AT525102A1 - Strahlpumpenvorrichtung für eine Rezirkulationsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlpumpenvorrichtung (10) für eine Rezirkulationsvorrichtung (140) zur Rezirkulation von Rezirkulationsgas (RG) in einen Anodenzuführabschnitt (122) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Treibanschluss (20) zur fluidkommunizierenden Einbindung in den Anodenzuführabschnitt (122), einen Sauganschluss (30) zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einer Rezirkulationsleitung (142) der Rezirkulationsvorrichtung (140) und einen Auslassanschluss (40) zum Auslass von Anoden- zuführgas (AZG) zum Anodenabschnitt (120) des Brennstoffzellenstapels (110), wo- bei zwischen dem Treibanschluss (20) und dem Auslassanschluss (40) ein Mischabschnitt (50) angeordnet ist für ein Vermischen von über den Sauganschluss (30) an- gesaugtem Rezirkulationsgas (RG) und über den Treibanschluss (20) eingebrachtem Anodenzuführgas (AZG), wobei weiter der Treibanschluss (20) zum Mischabschnitt (50) hin einen aufweitungsfreien oder im Wesentlichen aufweitungsfreien Strömungsquerschnitt (SQ) aufweist für eine Ausbildung einer Unterschallströmung im Mischabschnitt (50).

Description

Strahlpumpenvorrichtung für eine Rezirkulationsvorrichtung eines Brennstoff-

zellensystems

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlpumpenvorrichtung für eine Rezirkulationsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem mit

einer solchen Strahlpumpenvorrichtung.

Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Rezirkulationsvorrichtungen aufweisen, um zumindest einen Teil des entstehenden Anodenabgases vom Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels in den Anodenzuführabschnitt rezirkulieren zu können. Da das Anodenabgas je nach Betriebssituation des Brennstoffzellensystems noch unverbrannten Restbrennstoff aufweisen kann, wird durch die Rezirkulation eine Effizienzsteigerung für den Betrieb des Brennstoffzellensystems möglich. Bekannte Lösungen dienen der Rezirkulation durch entsprechende Rezirkulationsleitungen. In solchen Rezirkulationsleitungen sind entweder aktive Fördervorrichtungen wie Gebläsevorrichtungen oder passive Fördervorrichtungen wie Ejektorvorrichtungen vorgesehen. Eine Ejektorvorrichtung ist dabei üblicherweise mit einem Treibanschluss, welcher auch als Primärseite bezeichnet werden kann, und einem Sauganschluss, welcher auch als Sekundärseite bezeichnet werden kann, ausgestattet.

Bei bekannten Lösungen mündet die Rezirkulationsleitung im Sauganschluss der Ejektorvorrichtung, während der Treibanschluss und auch der Auslassanschluss der Ejektorvorrichtung einen Teil im Fluidpfad des Anodenzuführabschnitts ausbilden. Brennstoff oder ein Anodenzuführgas, welches Brennstoff enthält, wird also an den Treibanschluss der Ejektorvorrichtung gefördert und stellt auf diese Weise eine Saugleistung am Sauganschluss der Ejektorvorrichtung zur Verfügung. Über diese Saugleistung wird das Rezirkulationsgas in die Ejektorvorrichtung eingesaugt und dort mit dem am Treibanschluss eingebrachten Anodenzuführgas vermischt. Das neue Gemisch aus Anodenzuführgas und Rezirkulationsgas wird nun dem Anodenabschnitt zur Verbrennung zugeführt.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die Ejektorvorrichtungen hinsichtlich der geförderten Menge an Rezirkulationsgas begrenzt sind. Werden größere Mengen an Rezirkulationsgas gewünscht, um beispielsweise hohe Rezirkulationsraten für das Brennstoffzellensystem zu ermöglichen, so ist dies nur mit einer Über-

schallsituation, also mit einer Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Ejektorvor-

richtung oberhalb der Schallgeschwindigkeit, möglich. Neben dem konstruktiven

Aufwand, welcher mit einer Überschalleignung für die Ejektorvorrichtung einhergeht,

ist hierfür ein hoher Primärdruck am Treibanschluss der Ejektorvorrichtung notwen-

dig. Zum konstruktiven Aufwand kommt also noch die notwendige Verdichterarbeit,

um diesen hohen Primärdruck am Treibanschluss der Ejektorvorrichtung anzulegen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine möglichst effiziente Rezirkulation mit einer Strahlpumpenvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Verfü-

gung stellen zu können.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Strahlpumpenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genom-

men wird beziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient eine Strahlpumpenvorrichtung einer Rezirkulation von Rezirkulationsgas in einen Anodenzuführabschnitt eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Strahlpumpenvorrichtung einen Treibanschluss zur fluidkommunizierenden Einbindung in den Anodenzuführabschnitt auf. Weiter ist ein Sauganschluss zur fluudkommunizierenden Verbindung mit einer Rezirkulationsleitung der Rezirkulationsvorrichtung vorgesehen. Ein Auslassanschluss der Strahlpumpenvorrichtung dient dem Auslass von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels. Zwischen dem Treibanschluss und dem Auslassanschluss ist in der Strahlpumpenvorrichtung ein Mischabschnitt angeordnet, für ein Vermischen von über den Sauganschluss angesaugtem Rezirkulationsgas und über den Treibanschluss eingebrachtem Anodenzuführgas. Weiter ist der Treibanschluss zum Mischabschnitt hin mit einem aufweitungsfreien oder im Wesentlichen aufweitungsfreien Strömungsquerschnitt ausgestattet, für eine Ausbildung einer Un-

terschallströmung im Misch- und insbesondere in einem Diffusorabschnitt. Ein sol-

cher Diffusorabschnitt dient zur Rückgewinnung der kinetischen Energie in Dru-

ckenergie welche für die Strömung durch den Brennstoffstapel erforderlich ist. Die

Strahlpumpenvorrichtung ist insbesondere als Saugstrahlpumpe ausgebildet. Grund-

sätzlich kann die Strahlpumpenvorrichtung auch als Ejektorvorrichtung für eine Aus-

bildung einer oben beschriebenen Unterschallströmung ausgebildet sein

Eine erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung basiert auf dem Grundkonzept einer bekannten Strahlpumpenvorrichtung, für die Einbringung von Rezirkulationsgas in den Anodenzuführabschnitt. Für die Integration in den Anodenzuführabschnitt ist die Strahlpumpenvorrichtung mit einem Treibanschluss für die Aufnahme des Anodenzuführgases und einem Auslassanschluss für die Abgabe des Anodenzuführgases zum Anodenabschnitt ausgestattet. Um nun eine Saugleistung für anzusaugendes Rezirkulationsgas zur Verfügung stellen zu können, ist zwischen dem Treibanschluss und dem Auslassanschluss ein Mischabschnitt vorgesehen, in welchem die Saugwirkung für das Ansaugen des Rezirkulationsgases ausgebildet wird. Das Ansaugen erfolgt hier beispielsweise durch das Venturi-Prinzip, also durch Geschwindigkeitsunterschiede und dementsprechendes Mitreißen eines seitlich eingebrachten Gases. Dabei ist es für die erfindungsgemäße Ausgestaltung unerheblich, wie die tatsächliche geometrische Korrelation zwischen Treibanschluss und Sauganschluss gebildet wird. Es können runde Strömungsquerschnitte, rechteckige Strömungsquerschnitte oder Kombinationen unterschiedlicher Strömungsquerschnitte eingesetzt werden. Auch sind konzentrische, teilkonzentrische oder auch quer zueinander angeordnete Ausrichtungen des Treibanschlusses zum Sauganschluss im Rahmen der

vorliegenden Erfindung denkbar.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Treibanschluss, zumindest im Bereich zum Mischabschnitt hin, sich aufweitungsfrei mit seinem Strömungsquerschnitt verhält. Das bedeutet, dass der Strömungsquerschnitt im einfachsten Fall in den Mischabschnitt in konstanter oder im Wesentlichen konstanter Weise übergeht. Es ist auch möglich, dass der letzte Abschnitt des Treibanschluss einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Jedoch sind grundsätzlich auch Ausführungsformen möglich, bei welchen sich der Treibanschluss vor der Öffnung zum Mischabschnitt hin verengt und damit der Strömungsquerschnitt sich verringert. Entscheidend für die erfindungsgemäße Ausbildung einer Unterschallströmung im Mischabschnitt ist es, dass bei konstantem Strömungsquer-

schnitt und/oder bei sich verengendem Strömungsquerschnitt, dieser sich zum

hoher Ansaugmöglichkeit auch für größere Mengen Rezirkulationsgas.

Der erfindungsgemäße Kerngedanke zielt darauf ab eine Beschleunigung des Anodenzuführgases im Treibanschluss zum Mischabschnitt so zu gestalten, dass eine Unterschallströmung im gesamten Ejektorbereich gewährleistet wird. Dies führt dazu, dass zwar grundsätzlich die Saugleistung geringer ausfällt, jedoch der notwendige Primärdruck am Treibanschluss ebenfalls deutlich geringer ausfallen kann. Neben einer Reduktion des Konstruktionsaufwandes bei unterschallbetriebenen Mischabschnitten führt dies zu einer größeren Effizienz beim Betrieb des Brennstoffzellensystems, da eine geringere Verdichterarbeit notwendig ist, um den entsprechend reduzierten Primärdruck am Treibanschluss der Strahlpumpenvorrichtung zur Verfügung

zu stellen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Strahlpumpenvorrichtung sind nicht nur Anwendungs- und Platzierungsvorteile erreicht, sondern es muss dadurch auch weniger Wärme abgeführt werden und es ist weniger Wärmeenergie für ein Rezirkulati-

onsgebläse notwendig.

Dabei ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass das Verhältnis zwischen der Saugleistung am Sauganschluss und dem Primärdruck am Treibanschluss für Überschallejektoren üblicherweise nicht linear im gesamten Betriebsfeld ist. Dies gilt insbesondere im Bereich des Wechsels vom Unterschallbetrieb in einen Überschallbetrieb. Mit anderen Worten muss für eine Verdoppelung der Saugleistung eine deutlich größere Druckerhöhung als eine Verdoppelung des Drucks am Primäranschluss erfolgen. In umgekehrter Richtung kann bei einer Reduktion der notwendigen Saugleistung eine deutlich stärkere Reduktion der notwendigen Verdichterleistung und des entsprechenden Drucks am Treibanschluss zur Verfügung gestellt werden. Unterschallejek-

toren zeichnen sich hingegen durch annähernd lineare Zusammenhänge ab, wes-

halb dadurch das Regel- und Steuerverhalten signifikant vereinfacht wird. Insbeson-

dere wird durch die erfindungsgemäße Unterschallausgestaltung ein linearer oder im

Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen Treibanschluss und Sauganschluss

möglich.

Eine erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung wird, wie dies später noch erläutert wird, insbesondere in Kombination mit einer zweiten oder weiteren Stufen von Strahlpumpenvorrichtungen oder im Zusammenspiel mit einer Gebläsevorrichtung in der Rezirkulationsvorrichtung eingesetzt. Dies erlaubt es, trotz der reduzierten Strömungsmenge und Saugleistung in der erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung, eine hohe Gesamt-Rezirkulationsrate für das Brennstoffzellensystem zur Verfügung

stellen zu können.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung zum Ausbilden einer Unterschallströmung im Mischabschnitt, kann beispielsweise der dafür benötigte Primärdruck am Treibanschluss von circa 5bar bei bisher bekannten Strahlpumpenvorrichtungen auf weit mehr als ein Fünftel, also deutlich unter 1bar, reduziert werden. Trotz der Reduktion um z.B. den Faktor 10 wird die entsprechende Saugleistung am Sauganschluss bei diesem Beispiel von circa 60mbar bei einem Primärdruck von 5bar nur auf circa 30mbar bei circa 500mbar Primärdruck halbiert. Allerdings reduziert sich auch die förderbare Menge an Anodengas (also die Rezirkulationsrate) um z. B. einen Faktor 5. Hier wird gut ersichtlich, wie stark die Vermeidung der nicht lineare Abhängigkeit zwischen Primärdruck und Saugleistung die erfindungsgemäßen Vorteile in Form eines Unterschallbetriebs zur Verfügung stellt.

Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung der Treibanschluss einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Dies gilt insbesondere für den letzten Abschnitt des Treibanschlusses vor der Öffnung zum Mischabschnitt hin. Im einfachsten Fall ist der Treibanschluss dort im Wesentlichen mit vollständig konstantem Strömungsquerschnitt, also beispielsweise rohrförmig, ausgebildet. Insbesondere ist bei dieser Ausführungsform der Treibanschluss mit einem runden Strömungsquerschnitt ausgebildet.

Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung der Treibanschluss wenigstens abschnittsweise innerhalb des Saug-

anschlusses, insbesondere wenigstens abschnittsweise konzentrisch im Saugan-

erfolgt dabei vorzugsweise gleichmäßig über den gesamten Sauganschluss.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen konzentrischen Strahlpumpenvorrichtung der Treibanschluss und/oder der Sauganschluss und/oder der Mischabschnitt und/oder der Auslassanschluss einen runden oder im Wesentlichen runden Strömungsquerschnitt aufweisen. Ein runder Strömungsquerschnitt ist insbesondere hinsichtlich der Fertigung mit großen Vorteilen versehen. Bevorzugt sind daher alle Teilabschnitte der Strahlpumpenvorrichtung mit einem runden oder im Wesentlichen runden Strömungsquerschnitt ausgestattet. Auch führt ein runder Strömungsquerschnitt für den jeweiligen Abschnitt zu einem sehr geringen Druckverlust und zusätzlich zu einem möglichst geringem Strömungswiderstand, wodurch die Effizienz beim Durchströmen der Strahlpumpenvorrichtung noch weiter gesteigert

werden kann.

Hingegen könnte sich bei einer Y-Anordnung ein flach-rechteckiger oder trapezförmiger Querschnitt als besonders günstig herausstellen, da die Fläche der Wechsel-

wirkung zwischen TSR und SSR dadurch vergrößert wird.

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung der Treibanschluss frei von einer Lavaldüse ausgebildet ist. Es wird also explizit eine Lavaldüsenwirkung im Treibanschluss vermieden, und auf diese Weise eine Beschleunigung des Anodenzuführgases in den Mischabschnitt hinein, entweder so weit reduziert, dass die gewünschte Unterschallströmung im Misch-

abschnitt erreicht wird, um unnötige Reibungsverluste zu vermeiden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung liegt darin das Anwendungsgebiet für Ejektoren massiv zu erweitern, auch für Anwendungen bei denen der Treibanschluss nicht über die erforderliche überkritische Druckversorgun-

gen verfügt um Überschall erzeugen zu können. Dadurch werden Verschaltungen im

zip weitere Zwischengebläse erforderlich wären.

Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung die Saug-Strömungsrichtung im Sauganschluss mit der TreibStrömungsrichtung im Treibanschluss einen definierten Ejektorwinkel ausbildet, wobei der Ejektorwinkel insbesondere als spitzer Winkel ausgebildet ist. Bei einer konzentrischen Auslegung des Sauganschlusses ist der Ejektorwinkel 0° beziehungsweise 180°. Bei der bereits erläuterten Y-Anordnung zwischen Sauganschluss und Treibanschluss kann der Ejektorwinkel je nach Betriebsweise optimiert werden. Beispielsweise kann durch Simulationen oder am Prüfstand ermittelt werden, bei welchen Ejektorwinkeln die maximale Saugleistung bei idealen Strömungsverhältnissen im Unterschallbetrieb im Mischabschnitt erreicht werden kann.

Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung zwischen dem Mischabschnitt und dem Auslassanschluss ein Diffusorabschnitt angeordnet ist, für ein Ausbilden eines mittleren Druckniveaus für das Anodenzuführgas. Ein solcher Diffusorabschnitt beinhaltet insbesondere einen sich öffnenden Strömungsquerschnitt, sodass zum einen das Vermischen der Gase des Anodenzuführgases aus dem Treibanschluss und des Rezirkulationsgases verbessert und zum anderen eine Reduktion der Geschwindigkeit des Gemisches erzeugt wird, wobei die vorhandene kinetische Energie am Eintritt in den Diffusor in Erhöhung des Druckes am Austritt aus dem Diffusor umgewandelt wird. Dieses entstehende Druckniveau ist dabei vorzugsweise hoch genug, um das Anodenzuführgas zusammen mit dem eingemischten Rezirkulationsgas durch den nachfolgenden

Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels zu führen.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von elektrischem Strom aus einem Brennstoff. Ein solches Brennstoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und mit einem Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und einem Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas versehen. Das Brennstoffzel-

lensystem weist eine Rezirkulationsvorrichtung auf, für eine Rezirkulation von Ano-

geordnet sein.

Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Rezirkulationsleitung eine Aufteilvorrichtung aufweist, für ein Aufteilen des Rezirkulationsgases auf eine erste Teil-Rezirkulationsleitung und eine zweite Teil-Rezirkulationsleitung. Wenigstens in der ersten Teil-Rezirkulationsleitung ist dabei die erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung angeordnet. Das Aufteilen erlaubt es, dass auch bei hohen benötigten Rezirkulationsraten der auf die erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung aufgeteilte Anteil an Rezirkulationsgas klein genug ist, um mit der verringerten Saugleistung im Unterschallbetrieb an der Strahlpumpenvorrichtung betrieben werden zu können. Die noch verbleibende benötigte Strömungsmenge an Rezirkulationsgas wird auf die zweite Teil-Rezirkulationsleitung aufgeteilt, welche vorzugsweise weitere Bestandteile und Funktionseinheiten für eine unterstützte Rezirkulation aufweisen kann. Hier kann auch von einer mehrstufigen

Rezirkulation gesprochen werden.

Bei der Ausführungsform gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung wenigstens eine der folgenden Vorrichtungen angeordnet ist:

— Strahlpumpenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, — Normale Strahlpumpenvorrichtung, — Gebläsevorrichtung.

Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Lis-

te. Hier ist gut zu erkennen, dass eine zweistufige oder sogar mehrstufige Rezirkula-

eine Gebläsevorrichtung, ebenfalls in den Anodenzuführabschnitt eingeleitet wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema-

tisch:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung,

Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel-

lensystems und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems.

Figur 1 zeigt schematisch eine Möglichkeit einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung 10. Über einen Treibanschluss 20 kann hier Anodenzuführgas AZG von einem Anodenzuführabschnitt 122 aufgenommen werden. Das Anodenzuführgas AZG strömt durch den Treibanschluss 20, welcher hier entlang der TreibStrömungsrichtung TSR einen konstanten Strömungsquerschnitt SQ aufweist. Sobald das Anodenzuführgas AZG nun aus dem Treibanschluss 20 in den Mischabschnitt 50 austritt, erzeugt es eine Saugwirkung auf den Sauganschluss 30. Diese Saugwirkung führt dazu, dass Rezirkulationsgas RG aus der Rezirkulationsleitung 142 in den Sauganschluss 30 eingesaugt wird. Hier ist ein sich etwas verringernder Strömungsquerschnitt SQ vorgesehen, wobei das Rezirkulationsgas RG entlang der Saug-Strömungsrichtung SSR gefördert wird, welche hier parallel oder im Wesentlichen parallel zur Treib-Strömungsrichtung TSR ausgerichtet ist. Nach dem Ansau-

gen findet das Vermischen mit dem Rezirkulationsgas RG im Mischabschnitt 50 statt,

sodass anschließend das neu gemischte Anodenzuführgas AZG über den Diffusor-

abschnitt 60 auf ein mittleres Druckniveau reduziert werden kann. In gemischter und

auf das gewünschte Druckniveau gebrachter Weise kann nun die mit dem Rezirkula-

tionsgas RG versehene Anodenzuführgasmenge über den Auslassanschluss 40 aus-

treten und weiter über den Anodenzuführabschnitt 122 in den Anodenabschnitt 120

gefördert werden.

Durch die hier konstante Ausbildung des Strömungsquerschnittes SQ im Treibanschluss 20 entlang der Treib-Strömungsrichtung TSR wird eine Beschleunigung des Anodenzuführgases AZG in diesem letzten Bereich vermieden oder zumindest im Unterschallbereich gehalten und das Strömungsprofil stabilisiert. Es stellt sich damit eine Unterschallströmung im Mischabschnitt 50 ein, welche im Unterschallbereich die entsprechende Saugleistung am Sauganschluss 30 zur Verfügung stellt. Damit wird sichergestellt, dass die vorliegende Strahlpumpenvorrichtung 10 im Unterschallbetreib betrieben werden kann. Bei der Ausgestaltung der Figur 1 sind die Strömungsquerschnitte SQ so gewählt, dass sich eine Aufteilung zwischen Sauganschluss 30

und Treibanschluss 20 von ca. 50:50 einstellt.

Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Figur 1, wobei hier eine YAnordnung zwischen Treibanschluss 20 und Sauganschluss 30 vorgesehen ist. Auch hier ist jedoch ein konstanter und insbesondere aufweitungsfreier Strömungsquerschnitt SQ für den Treibanschluss 20 vorgesehen, sodass sich auch bei dieser YAnordnung eine Unterschallströmungssituation im Mischabschnitt 50 einstellt. Durch Simulation oder Testbetrieb kann für diese Strahlpumpenvorrichtung 5 ein Ejektorwinkel a so optimiert werden, dass die zur Verfügung gestellte Saugleistung im Unterschallbetreib im Mischabschnitt 50 für ein maximiertes Ansaugen von Rezirkulationsgas RG über den Sauganschluss 30 gewährleistet wird. Bei dieser Ausführungsform ist sogar zusätzlich auf eine Diffusorvorrichtung 60 verzichtet worden, was für sehr geringe RZ und damit niedrig erforderliche Saugdrucke ausreichend sein kann. Durch den deutlichen Unterschied der Strömungsquerschnitte SQ erfolgt bei dieser Ausführungsform beispielsweise eine Aufteilung von 80:20 zwischen Treibanschluss 20 und Sauganschluss 30. Für andere Aufteilungen können die Strömungsquerschnitte SQ im Verhältnis zueinander entsprechend den Anforderungen an die Strahlpumpenvorrichtung 10 unterschiedlich ausgelegt werden.

Drucks die Reduktion der Saugleistung, die damit einhergeht, deutlich übersteigt.

In der Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt, welches zum Erzeugen von Strom einen Brennstoffzellenstapel 110 aufweist. Dieser ist mit einem Anodenabschnitt 120 und einem Kathodenabschnitt 130 ausgestattet. Der Kathodenabschnitt 130 erhält als Kathodenzuführgas KZG Zuluft von einer Luftquelle 180 über einen Kathodenzuführabschnitt 132. Das Kathodenabgas KAG wird über den Kathodenabführabschnitt 134, hier über eine Katalysatorvorrichtung 172 und zwei weitere

Wärmetauschervorrichtungen 170, wieder an die Umgebung abgeführt.

Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird Brennstoff BS von einer Brennstoffquelle 150 über die Brennstoffzufuhrleitung 152 in das Brennstoffzellensystem 100 eingebracht. Der Brennstoff BS kann hier gasförmig, beispielsweise über eine Wärmetauschervorrichtung 170, in den Treibanschluss 20 einer Strahlpumpenvorrichtung 10 eingebracht werden. Durch dieses Einbringen entsteht die bereits erläuterte Saugwirkung am Sauganschluss 30, sodass hier über die erste TeilRezirkulationsleitung 146 Rezirkulationsgas RG über die Aufteilvorrichtung 144 aus der Rezirkulationsleitung 142 angesaugt werden kann. Nach dem Mischen mit dem Rezirkulationsgas wird das Anodenzuführgas AZG durch die Reformervorrichtung 174 in den Anodenabschnitt 120 gefördert. Das entstehende Anodenabgas AAG wird über den Anodenabführabschnitt 124 zumindest teilweise, je nach Rezirkulationsrate, auf die Rezirkulationsleitung 142 aufgeteilt. Der verbleibende Rest des Anodenabgases AAG wird über eine Abgasleitung, ebenfalls der Katalysatorvorrichtung 172 und

die bereits erläuterten Wärmetauschervorrichtungen 170, der Umgebung zugeführt.

Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist eine mehrstufige Ausgestaltung der Rezirkulation dargestellt. Da die Strahlpumpenvorrichtung 10 hier für den Unterschallbetrieb

ausgerichtet ist, ist entsprechend die Saugleistung und die damit förderbare Ge-

Strahlpumpenvorrichtungen in erfindungsgemäßer Weise eingesetzt werden.

Die Figur 4 basiert auf der Ausführungsform der Figur 3. Jedoch wurde hier anstelle einer mehrstufigen Ejektorlösung die zweite Teil-Rezirkulationsleitung 148 mit einer Gebläsevorrichtung 176 ausgestattet, welche ähnlich der Ausführungsform der Figur 3 in der Lage ist, hier durch aktive Gebläseförderung das noch fehlende Rezirkulationsgas RG zusätzlich zur Strahlpumpenvorrichtung 10 der Rezirkulation dem Ano-

denzuführabschnitt 122 zur Verfügung zu stellen.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelIne Merkmale der Ausführungsformen, sofern technisch sinnvoll, frei miteinander

kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

10 Strahlpumpenvorrichtung 20 Treibanschluss

30 Sauganschluss

40 Auslassanschluss

50 Mischabschnitt

60 Diffusorabschnitt

100 Brennstoffzellensystem

110 Brennstoffzellenstapel

120 Anodenabschnitt

122 Anodenzuführabschnitt

124 Anodenabführabschnitt

130 Kathodenabschnitt

132 Kathodenzuführabschnitt

134 Kathodenabführabschnitt

140 Rezirkulationsvorrichtung

142 Rezirkulationsleitung

144 Aufteilvorrichtung

146 erste Teil-Rezirkulationsleitung 148 zweite Teil-Rezirkulationsleitung 150 Brennstoffquelle

152 Brennstoffzufuhrleitung

170 Wärmetauschervorrichtung 172 Katalysatorvorrichtung

174 Reformervorrichtung

176 Gebläsevorrichtung

180 Luftquelle

SQ Strömungsquerschnitt SSR Saug-Strömungsrichtung TSR Treib-Strömungsrichtung BS Brennstoff

RG Rezirkulationsgas

AZG Anodenzuführgas

AAG Anodenabgas KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas

& Ejektorwinkel

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Strahlpumpenvorrichtung (10) für eine Rezirkulationsvorrichtung (140) zur Rezirkulation von Rezirkulationsgas (RG) in einen Anodenzuführabschnitt (122) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Treibanschluss (20) zur fluiudkommunizierenden Einbindung in den Anodenzuführabschnitt (122), einen Sauganschluss (30) zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einer Rezirkulationsleitung (142) der Rezirkulationsvorrichtung (140) und einen Auslassanschluss (40) zum Auslass von Anodenzuführgas (AZG) zum Anodenabschnitt (120) des Brennstoffzellenstapels (110), wobei zwischen dem Treibanschluss (20) und dem Auslassanschluss (40) ein Mischabschnitt (50) angeordnet ist für ein Vermischen von über den Sauganschluss (30) angesaugtem Rezirkulationsgas (RG) und über den Treibanschluss (20) eingebrachtem Anodenzuführgas (AZG), dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) zum Mischabschnitt (50) hin einen aufweitungsfreien oder im Wesentlichen aufweitungsfreien Strömungsquerschnitt (SQ) aufweist für eine Ausbildung einer Unterschallströmung im Mischabschnitt (50).

   2. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) einen konstanten oder im Wesentlichen kon-

   stanten Strömungsquerschnitt (SQ) aufweist.

   3. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) wenigstens abschnittsweise innerhalb des Sauganschlusses (30), insbesondere wenigstens

   abschnittsweise konzentrisch im Sauganschluss (30), angeordnet ist.

   4. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) und/oder der Sauganschluss (30) und/oder der Mischabschnitt (50) und/oder der Auslassanschluss (40) einen runden oder im Wesentlichen runden Strömungsquerschnitt

   (SQ) aufweisen.

   5. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) frei von einer Lava-

   Idüse ausgebildet ist.

   insbesondere als spitzer Winkel ausgebildet ist.

   7. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mischabschnitt (50) und dem Auslassanschluss (40) ein Diffusorabschnitt (60) angeordnet ist für ein Ausbil-

   den eines mittleren Druckniveaus für das Anodenzuführgas (AZG).

   8. Brennstoffzellensystem (100) für die Erzeugung von elektrischem Strom aus einem Brennstoff (BS), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anodenabschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) zum Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Abführen von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend einen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Kathodenabgas (KAG), wobei das Brennstoffzellensystem (100) eine Rezirkulationsvorrichtung (140) aufweist für eine Rezirkulation von Anodenabgas (AAG) als Rezirkulationsgas (RG) über eine Rezirkulationsleitung (142) in den Anodenzuführabschnitt (122), wobei weiter in dem Anodenzuführabschnitt (122) eine Strahlpumpenvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet ist und die Rezirkulationsleitung (142) im Sauganschluss (30) der Strahlpumpenvorrichtung (10) mündet, und weiter eine Brennstoffzufuhrleitung (152) von einer Brennstoffquelle (150) in dem Treibanschluss (20)

   der Strahlpumpenvorrichtung (10) mündet.

   9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rezirkulationsleitung (142) eine Aufteilvorrichtung (144) angeordnet ist für ein Aufteilen des Rezirkulationsgases (RG) auf eine erste TeilRezirkulationsleitung (146) und eine zweite Teil-Rezirkulationsleitung (148), wobei in wenigstens der ersten Teil-Rezirkulationsleitung (146) die Strahlpumpenvorrichtung (10) mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet ist.

   10. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung (148) wenigstens eine der folgenden Vorrichtungen angeordnet ist:

   — Strahlpumpenvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7

   — Normale Strahlpumpenvorrichtung

   — Gebläsevorrichtung (176)