DE102011118688A1 - Flow-driven device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine strömungsangetriebene Vorrichtung mit einer Dosiereinrichtung (16) für einen Treibgasstrom, wobei die Dosiereinrichtung (16) mehrere Ventile (15) aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens drei Ventile (15) im Zustrom des Treibgasstroms (H2) parallel angeordnet sind, wobei die Ventile (15) als ungetaktete Schaltventile ausgebildet sind.The invention relates to a flow-driven device with a metering device (16) for a propellant gas stream, wherein the metering device (16) has a plurality of valves (15). The invention is characterized in that at least three valves (15) are arranged in parallel in the influx of propellant gas stream (H2), wherein the valves (15) are designed as untacted switching valves.
Description
Die Erfindung betrifft eine strömungsangetriebene Vorrichtung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen strömungsangetriebenen Vorrichtung.The invention relates to a flow-driven device according to the closer defined in the preamble of
Strömungsangetriebene Vorrichtungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Im Sinne der hier vorliegenden Erfindung handelt es sich dabei vorzugsweise um Gasstrahlpumpen oder Turbinen, welche jeweils von einem dosiert zugeführten Treibgasstrom angetrieben werden.Flow-driven devices are well known in the art. For the purposes of the present invention, these are preferably gas jet pumps or turbines, which are each driven by a metered flow of propellant gas.
Für das Beispiel der Gasstrahlpumpe als strömungsangetriebene Vorrichtung soll auf die deutsche Offenlegungsschrift
Ein vergleichbarer Aufbau, bei welchem eine Fördereinrichtung für das Abgas über eine Turbine angetrieben wird, ist aus der
Der Vorteil bei dieser Technologie liegt darin, dass der Antrieb die Energie aus dem typischerweise in einem Druckgastank gespeicherten Brennstoff nutzt. Es handelt sich also jeweils um eine strömungsangetriebene Vorrichtung im oben beschriebenen Sinn.The advantage with this technology is that the drive uses the energy from the fuel typically stored in a pressurized gas tank. It is therefore in each case a flow-driven device in the sense described above.
Ein entscheidender Punkt für diese strömungsangetriebene Vorrichtung ist es nun, die Druckenergie mit möglichst hohem Wirkungsgrad in kinetische Energie umzusetzen. Um dies zu erreichen, sollte eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit in dem Treibgasstrom erreicht werden. Insbesondere beim Aufbau einer Gasstrahlpumpe sollte die Strömungsgeschwindigkeit in der Düse beziehungsweise ihren Düsenöffnungen Schallgeschwindigkeit erreichen. Dies ist durch entsprechende Strömungsquerschnitte im Prinzip problemlos möglich. Die Verwendung von Takt- oder Proportionalventilen zur Wasserstoffdosierung stellt hier jedoch ein Problem dar, da sie die Strömung entweder „zerhackt” oder bei Bedarf auf einen geringen Strömungswert herabdosiert, sodass in diesem Fall die benötigten Geschwindigkeiten für den bestmöglichsten Einsatz der Energie nicht mehr erfüllt sind.A crucial point for this flow-driven device is now to convert the pressure energy into kinetic energy with the highest possible efficiency. In order to achieve this, the highest possible flow velocity in the propellant gas flow should be achieved. In particular when constructing a gas jet pump, the flow velocity in the nozzle or its nozzle openings should reach the speed of sound. This is easily possible by appropriate flow cross sections in principle. The use of tact or proportional valves for hydrogen metering, however, is a problem here because it either "chops" the flow or, if necessary, doses it down to a low flow value, so that in this case the required speeds for the best possible use of energy are no longer met ,
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, eine strömungsangetriebene Vorrichtung anzugeben, welcher bei hoher Dosiergenauigkeit des Treibgasstroms eine gute Umsetzung der eingebrachten Energie erlaubt.The object of the present invention is to provide a flow-driven device which allows a high conversion accuracy of the propellant gas flow a good implementation of the introduced energy.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 sowie den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des nebengeordneten Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Lösung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Ferner ist ein Brennstoffzellensystem angegeben, welches die Aufgabe ebenfalls löst.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of
Der Treibgasstrom für die strömungsangetriebene Vorrichtung wird über wenigstens drei Ventile im Zustrom des Treibgasstroms, welche dort parallel angeordnet sind und als ungetaktete Schaltventile ausgebildet sind, dosiert. Der Vorteil dieses Aufbaus besteht darin, dass die ungetakteten Schaltventile, welche nur die Ventilstellung „Offen” oder „Geschlossen” kennen, nur bei Bedarf geschaltet werden. Dies bedeutet, dass je nach benötigtem Treibgasstrom mehr oder weniger der parallel angeordneten Ventile geöffnet sind. Diese werden also nicht getaktet, sodass die Problematik der Lärmemissionen, wie sie von Dosiereinrichtungen mit Taktventilen her bekannt ist, hier nicht entstehen kann. Außerdem entsteht der entscheidende Vorteil, dass kein pulsierender Treibgasstrom erzeugt wird, sondern ein kontinuierlich strömender Treibgasstrom. Dieser kann dann durch die Wahl einer geeigneten Düse beziehungsweise Düsenöffnungen die erforderliche sehr hohe Strömungsgeschwindigkeit von idealerweise in etwa der Schallgeschwindigkeit erreichen, um so den bestmöglichen Energieeintrag in den zu fördernden Gasstrom zu realisieren.The propellant gas stream for the flow-driven device is metered via at least three valves in the influx of the propellant gas stream, which are arranged there in parallel and are designed as untacted switching valves. The advantage of this design is that the non-clocked switching valves, which only know the valve position "open" or "closed", are switched only when needed. This means that depending on the required propellant gas flow, more or less of the valves arranged in parallel are open. These are therefore not clocked, so that the problem of noise emissions, as it is known from dosing with clock valves ago, can not arise here. In addition, the decisive advantage that no pulsating propellant gas flow is generated, but a continuously flowing propellant gas flow. This can then by selecting a suitable nozzle or nozzle openings the required very high Flow rate of ideally reach approximately the speed of sound, so as to realize the best possible energy input into the gas stream to be pumped.
Die strömungsangetriebene Vorrichtung kann gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein. Die zweite Variante der Erfindung sieht es vor, dass die strömungsangetriebene Vorrichtung als Turbine ausgebildet ist. Der Treibgasstrom ist insbesondere für solche Turbinen geeignet, welche über einen Gasstrom angetrieben werden können, beispielsweise eine Pelton-Turbine oder eine Tesla-Turbine. Es sind jedoch auch andere Turbinentypen, beispielsweise eine herkömmliche Radialturbine, denkbar.The flow-driven device according to the first embodiment of the invention may be designed as a gas jet pump. The second variant of the invention provides that the flow-driven device is designed as a turbine. The propellant gas stream is particularly suitable for such turbines, which can be driven by a gas stream, for example a Pelton turbine or a Tesla turbine. However, other turbine types, for example a conventional radial turbine, are also conceivable.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der strömungsangetriebenen Vorrichtung haben dabei alle Ventile denselben durchströmbaren Querschnitt. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient, da er mit mehreren parallel geschalteten identischen Ventilen auskommt. Er erfordert jedoch eine entsprechend hohe Anzahl von Ventilen, insbesondere wenn eine vergleichsweise feine Regulierung der Dosierung erfolgen soll, da der durchströmbare Querschnitt jedes einzelnen Ventils dann als Schaltschritt für die Zunahme des Dosiervolumenstroms gilt.In a particularly favorable and advantageous development of the flow-driven device, all valves have the same cross-section through which they can flow. This structure is particularly simple and efficient, since it manages with several parallel identical valves. However, it requires a correspondingly large number of valves, especially if a comparatively fine regulation of the metering is to take place, since the flow-through cross section of each individual valve then counts as a switching step for the increase of the metering volume flow.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen strömungsangetriebenen Vorrichtung ist es daher vorgesehen, dass durch eine geschickte Wahl der Ventilquerschnitte die Anzahl der Ventile auf ein Minimum reduziert wird. Dafür verdoppeln sich die Querschnitte der Ventile von Ventile zu Ventil.In a particularly favorable and advantageous development of the flow-driven device according to the invention, it is therefore provided that the number of valves is reduced to a minimum by a skillful choice of valve cross-sections. For doing so, the cross sections of the valves double from valve to valve.
Verwendet man bei diesem Zusammenhang beispielsweise eine Anzahl von lediglich fünf Ventilen, so lassen sich Dosierdifferenzmengen von Ca. 3,2% bezogen auf den Gesamtdurchfluss realisieren. Dies bedeutet, dass in 3,2%-Schritten die erforderliche Dosiermenge eingestellt werden kann.If, for example, a number of only five valves are used in this connection, then dosing differential amounts of approx. 3.2% based on the total flow. This means that the required dosage can be set in 3.2% increments.
Nun ist es insbesondere so, dass, vor allem bei der Anwendung in Gasstrahlpumpen als strömungsangetriebene Vorrichtung, die Dosierung im Teillastbereich und im Bereich kleiner Lasten besonders wichtig ist. Daher ist es entscheidend, hier möglichst kleine Differenzdosiermengen zu haben, um eine quasi kontinuierliche Dosierung realisieren zu können. Bei größeren Volumenströmen ist dies nicht mehr so wichtig. Gemäß einer besonders günstigen und besonders vorteilhaften Weiterbildung der strömungsangetriebenen Vorrichtung ist es daher vorgesehen, dass die durchströmbaren Querschnitte der Ventile mit kleinem durchströmbarem Querschnitt sich verdoppeln, wobei die durchströmbaren Querschnitte der Ventile mit zunehmendem durchströmbarem Querschnitt sich um einen mit dem durchströmbarem Querschnitt zunehmenden Faktor von mehr als zwei vergrößern. Diese besonders günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäß strömungsangetriebenen Vorrichtung nutzt also im Bereich der Ventile für die kleinen Dosiermengen die Verdoppelung, während mit zunehmendem Durchmesser der Ventile der Faktor des zunehmenden durchströmbaren Querschnitts um mehr als zwei ansteigt. Dadurch sind im unteren Lastbereich vergleichsweise feine Dosierschritte möglich, ohne dass die Anzahl der benötigten Ventile dadurch sehr stark ansteigt. Die Differenzdosiermengen sind also bei niedrigen Lasten mit einer engeren Stufung versehen als bei höheren Lasten. Dies ist jedoch typischerweise unkritisch. Bei diesem Aufbau lässt sich mit einer Gesamtzahl von immer noch weniger als beispielsweise acht bis zehn Ventilen eine sehr exakte und feine Dosierung, eine „quasi-kontinuierliche” Dosierung, in den relevanten Bereichen, erzielen.Now, in particular, when used in gas jet pumps as a flow-driven device, metering in the partial load range and in the area of small loads is particularly important. Therefore, it is crucial to have the smallest possible differential dosing here in order to realize a quasi-continuous dosing. For larger volume flows, this is not so important. According to a particularly favorable and particularly advantageous development of the flow-driven device, it is therefore provided that the flow-through cross-sections of the valves with a small flow cross-section be doubled, wherein the flow-through cross-sections of the valves with increasing cross-section by a larger cross-sectional with the increasing factor of more as two enlarge. This particularly favorable embodiment of the flow-driven device according to the invention thus uses the doubling in the area of the valves for the small dosing quantities, while with increasing diameter of the valves the factor of the increasing flow-through cross section increases by more than two. As a result, comparatively fine metering steps are possible in the lower load range without the number of valves required thereby increasing very sharply. The differential metering amounts are thus provided at lower loads with a narrower grading than at higher loads. However, this is typically not critical. With this construction, with a total number of still less than, for example, eight to ten valves, a very exact and fine dosage, a "quasi-continuous" dosage, can be achieved in the relevant areas.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der strömungsangetriebenen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass jedes Ventil mit einer eigenen Düsenöffnung für den Treibgasstrom verbunden ist. Dies ist sowohl in einer Gasstrahlpumpe als auch bei Düsen, durch welche eine Turbine mit einem Treibgasstrom beaufschlagt wird, denkbar und möglich. In der Gasstrahlpumpe können die Düsenöffnungen beispielsweise als Feld von Düsenöffnungen in einem Düsenkörper realisiert sein. Bei einem Aufbau als Turbine können die Düsen mit jeweils einer Düsenöffnung beispielsweise gleichmäßig um den Umfang verteilt angeordnet sein und je nach durchströmten Ventilen würden dann entsprechend nur einige der Düsen angeströmt. Der Vorteil legt darin, dass die Düsenöffnungen passend zum jeweiligen Ventildurchmesser so ausgelegt werden können, dass die benötigte hohe Geschwindigkeit des Treibgasstroms, hier insbesondere die Schallgeschwindigkeit des Treibgasstroms, in allen Lastsituationen erreicht wird. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Gasstrahlpumpe beziehungsweise der Antrieb der Turbine verbessert.According to a particularly favorable and advantageous development of the flow-driven device, it is further provided that each valve is connected to its own nozzle opening for the propellant gas stream. This is conceivable and possible both in a gas jet pump and in nozzles through which a turbine with a propellant gas stream is applied. In the gas jet pump, the nozzle openings can be realized, for example, as a field of nozzle openings in a nozzle body. In a construction as a turbine, the nozzles can be arranged, for example, uniformly distributed around the circumference, each with a nozzle opening and depending on the flow-through valves, only a few of the nozzles would then be correspondingly supplied. The advantage lies in the fact that the nozzle openings can be designed to match the respective valve diameter so that the required high velocity of the propellant gas stream, in this case in particular the speed of sound of the propellant gas stream, is achieved in all load situations. As a result, the efficiency of the gas jet pump or the drive of the turbine is improved.
Ferner löst ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen strömungsangetriebenen Vorrichtung die Aufgabe. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, wobei zumindest ein Abgas aus der Brennstoffzelle von einem Ausgang der Brennstoffzelle über eine Rezirkulationsleitung zu einem Eingang der Brennstoffzelle zurückgeführt ist. Die Brennstoffzelle weist als entweder ein Anodenrezirkulation und/oder eine Kathodenrezirkulation auf. in der Rezirkulationsleitung ist zum Ausgleich der Druckverluste dabei wenigstens eine Rezirkulationsfördereinrichtung angeordnet. Die Rezirkulationsfördereinrichtung kann durch die erfindungsgemäße strömungsangetriebene Vorrichtung nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen zumindest teilweise angetrieben sein. Dieser bevorzugte Aufbau eines Brennstoffzellensystem, bei welchem die strömungsangetriebene Vorrichtung die Rezirkulationsfördereinrichtung zumindest teilweise antreibt, erlaubt ein sehr energieeffizientes Rezirkulieren von Abgas, um so die von der Rezirkulation von Abgas in Brennstoffzellen üblichen Vorteile wie beispielsweise eine Verbesserung der Befeuchtung, eine Verbesserung der Ausnutzung der zur Verfügung stehenden aktiven Fläche im Anodenraum oder dergleichen zu erreichen.Furthermore, a fuel cell system with such a flow-driven device solves the problem. It is provided in particular that the fuel cell system has at least one fuel cell, wherein at least one exhaust gas from the fuel cell is returned from an output of the fuel cell via a recirculation line to an input of the fuel cell. The fuel cell has as either an anode recirculation and / or a cathode recirculation. In the recirculation line at least one recirculation conveyor is arranged to compensate for the pressure losses. The recirculation conveyor can by the flow-driven device according to the invention according to one of the embodiments described above at least partially driven. This preferred structure of a fuel cell system in which the flow-driven device at least partially drives the recirculation conveyor allows very efficient recirculation of exhaust gas to provide the advantages such as recirculation of exhaust gas in fuel cells, such as improving humidification, improving the utilization of exhaust gas To reach available active surface in the anode compartment or the like.
In einer besonders günstigen Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass das Abgas Abgas aus einem Anodenraum der Brennstoffzelle ist, wobei frischer der Brennstoffzelle zugeführter Brennstoff den Treibgasstrom für die strömungsangetriebene Vorrichtung bildet. Insbesondere dieser Einsatz in einer Anodenrezirkulation ist von entscheidendem Vorteil, da hier typischerweise als frischer Brennstoff ohnehin Brennstoff beziehungsweise Wasserstoff unter hohem Druck zur Verfügung steht. Dieser kann ohne zusätzlichen Energieaufwand innerhalb des Brennstoffzellensystems als Treibgasstrom verwendet werden, sodass das Brennstoffzellensystem selbst sehr energieeffizient arbeitet.In a particularly favorable development thereof, it is further provided that the exhaust gas is exhaust gas from an anode chamber of the fuel cell, fresh fuel supplied to the fuel cell forming the propellant gas flow for the flow-driven device. In particular, this use in an anode recirculation is of decisive advantage, since typically as a fresh fuel fuel or hydrogen is available under high pressure anyway. This can be used without additional energy consumption within the fuel cell system as a propellant gas flow, so that the fuel cell system itself is very energy efficient.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen strömungsangetriebenen Vorrichtung sowie des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the flow-driven device according to the invention and the fuel cell system according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will become apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Der Anodenraum
Um nun die Druckverluste im Bereich des Anodenraums
Die Gasstrahlpumpe
Durch eine geschickte Wahl der durchströmbaren Durchmesser der Schaltventile
In der Darstellung der
Wird nun ein Lastpunkt eingestellt, welcher zwischen zwei Differenzdosiermengen D liegt, wird es unweigerlich zu geringen Schwankungen des Anodendrucks kommen, weil weil dann typischerweise zwischen den beiden Ventilschaltungen „hin und her” geschaltet wird. Um dies zu vermeiden, lässt sich eine in der Regelungstechnik übliche Hystereseschleife verwenden, um dieser Problematik zu begegnen. Diese Hystereseschleife ist mit dem Bezugszeichen H bezeichnet und in der Darstellung der
Über die Schaltventile
Nun ist es so, dass die Verwendung von mehreren Düsenöffnungen
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung liegt nun darin, dass bei Brennstoffzellensystemen
Dieser vorteilhafte Aufbau mit der Dosiereinrichtung
Alternativ zur Pelton-Turbine wäre selbstverständlich auch die Verwendung einer Tesla-Turbine oder Radial-Turbine denkbar und möglich.As an alternative to the Pelton turbine, of course, the use of a Tesla turbine or radial turbine would be conceivable and possible.
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