EP4423828A1 - Drosselklappenstellereinheit, brennstoffzellensystem mit einer derartigen drosselklappenstellereinheit und kraftfahrzeug mit einem derartigen brennstoffzellensystem - Google Patents

Drosselklappenstellereinheit, brennstoffzellensystem mit einer derartigen drosselklappenstellereinheit und kraftfahrzeug mit einem derartigen brennstoffzellensystem

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Publication number
EP4423828A1
EP4423828A1 EP22803208.2A EP22803208A EP4423828A1 EP 4423828 A1 EP4423828 A1 EP 4423828A1 EP 22803208 A EP22803208 A EP 22803208A EP 4423828 A1 EP4423828 A1 EP 4423828A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid channel
throttle valve
section
channel section
valve actuator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22803208.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexandru Popa
Alexandru-Ilie Isaincu
Mihai Drienovsky
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102021212202.7A external-priority patent/DE102021212202A1/de
Application filed by Vitesco Technologies GmbH filed Critical Vitesco Technologies GmbH
Publication of EP4423828A1 publication Critical patent/EP4423828A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Throttle valve positioner unit fuel cell system with such a throttle valve positioner unit and motor vehicle with such a fuel cell system
  • the invention relates to a throttle valve positioner unit according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a fuel cell system with such a throttle valve positioner unit.
  • the invention also relates to a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • throttle valve actuators are used to regulate the air supply to the fuel cell stack of the fuel cell system.
  • a first fluid channel leads into the fuel cell stack
  • a second fluid channel leads out of the fuel cell stack.
  • a first throttle valve actuator on the air inlet side
  • a second and a third throttle valve actuator in series with one another on the air outlet side.
  • the second throttle valve actuator is designed to open or close the second fluid channel
  • the third throttle valve actuator is designed to set the desired pressure in the second fluid channel. It would be desirable to combine the functions of the second and third throttle actuators into a single throttle actuator to achieve cost savings.
  • the requirements for the second and third throttle actuator are opposed to each other.
  • the third throttle valve actuator is on it designed to close the second fluid channel as tightly as possible in the closed position of the throttle valve and to provide the lowest possible pressure loss in the open position.
  • the publication DE 10 2010 051 429 A1 relates to a throttle valve actuator.
  • a throttle valve actuator unit which, on the one hand, enables the most precise possible regulation of the pressure and, on the other hand, the lowest possible pressure loss in the open position of the throttle valve and the highest possible sealing effect in the closed position of the throttle valve.
  • a second object of the present invention is to provide a fuel cell system with such a throttle valve actuator unit.
  • a third object is to provide a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • the first object is achieved by a device having the features of claim 1.
  • the first object is achieved by a throttle valve actuator unit with a throttle valve actuator, which has a throttle valve that can be adjusted by an electric motor, and a fluid channel, the fluid channel having a first and a second fluid channel section, the first fluid channel section having a flow cross section that can be changed by the throttle valve , wherein the second fluid channel section has a geometry that adjusts a pressure drop of a fluid flowing through the fluid channel, solved.
  • the throttle valve actuator unit according to the invention ensures that the fluid channel is closed as fluid-tight as possible when the throttle valve of the throttle valve actuator of the throttle valve actuator unit is in a closed position, while the lowest possible pressure losses occur in an open position of the throttle valve of the throttle valve actuator of the throttle valve actuator unit.
  • the throttle valve actuator unit due to the geometry of the second fluid channel section, in particular with small flow cross sections or small opening angles of the throttle valve, to adjust the pressure in the fluid channel as precisely as possible, since due to the geometry of the second fluid channel section, a greater movement of the throttle valve for a certain pressure difference is necessary than would be necessary without this geometry.
  • the geometry of the second fluid channel section is designed such that with an opening movement of the throttle valve of less than 30°, relative to a position in which the throttle valve closes the variable flow cross section, only a disproportionately low pressure increase downstream of the throttle valve can be caused.
  • the disproportionality refers in particular to a pressure increase that can be caused by an opening movement of the throttle valve of more than 30°, based on a position in which the throttle valve closes the variable flow cross section.
  • the geometry of the second fluid channel section is designed such that an opening movement of the throttle valve up to a flow cross section that corresponds to 20% of the maximum, variable flow cross section only causes a disproportionately low pressure increase downstream of the throttle valve.
  • the sub-proportionality refers in particular to a pressure increase that can be caused downstream of the throttle valve at a flow cross section that corresponds to 50% to 100% of the maximum, variable flow cross section.
  • the throttle valve positioner unit and/or the throttle valve positioner is preferably a throttle valve positioner unit or a throttle valve positioner for a fuel cell system.
  • the Throttle valve actuator unit or the throttle valve actuator in this case designed according to its area of application and suitable for this purpose.
  • the throttle valve positioner unit and the throttle valve positioner can be optimized in terms of suitability and service life for use in a fuel cell system.
  • the throttle valve actuator has a throttle valve actuator housing which includes the first and/or the second fluid channel section. It is particularly preferred if the throttle valve actuator housing is designed in one piece with the first and/or the second fluid channel section. As a result, a separate manufacturing process can be dispensed with, which saves costs. At the same time, assembly and a separate connection between the throttle valve actuator housing and one of the fluid channel sections can be dispensed with, which saves further costs. In addition, the joint formation, for example by means of a plastic injection molding or a metal casting process, results in the most precise possible alignment between the throttle valve actuator and the fluid channel sections.
  • the throttle valve actuator includes an electric motor, by means of which the throttle valve can be adjusted.
  • the electric motor is preferably designed as a mechanically commutated DC motor or as a permanently excited synchronous motor. While the former type of motor is extremely inexpensive, the latter type of motor is extremely durable. Furthermore, it is also conceivable that a stepper motor is used as an electric motor in order to adjust the throttle valve of the throttle valve actuator. In this way, there is no need to detect the position of the throttle valve, which saves further costs.
  • the variability of the flow cross section of the first fluid duct section is dependent on the position of the throttle valve in the first fluid duct section.
  • the throttle valve actuator includes a shaft via which the electric motor of the throttle valve actuator changes the position of the throttle valve in the first fluid duct section.
  • the shaft is non-rotatably connected to the throttle valve. In this case, it is possible for the shaft to emerge from the first fluid channel section at one or two points. This means that the wave radially breaks through the channel wall of the first fluid channel section, which delimits the first fluid channel section. Such a breakthrough is also referred to as the emergence of the wave within the scope of the invention.
  • a first exit of the shaft from the first fluid channel section serves to connect the throttle valve to the electric motor of the throttle valve actuator in a drive-transmitting manner.
  • this first exit of the shaft from the first fluid channel section can also be used to support the shaft and/or the throttle valve.
  • the second exit of the shaft from the first fluid channel section serves only to support the shaft and/or the throttle valve.
  • the first fluid channel section has only one outlet of the shaft.
  • this outlet of the shaft is used on the one hand to support the shaft and/or the throttle valve and on the other hand to connect the throttle valve to the electric motor of the throttle valve actuator in a drive-transmitting manner.
  • an outlet of the shaft or the first and the second outlet of the shaft is located in the plane which is closed by the throttle valve in its closed position.
  • an outlet of the shaft is located in front of or behind the plane, seen in the flow direction, which is closed by the throttle valve in its closed position. This prevents the exit of the wave from the first fluid channel section unwanted bypass volume flow.
  • both exits of the shaft are located at a distance from the plane which is closed by the throttle valve in its closed position. In other words, it is possible for both exits of the wave to be in front of or behind the plane in the direction of flow. It is also possible for the wave to exit in front of and behind the plane. This prevents unwanted bypass volume flows past the level that is closed by the throttle valve in its closed position, caused by the necessary gap dimensions of the shaft outlets.
  • a closed position of the throttle valve of the throttle valve actuator is to be understood as meaning a position of the throttle valve in which the flow cross section of the first fluid channel section is minimal. This does not necessarily mean that the throttle valve closes the first fluid channel section in an absolutely fluid-tight manner. In other words, it is possible that there is an intentional or unintentional bypass volume flow of the flowing fluid, which in the case of an unintentional bypass volume flow is within an acceptable range for the application.
  • the open position of the throttle valve means that the throttle valve is in a position in which the flow cross section of the first fluid channel section is at its maximum.
  • the flowing fluid is preferably air.
  • this is a conveyable flow of fluid or air.
  • a preferred exemplary embodiment is characterized in that the second fluid channel section is arranged at a distance from the flow cross section of the first fluid channel section.
  • the geometry is through which results in a drop in pressure of a fluid flowing through the fluid duct, is not integrated into the flow cross section of the first fluid duct section, which can be changed by the throttle valve.
  • the first fluid channel section is preferably designed to be flow-optimized, ie designed in such a way that the lowest possible pressure losses occur.
  • a preferred exemplary embodiment is characterized in that the second fluid channel section is arranged upstream or downstream relative to the first fluid channel section.
  • upstream is meant a direction opposite to the flow direction of the flowing fluid
  • downstream is meant a direction towards the flow direction of the flowing fluid.
  • a further preferred exemplary embodiment is characterized in that the geometry of the second fluid channel section has at least two flow cross sections. It is particularly advantageous if the geometry of the second fluid channel section transitions from a first flow cross section of the second fluid channel section into a second flow cross section of the second fluid channel section in the flow direction of the flowing fluid. It is particularly advantageous here if the second flow cross section of the second fluid channel section is smaller than the first flow cross section of the second fluid channel section.
  • the geometry of the second fluid channel section has at least a third flow cross section.
  • this third flow cross-section directly adjoins the second flow cross-section in the direction of flow. Furthermore, it is preferable if the third flow cross section is larger than the second flow cross section. In addition, it is very preferred if the third flow cross section corresponds to the first flow cross section. In a further preferred embodiment, a transition from the first flow cross section of the second fluid channel section to the second flow cross section of the second fluid channel section and/or from the second flow cross section of the second fluid channel section to the third flow cross section of the second fluid channel section is designed as an abrupt, i.e. discontinuous, change in flow cross section. This change in flow cross-section relates to the flow direction of the fluid.
  • a further preferred exemplary embodiment is characterized in that the second flow cross section of the second fluid channel section is formed by a ring pressed into the second fluid channel section.
  • the inner diameter of the ring defines the second flow cross-section of the second fluid channel section, while the outer diameter of the ring is selected such that it causes an interference fit between the ring and the second fluid channel section when the ring is pressed into the second fluid channel section.
  • a further preferred exemplary embodiment is characterized in that the geometry of the second fluid channel section corresponds to the geometry of a throttle or an orifice.
  • the geometry of the second fluid channel section corresponds to a geometry in which the second flow cross section of the second fluid channel section is smaller than the first flow cross section of the second fluid channel section and the second flow cross section extends over a length in the flow direction of the fluid that is greater than is a or the diameter of the second flow cross-section of the second fluid channel section.
  • the geometry of the second fluid channel section corresponds to a geometry in which the second flow cross section of the second fluid channel section is smaller than the first flow cross section of the second Fluid channel section is and the second flow cross section extends over a length in the flow direction of the fluid which is smaller than one or the diameter of the second flow cross section of the second fluid channel section. If the second flow cross section of the second fluid channel section has a circular geometry, in other words only has one diameter, which is preferred, this diameter is to be used for the previous comparison or the previous embodiments relating to the orifice and the throttle.
  • the second flow cross-section of the second fluid channel section has a variable diameter along its circumference, a minimum, an average or a maximum diameter of the second flow cross-section of the second fluid channel section for the previous comparisons or the previous embodiments relating to the Aperture and the choke refer to draw on.
  • a further preferred exemplary embodiment is characterized in that the fluid channel has a groove at a distance from the flow cross section that can be changed by the throttle valve. It is particularly preferred if the groove runs in the circumferential direction of the fluid channel, ie in particular orthogonally to the direction of flow of the fluid. Furthermore, it is preferred if the groove extends over the full circumference, in other words through 360° in the circumferential direction of the fluid channel. In addition, it is advantageous if the groove is formed at a distance from the flow cross section of the first fluid channel section in the direction of flow. Furthermore, it is advantageous if the first or the second fluid channel section includes the groove. It is particularly advantageous if the groove is designed as a transition from the first fluid channel section to the second fluid channel section.
  • the groove is formed at a distance from the geometry of the second fluid channel section or from the second flow cross section of the second fluid channel section counter to the direction of flow of the fluid.
  • the groove and its arrangement make it possible for the fluid flowing through the fluid channel to flow through the fluid at a small opening angle of the throttle valve, in other words at a small To put flow cross-sections of the first fluid channel section in turbulence, ie turbulence. This results in a further drop in pressure, which requires greater movement of the throttle valve to adjust a pressure, thus promoting controllability.
  • a preferred exemplary embodiment is characterized in that the second fluid channel section is designed separately from the throttle valve actuator.
  • the throttle valve actuator can be used without the second fluid channel section.
  • the throttle valve actuator is connected to the second fluid channel section in such a way that the first and the second fluid channel section are connected to one another in a fluid-conducting manner, preferably directly or by means of a seal.
  • the second fluid channel section is formed separately from the throttle valve and/or the first fluid channel section.
  • a preferred exemplary embodiment is characterized in that the first and the second fluid channel section are connected to one another in a fluid-conducting manner and that the second fluid channel section and the throttle valve actuator or the first fluid channel section are fastened to one another directly or indirectly in a materially, form-fitting or non-positive manner.
  • This attachment in other words a connection, can take place, for example, by means of a weld, a screw connection, a pipe clamp or a thread. Both the fluid-conducting connection and the attachment can each be designed directly or indirectly, independently of one another.
  • a preferred exemplary embodiment is characterized in that the first fluid channel section has the lowest possible pressure drop is flow-optimized.
  • the throttle valve positioner with the first fluid channel section ie without the second fluid channel section, can be arranged or used on the air inlet side of a fuel cell stack.
  • the second task relating to the provision of a fuel cell system is achieved by a fuel cell system with a fuel cell stack and a throttle valve actuator unit according to the invention, which is arranged on the air outlet side of the fuel cell stack.
  • a preferred exemplary embodiment is characterized in that a further throttle valve actuator, which is similar to the first throttle valve actuator of the throttle actuator unit, is arranged on the air inlet side of the fuel cell stack.
  • a further throttle valve actuator which is similar to the first throttle valve actuator of the throttle actuator unit, is arranged on the air inlet side of the fuel cell stack.
  • the further throttle valve actuator is the same as the first throttle valve actuator belonging to the throttle valve actuator unit means that it is the same model, so that different throttle valve actuators do not have to be produced.
  • a motor vehicle with such a fuel cell system.
  • a motor vehicle which includes a fuel cell system according to the invention. This creates an inexpensive motor vehicle.
  • FIG. 1 shows a motor vehicle with a fuel cell system and a throttle valve actuator unit according to the invention
  • FIG. 1 shows a motor vehicle 1 which includes a fuel cell system 2 .
  • the fuel cell system 2 has a radial compressor 3 through which an air flow can be conveyed to a fuel cell stack 5 .
  • a throttle valve actuator 4 is arranged on the air inlet side to the fuel cell stack 5 in a fluid-conducting manner.
  • the throttle valve positioner 4 corresponds to a further throttle valve positioner which is arranged as part of a throttle valve positioner unit 7 on the air outlet side of the fuel cell stack 5 .
  • the throttle valve actuator unit 7 differs from the throttle valve actuator 4 in that the
  • Throttle actuator unit 7 compared to the throttle actuator 4 one comprises a second fluid channel section, which has a geometry that adjusts a pressure drop in a fluid that flows or can be pumped through the fluid channel. Electricity can be generated by the fuel cell stack 5 and can be used to drive the motor vehicle 1 by means of an inverter and an electric motor drive 6 .
  • FIG. 2a shows an embodiment of the throttle valve actuator unit 7 according to the invention, as it is arranged on the air outlet side of the fuel cell stack in FIG.
  • Throttle valve positioner unit 7 includes a throttle valve positioner 4 and a second fluid channel section 8b, which has through bores 9 that correspond to bores in throttle valve positioner 4, so that the first fluid channel section can be fluidly connected to second fluid channel section 8b, in that second fluid channel section 8b communicates with throttle valve positioner 4 a screw connection, for which the bores 9 are provided, is fastened.
  • FIG. 2b shows a sectional view through the throttle valve actuator unit 7 from FIG. 2a.
  • the section here runs along the direction of flow of a fluid that can be conveyed through the throttle valve actuator unit 7 .
  • a throttle valve 14 can be seen, which can be adjusted from a closed position to an open position via a shaft 13a.
  • the shaft 13a emerges from the first fluid channel section 8a at an outlet 13b in order to be drive-connected to an electric motor of the throttle valve actuator of the throttle valve actuator unit 7 .
  • the second fluid channel section 8b directly adjoins the first fluid channel section 8a in a fluid-conducting manner.
  • the geometry of the second fluid channel section 8b comprises a first flow cross section 10 of the second fluid channel section 8b, a second flow cross section 11 of the second fluid channel section 8b and a third flow cross section 12 of the second fluid channel section 8b, which follow one another directly in the direction of flow.
  • the magnitude of the first flow cross section 10 of the second fluid channel section 8b corresponds to the third flow cross section 12 of the second fluid channel section 8b, with the second flow cross section 11 of the second fluid channel section 8b being smaller than the other two flow cross sections 10, 12 of the second fluid channel section 8b.
  • the transitions of the individual flow cross sections 10, 11, 12 of the second fluid channel section 8b in leaps and bounds, in other words discontinuous.
  • FIG 3 shows a flow simulation of an air flow 16 in the flow direction 17 of the air flow 16 flowing through the throttle valve actuator unit.
  • the throttle valve 14 is arranged in the first fluid channel section 8a and is in a position which is only a small angle from a closed position of the throttle valve 14 differs. It can be seen that the shaft 13a, which is drivingly connected to the throttle valve 14, is located behind the throttle valve 14 in the direction of flow 17. Due to the position of the throttle flap 14, the air stream 16 flows along the wall of the first fluid channel section 8a, is swirled through the groove 15 and flows in the second fluid channel section 8b against a change in flow cross section in the form of a transition from the first to the second flow cross section 10, 11 of the second fluid channel section 8b.
  • the throttle valve 14 must be opened by a larger angle than would be necessary without the second fluid channel section with its geometry , so that a noticeable increase in pressure downstream of the throttle valve, for example in the third flow cross section 12 of the second fluid channel section 8b, can be measured. Therefore, the same throttle valve positioner can be used on the air inlet side and air outlet side in relation to a fuel cell stack, the air outlet side throttle valve positioner being designed in the form of the throttle valve positioner unit according to the invention.
  • FIGS. 1 to 3 are not restrictive and serve to clarify the idea of the invention. reference list

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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

Beschreibung
Drosselklappenstellereinheit, Brennstoffzellensystem mit einer derartigen Drosselklappenstellereinheit und Kraftfahrzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit,
Fig. 2a eine erfindungsgemäße Drosselklappenstellereinheit,
Fig. 2b eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit,
Fig. 3 eine Strömungssimulation zu einer erfindungsgemäßen
Drosselklappenstellereinheit.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Figur 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 Figur 2a zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drosselklappenstellereinheit 7, wie sie luftausgangsseitig zum Brennstoffzellenstack in Figur 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 Figur 2b zeigt eine Schnittansicht durch die Drosselklappenstellereinheit 7 aus der Figur 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 Figur 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 Figuren 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

Claims

Patentansprüche
1 . 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.
2. Drosselklappenstellereinheit (7) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt (8b) beabstandet zum Strömungsquerschnitt des ersten Fluidkanalabschnitts (8a) angeordnet ist.
3. Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt (8b) gegenüber dem ersten Fluidkanalabschnitt (8a) stromaufwärts oder stromabwärts angeordnet ist.
4. 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.
5. Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des zweiten Fluidkanalabschnitts (11 ) der Geometrie einer Drossel oder einer Blende entspricht.
6. Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal beabstandet zum veränderbaren Strömungsquerschnitt eine Nut aufweist.
7. Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fluidkanalabschnitt (8b) gegenüber dem Drosselklappensteller (4) separat ausgebildet ist.
8. 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.
9. Drosselklappenstellereinheit (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidkanalabschnitt (8a) hinsichtlich eines möglichst geringen Druckabfalls strömungsoptimiert ist.
10. Brennstoffzellensystem (2) mit einem Brennstoffzellenstack (5) und einer Drosselklappenstellereinheit (7) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die luftausgangsseitig zum Brennstoffzellenstack angeordnet ist.
11 . 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.
12. Kraftfahrzeug (1 ) mit einem Brennstoffzellensystem (5) gemäß Anspruch 11 .
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Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5572979A (en) * 1995-07-05 1996-11-12 Ford Motor Company Engine air induction system
JP5189063B2 (ja) 2009-11-16 2013-04-24 愛三工業株式会社 回転角検出装置及びスロットル制御装置
DK2751454T3 (en) * 2011-11-01 2017-05-22 Ab Somas Ventiler Butterfly valve
GB2530094A (en) * 2014-09-15 2016-03-16 Intelligent Energy Ltd Valve assembly
DE102014226724A1 (de) * 2014-12-19 2016-06-23 Continental Automotive Gmbh Ventilvorrichtung in einem Kraftfahrzeug
JP6822296B2 (ja) * 2017-04-20 2021-01-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
IT201800003347A1 (it) * 2018-03-07 2019-09-07 Magneti Marelli Spa Valvola a farfalla per un motore a combustione interna con la possibilita' di regolare la posizione di limp-home e relativo metodo di regolazione della posizione di limp-home
EP3800716B1 (de) * 2019-10-03 2022-05-04 Marelli Europe S.p.A. Drosselklappe zur einstellung der zufuhr eines gases zu einer brennstoffzelle und elektrisch angetriebenes fahrzeug mit der drosselklappe
JP7114548B2 (ja) * 2019-10-04 2022-08-08 本田技研工業株式会社 燃料電池車両
CN112747156B (zh) * 2021-01-12 2022-10-14 北京卫星制造厂有限公司 一种高精度大减压比自动调压的气体稳压减压组合阀
CN113154093A (zh) * 2021-04-01 2021-07-23 西安交通大学 一种并联节流阀

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