AT522904B1

AT522904B1 - Ejektoranordnung und elektrochemischer Reaktor

Info

Publication number: AT522904B1
Application number: ATA50741/2019A
Authority: AT
Inventors: Reichholf Dipl Ing David
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2021-07-15
Also published as: DE112020004056A5; WO2021035267A1; AT522904A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ejektoranordnung (10a; 10b), aufweisend eine Mischkammer (12), eine Ejektordüse (17), eine Sekundärkammer und eine Verstelleinheit (21), wobei ein erster Gehäuseteil (24) und ein relativ zum ersten Gehäuseteil (24) bewegbarer zweiter Gehäuseteil (25) vorgehsehen ist, wobei die Ejektordüse (17) wenigstens teilweise innerhalb des ersten Gehäuseteils (22) ausgestaltet ist und die Mischkammer (12) wenigstens teilweise innerhalb des zweiten Gehäuseteils (23) ausgestaltet ist, wobei die Verstelleinheit (21) zum Bewegen des ersten Gehäuseteils (24) und des zweiten Gehäuseteils (25) für die dadurch resultierende Relativbewegung am ersten Gehäuseteil (24) und am zweiten Gehäuseteil (25) befestigt ist, wobei der erste Gehäuseteil (24) einen elastisch verformbaren ersten Ausgleichsabschnitt (27) für eine durch die Verstelleinheit (21) verursachte elastische Längenänderung des ersten Gehäuseteils (24) aufweist und der zweite Gehäuseteil (25) einen elastisch verformbaren zweiten Ausgleichsabschnitt (28) für eine durch die Verstelleinheit (21) verursachte elastische Längenänderung des zweiten Gehäuseteils (24) aufweist.

Description

Beschreibung

EJEKTORANORDNUNG UND ELEKTROCHEMISCHER REAKTOR

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ejektoranordnung mit einer Ejektordüse, einem Saugbereich und einer Mischkammer für einen elektrochemischen Reaktor. Die Erfindung betrifft ferner einen elektrochemischen Reaktor mit einer Ejektoranordnung.

[0002] Ejektoranordnungen finden in gattungsgemäßen Reaktoren, insbesondere in Form von Brennstoffzellensystemen, bei Rezirkulationslösungen zur Rezirkulierung von Brennstoffzellenabgas Anwendung. Durch die Rezirkulierung und eine entsprechende Wiederverwendung von Brennstoffzellenabgas kann die Betriebseffizienz des Brennstoffzellensystem gesteigert werden.

[0003] Ein Vorteil von Ejektoren gegenüber Rezirkulationslösungen, in welchen Heißgasgebläse zur Abgasrückführung verwendet werden, ist der Verzicht auf bewegliche Teile im Ejektor. Bei hohen Betriebstemperaturen, wie sie in verschiedenen Brennstoffzellensystemen überwiegend vorliegen, sind bewegliche Teile fehleranfällig. Das Abdichten der beweglichen Funktionsbauteile stellt eine weitere Herausforderung dar.

[0004] Allerdings weisen konventionelle Ejektorlösungen auch entscheidende Nachteile auf. Aus der starren Geometrie der bekannten Ejektoranordnungen resultiert eine schlechte Regelbarkeit des Systems.

[0005] Dahingehend verbesserte Ejektoranordnungen sind beispielsweise aus der CN 202176556 U und der WO 2018210541 A1 (D2) bekannt.

[0006] In der internationalen Patentanmeldung WO 2013/185994 A1 wird ein SOFC/SOEC-System beschrieben, bei welchem ein Regelsystem eine in eine Rückführleitung verschaltete zweite Konditioniereinheit aufweist, die als Strömungsgenerator ausgebildet ist, und die dazu geeignet ist, die sich in der Rückführleitung befindliche Heißluft mit einer Strömung zu beaufschlagen, wobei das Regelsystem diese zweite Konditioniereinheit in Abhängigkeit von durch Temperatursonden erfassten Temperaturen regelt. Die in die Rückführleitung verschaltete zweite Konditioniereinheit ermöglicht eine gleichzeitige Rückführung von thermischer Energie wie auch eine Änderung des Massenstroms. Dadurch kann bei sich verändernden Anforderungen an den thermischen Wärmeinhalt des Luftstroms wie auch an den Massenstrom durch eine geeignete Einstellung der zweiten Konditioniereinheit zielgerichtet reagiert werden. Soll etwa der HochtemperaturBatterie bzw. dem Hochtemperatur-Elektrolyseur ein höherer Massenstrom bei gleichzeitig erhöhter Wärmemenge zugeführt werden, kann dies durch einen erhöhten Heißluftstrom in der Rückführleitung erreicht werden. Die zweite Konditioniereinheit kann hierbei als Ejektor ausgeführt sein aufgrund eines Temperaturunterschiedwertes geregelt werden. Entsprechend einer Weiterführung dieser Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass die Rückführleitung geeignete Stelleinrichtungen aufweist, die eine gezielte Veränderung des Massenstroms in der Rückführleitung ermöglichen. Daraus ergibt sich eine relativ komplexe Steuer- und Regelungskonfiguration, um die starre Geometrie des Ejektors hinsichtlich der gewünschten Steuer- und Regelbarkeit des Gesamtsystems zu kompensieren.

[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Ejektoranordnung sowie einen elektrochemischen Reaktor für eine verbesserte Betriebsregelung zur schaffen.

[0008] Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch die Ejektoranordnung gemäß Anspruch 1 und den elektrochemischen Reaktor gemäß Anspruch 8 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die Im Zusammenhang mit der Ejektoranordnung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Reaktor und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen

wird und/oder werden kann.

[0009] Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Ejektoranordnung für einen elektrochemischen Reaktor zur Verfügung gestellt. Die Ejektoranordnung umfasst:

[0010] - eine Mischkammer, mit einem Mischkammereinlass und einem Mischkammerauslass, zum Vermischen eines Primärfluids mit einem Sekundärfluid,

[0011] - eine Ejektordüse, mit einem Ejektordüseneinlass und einem Ejektordüsenauslass, zum Bereitstellen des Primärfluids für die Mischkammer,

[0012] - eine Sekundärkammer zum Bereitstellen des Sekundärfluids,

[0013] - einen Saugbereich, der sich wenigstens über eine Erstreckungslänge zwischen dem Ejektordüsenauslass und dem Mischkammereinlass erstreckt, zum Ansaugen des Sekundärfluids aus der Sekundärkammer in den Saugbereich und von dort zum Einleiten in die Mischkammer in Reaktion auf das Einbringen des Primärfluids von der Ejektordüse in die Mischkammer, und

[0014] - eine Verstelleinheit für eine Relativbvewegung der Mischkammer zur Ejektordüse zum Verändern der Erstreckungslänge des Saugbereichs zwischen dem Ejektordüsenauslass und dem Mischkammereinlass.

[0015] Im Rahmen von umfangreichen, experimentellen Versuchen, Berechnungen und Simulationen wurde festgestellt, dass durch die erfindungsgemäß mögliche Veränderung der Geometrie der Ejektoranordnung, die bei gattungsgemäßen Reaktorsystemen bislang als starr hingenommen wurde, die Leistungsfähigkeit derselben entscheidend verbessert werden kann. Es hat sich ferner gezeigt, dass die mit der vorliegenden Ejektoranordnung erzielbaren Vorteile die möglicherweise erhöhte Bauteilkomplexität, welche die Ejektoranordnung im Vergleich zu herkömmlichen Ejektoranordnungen aufweist, mehr als kompensieren kann.

[0016] Unter der Erstreckungslänge des Saugbereichs kann der Abstand zwischen dem Ejektordüsenauslass und dem Mischkammereinlass verstanden werden.

[0017] Die Ejektoranordnung kann für einen elektrochemischen Reaktor in Form eines Brennstoffzellensystems, eines Elektrolyseurs und/oder eines reversibel betreibbaren Brennstoffzellensystems, beispielsweise in Form eines SOFC/SOEC-Systems, konfiguriert sein. Weiterhin kann die Ejektoranordnung einen Diffusor aufweisen, der stromabwärts der Mischkammer direkt an diese angrenzend ausgestaltet ist.

[0018] Unter der Ejektordüse ist vorliegend insbesondere ein Bauteil oder eine Bauteilanordnung zu verstehen, die wenigstens einen Düsenabschnitt aufweist, wobei sich der Düsenabschnitt in einer Strömungsrichtung durch die Ejektordüse verjüngt. Unter der Strömungsrichtung durch die Ejektordüse kann eine Richtung verstanden werden, in welche das Primärfluid während eines Betriebs des elektrochemischen Reaktors zumindest im Wesentlichen strömt. Die Strömungsrichtung durch die Ejektordüse entspricht vorzugsweise auch einer Strömungsrichtung durch die Mischkammer sowie einer Strömungsrichtung durch den Diffusor, wobei unter der Strömungsrichtung nicht turbulente Strömungsrichtungen, sondern eine Hauptströmungsrichtung, in welche sich das Primärfluid und/oder das Sekundärfluid im Wesentlichen durch die Ejektordüse, die Mischkammer und den Diffusor bewegen, betrachtet werden soll. Die Ejektordüse kann neben dem Düsenabschnitt noch weitere Funktionsbauteile aufweisen, die insbesondere direkt stromaufwärts am Düsenabschnitt und/oder direkt stromaufwärts an einem Ejektorkanalabschnitt, der direkt stromaufwärts des Düsenabschnitts am Düsenabschnitt zum Leiten des Primärfluids durch den Ejektorkanalabschnitt in den Düsenabschnitt ausgestaltet ist, aufweisen. Unter dem Bereitstellen des Primärfluids für die Mischkammer kann verstanden werden, dass das Primärfluid aus der Ejektordüse in der Ejektoranordnung indirekt, insbesondere über den Saugbereich, weiter zur Mischkammer geleitet werden kann.

[0019] Die Mischkammer bezeichnet einen Bereich in der Ejektoranordnung, in welchem Primärfluid aus der Ejektordüse mit Sekundärfluid aus der Sekundärkammer vermischt wird. Im Saugbereich kann ebenfalls Primärfluid mit Sekundärfluid vermischt werden, wobei die Durchmischung

in einem geringeren Umfang als in der Mischkammer stattfindet. Das Primärfluid aus der Ejektordüse erzeugt während des Betriebs des elektrochemischen Reaktors einen Fluidstrahl, der mittels Impulsaustausch das Sekundärfluid aus der Sekundärkammer ansaugt und in Richtung der Mischkammer beschleunigt. Unter der Ejektoranordnung kann mithin auch eine Strahlpumpenanordnung verstanden werden. Der Saugbereich ist nicht durch ein spezifisches Gehäuse definiert, sondern kann als freier Bereich in der beschriebenen Strömungsrichtung zwischen dem Ejektordüsenauslass und dem Mischkammereinlass verstanden werden. Als Ejektor ist im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Strahlpumpe zu verstehen.

[0020] Die Sekundärkammer kann einen Fluideinlass aufweisen, durch welchen das Sekundärfluid in Form von rezirkuliertem Brennstoffzellenstapelabgas von einem Brennstoffzellenstapel des elektrochemischen Reaktors durch eine Rezirkulationsleitung in die Sekundärkammer geleitet werden kann. Unter dem Brennstoffzellenstapelabgas kann insbesondere Kathodenabgas von einem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels verstanden werden, wenn der elektrochemische Reaktor in Form eines Brennstoffzellensystems mit Brennstoffzellenstapel ausgestaltet ist. Darunter, dass die Sekundärkammer zum Bereitstellen des Sekundärfluids ausgestaltet ist kann mithin verstanden werden, dass die Sekundärkammer als Auffangbereich und/oder als eine Art Zwischenlager für das rezirkulierte Sekundärfluid ausgestaltet ist.

[0021] Die Verstelleinheit ist zum Durchführen einer Relativvewegung der Mischkammer zur Ejektordüse zum Verändern der Erstreckungslänge des Saugbereichs zwischen dem Ejektordüsenauslass und dem Mischkammereinlass ausgestaltet. D.h., die Erstreckungslänge des Saugbereichs zwischen dem Ejektordüsenauslass und dem Mischkammereinlass kann mittels der Verstelleinheit verändert werden. Die Verstelleinheit kann hierzu Verstellelemente zum Verstellen einer Relativposition der Ejektordüse zur Mischkammer und/oder der Mischkammer zur Ejektordüse aufweisen. Die Verstellelemente können dafür direkt an der Ejektordüse und/oder an der Mischkammer, oder an einem anderen Funktionsbauteil der Ejektoranordnung, an und/oder in welcher die Ejektordüse und/oder die Mischkammer angeordnet sind, montiert sein.

[0022] Eine erfindungsgemäße Ejektoranordnung weist zudem einen ersten Gehäuseteil und einen relativ zum ersten Gehäuseteil bewegbaren zweiten Gehäuseteil auf, wobei die Ejektordüse wenigstens teilweise innerhalb des ersten Gehäuseteils ausgestaltet ist und die Mischkammer wenigstens teilweise innerhalb des zweiten Gehäuseteils ausgestaltet ist, und wobei die Verstelleinheit zum Bewegen des ersten Gehäuseteils und des zweiten Gehäuseteils für die dadurch resultierende Relativbewegung am ersten Gehäuseteil und/oder am zweiten Gehäuseteil befestigt ist. D.h., in diesem Fall ist die Verstelleinheit für eine Relativbewegung des ersten Gehäuseteils zum zweiten Gehäuseteils ausgestaltet, wodurch die Relativbewegung zwischen der Ejektordüse und der Mischkammer entsprechend veranlasst wird. Das Bewegen von Gehäuseteilen, in welchen sich die Ejektordüse und/oder die Mischkammer befinden, hat sich bei umfangreichen Versuchen als einfacher realisierbar als das Bewegen der Ejektordüse und/oder der Mischkammer als Solche herausgestellt. Die Gehäuse mit einer daran befestigten Verstelleinheit können gegenüber der Umgebung außerdem einfacher fluiddicht gehalten werden, als dies bei einer Lösung, bei welcher die Verstelleinheit direkt an der Ejektordüse und/oder der Mischkammer montiert ist, möglich wäre. Darüber hinaus müssen an der Ejektordüse und/oder an der Mischkammer, welche im Funktionsbetrieb hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, keine Befestigungspunkte der Verstelleinheit gesetzt werden, welche im Funktionsbetrieb zu Schäden am jeweiligen Funktionsbauteil führen könnten. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ejektoranordnung dadurch, dass die Verstelleinheit an den Gehäuseteilen und nicht direkt an der Ejektordüse und/oder an der Mischkammer befestigt ist, besonders sicher betrieben werden kann. Unter der Bewegung eines Gehäuseteils kann eine Bewegung von wenigstens einem Teilbereich des Gehäuseteils verstanden werden. D.h., während sich ein Teilbereich des Gehäuseteils bewegt, kann ein anderer Teilbereich des Gehäuseteils in der ursprünglichen Relativposition verweilen. Darunter, dass der zweite Gehäuseteil mittels der Verstelleinheit relativ zum ersten Gehäuseteil bewegbar ist kann auch verstanden werden, dass der erste Gehäuseteil mittels der Verstelleinheit relativ zum zweiten Gehäuseteil bewegbar ist. D.h., durch die Verstelleinheit kann eine Relativbewegung zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäu-

seteil veranlasst werden. Die Ejektordüse ist bevorzugt ortsfest zumindest teilweise im ersten Gehäuseteil fixiert, sodass während eines Funktionsbetriebs der Ejektoranordnung zumindest zerstörungsfrei keine Relativbewegung zwischen dem ersten Gehäuseteil und der Ejektordüse möglich ist. Ebenso ist die Mischkammer vorzugsweise ortsfest zumindest teilweise im zweiten Gehäuseteil fixiert, sodass während eines Funktionsbetriebs der Ejektoranordnung zumindest zerstörungsfrei keine Relativbewegung zwischen dem zweiten Gehäuseteil und der Mischkammer möglich ist. Hierbei muss unter der ortsfesten Fixierung der Ejektordüse und/oder der Mischkammer keine Fixierung verstanden werden, bei welcher das jeweilige Funktionsbauteil innerhalb und/oder an dem jeweiligen Gehäuseteil fixiert ist. Entscheidend ist, dass eine Relativbewegung zwischen dem ersten Gehäuseteil und der Ejektordüse und/oder zwischen dem zweiten Gehäuseteil und der Mischkammer möglichst verhindert wird.

[0023] Weiterhin ist es vorgesehen, dass bei einer Ejektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung der ersten Gehäuseteil einen elastisch verformbaren ersten Ausgleichsabschnitt für eine durch die Verstelleinheit verursachte elastische Längenänderung des ersten Gehäuseteils aufweist und der zweite Gehäuseteil einen elastisch verformbaren zweiten Ausgleichsabschnitt für eine durch die Verstelleinheit verursachte elastische Längenänderung des zweiten Gehäuseteils aufweist. Mit Hilfe des elastisch verformbaren Ausgleichsabschnitt kann die erforderliche Gasdichtheit im Bereich der Gehäuseteile bei gleichzeitiger Ermöglichung der Relativbewegung zwischen den Gehäuseteilen realisiert werden. Der erste Ausgleichsabschnitt und/oder der zweite Ausgleichsabschnitt ist jeweils bevorzugt zerstörungsfrei lösbar im jeweiligen Gehäuseteil integriert. So kann der erste Ausgleichsabschnitt in Form eines Kompensators, ggf. zusammen mit geeigneten Dichtelementen, beispielsweise auf einen Gehäuseabschnitt des ersten Gehäuseteils geschraubt oder geschweißt werden. Ebenso kann der zweite Ausgleichsabschnitt in Form eines Kompensators, ggf. zusammen mit geeigneten Dichtelementen, auf einen Gehäuseabschnitt des zweiten Gehäuseteils geschraubt oder geschweißt werden. Durch die Ausgleichsabschnitte kann die grundsätzlich starre Geometrie des jeweiligen Gehäuseteils elastisch verformbar gestaltet werden. Der erste und/oder der zweite Ausgleichsabschnitt können entsprechend flexible und/oder elastisch verformbare und zudem für den Verwendungszweck ausreichend gasdichte Komponenten aufweisen. Der erste Ausgleichsabschnitt und/oder der zweite Ausgleichsabschnitt können als Teilabschnitt des jeweiligen Gehäuseteils verstanden werden. So kann sich der erste Ausgleichsabschnitt beispielsweise mantelförmig um einen Teilbereich der Ejektordüse herum erstrecken und/oder der zweite Ausgleichsabschnitt kann sich mantelförmig um einen Teilbereich der Mischkammer und/oder eines Diffusors im zweiten Gehäuseteil herum erstrecken.

[0024] Außerdem ist es möglich, dass bei einer erfindungsgemäßen Ejektoranordnung der erste Gehäuseteil und der zweite Gehäuseteil in einem Verbindungsabschnitt mechanisch miteinander verbunden sind, wobei der erste Ausgleichsabschnitt an den Verbindungsabschnitt angrenzt. Damit können die beiden Gehäuseteile besonders kompakt bereitgestellt werden, insbesondere dann, wenn die beiden Gehäuseteile zumindest teilweise durch den ersten Ausgleichsabschnitt miteinander verbunden sind. Der erste Ausgleichsabschnitt kann beispielsweise in Form eines Kompensators mit einem ersten Endabschnitt und einem zweiten Endabschnitt ausgestaltet sein, wobei der erste Verbindungsteil mit einem Gehäuseabschnitt des ersten Gehäuseteils verbunden ist und der zweite Verbindungsteil mit dem zweiten Gehäuseteil verbunden ist.

[0025] Zudem ist es bei einer Ejektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass der zweite Ausgleichsabschnitt stromabwärts der Mischkammer in einem Endbereich des zweiten Gehäuseteils ausgestaltet ist. An dieser Position kann der zweite Ausgleichsabschnitt besonders einfach installiert werden. In dem zweiten Gehäuseteil kann stromabwärts der Mischkammer noch ein Diffusor angeordnet sein, wobei der zweite Ausgleichsabschnitt in diesem Fall stromabwärts des Diffusors ausgestaltet ist.

[0026] Darüber hinaus kann bei einer erfindungsgemäßen Ejektoranordnung die Ejektordüse im Bereich des Ejektordüseneinlasses einen elastisch verformbaren dritten Ausgleichsabschnitt für eine durch die Verstelleinheit verursachte elastische Längenänderung der Ejektordüse aufweist. Der Ejektordüseneinlass befindet sich grundsätzlich nicht im ersten Gehäuseteil und/oder wird im Gegensatz von beispielsweise einem Düsenabschnitt der Ejektordüse nicht mantelförmig vom

ersten Gehäuseteil umgeben. Vielmehr ragt der Bereich des Ejektordüseneinlasses bevorzugt aus dem ersten Gehäuseteil entgegen der Strömungsrichtung hinaus. Dadurch kann der dritte Ausgleichsabschnitt an dieser Stelle besonders unkompliziert montiert werden und ist für Wartungs- und/oder Reparaturfälle einfach zugänglich. Die Ejektordüse kann demnach dahingehend verstanden werden, dass diese einen Düsenabschnitt sowie den dritten Ausgleichsabschnitt aufweist, wobei zwischen dem Ausgleichsabschnitt und dem Düsenabschnitt noch ein Leitabschnitt zum Leiten des Primärfluids vom dritten Ausgleichsabschnitt zum Düsenabschnitt ausgestaltet sein kann und wobei dieser Leitabschnitt teilweise aus dem ersten Gehäuseteil hinausragt und teilweise innerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist.

[0027] Bei einer erfindungsgemäßen Ejektoranordnung können der erste Ausgleichsabschnitt, der zweite Ausgleichsabschnitt und/oder der dritte Ausgleichsabschnitt jeweils zumindest teilweise rohrförmig ausgestaltet sein. Damit lassen sich die Ausgleichsabschnitt besonders platzsparend und effizient in der Ejektoranordnung integrieren. Jeder Ausgleichsabschnitt kann beispielsweise in Form eines Kompensators ausgestaltet sein oder einen Kompensator aufweisen.

[0028] Zudem hat es sich als Vorteilhaft erwiesen, wenn bei einer Ejektoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung die Verstelleinheit eine Ubertragungseinheit für eine Bewegungsübertragung von der Verstelleinheit auf den ersten Gehäuseteil und/oder auf den zweiten Gehäuseteil aufweist, wobei die Übertragungseinheit als Verbindungsstück für eine mechanische Verbindung des ersten Gehäuseteils mit dem zweiten Gehäuseteil wenigstens teilweise zwischen dem ersten Gehäuseteil und dem zweiten Gehäuseteil angeordnet ist. Auch dadurch lässt sich eine Bauteilersparnis erzielen. Außerdem kann die Ejektoranordnung damit kompakt bereitgestellt werden.

[0029] Die Verstelleinheit weist bei einer erfindungsgemäßen Ejektoranordnung bevorzugt einen Linearantrieb auf. Dadurch lässt sich die gewünschte Relativbewegung zwischen der Ejektordüse und der Mischkammer auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit durchführen. Der Linearantrieb kann direkt am ersten Gehäuseteil und/oder direkt am zweiten Gehäuseteil montiert sein. Der Linearantrieb ist zur translatorischen Bewegung des ersten Gehäuseteils und/oder des zweiten Gehäuseteils konfiguriert.

[0030] Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrochemischer Reaktor zur Stromerzeugung und/oder zur Brennstofferzeugung mit einer wie vorstehend im Detail beschriebenen Ejektoranordnung zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßer Reaktor die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf die erfindungsgemäße Ejektoranordnung beschrieben worden sind.

[0031] Der elektrochemische Reaktor ist vorzugsweise in Form eines Brennstoffzellensystems, beispielsweise in Form eines SOFC-Systems oder eines PEM-Systems, eines Elektrolyseurs 0der eines reversibel betreibbaren Brennstoffzellensystems, beispielsweise in Form eines SOFC/SOEC-Systems, ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt aufweisen. Ferner kann das Brennstoffzellensystem einen Rezirkulationsabschnitt zum Rezirkulieren des Sekundärfluids in Form von Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt in die Sekundärkammer aufweisen. Die Ejektoranordnung kann in solch einem System zum Zuführen von einem Fluidgemisch, bestehend aus dem Primärfluid und dem Sekundärfluid, zum Kathodenabschnitt ausgestaltet sein.

[0032] Der Reaktor kann ferner eine Sensoreinheit zum Erkennen eines Betriebszustandes des Reaktors aufweisen. Außerdem kann der Reaktor eine Betätigungseinheit zum Betätigen der Verstelleinheit für die Relativvewegung zwischen der Ejektordüse und der Mischkammer aufweisen, wobei die Betätigungseinheit zum automatischen Betätigen der Verstelleinheit zum Verstellen der Relativbewegung zwischen der Ejektordüse und der Mischkammer in Reaktion auf einen erkannten, vordefinierten Betriebszustand des Brennstoffzellensystems konfiguriert ist. D.h., die Betätigungseinheit kann dahingehend konfiguriert sein, dass die Verstelleinheit die Relativposition der Mischkammer zur Ejektordüse und/oder der Ejektordüse zur Mischkammer je nach Betriebszustand des Reaktors unterschiedlich einstellt. Folglich kann eine Geometrieänderung des Reaktors abhängig von Betriebsanforderungen des Reaktors automatisch vorgenommen werden.

[0033] Die Verstelleinheit kann wenigstens eine Spindel und eine Übertragungseinheit für eine Bewegungsübertragung von der Verstelleinheit auf den ersten Gehäuseteil und/oder auf den zweiten Gehäuseteil aufweisen, wobei die Ubertragungseinheit mit der Spindel sowie dem ersten Gehäuseteil und/oder dem zweiten Gehäuseteil in kraftübertragender Verbindung stehen kann. Durch ein Drehen der Spindel können die Übertragungseinheit und folglich auch der erste Gehäuseteil und/oder der zweite Gehäuseteil eine translatorische Bewegung erfahren. Die wenigstens eine Spindel ist ein einfaches Mittel zum Durchführen einer passgenauen Relativbewegung der Mischkammer und/oder der Ejektordüse. Die Spindel kann in einem Kaltbereich des Brennstoffzellensystems, insbesondere außerhalb einer Hotbox des Brennstoffzellensystems, angeordnet sein, wohingegen die Ubertragungseinheit teilweise im Kaltbereich und teilweise in einem Heißbereich, insbesondere innerhalb der Hotbox, angeordnet sein kann. Genauer gesagt kann sich die Ubertragungseinheit vom Kaltbereich in den Heißbereich erstrecken. Die UÜbertragungseinheit kann zumindest abschnittsweise, insbesondere im Heißbereich, einen Isolationsabschnitt zur thermischen Isolierung der Übertragungseinheit gegenüber dem Heißbereich aufweisen. Die Hauptfunktionsbauteile der Verstelleinheit können mithin außerhalb des Heißbereichs angeordnet sein. Damit kann die Verstelleinheit zumindest teilweise vor den hohen Temperaturen im Heißbereich geschützt werden.

[0034] Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

[0035] Es zeigen jeweils schematisch:

[0036] Figur 1 eine Ejektoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Betriebszustand,

[0037] Figur 2 eine Ejektoranordnung gemäß der ersten Ausführungsform in einem zweiten Betriebszustand,

[0038] Figur3 eine Ejektoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem ersten Betriebszustand,

[0039] Figur 4 eine Ejektoranordanung gemäß der zweiten Ausführungsform in einem zweiten Betriebszustand,

[0040] Figur 5 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einer Ejektoranordnung.

[0041] Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0042] Fig. 1 zeigt eine Ejektoranordnung 10a für einen in Fig. 5 dargestellten, elektrochemischen Reaktor 11 gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Ejektoranordnung 10a weist eine Mischkammer 12, mit einem Mischkammereinlass 13 und einem Mischkammerauslass 14, zum Vermischen eines Primärfluids 15 mit einem Sekundärfluid 16, auf. Ferner weist die Ejektoranordnung 10a eine Ejektordüse 17, mit einem Ejektordüseneinlass 18 und einem Ejektordüsenauslass 19, zum Bereitstellen des Primärfluids 15 für die Mischkammer 12, sowie eine Sekundärkammer 22 zum Bereitstellen des Sekundärfluids 16, auf. Zwischen dem Ejektordüsenauslass 19 und dem Mischkammereinlass 13 befindet sich ein Saugbereich 23, der sich über eine Erstreckungslänge L1 zwischen dem Ejektordüsenauslass 19 und dem Mischkammereinlass 13 erstreckt. Im Saugbereich 23 wird das Sekundärfluids 16 in Reaktion auf das Einbringen des Primärfluids 15 von der Ejektordüse 17 in die Mischkammer 12 aus der Sekundärkammer 22 in den Saugbereich 23 gesaugt und kann von dort in die Mischkammer 12 eingeleitet werden. Straomabwärts der Mischkammer 12 grenzt direkt an die Mischkammer ein Diffusor 20 an.

[0043] Die gezeigte Ausführungsform weist ferner eine Verstelleinheit 21 für eine Relativbewegung der Mischkammer 12 zur Ejektordüse 17 zum Verändern der Erstreckungslänge L1 des Saugbereichs 23 zwischen dem Ejektordüsenauslass 19 und dem Mischkammereinlass 13 auf.

[0044] Die in Fig. 1 dargestellte Ejektoranordnung 10a weist einen ersten Gehäuseteil 24 und einen relativ zum ersten Gehäuseteil 24 zerstörungsfrei bewegbaren zweiten Gehäuseteil 25 auf,

wobei die Ejektordüse 17 wenigstens teilweise innerhalb des ersten Gehäuseteils 22 ausgestaltet ist und die Mischkammer 12 wenigstens teilweise innerhalb des zweiten Gehäuseteils 23 ausgestaltet ist, und wobei die Verstelleinheit 21 zum Bewegen des ersten Gehäuseteils 24 und/oder des zweiten Gehäuseteils 25 für die dadurch resultierende Relativbewegung am ersten Gehäuseteil 24 und/oder am zweiten Gehäuseteil 25 befestigt ist.

[0045] Die gezeigte Verstelleinheit 21 weist einen Linearantrieb mit zwei Spindeln 32 und einer Übertragungseinheit 33 für eine Bewegungsübertragung von der Verstelleinheit 21 auf den ersten Gehäuseteil 24 und auf den zweiten Gehäuseteil 25 auf, wobei die Übertragungseinheit 33 als Verbindungsstück für eine mechanische Verbindung des ersten Gehäuseteils 24 mit dem zweiten Gehäuseteil 25 teilweise zwischen dem ersten Gehäuseteil 24 und dem zweiten Gehäuseteil 25 angeordnet ist.

[0046] Der erste Gehäuseteil 24 weist einen elastisch verformbaren ersten Ausgleichsabschnitt 27 für eine durch die Verstelleinheit 21 verursachte elastische Längenänderung des ersten Gehäuseteils 24 auf und der zweite Gehäuseteil 25 weist einen elastisch verformbaren zweiten Ausgleichsabschnitt 28 für eine durch die Verstelleinheit 21 verursachte elastische Längenänderung des zweiten Gehäuseteils 24 auf. Der erste Gehäuseteil 24 und der zweite Gehäuseteil 25 sind gemäß Fig. 1 in einem Verbindungsabschnitt 29 mechanisch miteinander verbunden, wobei der erste Ausgleichsabschnitt 27 an den Verbindungsabschnitt 29 angrenzt. Der zweite Ausgleichsabschnitt 28 ist stromabwärts des Diffusors 20 in einem Endbereich 31 des zweiten Gehäuseteils 25 ausgestaltet. Der erste Ausgleichsabschnitt 27 und der zweite Ausgleichsabschnitt 28 sind jeweils in Form eines Kompensators ausgestaltet.

[0047] Der erste Gehäuseteil 24 weist einen Fluideinlass 34 zum Einbringen des Sekundärfluids 16 in die Sekundärkammer 22 auf. Das Primärfluid 15 in der Ejektordüse 15 und das Fluidgemisch bestehend aus Primärfluid 15 und Sekundärfluid 16 in der Mischkammer 12 und im Diffusor 20 strömen im Wesentlichen in der gleichen Strömungsrichtung 30.

[0048] In Fig. 2 ist die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform in einem alternativen Betriebszustand dargestellt. Im gezeigten Betriebszustand wurde die Ubertragungseinheit 33 über die Spindel 32 translatorisch in Strömungsrichtung 30 bewegt, sodass der erste Gehäuseteil 24 im Bereich des ersten Ausgleichselements 27 gestreckt wurde und der zweite Gehäuseteil 25 im Bereich des zweiten Ausgleichselements 28 gestaucht wurde. Die Erstreckungslänge L2 hat sich dadurch vergrößert. Der Betrag der Vergrößerung entspricht der Streckungslänge des ersten Ausgleichselements 27, der Stauchungslänge des zweiten Ausgleichselements 28 und/oder der Verschiebungslänge der Ubertragungseinheit 33.

[0049] In Fig. 3 ist eine Ejektoranordnung 10b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ejektoranordnung weist die Ejektordüse 17 im Bereich des Ejektordüseneinlasses 18 einen elastisch verformbaren dritten Ausgleichsabschnitt 26 für eine durch die Verstelleinheit 21 verursachte elastische Längenänderung der Ejektordüse 17 auf. Die Übertragungseinheit 33 ist an einer Außenwandung des ersten Gehäuseteils 24 befestigt.

[0050] Fig. 4 zeigt die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform in einem alternativen Betriebszustand, in welchem die Übertragungseinheit 33 über die Spindel 32 translatorisch entgegen der Strömungsrichtung 30 bewegt wurde, sodass der erste Gehäuseteil 24 im Bereich des ersten Ausgleichselements 27 gestreckt wurde und die Ejektordüse 17 im Bereich des dritten Ausgleichselements 26 gestaucht wurde. Die Erstreckungslänge L3 hat sich dadurch auf die Erstreckungslänge L4 vergrößert. Der Betrag der Vergrößerung entspricht der Streckungslänge des ersten Ausgleichselements 27, der Stauchungslänge des dritten Ausgleichselements 26 und/oder der Verschiebungslänge der Ubertragungseinheit 33.

[0051] In Fig. 5 ist ein elektrochemischer Reaktor 11 in Form eines SOFC-Systems zur Stromerzeugung mit einer Ejektoranordnung 10a gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt. Der Reaktor 11 weist einen Brennstoffzellenstapel 36 mit einem Kathodenabschnitt 37 und einem Anodenabschnitt 38 auf. Die Ejektoranordnung 10a befindet sich in einer Kathodengasleitung 39 zum Zuführen von Kathodengas und/oder einem Kathodenfluid zum Kathodenabschnitt 37. Der

Reaktor 11 weist ferner eine Rezirkulationsleitung 35 zum Rezirkulieren von Sekundärfluid in Form von Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt 37 durch den Fluideinlass 34 in die Sekundärkammer 22 der Ejektoranordnung 10a auf. Stromabwärts der Ejektoranordnung 10a und stromaufwärts des Kathodenabschnitts 37 ist ein Reformer 40 zum Reformieren des zugeführten Fluidgemisches bestehend aus Primärfluid 15 und Sekundärfluid 16 angeordnet. Am Anodenabschnitt 38 sind eine Anodengasleitung 41 zum Zuführen von Anodengas zum Anodenabschnitt 38 und eine Anodenabgasleitung 42 zum Wegführen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt 38 ausgestaltet.

[0052] Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

10a Ejektoranordnung

10b Ejektoranordnung

11 Reaktor

12 Mischkammer

13 Mischkammereinlass 14 Mischkammerauslass 15 Primärfluid

16 Sekundärfluid

17 Ejektordüse

18 Ejektordüseneinlass 19 Ejektordüsenauslass 20 Diffusor

21 Verstelleinheit

22 Sekundärkammer

23 Saugbereich

24 erster Gehäuseteil

25 zweiter Gehäuseteil 26 dritter Ausgleichsabschnitt 27 erster Ausgleichsabschnitt 28 zweiter Ausgleichsabschnitt 29 Verbindungsabschnitt 30 Strömungsrichtung

31 Endbereich

32 Spindel

33 —Übertragungseinheit 34 Fluideinlass

35 Rezirkulationsleitung 36 Brennstoffzellenstapel 37 Kathodenabschnitt

38 Anodenabschnitt

39 Kathodengasleitung 40 Reformer

41 Anodengasleitung

42 Anodenabgasleitung

L1 Erstreckungslänge L2 Erstreckungslänge L3 Erstreckungslänge L4 Erstreckungslänge

Claims

Patentansprüche 1. Ejektoranordnung (10a; 10b) für einen elektrochemischen Reaktor (11), aufweisend:

- eine Mischkammer (12), mit einem Mischkammereinlass (13) und einem Mischkammerauslass (14), zum Vermischen eines Primärfluids (15) mit einem Sekundärfluid (16),

- eine Ejektordüse (17), mit einem Ejektordüseneinlass (18) und einem Ejektordüsenauslass (19), zum Bereitstellen des Primärfluids (15) für die Mischkammer (12),

- eine Sekundärkammer (22) zum Bereitstellen des Sekundärfluids (16)

- einen Saugbereich (23), der sich wenigstens über eine Erstreckungslänge (L1, L2; L3, L4) zwischen dem Ejektordüsenauslass (19) und dem Mischkammereinlass (13) erstreckt, zum Ansaugen des Sekundärfluids (16) aus der Sekundärkammer (22) in den Saugbereich (23) und von dort zum Einleiten in die Mischkammer (12) in Reaktion auf das Einbringen des Primärfluids (15) von der Ejektordüse (17) in die Mischkammer (12), wobei

eine Verstelleinheit (21) für eine Relativvewegung der Mischkammer (12) zur Ejektordüse (17) zum Verändern der Erstreckungslänge (L1, L2; L3, L4) des Saugbereichs (23) zwischen dem Ejektordüsenauslass (19) und dem Mischkammereinlass (13), wobei ein erster Gehäuseteil (24) und ein relativ zum ersten Gehäuseteil (24) bewegbarer zweiter Gehäuseteil (25) vorgehsehen ist, wobei die Ejektordüse (17) wenigstens teilweise innerhalb des ersten Gehäuseteils (22) ausgestaltet ist und die Mischkammer (12) wenigstens teilweise innerhalb des zweiten Gehäuseteils (23) ausgestaltet ist, wobei die Verstelleinheit (21) zum Bewegen des ersten Gehäuseteils (24) und des zweiten Gehäuseteils (25) für die dadurch resultierende Relativbewegung am ersten Gehäuseteil (24) und am zweiten Gehäuseteil (25) befestigt ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

der erste Gehäuseteil (24) einen elastisch verformbaren ersten Ausgleichsabschnitt (27) für eine durch die Verstelleinheit (21) verursachte elastische Längenänderung des ersten Gehäuseteils (24) aufweist und der zweite Gehäuseteil (25) einen elastisch verformbaren zweiten Ausgleichsabschnitt (28) für eine durch die Verstelleinheit (21) verursachte elastische Längenänderung des zweiten Gehäuseteils (24) aufweist.
2. Ejektoranordnung (10a; 10b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gehäuseteil (24) und der zweite Gehäuseteil (25) in einem Verbindungsabschnitt (29) mechanisch miteinander verbunden sind, wobei der erste Ausgleichsabschnitt (27) an den Verbindungsabschnitt (29) angrenzt.
3. Ejektoranordnung (10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausgleichsabschnitt (28) stromabwärts der Mischkammer (12) in einem Endbereich (31) des zweiten Gehäuseteils (25) ausgestaltet ist.
4. Ejektoranordnung (10b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ejektordüse (17) im Bereich des Ejektordüseneinlasses (18) einen elastisch verformbaren dritten Ausgleichsabschnitt (26) für eine durch die Verstelleinheit (21) verursachte elastische Längenänderung der Ejektordüse (17) aufweist.
5. Ejektoranordnung (10a; 10b) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ausgleichsabschnitt (28), der zweite Ausgleichsabschnitt (29) und/oder der dritte Ausgleichsabschnitt (26) jeweils zumindest teilweise rohrförmig ausgestaltet sind.
6. Ejektoranordnung (10a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (21) eine Übertragungseinheit (33) für eine Bewegungsübertragung von

der Verstelleinheit (21) auf den ersten Gehäuseteil (24) und/oder auf den zweiten Gehäuseteil (25) aufweist, wobei die Übertragungseinheit (33) als Verbindungsstück für eine mechanische Verbindung des ersten Gehäuseteils (24) mit dem zweiten Gehäuseteil (25) wenigstens teilweise zwischen dem ersten Gehäuseteil (24) und dem zweiten Gehäuseteil (25) angeordnet ist.
7. Ejektoranordnung (10a; 10b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinheit (21) einen Linearantrieb (32, 33) aufweist.
8. Elektrochemischer Reaktor (11) zur Stromerzeugung und/oder zur Brennstofferzeugung mit einer Ejektoranordnung (10a; 10b) nach einem der voranstehenden Ansprüche.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen