用于燃料电池系统的用于气态介质的输送和/或再循环的输送装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于燃料电池系统的输送装置，用于气态介质、尤其是氢气的输送和/或再循环，所述输送装置尤其设置为用于在具有燃料电池驱动装置的车辆中使用。


背景技术：

2.在汽车领域中，除了液态燃料之外，气态燃料将来也起到越来越大的作用。尤其是在燃料电池动力车辆中，需要控制氢气流量。在此，气流不再像在喷射液态燃料时那样不连续地控制，而是将气体从至少一个高压罐中取出并且通过中压管路系统的入流管路引导到输送装置上。该输送装置将气体经由低压管路系统的连接管路引导至燃料电池。
3.由de 10 2017 222 390 a1已知一种用于燃料电池系统的输送装置，用于气态介质的输送和/或再循环，该输送装置具有再循环鼓风机和由处于压力下的气态介质的驱动射束驱动的喷射泵，其中，燃料电池的阳极输出端与输送装置的输入端至少间接地流体连接，输送装置的输出端与燃料电池的阳极输入端流体连接。在此，处于压力下的气态介质借助计量阀被供应给喷射泵，并且喷射泵和计量阀形成组合的阀-喷射泵组件。
4.由de 10 2017 222 390 a1已知的输送装置可能具有一定的缺点。根据该发明，再循环鼓风机和喷射泵的部件相互流体连接并且与燃料电池流体连接，使得这些部件串联连接。在此，未消耗的气态介质通过回引管路从燃料电池、尤其是阳极区域至少间接地流到再循环鼓风机。在气态介质在再循环鼓风机中被压缩并流经该再循环鼓风机之后，气态介质进一步从再循环鼓风机的气体排出开口流到喷射泵和/或组合的阀-喷射泵组件的第一流入口。由于部件再循环鼓风机和输送装置的阀-喷射泵组件的这种串联布置以及由此在流动技术上前后相继的布置，必须将它们设计得相对较大，以便能够实现和提供燃料电池中所需的体积流。而且，在关断再循环鼓风机时，在燃料电池的某些负荷点和/或运行点，气态介质必须仍然完全流过该再循环鼓风机，以便到达喷射泵，其中，再循环鼓风机在关断状态下形成流动阻力。


技术实现要素：

5.根据本发明，提出一种用于燃料电池系统的输送装置，用于气态介质、尤其是氢气的输送和/或再循环，其中，氢气在下面被称为h2。在此，输送装置具有再循环鼓风机和由处于压力下的气态介质的驱动射束驱动的带有计量阀的喷射泵。在此，处于压力下的气态介质借助计量阀被供应给喷射泵，其中，喷射泵具有抽吸区域、混合管、扩散区域和端部区域。燃料电池的阳极输出端在此与输送装置的输入端流体连接，其中，输送装置的输出端与燃料电池的阳极输入端流体连接，其中，喷射泵和计量阀形成组合的阀-喷射泵组件。
6.根据权利要求1，输送装置构造成使得阀-喷射泵组件和输送装置的再循环鼓风机流体并行地布置和/或互连。以这种方式可以获得的优点是，再循环鼓风机和组合的阀-喷射泵组件的体积流叠加，并且因此至少几乎相互加强。因此，再循环鼓风机和组合的阀-喷
射泵组件的部件可以设计得更小和/或将尺寸设计成用于产生与串联布置并因此前后相继布置的情况相同的体积流。以这种方式，可以减小用于整个输送装置的结构空间，尤其是用于燃料电池系统中和/或整车中的构件再循环鼓风机和/或组合的阀-喷射泵组件和/或喷射泵和/或计量阀的结构空间。此外，可以降低再循环鼓风机和/或组合的阀-喷射泵组件和/或喷射泵和/或计量阀的制造成本和/或装配成本。此外，较小尺寸的构件、尤其再循环鼓风机和计量阀在运行中需要较少的能量、尤其电能，例如由于要运动的部分的较小质量，由此能够降低输送装置的运行成本。
7.通过在从属权利要求中所列举的措施，可以实现在权利要求1中所说明的输送装置的有利的改进方案。从属权利要求涉及本发明的优选改进方案。
8.根据输送装置的一个有利构型，节点位于阀-喷射泵组件和再循环鼓风机上游，在该节点处，流动管路、尤其是回流管路在流动技术上分支，其中，气态介质一方面通过第一连接管路从该节点流动到再循环鼓风机并且通过第二连接管路从该节点流动到阀-喷射泵组件。以这种方式，可以实现来自燃料电池的未消耗的介质、尤其是再循环介质的流量的分支，使得气态介质以有利的方式被馈送和/或被供给给部件再循环鼓风机和阀-喷射泵组件。在输送装置的另一种有利的示例性实施方式中，节点可以电子地、机械地或以其它方式操控，使得实现气态介质的体积流的可控制分配，使得在该情况下更多的输送量被引导到再循环鼓风机，而更少的输送量被输送到阀-喷射泵组件，并且反之亦然，这取决于燃料电池系统的运行状态和部件的相应的最佳负荷点。体积流的第一示例性划分如下：100％的体积流借助气态介质的节点引导到再循环鼓风机，并且0％的体积流被引导到阀-喷射泵组件。体积流借助节点的第二示例性划分如下：0％的气态介质体积流被引导到再循环鼓风机，并且100％的气态介质体积流被引导到阀-喷射泵组件。此外，可以在它们之间形成所有的分配情景，例如，30％的体积流通过气态介质的节点被引导到再循环鼓风机，并且70％的体积流被引导到阀-喷射泵组件。这例如可以借助至少一个阀来实现，由此例如在一个部件失效时完全避免该部件的流动阻力。以这种方式，可以提高输送装置和/或整个燃料电池系统的效率，并且可以降低运行成本。此外，如果再循环鼓风机或组合的阀-喷射泵组件中的一个发生故障，由于并行布置，燃料电池系统可以更有效地继续运行。此外，通过对部件的相应馈送，燃料电池系统总是可以在最佳的运行点运行，由此可以在运行状态的大的带宽上改善效率。
9.根据输送装置的一种有利的改进方案，第一流动通道位于阀-喷射泵组件下游，第二流动通道位于再循环鼓风机下游，其中，这两个流动通道构成集成的流动复合部。以这种方式可以实现再循环鼓风机和阀-喷射泵组件在其后置的下游部件方面和/或一般地在其在车辆中的布置方面的节省空间的布置。以这种方式，可以减小输送装置在燃料电池系统中所需的结构空间，尤其是在将输送装置安装在燃料电池上时，其中，输送装置以其部件定位在板状的载体元件上，和/或在整个车辆中减小所需的结构空间。
10.此外，可以节省零件成本和/或材料成本。
11.根据输送装置的一种特别有利的构型，合成的第三流动通道位于相应的流动通道和/或集成的流动复合部下游，在该合成的第三流动通道中，第一流动通道和第二流动通道汇合。以这种方式，可以实现相应在前的、尤其是至少近似平行延伸的第一和第二流动通道在流动技术上最佳的汇合。在此，在两个流动通道汇合时，产生尽可能小的由于涡流的摩擦
和/或介质与相应流动通道的壁的摩擦，由此可以提高再循环鼓风机和/或阀-喷射泵组件和/或输送装置和/或燃料电池系统的效率。此外，由于输送装置的这种根据本发明的构型，其具有集成的、尤其由第一和第二流动通道合成的第三流动通道形式的流动通道，可以防止气态介质回流到再循环鼓风机和/或阀-喷射泵组件中。
12.根据一种有利的构型，第一流动通道和第二流动通道借助第二壁流体分离，尤其是在流动通道进一步在下游过渡到合成的第三流动通道中之前。以这种方式，可以防止来自再循环鼓风机的相应的流和来自阀-喷射泵组件的流在集成的流动通道复合体的区域中混合，其中，这些流尤其可以具有不同的速度和/或不同的压力水平和/或不同的组成。这样一方面可以防止气态介质回流到再循环鼓风机和/或阀-喷射泵组件中，和/或可以改善输送装置的效率。此外，可以在流动通道复合体的区域中实现输送装置的紧凑的结构方式。
13.根据输送装置的一种特别有利的构型，第一流动通道具有第一高度，并且第二流动通道具有第二高度。在此，两个流动通道具有至少几乎相同的宽度，其中，该宽度大于相应的高度，尤其是至少以因数2大于相应的高度。以这种方式可以实现相应的流动通道和/或集成的流动通道复合体的紧凑的结构形式。此外，输送装置的这种构型在将作为输送装置的一部分的流动通道布置在输送装置与燃料电池之间的板状的载体元件上时实现了优点。此外，当必须实现气态介质的流动的转向、尤其是几乎直角的转向，进而该气态介质必须从输送装置的输出端流入到燃料电池的阳极输入端中时，第一和第二流动通道的这种构型提供了优点。因此，能够提高燃料电池系统的效率。
14.根据输送装置的一种有利的改进方案，第二流动通道的第二高度大于第一流动通道的第一高度。以这种方式可以实现来自第一和第二流动通道的两种气态介质在合成的第三流动通道的区域中的更好的汇合。这是因为，在燃料电池系统的大多数运行状态下，来自再循环鼓风机的第二流动通道输送比来自阀-喷射泵组件的第一流动通道更大的体积流，尤其是由于再循环鼓风机的输送体积功率比阀-喷射泵组件的输送体积功率更高。因此，通过这种方式可以在燃料电池系统的至少几乎所有运行状态上提高输送装置的效率。此外，以这种方式可以防止气态介质回流到阀-喷射泵组件中。
15.根据一个有利的构型，喷射泵具有对称轴线，其中，第一流动通道具有第一纵轴线，并且第二流动通道具有第二纵轴线，其中，相应的纵轴线与对称轴线成角度α地延伸，其中，这些纵轴线至少几乎彼此平行地延伸。在此，角度α可以位于0.5
°
至90
°
之间的范围内。以这种方式，可以避免气态介质回流到阀-喷射泵组件中，并且输送装置可以具有紧凑的结构形式，尤其是在部件再循环鼓风机和阀-喷射泵组件及其周边部件和/或附件相对彼此的方位方面。
16.根据一种特别有利的改进方案，输送装置在集成的流动通道复合体和/或合成的第三流动通道的区域中、尤其在相应的纵轴线或合成的纵轴线的区域中具有流动方向的另外的转向部，其中，该转向部例如几乎直角地构造。此外，提供了如下流动技术优点，其中，在合成的流动通道的区域中的汇合部具有尽可能大的转向，尤其是至少几乎直角的转向，其中，实现了从一个第一流入通道的流动到另一个第二流入通道的现有流动的高的转向损失。以这种方式，可以在各个流动通道中、尤其是在阀-喷射泵组件的第一流动通道中防止回流。防止回流的另外的构件、例如止回阀在集成的流动通道复合体和/或合成的第三流动通道的区域中不再是必需的，由此可以降低产品成本，但是也可以防止这种构件的失效概
率，例如由于在低温下长时间的使用而被冻结的水损坏。因此，可以增加输送装置的使用寿命和/或可以减少输送装置的总成本。
17.根据一种有利的构型，相应流动通道的宽度以因数2至200大于相应的高度。以这种方式能够实现输送装置的成本低廉的构型，其中，气态介质通过相应的流动通道的回流被阻止。此外，能够减少输送装置的所需结构空间。
附图说明
18.下面借助附图详细描述本发明。
19.附图示出：
20.图1输送装置的俯视图，该输送装置具有部件组合的阀-喷射泵组件、再循环鼓风机以及第一、第二和合成的第三流动通道，
21.图2集成的流动通道复合体的横截面的示意性的截面视图a-a，
22.图3根据本发明的具有燃料电池和输送装置的燃料电池系统的示意图。
具体实施方式
23.图1示出了输送装置1，其具有部件阀-喷射泵组件12、再循环鼓风机8以及第一流动通道15、第二流动通道17和合成的第三流动通道39。在此，阀-喷射泵组件12具有构件喷射泵4和计量阀6。第一流动通道15和第二流动通道17在此构成集成的流动通道复合体25。
24.在此，输送装置1的在图1中示出的部件在一种示例性的实施方式中可以固定在板状的载体元件上和/或通过该板状的载体元件固定在燃料电池29上。在此，输送装置1用于气态介质、尤其是h2的输送和/或再循环。此外，喷射泵4由处于压力下的气态介质驱动，其中，处于压力下的气态介质(其尤其是驱动介质)借助计量阀6供应给喷射泵4，其中，计量阀6至少部分地集成到喷射泵4中。在此，计量阀6尤其沿对称轴线13的方向插入到喷射泵4中。组合的阀-喷射泵组件12还具有第一流入口28、第二流入口36、抽吸区域18、混合管19、扩散区域20和供应部22。气态介质、尤其是再循环介质从燃料电池29的输出端经由至少一个第二流动连接部5，通过第一流入口28流入喷射泵4、尤其是抽吸区域18中。该气态介质在流过燃料电池29(在图3中示出)之后重新流过阀-喷射泵组件12。此外，驱动介质被供应给阀-喷射泵组件12，其中，驱动介质借助入流管路21从罐34、尤其是燃料电池系统31的高压罐34来供应。
25.此外，在图1中示出，再循环鼓风机8和阀-喷射泵组件12、尤其是喷射泵4在此仅间接地相互流体连接，尤其是仅间接地通过合成的第三流动通道39连接。由于输送装置1的这种实施方案和/或流动通道15、17、39的实施方案和布置，可以防止由再循环鼓风机8输送的气态介质回流到阀-喷射泵组件12中。
26.在图1中还示出，再循环鼓风机8具有气体进入开口33，该气体进入开口尤其可以实施为再循环鼓风机8的壳体24中的第一柱形凹部33，该第一柱形凹部可以借助第一连接管路3与(在图3中示出的)节点10连接。在此，第一连接管路3可以伸入再循环鼓风机8的第一柱形凹部33中，其中，通过第一密封环14实现密封，其中，该第一密封环尤其是由弹性材料制成的第一密封环14、例如o形环。此外，再循环鼓风机8在其壳体24中具有气体排出开口35，该气体排出开口尤其可以实施为第二柱形凹部35，再循环鼓风机8通过该第二柱形凹部
经由至少第二流动通道17和第三流动通道39与燃料电池29、尤其阳极区域38连接。在此，第二流动通道17可以伸入再循环鼓风机8的第二柱形凹部35中，其中，通过第二密封环16实现密封，其中，该第二密封环尤其是由弹性材料制成的第二密封环16、例如o形环。在再循环鼓风机8中输送和/或压缩的气态介质从再循环鼓风机8通过至少第二流动通道17沿流动方向vii流动到燃料电池29。喷射泵4和/或阀-喷射泵组件12在此沿流动方向vi被气态介质流过并且在此具有对称轴线13，其中，流动方向vi平行于对称轴线13延伸。
27.此外，在图1中示出，一方面输送装置1的输入端与燃料电池29的阳极输出端尤其是流体连接，并且另一方面燃料电池的阳极输入端与输送装置1的输出端尤其是流体连接。气态介质(其尤其是再循环介质)从燃料电池29通过输送装置1的示例性流动通路或者在通过阀-喷射泵组件12的路径上实现或者在通过再循环鼓风机8的第二路径上实现，其中，这两个路径并行地布置。
28.在此，气态介质在流动方向vi上以如下顺序穿过区域抽吸区域18、混合管19、扩散区域20、供应部22流过阀-喷射泵组件12。在喷射泵4和/或阀-喷射泵组件12内发生所谓的喷射泵效应。为此，气态的驱动介质、尤其是h2通过第二流入口36从阀-喷射泵组件12外部、尤其是从高压罐34流入计量阀6中。此外，来自燃料电池29的未消耗的再循环介质(其为h2并且必要时为其它组成部分如h2o和/或n2)通过第二流动管路5和第一流入口28被输送到喷射泵4的抽吸区域18中。现在，借助打开计量阀6、尤其是在高压下将工作介质引入到抽吸区域18中。在此，气态的驱动介质沿流动方向vi的方向流动。从第二流入口36流入抽吸区域18并且用作驱动介质的h2相对于再循环介质具有速度差和/或压力差，其中，再循环介质从第一流入口28流入抽吸区域18中。为了产生喷射泵效应，以低压和/或小质量流将再循环介质输送到喷射泵4的抽吸区域18中。在此，驱动介质以所描述的压力差和/或尤其是接近声速的高速度通过计量阀6流入到抽吸区域18中。在此，驱动介质遇到已经处于抽吸区域18中的再循环介质。由于驱动介质与再循环介质之间的高的速度差和/或压力差，在这些介质之间产生内摩擦和湍流。在此，在快速的驱动介质和明显更慢的再循环介质之间的边界层中产生剪切应力。这种应力引起动量传递，其中，再循环介质被加速并被带走。根据动量守恒的原理进行混合。在此，再循环介质在流动方向vi上加速并且也针对再循环介质产生压力降，由此使用抽吸作用并且因此从第一流入口28和/或第二流动管路5的区域补充输送另外的再循环介质。通过改变和/或调节计量阀6的打开持续时间和打开频率，可以调节再循环介质的输送速率并且取决于运行状态和运行要求与整个燃料电池系统31(在图1中未示出，参见图3)的相应需求相匹配。
29.在已经发生流动转向、尤其是在供应部22中发生角度α的流动转向之后，气态介质从阀-喷射泵组件12通过集成的流动通道复合体25的第一流动通道15进一步流入到合成的第三流动通道39中，在该第三流动通道中，来自阀-喷射泵组件12的气态介质与来自再循环鼓风机8的气态介质混合。在此，输入装置22的第二壁37引起气态介质的流动方向的转向，因为该第二壁与流动方向vi成α角地延伸并且气态介质撞击到第二壁37上并且然后被该第二壁偏转。
30.此外，在图1中示出，喷射泵4具有对称轴线13，第一流动通道15具有第一纵轴线41，并且第二流动通道17具有第二纵轴线43，其中，相应的纵轴线41、43与对称轴线13成角度α地延伸，其中，纵轴线41、43至少几乎彼此平行地延伸。在此，阀-喷射泵组件12和输送装
置1的再循环鼓风机8在流动技术上并行地布置和/或互连。在此，第一流动通道15位于阀-喷射泵组件12或喷射泵4下游，并且第二流动通道17位于再循环鼓风机8下游，其中，这两个流动通道15、17构成集成的流动复合部25。此外示出，合成的第三流动通道39位于相应的流动通道15、17和/或集成的流动复合部25下游，在该合成的第三流动通道中，第一流动通道15和第二流动通道17在流动技术上汇合。在此，在集成的流动通道复合体25的区域中在流动技术上实现如下作用：气态介质的两个流动尤其以至少几乎相同的矢量在相同的方向上流动。
31.在再循环鼓风机8与集成的阀-喷射泵组件12、尤其是喷射泵4并行地互连和/或相互连接的情况下，两个部件8、12的体积流可以有利地叠加，由此，部件8、12可以被设计得更小。然而，在此可能出现的问题是，集成的阀-喷射泵组件12在燃料电池系统31的低的负荷点和/或运行点不能建立足够的压力，尤其是为了维持第一流动通道15中的压力来阻止再循环鼓风机8的输送量从合成的第三流动通道39通过第一流动通道15回流到喷射泵4中。在此，再循环介质在阀-喷射泵组件12中的再循环会被驱动介质完全中断。为了防止这一点，输送装置1可以在未在图1中示出另一示例性的实施方式中在集成的流动通道复合体25和/或合成的第三流动通道39的区域中具有流动方向的另外的转向部，该另外的转向部通过流动通道15、17、39的结构成形来实现。这例如适用于相应的纵轴线41、43的区域中或合成的第三纵轴线的区域中，其中，该转向部例如几乎直角地构造。然而，这种偏转部还可以与相应的纵轴线41、43正交地实现，尤其是朝向燃料电池29的阳极输入端。
32.此外有利的是，例如将输送装置1的部件布置在板状的载体元件上，由此能够实现构件彼此间的简单定位，其方式是，这些部件必须分别与板状的载体元件连接。由此可以减少用于装配所需的构件数量，这又导致输送装置1的成本节省。此外，降低了由于输送装置1的彼此错误地定向的部件而引起的装配错误的概率，这又降低了输送装置1在运行中的失效概率。
33.图2与流动方向vii相反地示出了集成的流动通道复合体25的横截面的示意性截面视图a-a。在此示出，第一流动通道15和第二流动通道17借助第一壁26流体分离。该第一壁26将两个流动通道15、17分离，直到它们进一步在下游过渡到合成的第三流动通道39中。在此，第一流动通道15具有第一高度7并且第二流动通道17具有第二高度9，其中，在流动通道复合体25的一个示例性的实施方式中，第二流动通道17的第二高度9大于第一流动通道15的第一高度7。此外，两个流动通道15、17具有至少几乎相同的宽度11，其中，宽度11大于相应的高度7、9，尤其是至少以因数2大于相应的高度。在此，宽度11可以以因数2至200大于相应的高度7、9或者大于第一高度7和第二高度9的和。
34.图3以示意图示出了根据本发明的燃料电池系统31，其具有燃料电池29和输送装置1的一种示例性的实施方式。在此，尤其示出了阳极侧的部件以及它们相对彼此的布置。在此，输送装置1具有节点10、第一连接管路3、第二连接管路5、再循环鼓风机8、阀-喷射泵组件12、集成的流动通道复合体25以及合成的第三流动通道39。输送装置1在此通过合成的第三流动通道39与燃料电池29连接，该燃料电池包括阳极区域38和阴极区域40。在此，气态介质沿流动方向viii从集成的流动通道复合体25经由合成的第三流动通道39流动到燃料电池29的阳极区域38。
35.此外示出，未消耗的气态介质(其尤其被称为再循环介质)经由回引管路23沿流动
方向viii流回到输送设备1。到达那里时，气态介质遇到节点10。该节点10位于阀-喷射泵组件12和再循环鼓风机8上游，其中，回引管路23在节点10处流体地分支，其中，一方面气态介质经由第一连接管路3从节点10流动到再循环鼓风机8，并且另一方面气态介质的剩余部分经由第二连接管路5从节点10流动到阀-喷射泵组件12，其中，气态介质、尤其是再循环介质经由第一流入口28流入阀-喷射泵组件12的喷射泵4中。
36.如由图3进一步可见，储存在罐34中、尤其是至少几乎700bar的第二气态介质经由入流管路21供应给输送装置1的、尤其是计量阀6的流入区域，所述流入区域尤其构造为第二流入口36。该第二气态介质尤其为驱动介质。