WO2020064189A1 - Förderaggregat für ein brennstoffzellen-system zur förderung und/oder steuerung eines gasförmigen mediums - Google Patents

Förderaggregat für ein brennstoffzellen-system zur förderung und/oder steuerung eines gasförmigen mediums Download PDF

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WO2020064189A1
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jet pump
deflection
fuel cell
flow
nozzle
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PCT/EP2019/071085
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Andreas Gruenberger
Armin RICHTER
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Delivery unit for a fuel cell system for the delivery and / or control of a gaseous medium
  • the present invention relates to a delivery unit for a fuel cell system for conveying and / or controlling a gaseous medium, in particular special hydrogen, which is provided in particular for use in vehicles with a fuel cell drive.
  • gaseous fuels will also play an increasing role in the automotive sector in the future.
  • Hydrogen gas flows must be controlled, particularly in vehicles with a fuel cell drive.
  • the gas flows are no longer controlled discontinuously, as in the injection of liquid fuel, but rather the gas is removed from at least one tank, in particular a high-pressure tank, and passed to the delivery unit via an inflow line of a medium-pressure line system.
  • This delivery unit leads the gas via a connecting line of a low pressure line system to a fuel cell.
  • a delivery unit for a fuel cell system for the promotion of a gaseous medium, in particular what serum, with a jet pump driven by a propellant jet of a pressurized gaseous medium and a metering valve.
  • the delivery unit can be designed as a combined valve jet pump arrangement and has the components of the first inlet, suction area, mixing tube and egg NEN diffuser area and wherein the metering valve has a second inlet and a nozzle.
  • a medium, in particular a propellant can be discharged through the nozzle by means of the delivery unit, which medium is then mixed with a recirculation medium.
  • the flow of the propellant can be controlled by means of the metering valve.
  • the delivery unit known from DE 10 2014 105 995 A1 can have certain disadvantages.
  • the medium to be delivered When the delivery unit is attached to an anode input of the fuel cell, the medium to be delivered must be redirected downstream of the delivery unit, in particular after flowing through the diffuser area, before it can flow into the anode inlet.
  • this deflection in particular a flow deflection of the medium to be conveyed, it can due to the deflection, in a flow line system, which is designed as a piping system, for example, between the delivery unit, in particular the combined valve jet pump arrangement, and the anode input to flow losses and / or pressure drops occur.
  • the efficiency of the entire fuel cell system, in particular the valve jet pump arrangement is reduced.
  • connection of the För deraggregats and the anode input through pipelines is disadvantageous in that it can lead to tightness problems in the pipelines over the entire life of the fuel cell system, especially with large temperature fluctuations, especially with welded and / or welded Pipelines. This increases the probability of failure of the entire fuel cell system.
  • a delivery unit for a fuel cell system for delivering and / or recirculating a gaseous medium, in particular hydrogen, the hydrogen being referred to below as Fh.
  • the deflection and guidance geometry can be integrated into the jet pump and there is no further need to redirect the medium to be conveyed in a flow line system and / or the pipeline system between the delivery unit, in particular a diffuser area, and the anode input of the fuel cell .
  • the flow losses and / or pressure losses due to the deflection can be kept as low as possible.
  • the radius in the deflection area and / or the deflection and guide geometry of the deflection area for the gaseous medium is designed in such a way that the lowest possible friction between the medium to be conveyed, in particular Fh, and the upper area of the flow geometry of the deflection area occurs.
  • pressure losses and friction losses can be reduced by the curvature, as a result of which the efficiency of the delivery unit and / or that of a valve jet pump arrangement and / or the entire fuel cell system can be improved .
  • the deflection area into the jet pump, in particular into the sealing cover, the advantage can be achieved that the distance between the outlet of the valve jet pump arrangement and the anode input of the fuel cell is as small as possible and thus a shorter one Flow line is formed. As a result, the flow losses and / or pressure losses can be kept low, as a result of which the efficiency of the fuel cell system can be further improved. Furthermore, the configuration of the delivery unit according to the invention has the advantage that the risk of leaks in the fuel cell system is reduced, since a pipeline system, in particular between the jet pump and the fuel cell, is either no longer required or is only required in a shortened form becomes.
  • the United closure cover has a deflection nozzle with a preferably cylindrical outer shape, the deflection nozzle of the closure cover in the built state in the basic body running in the direction of a longitudinal axis and where in the deflection nozzle preferably a recess on it Has inner shape, the recess serving in particular for guiding the flow of the gaseous medium.
  • the delivery unit is designed in such a way that in the deflection area, by means of the deflection nozzle, a deflection and / or change in direction of the gaseous medium occurs almost at right angles.
  • the gaseous medium can be deflected such that the lowest possible frictional losses occur, as a result of which the efficiency of the jet pump and / or the delivery unit and / or the entire fuel cell system can be improved.
  • no further ren pipelines between the jet pump and the anode input are necessary, whereby the number of additional components for implementing a deflection, in particular a flow deflection of the gaseous medium, is reduced.
  • the complexity of the fuel cell system can be reduced since fewer components are required. This allows material costs, manufacturing costs and assembly costs to be reduced.
  • the mass of the building material of the fuel cell system can be reduced and / or the heat capacity can be reduced, as a result of which the conveyor unit can be warmed up more quickly and thus formed ice bridges can be broken down more quickly. Damage to the components of the delivery unit and other components of the fuel cell system, in particular a membrane of a stack, is prevented by ice bridges and / or in the medium to be conveyed ice particles that heat up when the delivery unit heats up too slowly during a cold start process can loosen the surfaces.
  • the delivery unit there is a connecting piece between the closure cover and the anode inlet of the fuel cell.
  • the advantage can be achieved that the Flow connection between the jet pump, in particular the Ver cover, and the anode input can be realized as short as possible at least almost without loss of flow.
  • the efficiency of the delivery unit and thus of the entire fuel cell system can be increased due to the reduced friction losses.
  • the transitions in the flow region of the delivery unit between the sections of the jet pump can be carried out in a flow-optimized manner.
  • the flow resistance of the conveying unit can be reduced, in particular in the area of the diffuser area, deflection area and connecting piece.
  • the flow velocity of the medium to be conveyed can be kept at a high level in the inner flow cross-section and there are almost no losses in friction and / or flow.
  • the efficiency of the delivery unit and thus the efficiency of the entire fuel cell system can be increased.
  • the inventive design of the delivery unit the advantage that the delivery unit and / or the combined valve-steel pump assembly can be connected in a space-saving and compact design with an end plate of a fuel cell, whereby the space and the space of the fuel cell system can be reduced in the overall vehicle.
  • the recess of the deflection connector connects the diffuser area and the connecting piece of the jet pump to one another at least indirectly in a fluidic manner.
  • the recess of the deflection nozzle is shaped such that it is open to the flow cross section of the diffuser area and to the flow cross section of the connecting piece, so that the gaseous medium can flow through the deflection nozzle in the direction of flow VII.
  • the deflection nozzle in the area of the recess has at least partially an at least approximately spherical inner surface in its internal flow cross section.
  • the advantage can be achieved that the transitions in the flow cross section of the conveying unit between the sections of the diffuser area, deflection area and connecting piece are designed to be as fluid and flow-optimized as possible.
  • gaps or edges in particular which can cause turbulence or flow breaks in the medium to be conveyed, are in the region of this Transitions almost avoided.
  • gaps or edges in the flow cross-section can lead to turbulence or a braking of the flow of the medium to be conveyed.
  • the inventive design of the delivery unit the internal flow resistance was reduced in the flow cross-section, which increases the efficiency of the delivery unit.
  • such an inventive design of the deflection nozzle and / or the recess of the deflection nozzle enables cost-effective manufacture of the deflection region in the delivery unit, since the deflection flow geometry only has to be introduced into the component around the deflection nozzle.
  • the closure cover with the deflection nozzle is easily accessible before a possible assembly in the main body of the jet pump for a manufacturing process, which is in particular a machining manufacturing process, and only a relatively small component has to be machined and clamped onto a processing machine . The manufacturing costs, the machining costs and the component costs can thus be reduced.
  • the closure cover of the conveyor unit is connected to the base body by means of a detachable connection, in particular a screw connection.
  • the cover can be removed from the base body, especially if the screw connection is loosened.
  • the advantage can be achieved that in the event of damage to the flow cross-section in the deflection region of the conveying unit, for example due to ice particles at a low ambient temperature and / or a cold start procedure, the damage can be remedied quickly and cost-effectively by replacing the Allows the cover to be brought in by loosening the screw connection.
  • the screw cap can also be separated from the base body quickly and without destructive processing, as a result of which the ease of maintenance is increased and the maintenance costs and / or operating costs can be reduced.
  • the deflection area and / or the adjacent flow areas are damaged, it can be prevented that the entire delivery unit has to be replaced, but that it is sufficient to replace the cover.
  • the basic body and / or sealing cover sections are made of a material or an alloy with a low specific heat capacity.
  • the components base body and / or cover of the jet pump can be made of a metallic material or a metal alloy.
  • the combined valve jet pump arrangement can have a heating element. Since water can diffuse in the area of the fuel cell from a cathode area into an anode area through a membrane during operation of the fuel cell system, this water can flow in the flow area of the anode side and accumulate at certain points.
  • this water can freeze at low temperatures, in particular below 0 ° C., and when the vehicle is idle for a long time, and so-called ice bridges can form. These ice bridges can damage the components of the fuel cell system and / or the delivery unit and / or the jet pump.
  • the parts of the base body and / or closure lid and thus the entire conveyor unit can be warmed up more quickly.
  • Another measure to realize rapid heating of the conveyor unit according to the invention is the use of a heating element.
  • the heating element can be supplied with energy, in particular electrical energy, the heating element converting this energy into heat and / or Converts heating energy.
  • This process is advantageously supported by the low specific heat capacity of the further components of the conveyor unit, by means of which the thermal energy can penetrate quickly into the entire conveyor unit and can remove existing ice bridges. Because the sections and the conveyor unit can be warmed up more quickly, existing ice bridges can be removed more quickly, in particular by melting through heat input.
  • the heating energy during a cold start process can advance to a nozzle in a short time after the heating element is switched on, and existing ice bridges in the area of the nozzle and the actuator of the metering valve can be heated and thus eliminated.
  • the probability of failure due to damage to the components of the conveyor unit can be reduced.
  • the cold start ability of the delivery unit and thus the entire fuel cell system can be improved since the ice bridges can be thawed and removed more quickly.
  • less energy, in particular electrical energy and / or thermal energy by the heating element used has to be introduced into the conveying unit.
  • the operating costs of the delivery unit and of the entire fuel cell system can be reduced, in particular in the event of frequent cold starts due to low ambient temperatures and / or long idle times of the vehicle.
  • the use of the material according to the invention also enables high resistance to the medium to be conveyed by the conveying unit and / or other constituents from the environment of the conveying unit, such as chemicals, to be achieved. This in turn increases the service life of the conveyor unit and the probability of failure due to material damage to the housing can be reduced.
  • the cross-sectional areas of the end section of the diffuser area, the jet pump, the deflection area, the connection piece of the jet pump and the anode input that run orthogonal to the flow direction VII are at least approximately the same.
  • a volume flow and thus a flow speed of the medium in the delivery unit can be kept constant, as a result of which the energy losses due to the acceleration or deceleration of the medium can be reduced.
  • the friction losses of the medium are reduced with the walls of the flow area of the delivery unit, which occur when the flow cross-section changes.
  • the internal flow resistance in the flow cross section can thus be reduced by the configuration of the delivery unit according to the invention, which increases the efficiency of the delivery unit.
  • the advantage can be achieved that in the deflection of the gaseous medium in the deflection area, the frictional losses and / or the Druckver losses and / or the flow losses are kept low.
  • This is possible because, in addition to the deflection of the medium, there are further constructive designs which cause the losses mentioned above, such as, for example, changing cross-sectional areas in front of the deflection region, in the deflection region and / or behind the deflection region.
  • Such designs can lead to a flow backflow of the medium, such a flow backflow leading to further friction losses and / or pressure losses and / or the flow losses, which further deteriorates the efficiency of the entire delivery unit.
  • the metering valve is designed as a proportional valve.
  • the advantage can be achieved that the weight of the conveyor unit is reduced and a compact construction can be achieved, since a metering valve designed as a proportional valve requires less installation space and has a lower weight.
  • a more precise and faster control of the metering valve can be brought about by means of the proportional valve, compared to alternative technical embodiments of the metering valve.
  • the advantage can thus be achieved that the amount and the time of a propellant medium supplied by means of the metering valve can be metered more precisely into a suction area and / or the mixing tube of the jet pump, as a result of which the efficiency of the jet pump and thus of the entire delivery unit can be improved.
  • the nozzle and the mixing tube of the delivery unit are rotationally symmetrical, the nozzle running coaxially with the mixing tube of the jet pump.
  • the advantage can be achieved that improved mixing of the propellant with the recirculate in the jet pump, in particular in the suction area and / or in the mixing tube, can be aimed at.
  • an improved impulse transmission from the propellant from the metering valve to the recirculate in the suction area and in the area of the mixing tube can take place.
  • the efficiency of the conveyor unit can thus be increased and the operating costs of the conveyor unit can be reduced with the same conveying capacity.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a delivery unit with a combined valve jet pump arrangement
  • FIG. 2 shows a closure cover according to the invention of the conveyor unit in a perspective view
  • FIG. 3 shows a partially schematic sectional view of a fuel cell
  • the conveyor unit 1 has a combined valve-jet pump arrangement 2.
  • the combined valve jet pump arrangement 2 has a metering valve 6 and a jet pump 4, the Dosierven valve 6 being connected to the jet pump 4, for example by means of a screw connection, in particular with a base body 8 of the jet pump 4.
  • the jet pump 4 has the components base body 8 and closure lid 5.
  • the jet pump 4 has in the area of one or both components a first inlet 28, a second inlet 36a, a suction region 7, a mixing tube 18, a diffuser region 20 and a deflection region 22 and / or a connecting piece 26.
  • the metering valve 6 has a second inlet 36b, a first sealing element 14, a second sealing element 16 and a nozzle 12.
  • the metering valve 6 is inserted in particular in the direction of a longitudinal axis 30 into the jet pump 6, in particular into an opening in the base body 8 of the jet pump 6.
  • the closure lid 5 can in one exemplary embodiment of the conveyor unit 1 in the direction of the longitudinal axis 30 inserted into the base body 8.
  • Fig. 1 it is also shown that the combined valve jet pump arrangement 2 is flowed through by a medium to be conveyed in a flow direction VII.
  • the majority of the flow areas of the valve jet pump arrangement 2 are at least approximately tubular and are used to convey and / or conduct the gaseous medium, which is in particular H2, in the delivery unit 1.
  • the gas medium flows through it a central flow area 21 in the interior of the basic body 8 parallel to the longitudinal axis 30 in the flow direction VII, the central flow area 21 in the area of the mouth of the nozzle 12 in the intake region 7 begins and through the mixing tube 18, the diffuser area 20 to extends into the deflection region 22.
  • valve jet pump arrangement 2 is fed a recirculate through the first inlet 28, the recirculate being in particular the unused H2 from an anode area of a fuel cell 29, in particular a stack, the recirculate also comprising water and nitrogen can have.
  • the recirculate flows there into the valve jet pump arrangement 2 on a first flow path V.
  • a gaseous propellant in particular H2 , flows through the second inlet 36 on a second flow path VI from outside the valve jet pump arrangement 2 , into a recess in the valve jet pump arrangement 2 and / or into the base body 8 and / or the metering valve 6, wherein the propellant can come from a tank 34 and is under high pressure.
  • the second inlet 36a, b runs through the components basic body by 8 and / or metering valve 6. From the metering valve 6, the propellant is released by means of actuators and a fully closable valve element, in particular intermittently, through the nozzle 12 into the suction area 7 and / or that Mixing tube 18 drained.
  • the H2 flowing through the nozzle 12 and the driving medium has a pressure difference from the recirculation medium which flows from the first inlet 28 into the delivery unit 1, the driving medium in particular having a higher pressure of at least 10 bar.
  • the recirculation medium is conveyed with a low pressure and a low mass flow into the central flow region of the delivery unit 1, for example by using a side channel compressor 10 connected upstream of the delivery unit 1 (not shown in Fig. 1).
  • the propellant flows with the pressure difference described and at a high speed, which may in particular be close to the speed of sound, through the nozzle 12 into the central flow region 21 of the suction region 7 and / or the mixing tube 18.
  • the nozzle 12 has an inner recess in the form of a flow cross section through which the gaseous medium can flow, in particular coming from the metering valve 6 and flowing into the suction area 7 and / or the mixing tube 18.
  • the propellant meets the recirculation medium that is already in the central flow area of the suction area 7 and / or the mixing tube 18. Due to the high speed and / or pressure difference between the drive medium and the recirculation medium, an internal friction and turbulence between the media is generated. This creates a shear stress in the boundary layer between the fast propellant and the much slower recirculation medium. This voltage be impulse transmission, whereby the recirculation medium is accelerated and carried away. The mixing takes place according to the principle of conservation of momentum.
  • the recirculation medium is accelerated in the flow direction VII and a pressure drop arises for the recirculation medium, as a result of which a suction effect occurs and thus further recirculation medium is replenished from the area of the first inlet 28.
  • This effect can be referred to as jet pumping effect.
  • the mixed and to be conveyed medium which consists in particular of the recirculation medium and the propellant medium, flows in the flow direction VII into the diffuser area 20, in the diffuser area 20 there being a reduction in the flow speed can come. From there, the medium flows in the direction of flow VII from the diffuser region 20 into the deflection region 22, in which it experiences a corresponding deflection, and from there on via the connecting piece 26 into an anode input 3 of the fuel cell 29.
  • the closure cover 5 has a deflection nozzle 15 with a recess 17, wherein the deflection nozzle 15 projects into an opening in the base body 8 and forms the flow area and / or flow cross section of the jet pump 4 in the deflection area 22 by means of the formation 17.
  • the diffuser region 20 and the connecting piece 26 of the jet pump 4 are at least indirectly fluidly connected to one another by the cutout 17 of the deflection nozzle 15.
  • the recess 17 of the deflection nozzle 5 is shaped such that it is open to the flow cross section of the diffuser region 20 and to the flow cross section of the connecting piece 26, so that the gaseous medium can flow through the deflection nozzle 15 in the flow direction VII.
  • the closure cover 5 is connected to the base body 8 by means of a detachable connection, in particular a screw connection, so that the closure cover 5 can be removed from the base body 8.
  • the closure lid 5 can be made of a different material than the base body 8, the two materials in particular having different coefficients of thermal expansion.
  • the closure lid 5 can be cooled in an exemplary embodiment form before assembly and insertion into the base body 8 and the fi xing by means of a screw connection in such a way that the diameter, in particular of the deflection connector 15, is reduced.
  • the diameter expands when the ambient temperature is reached in such a way that improving sealing and / or Encapsulation properties between the components of the closure cover 5 and the base body can be achieved by 8.
  • the task of the first sealing element 14 and / or the second sealing element 16 shown in FIG. 1 is the encapsulation of the medium flowing through the second flow path VI into the metering valve 6 flowing under high pressure.
  • the respective sealing element is designed as a sealing element 14, 16 running around the metering valve 6, in particular as an O-ring.
  • the at least one sealing element 14, 16 prevents the propellant from escaping from the area of the second inlet 36 and / or the medium to be conveyed from the interior of the base body 8 and / or the metering valve 6 and into the area outside the valve jet pump arrangement 2 can emerge by the at least one sealing element 14, 16 achieving an encapsulating effect between the metering valve 6 and the base body 8.
  • the medium to be conveyed could bring about an adverse reaction with the surrounding oxygen and damage the conveying unit 1 and / or the entire vehicle.
  • the jet pump 4 from FIG. 1 has technical features which additionally improve the jet pump effect and the delivery efficiency and / or further improve the cold start process and / or production and assembly costs.
  • the part of the diffuser region 20 runs conically in the region of its inner flow cross section, in particular enlarging in the flow direction VII.
  • This shape of the section of the diffuser region 20 can produce the advantageous effect that the kinetic energy is converted into printing energy, as a result of which the possible delivery volume of the delivery unit 1 can be increased further, as a result of which more of the medium to be delivered, in particular Fh, Fuel cell 29 can be supplied, whereby the efficiency of the entire fuel cell system 31 can be increased.
  • the metering valve 6 can be designed as a proportional valve 6 in order to enable an improved metering function and a more precise metering of the propellant medium into the suction area 7 and / or the mixing tube 18.
  • the nozzle 12 and the mixing tube 18 are rotationally symmetrical, the nozzle 12 running coaxially to the mixing tube 18 of the jet pump 4 ver. 2 shows the closure cover 5 according to the invention with the deflection nozzle 15 in a perspective view.
  • the closure lid 5 has the deflection nozzle 15 with a preferably cylindrical outer shape, the deflection nozzle 15 of the closure cover 5 in the installed state in the base body 8 running in the direction of a longitudinal axis 30 (as shown in FIG. 1) and wherein the deflection nozzle 15 preferably has a recess 17 on its inner shape, the recess 17 in particular serving to flow the gaseous medium. It is also shown in FIG.
  • the deflection nozzle 15 in the area of the recess 17 has at least partially an at least approximately spherical inner surface 19 in its internal flow cross section. Because of this at least approximately spherical inner surface 19, there is less frictional loss in the deflection of the medium to be conveyed in the deflection region 22 of the jet pump 4, since in this way the friction between the medium to be conveyed and the inner surface 19 and / or the flow geometry the cap 5 is reduced re. In this way, friction losses and / or Druckver losses and / or flow losses in this area are kept low, which improves the efficiency of the delivery unit 1.
  • the inner surface 19 also has the lowest possible surface roughness, which leads to a further reduction in flow losses.
  • the deflection nozzle 15 in the area of the inner surface 19 has such a tapering contour of the spherical inner surface 19 to the further flow cross sections of the diffuser region 20 and the connecting piece 26 that the transitions from the spherical contour of the inner surface 19 are flow-optimized for the other flow cross sections.
  • the flow resistance of the conveyor unit 1 can be reduced, in particular in the region of the diffuser region 20, deflection region 22 and connecting piece 26.
  • the flow velocity of the medium to be conveyed can be kept constant in the internal flow cross-section and there is almost no loss of friction and / or flow.
  • the inner flow cross-section is smooth and flow-optimized, so that flow resistance as low as possible due to the surfaces lying together in this area lying in the inner flow cross-section.
  • a further improvement of the flow optimization of the surfaces can be achieved due to a mechanical aftertreatment of the surfaces of the sections lying in the internal flow cross-section, for example by deburring, grinding, milling or polishing, which is only possible with the use of a material connection method, in particular with metallic sections of the base body 8 and / or the closure cover 5.
  • FIG. 3 shows a partially schematic sectional view of a fuel cell system 31 with the valve jet pump unit 2, a fuel cell 29 and the optional components water separator 24 and side channel compressor 10. It is shown that the combined valve jet pump arrangement 2 of the fuel cell 29 is installed and / or attached, where the valve jet pump arrangement 2 is mounted in particular on an end plate 13 of the fuel cell 29. In Fig. 3 it is shown that the jet pump 4 in the flow direction VII and parallel to the longitudinal axis 30 flowing gaseous medium before entering the anode input 3 of the fuel cell 29 must undergo a deflection and thus flow direction change.
  • the gaseous medium flowing in a flow direction VII is deflected and / or changed in direction from the jet pump 4 to the anode inlet 3 of the fuel cell 29 exclusively in the deflection area 22, the jet pump 4 being connected to the base body 8 connected separate closure cover 5 and wherein the deflection region 22 and / or the deflection and guide geometry of the deflection region 22 for the gaseous medium is formed exclusively in the closure cover 5 component.
  • FIG. 3 shows that, on the one hand, the unused gaseous medium from an anode outlet 9 of the fuel cell 29, in particular a stack, in flow direction VII through the end plate 13, via an optional water separator 24 and an optional side channel compressor 10 into the first inlet 28 the valve jet pump assembly 2. From there, the gaseous medium flows into the suction area 7 and partially into the mixing tube 18 of the jet pump 4.
  • the water separator 24 has the task of water that arises during operation of the fuel cell 29 and together with the gaseous medium, in particular hh, through the Anode output 9 flows back into the valve jet pump assembly 2 to be discharged from the system.
  • the water which can be in gaseous and / or liquid form, cannot penetrate into the recirculation blower 10 and / or the jet pump 4 and / or a metering valve 6, since it separates and exits the gaseous medium directly through the water separator 24 the fuel cell system 31 becomes a conveyor.
  • damage to the components of the delivery unit 1 and / or the fuel cell system 31, in particular the moving parts of the components can be prevented by corrosion, as a result of which the service life of all components flowing through is increased.
  • early and rapid separation of the water in the fuel cell system 31 can increase the efficiency of the delivery unit 1.
  • the use and the respective arrangement of the water separator 24 can achieve the advantage that the efficiency of the delivery unit 1 can be increased.
  • valve jet pump arrangement 2 and / or the delivery unit 1 is preferably arranged parallel to the end plate 13 of the fuel cell 29. This applies in particular if the fuel cell system 31 can have compact dimensions due to structural restrictions on or in the vehicle. Therefore, the anode gas flow that emerges from the jet pump 4 must be deflected almost at right angles or at least at an acute angle in order to reach the anode inlet 3 of the fuel cell 29.
  • the flow area of the delivery unit 1 is designed in this way. leads that the cross-sectional areas orthogonal to the flow direction VII of the end section of the diffuser area 20 of the jet pump 4, the deflection area 22, the connecting piece 26 of the jet pump 4 and the anode input 3 of the fuel cell 29 are at least approximately the same.
  • FIG. 3 also shows that there is a connecting piece 26 between the closure cover 5 and the anode input 3 of the fuel cell 29.
  • This connecting piece 26 is formed as part of the base body 8 and by means of the connecting piece 26, the medium to be pumped without further flow deflection and almost without further friction losses and / or flow losses and / or pressure losses from the deflection area 22 in the anode input 3 of the fuel cell 29 stream.
  • the jet pump 4 and / or the base body 8 is fluidly connected to the anode input 3, wherein at least additional mechanical attachment of the valve jet pump assembly 2 to the fuel cell 29, in particular the end plate 13, is also possible.
  • valve jet pump arrangement 2 and / or the side channel compressor 10 and / or the water separator 24 can be attached to the fuel cell 29, in particular the end plate 13, in a form-fitting and / or force-fitting and / or material-fitting manner.
  • the components Ven til jet pump assembly 2 and / or side channel compressor 10 and / or water separator 24 can be arranged in a common housing or otherwise connected to one another.
  • the sections base body 8 and / or closure cover 5 are made of a material or an alloy with a low specific heat capacity
  • the components base body 8 and / or closure lid 5 of the jet pump 4 made of a metallic material or Metal alloy are made.
  • This exemplary design of the sections favors rapid heating of the components, in particular in a flow region, and thus avoids ice bridges during a cold start procedure. Since it is also advantageous that the combined valve jet pump arrangement 2 has a heating element 11, by means of which a rapid heating of the construction parts of the delivery unit 1 can be achieved.

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Abstract

Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einer von einem Treibstrahl des unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosierventil (6) mit einer Düse (12), wobei das Förderaggregat (1) als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (2) ausgeführt ist, wobei das gasförmige Medium der Strahlpumpe (4) mittels des Dosierventils (6) zugeführt wird, wobei die Strahlpumpe (4) einen Grundkörper (8) wobei die Strahlpumpe (4) mit einem Anodeneingang (3) einer Brennstoffzelle (29) verbunden ist. Erfindungsgemäß erfolgt dabei eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in einer Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums vond er Strahlpumpe (4) zum Anodeneingang (3) der Brennstoffzelle (29) ausschließlich im Umlenk-Bereich (22), wobei die Strahlpumpe (4) einen mit dem Grundkörper (8) verbundenen separaten Verschluss-Deckel (5) aufweist und wobei der Umlenk-Bereich (22) und/oder die Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Bereichs (22) für das gasförmige Medium ausschließlich im Bauteil Verschluss-Deckel (5) ausgebildet wird.

Description

Beschreibung
Titel
Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Steue rung eines gasförmigen Mediums
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen- System zur Förderung und/oder Steuerung eines gasförmigen Mediums, insbe sondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit ei nem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasför mige 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 ei nem Tank, insbesondere einem Hochdrucktank, entnommen und über eine Zu- strömleitung eines Mitteldruckleitungssystem an das Förderaggregat geleitet. Dieses Förderaggregat führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Nieder druckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
Aus der DE 10 2014 105 995 Al ist ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen- System bekannt, zur Förderung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Was serstoff, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmi gen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und einem Dosierventil. Dabei kann das Förderaggregat als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung ausge führt sein und weist die Bauteile erster Zulauf, Ansaugbereich, Mischrohr und ei nen Diffusor- Bereich aufweist und wobei das Dosierventil einen zweiten Zulauf und eine Düse aufweist. Dabei kann mittels des Förderaggregats ein Medium, insbesondere ein Treibmedium durch die Düse abgelassen werden, welches dann mit einem Rezirkulationsmedium vermischt wird. Der Strom des Treibmedi ums kann dabei mittels des Dosierventils gesteuert werden. Das aus der DE 10 2014 105 995 Al bekannte Förderaggregat kann gewisse Nachteile aufweisen.
Bei einem Anbau des Förderaggregats an einen Anodeneingang der Brennstoff zelle muss das zu fördernde Medium stromabwärts des Förderaggregats, insbe sondere nach dem Durchströmen des Diffusor- Bereichs, umgelenkt werden, be vor es in den Anodeneingang einströmen kann. Bei dieser Umlenkung, insbeson dere einer Strömungsumlenkung des zu fördernden Mediums, kann es aufgrund der Umlenkung, die in einem Strömungsleitungssystem, das beispielsweise als ein Rohrleitungssystem ausgeführt ist, zwischen dem Förderaggregat, insbeson dere der kombinierten Ventil-Strahlpumpenanordnung, und dem Anodeneingang zu Strömungsverlusten und/oder Druckverlusten kommen. Dabei wird der Wir kungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems, insbesondere der Ventil- Strahlpumpenanordnung, verringert. Des Weiteren ist die Verbindung des För deraggregats und des Anodeneingangs durch Rohrleitungen insoweit nachteilig, da es bei den Rohrleitungen über die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzel len-Systems, insbesondere bei starken Temperaturschwankungen, zu Dichtig keitsproblemen kommen kann, insbesondere bei geschweißten und/oder ver schweißten Rohrleitungen. Dadurch ist die Ausfallswahrscheinlichkeit des ge samten Brennstoffzellen-Systems erhöht.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System vor geschlagen, zum Fördern und/oder Rezirkulieren eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als Fh bezeich net wird.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 erfolgt eine Umlenkung und/oder Richtungsän derung des in einer Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums von einer Strahlpumpe zu einem Anodeneingang einer Brennstoffzelle aus schließlich in einem Umlenk-Bereich und wobei die Strahlpumpe einen mit einem Grundkörper verbundenen separaten Verschluss-Deckel aufweist, wobei der Um lenk-Bereich und/oder eine Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk- Bereichs für das gasförmige Medium ausschließlich im Bauteil Verschluss-De ckel ausgebildet wird. Auf diese Weise kann die Umlenkungs- und Führungsgeo metrie in die Strahlpumpe integriert werden und es bedarf keiner weiteren Um lenkung des zu fördernden Mediums in einem Strömungsleitungssystem und/o der Rohrleitungssystem zwischen dem Förderaggregat, insbesondere einem Dif fusor-Bereich, und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle. Des Weiteren kön nen die Strömungsverluste und/oder Druckverluste aufgrund der Umlenkung möglichst gering gehalten werden. Zu diesem Zweck ist der Radius im Umlenk- Bereich und/oder die Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Be- reichs für das gasförmige Medium derart ausgeführt, dass eine möglichst geringe Reibung zwischen dem zu fördernden Medium, insbesondere Fh, und der Ober fläche der Strömungsgeometrie des Umlenk-Bereich auftritt. Somit können auf grund der Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Strömungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die Krümmung Druckverluste und Reibungsver luste reduziert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Förderaggregats und/o der einer Ventil-Strahlpumpenanordnung und/oder des gesamten Brennstoffzel- len-System verbessert werden. Zudem lässt sich durch die Integration des Um- lenk-Bereichs in die Strahlpumpe, insbesondere in den Verschluss-Deckel, der Vorteil erzielen, dass zwischen dem Ausgang der Ventil-Strahlpumpenanordnung und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle ein möglichst geringer Abstand vor liegt und somit eine kürzere Strömungsleitung ausgebildet wird. Dadurch können die Strömungsverluste und/oder Druckverluste gering gehalten werden, wodurch der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems weiter verbessert werden kann. Weiterhin kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass die Gefahr von Undichtigkeiten des Brennstoffzel len-Systems reduziert wird, da ein Rohrleitungssystem, insbesondere zwischen der Strahlpumpe und der Brennstoffzelle, entweder gar nicht mehr benötigt wird oder nur in verkürzter Form benötigt wird. Zudem ist eine Integration des Um- lenk-Bereichs in die Strahlpumpe insoweit vorteilhaft, dass kein weitere Bauraum beispielsweise in Form einer zusätzlichen Verrohrung benötigt wird. Somit lässt sich der Vorteil einer kompakten Bauform des Förderaggregats erzielen. Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Förderaggregats möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats weist der Ver schluss-Deckel einen Umlenkungsstutzen mit einer vorzugsweise zylindrischen äußeren Form auf, wobei der Umlenkungsstutzen des Verschluss-Deckels in ver bautem Zustand im Grundkörper in Richtung einer Längsachse verläuft und wo bei der Umlenkungsstutzen vorzugsweise eine Aussparung an seiner inneren Form aufweist, wobei die Aussparung insbesondere zur Strömungsführung des gasförmigen Mediums dient. Des Weiteren ist das Förderaggregat derart ausge führt, dass im Umlenk-Bereich mittels des Umlenkstutzens eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des gasförmigen Mediums nahezu rechtwinklig er folgt. Auf diese Weise kann eine Umlenkung des gasförmigen Mediums derart erzielt werden, dass möglichst geringe Reibungsverluste auftreten, wodurch sich der Wirkungsgrad der Strahlpumpe und/oder des Förderaggregats und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessern lässt. Zudem sind keine weite ren Rohrleitungen zwischen der Strahlpumpe und dem Anodeneingang notwen dig, wodurch die Anzahl zusätzlicher Bauteile zur Umsetzung einer Umlenkung, insbesondere einer Strömungsumlenkung des gasförmigen Mediums, reduziert wird. Weiterhin kann somit die Komplexität des Brennstoffzellen-System verrin gert werden, da weniger Bauteile benötigt werden. Dadurch lassen sich die Mate rialkosten, die Fertigungskosten und die Montagekosten reduzieren. Des Weite ren kann die Masse des Baumaterials des Brennstoffzellen-Systems reduziert werden und/oder die Wärmekapazität verringert werden, wodurch ein schnelleres Aufwärmen des Förderaggregats erzielt wird und sich somit ausgebildete Eisbrü cken schneller abbauen lassen. Somit wird eine Beschädigung der Bauteile des Förderaggregats und weiterer Bauteile des Brennstoffzellen-Systems, insbeson dere einer Membran eines Stacks, durch Eisbrücken und/oder im zu fördernden Medium mitgeförderte Eispartikel verhindert, die sich bei einem zu langsamen Er wärmen des Förderaggregats bei einem Kaltstartvorgang von den Oberflächen lösen können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats befindet sich ein Verbindungsstück zwischen dem Verschluss-Deckel und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Strömungsverbindung zwischen der Strahlpumpe, insbesondere dem Ver schlussdeckel, und dem Anodeneingang möglichst kurz zumindest nahezu ohne Strömungsverluste realisiert werden kann. Somit lässt sich aufgrund der redu zierten Reibungsverluste der Wirkungsgrad des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöhen. Weiterhin lassen sich, aufgrund der Integration des Verbindungsstücks als Teil des Grundkörpers der Strahl pumpe, die Übergänge im Strömungsbereich des Förderaggregats zwischen den Teilstücken der Strahlpumpe strömungsoptimiert ausführen. Dadurch kann der Strömungswiderstand des Förderaggregats insbesondere im Bereich der Teilstü cke Diffusor- Bereich, Umlenk-Bereich und Verbindungsstück verringert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Strömungsgeschwindigkeit des zu fördernden Medium im inneren Strömungsquerschnitt auf einem hohen Niveau gehalten werden und es kommt zu nahezu keinen Reibungs- und/oder Strömungs-Verlusten. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats und somit der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems erhöht werden. Zudem kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats der Vorteil erzielt werden, dass sich das Förderaggregat und/oder die kombi nierte Ventil-Stahlpumpenanordnung in einer platzsparenden und kompakten Bauweise mit einer Endplatte einer Brennstoffzelle verbinden lassen, wodurch der Platzbedarf und der Bauraum des Brennstoffzellen-Systems im Gesamt- Fahrzeug reduziert werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung verbindet die Aussparung des Umlenkstutzens den Diffusor- Bereich und das Verbindungsstück der Strahl pumpe zumindest mittelbar fluidisch miteinander. Weiterhin ist die Aussparung des Umlenkstutzens derart ausgeformt, dass diese zum Strömungsquerschnitt des Diffusor- Bereichs und zum Strömungsquerschnitt des Verbindungsstücks of fen ist, so dass das gasförmige Medium den Umlenkstutzen in Strömungsrich tung VII durchströmen kann. Zudem weist der Umlenkstutzen im Bereich der Aussparung in seinem innenliegenden Strömungsquerschnitt zumindest teilweise eine zumindest annähernd kugelförmige Innenfläche auf. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Übergänge im Strömungsquerschnitt des För deraggregats zwischen den Teilstücken Diffusor- Bereich, Umlenk-Bereich und Verbindungsstück möglichst fließend und strömungsoptimiert ausgeführt sind. Dabei werden insbesondere Spalte oder Kanten, die für Verwirbelungen oder Strömungsabrisse des zu fördernden Mediums sorgen können, im Bereich dieser Übergänge nahezu vermieden. Durch derartige Spalte oder Kanten im Strö mungsquerschnitt kann es zu Verwirbelungen oder einem Abbremsen der Strö mung des zu fördernden Mediums kommen. Somit lässt sich, durch die erfin dungsgemäße Ausgestaltung des Förderaggregats, der innere Strömungswider stand im Strömungsquerschnitt verringern, wodurch sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats erhöht. Weiterhin kann durch eine derartige erfindungsgemäße Ausgestaltung des Umlenkstutzens und/oder der Aussparung des Umlenkstut zens eine kostengünstige Fertigung des Umlenk-Bereichs in dem Förderaggregat erzielt werden, da die Umlenkungs-Strömungsgeometrie nur in das Bauteil Um lenkstutzen eingebracht werden muss. Zudem ist der Verschluss-Deckel mit dem Umlenkstutzen vor einer möglichen Montage im Grundkörper der Strahlpumpe für ein Fertigungsverfahren, bei dem es sich insbesondere um ein spanendes Fertigungsverfahren handelt, leicht zugänglich und es muss nur ein relativ klei nes Bauteil bearbeitet und auf eine Bearbeitungsmaschine aufgespannt werden. Somit lassen sich die Fertigungskosten, die Bearbeitungskosten und die Bauteil kosten verringern. Zudem kann auf diese Weise eine erhöhte Diffusionsdichtheit bewirkt werden, da die Bauteile die den Strömungsquerschnitt zwischen einem Mischrohr der Strahlpumpe und dem Anodeneingang der Brennstoffzelle ausbil den, möglichst wenige Schnittstellen aufweisen, wobei die Schnittstellen zwi schen den Bauteilen bei einem fehlerhaften Verbindungsverfahren anfällig gegen Undichtheit sind. Somit kann die Ausfallwahrscheinlichkeit des Förderaggregats aufgrund einer Undichtheit des Strömungsquerschnitts des Brennstoffzellen-Sys- tem reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Verschluss-Deckel des Förder- aggregats mittels einer lösbaren Verbindung, insbesondere einer Verschraubung, mit dem Grundkörper verbunden. Dabei lässt sich der Verschluss-Deckel vom Grundkörper demontieren, insbesondere wenn die Verschraubung gelöst wird.
Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass im Falle einer Beschädi gung des Strömungsquerschnitts im Umlenk-Bereich des Förderaggregats, bei spielsweise durch Eispartikel bei einer geringen Umgebungstemperatur und/oder einer Kaltstartprozedur, eine kostengünstige und schnelle Behebung der Beschä digung durch ein Auswechseln des Verschlussdeckels mittels des Lösens der Verschraubung herbeiführen lässt. Auch lässt sich der Verschlussdeckel im Falle von Wartungsarbeiten und/oder Reparaturarbeiten mittels der Verschraubung schnell und ohne zerstörende Bearbeitung vom Grundkörper trennen, wodurch die Wartungsfreundlichkeit erhöht wird und die Wartungskosten und/oder Be triebskosten gesenkt werden können. Zudem kann verhindert werden, dass bei einer Beschädigung des Umlenkbereichs und oder der angrenzenden Strö mungsbereiche das gesamte Förderaggregat ersetzt werden muss, sondern es ausreicht den Verschlussdeckel zur tauschen.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Förderaggregats sind die Teilstücke Grundkörper und/oder Verschluss-Deckel aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt. Des Weiteren können die Bauteile Grundkörper und/oder Verschluss-Deckel der Strahlpumpe aus einem metallischen Material oder einer Metall-Legierung herge stellt sein. Zudem kann die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung ein Heiz element aufweist. Da beim Betrieb des Brennstoffzellen-Systems Wasser im Be reich der Brennstoffzelle von einem Kathodenbereich in einen Anodenbereich durch eine Membran diffundieren kann, kann dieses Wasser im Strömungsbe reich der Anodenseite mitströmen und sich an bestimmten Stellen anlagern. Bei einem abgeschaltetem Fahrzeug und somit einem abgeschalteten Brennstoffzel- len-System kann dieses Wasser bei niedrigen Temperaturen, insbesondere unter 0°C, und bei langen Standzeiten des Fahrzeugs gefrieren und sogenannte Eis brücken ausbilden. Diese Eisbrücken können die Bauteile des Brennstoffzellen- Systems und/oder des Förderaggregats und/oder der Strahlpumpe schädigen. Somit kann durch die verbesserte Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Materials ein schnelleres Aufwärmen der Teilstücke Grundkörper und/oder Verschluss-De ckel und somit des gesamten Förderaggregats herbeigeführt werden. Eine wei tere Maßnahme, um ein schnelles Aufheizen des erfindungsgemäßen Förderag gregats zu realisieren ist die Verwendungen eines Heizelements. Auf diese Weise kann im Rahmen einer Kaltstartprozedur, bevor das Förderaggregat und/oder das gesamte Brennstoffzellen-System bei niedrigen Temperaturen in Betrieb genommen wird, das Heizelement mit Energie, insbesondere elektrischer Energie, versorgt werden, wobei das Heizelement diese Energie in Wärme und/oder Heizenergie umwandelt. Dieser Prozess wird in vorteilhafter Weise durch die geringe spezifische Wärmekapazität der weiteren Bauteile des Förder- aggregats unterstützt, mittels derer die Wärmeenergie schnell in das gesamte Förderaggregat Vordringen kann und vorhandene Eisbrücken beseitigen kann. Durch das schnellere Aufwärmen der Teilstücke und des Förderaggregats kön- nen vorhandene Eisbrücken schneller beseitigt werden, insbesondere durch Ab schmelzen durch Wärmeeintrag. Zudem kann die Heizenergie bei einem Kalt startvorgang in kurzer Zeit nach dem Einschalten des Heizelements zu einer Düse Vordringen und es können vorhandene Eisbrücken im Bereich der Düse und der Aktorik des Dosierventils erwärmt und somit beseitigt werden. Dadurch kann die Ausfallwahrscheinlichkeit aufgrund einer Beschädigung der Bauteile des Förderaggregats reduziert werden. Auf diese Weise lässt sich die Kaltstartfähig keit des Förderaggregats und somit des gesamten Brennstoffzellen-Systems ver bessern, da die Eisbrücken schneller aufgetaut und beseitigt werden können. Es muss zudem weniger Energie, insbesondere elektrische Energie und/oder Wär meenergie durch das verwendete Heizelement, in das Förderaggregat einge bracht werden. Dadurch lassen sich die Betriebskosten des Förderaggregats und des gesamten Brennstoffzellen-Systems, insbesondere bei häufigen Kaltstartvor gängen aufgrund niedriger Umgebungstemperaturen und/oder langen Standzei ten des Fahrzeugs, reduzieren. Des Weiteren kann durch den Einsatz des erfin dungsgemäßen Materials auch eine hohe Beständigkeit gegen das durch das Förderaggregat zu fördernde Medium und/oder weitere Bestandteile aus der Um gebung des Förderaggregats, wie beispielsweise Chemikalien, erzielt werden. Dies wiederum erhöht die Lebensdauer des Förderaggregats und die Ausfall wahrscheinlichkeit aufgrund von Materialschädigungen des Gehäuses kann re duziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Förderaggregats sind die orthogo nal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflächen des Endab schnitts des Diffusor- Bereichs, der Strahlpumpe, des Umlenk-Bereichs, des Ver bindungsstücks der Strahlpumpe und des Anodeneingangs zumindest annäh rend gleich. Auf diese Weise kann ein Volumenstrom und somit eine Strömungs geschwindigkeit des Mediums im Förderaggregat konstant gehalten werden, wodurch die Energieverluste durch die Beschleunigung oder das Abbremsen des Mediums reduziert werden können. Darüber hinaus werden auch die Reibungs verluste des Mediums mit den Wandungen des Strömungsbereichs des Förder- aggregats reduziert, die bei einem sich verändernden Strömungsquerschnitt auf- treten. Somit lässt sich durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Förder- aggregats der innere Strömungswiderstand im Strömungsquerschnitt verringern, wodurch sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats erhöht. Weiterhin kann durch eine derartige Ausformung der Querschnittsflächen der Teilstücke des För deraggregats der Vorteil erzielt werden, dass bei der Umlenkung des gasförmi gen Mediums im Umlenk-Bereich die Reibungsverluste und/oder die Druckver luste und/oder die Strömungsverluste gering gehalten werden. Dies ist möglich, da nicht zusätzlich zur Umlenkung des Mediums weitere die vorgenannten Ver luste hervorrufenden konstruktiven Ausführungen am Förderaggregat vorhanden sind, wie beispielsweise sich ändernde Querschnittsflächen vor dem Umlenk-Be reich, im Umlenk-Bereich und/oder hinter dem Umlenk-Bereich. Derartige Aus führungen können zu einem Strömungs- Rückstau des Mediums führen, wobei ein solcher Strömungs- Rückstau zu weiteren Reibungsverlusten und/oder Druck verlusten und/oder die Strömungsverlusten führt, wodurch sich der Wirkungsgrad des gesamten Förderaggregats weiter verschlechtert.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das Dosierventil als ein Proportionalventil ausgeführt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das Gewicht des Förderaggregats reduziert wird und eine kompakte Bau weise erzielt werden kann, da ein als ein Proportionalventil ausgeführtes Dosier ventil weniger Bauraum benötigt und ein geringeres Eigengewicht aufweist. Zu dem kann mittels des Proportionalventil ein genaueres und schnelleres Ansteu ern des Dosierventils herbeigeführt werden, verglichen mit alternativen techni schen Ausführungsformen des Dosierventils. Somit lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Menge und der Zeitpunkt eines mittels des Dosierventils zugeführten Treibmediums in einen Ansaugbereich und/oder das Mischrohr der Strahlpumpe exakter zu dosiert werden kann, wodurch sich der Wirkungsgrad der Strahl pumpe und somit des gesamten Förderaggregats verbessern lässt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Düse und das Mischrohr des Förderaggregats rotationssymetrisch ausgeführt, wobei die Düse koaxial zum Mischrohr der Strahlpumpe verläuft. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt wer den, dass eine verbesserte Vermischung des Treibmediums mit dem Rezirkulat in der Strahlpumpe, insbesondere im Ansaugbereich und/oder im Mischrohr er zielt werden kann. Weiterhin kann eine verbesserte Impulsübertragung vom Treibmedium aus dem Dosierventil auf das Rezirkulat im Ansaugbereich und im Bereich des Mischrohres erfolgen. Somit lässt sich der Wirkungsgrad des Förder- aggregats erhöhen und die Betriebskosten des Förderaggregats bei gleicher För derleistung können reduziert werden. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrie ben.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Förderaggregats mit einer kombinierten Ventil-Strahlpumpenanordnung
Figur 2 ein erfindungsgemäßer Verschluss-Deckel des Förderaggregats in einer perspektivischen Darstellung,
Figur 3 eine teilweise schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellen-
Systems mit der Ventil-Strahlpumpeneinheit und einer Brennstoffzelle
Ausführungsformen der Erfindung
Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines För deraggregats 1, wobei das Förderaggregat 1 eine kombinierte Ventil-Strahlpum penanordnung 2 aufweist. Die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 weist dabei ein Dosierventil 6 und eine Strahlpumpe 4 auf, wobei das Dosierven til 6 beispielsweise mittels einer Verschraubung mit der Strahlpumpe 4 verbun den ist, insbesondere mit einem Grundkörper 8 der Strahlpumpe 4.
Die Strahlpumpe 4 weist die Komponenten Grundkörper 8 und Verschluss-De ckel 5 auf. Dabei weist die Strahlpumpe 4 im Bereich jeweils einer oder beider Komponenten einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36a, einen Ansaug bereich 7, ein Mischrohr 18, einen Diffusor- Bereich 20 und einen Umlenk-Bereich 22 und/oder ein Verbindungsstück 26 auf. Das Dosierventil 6 weist einen zweiten Zulauf 36b, ein erstes Dichtelement 14, ein zweites Dichtelement 16 und eine Düse 12 auf. Dabei ist das Dosierventil 6 insbesondere in Richtung einer Längs achse 30 in die Strahlpumpe 6, insbesondere in eine Öffnung in dem Grundkör per 8 der Strahlpumpe 6 eingeschoben. Der Verschluss-Deckel 5 kann in einer beispielhaften Ausführungsform des Förderaggregats 1 in Richtung der Längs achse 30 in den Grundkörper 8 eingeschoben.
In Fig. 1 ist zudem dargestellt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanord nung 2 von einem zu fördernden Medium in einer Strömungsrichtung VII durch strömt wird. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Ventil-Strahlpumpenan ordnung 2 sind dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebildet und dienen zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbe sondere um H2 handelt, in dem Förderaggregat 1. Dabei durchströmt das gasför mige Medium einen zentralen Strömungsbereich 21 im Inneren des Grundkör pers 8 parallel zu Längsachse 30 in der Strömungsrichtung VII, wobei der zent rale Strömungsbereich 21 im Bereich der Mündung der Düse 12 im Ansaugbe reich 7 beginnt und sich durch das Mischrohr 18, den Diffusor- Bereich 20 bis in den Umlenk-Bereich 22 erstreckt. Dabei wird der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 zum einen ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H2 aus einem Anoden bereich einer Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Das Rezirkulat strömt da bei auf einem ersten Strömungspfad V in die Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 ein. Zum anderen strömt durch den zweiten Zulauf 36 auf einem zweiten Strö mungspfad VI von außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 ein gasförmi ges Treibmedium, insbesondere H2, in eine Aussparung der Ventil-Strahlpum penanordnung 2 und/oder in den Grundkörper 8 und/oder das Dosierventil 6 ein, wobei das Treibmedium von einem Tank 34 kommen kann und unter hohen Druck steht. Dabei verläuft der zweite Zulauf 36a, b durch die Bauteile Grundkör per 8 und/oder Dosierventil 6. Vom Dosierventil 6 wird das Treibmedium mittels einer Aktorik und eines vollständig schließbaren Ventilelements, insbesondere stoßweise, durch die Düse 12 in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 abgelassen. Das durch die Düse 12 strömende und als Treibmedium die nende H2 weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in das Förderaggregat 1 einströmt, wobei das Treibmedium ins besondere einen höheren Druck von mindestens 10 bar aufweist. Damit sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit ei nem geringen Druck und einem geringen Massen-Strom in den zentralen Strö mungsbereich des Förderaggregats 1 gefördert, beispielsweise durch den Ein satz eines, dem Förderaggregat 1 vorgeschalteten, Seitenkanalverdichters 10 (nicht gezeigt in Fig. 1). Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch die Düse 12 in den zentralen Strö mungsbereich 21 des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 ein. Die Düse 12 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsquer schnitts auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere vom Dosierventil 6 kommend und in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 einströmend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im zentralen Strömungsbereich des Ansaugbereichs 7 und/oder des Mischrohrs 18 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder Druck- Differenz 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 be wirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung VII beschleunigt und es entsteht für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 nachgefördert wird. Dieser Effekt kann als Strahlpumpen effekt bezeichnet werden. Durch das Ansteuern der Zu-Dosierung des Treibme diums mittels des Dosierventils 6 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmedi- ums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesamten Brennstoff- zellen-Systems 31 je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen ange passt werden. In einem beispielhaften Betriebszustand des Förderaggregats 1 bei dem sich das Dosierventil 6 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhin dert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich der Strahlpumpe 4 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung VII zum Rezirkulationsmedium in den Ansaug bereich 7 und/oder das Mischrohr 18 einströmen kann und somit der Strahlpum peneffekt aussetzt.
Nach dem Passieren des Mischrohrs 18 strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibme dium besteht, in der Strömungsrichtung VII in den Diffusor- Bereich 20, wobei es im Diffusor- Bereich 20 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium in Strömungsrichtung VII aus dem Diffusor- Bereich 20 in den Umlenk-Bereich 22, bei dem es eine entsprechende Umlenkung erfährt, und von dort weiter über das Verbindungsstück 26 in einen Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29.
Dabei weist der Verschluss-Deckel 5 einen Umlenkstutzen 15 mit einer Ausspa rung 17 auf, wobei der Umlenkstutzen 15 in eine Öffnung des Grundkörpers 8 hineinragt und mittels der Ausformung 17 den Strömungsbereich und/oder Strö mungsquerschnitt der Strahlpumpe 4 im Umlenk-Bereich 22 ausbildet. Dabei wird durch die Aussparung 17 des Umlenkstutzens 15 der Diffusor- Bereich 20 und das Verbindungsstück 26 der Strahlpumpe 4 zumindest mittelbar fluidisch miteinander verbunden. Des Weiteren ist die Aussparung 17 des Umlenkstutzens 5 derart ausgeformt, dass diese zum Strömungsquerschnitt des Diffusor-Be reichs 20 und zum Strömungsquerschnitt des Verbindungsstücks 26 offen ist, so dass das gasförmige Medium den Umlenkstutzen 15 in Strömungsrichtung VII durchströmen kann. Auf diese Weise kann im Umlenk-Bereich 22 mittels des Umlenkstutzens 15 eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des gasförmi gen Mediums nahezu rechtwinklig erfolgen. Der Verschluss-Deckel 5 ist dabei mittels einer lösbaren Verbindung, insbesondere einer Verschraubung, mit dem Grundkörper 8 verbunden ist, so dass sich der Verschluss-Deckel 5 vom Grund körper 8 demontieren lässt. Weiterhin kann der Verschluss-Deckel 5 aus einem anderen Material hergestellt sein, wie der Grundkörper 8, wobei die beiden Mate rialien insbesondere unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufwei sen. Zudem kann der Verschluss-Deckel 5 in einer beispielhaften Ausführungs form vor der Montage und dem Einschieben in den Grundkörper 8 und dem Fi xieren mittels einer Verschraubung derart abgekühlt werden, dass der Durch messer, insbesondere des Umlenkstutzens 15, verkleinert ist. Auf diese Weise lässt sich eine vereinfachte Montage erzielen aufgrund des verkleinerten Durch messers des Verschluss-Deckels 5, insbesondere des Umlenkstutzen 15. In wei terhin vorteilhafter Weise dehnt sich der Durchmesser bei Erreichen der Umge bungstemperatur derart aus, dass sich verbessernde Dicht- und/oder Kapse lungseigenschaften zwischen den Bauteilen Verschluss-Deckel 5 und Grundkör per 8 erzielen lassen. Es kann sich zudem ein drittes Dichtelement zwischen dem Verschluss-Deckel 5 und dem Grundkörper 8 befinden. Die Aufgabe des in der Fig. 1 gezeigten ersten Dichtelements 14 und/oder des zweiten Dichtelements 16 ist die Kapselung des über den zweiten Strömungs pfad VI in das Dosierventil 6 einströmende unter hohem Druck stehenden Treib mediums. Das jeweilige Dichtelement ist dabei als ein um das Dosierventil 6 um laufendes Dichtelement 14, 16 ausgeführt, insbesondere als ein O-Ring. Das mindestens eine Dichtelement 14, 16 verhindert dabei, dass das Treibmedium aus dem Bereich des zweiten Zulaufs 36 und/oder das zu fördernde Medium aus dem inneren des Grundkörpers 8 und/oder des Dosierventils 6 austreten kann und in den Bereich außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 austreten kann, indem das mindestens eine Dichtelement 14, 16 eine kapselnde Wirkung zwischen dem Dosierventil 6 und dem Grundkörper 8 erzielt. In dem Bereich au ßerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 könnte das zu fördernde Medium eine nachteiligen Reaktion mit dem umliegenden Sauerstoff herbeiführen und das Förderaggregat 1 und/oder das Gesamtfahrzeug beschädigen.
Weiterhin weist die Strahlpumpe 4 aus der Fig. 1 technische Merkmale auf, die den Strahlpumpeneffekt und die Fördereffizienz zusätzlich verbessern und/oder das Kaltstartvorgang und/oder Fertigungs- und Montage- Kosten weiter verbes sern. Dabei verläuft das Teilstück Diffusor- Bereich 20 im Bereich seines inneren Strömungsquerschnitts konisch, insbesondere sich in der Strömungsrichtung VII vergrößernd. Durch diese Ausformung des Teilstücks Diffusor- Bereich 20 kann der vorteilhafte Effekt erzeugt werden, dass die kinetische Energie in Druckener gie umgewandelt wird, wodurch das mögliche Fördervolumen des Förderaggre gats 1 weiter erhöht werden kann, wodurch mehr des zu fördernden Mediums, insbesondere Fh, der Brennstoffzelle 29 zugeführt werden kann, wodurch der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden kann.
Erfindungsgemäß kann das Dosierventil 6 als ein Proportionalventil 6 ausgeführt sein, um eine verbesserte Dosierfunktion und ein exakteres Dosieren des Treib mediums in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 18 zu ermöglichen.
Zur weiteren Verbesserung der Strömungsgeometrie und des Wirkungsgrads des Förderaggregats 1 sind die Düse 12 und das Mischrohr 18 rotationssymetrisch ausgeführt, wobei die Düse 12 koaxial zum Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4 ver läuft. In Fig. 2 ist der erfindungsgemäße Verschluss-Deckel 5 mit dem Umlenkstutzen 15 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Dabei weist der Verschluss-De ckel 5 den Umlenkungsstutzen 15 mit einer vorzugsweise zylindrischen äußeren Form auf, wobei der Umlenkungsstutzen 15 des Verschluss-Deckels 5 in verbau tem Zustand im Grundkörper 8 in Richtung einer Längsachse 30 (wie in Fig. 1 gezeigt) verläuft und wobei der Umlenkungsstutzen 15 vorzugsweise eine Aus sparung 17 an seiner inneren Form aufweist, wobei die Aussparung 17 insbeson dere zur Strömungsführung des gasförmigen Mediums dient. Es ist zudem in Fig. 2 gezeigt der Umlenkstutzen 15 im Bereich der Aussparung 17 in seinem innen liegenden Strömungsquerschnitt zumindest teilweise eine zumindest annähernd kugelförmige Innenfläche 19 aufweist. Aufgrund dieser zumindest annähernd ku gelförmigen Innenfläche 19 kommt es bei der Umlenkung des zu fördernden Me dium im Umlenk-Bereich 22 der Strahlpumpe 4 zu weniger Reibungsverlusten, da auf diese Weise die Reibung zwischen dem zu fördernden Medium und der Innenfläche 19 und/oder der Strömungsgeometrie des Verschluss-Deckels 5 re duziert wird. Auf diese Weise werden Reibungsverluste und/oder die Druckver luste und/oder die Strömungsverluste in diesem Bereich gering gehalten wodurch sich der Wirkungsgrad des Förderaggregats 1 verbessert. Auch weist die Innen fläche 19 eine möglichst geringe Oberflächenrauhigkeit auf, was zu einer weite ren Reduzierung der Strömungsverluste führt.
Wie in Fig. 2 gezeigt weist der Umlenkstutzen 15 im Bereich der Innenfläche 19 eine derart auslaufende Kontur der kugelförmigen Innenfläche 19 zu den weite ren Strömungsquerschnitten des Diffusor- Bereichs 20 und des Verbindungs stücks 26 auf, dass die Übergänge von der kugelförmigen Kontur der Innenfläche 19 zu den weiteren Strömungsquerschnitten strömungsoptimiert ausgeführt sind. Dadurch kann der Strömungswiderstand des Förderaggregats 1 insbesondere im Bereich der Teilstücke Diffusor- Bereich 20, Umlenk-Bereich 22 und Verbindungs stück 26 verringert werden. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann die Strömungsgeschwindigkeit des zu fördernden Medium im inneren Strömungs querschnitt konstant gehalten werden und es kommt zu nahezu keinen Rei- bungs- und/oder Strömungs-Verlusten. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Ven til-Strahlpumpenanordnung 2, des Förderaggregats 1 und somit der Wirkungs grad des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 erhöht werden. Dabei ist der in nere Strömungsquerschnitt glatt und strömungsoptimiert ausgeführt, so dass sich ein möglichst geringer Strömungswiderstand aufgrund der in diesem Bereich zu sammengefügten im inneren Strömungsquerschnitt liegenden Oberflächen ergibt. Eine weitere Verbesserung der Strömungsoptimierung der Oberflächen kann aufgrund einer maschinellen Nachbehandlung der im inneren Strömungs querschnitt liegenden Oberflächen der Teilstücke erzielt werden, indem diese beispielsweise entgratet, geschliffen, gefräst oder poliert werden, was derart nur beim Einsatz einer stoffschlüssigen Verbindungsmethode möglich ist, insbeson dere bei metallischen Teilstücken des Grundkörpers 8 und/oder des Verschluss- Deckels 5.
Die Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt eine teilweise schematische Schnittansicht eines Brennstoffzellen-Systems 31 mit der Ventil-Strahlpumpeneinheit 2, einer Brennstoffzelle 29 und den optionalen Bauteilen Wasserabscheider 24 und Sei tenkanalverdichter 10. Dabei ist gezeigt, dass die kombinierte Ventil-Strahlpum penanordnung 2 an der Brennstoffzelle 29 verbaut und/oder angebracht ist, wo bei die Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 insbesondere auf einer Endplatte 13 der Brennstoffzelle 29 montiert ist. In Fig. 3 ist dabei gezeigt, dass das die Strahl pumpe 4 in Strömungsrichtung VII und parallel zur Längsachse 30 durchströ mende gasförmige Medium vor einem Eintritt in den Anodeneingang 3 der Brenn stoffzelle 29 eine Umlenkung und somit Strömungsrichtungsänderung erfahren muss.
Dabei ist in Fig. 3 gezeigt, dass eine Umlenkung und/oder Richtungsänderung des in einer Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums von der Strahlpumpe 4 zum Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29 ausschließlich im Umlenk-Bereich 22 erfolgt, wobei die Strahlpumpe 4 einen mit dem Grundkörper 8 verbundenen separaten Verschluss-Deckel 5 aufweist und wobei der Umlenk- Bereich 22 und/oder die Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Be- reichs 22 für das gasförmige Medium ausschließlich im Bauteil Verschluss-De ckel 5 ausgebildet wird.
In Fig. 3 ist gezeigt, dass zum einen das unverbrauchte gasförmige Medium von einem Anodenausgang 9 der Brennstoffzelle 29, insbesondere einem Stack, in Strömungsrichtung VII durch die Endplatte 13, über einen optionalen Wasserab scheider 24 und eine optionalen Seitenkanalverdichter 10 in den ersten Zulauf 28 der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 ein. Von dort strömt das gasförmige Me dium in den Ansaugbereich 7 und teilweise in das Mischrohr 18 der Strahlpumpe 4. Der Wasserabscheider 24 hat hierbei die Aufgabe, Wasser, dass beim Betrieb der Brennstoffzelle 29 entsteht und zusammen mit dem gasförmigen Medium, insbesondere hh, durch den Anodenausgang 9 zurück in die Ventil-Strahlpum penanordnung 2 strömt, aus dem System abzuführen. Somit kann das Wasser, das gasförmig und/oder flüssig vorliegen kann, nicht in das Rezirkulationsge- bläse 10 und/oder die Strahlpumpe 4 und/oder ein Dosierventil 6 Vordringen, da es schon direkt durch den Wasserabscheider 24 vom gasförmigen Medium sepa riert und aus dem Brennstoffzellen-System 31 Fördereinrichtung wird. Dadurch lässt sich eine Schädigung der Komponenten des Förderaggregats 1 und/oder des Brennstoffzellen-Systems 31, insbesondere der beweglichen Teile der Kom ponenten, durch Korrosion verhindern, wodurch die Lebensdauer aller durch strömten Komponenten erhöht wird. Des Weiteren kann ein frühes und schnelles Abscheiden des Wassers im Brennstoffzellen-System 31 den Wirkungsgrad des Förderaggregats 1 erhöhen. Dies ist dadurch begründet, dass das Wasser nicht durch weitere Komponenten des Förderaggregats 1 mit dem gasförmigen Me dium, insbesondere Fh, mitgefördert werden muss, was eine Reduzierung des Wirkungsgrads bewirken würde, da für den Anteil Wasser in dem Förderaggregat 1 weniger vom gasförmigen Medium gefördert werden kann und da Wasser eine höhere Maße hat. Somit lässt sich durch die Verwendung und die jeweilige An ordnung des Wasserabscheiders 24 der Vorteil erzielen, dass der Wirkungsgrad des Förderaggregats 1 erhöht werden kann. Mittels der Umlenkung des Mediums über den Umlenk- Stutzen 15 im Umlenk-Bereich 22 muss das Medium keine wei tere Umlenkung im späteren Verlauf erfahren, und kann nach dem Passieren des Auslass- Krümmers 22 nahezu ohne weitere oder mit nur geringen weiteren Um lenkungen und Reibungsverlusten in den Anodeneingang 3 einströmen. In einer beispielhaften Ausführungsform wird die Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 und/o der das Förderaggregat 1 vorzugsweise parallel zur Endplatte 13 der Brennstoff zelle 29 angeordnet. Dies gilt insbesondere, wenn das Brennstoffzellen-System 31 aufgrund von baulichen Restriktionen am oder im Fahrzeug kompakte Ab maße aufweisen kann. Daher muss der Anodengasstrom der aus der Strahl pumpe 4 austritt nahezu rechtwinklig oder zumindest in einem spitzen Winkel umgelenkt werden, um zum Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29 zu gelan gen. Dabei ist der Strömungsbereich derart des Förderaggregats 1 derart ausge- führt, dass die orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnitts flächen des Endabschnitts des Diffusor- Bereichs 20 der Strahlpumpe 4, des Um- lenk-Bereichs 22, des Verbindungsstücks 26 der Strahlpumpe 4 und des Ano deneingangs 3 der Brennstoffzelle 29 zumindest annährend gleich sind.
In Fig. 3 ist zudem gezeigt, dass sich ein Verbindungsstück 26 zwischen dem Verschluss-Deckel 5 und dem Anodeneingang 3 der Brennstoffzelle 29 befindet. Diese Verbindungsstück 26 ist als Teil des Grundkörpers 8 ausgebildet und mit tels des Verbindungsstücks 26 kann das zu fördernden Medium ohne weitere Strömungsumlenkung und nahezu ohne weitere Reibungsverluste und/oder Strö mungsverluste und/oder Druckverluste vom Umlenk-Bereich 22 in den Anoden eingang 3 der Brennstoffzelle 29 strömen. Dabei ist die Strahlpumpe 4 und/oder der Grundkörper 8 fluidisch mit dem Anodeneingang 3 verbunden, wobei zudem eine zumindest zusätzliche mechanische Befestigung der Ventil-Strahlpumpena nordnung 2 an der Brennstoffzelle 29, insbesondere der Endplatte 13 möglich ist. Die Befestigung der Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 und/oder des Seitenkanal verdichters 10 und/oder des Wasserabscheiders 24 an der Brennstoffzelle 29, insbesondere der Endplatte 13 kann dabei formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig erfolgen. Darüber hinaus können die Komponenten Ven til-Strahlpumpenanordnung 2 und/oder Seitenkanalverdichter 10 und/oder Was serabscheider 24 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein oder ander weitig miteinander verbunden sein.
Des Weiteren sind die Teilstücke Grundkörper 8 und/oder Verschluss-Deckel 5 aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärme kapazität hergestellt, wobei die Bauteile Grundkörper 8 und/oder Verschluss-De ckel 5 der Strahlpumpe 4 aus einem metallischen Material oder einer Metall-Le gierung hergestellt sind. Diese beispielshafte Ausführung der Teilstücke begüns tigt ein schnelles Aufheizen der Bauteile insbesondere in einem Strömungsbe reich und somit eine Vermeidung von Eisbrücken bei einer Kaltstartprozedur. Da bei ist weiterhin vorteilhaft dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 2 ein Heizelement 11 aufweist, mittels dem sich ein schnelles Aufheizen der Bau teile des Förderaggregats 1 erreichen lässt.

Claims

Ansprüche
1. Förderaggregat (1) für ein Brennstoffzellen-System (31) zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Was serstoff, mit einer von einem Treibstrahl des unter Druck stehenden gas förmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe (4) und einem Dosier ventil (6) mit einer Düse (12), wobei das Förderaggregat (1) als eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung (2) ausgeführt ist, wobei das gasförmige Medium der Strahlpumpe (4) mittels des Dosierventils (6) zu geführt wird, wobei die Strahlpumpe (4) einen Grundkörper (8) wobei die Strahlpumpe (4) mit einem Anodeneingang (3) einer Brennstoffzelle (29) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlenkung und/o der Richtungsänderung des in einer Strömungsrichtung VII strömenden gasförmigen Mediums von der Strahlpumpe (4) zum Anodeneingang (3) der Brennstoffzelle (29) ausschließlich in einem Umlenk-Bereich (22) er folgt, wobei die Strahlpumpe (4) einen mit dem Grundkörper (8) verbun denen separaten Verschluss-Deckel (5) aufweist und wobei der Umlenk- Bereich (22) und/oder die Umlenkungs- und Führungs-Geometrie des Umlenk-Bereichs (22) für das gasförmige Medium ausschließlich im Bauteil Verschluss-Deckel (5) ausgebildet wird.
2. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss-Deckel (5) einen Umlenkungsstutzen (15) mit einer vor zugsweise zylindrischen äußeren Form aufweist, wobei der Umlen kungsstutzen (15) des Verschluss- Deckels (5) in verbautem Zustand im Grundkörper (8) in Richtung einer Längsachse (30) verläuft und wobei der Umlenkungsstutzen (15) vorzugsweise eine Aussparung (17) an sei ner inneren Form aufweist, wobei die Aussparung (17) insbesondere zur Strömungsführung des gasförmigen Mediums dient.
3. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Verbindungsstück (26) zwischen dem Verschluss-De ckel (5) und dem Anodeneingang (3) der Brennstoffzelle (29) befindet.
4. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (17) des Umlenkstutzens (15) einen Diffusor- Bereich (20) und das Verbindungsstück (26) der Strahlpumpe (4) zumin dest mittelbar fluidisch miteinander verbindet.
5. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (17) des Umlenkstutzens (15) derart ausgeformt ist, dass diese zum Strömungsquerschnitt des Diffusor- Bereichs (20) und zum Strömungsquerschnitt des Verbindungsstücks (26) offen ist, so dass das gasförmige Medium den Umlenkstutzen (15) in Strömungsrich tung VII durchströmen kann.
6. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Umlenk-Bereich (22) mittels des Umlenkstutzens (15) eine Um lenkung und/oder Richtungsänderung des gasförmigen Mediums na hezu rechtwinklig erfolgt.
7. Förderaggregat (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkstutzen (15) im Bereich der Aussparung (17) in seinem innenliegenden Strömungsquerschnitt zumindest teil weise eine zumindest annähernd kugelförmige Innenfläche (19) auf weist.
8. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss- Deckel (5) mittels einer lösbaren Verbindung, insbesondere einer Verschraubung, mit dem Grundkörper (8) verbunden ist, so dass sich der Verschluss-Deckel (5) vom Grundkörper (8) demontieren lässt.
9. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilstücke Grundkörper (8) und/o der Verschluss-Deckel (5) aus einem Material oder einer Legierung mit einer geringen spezifischen Wärmekapazität hergestellt sind.
10. Förderaggregat (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile Grundkörper (8) und/oder Verschluss- Deckel (5) der Strahlpumpe (4) aus einem metallischen Material oder ei ner Metall-Legierung hergestellt sind.
11. Förderaggregat (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die kombinierte Ventil-Strahlpumpenan ordnung (2) ein Heizelement (11) aufweist.
12. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die orthogonal zur Strömungsrichtung VII verlaufenden Querschnittsflä chen des Endabschnitts eines Diffusor- Bereichs (20) der Strahlpumpe (4), des Umlenk-Bereichs (22), eines Verbindungsstücks (26) der Strahl pumpe (4) und des Anodeneingangs (3) zumindest annährend gleich sind.
13. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dosierventil (6) als ein Proportionalventil (6) ausgeführt ist.
14. Förderaggregat (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (12) und ein Mischrohr (18) der Strahlpumpe (4) rotations symmetrisch ausgeführt sind, wobei die Düse (12) koaxial zum Misch rohr (18) der Strahlpumpe (4) verläuft.
15. Brennstoffzellen-System (31) mit einem Förderaggregat (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.
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