DE102022210601A1

DE102022210601A1 - Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff

Info

Publication number: DE102022210601A1
Application number: DE102022210601.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Katz; Jochen Wessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-10-07
Filing date: 2022-10-07
Publication date: 2024-04-18
Also published as: CN117855521A

Abstract

Fördereinrichtung (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Wasserabscheider (10), 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 ein Anodenausgang (3) einer Brennstoffzelle (29), insbesondere eines Brennstoffzellen-Stacks (33), mit einem Eingang, insbesondere einem Zulaufkanal (18), der Fördereinrichtung (1) fluidisch verbunden ist und wobei ein Ausgang, insbesondere ein Ablaufkanal (19) der Fördereinrichtung (1) mit einem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist.Erfindungsgemäß weist die Fördereinrichtung (1) und/oder der Wasserabscheider (10) einen Seitenkanalverdichter (8) auf, der mittels eines ersten Verbindungskanals (20) zumindest mittelbar fluidisch mit einem Tank (13) verbunden ist, wobei die Strahlpumpe (4) derart am Tank (13) angeordnet ist, dass die Strahlpumpe (4), insbesondere mit einem Teil Ihres Gehäuses (38), eine Begrenzung (24) des Tanks (13) ausbildet.

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 Hochdruckbehälter 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, insbesondere Wasserstoff, mit einem Seitenkanalverdichter, mit einem Wasserabscheider, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und mit einem Dosierventil. Dabei wird das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe mittels des Dosierventils zugeführt wird, wobei ein Anodenausgang einer Brennstoffzelle mit einem Eingang der Fördereinrichtung fluidisch verbunden ist und wobei ein Ausgang der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist.
Die aus der DE 10 2017 222 390 A1 bekannten Fördereinrichtung bekannte Brennstoffzellen-System kann jeweils gewisse Nachteile aufweisen. Dabei ist befindet sich der Wasserabscheider im Bereich des Anodenausgang und befindet sich somit stromaufwärts von dem Seitenkanalverdichter und der Strahlpumpe. Aufgrund der Bauweise des Wasserabscheiders aufgrund von interner Verrohrung, Strömungsumlenkungen im Wasserabscheider und Reibung des gasförmigen Mediums im Strömungsbereich des Wasserabscheiders kommt es zu Strömungsverlusten und Strömungsenergieverlusten. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung reduziert. Des Weiteren wird bei einem Ablassen des Wassers aus dem Wasserabscheider und einem Ableiten in einen Kathodenkreislauf mittels des Kathodenausgangs eines Brennstoffzellen-Stacks Energie benötigt, da sich dieser Eingang auf einem höheren geodätischen Niveau des Brennstoffzellen-Systems befindet. Somit muss Hubarbeit verrichtet werden, um das Wasser aus dem Anodenbereich mittels des Wassersabscheiders aus dem System abzuführen, wodurch Energie verbraucht wird und/oder in das System eingebracht werden muss. Dies führt zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der Fördereinrichtung.
Zum anderen entsteht durch das Anordnen des Wasserabscheider stromaufwärts des Seitenkanalverdichter als separate Baugruppen der Nachteil, dass diese insgesamt eine große Oberfläche im Bezug zum Bauraum und/oder geometrischen Volumen ausbilden. Dadurch wird ein schnelles Auskühlen begünstigt, insbesondere bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs, was zu einer erhöhten Bildung von Eisbrücken und somit einer erhöhten Schädigung der Bauteile und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems führen kann, was wiederum zu einer verringerten Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellen-Systems führen kann. Ein weiterer Nachteil ist zudem eine schlechte Kaltstarteigenschaft der Bauteile Wasserabscheider und Seitenkanalverdichter und/oder des Brennstoffzellen-Systems und/oder des Gesamtfahrzeugs, da Heizenergie und/oder Wärmeenergie jeweils einzeln in die Bauteile Seitenkanalverdichter und/oder Strahlpumpe und/oder Dosierventil eingebracht werden muss, wobei die Bauteile voneinander entfernt angeordnet sind und somit jedes Bauteil separat aufgeheizt werden muss, insbesondere bei Temperaturen unter 0° Celsius, um mögliche Eisbrücken zu eliminieren.
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 einen Wasserabscheider, eine von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und ein Dosierventil auf. Das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe wird dabei mittels des Dosierventils der Fördereinrichtung, insbesondere der Strahlpumpe zugeführt. Dabei ist ein Anodenausgang der einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Brennstoffzellen-Stacks, mit einem Einfang, insbesondere einem Zulaufkanal, der Fördereinrichtung fluidisch verbunden. Zudem ist ein Ausgang, insbesondere einem Ablaufkanal der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die Fördereinrichtung und/oder der Wasserabscheider derart ausgebildet, dass die Fördereinrichtung und/oder der Wasserabscheider einen Seitenkanalverdichter aufweist, der mittels eines ersten Verbindungskanals zumindest mittelbar fluidisch mit einem Tank verbunden ist. Dabei Ist die Strahlpumpe derart am Tank angeordnet, dass die Strahlpumpe, insbesondere mit einem Teil Ihres Gehäuses, eine Begrenzung des Tanks ausbildet. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass zum einen eine kompakte Anordnung der Komponenten der Fördereinrichtung, insbesondere der Strahlpumpe und/oder des Tanks und/oder des Seitenkanalverdichters erzielt werden kann und somit eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung erzielt wird. Somit kann der für die Fördereinrichtung erforderlich Bauraum im Gesamtfahrzeug eingespart werden. Des Weiteren lässt sich der Vorteil erzielen, dass ein Bauteil separate Begrenzung des Tanks eingespart werden kann, da nun mittels des Gehäuses der Strahlpumpe eine entsprechende Begrenzung ausgebildet werden kann. Zudem kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass die Gesamtoberfläche der beiden Bauteile Strahlpumpe und Tank und zudem die Gesamtoberfläche des Förderaggregats, im Bezug zum Bauraum und/oder geometrischen Volumen verkleinert werden kann. Somit lässt sich der Vorteil erzielen, dass ein schnelles Auskühlen der Bauteile Strahlpumpe und Tank und/oder Dosierventil und/oder Seitenkanalverdichter, insbesondere bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs, verhindert wird, was zu einer Reduzierung und/oder Vermeidung der Bildung von Eisbrücken führt. Dabei wird in vorteilhafter Weise der Effekt genutzt, dass die Bauteile Strahlpumpe und/oder Dosierventil und/oder Tank und/oder Seitenkanalverdichter, im Betrieb Wärme erzeugen, beispielsweise durch die elektrische Aktorik und/oder durch magnetische Aktorik, wobei diese Wärme zur Vermeidung der Auskühlungen aller Bauteile im gemeinsamen Gehäuse nutzen lässt. Weiterhin lässt sich durch die Anordnung der Bauteile im gemeinsamen Gehäuse bei einem insgesamt verkleinerten Volumen des Förderaggregats eine verbesserte Kaltstartfähigkeit des Förderaggregats und/oder des Brennstoffzellen-Systems erzielen, insbesondere bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs, da weniger Masse aufgeheizt werden muss und da die vorhandene Wärme einzelner Bauteile genutzt werden kann, um die Bauteile gemeinschaftlich aufzuheizen. Dabei kann zudem die Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellen-Systems reduziert werden, wobei die Lebensdauer erhöht werden kann.
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 verläuft die Strahlpumpe entlang einer dritte Achse, wobei die dritte Achse geneigt in einem Winkel α zu einer ersten Achse und/oder zu einer zweiten Achse und/oder zu einer Referenzachse verläuft. Auf diese Weise kann zum einen der Vorteil erzielt werden, dass der Strömungskanal der Strahlpumpe derart geneigt zu einer Wirkrichtung der Schwerkraft verläuft, dass im gasförmigen Medium vorhandenes Wasser bei einem Abstellen der Fördereinrichtung und/oder des Gesamtfahrzeugs, bei dem insbesondere eine Förderung im Anodenkreislauf zum Erliegen kommt, immer aufgrund der vorhandenen Schwerkraft zu einem stromabwärtigen Bereich der Strahlpumpe abfließt. Dieses Wasser, welches im Falle eines Abstellens des Gesamtfahrzeugs und/oder der Fördereinrichtung aus dem gasförmigen Medium auskondensieren kann und sich bei niedrigen Temperaturen zu Eisbrücken ausbilden kann, kann somit aus dem Bereich der Fördereinrichtung mit beweglichen Teilen weggeleitet werden, wie beispielsweise der Aktorik des Dosierventils und/oder dem Seitenkanalverdichter und/oder einem Mischrohr der Strahlpumpe. Somit kann eine Beschädigung dieser Bauteile der Fördereinrichtung verringert werden, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung und somit des Brennstoffzellen-Systems verbessert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung bildet der Ablaufkanal und/oder die Strahlpumpe eine Umlenkung aus, wobei die Umlenkung in einer niedrigen geodätischen Höhe an der Strahlpumpe ausgebildet ist. Diese Umlenkung kann dabei zumindest nahezu rechtwinklig verlaufen. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das Wasser aus dem gasförmigen Medium abgeführt werden und/oder weiter heraus aus dem Gehäuse des Seitenkanalverdichter und der Fördereinrichtung abgeführt werden können. Dabei wird das Wasser, welches sich im Strömungskanal der Strahlpumpe befindet, aufgrund der Neigung des Strömungskanals und einer Wirkrichtung der Schwerkraft zur Umlenkung hingeleitet, insbesondere bei einem abgeschalteten Gesamtfahrzeug und/oder einer abgeschalteten Fördereinrichtung. Die Umlenkung kann dabei ein Reservoir an ihrem niedrigsten geodätischen Punkt ausbilden, welches eine bestimmte Menge Wasser aufnehmen kann, wobei das Reservoir so ausgelegt ist, dass immer die theoretisch in dem gasförmigen Medium des Anodenkreislaufs der Fördereinrichtung vorhandene Menge Wasser aufgenommen werden kann. Dieses Wasser, welches im Falle eines Abstellen des Gesamtfahrzeugs und/oder der Fördereinrichtung aus dem gasförmigen Medium auskondensieren kann und sich bei niedrigen Temperaturen zu Eisbrücken ausbilden kann, kann somit aus dem Bereich der Fördereinrichtung mit beweglichen Teilen weggeleitet werden, wie beispielsweise der Aktorik des Dosierventils und/oder dem Seitenkanalverdichter und/oder einem Mischrohr der Strahlpumpe. Derartige Eisbrücken würden ein Starten der Fördereinrichtung, insbesondere des Seitenkanalverdichter erschweren oder vollständig verhindern. Somit kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters eine Schädigung der rotierenden Teile des Seitenkanalverdichter aufgrund von Eisbrückenbildung, verhindert werden. Dies führt zu einer höheren Zuverlässigkeit der Fördereinrichtung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung ist die Strahlpumpe im Bereich ihrer Umlenkung mittels eines zweiten Verbindungskanals fluidisch mit dem Tank verbunden, wobei sich der Tank insbesondere auf einem niedrigeren geodätischen Niveau im Vergleich zur Umlenkung befindet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das in der Umlenkung gesammelte und sich somit in der niedrigsten geodätischen Höhe der Strahlpumpe befindliche Wasser mittels des zweiten Verbindungskanals aus dem Bereich der Umlenkung, insbesondere dem Reservoir, in den Tank abgeleitet werden. Somit kann eine effiziente Ableitung des Wassers, welches sich nach einem Abstellen des Gesamtfahrzeugs und/oder der Fördereinrichtung in der Umlenkung sammelt, aus den Strömungsbereichen der Strahlpumpe erfolgen. Weiterhin wird der Vorteil erzielt, dass durch das Herausleiten des Wassers aus dem Bereich der Umlenkung und/oder der Strahlpumpe verhindert wird, dass sich im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellen-Systems und bei niedrigen Umgebungstemperaturen sogenannte Eisbrücken bilden. Derartige Eisbrücken könnten die inneren Strömungsbereiche der Fördereinrichtung beschädigen und/oder bei einem Starten der Fördereinrichtung derart in ein Brennstoffzellen-Stack gefördert werden, so dass das Brennstoffzellen-Stack durch scharfkantige Eissplitter beschädigt würde. Somit kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Strahlpumpe und/oder der Fördereinrichtung eine Schädigung aufgrund von Eisbrückenbildung, verhindert werden. Dies führt zu einer höheren Zuverlässigkeit der Fördereinrichtung. Zudem wird keine zusätzliche Energie benötigt, um das Wasser aus dem Bereich der Umlenkung in den Tank abzulassen, da sich der Tank auf einer niedrigeren geodätischen Höhe befindet. Somit kann der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung verbessert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung ist der zweite Verbindungskanal öffenbar und schließbar, insbesondere mittels eines Ventils. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass ein kontrolliertes Ablassen des Wassers aus dem Bereich der Krümmung der Strahlpumpe in den Tank möglich ist, je nach Betriebszustand der Fördereinrichtung und/oder der Brennstoffzelle. Dabei kann eine Sensorik und/oder ein Steuergerät mit dem Ventil verbunden, wobei insbesondere die Sensorik kontinuierlich Parameter Fördereinrichtung und/oder der Brennstoffzelle erfasst. Je nach erfassten Parametern kann dann eine im Steuergerät hinterlegte Software ein Öffnen und Schlie-ßen des Ventils steuern. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass mittels der Ansteuerung, insbesondere des Öffnens und Schließens, des Ventils auf Basis der von der Sensorik erfassten Daten, möglichst immer dann das Wasser aus dem Bereich der Krümmung in den Tank abgelassen wird, ein möglicherweise vorhandenes Druckgefälle und/oder eine Strömung und/oder ein Massenstrom aus dem Anodenkreislauf, insbesondere dem Förderaggregat und/oder der Strahlpumpe genutzt werden, um das Wasser möglichst effizient und zumindest nahezu ohne zusätzlichen Energieaufwand aus dem Bereich der Krümmung und/oder dem Reservoir herauszuleiten und oder eine entsprechende Separation zu bewirken. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-systems und/oder der Fördereinrichtung erhöhen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich der erste Verbindungskanal auf einem höheren geodätischen Niveau als der Zulaufkanal, wobei insbesondere das gasförmige Medium mittels des Zulaufkanals dem Seitenkanalverdichter und/oder der Fördereinrichtung zugeführt wird. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass zum einen eine kompakte Anordnung der Komponenten der Fördereinrichtung und somit eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung erzielt werden kann. Des Weiteren kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass eine Ansammlung von Wasser in einer der Leitungen der Fördereinrichtung vermieden werden kann und das Wasser direkt aus der Fördereinrichtung in den Tank des Wassersammlers abgeführt wird. Zudem kann das Wasser beim Abführen auf ein höheres geodätisches Niveau beim Abführen in den Tank gebracht werden, so dass beim späteren Abführen des Wassers aus dem Tank keine zusätzliche Hubarbeit verrichtet werden muss, um das Wasser aus dem Anodenbereich mittels des Wassersabscheiders aus dem System und/oder dem Anodenbereich abzuführen. Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Fördereinrichtung Energie eingespart werden und der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung lässt sich erhöhen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung verläuft der erste Verbindungskanal in seinem ersten Teilbereich A zumindest nahezu parallel zu einer Referenzachse, wobei Wasser aus dem Seitenkanalverdichter, insbesondere einem Verdichterraum, in einer Ableit-Richtung durch den ersten Verbindungskanal abgeführt wird, insbesondere in den Tank. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass das Wasser, welches abgeschieden, dann aus dem Verdichterraum abgeschieden wird, wenn es sich innerhalb des Seitenkanalverdichters auf dem höchsten geodätischen Niveau befindet. Ein Abfließen durch den ersten Verbindungskanal erfolgt dabei zumindest nahezu parallel zur Referenzachse und somit zumindest nahezu orthogonal zur Wirkrichtung der Schwerkraft. Somit ist die im Wasser vorhandene kinetische Energie ausreichen und es muss keine weitere Energie ausreichen, um das Wasser aus dem Verdichterraum über den ersten Verbindungskanal in den Tank zu befördern. Dadurch lässt sich der Vorteil erzielen, dass der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung und/oder des Wasserabscheiders erhöht werden kann. Weiterhin können die Strömungsverluste und/oder Druckverluste beim Befördern des Wassers aus dem Seitenkanalverdichter in den Tank möglichst geringgehalten werden. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mittels einer derartigen Anordnung des Tanks eine kostengünstige und kompakte Bauform des Wasserabscheiders erzielt werden. Weiterhin kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass das Wasser beim Abscheideprozess und/oder Ansammeln im Tank auf ein höheres geodätisches Niveau gebracht wird im Vergleich zum Ausströmen des gasförmigen Mediums aus dem Stack über den Anodenausgang. Somit ist beim späteren Abführen des Wassers aus dem Tank keine zusätzliche Hubarbeit notwendig, um das Wasser aus dem Anodenbereich mittels des Wassersabscheiders aus dem System und/oder dem Anodenbereich abzuführen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung weist der erste Verbindungskanal in seinem zweiten Teilbereich B einen gekrümmten Verlauf auf, wobei sich eine Strömungsrichtung IV, insbesondere des abgeführten Wassers, im Bereich der Krümmung von einer parallel zur Referenzachse verlaufenden Strömungsrichtung IVa zu einer zumindest nahezu in Wirkrichtung einer Schwerkraft verlaufenden Strömungsrichtung IVb ändert. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielt, dass das zumindest im zweiten Teilbereich B das Wasser ausschließlich mittels der bereits vorhandenen kinetischen Bewegungsenergie und mittels der Nutzung der Schwerkraft durch den ersten Verbindungskanal bis in den Tank gefördert werden kann. Auf diese Weise wird keine zusätzliche Energie zum Transportieren durch den Teilbereich B benötigt, die erst von außerhalb des ersten Verbindungskanals eingebracht werden müsste, wie beispielsweise einer Druckkraft oder eines zusätzlichen Impulses. Somit kann der Wirkungsgrad des Wasserabscheiders und/oder der Fördereinrichtung verbessert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung wird der Bestandteil Wasser vom gasförmigen Medium im Seitenkanalverdichter abgeschieden, wobei die Abscheidung insbesondere mittels des Zentrifugalprinzips erfolgt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Bewegungsenergie, insbesondere die Rotationsenergie, des Verdichterrads, welche vornehmlich zum Verdichten des gasförmigen Mediums verwendet wird, auch dazu verwendet, das im gasförmigen Medium vorhandene Wasser vom Verdichterrad bei dessen Rotation beschleunigt wird und dabei mittels Zentrifugalkraft von der Drehachse des Verdichterrads wegbewegt. Somit kann eine effiziente Abscheidung des Wassers vom gasförmigen Medium erfolgen und es lässt sich der Wirkungsgrad des Wasserabscheiders und/oder der Fördereinrichtung verbessern. Durch die Nutzung des Zentrifugalprinzips zum Herausleiten der schweren Bestandteile wie Wasser, insbesondere aus dem Verdichterraum, kann der Vorteil erzielt werden, dass der Abscheideprozess derart verbessert wird, so dass das Wasser nahezu vollständig vom gasförmigen Medium, insbesondere vom Wasserstoff des gasförmigen Mediums abgeschieden werden kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein möglichst hoher Anteil an Wasserstoff zum Brennstoffzellen-Stack, zurückströmt, wodurch zum einen der Wirkungsgrad und/oder die Leistung des Brennstoffzellen-Stacks und/oder des Brennstoffzellen-Systems erhöht werden kann. Weiterhin lässt sich der Vorteil erzielen, dass zum Trennen des Bestandteils Wasser vom Bestandteil Wasserstoff keine zusätzliche Energie und/oder nur eine geringe Menge an Energie zur Verfügung gestellt werden muss, insbesondere vom Brennstoffzellen-System und/oder vom übergeordneten System Fahrzeug. Eine weitere Einleitung von Energie, insbesondere von kinetischer Energie oder Druckenergie, in das Medium ist somit nicht mehr notwendig, um eine optimale Effizienz des Abscheideprozesses durch den Seitenkanalverdichter mittels des Zentrifugalprinzips bewirken zu können. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems erhöht werden und die Betriebskosten können reduziert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen und/oder Kombinationen der in den Ansprüchen beschrieben Merkmale und/oder Vorteile möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:

1 zeigt in einer Draufsicht eine Fördereinrichtung mit einem Wasserabscheider, einer Strahlpumpe und einem Dosierventil

Ausführungsformen der Erfindung
Die Darstellung gemäß 1 zeigt in einer Draufsicht eine Fördereinrichtung 1 Diese Fördereinrichtung 1 ist für ein Brennstoffzellen-System 31 geeignet zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Dabei weist die Fördereinrichtung 1 einen Wasserabscheider 10 und ein Dosierventil 6 auf, wobei das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe 4 mittels des Dosierventils 6 zugeführt wird. Dabei ist ein Anodenausgang 3 einer Brennstoffzelle 29, insbesondere eines Brennstoffzellen-Stacks 33, mit einem Eingang, insbesondere einem Zulaufkanal 18, der Fördereinrichtung 1 fluidisch verbunden. Zudem ist ein Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29, insbesondere des Brennstoffzellen-Stacks 33 mit einem Ausgang, insbesondere einem Ablaufkanal 19, der Fördereinrichtung 1 fluidisch verbunden. Dabei weist die Fördereinrichtung 1 und/oder der Wasserabscheider 10 und/oder einen Seitenkanalverdichter 8 auf, der mittels eines ersten Verbindungskanals 20 zumindest mittelbar fluidisch mit einem Tank 13 verbunden ist, wobei sich der erste Verbindungskanal 20 auf einem höheren geodätischen Niveau im Bereich einer zweiten Achse 17 befindet als der Zulaufkanal 18. Das gasförmige Medium, insbesondere ein Rezirkulat, wird dabei aus dem Brennstoffzellen-Stack 33 über den Anodenausgang 3 und den Zulaufkanal 18 der Fördereinrichtung 1 und/oder dem Wasserabscheider 10 und/oder dem Seitenkanalverdichter 8 zugeführt. Der Zulaufkanal 18 befindet sich dabei auf einem niedrigen geodätischen Niveaus 15 im Bereich der ersten Achse 15. Zudem ist gezeigt, dass die Strahlpumpe 4 entlang einer dritten Achse 27 verläuft, wobei die dritte Achse 27 geneigt in einem Winkel α zu einer ersten Achse 15 und/oder zu einer zweiten Achse 17 und/oder zu einer Referenzachse 12 verläuft. Die Strahlpumpe 4 kann dabei zumindest teilweise den Ablaufkanal 19 ausbilden, wobei die Strahlpumpe 4 und/oder der Ablaufkanal 19 zumindest über einen Teil Ihrer Länge zumindest nahezu rotationssymmetrisch um die dritte Achse 27 verlaufen.
1 zeigt, dass die erste Achse 15 und/oder die zweite Achse 17 zumindest nahezu parallel zur Referenzachse 12 verlaufen. Des Weiteren kann das gasförmige Medium, bei dem es sich um ein Anodengas handeln, aus dem Brennstoffzellen-Stack 33 mittels der Fördereinrichtung 1 angesaugt werden, wobei es sich um ein im Brennstoffzellen-Stack 33 unverbrauchtes Rezirkulat handelt. Dieses Rezirkulat strömt über den Anodenausgang 3 in die Fördereinrichtung 1 und/oder den Zulaufkanal 18 ein und kann Wasser enthalten. Dieses Wasser kann beispielsweise in Form von Wasserpartikeln 11 vorliegen, die insbesondere als Wassertropfen auftreten. Das gasförmige Medium wird inklusive des Wassers in einem Verdichterrad 7 des Seitenkanalverdichters 8 in Rotationsbewegung versetzt und/oder gefördert und/ oder mittels des Verdichterrades 7 in Umfangsrichtung mitgenommen. Dazu sind am äußeren Durchmesser des Verdichterrads 7 mehrere Schaufelblätter 35 ausgebildet, die bei einer Rotationsbewegung des Verdichterrads 7 das gasförmige Medium mitnehmen und/oder fördern. Durch die höhere Dichte wandert das Wasser beim Fördern des gasförmigen Mediums mittels der Schaufelblätter 35 in einem Verdichterraum 30 radial nach außen, bei den typischen hohen Drehzahlen eines Seitenkanalverdichters 8 innerhalb einer halben bis dreiviertel Rotorumdrehung und wird mittels des ersten Verbindungskanals 20 aus dem Seitenkanalverdichter 8 herausgeleitet. Dabei wird der Bestandteil Wasser vom gasförmigen Medium im Seitenkanalverdichter 8 mittels des Zentrifugalprinzips abgeschieden. Das restliche getrocknete gasförmige Medium kann anschließend in der Strahlpumpe 4, bei der es sich insbesondere um eine Saugstrahlpumpe 4 handelt, mit frischem Wasserstoff, bei dem es sich insbesondere um ein aus einem unter Hochdruck, insbesondere 700 bar, stehenden Wasserstoffbehälter gefördert und dem Brennstoffzellen-Stack 33 über den Ablaufkanal 19 zugeführt werden. Im Bereich des Dosierventils 6 und/oder der Strahlpumpe 4 liegt jedoch ein geringerer Druck vor. Das Treibmedium wird dabei der Strahlpumpe 4 über das Dosierventil 6 zugeführt.
Wie in 1 gezeigt verläuft der erste Verbindungskanal 20 in seinem ersten Teilbereich A zumindest nahezu parallel zu einer Referenzachse 12. Dabei wird Wasser aus dem Seitenkanalverdichter 8, insbesondere einem Verdichterraum 30, in einer Ableit-Richtung 37 durch den ersten Verbindungskanal 20 abgeführt, insbesondere in den Tank 13. Die Referenzachse 12 verläuft dabei orthogonal zu einer Wirkrichtung der Schwerkraft 34. Des Weiteren weist der erste Verbindungskanal 20 in seinem zweiten Teilbereich B eine Krümmung 26 auf, wobei sich eine Strömungsrichtung IV, insbesondere des abgeführten Wassers, im Bereich der Krümmung 26 von einer parallel zur Referenzachse 12 verlaufenden Strömungsrichtung IVa zu einer zumindest nahezu in Wirkrichtung einer Schwerkraft 34 verlaufenden Strömungsrichtung IVb ändert. Weiterhin befindet sich der Wasserabscheider 10 und/oder der Tank 13 oberhalb des Anodenausgangs 3 und/oder der ersten Achse 15. Der Zulaufkanal 18 ist mittels eines ersten Ablaufs 28, in dem sich ein erstes Ablassventil 14, insbesondere einem Purgeventil 14 befindet, mit einem Kathodenausgang 23 verbunden. Zudem ist der Tank 13 des Wasserabscheiders 10 mittels eines zweiten Ablaufs 32, in dem sich ein zweites Ablassventil 16, insbesondere ein Drainventil 16 befindet, mit dem Kathodenausgang 23 verbunden. Die Fördereinrichtung 1 kann dabei verwendet werden in einem Fahrzeug zur elektrischen Energieversorgung von einem Fahrantrieb und/oder Nebenverbrauchern. Der Tank 13 liegt erhöht oberhalb des Kathodenausgangs 23, sodass er Wasser speichern kann ohne zusätzlichen Bauraum unterhalb des Brennstoffzellen-Stacks 33 zu erfordern. Gleichzeitig wird so ein Rücklauf in die Fördereinrichtung 1 und/oder den Seitenkanalverdichter 8 verhindert. Das hier gezeigte erste Ablassventil 14 kann zur Reduzierung des Stickstoffgehaltes im Anodengas und/oder gasförmigen Medium verwendet werden, wenn diese Funktion vom zweiten Ablassventil 16, bei dem es sich insbesondere um ein Drainventil 16 handelt, nur unzureichend erfüllt wird.
Des Weiteren wird in 1 gezeigt, dass die Strahlpumpe 4 derart am Tank 13 angeordnet ist, dass die Strahlpumpe 4, insbesondere mit einem Teil Ihres Gehäuses 38, eine Begrenzung 24 des Tanks 13 ausbildet. Dabei kann der Tank 13 als topfförmiges Bauteil mit einer Öffnung aufweisen, wobei die Öffnung bei der Montage und beim Verbauen der Strahlpumpe 4 am Tank 13 verschlossen wird. Die Begrenzung 24 kann dabei als ein Oberteil 24 und/oder als eine Wandung 24 des Tanks 13 ausgebildet sein und diesen Tank 13 derart begrenzen. Dabei kann das Gehäuse 38 der Strahlpumpe als Begrenzung 24 und/oder Deckel 24 und/oder als Wandung 24 des Tanks 13 dienen. Des Weiteren bilden der Ablaufkanal 19 und/oder die Strahlpumpe 4 eine Umlenkung 40 aus, wobei die Umlenkung 40 in einer niedrigen geodätischen Höhe an der Strahlpumpe 4 ausgebildet ist. Die Strahlpumpe 4 ist im Bereich ihrer Umlenkung 40 mittels eines zweiten Verbindungskanals 22 fluidisch mit dem Tank 13 verbunden, wobei sich der Tank 13 insbesondere auf einem niedrigeren geodätischen Niveau im Vergleich zur Umlenkung 40 befindet, so dass gesammeltes Wasser aus der Umlenkung 40 mittels der Schwerkraft ohne weiteren Energieeinsatz in den Tank 13 abfließen kann. Als zusätzliches Bauteil kann der zweite Verbindungskanal 22 ein Ventil 39 aufweisen öffenbar und schließbar ist, insbesondere mittels eines Ventils 39. Bei diesem Ventil 39 kann es sich um ein Proportionalventil 39 handeln.
Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass die Fördereinrichtung 1 ein Heizelement 21 aufweist, wobei sich das Heizelement 21 insbesondere in einem Gehäuse 43 des Seitenkanalverdichters 8 befindet. Dieses Heizelement 21 kann verwendet werden bei niedrigen Temperaturen, falls die System-Heizleistung allein nicht ausreicht und gezielt Bereich der Fördereinrichtung 1 zu beheizen, in denen sich bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs Restwasser sammelt, wobei das Restwasser bei Temperaturen unter 0°C Eisbrücken ausbilden kann, die die Fördereinrichtung 1 beschädigen. Um dieses Ausbilden von Eisbrücken zu verhindern, wird das Heizelement 21 elektrisch mit Energie, insbesondere Heizenergie, versorgt. In weiteren alternativen Ausführungsformen kann das Heizelement 21 zudem, insbesondere zusätzlich zur elektrischen Energie, über einen Wärmetauscher mit Energie versorgt werden und/oder über ein Magnetfeld mit Energie versorgt werden, insbesondere induktiv, und/oder mechanisch mit Energie versorgt werden und/oder chemisch mit Energie versorgt werden.
Innerhalb der Strahlpumpe 4 findet ein sogenannter Strahlpumpeneffekt statt. Zu diesem Zweck kann die Strahlpumpe 4 die (nicht explizit gezeigten) Bereiche Ansaugbereich und/oder Mischrohr und/oder Diffusor aufweist. Dazu strömt das gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein Rezirkulat handelt, durch ein Verbindungsstück 36, welches den Seitenkanalverdichter 8 mit der Strahlpumpe 4, insbesondere dem Ansaugbereich der Strahlpumpe 4, verbindet, in die Strahlpumpe 4 ein. In der Strahlpumpe 4 wird dieses sich im Ansaugbereich befindliche Rezirkulat, mit dem vom Hochdruckbehälter kommenden und über das Dosierventil 6, insbesondere mittels einer Düse des Dosierventils 6, zugeführte Treibmedium beaufschlagt. Das Treibmedium wird nun mittels eines Öffnens des Dosierventils 6, insbesondere unter hohem Druck, in den Ansaugbereich eingebracht. Der aus dem Dosierventil 6 in den Ansaugbereich strömende und als Treibmedium dienende Wasserstoff weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf. Dabei strömt das Rezirkulationsmedium durch das Verbindungsstück 36 in den Ansaugbereich 18 ein, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 10 bar aufweist. Damit sich der Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Massenstrom in den in den Ansaugbereich 18 der Strahlpumpe 4 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und 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 der Strahlpumpe 4 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 Flussrichtung beschleunigt und es entsteht auch für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des Verbindungsstücks 36 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 je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden.
In 1 wird dargestellt, dass dem Brennstoffzellen-Stack 33 mittels eines Kathodeneingangs 25 Luft, insbesondere Sauerstoff, aus der Umgebung, zugeführt wird. Diese Luft wird aus dem Brennstoffzellen-Stack 33 mittels des Kathodenausgangs 23 herausgeleitet, nachdem der Sauerstoff im Brennstoffzellen-Stack 33 zumindest teilweise mit dem Wasserstoff reagiert hat. Alle Bauteile der Fördereinrichtung 1 können dabei mittels eines plattenförmigen Elements 2 an der Brennstoffzelle 29 und/oder am Brennstoffzellen-Stack 33 befestigt sein.
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 Wasserabscheider (10), 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 ein Anodenausgang (3) einer Brennstoffzelle (29), insbesondere eines Brennstoffzellen-Stacks (33), mit einem Eingang, insbesondere einem Zulaufkanal (18), der Fördereinrichtung (1) fluidisch verbunden ist und wobei ein Ausgang, insbesondere ein Ablaufkanal (19) der Fördereinrichtung (1) mit einem Anodeneingang (5) der Brennstoffzelle (29) fluidisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (1) und/oder der Wasserabscheider (10) einen Seitenkanalverdichter (8) aufweist, der mittels eines ersten Verbindungskanals (20) zumindest mittelbar fluidisch mit einem Tank (13) verbunden ist, wobei die Strahlpumpe (4) derart am Tank (13) angeordnet ist, dass die Strahlpumpe (4), insbesondere mit einem Teil Ihres Gehäuses (38), eine Begrenzung (24) des Tanks (13) ausbildet.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (4) entlang einer dritten Achse (27) verläuft, wobei die dritte Achse 27 geneigt in einem Winkel α zu einer ersten Achse (15) und/oder zu einer zweiten Achse (17) und/oder zu einer Referenzachse (12) verläuft.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablaufkanal (19) und/oder die Strahlpumpe (4) eine Umlenkung (40) ausbildet, wobei die Umlenkung (40) in einer niedrigen geodätischen Höhe an der Strahlpumpe (4) ausgebildet ist.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (4) im Bereich ihrer Umlenkung (40) mittels eines zweiten Verbindungskanals (22) fluidisch mit dem Tank (13) verbunden ist, wobei sich der Tank (13) insbesondere auf einem niedrigeren geodätischen Niveau im Vergleich zur Umlenkung (40) befindet.
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verbindungskanal (22) öffenbar und schließbar ist, insbesondere mittels eines Ventils (39).
Fördereinrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Verbindungskanal (20) auf einem höheren geodätischen Niveau (17) befindet als der Zulaufkanal (18), wobei insbesondere das gasförmige Medium mittels des Zulaufkanals dem Seitenkanalverdichter (8) und/oder der Fördereinrichtung (1) zugeführt wird
Fördereinrichtung (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungskanal (20) in seinem ersten Teilbereich A zumindest nahezu parallel zu einer Referenzachse 12 verläuft, wobei Wasser aus dem Seitenkanalverdichter (8), insbesondere einem Verdichterraum (30), in einer Ableit-Richtung (37) durch den ersten Verbindungskanal (20) abgeführt wird, insbesondere in den Tank (13).
Fördereinrichtung (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verbindungskanal (20) in seinem zweiten Teilbereich B einen gekrümmten Verlauf aufweist, wobei sich eine Strömungsrichtung IV, insbesondere des abgeführten Wassers, im Bereich der Krümmung (26) von einer parallel zur Referenzachse (12) verlaufenden Strömungsrichtung IVa zu einer zumindest nahezu in Wirkrichtung einer Schwerkraft (34) verlaufenden Strömungsrichtung IVb ändert.
Fördereinrichtung (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestandteil Wasser vom gasförmigen Medium im Seitenkanalverdichter (8) mittels des Zentrifugalprinzips abgeschieden.
Verwendung der Fördereinrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Brennstoffzellen-System (31).
Verwendung des Brennstoffzellen-Systems (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, in einem Fahrzeug zur elektrischen Energieversorgung von Fahrantrieb und/oder Nebenverbrauchern.