DE102021212202A1

DE102021212202A1 - Drosselklappenstellereinheit, Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Drosselklappenstellereinheit und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021212202A1
Application number: DE102021212202.7A
Authority: DE
Inventors: Alexandru Popa; Alexandru-Ilie Isaincu; Mihai Drienovsky
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drosselklappenstellereinheit 7 mit einem Drosselklappensteller 4, der eine elektromotorisch verstellbare Drosselklappe 14 aufweist, und einem Fluidkanal, wobei der Fluidkanal einen ersten und einen zweiten Fluidkanalabschnitt 8a, 8b aufweist, wobei der erste Fluidkanalabschnitt 8a einen Strömungsquerschnitt umfasst, der durch die Drosselklappe 14 veränderbar ist. Der zweite Fluidkanalabschnitt 8b weist eine Geometrie auf, durch die sich ein Druckabfall eines durch den Fluidkanal strömenden Fluids einstellt. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem 2 mit einer derartigen Drosselklappenstellereinheit 7 und ein Kraftfahrzeug 1 mit einem derartigen Brennstoffzellensystem 2.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Drosselklappenstellereinheit gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Drosselklappenstellereinheit. Außerdem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
In Brennstoffzellensystemen von Kraftfahrzeugen werden Drosselklappensteller dazu eingesetzt, um die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstack des Brennstoffzellensystems zu regeln. Hierfür führt ein erster Fluidkanal in den Brennstoffzellenstack hinein, während ein zweiter Fluidkanal aus dem Brennstoffzellenstack herausführt. Hierbei hat es sich im Stand der Technik durchgesetzt, lufteingangsseitig einen ersten Drosselklappensteller anzuordnen sowie luftausgangsseitig einen zweiten und einen dritten Drosselklappensteller in Reihe zueinander anzuordnen. Während der zweite Drosselklappensteller dazu ausgebildet ist, den zweiten Fluidkanal zu öffnen oder zu schließen, ist der dritte Drosselklappensteller dazu ausgebildet, den gewünschten Druck im zweiten Fluidkanal einzustellen. Es wäre wünschenswert, die Funktionen des zweiten und des dritten Drosselklappenstellers in einem einzigen Drosselklappensteller zu vereinen, um eine Kosteneinsparung zu erzielen. Jedoch sind die Anforderungen an den zweiten und dritten Drosselklappensteller einander gegenläufig. Während der zweite Drosselklappensteller darauf ausgelegt ist, einen möglichst genauen Druck in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung der Drosselklappe des zweiten Drosselklappenstellers einzustellen, ist der dritte Drosselklappensteller darauf ausgelegt, in der geschlossenen Stellung der Drosselklappe den zweiten Fluidkanal möglichst dicht zu verschließen und in der geöffneten Stellung einen möglichst geringen Druckverlust bereitzustellen.
Die Druckschrift DE 10 2010 051 429 A1 betrifft einen Drosselklappensteller.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Drosselklappenstellereinheit zu schaffen, welche einerseits eine möglichst genaue Regelung des Drucks sowie andererseits einen möglichst geringen Druckverlust in der geöffneten Stellung der Drosselklappe und eine möglichst hohe Dichtwirkung in der geschlossenen Stellung der Drosselklappe ermöglicht. Ferner besteht eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Drosselklappenstellereinheit bereitzustellen. Außerdem besteht eine dritte Aufgabe darin, ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
Die erste Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Mit anderen Worten wird die erste Aufgabe durch eine Drosselklappenstellereinheit mit einem Drosselklappensteller, der eine elektromotorisch verstellbare Drosselklappe aufweist, und einem Fluidkanal, wobei der Fluidkanal einen ersten und einen zweiten Fluidkanalabschnitt aufweist, wobei der erste Fluidkanalabschnitt einen Strömungsquerschnitt umfasst, der durch die Drosselklappe veränderbar ist, wobei der zweite Fluidkanalabschnitt eine Geometrie aufweist, durch die sich ein Druckabfall eines durch den Fluidkanal strömenden Fluids einstellt, gelöst.
Mithilfe der erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit ist es möglich, lediglich diese einzige Drosselklappenstellereinheit luftausgangsseitig zu einem Brennstoffzellenstack anzuordnen und dadurch Kosten für einen weiteren Drosselklappensteller, der ansonsten luftausgangsseitig in Reihe zu einem anderen Drosselklappensteller angeordnet werden müsste, einzusparen. Mit anderen Worten ist durch die erfindungsgemäße Drosselklappenstellereinheit sichergestellt, dass der Fluidkanal in einer geschlossenen Stellung der Drosselklappe des Drosselklappenstellers der Drosselklappenstellereinheit möglichst fluiddicht verschlossen ist, während in einer geöffneten Stellung der Drosselklappe des Drosselklappenstellers der Drosselklappenstellereinheit möglichst geringe Druckverluste auftreten. Gleichzeitig ist es mit der erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit aufgrund der Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts, insbesondere bei geringen Strömungsquerschnitten oder geringer Öffnungswinkeln der Drosselklappe, möglich, den Druck im Fluidkanal möglichst genau einzustellen, da aufgrund der Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts eine größere Bewegung der Drosselklappe für einen gewissen Druckunterschied notwendig ist als es ohne diese Geometrie notwendig wäre.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts derart ausgebildet, dass bei einer Öffnungsbewegung der Drosselklappe von weniger als 30°, bezogen auf eine Stellung, in der die Drosselklappe den veränderbaren Strömungsquerschnitt verschließt, lediglich ein unterproportionaler Druckanstieg stromabwärts der Drosselklappe hervorrufbar ist. Die Unterproportionalität bezieht sich insbesondere auf einen Druckanstieg, der durch eine Öffnungsbewegung der Drosselklappe von mehr als 30°, bezogen auf eine Stellung, in der die Drosselklappe den veränderbaren Strömungsquerschnitt verschließt, hervorrufbar ist. Alternativ ist die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts derart ausgebildet, dass bei einer Öffnungsbewegung der Drosselklappe bis zu einem Strömungsquerschnitt, der 20 % des maximalen, veränderbaren Strömungsquerschnitts entspricht, lediglich ein unterproportionaler Druckanstieg stromabwärts der Drosselklappe hervorrufbar ist. Die Unterproportionalität bezieht sich insbesondere auf einen Druckanstieg, der stromabwärts der Drosselklappe bei einem Strömungsquerschnitt, der 50 % bis 100 % des maximalen, veränderbaren Strömungsquerschnitts entspricht, hervorrufbar ist.
Bei der Drosselklappenstellereinheit und/oder dem Drosselklappensteller handelt es sich bevorzugterweise um eine Drosselklappenstellereinheit bzw. einen Drosselklappensteller für ein Brennstoffzellensystem. Mit anderen Worten ist die Drosselklappenstellereinheit bzw. der Drosselklappensteller hierbei entsprechend seines Einsatzgebietes ausgebildet und für diesen Einsatzzweck geeignet. Hierdurch lässt sich die Drosselklappenstellereinheit und der Drosselklappensteller hinsichtlich Eignung und Lebensdauer für den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem optimieren.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Drosselklappensteller ein Drosselklappenstellergehäuse aufweist, das den ersten und/oder den zweiten Fluidkanalabschnitt umfasst. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Drosselklappenstellergehäuse einteilig mit dem ersten und/oder dem zweiten Fluidkanalabschnitt ausgebildet ist. Hierdurch kann auf einen separaten Fertigungsprozess verzichtet werden, was Kosten einspart. Gleichzeitig kann dadurch auf eine Montage und eine separate Verbindung zwischen dem Drosselklappenstellergehäuse und einem der Fluidkanalabschnitte verzichtet werden, was weitere Kosten einspart. Darüber hinaus erfolgt durch die gemeinsame Ausbildung, beispielsweise durch ein Kunststoffspritzguss- oder ein Metallgussverfahren, eine möglichst genaue Ausrichtung zwischen dem Drosselklappensteller und den Fluidkanalabschnitten.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Drosselklappensteller einen Elektromotor umfasst, durch den die Drosselklappe verstellbar ist. Der Elektromotor ist vorzugsweise als mechanisch kommutierter Gleichstrommotor oder als permanenterregter Synchronmotor ausgebildet. Während die erstgenannte Art von Motor äußerst kostengünstig ist, ist die zweitgenannte Art von Motor äußerst langlebig. Ferner ist es auch denkbar, dass ein Schrittmotor als Elektromotor eingesetzt wird, um die Drosselklappe des Drosselklappenstellers zu verstellen. Auf diese Weise kann auf eine Positionserfassung der Drosselklappe verzichtet werden, was weitere Kosten einspart.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Veränderbarkeit des Strömungsquerschnitts des ersten Fluidkanalabschnitts abhängig von der Lage der Drosselklappe im ersten Fluidkanalabschnitt ist.
Ferner ist es bevorzugt, wenn der Drosselklappensteller eine Welle umfasst, über die der Elektromotor des Drosselklappenstellers die Lage der Drosselklappe im ersten Fluidkanalabschnitt verändert. Hierfür ist die Welle drehfest mit der Drosselklappe verbunden. Hierbei ist es möglich, dass die Welle an einer oder an zwei Stellen aus dem ersten Fluidkanalabschnitt heraustritt. Damit ist gemeint, dass die Welle die Kanalwand des ersten Fluidkanalabschnitts, die den ersten Fluidkanalabschnitt begrenzt, radial durchbricht. Ein solcher Durchbruch wird im Rahmen der Erfindung auch als Austritt der Welle bezeichnet.
In einer bevorzugten Variante, in der die Welle an zwei Stellen aus dem ersten Fluidkanalabschnitt heraustritt, dient ein erster Austritt der Welle aus dem ersten Fluidkanalabschnitt der antriebsübertragenden Verbindung der Drosselklappe mit dem Elektromotor des Drosselklappenstellers. Insbesondere kann dieser erste Austritt der Welle aus dem ersten Fluidkanalabschnitt zusätzlich der Lagerung der Welle und/oder der Drosselklappe dienen. Insbesondere dient der zweite Austritt der Welle aus dem ersten Fluidkanalabschnitt lediglich der Lagerung der Welle und/oder der Drosselklappe.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der erste Fluidkanalabschnitt lediglich einen Austritt der Welle auf. Mit anderen Worten dient dieser Austritt der Welle einerseits der Lagerung der Welle und/oder der Drosselklappe sowie andererseits der antriebsübertragenden Verbindung der Drosselklappe mit dem Elektromotor des Drosselklappenstellers.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Austritt der Welle oder der erste und der zweite Austritte der Welle in der Ebene, die durch die Drosselklappe in ihrer geschlossenen Stellung verschlossen ist. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung einer Lagerung der Welle und der Drosselklappe dar.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Austritt der Welle in Strömungsrichtung gesehen vor oder hinter der Ebene, die durch die Drosselklappe in ihrer geschlossenen Stellung verschlossen ist. Hierdurch wird verhindert, dass der Austritt der Welle aus dem ersten Fluidkanalabschnitt einen ungewollten Bypass-Volumenstrom hervorruft. Im Fall, dass zwei Austritte der Welle aus dem ersten Fluidkanalabschnitt vorgesehen sind, ist es möglich, dass sich beide Austritte der Welle beabstandet zur Ebene, die durch die Drosselklappe in ihrer geschlossenen Stellung verschlossen ist, befinden. Mit anderen Worten ist es möglich, dass sich beide Austritte der Welle in Strömungsrichtung vor oder hinter der Ebene befinden. Auch ist es möglich, dass sich jeweils ein Austritt der Welle vor und hinter der Ebene befindet. Hiermit werden ungewollte Bypass-Volumenströme, an der Ebene vorbei, die durch die Drosselklappe in ihrer geschlossenen Stellung verschlossen ist, hervorgerufen durch die notwendigen Spaltmaße der Austritte der Welle, verhindert.
Im Rahmen dieser Erfindung ist unter einer geschlossenen Stellung der Drosselklappe des Drosselklappenstellers eine Stellung der Drosselklappe zu verstehen, in der der Strömungsquerschnitt des ersten Fluidkanalabschnitts minimal ist. Hierdurch ist nicht zwangsläufig zu verstehen, dass die Drosselklappe den ersten Fluidkanalabschnitt absolut fluiddicht verschließt. Mit anderen Worten ist es möglich, dass es zu einem gewollten oder ungewollten Bypass-Volumenstrom des strömenden Fluids kommt, der im Fall eines ungewollten Bypass-Volumenstroms innerhalb eines für den Anwendungsfall akzeptablen Bereichs liegt. Unter der geöffneten Stellung der Drosselklappe ist im Rahmen dieser Erfindung zu verstehen, dass sich die Drosselklappe in einer Stellung befindet, in der der Strömungsquerschnitt des ersten Fluidkanalabschnitts maximal ist.
Bei dem strömenden Fluid handelt es sich bevorzugterweise um Luft. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen förderbaren Fluid- oder Luftstrom. Zur Förderung des Luftstroms ist es beispielsweise denkbar einen elektromotorischen angetriebenen Radialverdichter einzusetzen. Auf diese Weise kann ein kontinuierlicher Luftstrom bereitgestellt werden, der sich durch verschwindend geringe Pulsationen auszeichnet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt beabstandet zum Strömungsquerschnitt des ersten Fluidkanalabschnitts angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Geometrie, durch die sich ein Druckabfall eines durch den Fluidkanal strömenden Fluids einstellt, nicht in den durch die Drosselklappe veränderbaren Strömungsquerschnitt des ersten Fluidkanalabschnitts integriert. Dadurch ist es möglich den ersten Fluidkanalabschnitt unabhängig vom zweiten Fluidkanalabschnitt auszubilden. Bevorzugterweise ist der erste Fluidkanalabschnitt strömungsoptimiert ausgebildet, also derart gestaltet, dass möglichst geringe Druckverluste auftreten.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt gegenüber dem ersten Fluidkanalabschnitt stromaufwärts oder stromabwärts angeordnet ist. Mit stromaufwärts ist eine Richtung entgegen der Strömungsrichtung des strömenden Fluids gemeint, während mit stromabwärts eine Richtung in Richtung der Strömungsrichtung des strömenden Fluids gemeint ist. Insbesondere durch die Anordnung des zweiten Fluidkanalabschnitts stromabwärts zum ersten Fluidkanalabschnitt, wird für geringe Öffnungswinkel der Drosselklappe, d. h. für geringe Strömungsquerschnitte, ein hoher Druckabfall hervorgerufen, was bei geringen Öffnungswinkeln der Drosselklappe sichergestellt, dass eine präzise Druckregelung möglich ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts mindestens zwei Strömungsquerschnitte aufweist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn in Strömungsrichtung des strömenden Fluids die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts von einem ersten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts in einen zweiten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts übergeht. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der zweite Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts kleiner als der erste Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts ist. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts mindestens einen dritten Strömungsquerschnitt auf. Vorteilhafterweise schließt sich dieser dritte Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung direkt an den zweiten Strömungsquerschnitt an. Ferner ist es zu bevorzugen, wenn der dritte Strömungsquerschnitt größer als der zweite Strömungsquerschnitt ist. Außerdem ist es sehr bevorzugt, wenn der dritte Strömungsquerschnitt dem ersten Strömungsquerschnitt entspricht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Übergang vom ersten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts zum zweiten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts und/oder vom zweiten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts zum dritten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts als sprunghafte, also unstetige, Strömungsquerschnittsänderung ausgebildet. Diese Strömungsquerschnittsänderung bezieht sich auf die Strömungsrichtung des Fluids.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts durch einen in den zweiten Fluidkanalabschnitt eingepressten Ring ausgebildet ist. Mit anderen Worten definiert der Innendurchmesser des Rings den zweiten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts, während der Außendurchmesser des Rings derart gewählt ist, dass dieser beim Einpressen des Rings in den zweiten Fluidkanalabschnitt eine Presspassung zwischen dem Ring und dem zweiten Fluidkanalabschnitt hervorruft. Hierbei handelt es sich um eine besonders kostengünstige und einfache Möglichkeit die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts auszubilden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts der Geometrie einer Drossel oder einer Blende entspricht. Mit anderen Worten entspricht die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts im Fall einer Drossel einer Geometrie, bei der der zweite Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts kleiner als der erste Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts ist und sich der zweite Strömungsquerschnitt über eine Länge in Strömungsrichtung des Fluids erstreckt, die größer als ein oder der Durchmesser des zweiten Strömungsquerschnitts des zweiten Fluidkanalabschnitts ist.
Im Fall einer Blende entspricht die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts einer Geometrie, bei der der zweite Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts kleiner als der erste Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts ist und sich der zweite Strömungsquerschnitt über eine Länge in Strömungsrichtung des Fluids erstreckt, die kleiner als ein oder der Durchmesser des zweiten Strömungsquerschnitts des zweiten Fluidkanalabschnitts ist. Falls der zweite Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts eine kreisrunde Geometrie aufweist, mit anderen Worten lediglich einen Durchmesser aufweist, was bevorzugte ist, ist dieser Durchmesser für den vorangegangenen Vergleich oder die vorangegangenen Ausführungsformen, die sich auf die Blende und die Drossel beziehen, heranzuziehen. In einem anderen Fall, in dem der zweite Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts entlang seines Umfangs einen variablen Durchmesser aufweist, ist ein minimaler, ein mittlerer oder ein maximaler Durchmesser des zweiten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts für die vorangegangenen Vergleiche oder die vorangegangenen Ausführungsformen, die sich auf die Blende und die Drossel beziehen, heranzuziehen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal beabstandet zum durch die Drosselklappe veränderbaren Strömungsquerschnitt eine Nut aufweist. Es ist besonders bevorzugt, wenn die Nut in Umfangsrichtung des Fluidkanals, also insbesondere orthogonal zur Strömungsrichtung des Fluids, verläuft. Ferner ist es bevorzugt, wenn sich die Nut vollumfänglich, mit anderen Worten um 360° in Umfangsrichtung des Fluidkanals, erstreckt. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Nut in Strömungsrichtung beabstandet zum Strömungsquerschnitt des ersten Fluidkanalabschnitts ausgebildet ist. Ferner ist es von Vorteil, wenn der erste oder der zweite Fluidkanalabschnitt die Nut umfasst. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Nut als ein Übergang vom ersten Fluidkanalabschnitt zum zweiten Fluidkanalabschnitt ausgebildet ist. Dies lässt sich beispielsweise verwirklichen, in dem der erste Fluidkanalabschnitt separat zum zweiten Fluidkanalabschnitt ausgebildet ist. Es ist sehr bevorzugt, wenn die Nut entgegen der Strömungsrichtung des Fluids beabstandet zur Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts oder zum zweiten Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts ausgebildet ist. Durch die Nut und ihre Anordnung ist es möglich, das durch den Fluidkanal strömende Fluid bei einem geringen Öffnungswinkel der Drosselklappe, mit anderen Worten bei geringen Strömungsquerschnitten des ersten Fluidkanalabschnitts, in Verwirbelungen, also Turbulenzen, zu versetzen. Dies hat einen weiteren Druckabfall zur Folge, was eine größere Bewegung der Drosselklappe zur Einstellung eines Drucks erforderlich macht und somit die Regelbarkeit fördert.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt gegenüber dem Drosselklappensteller separat ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Drosselklappensteller ohne den zweiten Fluidkanalabschnitt einsetzbar. Insbesondere ist der Drosselklappensteller derart mit dem zweiten Fluidkanalabschnitt verbunden, dass der erste und der zweite Fluidkanalabschnitt fluidleitend, vorzugsweise direkt oder mittels einer Dichtung, miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten ist es möglich, den zweiten Fluidkanalabschnitt modular zur Drosselklappe und/oder des ersten Fluidkanalabschnitts auszubilden. Anders gesagt, der zweite Fluidkanalabschnitt ist getrennt von der Drosselklappe und/oder dem ersten Fluidkanalabschnitt ausgebildet. Hierdurch lässt sich der gleiche Drosselklappensteller, also der Drosselklappensteller der Drosselklappenstellereinheit, lufteingangsseitig zu einem Brennstoffzellenstack anordnen oder einsetzen, was weitere Kosten einspart.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Fluidkanalabschnitt fluidleitend miteinander verbunden sind und dass der zweite Fluidkanalabschnitt und der Drosselklappensteller oder der erste Fluidkanalabschnitt stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig miteinander, direkt oder indirekt, befestigt sind. Auf diese Weise wird trotz der getrennten Ausbildung des Drosselklappenstellers und des ersten Fluidkanalabschnitts einerseits und des zweiten Fluidkanalabschnitts andererseits eine Baugruppe oder eine Einheit geschaffen. Diese Befestigung, mit anderen Worten eine Verbindung, kann beispielsweise durch eine Schweißung, eine Verschraubung, eine Rohrschelle oder ein Gewinde erfolgen. Sowohl die fluidleitend der Verbindung als auch die Befestigung können jeweils unabhängig voneinander direkt oder indirekt ausgeführt sein.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidkanalabschnitt hinsichtlich eines möglichst geringen Druckabfalls strömungsoptimiert ist. Hierdurch lässt sich der Drosselklappensteller mit dem ersten Fluidkanalabschnitt, also ohne den zweiten Fluidkanalabschnitt, lufteingangsseitig zu einem Brennstoffzellenstack anordnen oder einsetzen.
Die zweite Aufgabe, bezüglich der Bereitstellung eines Brennstoffzellensystems, wird durch ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack und einer erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit, die luftausgangsseitig zum Brennstoffzellenstack angeordnet ist, gelöst.
Eine bevorzugtes Ausführungsbeispiels ist dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Drosselklappensteller, der dem ersten Drosselklappensteller der Drosselstellereinheit gleicht, lufteingangsseitig zum Brennstoffzellenstack angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur luftausgangsseitig des Brennstoffzellensystems, die aus dem Stand der Technik bekannten zwei verschiedenen Drosselklappensteller, durch die erfindungsgemäße Drosselklappenstellereinheit zu ersetzen, sondern auch lufteingangsseitig den Großteil der erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit einsetzen zu können, in dem auf den zweiten Fluidkanalabschnitt und/oder die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts verzichtet wird. Mit anderen Worten wird lufteingangsseitig der gleiche Drosselklappensteller wie der der erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit bereitgestellt. Hierdurch lassen sich aufgrund der höheren Stückzahlen, da nunmehr lufteingangsseitig und luftausgangsseitig der gleiche Drosselklappensteller verwendet werden kann, Produktionskosten einsparen. Mit dem Ausdruck, dass der weitere Drosselklappensteller dem ersten Drosselklappensteller, der zur Drosselklappenstellereinheit gehört gleich, ist gemeint, dass es sich um das gleiche Modell handelt, so dass keine verschiedenen Drosselklappensteller produziert werden müssen..
Die dritte Aufgabe, bezüglich der Bereitstellung eines Kraftfahrzeugs, wird durch ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem, gelöst. Mit anderen Worten wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst. Hierdurch wird ein kostengünstiges Kraftfahrzeug geschaffen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Figurenliste
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

1 ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit,
2a eine erfindungsgemäße Drosselklappenstellereinheit,
2b eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit,
3 eine Strömungssimulation zu einer erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt ein Kraftfahrzeug 1, das ein Brennstoffzellensystem 2 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 2 weist einen Radialverdichter 3 auf, durch den ein Luftstrom zu einem Brennstoffzellenstack 5 förderbar ist. Zwischen dem Radialverdichter 3 und dem Brennstoffzellenstack 5 ist fluidleitend ein Drosselklappensteller 4 lufteingangsseitig zum Brennstoffzellenstack 5 angeordnet. Der Drosselklappensteller 4 entspricht einem weiteren Drosselklappensteller, der als Teil einer Drosselklappenstellereinheit 7 luftausgangsseitig zum Brennstoffzellenstack 5 angeordnet ist. Die Drosselklappenstellereinheit 7 unterscheidet sich vom Drosselklappensteller 4, dadurch, dass die Drosselklappenstellereinheit 7 gegenüber dem Drosselklappensteller 4 einen zweiten Fluidkanalabschnitt umfasst, der eine Geometrie aufweist, durch die sich ein Druckabfall eines durch den Fluidkanal strömenden oder förderbaren Fluids einstellt. Durch den Brennstoffzellenstack 5 ist Elektrizität erzeugbar, die mittels eines Inverters und einem elektromotorischen Antrieb 6 zum Antrieb des Kraftfahrzeugs 1 nutzbar ist.
Die 2a zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit 7, wie sie luftausgangsseitig zum Brennstoffzellenstack in 1 angeordnet ist. Die Drosselklappenstellereinheit 7 umfasst einen Drosselklappensteller 4 und einen zweiten Fluidkanalabschnitt 8b, der Durchgangsbohrungen 9 aufweist, die mit Bohrungen im Drosselklappensteller 4 korrespondieren, sodass der erste Fluidkanalabschnitt fluidleitend mit dem zweiten Fluidkanalabschnitt 8b verbunden werden kann, indem der zweite Fluidkanalabschnitt 8b mit dem Drosselklappensteller 4 durch eine Schraubenverbindung, für die die Bohrungen 9 vorgesehen sind, befestigt wird.
Die 2b zeigt eine Schnittansicht durch die Drosselklappenstellereinheit 7 aus der 2a. Der Schnitt verläuft hierbei entlang der Strömungsrichtung eines durch die Drosselklappenstellereinheit 7 förderbaren Fluids. Zu erkennen ist eine Drosselklappe 14, die über eine Welle 13a von einer geschlossenen Position in eine geöffnete Stellung verstellbar ist. Die Welle 13a tritt an einem Austritt 13b aus dem ersten Fluidkanalabschnitt 8a heraus, um mit einem Elektromotor des Drosselklappenstellers der Drosselklappenstellereinheit 7 antriebsverbunden zu sein. Direkt an den ersten Fluidkanalabschnitt 8a schließt sich fluidleitend der zweite Fluidkanalabschnitt 8b an. Die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b umfasst einen ersten Strömungsquerschnitt 10 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b, einen zweiten Strömungsquerschnitt 11 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b und einen dritten Strömungsquerschnitt 12 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b, die in Strömungsrichtung direkt aufeinanderfolgen. Hierbei entspricht der Betrag des ersten Strömungsquerschnitts 10 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b dem dritten Strömungsquerschnitt 12 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b, wobei der zweite Strömungsquerschnitt 11 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b kleiner ist als die beiden anderen Strömungsquerschnitte 10, 12 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b. Ferner sind die Übergänge der einzelnen Strömungsquerschnitte 10, 11, 12 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b sprunghaft, mit anderen Worten unstetig, ausgebildet.
Die 3 zeigt eine Strömungssimulation eines Luftstroms 16 in Strömungsrichtung 17 des durch die Drosselklappenstellereinheit strömenden Luftstrom 16. Die Drosselklappe 14 ist im ersten Fluidkanalabschnitt 8a angeordnet und befindet sich in einer Stellung, die sich nur um einen kleinen Winkel von einer geschlossenen Stellung der Drosselklappe 14 unterscheidet. Zu erkennen ist, dass sich die Welle 13a, die mit der Drosselklappe 14 antriebsverbunden ist, in Strömungsrichtung 17 hinter der Drosselklappe 14 befindet. Aufgrund der Stellung der Drosselklappe 14 strömt der Luftstrom 16 entlang der Wandung des ersten Fluidkanalabschnitts 8a, wird durch die Nut 15 verwirbelt und strömt im zweiten Fluidkanalabschnitt 8b einer Strömungsquerschnittänderung in Form eines Übergangs vom ersten zum zweiten Strömungsquerschnitt 10, 11 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b entgegen, wo es zu einer starken Umlenkung des Luftstroms 16 kommt, der mit einem entsprechenden Druckabfall einhergeht. Mit anderen Worten muss die Drosselklappe 14 aufgrund der Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b, der neben dem ersten Strömungsquerschnitt 10 auch einen zweiten und einen dritten Strömungsquerschnitt 11,12 umfasst, um einen größeren Winkel geöffnet werden als es ohne den zweiten Fluidkanalabschnitt mit seiner Geometrie notwendig wäre, damit ein merklicher Druckanstieg stromabwärts der Drosselklappe, beispielsweise im dritten Strömungsquerschnitt 12 des zweiten Fluidkanalabschnitts 8b messbar ist. Daher ist der gleiche Drosselklappensteller lufeingangsseitig und luftausgangsseitig bezogen auf eine Brennstoffzellenstack einsetzbar, wobei der luftausgangsseitige Drosselklappensteller in Form der erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit ausgebildet ist.
Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden.
Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Brennstoffzellensystem
3: Radialverdichter
4: Drosselklappensteller
5: Brennstoffzellenstack
6: Inverter und elektromotorischer Antrieb
7: Drosselklappenstellereinheit
8a: erster Fluidkanalabschnitt
8b: zweiter Fluidkanalabschnitt
9: Durchgangsbohrungen
10: erster Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts
11: zweites Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts
12: dritter Strömungsquerschnitt des zweiten Fluidkanalabschnitts
13a: Welle
13b: Austritt der Welle
14: Drosselklappe
15: Nut
16: Luftstrom
17: Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010051429 A1 [0003]

Claims

Drosselklappenstellereinheit (7) mit einem Drosselklappensteller (4), der eine elektromotorisch verstellbare Drosselklappe (14) aufweist, und einem Fluidkanal, wobei der Fluidkanal einen ersten und einen zweiten Fluidkanalabschnitt (8a, 8b) aufweist, wobei der erste Fluidkanalabschnitt (8a) einen Strömungsquerschnitt umfasst, der durch die Drosselklappe (14) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt (8b) eine Geometrie aufweist, durch die sich ein Druckabfall eines durch den Fluidkanal strömenden Fluids einstellt.
Drosselklappenstellereinheit (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt (8b) beabstandet zum Strömungsquerschnitt des ersten Fluidkanalabschnitts (8a) angeordnet ist.
Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt (8b) gegenüber dem ersten Fluidkanalabschnitt (8a) stromaufwärts oder stromabwärts angeordnet ist.
Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts (8b) in Strömungsrichtung (17) des strömenden Fluids von einem ersten Strömungsquerschnitt (10) des zweiten Fluidkanalabschnitts (8b) in einen zweiten Strömungsquerschnitt (11) des zweiten Fluidkanalabschnitts (8b) übergeht und dass der zweite Strömungsquerschnitt (11) des zweiten Fluidkanalabschnitts (8b) in einen dritten Strömungsquerschnitt (12) des zweiten Fluidkanalabschnitts (8b) übergeht.
Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts (11) der Geometrie einer Drossel oder einer Blende entspricht.
Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal beabstandet zum veränderbaren Strömungsquerschnitt eine Nut aufweist.
Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt (8b) gegenüber dem Drosselklappensteller (4) separat ausgebildet ist.
Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Fluidkanalabschnitt (8a, 8b) fluidleitend miteinander verbunden sind und dass der zweite Fluidkanalabschnitt (8b) und der Drosselklappensteller (4) oder der erste Fluidkanalabschnitt stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig miteinander befestigt sind.
Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidkanalabschnitt (8a) hinsichtlich eines möglichst geringen Druckabfalls strömungsoptimiert ist.
Brennstoffzellensystem (2) mit einem Brennstoffzellenstack (5) und einer Drosselklappenstellereinheit (7) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die luftausgangsseitig zum Brennstoffzellenstack angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Drosselklappensteller (4), der dem ersten Dosselklappensteller (4) der Drosselklappenstellereinheit (7) gleicht, lufteingangsseitig zum Brennstoffzellenstacks (5) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (5) gemäß Anspruch 11.