DE10055107A1 - Flow body e.g. for fuel cell system, comprises mixing zone and diffuser connecting in first direction of central linear axis an entry nozzle entering flow body in vicinity of mixing zone - Google Patents

Flow body e.g. for fuel cell system, comprises mixing zone and diffuser connecting in first direction of central linear axis an entry nozzle entering flow body in vicinity of mixing zone

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Abstract

The flow body is designed so that arranged in it is at least one second essentially same type of arrangement, consisting of a second entry nozzle (4) and a second diffuser (8) arranged in a second direction (R2). So that the second direction (R2) runs vertical to a transverse axis (B), and the transverse axis stands vertical to the central linear axis (A).

Description

Die Erfindung betrifft einen Strömungskörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie die Verwendung eines solchen Strömungskörpers.The invention relates to a flow body according to the Preamble of claim 1 and the use of such Flow body.

Um ein Betriebsmittel wie z. B. Wasserstoff in Brennstoffzellensystemen umzuwälzen und zu führen, werden verschiedene Strömungskörper wie Pumpen und Düsen verwendet.To a resource such. B. hydrogen in To circulate and lead fuel cell systems different flow bodies such as pumps and nozzles are used.

In der DE 196 43 054 A1 ist ein Ventil mit Lavaldüse beschrieben, welche sich besonders als Pumpe zur Zudosierung eines Prozeßgases bei einem Reaktionsprozeß in einem Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenantrieb eignet. Damit wird vorteilhaft eine aufwendige Druckregelung vermieden. Mit dem Ventil gelingt eine Umlenkung einer radial geführten Strömung in eine axiale Strömung. Es ist jedoch nicht möglich, eine Strömungsumkehr zu erreichen.DE 196 43 054 A1 describes a valve with a Laval nozzle described, which is particularly useful as a pump for metering a process gas in a reaction process in one Motor vehicle with fuel cell drive is suitable. So that will advantageously avoided a complex pressure control. With the Valve redirects a radially guided flow into an axial flow. However, it is not possible to get one To achieve flow reversal.

Häufig werden auch sogenannte Jetpumpen oder auch Ejektorpumpen verwendet. Eine Strömungsumkehr eines von diesen beförderten Fluids muß jedoch mit zusätzlichen Mitteln erreicht werden, etwa mit einem zusätzlichen Dreiwegeventil. Eine solche Ejektorpumpe ist z. B. aus der US 5,441,821 A1 bekannt.So-called jet pumps or ejector pumps are also common used. A flow reversal of one carried by them However, fluids must be achieved with additional means with an additional three-way valve. Such Ejector is e.g. B. from US 5,441,821 A1.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strömungskörper anzugeben, welche eine vereinfachte Strömungsumkehr ermöglicht. The invention has for its object a flow body specify which enables a simplified flow reversal.  

Diese Aufgabe wird bei einem Strömungskörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is carried out with a flow body with the features of claim 1 solved.

Bei einem erfindungsgemäßen Strömungskörper mit zumindest einer Mischzone und zumindest einem in einer ersten Richtung einer zentralen Längsachse daran anschließenden Diffusor sowie zumindest einer im Bereich der Mischzone in den Strömungskörper eintretenden ersten Eintrittsdüse ist zumindest eine zweite, im wesentlichen gleichartige Anordnung mit spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Baugruppen aus einer zweiten Eintrittsdüse und einem zweiten Diffusor in einer zweiten Richtung angeordnet ist, wobei die zweite Richtung senkrecht zu einer Querachse verläuft und die Querachse senkrecht auf der zentralen Längsachse steht.In a flow body according to the invention with at least one Mixing zone and at least one in a first direction central longitudinal axis adjoining diffuser as well at least one in the area of the mixing zone in the flow body entering the first inlet nozzle is at least a second, in essentially similar arrangement with mirror symmetry mutually arranged modules from a second Inlet nozzle and a second diffuser in a second Direction is arranged, the second direction perpendicular to a transverse axis and the transverse axis perpendicular to the central longitudinal axis.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Strömungsumkehr eines Fluids ohne bewegte Teile, vor allem in der Prozeßstrecke, ermöglicht wird. Dies ist besonders bei Fluiden günstig, die keine Verunreinigungen etwa durch Abrieb vertragen oder die korrosiv sind, oder durch Anwesenheit von Wasser einfrieren könnten. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Pumpe ist in Brennstoffzellensystemen besonders vorteilhaft.The particular advantage of the invention is that a Flow reversal of a fluid without moving parts, especially in the process line, is made possible. This is particularly the case with Fluids cheap that do not have any contamination due to abrasion tolerated or which are corrosive, or by the presence of Could freeze water. The use of the invention Pump is particularly advantageous in fuel cell systems.

Der Strömungskörper kann mit der gleichen Güte in beide Strömungsrichtungen arbeiten. Bevorzugt ist eine Verwendung des Strömungskörpers als Pumpe. Eine weitere bevorzugte Verwendung betrifft die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem. Eine weitere bevorzugte Verwendung betrifft die Verwendung als Umlenkventil.The flow body can be of the same quality in both Flow directions work. Use of the is preferred Flow body as a pump. Another preferred use relates to use in a fuel cell system. A another preferred use relates to the use as Diverter valve.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.Further advantages and refinements of the invention are based the further claims and the description.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen: The invention is described below with reference to a drawing described, the figures showing:  

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Strömungskörpers und Fig. 1 is a schematic diagram of a flow body according to the invention and

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Ausgestaltung eines bevorzugten Brennstoffzellensystems. Fig. 2 is a schematic representation of an embodiment of a preferred fuel cell system.

Die Erfindung ist besonders zur Wasserstoffumwälzung in Brennstoffzellensystemen geeignet. Der Strömungskörper ist jedoch auch für Anwendungen geeignet, bei denen die Strömungsrichtung von Gasen oder Flüssigkeiten umgelenkt werden soll. Im folgenden ist beispielhaft die Verwendung des Strömungskörpers zur Wasserstoffumwälzung in einem Brennstoffzellensystem beschrieben.The invention is particularly for hydrogen circulation in Suitable fuel cell systems. The flow body is but also suitable for applications where the Direction of flow of gases or liquids are diverted should. The following is an example of the use of the Flow body for hydrogen circulation in one Fuel cell system described.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung des Strömungskörpers dargestellt.In Fig. 1, a preferred embodiment of the flow body is shown.

Der Strömungskörper weist in etwa in der Mitte eine Mischzone 5 auf. Auf einer Seite der Mischzone 5 schließt sich daran in einer ersten Richtung R1 entlang einer zentralen Längsachse A ein Diffusor 6 an, der an eine Medienleitung 7 anstößt.The flow body has a mixing zone 5 approximately in the middle. A diffuser 6 adjoins this on one side of the mixing zone 5 in a first direction R1 along a central longitudinal axis A and abuts a media line 7 .

Im Bereich der Mischzone 5 tritt in den Strömungskörper eine erste Eintrittsdüse 3 für ein Fluid ein, wobei die Eintrittsdüse 3 mit ihrer Austrittsöffnung 3a in die Mischzone 5 in die erste Richtung R1 hinein ragt und die Austrittsöffnung 3a für das Fluid sich in etwa auf der Höhe der zentralen Längsachse A befindet.In the area of the mixing zone 5 in the flow body, a first inlet nozzle occurs 3 for a fluid, wherein the inlet nozzle 3 with its outlet opening 3 projects a in the mixing zone 5 in the first direction R1 into and the outlet opening 3 a for the fluid located at approximately the the height of the central longitudinal axis A.

Im Strömungskörper ist eine zweite, im wesentlichen gleichartige Anordnung bestehend aus einer zweiten Eintrittsdüse 4 und einem zweiten Diffusor 8 in einer zweiten Richtung R2 angeordnet. Die zweite Richtung R2 verläuft dabei senkrecht zu einer Querachse B und die Querachse B steht senkrecht auf der zentralen Längsachse A. Die Austrittsöffnung 4a der zweiten Eintrittsdüse 4 weist in die Richtung R2. Die Anordnung gemäß Fig. 1 ist so gewählt, daß ein Fluid, das aus der ersten Eintrittsdüse in die Mischzone 5 des Strömungskörpers eintritt genau entgegengesetzt zu einem Fluid strömt, welches aus der zweiten Eintrittsdüse 4 in die Mischzone 5 des Strömungskörpers eintritt, d. h. der Winkel zwischen den beiden Richtungen R1 und R2 beträgt 180°, die beiden Richtungen R1, R2 sind kolinear. Die Anordnung ist in etwa spiegelsymmetrisch zu der Querachse B.A second, essentially similar arrangement consisting of a second inlet nozzle 4 and a second diffuser 8 is arranged in the flow body in a second direction R2. The second direction R2 is perpendicular to a transverse axis B and the transverse axis B is perpendicular to the central longitudinal axis A. The outlet opening 4a of the second inlet nozzle 4 points in the direction R2. The arrangement of FIG. 1 is selected so that a fluid entering from the first inlet nozzle into the mixing zone 5 of the flow body diametrically opposite flows to a fluid entering from the second inlet nozzle 4 into the mixing zone 5 of the flow body, ie the angle between the two directions R1 and R2 is 180 °, the two directions R1, R2 are colinear. The arrangement is approximately mirror-symmetrical to the transverse axis B.

Es ist jedoch auch, möglich, daß eine Anordnung zu wählen, bei der die beiden Richtungen R1, R2 andere Winkel zueinander einnehmen, z. B. senkrecht zueinander stehen, oder einen Winkel zwischen 0° und 180° einnehmen. Es ist auch möglich, daß ein oder mehrere weitere Eintrittsdüsen mit zugehörigen Diffusoren in die Mischzone des Strömungskörpers eingeführt werden. Die Strömung eines Fluids könnte dann in mehr als zwei Richtungen umgelenkt werden.However, it is also possible to choose an arrangement at the two directions R1, R2 have different angles to each other ingest e.g. B. are perpendicular to each other, or an angle Take between 0 ° and 180 °. It is also possible that a or several additional inlet nozzles with associated diffusers be introduced into the mixing zone of the flow body. The Flow of a fluid could then be in more than two directions be redirected.

Das Fluid, das in den Strömungskörper geleitet wird, stammt aus einer Fluidquelle 1, z. B. einem Wasserstofftank. Dabei verzweigt sich die Fluidströmung ausgehend von Fluidquelle 1. Von der Fluidquelle 1 wird das Fluid über eine erste Strömungsleitung 11 zum einem ersten Ventil 2 der ersten Eintrittsdüse 3 geführt und parallel dazu über eine zweite Strömungsleitung 12 zu einem zweiten Ventil 9 der zweiten Eintrittsdüse 4. Die Strömungsrichtung des Fluids wird dabei zumindest einmal umgelenkt, so daß das Fluid vor Eintritt in die Mischzone 5 in etwa parallel zur Querachse 8 geführt wird und in die Mischzone senkrecht dazu in Richtung der Längsachse A austritt.The fluid that is directed into the flow body comes from a fluid source 1 , e.g. B. a hydrogen tank. The fluid flow branches off from fluid source 1 . From the fluid source 1 , the fluid is led via a first flow line 11 to a first valve 2 of the first inlet nozzle 3 and parallel to it via a second flow line 12 to a second valve 9 of the second inlet nozzle 4 . The direction of flow of the fluid is deflected at least once, so that the fluid is guided approximately parallel to the transverse axis 8 before entering the mixing zone 5 and exits into the mixing zone perpendicular to it in the direction of the longitudinal axis A.

Jeder Eintrittsdüse 3, 4 ist ein Ventil 2, 9 zum Absperren und Freigeben der Fluidströmung zugeordnet. Ist Ventil 2 geschlossen und Ventil 9 geöffnet, strömt das Fluid im Strömungskörper in Richtung R2. Ist das Ventil 9 geschlossen und Ventil 2 geöffnet, strömt das Fluid im Strömungskörper in Richtung R1.Each inlet nozzle 3 , 4 is assigned a valve 2 , 9 for shutting off and releasing the fluid flow. If valve 2 is closed and valve 9 is open, the fluid flows in the flow body in the direction of R2. If valve 9 is closed and valve 2 is open, the fluid flows in the flow body in direction R1.

Der Eintritt der Eintrittsdüsen 3, 4 in die Mischzone 5 kann in etwa in der Mitte der Mischzone 5 liegen, kann aber bei Bedarf auch unsymmetrisch angeordnet sein. Gemäß Fig. 2 weist die Mischzone 3 ein einfache Zylinderform auf. Sind die Richtungen R1, R2 nicht kolinear und/oder sind mehr als zwei Eintrittsdüsen mit jeweils verschiedenen Strömungsrichtungen vorgesehen, wird die Form der Mischzone entsprechend komplexer.The entry of the inlet nozzles 3 , 4 into the mixing zone 5 can be approximately in the middle of the mixing zone 5 , but can also be arranged asymmetrically if necessary. According to FIG. 2, 3, the mixing zone to a simple cylindrical shape. If the directions R1, R2 are not colinear and / or if more than two inlet nozzles with different flow directions are provided, the shape of the mixing zone becomes correspondingly more complex.

Im Bereich der Mischzone 5 kann zumindest eine zusätzliche, nicht dargestellte Medienzuführung angeordnet sein, so daß der Strömungskörper nach Art einer Ejektorpumpe funktioniert. Das Fluid in den Eintrittsdüsen 3, 4 tritt mit hoher Geschwindigkeit und/oder hohem Druck in die Mischzone 5 und reist ein Medium aus der zusätzlichen Medienzuführung mit und vermischt sich mit diesem. In einer bevorzugten Anwendung wird auf diese Weise etwa Wasserstoff oder Wasserdampf mit Wasserstoffgas aus dem Rücklauf einer Brennstoffzelle gemischt.At least one additional media feed, not shown, can be arranged in the region of the mixing zone 5 , so that the flow body functions in the manner of an ejector. The fluid in the inlet nozzles 3 , 4 enters the mixing zone 5 at high speed and / or high pressure and travels and mixes a medium from the additional media supply. In a preferred application, hydrogen or steam is mixed in this way with hydrogen gas from the return line of a fuel cell.

Die genaue Ausführung der Eintrittsdüsen 3, 4 kann je nach Einsatzort und Einsatzart des erfindungsgemäßen Strömungskörpers adaptiert werden. So können statt zwei getrennten Eintrittsdüsen mit getrennten Zuführleitungen auch eine Fluidzuführung mit zwei getrennten Ausgängen verwendet werden.The exact design of the inlet nozzles 3 , 4 can be adapted depending on the location and type of use of the flow body according to the invention. Instead of two separate inlet nozzles with separate supply lines, a fluid supply with two separate outlets can also be used.

Der Strömungskörper wirkt bevorzugt als bidirektionale Pumpe. Ohne zusätzliche Medienzuführung in der Mischzone 5 wirkt der Strömungskörper bevorzugt als Mehrweg-Umlenkventil. The flow body preferably acts as a bidirectional pump. Without additional media supply in the mixing zone 5, the flow body preferably acts as a multi-way diverter valve.

Eine bevorzugte Verwendung des Strömungskörpers in einem Brennstoffzellensystem ist in Fig. 2 dargestellt. Gleiche Elemente wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine Brennstoffzelle 13, die nicht näher dargestellt ist, ist über die erste Strömungsleitung 10 und die zweite Strömungsleitung 7 mit dem Strömungskörper verbunden. Ist Ventil 9 geöffnet und Ventil 2 geschlossen, strömt das Fluid, z. B. Wasserstoff, aus der Fluidquelle 1 in Richtung R1 über die Leitung 7 auf der rechten Seite in die Brennstoffzelle 13. Wird Ventil 2 geschlossen und Ventil 9 geöffnet, strömt das Fluid in Richtung R2 über Leitung 10 in entgegengesetzter Richtung in die Brennstoffzelle 13. Die Ventile 2, 9 können z. B. einfache Solenoidventile sein.A preferred use of the flow body in a fuel cell system is shown in FIG. 2. The same elements as in Fig. 1 are identified by the same reference numerals. A fuel cell 13 , which is not shown in detail, is connected to the flow body via the first flow line 10 and the second flow line 7 . If valve 9 is open and valve 2 is closed, the fluid flows, for. B. hydrogen, from the fluid source 1 in the direction R1 via the line 7 on the right into the fuel cell 13 . If valve 2 is closed and valve 9 is opened, the fluid flows in the direction R2 via line 10 in the opposite direction into the fuel cell 13 . The valves 2 , 9 can e.g. B. simple solenoid valves.

Eine Strömungsumkehr des Wasserstoffflusses in einer Brennstoffzelle ist günstig, um den Katalysator im Anodenraum der Brennstoffzelle gleichmäßiger zu belasten und damit besser auszunutzen. Außerdem kann damit eine vorteilhafte Durchspülung der Brennstoffzelle vorgenommen werden.A flow reversal of the hydrogen flow in one Fuel cell is cheap to the catalyst in the anode compartment load the fuel cell more evenly and therefore better exploit. It can also be used for an advantageous flushing the fuel cell.

Der erfindungsgemäße Strömungskörper ist preiswert, einfach aufgebaut, einfach zu fertigen und weist eine hohe Zuverlässigkeit auf. Es sind keine beweglichen Teile vorhanden, was besonders etwa in feuchter Wasserstoffatmosphäre günstig ist.The flow body according to the invention is inexpensive, simple constructed, easy to manufacture and has a high Reliability on. There are no moving parts, which is particularly beneficial in a humid hydrogen atmosphere is.

Claims (12)

1. Strömungskörper mit zumindest einer Mischzone (5) und zumindest einem in einer ersten Richtung (R1) einer zentralen Längsachse (A) daran anschließenden Diffusor (6) sowie zumindest einer im Bereich der Mischzone (5) in den Strömungskörper eintretenden ersten Eintrittsdüse (3) für ein Fluid, wobei die Eintrittsdüse (3) mit ihrem Austritt (3a) in die Mischzone (5) in der ersten Richtung (R1) hinein ragt und der Austritt (3a) der Eintrittsdüse (3) sich in etwa auf der Höhe der zentralen Längsachse (A) befindet, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungskörper zumindest eine zweite, im wesentlichen gleichartige Anordnung bestehend aus einer zweiten Eintrittsdüse (4) und einem zweiten Diffusor (8) in einer zweiten Richtung (R2) angeordnet ist, wobei die zweite Richtung (R2) senkrecht zu einer Querachse (B) verläuft und die Querachse (8) senkrecht auf der zentralen Längsachse (A) steht.1. flow body with at least one mixing zone (5) and at least one in a first direction (R1) a central longitudinal axis (A) adjoining the diffuser (6) and at least one (5) entering in the mixing zone in the flow body first inlet nozzle (3 ) for a fluid, wherein the inlet nozzle (3) with its outlet (3 a) projects into the mixing zone (5) in the first direction (R1) into and the outlet (3 a) of the inlet nozzle (3) the approximately at Height of the central longitudinal axis (A), characterized in that in the flow body at least a second, essentially similar arrangement consisting of a second inlet nozzle ( 4 ) and a second diffuser ( 8 ) is arranged in a second direction (R2), the second direction (R2) is perpendicular to a transverse axis (B) and the transverse axis ( 8 ) is perpendicular to the central longitudinal axis (A). 2. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strömungsrichtung des Fluids in der ersten und/oder der zumindest zweiten Eintrittsdüse (3, 4) vor Eintritt in die Mischzone (5) in etwa parallel zur Querachse (B) verläuft.2. Flow body according to claim 1, characterized in that a flow direction of the fluid in the first and / or the at least second inlet nozzle ( 3 , 4 ) runs approximately parallel to the transverse axis (B) before entering the mixing zone ( 5 ). 3. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Eintrittsdüse (3, 4) ein Ventil (2, 9) zum Absperren und Freigeben der Fluidströmung zugeordnet ist. 3. Flow body according to claim 1, characterized in that each inlet nozzle ( 3 , 4 ) is assigned a valve ( 2 , 9 ) for shutting off and releasing the fluid flow. 4. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Richtung (R1) und die zweite Richtung (R2) kolinear sind.4. flow body according to claim 1, characterized, that the first direction (R1) and the second direction (R2) are colinear. 5. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Richtung (R1) und die zweite Richtung (R2) in einem Winkel zwischen 0° und 180° zueinander stehen.5. flow body according to claim 1, characterized, that the first direction (R1) and the second direction (R2) in are at an angle between 0 ° and 180 ° to each other. 6. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Richtung (R1) und die zweite Richtung (R2) senkrecht zueinander stehen.6. flow body according to claim 1, characterized, that the first direction (R1) and the second direction (R2) are perpendicular to each other. 7. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Mischzone (5) eine zusätzliche Medienzuführung angeordnet ist.7. Flow body according to claim 1, characterized in that an additional media supply is arranged in the region of the mixing zone ( 5 ). 8. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Fluidquelle (1) aus eine erste Strömungsleitung (11) zum ersten Ventil (2) der ersten Eintrittsdüse (3) und eine zweite Strömungsleitung (12) zum zweiten Ventil der zweiten Eintrittsdüse (4) geführt ist.8. Flow body according to claim 1, characterized in that from a fluid source ( 1 ) from a first flow line ( 11 ) to the first valve ( 2 ) of the first inlet nozzle ( 3 ) and a second flow line ( 12 ) to the second valve of the second inlet nozzle ( 4 ) is performed. 9. Strömungskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strömungskörper zumindest eine dritte im wesentlichen gleichartige Anordnung bestehend aus einer dritten Eintrittsdüse und einem dritten Diffusor in einer dritten Richtung angeordnet ist, wobei die dritte Richtung in einem ersten Winkel zu der Querachse (B) und in einem zweiten Winkel zu der zentralen Längsachse (A) steht.9. flow body according to claim 1, characterized, that in the flow body at least a third essentially similar arrangement consisting of a third Inlet nozzle and a third diffuser in a third Direction is arranged, the third direction in one  first angle to the transverse axis (B) and at a second angle to the central longitudinal axis (A). 10. Verwendung des Strömungskörpers nach Anspruch 1 in einem Brennstoffzellensystem.10. Use of the flow body according to claim 1 in one Fuel cell system. 11. Verwendung des Strömungskörpers nach Anspruch 1 als bidirektionale Pumpe.11. Use of the flow body according to claim 1 as bidirectional pump. 12. Verwendung des Strömungskörpers nach Anspruch 1 als Mehrweg-Umlenkventil.12. Use of the flow body according to claim 1 as Reusable diverting.
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DE10055107A Withdrawn DE10055107A1 (en) 2000-11-07 2000-11-07 Flow body e.g. for fuel cell system, comprises mixing zone and diffuser connecting in first direction of central linear axis an entry nozzle entering flow body in vicinity of mixing zone

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