sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Massen-Strom in den zentralen Strömungsbereich 19 des Förderaggregats 1 gefördert, beispielsweise durch den Einsatz eines, dem Förderaggregat 1 vorgeschalteten, Seitenkanalverdichters. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch die Düse 12 in den zentralen Strömungsbereich 19 des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 9 ein. Die Düse 12 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsquerschnitts auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere vom Dosierventil 10 kommend und in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 einströmend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im zentralen Strömungsbereich 19 des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 9 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder Druck-Differenz 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 III 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 10 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 (nicht gezeigt in 1) je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden. In einem beispielhaften Betriebszustand des Förderaggregats 1 bei dem sich das Dosierventil 10 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich 19 der Strahlpumpe 4 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung III zum Rezirkulationsmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt.
Nach dem Passieren des Mischrohrs 9 strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibmedium besteht, in der Strömungsrichtung III in den Diffusor-Bereich 11, wobei es im Diffusor-Bereich 11 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium beispielsweise weiter in den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32.
Weiterhin weist das Förderaggregat 1 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 11 im Bereich seines inneren Strömungsquerschnitts konisch, insbesondere sich in der Strömungsrichtung III vergrößernd. Durch diese Ausformung des Teilstücks Diffusorbereich 11 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 32 zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß kann das Dosierventil 10 als ein Proportionalventil 10 ausgeführt sein, um eine verbesserte Dosierfunktion und ein exakteres Dosieren des Treibmediums in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 zu ermöglichen. Zur weiteren Verbesserung der Strömungsgeometrie und des Wirkungsgrads des Förderaggregats 1 sind die Düse 12 und das Mischrohr 9 rotationssymetrisch ausgeführt, wobei die Düse 12 koaxial zum Mischrohr 9 der Strahlpumpe 4 verläuft.
In 2 zeigt eine schematische Schnittansicht der Strahlpumpe 4 mit dem Grundkörper 8, sowie einem Stellelement 15 und einer Membran 14 in einer ersten Grundstellung. Die Strahlpumpe 4 weist dabei die Düse 12 auf, die in ihrem Inneren rotationssymetrisch um die Längsachse 52 eine innere Strömungsöffnung 20 aufweist, die den zentralen Strömungsbereich 19 und/oder den Ansaugbereich 7 mit dem zweiten Zulauf 36 verbindet und durch die ein Treibmedium strömen kann. Weiterhin verläuft die Membran 14 und/oder das Stellelement 15 zumindest nahezu rotationsymmetrisch um die Längsachse 52, wobei die Membran 14 zumindest teilweise in dem zentralen Strömungsbereich 19 der Strahlpumpe 4 angeordnet ist.
In 2 ist zudem dargestellt, dass in den zentralen Strömungsbereich 19 von außerhalb des Förderaggregats 1 durch den ersten Zulauf 28 ein gasförmiges Rezirkulationsmedium einströmt, insbesondere H₂, wobei das gasförmige Rezirkulationsmedium beispielsweise aus einem Brennstoffzellenstapel gefördert wird. Dieses gasförmige Rezirkulationsmedium strömt in der Strömungsrichtung III zwischen der Düse 12 und dem Grundkörper 8 hindurch in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 ein.
Weiterhin ist gezeigt, dass insbesondere im Bereich des Mischrohrs 9, aber beispielsweise auch im Bereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Diffusorbereichs 11, mittels der Membran 14 der Querschnitt des um die Längsachse 52 der Strahlpumpe 4 verlaufenden Strömungskanals und/oder zentralen Strömungsbereichs 19 änderbar ist. Die Membran 14 ist dabei ganz oder zumindest teilweise verformbar ausgebildet, wobei die Membran 14 zumindest teilweise aus einem Verbundwerkstoff bestehen kann, der zumindest teilweise ein Polymer aufweist. Des Weiteren ist die Membran 14 mit Ihrem stromaufwärtigen Ende an einem Absatz 13 des Grundkörpers 8, insbesondere stoffschlüssig, fixiert und an ihrem stromabwärtigen Ende an dem Stellelement 15, insbesondere stoffschlüssig, fixiert. Das Stellelement 15 ist dabei in Richtung 42 der Längsachse 52 bewegbar im Grundkörper 8 gelagert.
Des Weiteren ist in der Strahlpumpe 4 ein Aktor 30 angeordnet, wobei das Stellelement 15 und/oder die Membran 14 durch den Aktor 30 in einer axialen Richtung 42 verstellbar sind. Der Aktor 30 weist zudem mindestens ein Einstellelement 18 auf, wobei das Einstellelement 18 in einer beispielhaften Ausführungsform des Förderaggregats 1 als ein Magnetspule 18 ausgeführt ist, wobei die Magnetspule 18 elektrisch angesteuert und/oder bestromt werden kann und somit zumindest ein Magnetfeld ausbildet. Die Düse 12 ist hierbei stationär im Förderaggregats 1 angeordnet, entweder im Grundkörper 8 oder im oder am Dosierventil 10. Die Düse 12 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Dabei ist die Membran 14 stromabwärts, insbesondere in der Strömungsrichtung III, von der Düse 12 angeordnet, insbesondere im Bereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 9 und/oder des Diffusor-Bereichs 11 der Strahlpumpe 4. Das Stellelement 15 ist dabei bei einer Betätigung des Aktors 30 in axialer Richtung 42 verstellbar, wobei das Stellelement 15 radial zur Längsachse 52 im Grundkörper 8 geführt ist. Der Aktor 30 kann dabei als ein elektrischer Aktor 30, insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor 30, ausgebildet sein. Zudem kann das Stellelement 15 zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff bestehen und somit insbesondere als ein Ankerteil 15 ausgebildet sein.
Dabei wird zumindest ein Ende der Membran 14 mittels des sich in axialer Richtung 42 bewegenden Stellelements 15 mitbewegt. Die Membran 14 wird bei dieser Bewegung des Stellelements 15 entgegengesetzt zur Strömungsrichtung III derart in axialer Richtung 42 zusammengedrückt, dass sich die Membran 14 derart verformt, dass sie sich zumindest über einen Teil Ihrer Länge in den zentralen Strömungsbereich 19 und somit zur Längsachse 52 hin bewegt, insbesondere mit einer innenliegenden Wandung 35, die der Längsachse 52 zugewandt ist, so dass sich in diesem Bereich zumindest ein Mischrohrradius 25 verkleinert. Auf der der innenliegenden Wandung 35 abgewandten Oberfläche der Membran 14 wird zwischen der Membran 14 und dem Grundkörper 8 ein Membranraum 17 ausgebildet, wobei der Membranraum 17 insbesondere vom Strömungskanal und/oder zentralen Strömungsbereich 19 durch den das durch die Strahlpumpe 4 zu fördernde Mediums strömt gekapselt ist.
In 2 ist zudem dargestellt, dass sich die Membran 14 und/oder das Stellelement 15 in einer ersten Grundstellung bei einem nicht betätigtem Aktor 30 zumindest über einen Teil ihrer Länge, eine zur Längsachse 52 hin gerichtete Wölbung aufweist. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich die Membran 14, sobald der Aktor 30 betätigt wird und somit das Stellelement 15 in einer axialen Richtung 42 zur Düse 12 hin und somit stromaufwärts bewegt, derart verformt, dass sich die Membran 14 zumindest mit einem Teil Ihrer Länge von der Längsachse 52 wegbewegt und sich somit der Mischrohrradius 25 vergrößern würde. Des Weiteren steht das Stellelement 15 in der ersten Grundstellung in axialer Richtung an einer Einstellscheibe 16 in Anlage, wobei die Einstellscheibe 16 kraftschlüssig und/oder formschlüssig und/oder stoffschlüssig im Grundkörper 8 fixiert ist.
Zudem kann eine Kapselung des Aktors 30 durch den Einsatz der Membran 14 gegenüber dem zu fördernden Mediums erzielt werden, wodurch ein elektrischer Kurzschluss der elektrischen Bauteile des Aktors und/oder des Einstellelements, vermieden werden kann, da sich alle elektrischen Bauteile innerhalb des gekapselten Membranraums 17. Des Weiteren kann das Fördermedium die Oberflächen der magnetischen Bauteile des Aktors 30, insbesondere von weichmagnetischen Bauteilen, schädigen, wobei die Schädigung insbesondere durch Korrosion der Oberflächen der Bauteile erfolgen kann. Zudem wird durch die Kapselung des Aktors 30 verhindert, dass sich das Fördermedium und ein vorhandener Sauerstoff, der insbesondere im Rezirkulat vorhanden sein kann, durch elektrische Funken des Elektromagneten entzündet und dadurch das Förderaggregat 1 und weitere Bauteile des Brennstoffzellen-Systems 31 schädigen kann.
In 2 ist die Membran 14 in einer ersten Grundstellung, wobei der Mischrohrradius 25a hierbei seinen zumindest nahezu größten Öffnungsdurchmesser im zentralen Strömungsbereich 19 aufweist.
In 3 ist eine schematische Schnittansicht der Strahlpumpe 4 mit dem Grundkörper 8, sowie dem Stellelement 15 und der Membran 14 in einer zweiten Stellung gezeigt. Dabei ist das Stellelement 15 in axialer Richtung 42 und zur Düse 12 hin derart verstellt, dass es die Membran 14 derart in axialer Richtung 42 durch das Stellelement 15 zusammengedrückt und sich die Membran 14 somit verformt, dass sie sich zumindest über einen Teil Ihrer Länge in den zentralen Strömungsbereich 19 und somit zur Längsachse 52 hin bewegt, insbesondere mit der innenliegenden Wandung 35, die der Längsachse 52 zugewandt ist, so dass sich in diesem Bereich zumindest der Mischrohrradius 25 verkleinert. In dieser in 3 gezeigten zweiten Stellung des Stellelements 15 und/oder der Membran 14 ist in einer beispielhaften Ausführungsform das Stellelement 15 in einer Endposition gezeigt, bei der es zumindest in axialer Richtung 42 so weit wie möglich stromaufwärts zur Düse 12 hinbewegt wurde. Somit hat sich auch die Membran 14 in dieser Position des Stellelements 15 zumindest über einen Teil Ihrer Länge so weit in den zentralen Strömungsbereich 19 und somit zur Längsachse 52 hin bewegt, dass der Mischrohrradius 25b hierbei seinen zumindest nahezu kleinsten Öffnungsdurchmesser im zentralen Strömungsbereich 19 aufweist. Zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung des Stellelement 15 und der Membran 14 können beide Elemente in axialer Richtung 42 stufenlos verstellt und in Position gehalten werden, um die Strömungsgeometrie der Strahlpumpe 4, insbesondere des zentralen Strömungsbereichs 19 des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 9 und/oder des Diffusorbereichs 11 an den jeweiligen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Systems 31 anzupassen. Auf diese Weise kann mittels einer anpassbaren Strömungsgeometrie der Strahlpumpe 4, insbesondere mit dem variierbaren Mischrohradius 25, optimale Förderraten bei verschieden Betriebspunkten der Brennstoffzelle 32 realisiert werden und es ist nicht mehr notwendig beispielsweise mindestens zwei parallel oder in Reihe geschaltete Strahlpumpen 4 zu verwenden, sondern eine Strahlpumpe 4 ist ausreichend. Auch kann ein beispielsweise verwendeter Seitenkanalverdichter entfallen durch die anpassbare Strömungsgeometrie der Strahlpumpe 4, wodurch sich die Produktkosten und/oder die Betriebskosten des Förderaggregats 1 und/oder des Brennstoffzellen-Systems 31 reduzieren lassen.
In 3 ist zudem gezeigt, dass sich ein, insbesondere vom Strömungskanal und/oder zentralen Strömungsbereich 19 der Strahlpumpe 4 gekapselter, Membranraum 17 zwischen der Membran 14 und dem Grundkörper 8 befindet, der mittels eines Versorgungskanals 22 angesteuert wird, insbesondere hydraulisch. Auf diese Weise kann die Membran 14, zusätzlich zur Betätigung durch den Aktor 30 und/oder das Stellelement 15, mittels einer Ansteuerung und/oder Befüllung des Membranraums 17, insbesondere durch den Versorgungskanal 22, in axialer Richtung 42 bewegt werden. Der gekapselte Membranraum 17 kann dabei entweder über den Versorgungskanal 22 mit einer Flüssigkeit gefüllt werden oder mit einem Gas gefüllt werden, so dass die Ansteuerung entweder hydraulisch oder pneumatisch erfolgt. Dabei wird der Membranraum 17 mit der Flüssigkeit oder dem Gas gefüllt, woraufhin sich die Membran 14 zumindest über einen Teil Ihrer Länge zur Längsachse 52 hin wölbt und/oder bewegt, wodurch sich der Mischrohrradius 25 verkleinert und/oder das Stellelement 15 zur Düse 12 hin bewegt wird.
Mittels der erfindungsgemäßen Ausführung des Förderaggregats 1 mit dem Membranraum 17 und/oder dem Versorgungskanal 22 kann eine zusätzliche Ansteuerung der Membran 14 zur Ansteuerung über den Aktor 30 und/oder das Stellelement 15 erfolgen, wodurch sich die Betätigungskräfte reduzieren lassen. Zudem kann aber auch die Ansteuerung der Membran 14 mittels des Membranraums 17 und/oder des Versorgungskanals 22 als eine Rückfall-Lösung genutzt werden, falls der Aktor 30 ausfällt und/oder es ist möglich die Verstellgeschwindigkeit der Membran 14 und/oder des Stellelement 15 zu erhöhen.
Des Weiteren dass die Membran 14 als ein Wellbalg 14 ausgeführt ist, wobei der Wellbalg 14 eine Federkonstante aufweist. Durch diese erfindungsgemäße Ausführung des Förderaggregats 1 werden keine weiteren Bauteile zusätzlich zum Wellbalg 14 benötigt, wie beispielsweise ein Federelement, um das Stellelement 15 und/oder die Membran 14 in die erste Grundstellung zurückzubewegen. Zusätzlich kann mittels des Wellbalgs 14 eine Kapselung der elektrischen Bauteile des Förderaggregats 1 bewirkt werden, insbesondere des Aktors 30 und/oder des Einstellelements 18. Der eine Federkonstante aufweisende Wellbalg 14 drückt dabei das Stellelement 15 in axialer Richtung 42 gegen die Einstellscheibe 16, wobei sich das Stellelement 15 mit der Membran 14 bei einer Anlage an der Einstellscheibe 16 in der ersten Grundstellung befindet.
Auf diese Weise kann mittels eines anpassbaren Strömungsquerschnitts der Strahlpumpe 4 der durch die Membran 14 und/oder das Stellelement 15 und/oder den Membranraum 17 änderbar ist, mit dem variierbaren Mischrohradius 25 optimale Förderraten bei verschieden Betriebspunkten der Brennstoffzelle 32 realisiert werden.
In 4 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Brennstoffzellen-Systems 31 dargestellt, insbesondere eines Anodenkreislaufs. Dabei ist gezeigt, dass das Förderaggregat 1 über eine Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden, die den Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung 23 vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 mit dem ersten Zulauf 28, und somit insbesondere mit dem Ansaugbereich 7, des Förderaggregats 1 verbindet. Mittels der Rückführleitung 23 kann das im Anodenbereich 38 beim Betrieb der Brennstoffzelle 32 nicht verwertete erste gasförmige Medium zum ersten Zulauf 28 zurückgeführt werden. Bei diesem ersten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das vorrangegangen beschriebene Rezirkulationsmedium.
Wie aus 4 weiter ersichtlich, wird das in dem Tank 34 gespeicherte zweite gasförmige Medium über eine Zuströmleitung 21 einem Zuströmbereich, der insbesondere als der zweite Zulauf 36 ausgebildet ist, des Förderaggregats 1 und/oder der Strahlpumpe 4 zugeführt. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das Treibmedium.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015216457 [0003, 0004]

Claims

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium, wobei das Förderaggregat (1) zumindest eine Strahlpumpe (4) mit einem Grundkörper (8) aufweist, in der eine Düse (12) und ein Mischrohr (9) angeordnet sind, wobei das Mischrohr (9) ausgebildet ist, mittels einer Membran (14) einen Querschnitt eines Strömungskanals zu ändern, wobei die Membran (14) ganz oder teilweise verformbar ausgebildet ist und wobei sich die Membran (14) zumindest nahezu ringförmig um eine Längsachse (52) der Strahlpumpe (4) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) mit Ihrem stromaufwärtigen Ende an einem Absatz (13) des Grundkörpers (8), insbesondere stoffschlüssig, fixiert ist und an ihrem stromabwärtigen Ende an einem Stellelement (15), insbesondere stoffschlüssig, fixiert ist, wobei das Stellelement (15) in Richtung (42) der Längsachse (52) bewegbar im Grundkörper (8) gelagert ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (15) bei einer Betätigung eines Aktors (30) in einer axialen Richtung (42) verstellbar ist, wobei das Stellelement (15) radial zur Längsachse (52) im Grundkörper (8) geführt ist.
Förderaggregat (1) Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor (30) als ein elektrischer Aktor (30), insbesondere als ein elektromagnetischer Aktor (30), ausgebildet ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (15) zumindest teilweise aus einem magnetischen Werkstoff besteht und somit insbesondere als ein Ankerteil (15) ausgebildet ist.
Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein, insbesondere vom Strömungskanal der Strahlpumpe (4), gekapselter Membranraum (17) zwischen der Membran (14) und dem Grundkörper (8) befindet, der mittels eines Versorgungskanals (22) angesteuert wird, insbesondere hydraulisch.
Förderaggregat (8) gemäß einem der vorrangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) in einer Grundstellung des Stellelements (15) oder des Ankerteils (15) bei einem nicht betätigtem Aktor (30), zumindest über einen Teil ihrer Länge, eine zur Längsachse (52) hin gerichtete Wölbung aufweist.
Förderaggregat gemäß einem der vorrangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) als ein Wellbalg (14) ausgeführt ist, wobei der Wellbalg (14) eine Federkonstante aufweist.
Verwendung des Förderaggregates (8) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Brennstoffzellen-System 31.