CN115911457A - 用于燃料电池系统的输送装置以及燃料电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统(31)的、用于输送和/或再循环气态介质、尤其是氢气的输送装置(1)，所述输送装置具有侧通道压缩机(2)，所述侧通道压缩机具有壳体(17)，其中，借助计量阀(6)以处在压力下的气态介质的推进射流(12)至少部分地驱动所述输送装置(1)，其中，所述侧通道压缩机(2)具有工作轮(14)，所述工作轮以能够围绕旋转轴线(4)旋转的方式布置，并且所述输送装置具有分别构造在所述壳体(17)上的气体进入开口(20)和气体排出开口(22)，所述气体进入开口和所述气体排出开口经由所述压缩机室(30)、尤其是至少一个侧通道(19、21)相互流体连接，其中，所述至少一个侧通道(19、21)具有中断区域(15)。根据本发明，所述输送装置(1)具有喷嘴组件(13)，所述喷嘴组件至少具有所述计量阀(6)、第一进口(34)和喷嘴(32)并且将所述推进射流(12)喷入到相应的侧通道(19、21)的区域中，其中，所述推进射流(12)从所述气体进入开口(20)旁边流过。此外，本发明涉及一种具有根据本发明的输送装置(1)的燃料电池系统(31)。

Description

用于燃料电池系统的输送装置以及燃料电池系统

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的输送装置，其用于输送和/或再循环气态介质、尤其是氢气，所述气态介质尤其设置用于在具有燃料电池驱动器的车辆中使用。除此之外，本发明涉及一种具有根据本发明的输送装置的燃料电池系统。

背景技术

在车辆领域中，除了液态燃料之外，气态燃料在将来也将发挥越来越重要的作用。尤其是在具有燃料电池驱动器的车辆中，需要控制氢气气体流。在这种情况下，不再像在喷射液态燃料的情况下那样不连续地控制气体流，而是从至少一个罐、尤其是高压罐中提取气体并且经由中压管线系统的流入管线导向给输送装置。该输送装置将气体经由低压管线系统的连接管线引导至燃料电池。

由DE 10 2017 222 390 A1已知一种用于燃料电池系统的输送装置，该输送装置用于输送和/或再循环气态介质、尤其是氢气，该输送装置具有侧通道压缩机、具有喷射泵并且具有计量阀，该喷射泵被处在压力下的气态介质的推进射流驱动。在此，借助计量阀向喷射泵供应处在压力下的气态介质，其中，燃料电池的阳极输出端与输送装置的输入端流体连接，并且其中，输送装置的输出端与燃料电池的阳极输入端流体连接。

由DE 10 2017 222 390 A1已知的燃料电池系统的输送装置可能分别具有一定的缺点。在此，输送装置的部件，尤其是侧通道压缩机、计量阀和喷射泵，至少部分地借助呈管状线路和必要时附加的带有位于内部通道的分配器板的形式的流体连接部相互连接和/或与燃料电池连接和/或与该输送装置的其他部件连接。在此，所述部件至少部分地作为单独的结构组存在，所述单独的结构组借助管状线路相互连接。此外，喷嘴组件和/或喷射泵和侧通道压缩机作为单独的结构组存在，并且该侧通道压缩机连接在喷嘴组件和/或喷射泵的上游，并且所述部件经由连接管线和/或套管(Verrrohrung)连接。通过这种方式，侧通道压缩机的和喷嘴组件的能量的一部分、尤其是驱动能量在输送气态介质时丢失，因为由于侧通道压缩机和喷嘴组件与燃料电池之间的连接管线产生很多流动转向并且因此产生流动损失。由此降低该输送装置的效率。

另一方面，由于将计量阀和/或喷射泵和/或侧通道压缩机等部件布置为单独的构件，产生如下缺点：这些部件总体上构成关于结构空间和/或几何形状体积的大的表面。由此有利于快速冷却，尤其在整个车辆的长停放时间的情况下，这可以导致增加的冰桥形成并因此导致增加的对构件和/或整个燃料电池系统的损坏，这反过来可能导致输送装置的和/或燃料电池系统的降低的可靠性和/或使用寿命。此外，另一缺点是配量阀和/或喷射泵和/或侧通道压缩机等构件的和/或燃料电池系统的和/或整个车辆的差的冷启动性能，因为加热能量和/或热能必须分别单个地引入到侧通道压缩机和/或喷射泵和/或计量阀等构件中，其中，所述构件彼此远离地布置并且因此必须单独加热每个构件，尤其在低于0℃的温度的情况下，以便除去可能的冰桥。

另外，必须为侧通道压缩机、喷嘴组件和/或喷射泵和计量阀等部件分别设置自身的壳体，这导致高制造成本和/或材料成本。

发明内容

根据本发明，提出一种用于燃料电池系统的输送装置，该输送装置用于输送和/或再循环气态介质、尤其是氢气，所述输送装置具有侧通道压缩机，该侧通道压缩机具有壳体。在此，借助计量阀以处在压力下的气态介质的推进射流至少部分地驱动输送装置。该侧通道压缩机具有工作轮，该工作轮以能够围绕旋转轴线旋转的方式布置，并且所述输送装置具有分别构造在壳体上的气体进入开口和气体排出开口，该气体进入开口和该气体排出开口经由压缩机室、尤其是至少一个侧通道相互流体连接，其中，所述至少一个侧通道可以具有中断区域。根据本发明，该输送装置具有喷嘴组件，该喷嘴组件至少具有计量阀、第一进口和喷嘴。在此，推进射流被喷入到相应的侧通道的区域中，其中，该推进射流从气体进入开口旁边流过。通过这种方式可以实现如下效应：通过喷嘴组件喷入到相应的侧通道的区域中的气态介质(该气态介质至少部分是推进介质)这样从气体进入开口旁边流过，使得至少部分地产生低压并且辅助来自于燃料电池的再循环物到侧通道和/或侧通道压缩机中的吸入和/或流入，借助所述气体进入开口向侧通道压缩机供应来自于燃料电池的再循环物。因此，通过喷嘴组件喷入的气态介质的速度简化侧通道压缩机的抽吸，该侧通道压缩机本身不必进行抽吸，而是通过由推进射流产生的流动来辅助所述抽吸。此外，在推进射流的气态介质与气态介质之间可能发生动量传递，所述气态介质可以是通过气体进入开口流入的再循环物。在此，推进射流的具有压力差和/或尤其可以接近声速的高速度的介质流动到相应的侧通道的起始区域中并且撞击到通过气体进入开口供应的再循环物上。由于推进射流的介质与再循环介质之间的高速度差和/或高压力差，在所述介质之间产生内摩擦和湍流。在此，在快速的推进介质与明显较缓慢的再循环介质之间的边界层中产生剪切应力。该应力引起动量传递，其中，再循环介质被加速和拖带。根据动量守恒原理，发生混合。在此，再循环介质在输送方向III上被加速，对于再循环介质而言产生压力下降，由此开始产生抽吸效果并且因此从气体进入开口的区域中补充输送另外的再循环介质。所述再循环物可以是来自于燃料电池的阳极区域的、尤其是来自于燃料电池堆的未消耗的H₂，其中，该再循环物也可以具有水和氮气。另外，因此可以改进该输送总成的效率，因为借助计量阀的推进射流产生对输送功率的有效驱动和/或推动(Betreiben)。

通过下面列举的措施能够实现根据本发明的输送装置的有利的扩展方案。下面涉及本发明的优选的扩展方案。

根据输送装置的一种有利构型，喷嘴组件除了具有第一进口之外，还具有第二进口，借助所述第一进口供应推进介质，借助所述第二进口向喷嘴组件供应未消耗的再循环物，其中，尤其是所述循环物和所述推进介质在抽吸区域中混合成推进射流。通过这种方式，可以借助所谓的喷射泵效应产生该输送装置的改进的输送功率。在喷射泵效应的情况下，来自于燃料电池的具有低压力的再循环介质通过第二进口被输送到喷嘴组件的中央流动区域中、尤其是被输送到抽吸区域中。在此，具有压力差和/或尤其可以接近声速的高速度的推进介质通过喷嘴流动到抽吸区域中并且撞击到再循环物上。由于推进介质与再循环介质之间的速度差高和/或压力差高，在所述介质之间产生内摩擦和湍流。在此，在快速的推进介质与明显较缓慢的再循环介质之间的边界层中产生剪切应力。该应力引起动量传递，其中，再循环介质被加速和拖带。根据动量守恒原理，发生混合。在此，再循环介质在第二流动方向IV上被加速，对于再循环介质而言产生压力下降，由此开始产生抽吸效果，并且因此从第一进口的区域中补充输送另外的再循环介质。通过这种方式能够提高输送装置的效率。

根据一种有利的扩展方案，输送装置具有喷嘴，其中，该喷嘴构造为文丘里喷嘴。通过这种方式能够实现改进的喷射泵效应并且能够产生喷嘴组件的和/或输送装置的紧凑的结构形式。此外，可以产生推进介质到抽吸区域中的改进的流入特性，因为推进介质在该喷嘴的区域中被加速，由此提高输送装置的效率。另外能够实现如下优点：侧通道压缩机和/或输送总成借助较紧凑的构造方式在整个车辆中需要较少的用于侧通道压缩机和/或输送总成和/或燃料电池系统的结构空间并且因此可以减少该结构空间。

根据输送装置的一种特别有利的构型，喷嘴组件的推进射流与气体进入开口的对称轴线正交地尤其在第二流动方向IV上从该气体进入开口旁边流过，其中，尤其是推进射流的速度至少近似是并且至少部分是声速。通过这种方式能够实现如下优点：借助压缩机轮的转动来辅助侧通道压缩机的输送功能，并且改进再循环物的通过气体进入开口和/或阳极输入端的抽吸，因为通过由推进射流产生的流动来辅助该抽吸。通过这种方式可以提高输送装置的输送功率和效率。

根据输送装置的一种特别有利的扩展方案，工作轮在其周缘上具有布置在压缩机室的区域中的叶片，其中，通过相应的叶片由计量阀的推进射流至少间接地驱动工作轮。通过这种方式可以改进输送总成的效率，因为借助喷嘴组件的推进射流引起通过存在于周缘上的叶片对工作轮的有效驱动。在此，处在高压下的并且具有高速度的、呈推进射流的形式的推进介质撞击到叶片的表面上，并且尤其借助动量传递和/或流动效应引起：将力施加到工作轮上并且由于杠杆臂而使该工作轮运动和/或保持运动。

根据输送装置的一种有利的扩展方案，尤其视燃料电池的运行状态而定地，工作轮可以要么被驱动马达驱动、要么至少间接地被计量阀的推进射流驱动、要么被这两个元件同时驱动。此外，可以在侧通道压缩机的和/或燃料电池的和/或燃料电池系统的高负载点的情况下通过计量阀的推进射流的作用来辅助侧通道压缩机的驱动马达，由此可以更紧凑地实施驱动马达和/或工作轮，由此可以减小整个输送装置所需的结构空间和成本。

根据输送装置的一种有利的扩展方案，第二进口、尤其是罐的输入管线这样通过壳体被导向，使得来自于罐的推进介质冷却壳体和侧通道压缩机。在此，第二进口穿过壳体经过尽可能长的路段，直到该第二进口到达喷嘴设备，并且该第二进口具有尽可能多的流动转向。通过这种方式可以实现如下优点：借助尤其来自罐、尤其是高压罐的新流入的推进介质可以冷却输送装置和/或侧通道压缩机和/或驱动马达。此外，可以降低输送装置的生产成本，因为现在不再需要使用附加的冷却元件构件。

根据输送装置的一种有利的扩展方案，该喷嘴组件集成在壳体中，其中，尤其是喷嘴组件的出口至少几乎直接邻接于压缩机室和/或相应的侧通道。通过这种方式，可以节省和避免例如借助单独的连接管线实现的单独的连接部，所述单独的连接管线例如是从喷嘴的和/或喷嘴组件的位于内部的通道到压缩机室的管状线路，由此借助不存在的管状线路来避免由于摩擦损失造成的尽可能少的流动能量。因此，一方面可以改进输送装置的效率。另一方面，可以产生该输送装置的紧凑的构造方式，因为计量阀和/或通道和/或喷嘴可以定位并且因此集成在侧通道压缩机中。

本发明不限于在这里描述的实施例和在其中强调的方面。相反地，在本发明给定的范围内能够实现处于本领域技术人员的能力范围内的多种修改。

附图说明

下面，根据附图更详细地说明本发明。

附图示出：

图1根据本发明的具有侧通道压缩机的输送装置的示意性剖视图，

图2根据第一实施例的具有工作轮和驱动马达的侧通道压缩机的一部分的示意性剖视图，

图3输送装置的在图1中以A-A标示的剖视图。

具体实施方式

从根据图1的示意图可以得知根据本发明的具有侧通道压缩机2的输送装置的剖视图。

在此，该输送装置1适合用于燃料电池系统31，该燃料电池系统用于输送和/或再循环气态介质、尤其是氢气。输送装置1具有侧通道压缩机2，其中，可以借助计量阀6以处在压力下的气态介质的推进射流12(在图3中示出二者)至少部分地驱动输送装置1。在此，借助计量阀6向输送装置1供应处在压力下的气态介质，其中，侧通道压缩机2具有至少一个工作轮14，该至少一个工作轮分别以能够围绕旋转轴线4旋转的方式布置。在此，燃料电池29的阳极输出端3与输送装置1的气体进入开口20流体连接。另外，燃料电池29的阳极输入端3与输送装置1的气体排出开口22流体连接。

在此，驱动器10、尤其是电驱动马达10用作工作轮14的旋转驱动器10，其中，驱动器10在输送装置1的一种可能的实施方式中可以实施为轴向场马达10。另外，输送装置1具有壳体17。壳体17包括相互连接的壳体上部件7和壳体下部件8。另外，工作轮14可以抗扭地布置在驱动轴9上并且被壳体上部件7和壳体下部件8包围。此外，工作轮14构成在外侧附接到毂盘上的多个输送单元28。工作轮14的这些输送单元28围绕旋转轴线4环绕地在壳体17的环绕的压缩机室30中伸展。此外，在图1中，在输送单元28的区域中能够看到一个相应的叶片11和/或多个相应的叶片11的剖面轮廓。这些相应的叶片11可以具有V形轮廓，其中，对称的V形轮廓沿旋转轴线4的方向伸展。此外，相应的输送单元28沿工作轮2的转动方向被两个相应的叶片11限界，其中，多个相应的叶片11围绕旋转轴线4环绕地相对于旋转轴线4径向地布置在压缩机轮2上。

此外，壳体17、尤其是壳体上部件7和/或壳体下部件8，在压缩机室30的区域中具有至少一个环绕的侧通道19、21。在此，该至少一个侧通道19、21在壳体17中沿旋转轴线4的方向这样伸展，使得该至少一个侧通道相对于输送单元28轴向地在一侧或者在两侧伸展。在此，至少一个侧通道19、21可以至少在壳体17的部分区域中围绕旋转轴线4环绕地伸展，其中，在壳体17中未构造有至少一个侧通道19、21的部分区域中，构造有壳体17中的中断区域15(参见图3)。

驱动轴9相对于旋转轴线4轴向地至少万向节式地与驱动器6连接。此外，至少一个轴承27在驱动轴9的外径上轴向地位于壳体下部件8与工作轮14之间的区域中。

此外，壳体17、尤其是壳体下部件8形成气体进入开口20和气体排出开口22。在此，气体进入开口20和气体排出开口22尤其通过至少一个侧通道19、21相互流体连接。

由驱动器6将转矩通过驱动轴9传递到工作轮14上。在此，使压缩机轮14处于转动运动中，并且输送单元28在转动运动中围绕旋转轴线4环绕地通过壳体17中的压缩机室30沿工作轮14的旋转方向24(参见图3)的方向运动。在此，通过输送单元28带动并且在此输送和/或压缩已经位于压缩机室30中的气态介质。此外，在输送单元28与所述至少一个侧通道19、21之间发生气态介质的运动、尤其流动交换。此外，侧通道压缩机2通过气体进入开口20和气体排出开口22与燃料电池系统31连接，其中，气态介质(该气体介质尤其是来自燃料电池29的未消耗的再循环介质)通过气体进入开口20进入到侧通道压缩机2的压缩机室30中和/或被供应给侧通道压缩机2和/或从位于气体进入开口20上游的区域被吸入。在此，气态介质在实现穿过输送装置1和/或侧通道压缩机2之后经由侧通道压缩机2的气体排出开口22被导出并且尤其经由阳极输出端3流到燃料电池29中。

此外，在图1中示出，加热元件26位于输送装置1的壳体17中、尤其是壳体下部件8中，其中，加热元件26位于壳体17的内部空间中和/或位于壳体17的表面上。

图2示出根据第一实施例的具有工作轮14和驱动马达10的侧通道压缩机2的一部分的示意性剖面图。在此，可以借助至少所述轴承27支承驱动轴9。在此，驱动轴9和/或工作轮14和/或至少一个轴承27和/或驱动马达10围绕旋转轴线4至少几乎旋转对称地伸展。工作轮14可以借助压配合(Pressverband)紧固在驱动轴9上。在此，工作轮14具有多个叶片11，所述叶片围绕旋转轴线4环绕地布置在压缩机轮2上。叶片11位于第一侧通道19中和/或第二侧通道21中和/或压缩机室30中。在此，来自于燃料电池29、尤其是燃料电池堆的再循环物沿流动方向II通过阳极输入端3和/或通过气体进入开口20流入到压缩机室30中。第一流动方向II在此至少几乎平行于气体进入开口20的对称轴线52伸展。

图3示出输送装置1的在图1中以A-A标示的剖视图。在此示出，工作轮14在其周缘上具有布置在压缩机室30的区域中的叶片11，其中，通过叶片11由计量阀6的和/或喷嘴组件13的推进射流12至少间接地驱动工作轮14。另外示出，输送装置1具有喷嘴组件13，该喷嘴组件至少具有计量阀6、第一进口34和喷嘴32并且将推进射流12喷入到相应的侧通道19、21的区域中，其中，推进射流12从气体进入开口20旁边流过。在此，喷嘴组件13具有位于内部的通道18，推进介质通过该位于内部的通道从罐25和/或第一进口34至少部分地在第二流动方向IV上流动到抽吸区域33和/或相应的侧通道19、21中。在此，叶片11可以具有对称的V形轮廓，其中，对称的V形轮廓沿旋转轴线4的方向伸展，并且其中，叶片11的对称的V形轮廓的打开侧面朝工作轮14的旋转方向24指向。

在图3中示出，计量阀6的和/或喷嘴组件13的推进射流12在高压下并且以高速撞击到叶片11的表面上，其中，借助推进射流12尤其借助动量传递和/或流动效应实现到叶片11上的力传递。在此将力施加到工作轮14上，并且由于杠杆臂使工作轮14运动和/或保持运动，并且工作轮14在此在旋转方向24上运动。从罐25、尤其是高压罐25通过计量阀6和/或喷嘴组件13流动到侧通道压缩机2中的氢气，在罐25中具有比侧通道压缩机2的运行温度低的温度。因此，流入的氢气(该流入的氢气尤其是推进介质)可以用于冷却侧通道压缩机2。这减小由于过温造成的加热所导致的输送装置1的失灵概率。在此，尤其视燃料电池29的运行状态而定地，工作轮14要么被驱动马达10驱动、要么至少间接地被计量阀6的推进射流12驱动、要么被元件6、10、12同时驱动。

在图3中另外示出，喷嘴组件13除了具有第一进口34之外还具有第二进口36，借助第一进口供应推进介质，借助第二进口向喷嘴组件13供应未消耗的再循环物，其中，尤其是再循环物和推进介质在抽吸区域33中混合成推进射流12。在此，喷嘴32可以构造为文丘里喷嘴32。此外，第二进口36和/或罐25的输入管线可以这样通过壳体17被导向，使得来自于罐25的推进介质冷却壳体17和侧通道压缩机2。此外，喷嘴组件13集成在壳体17中，其中，尤其是喷嘴组件13的出口23至少几乎直接邻接于压缩机室30和/或相应的侧通道19、21和/或压缩机室30。此外，本发明涉及一种具有输送装置1的燃料电池系统31，其中，输送装置1布置在燃料电池系统31的阳极回路中。

虽然在上文中已根据优选的实施例完整地描述本发明，但是本发明不限于此，而是能够以有利的方式进行修改。

Claims (9)

1.用于燃料电池系统(31)的输送装置(1)，所述输送装置用于输送和/或再循环气态介质、尤其是氢气，所述输送装置具有侧通道压缩机(2)，所述侧通道压缩机具有壳体(17)，其中，借助计量阀(6)以处在压力下的气态介质的推进射流(12)至少部分地驱动所述输送装置(1)，其中，所述侧通道压缩机(2)具有工作轮(14)，所述工作轮以能够围绕旋转轴线(4)旋转的方式布置，并且所述输送装置具有分别构造在所述壳体(17)上的气体进入开口(20)和气体排出开口(22)，所述气体进入开口和所述气体排出开口经由所述压缩机室(30)、尤其是至少一个侧通道(19、21)相互流体连接，其中，所述至少一个侧通道(19、21)具有中断区域(15)，其特征在于，所述输送装置(1)具有喷嘴组件(13)，所述喷嘴组件至少具有所述计量阀(6)、第一进口(34)和喷嘴(32)并且将所述推进射流(12)喷入到相应的侧通道(19、21)的区域中，其中，所述推进射流(12)从所述气体进入开口(20)旁边流过。

2.根据权利要求1所述的输送装置(1)，其特征在于，所述喷嘴组件(13)除了具有所述第一进口(34)之外，还具有第二进口(36)，借助所述第一进口供应推进介质，借助所述第二进口向所述喷嘴组件(13)供应未消耗的再循环物，其中，尤其是所述循环物和所述推进介质在抽吸区域(33)中混合成所述推进射流(12)。

3.根据权利要求1或者2所述的输送装置(1)，其特征在于，所述喷嘴(32)实施为文丘里喷嘴(32)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的输送装置(1)，其特征在于，所述喷嘴组件(13)的推进射流(12)与所述气体进入开口(20)的对称轴线(52)正交地尤其在所述侧通道压缩机(2)的第二流动方向IV上从所述气体进入开口旁边流过，其中，尤其是所述推进射流(12)的速度至少近似是并且至少部分是声速。

5.根据权利要求1所述的输送装置(1)，其特征在于，所述工作轮(14)在其周缘上具有布置在所述压缩机室(30)的区域中的叶片(11)，其中，通过相应的叶片(11)由所述计量阀(6)的推进射流(12)至少间接地驱动所述工作轮(14)。

6.根据权利要求5所述的输送装置(1)，其特征在于，尤其视燃料电池(29)的运行状态而定地，所述工作轮(14)要么被驱动马达(10)驱动、要么至少间接地被所述计量阀(6)的和/或所述喷嘴组件(13)的推进射流(12)驱动、要么被元件(10、6、12)同时驱动。

7.根据上述权利要求中任一项所述的输送装置(1)，其特征在于，所述第二进口(36)、尤其是所述罐(25)的输入管线这样通过壳体(17)被导向，使得来自于所述罐(25)的推进介质冷却所述壳体(17)和侧通道压缩机(2)。

8.根据上述权利要求中任一项所述的输送装置(1)，其特征在于，所述喷嘴组件(13)集成在所述壳体(17)中，其中，尤其是所述喷嘴组件(13)的出口(23)至少几乎直接邻接于所述压缩机室(30)和/或相应的侧通道(19、21)。

9.具有根据权利要求1至8中任一项所述的输送装置(1)的燃料电池系统，其中，所述输送装置(1)布置在所述燃料电池系统(31)的阳极回路中。

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