Titel

Fördereinrichtung für eine Brennstoffzellenanordnung zum Fördern und/oder Re- zirkulieren von einem gasförmigen Medium

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen- System zum Fördern und Steuern von einem gasförmigen Medium, insbeson- dere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem 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 Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruck- leitungssystem an die Fördereinrichtung geleitet. Diese Fördereinrichtung führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu ei- ner Brennstoffzelle.

Aus der DE 10 2011 105 710 A1 ist eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzel- len-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums bekannt, mit einem Rezirkulationsgebläse und einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe, wobei ein Anodenausgang einer Brennstoffzelle mit einem Eingang der Fördereinrich tung fluidisch verbunden ist, ein Ausgang der Fördereinrichtung mit einem Ano deneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist.

Aus der US 9 595 725 B2 ist eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-Sys- tem zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums bekannt, bei der das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe mittels eines Dossierventils zugeführt wird und wobei die Strahlpumpe und das Dossier ventil eine kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung bilden. Die aus der DE 10 201 1 105 710 A1 und der US 9 595 725 B2 bekannten För dereinrichtungen können gewisse Nachteile aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Komponenten der Fördereinrichtung, insbesondere das Rezirkulationsgeblä- ses und/oder die Strahlpumpe und/oder das Dosierventils, zumindest teilweise mittels fluidischer Verbindungen in Form von Rohrleitungen und/oder einer Ver teilerplatte mit innenliegenden Kanälen miteinander und/oder mit der Brennstoff zelle verbunden. Dabei entstehen viele Strömungsumlenkungen und somit Strö mungsverluste, insbesondere in allen drei Dimensionen des Raums. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung reduziert. Des Weiteren ist die Ver bindung der Komponenten der Fördereinrichtung durch Rohrleitungen insoweit nachteilig, dass die Rohrleitungen über die Lebensdauer der Fördereinrichtung, insbesondere bei starken Temperaturschwankungen, zu Dichtigkeitsproblemen führen können, insbesondere bei geschweissten und/oder verschweissten Rohr leitungen.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, zum Fördern und/oder Rezirkulieren eines gasförmigen Medi ums, insbesondere Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als Fh be zeichnet wird.

Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die Fördereinrichtung derart ausgebildet, dass die Komponenten der Fördereinrichtung derart auf einem plattenförmigen Trä gerelement positioniert sind, dass die Strömungsleitungen zwischen und/oder in nerhalb der Komponenten der Fördereinrichtung auschliesslich parallel zum plat tenförmigen Trägerelement verlaufen, wobei das plattenförmige Trägerelement zwischen einer Brennstoffzelle und der Fördereinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine direkte und möglichst kurze Strömungsleitung zwischen den Komponenten der Fördereinrichtung hergestellt werden. Des Weiteren kann die Anzahl der Strömungsumlenkungen und/oder Änderung einer Strömungsrich tungen des gasförmigen Mediums in der Fördereinrichtung auf eine möglichst ge ringe Anzahl reduziert werden. Dies bietet den Vorteil, dass die Strömungsver luste und/oder Druckverluste innerhalb der Fördereinrichtung aufgrund der Länge der Strömungsleitungen und/oder der Anzahl der Strömungsumlenkungen redu ziert werden können. Es ist zudem weiterhin vorteilhaft, dass die Strömungslei tungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten der Fördereinrichtungen parallel zum plattenförmigen Trägerelemenent verlaufen. Somit wird eine Strö- mungsumlenkung des gasförmigen Mediums weiterhin reduziert, wodurch sich die Strömungsverluste innerhalb der Fördereinrichtung weiter reduzieren lassen. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung verbessert werden und der Energieaufwand zum Betreiben der Fördereinrichtung kann reduziert werden.

Weiterhin vorteilhaft ist die Anordnung der Komponenten der Fördereinrichtung auf dem plattenförmigen Trägerelement, wodurch eine einfache Positionierung der Bauteile zueinander realisiert werden kann, indem die Komponenten jeweils mit dem plattenförmigen Trägerelement verbunden werden müssen. Dadurch lässt sich die benötigte Anzahl an Bauteilen für die Montage reduzieren, was wie derum zu einer Kostenersparniss der Fördereinrichtung führt. Weiterhin wird die Wahrscheinlichkeit eines Montagefehlers aufgrund von fehlerhaft zueinander ausgerichteten Komponenten der Fördereinrichtung reduziert wird, was wiede rum die Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung im Betrieb reduziert.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Fördereinrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung durchströmt das gasförmige Medium die Fördereinrichtung in einer zumindest annähernd parallel zum plattenförmigen Trägerelement verlaufenden Ebene. Weiterhin findet eine innerhalb der Ebene der Fördereinrichtung erfolgende Umlenkung und/oder Strö mungsführung des gasförmigen Mediums in der Fördereinrichtung ausschließlich im Bereich eines Rezirkulationsgebläse und/oder einer Ventil-Strahlpumpenano rdnung statt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das gasför mige Medium ausschließlich in der Ebene durch die Fördereinrichtung strömt, wodurch die Bewegungsrichtung des gasförmigen Mediums auf zwei Dimensio nen eingeschränkt wird. Eine Umlenkung des gasförmigen Mediums in einer drit ten Dimension wird vollständig vermieden. Dadurch lässt sich das gasförmige Medium mit einer geringen Anzahl an Strömungsumlenkungen und/oder Ände rung der Strömungsrichtungen durch die Fördereinrichtung bewegen, was zu re duzierten Strömungsverlusten und/oder Druckverlusten führt. Dies wiederum er höht den Wirkungsgrad der Fördereinrichtung. Des Weiteren lässt sich durch eine Minimierung der Strömungsumlenkungen und/oder der Änderung der Strö mungsrichtung das Geräuschniveau der Fördereinrichtung im Betrieb, insbeson dere im Volllastbetrieb des BrennstoffzellenSystems, reduzieren.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung bildet das Rezir- kulationsgebläse eine erste Strömungsverbindung aus, wobei die erste Strö mungsverbindung als Teil eines Gehäuses des Rezirkulationsgebläses ausgebil det ist und wobei die erste Strömungsverbindung direkt in einen ersten Zulauf der Ventil-Strahlpumpenanordnung mündet. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass das Rezirkulat, bei dem es sich insbesondere um das unver brauchte gasförmige Rezirkulationsmedium aus der Brennstoffzelle handelt, vom Rezirkulationsgebläse verdichtet wird und danach direkt und/oder mittels einer möglichst kurzen ersten Strömungsverbindung in den Bereich einer Strahlpumpe gefördert wird, in dem es mit einem Treibmedium in Kontakt kommt und vom Treibmedium angetrieben wird. Dadurch lässt sich der Vorteil erzielen, dass der Wirkungsgrad der Strahlpumpe erhöht werden kann, womit sich ein optimaler Strahlpumpeneffekt im Fördereinrichtung bei nahezu allen Betriebspunkten erzie len lässt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellen-Sys- tems verbessert werden, da eine optimale Förderwirkung der Fördereinrichtung bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffzellen-Systems gewähr leistet werden kann. Weiterhin können die Strömungsverluste und/oder Druckver luste des gasförmigen Mediums zwischen dem Rezirkulationsgebläse und der Strahlpumpe reduziert werden, da die erste Strömungsverbindung möglichst kurz ausgeführt werden kann.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung weist diese einen Wasserabscheider auf, wobei sich der Wasserabscheider zwischen dem Anodenausgang der Brennstoffzelle und dem Rezirkulationsgebläse befin det. Dabei ist der Wasserabscheider fluidisch mit dem Anodenausgang der Brennstoffzelle und dem Rezirkulationsgebläse verbunden ist und der Wasserab scheider bildet eine direkte zweite Strömungsverbindung mit dem Rezirkulations gebläse aus. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass Wasser, dass beim Betrieb der Brennstoffzelle entsteht und zusammen mit dem gasförmigen Me dium, insbesondere H ₂ , durch den Anodenausgang zurück in die Fördereinrich tung strömt, in das Rezirkulationsgebläse und/oder die Strahlpumpe und/oder ein Dossierventil Vordringen kann, da es schon direkt durch den Wasserabscheider vom gasförmigen Medium separiert und aus der Fördereinrichtung hinausbeför dert wird. Dadurch lässt sich eine Schädigung der Komponenten der Förderein richtung, insbesondere der beweglichen Teile der Komponenten, durch Korrosion verhindern, wodurch die Lebensdauer der gesamten Fördereinrichtung erhöht wird. Des Weiteren kann durch ein frühes und schnelles Abscheiden des Was sers in der Fördereinrichtung der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung erhöht werden. Dies ist dadurch begründet, dass das Wasser nicht durch weitere Kom ponenten der Fördereinrichtung mit dem gasförmigen Medium, insbesondere H ₂ , mitgefördert werden muss, was eine Reduzierung des Wirkungsgrads bewirken würde, da für den Anteil Wasser in der Fördereinrichtung weniger vom gasförmi gen Medium gefördert werden kann und da Wasser eine höhere Maße auweist. Somit lässt sich durch die Verwendung und die jeweilige Anordnung des Wasser abscheiders der Vorteil erzielen, dass der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung erhöht werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung ist die zweite Strömungsverbindung als Teil des Gehäuses des Rezirkulationsgebläses ausge bildet, wobei die zweite Strömungsverbindung direkt in einen Ablauf des Wasser abscheiders mündet. Auf diese Weise können die Strömungsverluste und/oder Druckverluste zwischen den Komponenten Wasserabscheider und Rezirkulati onsgebläse verringert werden, da die Strömungsverbindungen zwischen den Komponenten eine möglichst geringe Länge aufweisen. Aufgrund der geringen Länge findet eine geringer Reibungsverlust des gasförmigen Mediums mit der in neren Oberfläche der Strömungsverbindungen statt wodurch auch der Strö mungsverlust und/oder der Druckverlust gering bleibt. Somit lässt sich der Wir- kungsgrad der Fördereinrichtung verbessern. Weiterhin kann durch die Ausge staltung der zweiten Strömungsverbindung als Teil des Gehäuses des Rezirkula- tionsgebläses eine kompakte und platzsparende Bauweise erreicht werden.

Gemäß einer besonders vorteihaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung bildet die erste Strömungsverbindung einen ersten Verbindungszapfen, insbesondere einen zylindrischen ersten Verbindungszapfen, mit einem ersten innenliegenden Strömungskanal aus, wobei der erste Verbindungszapfen des Rezirkulationsge- bläses in Richtung des ersten Strömungskanals vom Rezirkulationsgebläse weg ragt. Weiterhin ragt dabei der erste Verbindungszapfen der ersten Strömungsver bindung in eine erste Aussparung, inbesondere eine zylindrische erste Ausspa rung, der Ventil-Strahlpumpenanordnung hinein, wobei eine Abdichtung zwi schen dem ersten Verbindungszapfen und der ersten Aussparung durch einen ersten Dichtring erfolgt, der sich zwischen dem Außendurchmesser des ersten Verbindungszapfens und dem Innendurchmesser der ersten Aussparung befin det. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass sich das Rezirkulati onsgebläse fluidisch mit der Strahlpumpe verbinden lässt und wobei sich die Komponenten darüber hinaus miteinander fixieren lassen. Insbesondere lässt sich hierbei der erste innenliegende Strömungskanal des Rezirkulationsgebläses mit dem ersten Zulauf der Strahlpumpe verbinden, so dass sich die erste Strö mungsverbindung ausbildet. Dies hat den Vorteil, dass sich die Komponenten Rezirkulationsgebläse und Strahlpumpe in einem einzigen Montageschritt auf eine kostengünstige Montageart miteinander fluidisch verbunden und gleichzeitig miteinander fixiert werden können. Dies steht im Gegensatz zu einer aufwändi gen fluidischen Verbindung mittels einer Verrohrung und/oder einer Verteiler platte zum einen und einer zusätzlichen Fixierung der Bauteile zum anderen. Dadurch lassen sich die Montagekosten der Födereinrichtung reduzieren. Weiter hin wird das Risiko von Montagefehlern bei der fluidische Verbindung und/oder die Fixierung der Bauteile aneinander reduziert, was die Ausfallwahrscheinlich keit der Fördereinrichtung reduziert. Weiterhin kann der Vorteil erzielt werden, dass eine kompakte und platzsparende Anordnung der Bauteile Rezirkulations- pumpe und Strahlpumpe erzielt werden kann, wodurch der benötigte Einbauraum der Fördereinrichtung reduziert wird, was wiederum zu weiteren Vorteilen beim Transport des Produktes zum Kunden und beim Einbau der Fördereinrichtung in das Brennstoffzellen-System und bezüglich des Platzbedarf im gesamten Brenn- stoffzellen-System bedeutet. Ein weiterer Vorteil kann durch den eingesetzten erste Dichtring derart erzielt werden, dass eine zuverlässige Kapselung der ers ten Strömungsverbindung erzielen lässt, so dass sich ein Austreten vom gasför migen Medium reduziert werden kann, wodurch sich der Wirkungsgrad der För dereinrichtung verbessern lässt.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung bildet die zweite Strömungsverbindung einen zweiten Verbindungszapfen, insbesondere einen zylindrischen zweiten Verbindungszapfen, mit einem zweiten innenliegenden Strömungskanal aus, wo bei der zweite Verbindungszapfen des Rezirkulationsgebläses in Richtung des zweiten Strömungskanals vom Rezirkulationsgebläse wegragt. Des Weiteren ragt der zweite Verbindungszapfen der zweiten Strömungsverbindung in eine zweite Aussparung, inbesondere eine zylindrische zweite Aussparung, des Was serabscheiders hinein, wobei eine Abdichtung zwischen dem zweiten Verbin dungszapfen und der zweiten Aussparung durch einen zweiten Dichtring erfolgt, der sich zwischen der Außendurchmesser des zweiten Verbindungszapfens und dem Innendurchmesser der zweiten Aussparung befindet. Auf diese Weise las sen sich mehrere Vorteile erzielen, die im folgenden beschrieben werden. Somit der Vorteil erzielt werden, dass sich das Rezirkulationsgebläse fluidisch mit dem Wasserabscheider verbinden lässt, wobei sich die Komponenten darüber hinaus miteinander fixieren lassen. Dabei lässt sich der zweite innenliegende Strö mungskanal des Rezirkulationsgebläses mit dem Ablauf des Wasserabscheiders verbinden, so dass sich die zweite Strömungsverbindung ausbildet. Dies hat den Vorteil, dass sich die Komponenten Rezirkulationsgebläse und Strahlpumpe in einem einzigen Montageschritt auf eine kostengünstige Montageart miteinander fluidisch verbunden werden können. Dies steht im Gegensatz zu einer aufwändi gen fluidischen Verbindung mittels einer Verrohrung und einer zusätzlichen Fixie rung der Bauteile. Dadurch lassen sich die Montagekosten der Födereinrichtung reduzieren. Weiterhin wird das Risiko von Montagefehlern bei der fluidischen Verbindung und/oder die Fixierung der Bauteile aneinander reduziert, was die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Fördereinrichtung reduziert. Weiterhin kann der Vorteil erzielt werden, dass eine kompakte und platzsparende Anord nung der Bauteile Rezirkulationspumpe und Strahlpumpe erzielt werden kann, was wiederum den benötigten Einbauraum der Fördereinrichtung reduziert. Da mit kann eine kompaktere Bauweise der gesamten Fördereinrichtung herbeige führt werden. Des Weiteren findet aufgrund der geringen Länge der zweiten Strö mungsverbindung zwischen dem Wasserabscheider und der Rezirkulations- pumpe ein geringerer Reibungsverlust des gasförmigen Mediums mit der inneren Oberfläche der zweiten Strömungsverbindung statt wodurch auch der Strö mungsverlust und/oder der Druckverlust gering bleibt. Somit lässt sich der Wir kungsgrad der Fördereinrichtung verbessern. Weiterhin kann durch die Ausge staltung der zweiten Strömungsverbindung als Teil des Gehäuses des Rezirkula- tionsgebläses eine kompakte und platzsparende Bauweise der Fördereinrichtung erreicht werden. Ein weiterer Vorteil kann durch den eingesetzten zweiten Dicht ring derart erzielt werden, dass eine zuverlässige Kapselung der zweiten Strö mungsverbindung erzielen lässt, so dass sich ein Austreten vom gasförmigen Medium reduziert werden kann, wodurch sich der Wirkungsgrad der Förderein richtung verbessern lässt

Gemäß einer vorteihaften Ausgestaltung ist die erste Strömungsverbindung als eine erste Verbindungsplatte mit dem ersten innenliegenden Strömungskanal ausgebildet, wobei die erste Verbindungsplatte als Teil des Gehäuses des Rezir- kulationsgebläses ausgebildet ist und wobei die erste Verbindungsplatte des Re- zirkulationsgebläses in Richtung des ersten Strömungskanals vom Rezirkulati- onsgebläse wegragt. Weiterhin steht das Gehäuse des Rezirkulationsgebläses mittels der ersten Verbindungsplatte mit der Ventil-Strahlpumpenanordnung in Richtung des ersten Strömungskanals in Anlage, wobei sich der erste Dichtring in Richtung des ersten Strömungskanals und/oder umlaufend um den ersten Strömungskanal zwischen der ersten Verbindungsplatte und der Ventil-Strahl pumpenanordnung befindet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine Positionierung der Komponenten Rezirkulationsgebläse und Strahl pumpe zueinander auf der Abschlussplatte erfolgen kann, unabhängig von Tole ranzabweichungen der Komponenten zueinander, insbesondere in Richtung der ersten Strömungsverbindung. Dadurch kann eine schnelle Montage gewährleis ten werden und es lassen sich somit die Montagekosten reduzieren. Weiterhin lassen sich die Komponenten Rezirkulationsgebläse und Strahlpumpe als ein kompakter Montageverbund miteinander verbinden. Des Weiteren findet auf- grund der geringen Länge der ersten Strömungsverbindung zwischen den Kom ponenten, die aufgrund der Ausgestaltung die erste Strömungsverbindung mit der ersten Verbindungsplatte möglich ist, ein geringerer Reibungsverlust des gasförmigen Mediums mit der inneren Oberfläche der ersten Strömungsverbin dung statt, wodurch der Strömungsverlust und/oder der Druckverlust gering bleibt. Somit lässt sich der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung verbessern.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist die zweite Strömungsver bindung als eine zweite Verbindungsplatte mit dem zweiten innenliegenden Strö mungskanal ausgebildet, wobei die zweite Verbindungsplatte des Rezirkulations- gebläses als Teil des Gehäuses des Rezirkulationsgebläses ausgebildet ist und wobei die zweite Verbindungsplatte des Rezirkulationsgebläses in Richtung des zweiten Strömungskanals vom Rezirkulationsgebläse wegragt. Weiterhin steht das Gehäuse des Rezirkulationsgebläses mittels der zweiten Verbindungsplatte mit dem Wasserabscheider in Richtung des zweiten Strömungskanals in Anlage, wobei sich der zweite Dichtring in Richtung des zweiten Strömungskanals und/o der umlaufend um den zweiten Strömungskanal zwischen der zweiten Verbin dungsplatte und dem Wasserabscheider befindet. Auf diese Weise kann der Vor teil erzielt werden, dass eine Positionierung der Komponenten Rezirkulationsge bläse und Wasserabscheider zueinander auf der Abschlussplatte erfolgen kann, unabhängig von Toleranzabweichungen der Komponenten zueinander, insbe sondere in Richtung der ersten Strömungsverbindung. Dadurch kann eine schnelle Montage der Bauteile Rezirkluationspumpe und Wasserabscheider an einander gewährleisten werden und es lassen sich somit die Montagekosten re duzieren. Weiterhin lassen sich die Komponenten Rezirkulationsgebläse und Strahlpumpe in einer kompakten Bauweise miteinander verbinden. Des Weiteren findet aufgrund der geringen Länge der ersten Strömungsverbindung zwischen den Komponenten, die aufgrund der Ausgestaltung die erste Strömungsverbin dung mit der ersten Verbindungsplatte möglich ist, ein geringerer Reibungsver lust des gasförmigen Mediums mit der inneren Oberfläche der ersten Strömungs verbindung statt, wodurch der Strömungsverlust und/oder der Druckverlust ge ring bleibt. Somit lässt sich der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung verbessern. Gemäß einer vorteihaften Ausgestaltung bildet der erste innenliegende Strö mungskanal innerhalb des Gehäuses des Rezirkulationsgebläses eine Krüm mung aus, wobei eine Umlenkung und/oder Strömungsführung des gasförmigen Mediums im ersten Strömungskanal durch die Krümmung erfolgt. Dies bietet den Vorteil, dass eine, insbesondere aufgrund der Anordnung der Komponenten Wasserabscheider, Rezirkulationspumpe und Ventil-Strahlpumpenanordnung zu einander, notwendige Umlenkung des gasförmigen Mediums in der parallel zum plattenförmigen Trägerelement verlaufende Ebene derart erfolgt, dass die Strö mungsverluste und/oder Druckverluste aufgrund der Umlenkung möglichst gering gehalten werden können. Zu diesem Zweck ist der Radius der Krümmung derart gewählt, dass die Reibungsverluste zwischen dem gasförmigen Medium und der inneren Oberfläche des ersten innenliegenden Strömungskanals möglichst ge ring sind. Hierbei wird in vorteilhafter Weise der Krümmungsradius und/oder der Durchmesser des ersten Strömungskanals in Strömungsrichtung variiert, bei spielsweise durch eine Verjüngung, so dass eine möglichst geringe Reibung auf- tritt. Somit können aufgrund der Strömungsumlenkungen und/oder Änderung der Strömungsrichtungen des gasförmigen Mediums durch die Krümmung Druckver luste und Reibungsverluste reduziert werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Rezirkulationsgebläses und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung und/o der der gesamten Fördereinrichtung verbessert werden. Durch die Integration der Krümmung im Gehäuse des Rezirkulatisonsgebläses lässt sich der Vorteil erzie len, dass zwischen dem Auslass eines Verdichterbereichs und der Krümmung ein möglichst geringer Abstand besteht, wodurch sich ein erhöhter Staudruck, insbesondere ein Rückstaudruck durch die Krümmung an der Auslassöffnung des Seitenkanals aufbaut. Dies kann sich vorteilhaft auf den Wirkungsgrad des Rezirkulationsgebläses bei verschiedenen Betriebspunkten der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellen-Systems auswirken, da sich ein erhöhter Stau druck vorteilhaft auf einen schnellen Aufbau einer günstigen Förderwirkung des Rezirkulationsgebläses auswirkt. Zudem ist eine Integration der Krümmung in das Gehäuse des Rezirkulationsgebläses insoweit vorteilhaft, dass kein weitere Bauraum für die Fördereinrichtung, beispielsweise in Form einer zusätzlichen Verrohrung zwischen dem Rezirkulationsgebläse und der Ventil-Strahlpumpena nordnung, benötigt wird. Somit lässt sich der Vorteil einer kompakten Bauform der Fördereinrichtung erzielen. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrie ben.

Es zeigt:

Figur 1 zeigt in einer Draufsicht eine Fördereinrichtung mit den Komponenten kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung, Rezirkulationsgebläse und Wasserabscheider, die auf einem plattenförmigen Trägerelement positioniert sind gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels,

Figur 2 zeigt in einer Draufsicht die Fördereinrichtung mit den Komponenten kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung, Rezirkulationsgebläse und Wasserabscheider, die auf dem plattenförmigen Trägerelement positioniert sind gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels,

Figur 3 zeigt in einer Seitenansicht ein Brennstoffzellen-System mit der För- dereinrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 4 zeigt einen in Figur 1 mit II bezeichneten Ausschnitt des Rezikulati- onsgebläse mit einem Gehäuse in einer Draufsicht.

Ausführungsformen der Erfindung

Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Förder einrichtung 1 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht.

In Fig. 1 ist gezeigt, dass die Fördereinrichtung 1 ein plattenförmiges Trägerelee- ment 2 aufweist, auf dem die Komponenten Strahlpumpe 4, Dossierventil 6, Re zirkulationsgebläse 8 und Wasserabscheider 10 angebracht sind. Die Förderein richtung 1 dient dabei zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, inbesondere Fh. Des Weiteren wird die Strahlpumpe 4 von einem unter Druck stehenden gasförmigen Medium angetrieben, wobei das unter Druck ste hende gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein Treibmedium handelt, der Strahlpumpe 4 mittels des Dossierventils 6 zugeführt wird. Zudem bilden das Dossierventil 6 und die Strahlpumpe 4 eine kombinierte Ventil-Strahl pumpenanordnung 12, wobei das Dossierventil 6 zumindest teilweise in die Strahlpumpe 4 integriert ist. Die kombinierte Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 weist zudem einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36, einen Ansaugbe reich 18 und einen Diffusor- Bereich 20 auf. Das Rezirkulationsgebläse 8 bildet eine erste Strömungsverbindung 7 aus, wobei die erste Strömungsverbindung 7 als Teil eines Gehäuses 24 des Rezirkulationsgebläses 8 ausgebildet ist und wo bei die erste Strömungsverbindung 7 direkt in den ersten Zulauf 28 der Ventil- Strahlpumpenanordnung 12 mündet. Somit sind das Rezirkulationsgebläse 8 und die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12, insbesondere die Strahlpumpe 4, mittels der ersten Strömungsverbindung 7 fluidisch miteinander verbunden. Dabei bildet die erste Strömungsverbindung 7 einen ersten Verbindungszapfen 11, insbeson dere einen zylindrischen ersten Verbindungszapfen 11, mit einem ersten innen liegenden Strömungskanal 15 aus, wobei der erste Verbindungszapfen 11 als Teil des Gehäuses 24 des Rezirkulationsgebläses 8 ausgebildet ist und in Rich tung des ersten Strömungskanals 15 vom Rezirkulationsgebläse 8 wegragt. Der erste Strömungskanal 15 ist dabei als eine im Gehäuse 24 des Rezirkulationsge bläses 8 verlaufende innenliegende Verrohrung ausgeführt und dient zur Strö mungsführung des gasförmigen Mediums. Der erste Verbindungszapfen 11 der ersten Strömungsverbindung 7 und/oder des Gehäuses 24 ragt dabei in eine erste Aussparung 19, inbesondere eine zylindrische erste Aussparung 19, der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 hinein, wobei eine Abdichtung zwischen dem ersten Verbindungszapfen 11 und der ersten Aussparung 19 durch einen ersten Dichtring 14 erfolgt, wobei es sich insbesondere um einen ersten Dichtring 14 aus einem elastischen Material, beispielsweise einen O-Ring handelt. Die erste Strömungsverbindung 7 geht im Bereich der Strahlpumpe 4 in den ersten Zulauf 28 über. Ein plattenförmiges Trägerelement 2 verläuft dabei in Richtung einer Längsachse 50 und einer Querachse 52 und/oder parallel zu einer durch die Längsachse 50 und die Querachse 52 ausgebildeten Ebene 48. Zudem wird die Fördereinrichtung 1 zum einen von einem gasförmigen Medium durchströmt, bei dem es sich insbesondere um ein Rezirkulationsmedium han delt, wobei das Rezirkulationsmedium nach erfolgtem Durchströmen einer Brenn stoffzelle 29 (gezeigt in Fig. 3) erneut durch die Fördereinrichtung 1 strömt. Zum anderen wird der Fördereinrichtung 1 das Treibmedium zugeführt, wobei das Treibmedium mittels einer Zuleitung aus einem Tank, insbesondere einem Hoch drucktank des Brennstoffzellensystems 31 zugeführt wird.

Des Weiteren ist in Fig. 1 gezeigt, dass sich der Wasserabscheider 10 zwischen einem Anodenausgang 3 und dem Rezirkulationsgebläse 8 befindet und fluidisch mit diesen verbunden ist. Dabei bildet der Wasserabscheider 10 eine direkte zweite Strömungsverbindung 9 mit dem Rezirkulationsgebläse 8 aus und ist flui disch mit diesem verbunden. Die zweite Strömungsverbindung 9 ist dabei als Teil des Gehäuses 24 des Rezirkulationsgebläses 8 ausgebildet, wobei die zweite Strömungsverbindung 9 direkt in einen Ablauf 32 des Wasserabscheiders 10 mündet. Die zweite Strömungsverbindung 9 bildet dabei einen zweiten Verbin dungszapfen 13, insbesondere einen zylindrischen zweiten Verbindungszapfen 13, mit einem zweiten innenliegenden Strömungskanal 17 aus, wobei der zweite Verbindungszapfen 13 als Teil des Gehäuses 24 des Rezirkulationsgebläses 8 ausgebildet ist und in Richtung des zweiten Strömungskanals 17 vom Rezirkulati onsgebläse 8 wegragt. Der zweite Strömungskanal 17 ist dabei als eine im Ge häuse 24 des Rezirkulationsgebläses 8 verlaufende innenliegende Verrohrung ausgeführt und dient zur Strömungsführung des gasförmigen Mediums. Der zweite Verbindungszapfen 13 der zweiten Strömungsverbindung 9 und/oder des Gehäuses 24 ragt dabei in eine zweite Aussparung 21, inbesondere eine zylindri sche zweite Aussparung 21, des Wasserabscheiders 10 hinein, wobei eine Ab dichtung zwischen dem zweiten Verbindungszapfen 13 und der zweiten Ausspa rung 21 durch einen zweiten Dichtring 16 erfolgt, wobei es sich insbesondere um einen zweiten Dichtring 16 aus einem elastischen Material, beispielsweise einen O-Ring handelt. Der zweite Dichtring 16 befindet sich dabei zwischen der Außen durchmesser des zweiten Verbindungszapfens 13 und dem Innendurchmesser der zweiten Aussparung 21. Weitherhin ist in Fig. 1 gezeigt, dass zum einen ein Eingang der Fördereinrich tung 1 mit dem Anodenausgang 3 der Brennstoffzelle 29, inbesondere fluidisch, verbunden ist und zum anderen ein Anodeneingang 5 mit dem Ausgang der För dereinrichtung 1, inbesondere fluidisch, verbunden ist. Ein beispielhafter Strö mungsdurchlauf des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um das Rezirkulationsmedium handelt, von der Brennstoffzelle 29 durch die Förder einrichtung 1 erfolgt in der Reihenfolge Wasserabscheider 10, Rezirkulationsge- bläse 8, Ventil-Strahlpumpenanordnung 12. Das gasförmige Medium strömt da bei in einer Strömungsrichtung VI durch die Komponenten.

Innerhalb der Strahlpumpe 4 und/oder der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 fin det ein sogenannter Strahlpumpeneffekt statt. Dazu strömt durch den zweiten Zulauf 36 von außerhalb der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 das gasförmige Treibmedium, insbesondere H _2, in das Dossierventil 6 ein, inbesondere von ei nem Hochdrucktank. Des Weiteren wird das Rezirkulationsmedium vom Rezirku- lationsgebläse 8 durch die erste Strömungsverbindung 7 und den ersten Zulauf 28 in den Ansaugbereich 18 der Strahlpumpe 4 gefördert. Das Treibmedium wird nun mittels eines Öffnens des Dossierventils 6, insbesondere unter hohem Druck, in den Ansaugbereich 18 eingebracht. Dabei strömt das gasfrömige Treib medium in Richtung der Strömungsrichtung VI. Das aus dem zweiten Zulauf 36 in den Ansaugbereich 18 strömende und als Treibmedium dienende H ₂ weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in den Ansaugbereich 18 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere ei nen höheren Druck von mindestens 10 bar aufweist. Damit sich der Strahlpum peneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Maßenstrom in den in den Ansaugbereich 18 der Strahlpumpe 4 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwin digkeit liegt, durch das Dossierventil 6 in den Ansaugbereich 18 ein. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im Ansaugbe reich 18 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits und/oder Druckdifferenz zwischen dem Treibmediums und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mit gerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung VI beschleunigt und es entsteht auch für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 und/oder der ersten Strömungsverbindung 7 nach gefördert wird. Durch eine Änderung und/oder Regulierung der Öffnungsdauer und der Öffnungsfrequenz des Dossierventils 6 kann eine Förderrate des Rezir- kulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesam ten Brennstoffzellen-Systems 31 (nicht in Fig. 1 gezeigt, vgl. Fig. 3) je nach Be triebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Fördereinrichtung 1 gemäß der Erfindung in einer Draufsicht. Dabei ist die erste Strömungsverbindung 7 als eine erste Verbindungsplatte 25 mit dem ersten innenliegenden Strömungskanal 15 ausgebildet, wobei die erste Verbindungsplatte 25 als Teil des Gehäuses 24 des Rezirkulationsgebläses 8 ausgebildet ist und wobei die erste Verbindungsplatte 25 in Richtung des ersten Strömungskanals 15 vom Rezirkulationsgebläse 8 wegragt. Weiterhin steht das Gehäuse 24 des Rezirkulationsgebläses 8 mittels der ersten Verbindungsplatte 25 mit der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 in Richtung des ersten Strömungskanals 15 in Anlage, wobei sich der erste Dicht ring 14 in Richtung des ersten Strömungskanals 15 und/oder umlaufend um den ersten Strömungskanal 15 zwischen der ersten Verbindungsplatte 25 und der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 befindet.

Des Weiteren ist in Fig. 2 gezeigt, dass die zweite Strömungsverbindung 9 als eine zweite Verbindungsplatte 27 mit dem zweiten innenliegenden Strömungska nal 17 ausgebildet ist, wobei die zweite Verbindungsplatte 27 als Teil des Gehäu ses 24 des Rezirkulationsgebläses 8 ausgebildet ist und wobei die zweite Verbin dungsplatte 27 des Rezirkulationsgebläses 8 in Richtung des zweiten Strö mungskanals 17 vom Rezirkulationsgebläse 8 wegragt. Dabei steht das Gehäuse 24 des Rezirkulationsgebläses 8 mittels der zweiten Verbindungsplatte 27 mit dem Wasserabscheider 10 in Richtung des zweiten innenliegenden Strömungs kanals 17 in Anlage steht, wobei sich der zweite Dichtring 16 in Richtung des zweiten Strömungskanals 17 und/oder umlaufend um den zweiten Strömungska nal 17 zwischen der zweiten Verbindungsplatte 27 und dem Wasserabscheider 10 befindet.

Fig. 3 zeigt in einer Seitenansicht das Brennstoffzellen-System 31 mit der För- dereinrichtung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei ist gezeigt, dass die Komponenten der Fördereinrichtung 1, insbesondere der Wasserabscheider 10, das Rezirkulationsgebläse 8 und die Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 der art auf dem plattenförmigen Trägerelement 2 positioniert sind, dass die Strö mungsleitungen zwischen und/oder innerhalb der Komponenten der Förderein richtung 1 auschliesslich parallel zum plattenförmigen Trägerelement 2 verlaufen, wobei das plattenförmige Trägerelement 2 zwischen der Brennstoffzelle 29 und der Fördereinrichtung 1 angeordnet ist. Dabei strömt das gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um das Rezirkulationsmedium handelt, von der Brennstoffzelle 29 über den Anodenausgang 3 durch das plattenförmige Trä gerelement 2 in die Fördereinrichtung 1 ein, insbesondere in den Wasserab scheider 10. Innerhalb der Fördereinrichtung 1 verlaufen die Strömungsleitungen in den Komponenten und auch zwischen den Komponenten, wobei es sich hier bei insbesondere um die erste Strömungsverbindung 7 und die zweite Strö mungsverbindung 9 handelt, zumindest annähernd parallel zum plattenförmigen Trägerelement und somit zumindest annähernd parallel zur der in Fig. 3 gezeig ten Ebene 48. Die Ebene 48 verläuft hierbei in Richtung der Längsachse 50 und der Querachse 52 (gezeigt in Fig. 2). Somit durchströmt das gasförmige Medium die Fördereinrichtung 1 ausschließlich in der zumindest annähernd parallel zum plattenförmigen Trägerelement 2 verlaufenden Ebene 48. Weitherhin erfolgt eine Umlenkung und/oder Strömungsführung des gasförmigen Mediums in der För dereinrichtung 1 ausschließlich im Bereich des Rezirkulationsgebläses 8 und/o der der Ventil-Strahlpumpenanordnung 12 und zumindest annähernd parallel zur Ebene 48 der Fördereinrichtung 1. Nur im Bereich des Anodenausgangs 3 und des Anodeneingangs 5, bei dem die Förderneinrichtung über das plattenförmige Trägerelement 2 mit der Brennstoffzelle 29 verbunden ist, wird die Strömungs richtung VI parallel zur Ebene 48 verlassen, wobei sich dieser Bereich nicht oder nur teilweise in dem Bereich der Fördereinrichtung 1 befindet, in dem ein Einströ men und/oder ein Ausströmen des gasförmigen Mediums aus der Fördereinrich- tung 1 erfolgt. In dem Bereich, in dem die Fördereinrichtung das gasförmige Me dium über den Anodeneingang 5 in die Brennstoffzelle 29 zurückfördert, weist die Fördereinrichtung 1 im Bereich der Strahlpumpe 4 einen Auslass-Krümmer 26 und ein Verbindungsstück 30 auf, wobei das Verbindungsstück 30 in den Ano deneingang 5 übergeht.

In Fig. 4 ist eine Draufsicht des Rezikulationsgebläses 8 mit dem Gehäuse 24 gezeigt. Dabei weist das Gehäuse 24 eine zweite Strömungsverbindung 9 auf, mittels derer das gasförmige Medium aus dem Ablauf 32 des Wasserabscheiders 10 kommend in das Rezirkulationsgebläse 8 einströmt. Dabei strömt das gasför mige Medium in Strömungsrichtung VI durch die zweite Strömungsverbindung 9 in den zweiten innenliegenden Strömungskanal 17 des Rezirkulationsgebläses 8. Nach dem Durchströmen des zweiten Strömungskanals 17 in Strömungsrichtung VI erreicht das gasförmige Medium innerhalb des Gehäuses 34 des Rezirkulati onsgebläses 8 einen Verdichterbereich 38 mit einem Verdichterrad 33, wobei das Verdichterrad 33 in eine Rotation in einer Drehrichtung 35 durchführt. Durch die Rotation des Verdichterrads 33, an dessen äußeren Umfang Schaufelblätter 37 angeordnet sind, erfolgt eine Beschleunigung und/oder Verdichtung des gasför migen Mediums in Drehrichtung 35 im Verdichterbereich 38 des Rezirkulations gebläses 8. Nach der erfolgten Beschleunigung und/oder Verdichtung des gas förmigen Mediums durch das Verdichterrad 33 strömt das gasförmige Medium in Strömungsrichtung VI in den ersten innenliegenden Strömungskanal 15 ein. Da bei bildet der erste innenliegende Strömungskanal 15 innerhalb des Gehäuses 24 des Rezirkulationsgebläses 8 eine Krümmung 22 aus, wobei eine Umlenkung und/oder Strömungsführung des gasförmigen Mediums im ersten Strömungska nal 15 durch die Krümmung 22 erfolgt. Dabei erfolgt die durch die Konstruktion des Rezirkulationsgebläses 8 und/oder der Fördereinrichtung 1 bedingte Umlen kung des gasförmigen Mediums auschliesslich zumindest annähernd parallel zur Ebene 48 Druckverluste und Reibungsverluste aufgrund einer Umlenkung des gasförmigen Mediums gering gehalten werden können. Des Weiteren ist der Be reich der Krümmung 22 innerhalb des Gehäuses 24 angeordnet wodurch eine erdorderliche Umlenkung und/oder Strömungsführung des gasförmigen Mediums ohne zusätzlichen Bauraum und/oder zusätzliche Bauteile zwischen den Kompo nenten Rezirkulationsgebläse 8 und Ventil-Strahlpumpenanordnung 12, wie bei spielsweise einer Verrohrung, notwendig sind. Der Bereich der Krümmung 22 kann dabei Strömungstechnisch derart optimiert werden, dass sich der Strö mungsquerschnitt in Strömungsrichtung VI ändert, beispielsweise in Form einer Verjüngung. Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.