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Die Erfindung betrifft einen für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem vorgesehenen Venturi-Mischer. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, in welchem Wasserstoff rezirkuliert wird.
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Die
DE 10 2018 213 327 A1 offenbart ein als Ventil-Strahlpumpenanordnung ausgebildetes Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zum Fördern und zur Rezirkulation eines gasförmigen, Wasserstoff enthaltenden Mediums. Das Förderaggregat umfasst ein Dosierventil und eine Strahlpumpe, durch dessen Gehäuse ein Zulauf für rezirkulierendes Medium, ein Mischrohr, ein Diffusor-Bereich und ein Auslasskrümmer gebildet sind. Das dem Förderaggregat zuzurechnende Dosierventil, mit welchem Wasserstoff als Treibmedium der Strahlpumpe zuführbar ist, kann innerhalb der in der
DE 10 2018 213 327 A1 beschriebenen Anordnung insbesondere als Proportionalventil ausgebildet sein.
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Ein weiteres Brennstoffzufuhrsystem für ein Brennstoffzellensystem ist in der
DE 10 2004 051 391 A1 beschrieben. Auch in diesem Fall ist eine Rezirkulation von Wasserstoff vorgesehen. Gleichzeitig strömt frischer, in einem Tank bereitgehaltener Wasserstoff in eine Ejektor-Vakuumpumpe ein, welche zum Fördern und Mischen der verschiedenen, teils rezirkulierten Stoffströme vorgesehen ist. Innerhalb der Ejektor-Vakuumpumpe ist eine Nadel in einer Düse verstellbar, um die gewünschte Mischung, welche einem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist, einzustellen. Zur Übernahme der erforderlichen Steuerungsfunktionen ist ein Controller vorhanden, welcher unter anderem mit einem Feuchtigkeitssensor, einem Temperatursensor und einem Wasserstoff-Konzentrationssensor verknüpft sein kann.
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Die
DE 199 29 945 C1 beschreibt ein Reaktandenzufuhrsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug. In diesem Fall ist durch eine Mischdüse ein sauerstoffhaltiges Gas, Wasser sowie eine kohlenwasserstoffhaltige Substanz zu mischen. Die Mischdüse hat die Form einer Venturi-Düse und ist dazu ausgebildet, Gas auf eine Geschwindigkeit von ≥ 1/10 Schallgeschwindigkeit zu bringen. In der Düse wird Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffderivat verdampft. Aus der verdampften Mischung wird mit Hilfe eines Katalysators Wasserstoff gewonnen, welcher in ein Brennstoffzellensystem eingespeist wird.
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Die
DE 41 37 573 C2 beschreibt einen Venturi-Mischer zum Mischen von Gas und Luft für einen Verbrennungsmotor. Dieser Venturi-Mischer umfasst mehrere Rohrteilstücke, wobei eines dieser Rohrteilstücke zur Änderung einer Durchtrittsfläche axial verstellbar ist. Zusätzlich ist ein Venturi-Körper, welcher einen Teilbereich mit konischem Querschnitt aufweist, in Axialrichtung verstellbar.
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Eine weitere Venturi-Mischdüse ist in der
EP 1 685 894 A2 beschrieben. In diesem Fall ist einem Fluideinlassabschnitt ein Querrohr angeordnet. In dem Querrohr ist eine Öffnung derart angeordnet, dass ein Teil des durch die Venturi-Mischdüse strömenden Fluids in das Querrohr geleitet wird.
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Ein in der
EP 0 822 338 B1 beschriebener Dampfinjektor umfasst eine Wasserdüse, welche sternförmig gestaltet sein kann. Alternativ zu einer sternförmigen Düse kann auch eine Wasserdüse mit einzelnen, beispielsweise vier, Löchern vorhanden sein. Durch die spezielle Form der Wasserdüsen mit nicht kreisrundem Öffnungsquerschnitt sollen Druckpulsationen gemindert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Möglichkeiten der Rezirkulation von Wasserstoff in Brennstoffzellensystemen anzugeben, wobei ein günstiges Verhältnis zwischen Funktionalität, Stabilität des Betriebs und apparativem Aufwand angestrebt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Venturi-Mischer mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 9. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Venturi-Mischer, und umgekehrt.
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Der für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, ausgebildete Venturi-Mischer arbeitet mit einer Mischdüse, welche einen sich in Strömungsrichtung verjüngenden Rohrkörper umfasst, der eine mehrblättrige Auslassöffnungsstruktur aufweist.
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Durch die mehrblättrige, auch als Blütenform oder Propellerform bezeichnete Form der Auslassöffnungsstruktur ergibt sich eine große Kontaktfläche zwischen den verschiedenen, miteinander zu mischenden Gasströmen. Damit sind hohe Durchflussraten trotz kurzer Bauform der Mischdüse sowie des gesamten Mischers erzielbar.
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Der Venturi-Mischer ist insbesondere nutzbar, um innerhalb eines Brennstoffzellensystems rezirkulierten Wasserstoff, welcher von der Anodenseite des Brennstoffzellensystems stammt, mit frischem, aus einem Tank stammendem Wasserstoff zu mischen. Im Fall stationärer Anwendungen kann an Stelle eines Tanks oder einer Anordnung aus mehreren Tanks auch ein Leitungsnetz, an welches das Brennstoffzellensystem angeschlossen ist, vorhanden sein.
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Was die geometrische Gestaltung der mehrblättrigen Auslassöffnungsstruktur betrifft, existieren zahlreiche Ausführungsmöglichkeiten. Insbesondere kann die mehrblättrige Auslassöffnungsstruktur rotationssymmetrisch und/oder spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Unabhängig von einer eventuellen Rotationssymmetrie oder sonstigen Symmetrie kann die mehrblättrige Auslassöffnungsstruktur mehrere sich radial - bezogen auf die Mittelachse des Rohrkörpers - von außen nach innen verjüngende äußere Auslassabschnitte aufweisen, welche die einzelnen Flügel oder Blätter der Auslassöffnungsstruktur darstellen. Generell kann eine gerade oder ungerade Anzahl nicht notwendigerweise gleich langer Flügel oder Blätter vorhanden sein. Im Fall von vier äußeren Auslassabschnitten, das heißt Flügeln, sind diese typischerweise in Winkelabständen von 90° angeordnet. Beschreibt die Auslassöffnungsstruktur zwei, drei oder fünf Flügel, so beträgt der Winkelabstand zwischen diesen, eine symmetrische Sternform der Auslassöffnungsstruktur vorausgesetzt, 180° beziehungsweise 120° oder 72°.
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Der gesamte Rohrkörper einschließlich der Auslassöffnungsstruktur ist rationell durch umformende Verfahren aus Metall formbar. Wird als Ausgangsprodukt ein Draht verwendet, so kommt insbesondere Fließpressen als Fertigungsverfahren in Betracht. Auch Tiefziehen stellt ein geeignetes Fertigungsverfahren zur Herstellung des Rohrkörpers dar. Im Unterschied zum Fließpressen erfolgt beim Tiefziehen eine Umformung derart, dass die Wandstärke des Werkstücks im Wesentlichen unverändert bleibt, das heißt der flächige Charakter erhalten bleibt. Prinzipiell sind auch spanabhebende Verfahren zur Bearbeitung und/oder Nachbearbeitung des Rohrkörpers geeignet. Theoretisch kommen auch urformende Verfahren, insbesondere Gießen oder 3D-Druck, zur Herstellung des Rohrkörpers in Betracht.
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Unabhängig vom Fertigungsverfahren können die äußeren Auslassabschnitte des Rohrkörpers in einen zur Mittelachse des Rohrkörpers konzentrischen zentralen Auslassabschnitt übergehen. Die Gesamtfläche der äußeren Auslassabschnitte ist hierbei in typischen Ausgestaltungen größer als die Öffnungsfläche des zentralen Auslassabschnitts, wobei die gedachte Grenze zwischen dem zentralen Auslassabschnitt und einem der äußeren Auslassabschnitte an der engsten, das heißt am weitesten innen liegenden Stelle des flügelförmigen äußeren Auslassabschnitts zu ziehen ist.
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Gemäß verschiedener alternativer Ausgestaltungen sind die äußeren Auslassabschnitte durch einen im Bereich der Mittelachse liegenden geschlossenen Abschnitt des Rohrkörpers voneinander getrennt. Die Trennung zwischen den einzelnen flügel- oder blattförmigen äußeren Auslassabschnitten kann beispielsweise unmittelbar durch die Umformung des Rohrkörpers erfolgen. In abgewandelter Version kann sich an der zentralen Stelle der Auslassöffnungsstruktur ein stoffschlüssiger Verschluss, beispielsweise in Form eines Schweißpunktes, befinden. Ansonsten stellt der Rohrkörper typischerweise eine einstückige Komponente des Rezirkulations-Mischers des Brennstoffzellensystems dar. Die zum Betrieb des auch als Pumpe fungierenden Mischers erforderliche Energie stammt aus dem komprimierten, den Brennstoffzellen zuzuführenden Gas, das heißt aus dem frischen, zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehenen Wasserstoff.
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In Strömungsrichtung des durchgeleiteten Frischgases, das heißt Wasserstoffs, sowie des erzeugten Gasgemisches und damit längs der Mittelachse des Rohrkörpers betrachtet, kann der Rohrkörper unabhängig von der Gestaltung seiner Auslassöffnungsstruktur folgende in einander übergehende Abschnitte aufweisen: Einen hinteren zylindrischen Bereich, einen mittleren, sich konisch verjüngenden Bereich, einen mittleren zylindrischen Bereich, sowie einen vorderen konischen Bereich, durch welchen die Auslassöffnungsstruktur gebildet ist.
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Der Rohrkörper kann unabhängig von seiner Geometries partiell, insbesondere im Bereich seiner Auslassöffnungsstruktur, oder als Ganzes wärmebehandelt und/oder beschichtet sein. Als Anwendungsgebiete kommen beliebige mobile Anwendungen, allgemein als Anwendungen in Transportmitteln bezeichnet, beispielsweise in nicht schienengebundenen Fahrzeugen, das heißt Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder sonstigen Nutzfahrzeugen, schienengebundenen Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen, ebenso wie stationäre Anwendungen, etwa in einer dezentralen Anlage zur Stromerzeugung, in Betracht.
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Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in schematisierter Darstellung den Aufbau eines Brennstoffzellensystems einschließlich einer als Venturi-Mischer konzipierten Strahlpumpe,
- 2 eine Mischdüse des Venturi-Mischers des Brennstoffzellensystems nach 1 in perspektivischer Ansicht,
- 3 und 4 Auslassöffnungsstrukturen abgewandelter Bauformen von Mischdüsen für Brennstoffzellensysteme.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile oder Konturen sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Ein Venturi-Mischer 1 wird als Strahlpumpe zur Förderung und Mischung von frischem und rezirkuliertem Wasserstoff in einem insgesamt mit 10 bezeichneten Brennstoffzellensystem verwendet. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Brennstoffzellensystems 10 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. Das Brennstoffzellensystem 10 ist insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug geeignet.
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Ein auch als Stack bezeichneter Brennstoffzellenstapel 11 umfasst in an sich bekannter Weise eine Vielzahl aufeinander gestapelter Brennstoffzellen. Mit Hilfe eines Luftverdichters 12 wird ein sauerstoffhaltiges Gas den Kathodenseiten der Brennstoffzellen zugeführt. Kathodenseitige Leitungen sind mit 13 bezeichnet. Optionale Einrichtungen zur Luftbefeuchtung sind nicht dargestellt.
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Zur Versorgung der Anodenseite der Brennstoffzellen ist ein Wasserstofftank 14 vorgesehen. Eine an den Wasserstofftank 14 angeschlossene Wasserstoffleitung ist mit 15, eine hierin befindliche Armatur mit 16 bezeichnet. Durch den Brennstoffzellenstapel 11 strömender Wasserstoff wird teilweise rezirkuliert. Zu diesem Zweck ist eine Rezirkulationsleitung 17 vorgesehen, die an den Venturi-Mischer 1 angeschlossen ist, wobei dessen Gehäuse mit 4 bezeichnet ist. Im Venturi-Mischer 1, das heißt der Strahlpumpe, in einem Mischbereich 18 gemischtes Gas wird über eine Zuleitung 19 dem Stack 11 zugeführt.
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Der Venturi-Mischer 1 arbeitet mit einer Mischdüse 2, welche einen Rohrkörper 3 als zentrales Element aufweist. Die mit MA bezeichnete Mittelachse des Rohrkörpers 3 gibt die mit ST bezeichnete Strömungsrichtung des Gases vor.
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Einzelheiten des Rohrkörpers 3, welcher in dem Brennstoffzellensystem 10 nach 1 zum Einsatz kommt, gehen aus 2 hervor. Insgesamt hat der Rohrkörper 3 eine gestufte, sich in Strömungsrichtung ST verjüngende Form. Der in Strömungsrichtung ST am weitesten hinten liegenden Bereich des Rohrkörpers 3 ist als hinterer zylindrischer Bereich 5 ausgebildet. Hieran schließt sich ein mittlerer konischer Bereich 6 an, an welchen ein mittlerer zylindrischer Bereich 7 anschließt. Der letztgenannte Bereich 7 geht über in einen vorderen konischen Bereich 8, der in Form einer Auslassöffnungsstruktur 9 endet. Die Auslassöffnungsstruktur 9 beschreibt ein mehrblättriges Element, welches an einen Propeller, eine Blume oder ein Kleeblatt erinnert. In den skizzierten Ausführungsbeispielen beschreibt die Auslassöffnungsstruktur 9 eine vierblättrige Form.
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Durch jedes Blatt der vierblättrigen Auslassöffnungsstruktur 9 ist ein äußerer Auslassabschnitt 20 gebildet, welcher sich radial von außen nach innen verjüngt. Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 gehen ebenso wie in der Bauform nach 4 die äußeren Auslassabschnitte 20 in einen gemeinsamen zentralen Auslassabschnitt 21 über, innerhalb dessen sich zentrisch die Mittelachse MA befindet. Die Auslassöffnungsstruktur 9 liegt somit in Form einer einzigen zusammenhängenden Fläche 20, 21 vor. Im Vergleich zu einer denkbaren kreisrunden Öffnung gleicher Fläche hat die Auslassöffnungsstruktur 9 einen extrem langen, unmittelbar durch den Rohrkörper 3 gebildeten Rand. Durch dieses extreme Verhältnis zwischen Umfangslänge und Öffnungsfläche sind ausgedehnte Kontaktflächen zwischen dem durch den Rohrkörper 3 strömenden frischen Wasserstoff und dem zunächst an der Außenoberfläche der Mischdüse 2 strömenden rezirkulierenden Wasserstoff gegeben, was die Durchmischung im Mischbereich 18 begünstigt. Dies gilt selbst ohne den Einbau zusätzlicher strömungsleitender Elemente in der Strahlpumpe 1.
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Einen weiteren positiven Effekt stellt der fertigungstechnisch günstige Aufbau der Mischdüse 2 dar. Die Mischdüse 2 ist rationell aus einem rohrförmigen Zwischenprodukt aus Blech herstellbar, wobei dank der mehrblättrigen Form der Auslassöffnungsstruktur 9 ein enger Öffnungsquerschnitt trotz niedriger Umformgrade realisierbar ist. Zugleich tragen die als Flügel gestalteten äußeren Auslassabschnitte 20 zu einer effizienten Ausrichtung des Gasstroms in Strömungsrichtung ST bei.
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Die Bauform der Mischdüse 2 nach 3 unterscheidet sich von den Ausführungsbeispielen nach den 1, 2, 4 dadurch, dass die vier äußeren Auslassabschnitte 20 voneinander getrennt sind. Dies bedeutet, dass in diesem Fall keine Gasströmung im Bereich der Mittelachse MA vorhanden ist. Vielmehr wird der gesamte in die Mischdüse 2 einströmende Gasstrom auf die vier äußeren Auslassabschnitte 20 aufgeteilt. Erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Mittelachse MA sind damit prinzipbedingt ausgeschlossen. Die Mischdüse 2 nach 3 ist ebenso wie die Mischdüse 2 nach 4 für die Verwendung im Brennstoffzellensystem 10 nach 1 geeignet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Venturi-Mischer, Strahlpumpe
- 2
- Mischdüse
- 3
- Rohrkörper
- 4
- Gehäuse
- 5
- hinterer zylindrischer Bereich
- 6
- mittlerer konischer Bereich
- 7
- mittlerer zylindrischer Bereich
- 8
- vorderer konischer Bereich
- 9
- Auslassöffnungsstruktur
- 10
- Brennstoffzellensystem
- 11
- Brennstoffzellenstapel, Stack
- 12
- Luftverdichter
- 13
- Leitung, kathodenseitig
- 14
- Wasserstofftank
- 15
- Wasserstoffleitung
- 16
- Armatur
- 17
- Rezirkulationsleitung
- 18
- Mischbereich
- 19
- Zuleitung
- 20
- äußerer Auslassabschnitt
- 21
- zentraler Auslassabschnitt
- MA
- Mittelachse
- ST
- Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018213327 A1 [0002]
- DE 102004051391 A1 [0003]
- DE 19929945 C1 [0004]
- DE 4137573 C2 [0005]
- EP 1685894 A2 [0006]
- EP 0822338 B1 [0007]
