DE102019214654A1

DE102019214654A1 - Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums

Info

Publication number: DE102019214654A1
Application number: DE102019214654.6A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel; Armin Richter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2019-09-25
Publication date: 2021-03-25
Also published as: CN114521302A; WO2021058370A1

Abstract

Fördereinrichtung (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Rezirkulationsgebläse (8), mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und mit einem Dosierventil (6), wobei das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe (4) mittels des Dosierventils (6) zugeführt wird, wobei die Strahlpumpe (4) einen Ansaugbereich (18), ein Mischrohr (19), einen Diffusor-Bereich (20) und einen Endbereich (22) aufweist, wobei ein Anodenausgang (3) einer Brennstoffzelle (29) mit einem Eingang der Fördereinrichtung (1) fluidisch verbunden ist, ein Ausgang der Fördereinrichtung (1) mit einem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist und wobei die Strahlpumpe (4) und das Dosierventil (6) eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (12) bilden.Erfindungsgemäß sind dabei die Ventil-Strahlpumpenanordnung (12) und das Rezirkulationsgebläse (8) der Fördereinrichtung (1) strömungstechnisch parallel angeordnet und/oder verschaltet.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation 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 Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an die Fördereinrichtung geleitet. Diese Fördereinrichtung führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
Aus der DE 10 2017 222 390 A1 ist eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums bekannt, mit einem Rezirkulationsgebläse und einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe, wobei ein Anodenausgang der Brennstoffzelle mit einem Eingang der Fördereinrichtung zumindest mittelbar fluidisch verbunden ist, ein Ausgang der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist. Dabei wird das unter Druck stehende gasförmigen Medium einer Strahlpumpe mittels eines Dosierventils zugeführt und die Strahlpumpe und das Dosierventil bilden eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung.
Die aus der DE 10 2017 222 390 A1 bekannte Fördereinrichtung kann gewisse Nachteile aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Komponenten Rezirkulationsgebläse und die Strahlpumpe fluidisch derart miteinander und mit der Brennstoffzelle verbunden, dass diese in Reihe geschaltet sind. Dabei fließt das unverbrauchte gasförmige Medium über eine Rückführleitung von der Brennstoffzelle, insbesondere einem Anodenbereich, zumindest mittelbar zu dem Rezirkulationsgebläse. Nachdem das gasförmige Medium im Rezirkulationsgebläse verdichtet wurde und dieses durchströmt hat, strömt es weiter von einer Gas-Auslassöffnung des Rezirkulationsgebläses zu einem ersten Zulauf der Strahlpumpe und/oder der kombinierten Ventil-Strahlpumpenanordnung. Aufgrund dieser Anordnung der Komponenten Rezirkulationsgebläse und Ventil-Strahlpumpenanordnung der Fördereinrichtung in Reihe und somit strömungstechnisch hintereinander müssen diese relativ groß ausgelegt sein, um die benötigten Volumenströme, die in der Brennstoffzelle benötigt werden, realisieren und zur Verfügung stellen zu können. Auch muss das gasförmige Medium beim abgeschalteten Rezirkulationsgebläse bei bestimmten Lastpunkten und/oder Betriebspunkten der Brennstoffzelle diesen immer noch vollständig durchströmen um zur Strahlpumpe zu gelangen, wobei das Rezirkulationsgebläse im abgeschalteten Zustand einen Strömungswiderstand ausbildet.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H₂ bezeichnet wird. Dabei weist die Fördereinrichtung ein Rezirkulationsgebläse auf und eine von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe mit einem Dosierventil. Dabei wird das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe mittels des Dosierventils zugeführt, wobei die Strahlpumpe einen Ansaugbereich, ein Mischrohr, einen Diffusor-Bereich und einen Endbereich aufweist. Ein Anodenausgang einer Brennstoffzelle ist dabei mit einem Eingang der Fördereinrichtung fluidisch verbunden, wobei ein Ausgang der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist und wobei die Strahlpumpe und das Dosierventil eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung bilden.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die Fördereinrichtung derart ausgebildet, dass die Ventil-Strahlpumpenanordnung und das Rezirkulationsgebläse der Fördereinrichtung strömungstechnisch parallel angeordnet und/oder verschaltet sind. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass sich die Volumenströme des Rezirkulationsgebläse und der kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung addieren und somit zumindest nahezu gegenseitig verstärken. Somit können die Komponenten Rezirkulationsgebläse und kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung kleiner ausgelegt und/oder dimensioniert werden, um den gleichen Volumenstrom zu erzeugen, wie dies bei einer Anordnung in Reihe und somit hintereinander der Fall wäre. Auf diese Weise kann der Bauraum für die gesamte Fördereinrichtung, insbesondere die Bauteile Rezirkulationsgebläse und/oder kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder Strahlpumpe und/oder Dosierventil im Brennstoffzellensystem und/oder im Gesamtfahrzeug reduziert werden. Des Weiteren können die Herstellkosten und/oder Montagekosten des Rezirkulationsgebläse und/oder kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder Strahlpumpe und/oder Dosierventil verringert werden. Des Weiteren benötigen die kleiner dimensionierten Bauteile, insbesondere das Rezirkulationsgebläse und das Dosierventil im Betrieb weniger Energie, insbesondere elektrische Energie, beispielsweise aufgrund der geringeren Masse der zu bewegenden Teile, wodurch sich die Betriebskosten der Fördereinrichtung reduzieren lassen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Fördereinrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich stromaufwärts der Ventil-Strahlpumpenanordnung und des Rezirkulationsgebläses ein Knotenpunkt, an dem sich die Strömungsleitung, insbesondere eine Rückführleitung, strömungstechnisch verzweigt, wobei das gasförmige Medium zum einen über eine erste Verbindungsleitung vom Knotenpunkt zum Rezirkulationsgebläse strömt und über eine zweite Verbindungsleitung vom Knotenpunkt zur Ventil-Strahlpumpenanordnung strömt. Auf diese Weise ist eine Verzweigung des Strömungsvolumens des von der Brennstoffzelle kommenden unverbrauchten Mediums, insbesondere eines Rezirkulationsmediums derart möglich, dass in einer vorteilhaften Weise die Komponenten Rezirkulationsgebläse und Ventil-Strahlpumpenanordnung mit dem gasförmigen Medium beschickt und/oder versorgt werden. In einer weiteren vorteilhaften beispielhaften Ausführungsform der Fördereinrichtung kann der Knotenpunkt derart elektronisch, mechanisch oder anderweitig ansteuerbar sein, dass eine steuerbare Aufteilung des Volumenstroms des gasförmigen Mediums derart erfolgt, dass in einem Fall mehr Fördervolumen an das Rezirkulationsgebläse geleitet wird, während weniger Fördervolumen an die Ventil-Strahlpumpenanordnung geschickt wird und umgekehrt, je nach Betriebszustand des Brennstoffzellen-Systems und den jeweiligen optimalen Lastpunkten der Komponenten. Ein erste beispielshafte Aufteilung des Volumenstroms ist dergestalt, dass 100% Volumenstrom mittels des Knotenpunktes des gasförmigen Mediums an das Rezirkulationsgebläse geleitet werden und 0% an die Ventil-Strahlpumpenanordnung. Eine zweite beispielshafte Aufteilung des Volumenstroms mittels des Knotenpunktes ist dergestalt, dass 0% Volumenstrom des gasförmigen Mediums an das Rezirkulationsgebläse geleitet werden und 100% an die Ventil-Strahlpumpenanordnung. Darüber hinaus können alle Aufteilungsszenarien dazwischen abbildbar sein, wie beispielsweise, dass 30% Volumenstrom mittels des Knotenpunktes des gasförmigen Mediums an das Rezirkulationsgebläse geleitet werden und 70% an die Ventil-Strahlpumpenanordnung. Dies kann beispielsweise mittels mindestens eines Ventils erfolgen wodurch beispielsweise der Strömungswiderstand einer Komponente bei einem Ausfall dieser komplett vermieden wird. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessert werden und es können die Betriebskosten reduziert werden. Des Weiteren kann das Brennstoffzellen-System bei dem Ausfall eines der beiden Komponenten Rezirkulationsgebläse oder kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung effizienter weiterbetrieben werden aufgrund der parallelen Anordnung. Zudem lässt sich mittels einer entsprechende Beschickung der Komponenten das Brennstoffzellen-System immer in einem optimalen Betriebspunkt betrieben, wodurch sich der Wirkungsgrad über eine große Bandbreite an Betriebszuständen verbessern lässt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung befindet sich stromabwärts der Ventil-Strahlpumpenanordnung ein erster Strömungskanal und es befindet sich stromabwärts des Rezirkulationsgebläses ein zweiter Strömungskanal befindet, wobei die beiden Strömungskanäle einen integrierten Strömungsverbund ausbilden. Auf diese Weise lässt sich eine platzsparende Anordnung des Rezirkulationsgebläses und der Ventil-Strahlpumpenanordnung hinsichtlich Ihrer nachgelagerten stromabwärtigen Komponenten und/oder generell hinsichtlich Ihrer Anordnung im Fahrzeug herbeiführen. Auf diese Weise lässt sich der benötigte Bauraum der Fördereinrichtung im Brennstoffzellen-System, insbesondere bei einer Anbringung der Fördereinrichtung an der Brennstoffzelle, bei der die Fördereinrichtung mit Ihren Komponenten auf einem plattenförmigen Trägerelement positioniert ist, und/oder im Gesamtfahrzeug verkleinern. Zudem können Teilekosten und/oder Materialkosten eingespart werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich stromabwärts des jeweiligen Strömungskanals und/oder des integrierten Strömungsverbunds ein dritter resultierender Strömungskanal, in dem der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal zusammengeführt werden. Auf diese Weise lässt sich eine strömungstechnische optimale Zusammenführung des jeweiligen zuvor, insbesondere zumindest annähernd parallel, verlaufenden ersten und zweiten Strömungskanals realisieren. Dabei wird bei der Zusammenführung der beiden Strömungskanäle möglichst wenig Reibung aufgrund von Verwirbelungen und/oder Reibung des Mediums mit den Wänden des jeweiligen Strömungskanals erzeugt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Rezirkulationsgebläses und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellen-Systems erhöhen lässt. Zudem kann aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Fördereinrichtung mit dem integrierten Strömungskanals in Form des dritten, insbesondere aus dem ersten und zweiten Strömungskanal, resultierenden dritten Strömungskanals eine Rückströmung des gasförmigen Mediums in das Rezirkulationsgebläse und/oder die Ventil-Strahlpumpenanordnung verhindert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind der erste Strömungskanal und der zweite Strömungskanal mittels einer zweiten Wandung fluidisch getrennt, insbesondere bevor die Strömungskanäle weiter stromabwärts in den dritten resultierenden Strömungskanal übergehen. Auf diese Weise lässt sich verhindern, dass sich die jeweilige von dem Rezirkulationsgebläse kommende und die von der Ventil-Strahlpumpenanordnung kommende Strömung, wobei die Strömungen insbesondere eine unterschiedliche Geschwindigkeit und/oder ein unterschiedliches Druckniveau und/oder eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen können, im Bereich eines integrierten Strömungskanal-Verbundes vermischen. Derart lässt sich zum einen eine Rückströmung des gasförmigen Mediums in das Rezirkulationsgebläse und/oder die Ventil-Strahlpumpenanordnung verhindert werden und/oder der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung kann verbessert werden. Zudem lässt sich eine kompakte Bauweise der Fördereinrichtung im Bereich des Strömungskanal-Verbundes erzielen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung weist der erste Strömungskanal eine erste Höhe auf und der zweite Strömungskanal weist eine zweite Höhe auf. Dabei weisen beide Strömungskanäle eine zumindest nahezu identische Breite auf, wobei die Breite größer ist als die jeweilige Höhe, insbesondere mindestens um den Faktor 2. Auf diese Weise lässt sich eine kompakte Bauform der jeweiligen Strömungskanäle und/oder des integrierten Strömungskanal-Verbunds erzielen. Zudem hat eine derartige Ausgestaltung der Fördereinrichtung Vorteile bei einer Anordnung der Strömungskanäle als Teil der Fördereinrichtung auf einem plattenförmigen Trägerelement zwischen der Fördereinrichtung und der Brennstoffzelle erzielen. Weiterhin bietet eine derartige Ausgestaltung des ersten und zweiten Strömungskanals Vorteile, wenn eine Umlenkung, insbesondere eine nahezu rechtwinklige Umlenkung, der Strömung des gasförmigen Mediums erfolgen muss, damit dieses vom Ausgang der Fördereinrichtung in den Anodeneingang der Brennstoffzelle einströmen muss. Somit lässt sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems erhöhen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung ist die zweite Höhe des zweiten Strömungskanals größer als die erste Höhe des ersten Strömungskanals. Auf diese Weise kann eine bessere Zusammenführung der beiden gasförmigen Medien aus dem ersten und zweiten Strömungskanal im Bereich des dritten resultierenden Strömungskanals erfolgen. Dies ist dadurch begründet, dass der zweite vom Rezirkulationsgebläse kommende Strömungskanal bei den meisten Betriebszuständen des Brennstoffzellen-System einen höheren Volumenstrom fördert, insbesondere aufgrund der höheren Fördervolumenleistung des Rezirkulationsgebläses im Vergleich zur Ventil-Strahlpumpenanordnung, als der erste von der Ventil-Strahlpumpenanordnung Volumenström. Auf diese Weise lässt sich somit der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung über zumindest nahezu alle Betriebszustände des Brennstoffzellen-Systems erhöhen. Zudem kann auf diese Weise eine Rückströmung des gasförmigen Mediums in die Ventil-Strahlpumpenanordnung verhindert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Strahlpumpe eine Symmetrieachse auf, wobei der erste Strömungskanal eine erste Längsachse und der zweite Strömungskanal eine zweite Längsachse aufweist, wobei die jeweilige Längsachse unter einem Winkel α zur Symmetrieachse verläuft und wobei die Längsachsen zumindest nahezu parallel zueinander verlaufen. Der Winkel α kann dabei in einem Bereich zwischen 0,5° und 90° liegen. Auf diese Weise lässt sich eine Rückströmung des gasförmigen Mediums in die Ventil-Strahlpumpenanordnung vermeiden und die Fördereinrichtung kann mittels einer kompakten Bauweise, insbesondere hinsichtlich der Lage der Komponenten Rezirkulationsgebläse und Ventil-Strahlpumpenanordnung und deren Peripherieteilen und/oder Anbeiteilen zueinander.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung weist die Fördereinrichtung im Bereich des integrierten Strömungskanal-Verbundes und/oder des dritten resultierenden Strömungskanals eine weitere Umlenkung der Strömungsrichtung, insbesondere im Bereich der jeweiligen Längsachse oder der resultierenden Längsachse, auf, wobei diese Umlenkung beispielsweise nahezu rechtwinklig ausgebildet ist. Zudem bieten sich strömungstechnische Vorteile, bei der die Zusammenführung im Bereich des resultierenden Strömungskanals eine möglichst hohe Umlenkung aufweist, insbesondere zumindest nahezu rechtwinklig, wobei hohe Umlenkverluste von einer Strömung des einen ersten Zuströmkanals zur vorhandenen Strömung des anderen zweiten Zuströmkanals erzielt werden. Auf diese Weise kann eine Rückströmung im jeweiligen Strömungskanal, insbesondere im ersten Strömungskanal der Ventil-Strahlpumpenanordnung, verhindert werden. Weitere Bauteile, die eine Rückströmung verhindern, wie beispielsweise ein Rückschlagventil im Bereich des integrierten Strömungskanal-Verbunds und/oder des dritten resultierenden Strömungskanals, werden nicht mehr benötigt, wodurch Produktkosten reduziert werden können, aber auch eine Ausfallwahrscheinlichkeit eines derartigen Bauteils, beispielsweise aufgrund einer Schädigung durch gefrierendes Wasser bei langen Standzeiten in niedriger Temperatur, verhindert werden kann. Somit kann die Lebensdauer der Fördereinrichtung erhöht und/oder die Gesamtkosten der Fördereinrichtung reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Breite der jeweiligen Strömungskanäle um einen Faktor 2 bis 200 größer ist als die jeweilige Höhe. Auf diese Weise kann eine kostengünstige Ausgestaltung der Fördereinrichtung herbeigeführt werden, bei der eine Rückströmung des gasförmigen Mediums durch den jeweiligen Strömungskanal verhindert wird. Zudem kann der benötigte Bauraum der Fördereinrichtung reduziert werden.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 eine Draufsicht einer Fördereinrichtung mit den Komponenten kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung, Rezirkulationsgebläse und einem ersten, einem zweiten und einem resultierenden dritten Strömungskanal,
2 eine schematische Schnittansicht A-A der Querschnittsfläche eines integrierten Strömungskanal-Verbundes,
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Systems mit einer Brennstoffzelle und der Fördereinrichtung.

Ausführungsformen der Erfindung
Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine Fördereinrichtung 1 mit den Komponenten Ventil-Strahlpumpenanordnung 12, Rezirkulationsgebläse 8 und einem ersten Strömungskanal 15, einem zweiten Strömungskanal 17 und einem resultierenden dritten Strömungskanal 39. Die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 weist dabei die Bauteile Strahlpumpe 4 und Dosierventil 6 auf. Der erste Strömungskanal 15 und der zweite Strömungskanal 17 bilden dabei einen integrierten Strömungskanal-Verbund 25 aus.
Die in 1 gezeigten Komponenten der Fördereinrichtung 1 können dabei in einer beispielhaften Ausführungsform auf einem plattenförmigen Trägerelement befestigt sein und/oder über dieses plattenförmige Trägerelement an einer Brennstoffzelle 29 befestigt sein. Die Fördereinrichtung 1 dient dabei zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere H₂. Des Weiteren wird die Strahlpumpe 4 von einem unter Druck stehenden gasförmigen Medium angetrieben, wobei das unter Druck stehende gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein Treibmedium handelt, der Strahlpumpe 4 mittels des Dosierventils 6 zugeführt wird, wobei das Dosierventil 6 zumindest teilweise in die Strahlpumpe 4 integriert ist. Dabei ist das Dosierventil 6 insbesondere in Richtung einer Symmetrieachse 13 in die Strahlpumpe 4 eingeschoben. Die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 weist zudem einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36, einen Ansaugbereich 18, ein Mischrohr 19, einen Diffusor-Bereich 20 und eine Zuführung 22 auf. Von einem Ausgang der Brennstoffzelle 29 über zumindest eine zweite Strömungsverbindung 5 kommend strömt das gasförmige Medium, insbesondere ein Rezirkulationsmedium, über den ersten Zulauf 28 in die Strahlpumpe 4, insbesondere den Ansaugbereich 18 ein. Dieses gasförmigen Medium durchströmt die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 nach erfolgtem Durchströmen der Brennstoffzelle 29 (gezeigt in 3) erneut. Des Weiteren wird der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 ein Treibmedium zugeführt, wobei das Treibmedium mittels einer Zuströmleitung 21 aus einem Tank 34, insbesondere einem Hochdrucktank 34 eines Brennstoffzellen-Systems 31 zugeführt wird.
Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass das Rezirkulationsgebläse 8 und die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12, insbesondere die Strahlpumpe 4, dabei nur indirekt fluidisch miteinander verbunden sind, sondern nur indirekt über den dritten resultierenden Strömungskanal 39. Aufgrund einer derartigen Ausführung der Fördereinrichtung 1 und/oder der Ausführung und Anordnung der Strömungskanäle 15, 17, 39 kann eine Rückströmung des durch das Rezirkulationsgebläse 8 geförderten gasförmigen Mediums in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 verhindert werden.
In 1 ist zudem gezeigt, dass das Rezirkulationsgebläse 8 eine Gas-Einlassöffnung 33 aufweist, die insbesondere als eine erste zylindrische Aussparung 33 in einem Gehäuse 24 des Rezirkulationsgebläses 8 ausgeführt sein kann, die mittels einer ersten Verbindungsleitung 3 mit einem (in 3 gezeigten) Knotenpunkt 10 verbunden sein kann. Dabei kann die erste Verbindungsleitung 3 in die erste zylindrische Aussparung 33 des Rezirkulationsgebläse 8 hineinragen, wobei eine Abdichtung durch einen ersten Dichtring 14 erfolgt, wobei es sich insbesondere um einen ersten Dichtring 14 aus einem elastischen Material, beispielsweise einen O-Ring handelt. Des Weiteren weist das Rezirkulationsgebläse 8 in seinem Gehäuse 24 eine Gas-Auslassöffnung 35 auf, die insbesondere als eine zweite zylindrische Aussparung 35 ausgeführt sein kann, über die das Rezirkulationsgebläse 8 über zumindest den zweiten Strömungskanal 17 und den dritten Strömungskanal 39 mit der Brennstoffzelle 29, insbesondere einen Anodenbereich 38, verbunden ist. Dabei kann der zweite Strömungskanal 17 in die zweite zylindrische Aussparung 35 des Rezirkulationsgebläse 8 hineinragen, wobei eine Abdichtung durch einen zweiten Dichtring 16 erfolgt, wobei es sich insbesondere um einen zweiten Dichtring 16 aus einem elastischen Material, beispielsweise einen O-Ring handelt. Das gasförmige Medium, das in dem Rezirkulationsgebläse 8 gefördert und/oder verdichtet wird strömt vom Rezirkulationsgebläse 8 durch zumindest den zweiten Strömungskanal 17 zur Brennstoffzelle 29 in einer Strömungsrichtung VII. Die Strahlpumpe 4 und/oder die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 wird dabei in einer Strömungsrichtung VI vom gasförmigen Medium durchströmt und weist dabei die Symmetrieachse 13 auf, wobei die Strömungsrichtung VI parallel zur Symmetrieachse 13 verläuft.
Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass zum einen ein Eingang der Fördereinrichtung 1 mit einem Anodenausgang der Brennstoffzelle 29, insbesondere fluidisch, verbunden ist und zum anderen ein Anodeneingang der Brennstoffzelle mit dem Ausgang der Fördereinrichtung 1, insbesondere fluidisch, verbunden ist. Ein beispielhafter Strömungsdurchlauf des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um das Rezirkulationsmedium handelt, von der Brennstoffzelle 29 durch die Fördereinrichtung 1 erfolgt entweder auf einem Pfad durch die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 oder auf einem zweiten Pfad durch das Rezirkulationsgebläse 8, wobei beide Pfade parallel angeordnet sind.
Durch die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 strömt das gasförmige Medium dabei in einer Strömungsrichtung VI in folgender Reihenfolge durch die Bereiche Ansaugbereich 18, Mischrohr 19, Diffusor-Bereich 20, Zuführung 22. Innerhalb der Strahlpumpe 4 und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 findet ein sogenannter Strahlpumpeneffekt statt. Dazu strömt durch den zweiten Zulauf 36 von außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 das gasförmige Treibmedium, insbesondere H₂, in das Dosierventil 6 ein, insbesondere von dem Hochdrucktank 34. Des Weiteren wird unverbrauchtes, von der Brennstoffzelle 29 kommendes, Rezirkulationsmedium, bei dem es sich um H₂ und gegebenenfalls weitere Bestandteile wie H₂O und/oder N₂ handelt, durch die zweite Strömungsleitung 5 und den ersten Zulauf 28 in den Ansaugbereich 18 der Strahlpumpe 4 gefördert. Das Treibmedium wird nun mittels eines Öffnens des Dosierventils 6, insbesondere unter hohem Druck, in den Ansaugbereich 18 eingebracht. Dabei strömt das gasförmige Treibmedium in Richtung der Strömungsrichtung VI. Das aus dem zweiten Zulauf 36 in den Ansaugbereich 18 strömende und als Treibmedium dienende H₂ weist eine Geschwindigkeitsdifferenz und/oder eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, wobei das Rezirkulationsmedium aus dem ersten Zulauf 28 in den Ansaugbereich 18 einströmt. Damit sich der Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und/oder einem geringen Maßenstrom in den in den Ansaugbereich 18 der Strahlpumpe 4 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und/oder einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere nahe der Schallgeschwindigkeit liegt, durch das Dosierventil 6 in den Ansaugbereich 18 ein. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im Ansaugbereich 18 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeitsdifferenz 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 VI beschleunigt und es entsteht auch für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 und/oder der zweiten Strömungsleitung 5 nachgefördert wird. Durch eine Änderung und/oder Regulierung der Öffnungsdauer und der Öffnungsfrequenz des Dosierventils 6 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 (nicht in 1 gezeigt, vgl. 3) je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden.
Von der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 strömt das gasförmige Medium dann, nachdem eine Strömungsumlenkung, insbesondere um den Winkel α in der Zuführung 22 stattgefunden hat, durch den ersten Strömungskanal 15 des integrierten Strömungskanal-Verbunds 25 weiter in den dritten resultierenden Strömungskanal 39, in dem sich das von der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 kommende gasförmige Medium mit dem von dem Rezirkulationsgebläse 8 kommendes gasförmigen Medium mischt. Eine zweite Wandung 37 der Zuführung 22 bewirkt dabei eine Umlenkung der Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums, da diese in einem Winkel α zur Strömungsrichtung VI verläuft und das gasförmige Medium auf die zweite Wandung 37 prallt und von dieser dann abgelenkt wird.
In 1 ist zudem gezeigt, dass die Strahlpumpe 4 die Symmetrieachse 13 aufweist, der erste Strömungskanal 15 eine erste Längsachse 41 und der zweite Strömungskanal 17 eine zweite Längsachse 43 aufweist, wobei die jeweilige Längsachse 41, 43 unter einem Winkel α zur Symmetrieachse 13 verläuft und wobei die Längsachsen 41, 43 zumindest nahezu parallel zueinander verlaufen. Dabei sind die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 und das Rezirkulationsgebläse 8 der Fördereinrichtung 1 strömungstechnisch parallel angeordnet und/oder verschaltet. Dabei befindet sich der erste Strömungskanal 15 stromabwärts der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 oder der Strahlpumpe 4 und stromabwärts des Rezirkulationsgebläses 8 befindet sich der zweite Strömungskanal 17, wobei die beiden Strömungskanäle 15, 17 einen integrierten Strömungsverbund 25 ausbilden. Weiterhin ist gezeigt, dass sich stromabwärts des jeweiligen Strömungskanals 15, 17 und/oder des integrierten Strömungsverbund 25 der dritte resultierende Strömungskanal 39 befindet, in dem der erste Strömungskanal 15 und der zweite Strömungskanal 17 strömungstechnisch zusammengeführt werden. Dabei wird im Bereich des integrierten Strömungskanal-Verbundes 25 strömungstechnisch die Wirkung erzielt, dass beide Strömungen des gasförmigen Mediums, insbesondere mit einem zumindest nahezu gleichen Vektor, in eine gleiche Richtung strömen.
Bei einer parallelen Verschaltung und/oder Zusammenschaltung vom Rezirkulationsgebläses 8 und der integrierten Ventil-Strahlpumpenanordnung 12, insbesondere der Strahlpumpe 4, können sich in vorteilhafter Weise die Volumenströme beider Komponenten 8, 12 addieren, so dass die Komponenten 8, 12 kleiner ausgelegt werden können. Problematisch kann dabei jedoch sein, dass die integrierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 bei niedrigen Lastpunkten und/oder Betriebspunkten des Brennstoffzellen-Systems 31 nicht genügend Druck aufbauen kann, insbesondere um den Druck im ersten Strömungskanal 15 derart aufrecht zu halten, damit ein Rückströmen der Fördermenge des Rezirkulationsgebläses 8 vom dritten resultierenden Strömungskanal 39 über den ersten Strömungskanal 15 in die Strahlpumpe 4 verhindert wird. Dabei kann die Rezirkulation des Rezirkulationsmediums in der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 über das Treibmedium vollständig zusammenbrechen. Um dies zu verhindern kann die Fördereinrichtung 1 in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, die nicht in 1 gezeigt ist, im Bereich des integrierten Strömungskanal-Verbundes 25 und/oder des dritten resultierenden Strömungskanals 39 eine weitere Umlenkung der Strömungsrichtung aufweisen, die durch eine konstruktive Ausformung der Strömungskanäle 15, 17, 39 erzielt wird. Dies gilt beispielsweise im Bereich der jeweiligen Längsachse 41, 43 oder einer dritten resultierenden Längsachse, wobei diese Umlenkung beispielsweise nahezu rechtwinklig ausgebildet ist. Eine derartige Umlenkung kann aber auch orthogonal zu den jeweiligen Längsachsen 41, 43 erfolgen, insbesondere zu einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 29 hin.
Weiterhin vorteilhaft ist beispielsweise die Anordnung der Komponenten der Fördereinrichtung 1 auf dem plattenförmigen Trägerelement, wodurch eine einfache Positionierung der Bauteile zueinander realisiert werden kann, indem die Komponenten jeweils mit dem plattenförmigen Trägerelement verbunden werden müssen. Dadurch lässt sich die benötigte Anzahl an Bauteilen für die Montage reduzieren, was wiederum zu einer Kostenersparnis der Fördereinrichtung 1 führt. Weiterhin wird die Wahrscheinlichkeit eines Montagefehlers aufgrund von fehlerhaft zueinander ausgerichteten Komponenten der Fördereinrichtung 1 reduziert, was wiederum die Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung 1 im Betrieb reduziert.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht A-A der Querschnittsfläche des integrierten Strömungskanal-Verbundes 25 entgegen der Strömungsrichtung VII. Dabei ist gezeigt, dass der erste Strömungskanal 15 und der zweite Strömungskanal 17 mittels einer ersten Wandung 26 fluidisch getrennt sind. Diese erste Wandung 26 trennt die beiden Strömungskanäle 15, 17 bis diese weiter stromabwärts in den dritten resultierenden Strömungskanal 39 übergehen. Dabei weist der erste Strömungskanal 15 eine erste Höhe 7 auf und der zweite Strömungskanal 17 eine zweite Höhe 9 auf, wobei in einer beispielhaften Ausführungsform des Strömungskanal-Verbundes 25 die zweite Höhe 9 des zweiten Strömungskanals 17 größer ist als die erste Höhe 7 des ersten Strömungskanals 15. Zudem weisen beide Strömungskanäle 15, 17 eine zumindest nahezu identische Breite 11 auf, wobei die Breite 11 größer ist als die jeweilige Höhe 7, 9, insbesondere mindestens um den Faktor 2. Dabei kann die Breite 11 um einen Faktor 2 bis 200 größer sein als die jeweilige Höhe 7, 9 oder die Summe der ersten Höhe 7 und der zweiten Höhe 9.
3 zeigt in eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Systems 31 mit der Brennstoffzelle 29 und der Fördereinrichtung 1 in einer beispielhaften Ausführungsform. Dabei sind insbesondere die Komponenten der Anodenseite gezeigt und deren Anordnung zueinander. Die Fördereinrichtung 1 weist dabei den Knotenpunkt 10, die erste Verbindungsleitung 3, die zweite Verbindungsleitung 5, das Rezirkulationsgebläse 8, die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12, den integrierten Strömungskanal-Verbund 25 und den dritten resultierenden Strömungskanal 39 auf. Die Fördereinrichtung 1 ist dabei über den dritten resultierenden Strömungskanal 39 mit der Brennstoffzelle 29 verbunden, die den Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Dabei strömt das gasförmige Medium vom integrierten Strömungskanal-Verbund 25 in einer Strömungsrichtung VIII über den dritten resultierenden Strömungskanal 39 zum Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 29.
Zudem ist gezeigt, dass das unverbrauchte gasförmige Medium, das insbesondere als Rezirkulationsmedium bezeichnet wird, über eine Rückführleitung 23 in Strömungsrichtung VIII zurück zum Förderaggregat 1 strömt. Dort angekommen trifft das gasförmige Medium auf den Knotenpunkt 10. Dieser Knotenpunkt 10 befindet sich stromaufwärts der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 und des Rezirkulationsgebläses 8, wobei sich die Rückführleitung 23 am Knotenpunkt 10 strömungstechnisch verzweigt und wobei zum einen ein Teil des gasförmigen Mediums über die erste Verbindungsleitung 3 vom Knotenpunkt 10 zum Rezirkulationsgebläse 8 strömt und zum anderen der verbleibende Teil des gasförmigen Mediums über die zweite Verbindungsleitung 5 vom Knotenpunkt 10 zur Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 strömt, wobei das gasförmige Medium, insbesondere das Rezirkulationsmedium, über den ersten Zulauf 28 in die Strahlpumpe 4 der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 einströmt.
Wie aus 3 weiter ersichtlich, wird das in dem Tank 34, insbesondere dem Hochdrucktank 34 von zumindest nahezu 700 bar, gespeicherte zweite gasförmige Medium über die Zuströmleitung 21 einem Zuströmbereich, der insbesondere als der zweite Zulauf 36 ausgebildet ist, der Fördereinrichtung 1 zugeführt, insbesondere dem Dosierventil 6. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das Treibmedium.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017222390 A1 [0003, 0004]

Claims

Fördereinrichtung (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Rezirkulationsgebläse (8), mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und mit einem Dosierventil (6), wobei das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe (4) mittels des Dosierventils (6) zugeführt wird, wobei die Strahlpumpe (4) einen Ansaugbereich (18), ein Mischrohr (19), einen Diffusor-Bereich (20) und einen Endbereich (22) aufweist, wobei ein Anodenausgang einer Brennstoffzelle (29) mit einem Eingang der Fördereinrichtung (1) fluidisch verbunden ist, ein Ausgang der Fördereinrichtung (1) mit einem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist und wobei die Strahlpumpe (4) und das Dosierventil (6) eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (12) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventil-Strahlpumpenanordnung (12) und das Rezirkulationsgebläse (8) der Fördereinrichtung (1) strömungstechnisch parallel angeordnet und/oder verschaltet sind.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromaufwärts der Ventil-Strahlpumpenanordnung (12) und des Rezirkulationsgebläses (8) ein Knotenpunkt (10) befindet, an dem sich die Strömungsleitung, insbesondere eine Rückführleitung (23), strömungstechnisch verzweigt, wobei das gasförmige Medium zum einen über eine erste Verbindungsleitung (3) vom Knotenpunkt (10) zum Rezirkulationsgebläse (8) strömt und über eine zweite Verbindungsleitung (5) vom Knotenpunkt (10) zur Ventil-Strahlpumpenanordnung (12) strömt.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromabwärts der Ventil-Strahlpumpenanordnung (12) ein erster Strömungskanal (15) befindet und sich stromabwärts des Rezirkulationsgebläses (8) ein zweiter Strömungskanal (17) befindet, wobei die beiden Strömungskanäle (15, 17) einen integrierten Strömungsverbund (25) ausbilden.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich stromabwärts des jeweiligen Strömungskanals (15, 17) und/oder des integrierten Strömungsverbunds (25) ein dritter resultierender Strömungskanal (39) befindet, in dem der erste Strömungskanal (15) und der zweite Strömungskanal (17) strömungstechnisch zusammengeführt werden.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (15) und der zweite Strömungskanal (17) mittels einer ersten Wandung (26) fluidisch getrennt sind, insbesondere bevor die Strömungskanäle (15, 17) weiter stromabwärts in den dritten resultierenden Strömungskanal (39) übergehen.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strömungskanal (15) eine erst Höhe (7) aufweist und der zweite Strömungskanal (17) eine zweite Höhe (9) aufweist, wobei beide Strömungskanäle (15, 17) eine zumindest nahezu identische Breite (11) aufweisen, wobei die Breite (11) größer ist als die jeweilige Höhe (7, 9), insbesondere mindestens um den Faktor 2.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Höhe (9) des zweiten Strömungskanals (17) größer ist als die erste Höhe (7) des ersten Strömungskanals (15).
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (4) eine Symmetrieachse (13) aufweist, der erste Strömungskanal (15) eine erste Längsachse (41) und der zweite Strömungskanal (17) eine zweite Längsachse (43) aufweist, wobei die jeweilige Längsachse (41, 43) unter einem Winkel α zur Symmetrieachse (13) verläuft und wobei die Längsachsen (41, 43) zumindest nahezu parallel zueinander verlaufen.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (1) im Bereich eines integrierten Strömungskanal-Verbundes (25) und/oder des dritten resultierenden Strömungskanals (39) ein weitere Umlenkung der Strömungsrichtung, insbesondere im Bereich der jeweiligen Längsachse (41, 43) oder der resultierenden Längsachse, aufweist, wobei diese Umlenkung beispielsweise nahezu rechtwinklig ausgebildet ist.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (11) der jeweiligen Strömungskanäle (15, 17) um einen Faktor 2 bis 200 größer ist als die jeweilige Höhe (7, 9).