AT526442A1 - Ejektorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ejektorvorrichtung (100) für eine Anodengas- rezirkulation in einem Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Düsenabschnitt (10) mit einer Treibdüse und einer Saugdüse zum Zusammenführen eines primären Fluidstroms und eines sekundären Fluidstroms und in der Anodengasrezirkulation, sowie einem Mischabschnitt (20) zum Mischen des zugeführten primären Fluidstroms und des zugeführten sekundären Fluidstroms. Gemäß der Erfindung ist mittels we- nigstens eines strömungsführenden Elements (15, 16, 17, 23A, 24A, 23B, 24B) des Düsenabschnitts und/oder des Mischabschnitts (20), das quer zur Strömungsrichtung verstellbar gelagert ist, wenigstens ein kleinster Strömungsquerschnitt der Düsenöff- nung (13) der Treibdüse und/oder wenigstens ein kleinster vorrangig engster Strömungsquerschnitt (D21) des Mischabschnitts (20) in wenigstens einer radialen Abmessung variabel eingerichtet.

Description

Ejektorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ejektorvorrichtung zur Dosierung eines Brennstoffgases und eines Anodenabgases in einer Anodengasrezirkulation eines Brenn-

stoffzellensystem.

Die Ejektorvorrichtung findet Anwendung in der Brennstoffzellentechnik, wobei zur Verbesserung der Effizienz unverbrauchtes Brennstoffgas bzw. Wasserstoff aus einem Abgas der Brennstoffzellenanode in einer Anodengasrezirkulation mit neuem

Brennstoffgas dosiert angereichert und der Anode erneut zugeführt wird.

Es sind Ejektoren oder Strahlpumpen bekannt, die einen Primärfluidstrom beschleunigen und einen Sekundärfluidstrom mittels eines Unterdrucks ansaugen, der aus einer Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem beschleunigten Primärfluidstrom und dem Sekundärfluidstrom resultiert. Auf diese Weise können zwei Ströme in einer nachgelagerten Mischkammer durch eine Vorrichtung ohne bewegte Teile effektiv vermengt werden, und der rezirkulierende Sekundärmengenstrom auf ein höheres Druckniveau gehoben werden, um die Strömungsverluste innerhalb des Brennstoffstapels ein weiteres mal überwinden zu können. Insbesondere wenn durch Auswahl geeigneter Parameter Strömungscharakteristiken im Bereich der Schallgeschwindigkeit erzielt werden, tritt ferner ein sttrömungsmechanisches Phänomen auf, durch welches die Effizienz der Pumpenfunktion eines Ejektors im Sinne einer Stahl-

pumpe deutlich gesteigert wird.

Neben den Parametern eines Zufuhrdrucks des Primärfluidstroms und den Eigenschaften des Primärfluids selbst, kommen ferner eine Dimensionierung einer Austrittsfläche einer Düse, aus der das Primärfluid austritt, sowie Dimensionierungen der nach-

gelagerten Abschnitte zur Einstellung der Strömungsgeschwindigkeiten in Betracht.

Eine Effizienz des Ejektors in der Funktion als Umwälzpumpe zur Rezirkulation des Anodenabgases und frischen Brenngases ist lediglich bei Einstellung einer Schallgeschwindigkeit des Primärfluidstroms in der Treibdüse sehr günstig ausgeprägt. Demnach ist auch die Gesamtenergieeffizienz eines Brennstoffzellensystems abhängig von einem Erreichen des strömungscharakteristischen Regimes unter Schallge-

schwindigkeit, das gemäß Auslegung der Dimensionierung der Ejektorgeometrie unter

problematisch ist, sodass hier die Effizienz des Ejektors wiederum erheblich nachlässt.

Andererseits ist gerade im Teillastbereich eine hohe Pumpensaugleistung des Ejektors erforderlich, um eine Einschleppung von Feuchtigkeit in das Anodenabgas, die sich im dynamischen Teillastbetrieb noch verstärken kann, effektiv aus den Brennstoff-

zellen abzutransportieren.

Um mittels einer variablen Geometrie auf dynamische Verläufe oder zumindest variierende Betriebspunkte wie z.B. Teillastbetriebe eines mobilen Anwendungssystems von Brennstoffzellen wie einem Fahrzeug effizienter reagieren zu können, ist es ferner bekannt in Abhängigkeit einer angeforderten Last und einem dementsprechenden Zufuhrstrom von Brennstoffgas als Primärfluid in Ejektoren im Stand der Technik eine axial gelagerte Düsennadel innerhalb der Düse zu verstellen. Ein Ende der Düsennadel bewegt sich auf eine austrittsseitige Düsenöffnung zu und stellt einen dazwischen gebildeten Ringspalt ein, wodurch sich die Strömungsgeometrie des Ejektors bzw. eine Austrittsfläche des Primärfluidstroms und dessen Strömungsgeschwindigkeit anpassen lässt. Dadurch lassen sich auch für geringere Mengenströme im Teillastbereich Überschallgeschwindigkeiten im Düsenquerschnitt erreichen ohne das der Primärversorgungsdruck erhöht werden müsste, wodurch die erforderlich hohen Strö-

mungsimpulse erzeugt werden können um die erforderliche Rezirkulation zu erzielen.

Im Rahmen der bislang bekannten Ejektoren ist die Auslegung einer Ejektorgeometrie stets ein Kompromiss, der darin besteht, einen möglichst großen Lastbereich in der Anwendung des Brennstoffzellensystems abzudecken. Dabei muss zunächst sichergestellt werden, dass die gewünschte Strömungscharakteristik hinsichtlich des erzielbaren Primärmengenstroms und Saugdrucks einerseits im Vollastbetrieb sichergestellt ist, und andererseits bis in einen möglichst kleinen Teillastbetrieb hinein erzielbar bleibt.

Aufgrund der festgelegten Ejektorgeometrie, die bis auf eine axiale Verstellung der Düsennadel unveränderlich ist, sind in der Praxis jedoch erhebliche Grenzen gesetzt bis zur welchem Teillastbetrieb eine effiziente Durchmischung des Brennstoffgases gewährleistet werden kann. So haben Tests ergeben, dass I.d.R. bereits ab einem Teillastbetrieb von 50% der Volllast und darunter ein Druck bzw. Fluidstrom von erfor-

derlichem neuen Brennstoffgas in der Anodengasrezirkulation bereits nicht mehr

ausreicht, um eine Schallgeschwindigkeit des Primärfluids beim Austritt aus der Düse

zu erzielen. Bei einem Teillastbetrieb von 30 % der Volllast und darunter findet im We-

sentlichen nicht mehr die gewünschte Pumpenleistung des Ejektors mehr statt. Diese

Tatsache hat zur Folge, dass mit herkömmlichen Ejektoren in der unteren Hälfte des

gesamten Lastbereichs kein effizienter Betrieb des Ejektors möglich ist.

Um letzteren Erfordernis auch im Teillastbereich gerecht zu werden, sind im Stand der Technik zwei unterstützende Zusatzmaßnahmen bekannt. Eine Variante besteht in dem Einsatz eines kleinen zusätzlichen Gebläses zur Rezirkulation des Anodenabgases welches nur die Leerlauf und niedere Teillast abdeckt. Eine andere Variante sieht primärseitig eine gepulste Versorgung des Brennstoffgases durch ein gepulstes Injektorventil, oder ggf. mit einem Proportionalventil vor, welches deutlich langsamer Öffnen und Schließen kann und deshalb nur bedingt die niedere Teillast darstellen kann, meist nur mit großen Purgeverlusten um den Systemdruck in erlaubten Grenzen zu halten. Beide Varianten erhöhen die Komplexität, Systemkosten und ggf. Verbrauchskosten eines Brennstoffzellensystems. Demnach besteht Bedarf an einer alternativen Technik, welche auch in der unteren Hälfte des gesamten Lastbereichs einer Anwendung

des Brennstoffzellensystems eine verbesserte Effizienz des Ejektors erzielt.

Kurzfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen Ejektor zu schaffen, der über einen breiteren Lastbereich einer Brennstoffzellenanwendung eine verbesserte Effizienz eines Ejektors in der Funktion als Umwälzpumpe zur Rezirkulation des Anodenabgases und frischen Brenngases erzielt, und eine Ejektorgeometrie mit verbesserter Strömungscharakteristik bei einem Betrieb mit kleiner Teillast und geringer Brennstoffgasmenge im

Primärfluidstrom bereitstellt.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Ejektorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich

aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die erfindungsgemäße Ejektorvorrichtung ist für eine Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem ausgelegt. Dazu weist die Ejektorvorrichtung verschiedene

Abschnitte und Komponenten auf. Ein Düsenabschnitt dient zum Zusammenführen

bei im Wesentlichen gleichbleibenden Strömungsgeschwindigkeiten.

Erfindungsgemäß weist insbesondere der Düsenabschnitt wenigstens ein strömungsführendes Element auf, das in einem Bereich der Treibdüse quer zur Strömungsrichtung verstellbar gelagert ist. Mittels des wenigstens einen strömungsführenden Elements des Düsenabschnitts ist wenigstens ein kleinster Strömungsquerschnitt in der

Düsenöffnung in wenigstens einer radialen Abmessung variabel eingerichtet.

Als kleinster Strömungsquerschnitt ist im Sinne der Erfindung ein engster und/oder

geringster Strömungsquerschnitt zu verstehen.

Wahlweise alternativ oder in Kombination hierzu weist erfindungsgemäß insbesondere auch der Mischabschnitt wenigstens ein strömungsführendes Element auf, das in ei-

nem Bereich der Mischkammer quer zur Strömungsrichtung verstellbar gelagert ist.

Mittels des wenigstens einen strömungsführenden Elements des Mischabschnitts ist

wenigstens ein kleinster Strömungsquerschnitt in der Mischkammer in wenigstens ei-

ner radialen Abmessung variabel eingerichtet.

Die Erfindung sieht somit erstmals eine variable Geometrie eines Ejektors vor, die an verschiedenen Abschnitten eine Varianz einer radialen Dimension von strömungsführenden Flächen vorsieht, welche in herkömmlichen Konstruktionen bislang als kon-

stant gegebene Dimensionen galten und anwendungsspezifisch zu bestimmen waren.

Eine Variabilität der Strömungsgeometrie in Bezug auf verschiedene Strömungsraten wurde herkömmlicherweise lediglich in einer axialen Verstellung der Düsennadel realisiert, wobei sich eine Ausweitung von Grenzen eines auszulegenden Strömungs-

kennfeldes an den festen radialen Dimensionen der Strömungswege erschöpfte.

Basierend auf dieser Erkenntnis stellt die Erfindung eine Abkehr von einer variablen Strömungsgeometrie für Ejektoren dar, die bislang rein auf einer Verstellung in axialer Dimension basierte, und schlägt ein neues Konzept einer variablen Strömungsgeometrie eines Ejektors vor, welches die radiale Dimension einbezieht und hierzu Positionen einer radialen Verstellung von Elementen an den Strömungswegen des Ejektors benennt. Die Positionen zur radialen Verstellung sind insbesondere an den geringsten Strömungsquerschnitten entlang der Strömungswege am wirksamsten, d.h. am Ende einer Treibdüse zur Erzielung von Überschall-Geschwindigkeit im Primärstrom sowie in einer Mischkammer, um bei geringen Teillastmengen des Sekundärstroms ebenfalls das Geschwindigkeitsniveau hoch zu halten und damit die Wechselwirkung zwischen

dem intensiven Primärstrom und dem langsameren Sekundärstrom zu verbessern.

Als ein großer Vorteil der Erfindung, verschafft der genannte Lösungsweg einer radialen Verstellung von Elementen an wirksamen Positionen der Strömungswege in einem Ejektor eine effektive Erweiterung der Grenzen eines auszulegenden Strömungskennfeldes, sodass auch bei abnehmenden Strömungsraten, wie sie im Betrieb mit geringer Teillast in einer Brennstoffzellenanwendung auftreten, eine Strömungscharakteristik für eine verbesserte Effizienz zur Förderung der Fluidströme länger aufrechterhalten

werden kann.

In diesem Zusammenhang bestehen weitere Vorteile der Erfindung darin, dass im Teil-

lastbetrieb nicht nur eine effizientere Pumpenleistung, sondern auch eine effizientere

Durchmischung der Fluidströme und infolgedessen eine homogenere Konzentrations-

verteilung von frischem Brennstoffgas in der Anodengasrezirkulation vor Einleitung in

einen Brennstoffzellenstapel erreicht wird. Das führt zu einer gleichmäßigeren elektro-

chemischen Umsetzung über alle katalytischen Flächen der Brennstoffzellen, zu ei-

nem schonenderen Betrieb, der eine längere Lebensdauer begünstigt, sowie zu einer

gesteigerten Effizienz des Brennstoffgasverbrauchs.

Unter dem Begriff „strömungsführendes Element“ definiert die vorliegende Offenbarung verschiedene Teile einer einen Fluidstrom umschließenden Struktur des Ejektors mit einer Fläche, insbesondere einer Innenfläche, die direkt oder indirekt z.B. mittelbar über eine dazwischen liegende Dichtungsschicht, zu der Fluidströmung exponiert sind und eine Richtung oder Umleitung des Fluidstroms durch die Form oder Ausrichtung der Fläche festlegen oder gezielt beeinflussen. Ferner umfasst die Definition von strömungsführenden Elementen nicht nur Elemente, die separat zu der den Fluidstrom umschließenden Struktur des Ejektors ausgebildet und an oder dieser angeordnet bzw. gelagert sind, sondern ebenso Elemente, die selbst integraler Bestanteil der den Fluidstrom umschließenden Struktur des Ejektors sind, wie z.B. Teilstücke einer Ka-

nalwand eines Strömungskanals.

Unter dem Wortlaut „quer zur Strömungsrichtung verstellbar gelagert“ definiert die vorliegende Offenbarung eine Beweglichkeit von strömungsführenden Elementen, die sowohl in einer senkrechten Ebene zum Fluidstrom, z.B. eine diametrale bzw. frontale Bewegung aufeinander zu, eine zangenartige Bewegung mit einem Schwenkverlauf, eine Bewegung im Sinne einer verstellbaren Verschlussblende, oder ein radiales gleichmäßiges Dehnungsverhalten eines flexiblen Umfangs in einer senkrecht zum Fluidstrom gerichteten Ebene, als auch eine Beweglichkeit in einer Ebene, die lediglich in Bezug auf eine Achse senkrecht zum Fluidstrom ausgerichtet ist. Ferner umfasst die Definition Schwenk- oder Kippbewegungen sowie elastische Verformungen, deren Rotationsachse oder zentrale Achse eines Biegeradius der Verformung senkrecht zum Fluidstrom ausgerichtet ist. Als „verstellbar gelagert“ sind Lagerungen zwischen zwei Elementen zu verstehen, die eine Beweglichkeit lediglich eines Elements zu einem benachbarten ortsfesten Element, oder eine Beweglichkeit beider bzw. aller benachbarten Elemente gewähren, wie z.B. lineare oder gekrümmte Führungen, Aufhängungen mit einem oder mehreren Freiheitsgraden der Beweglichkeit, eine elastische Auf-

hängung, elastische Lagerung oder eine elastische Anlenkung als Teil einer teils

elastischen und teils geführten Lagerung. Die zueinander beweglich gelagerten Ele-

mente umfassen eine Beweglichkeit eines Elementes in sich, z.B. zwischen separaten

Segmenten eines gegliederten Elementes oder zwischen kontinuierlich fortlaufenden

Segmenten eines flexiblen Elementes wie z.B. Windungen einer spiralförmigen Feder.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strömungsführende Element des Düsenabschnitts mittels wenigstens eines elastisch kompressiblen Elements eine radial flexibel gelagerte Innenkontur in der Treibdüse umfassen. So kann z.B. ein elastisches Auskleidungselement, dessen Innenkontur eine schlauchförmige flexible Dichtungsschicht aufweist, eine radial kompressible Variante

des strömungsführenden Elements des Düsenabschnitts bilden.

Als effektivster Parameter einer variablen Ejektorgeometrie zur Erweiterung eines effizienten Betriebsbereichs mit Wirkung auf den Primärfluidstrom erweist sich prinzipiell eine Verstellmöglichkeit des Strömungsdurchmessers der Düsenöffnung der Treib-

düse.

Ferner erweist sich prinzipiell eine flexible Konstruktion, bei der an dem beweglichen, strömungsführenden Element eine elastische Rückstellkraft zur Verringerung des Strömungsquerschnitts einer strömungsbedingten Kraft zur Vergrößerung des Strömungsquerschnitts in einem selbsteinstellenden Gleichgewicht gegenüber steht, als regelungstechnisch einfache, reaktionsschnelle und wirksame Variante bei der Umsetzung der Erfindung. Die zuvor genannte Ausführungsform eines strömungsführenden Elements, das über ein elastisches Element gelagert oder aufgehängt ist, bildet wiederum eine mögliche Variante für die zuvor genannte Umsetzung, die sich mittels elastischer Rückstellkraft in Reaktion auf eine primärseitige Strömungsrate bzw. Flu-

iddruck selbstreguliert.

Gemäß einem darauf aufbauenden, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strömungsführende Element des Düsenabschnitts als konusförmiger Spaltring ausgestaltet sein, der in einer konusförmigen Spiralfeder aufgenommen ist. Diese Ausführungsform verteilt die Funktionen der Strömungsführung und der elasti-

schen Rückstellkraft einer Lagerung bzw. Aufhängung auf separate Elemente.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strö-

mungsführende Element des Düsenabschnitts elastisch verformbar sein und ein freies

Ende desselben kann radial flexibel sein. Diese Ausführungsform, in der das strö-

mungsführende Element selbst eine elastische Eigenschaft aufweist, bildet wiederum

eine weitere mögliche Variante für die zuvor genannte Umsetzung, die sich mittels

elastischer Rückstellkraft in Reaktion auf eine primärseitige Strömungsrate bzw. Flu-

iddruck selbstreguliert.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strömungsführende Element des Düsenabschnitts als ein mit einer definierten Verteilung von Ausnehmungen versehenen Konuselement oder ein mit einer Spiralnut geschlitztes Konuselement ausgestaltet sein. Diese Ausführungsform vereint die Funktionen der Strömungsführung und der elastischen Rückstellkraft in einem Element, welches sich anhand einer einseitigen Lagerung und einem freien Ende sowie je nach Ausgestaltung der flexiblen Struktur über den Umfang radial ausdehnt und somit auch die

ausgangsseitige Düsenöffnung ausweitet.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strömungsführende Element des Düsenabschnitts zur Innenseite eine den Strömungsquerschnitt umschließende Dichtung bis zur Düsenöffnung aufweisen. Somit kann eine Integrität einer Leitfläche bzw. Innenfläche des strömungsführenden Elementes her-

gestellt oder im Bereich von dessen Lagerung verbessert werden.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann sich eine Verstellung des wenigstens einen strömungsführenden Elements des Düsenabschnitts mittels eines Gleichgewichts zwischen einer vordefinierten elastischen Rückstellkraft und einer strömungsbedingten Kraft des primären Fluidstroms, der durch die Treibdüse strömt, selbst regulieren. Wie zuvor erwähnt, stellt eine Auslegung der zuvor genannten Mechaniken zur Bereitstellung dieser Funktionalität eine besondere Variante zur Umset-

zung der Erfindung dar.

Gemäß einem hierzu alternativen, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann eine Verstellung des wenigstens einen strömungsführenden Elements des Düsenabschnitts mittels eines Stellglieds ansteuerbar sein. Im Gegensatz zur der elastisch selbstregulierenden Variante, ermöglicht die Funktionalität der genannten Ausführungsform mittels eines Stellglieds einen aktiven Eingriff einer Steuerung, um z.B. Maßnahmen einer

Vorsteuerung oder eine Änderung zwischen Betriebsmodi einzuleiten.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann die Treibdüse eine axial gela-

gerte Düsennadel aufweisen, deren freies Ende in Bezug zur Düsenöffnung verstellbar

ist. Somit greift die Ausführungsform eine Kombination der erfindungsgemäßen Ver-

stellmöglichkeit einer Ejektorgeometrie in radialer Dimension mit der bekannten Ver-

stellmöglichkeit in axialer Dimension auf.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strömungsführende Element des Mischabschnitts mittels wenigstens eines elastischen Elements in der Mischkammer, dem Diffusorabschnitt und/oder in dem Vereinigungs-

abschnitt flexibel gelagert sein.

Als weitere effektiver Parameter einer variablen Ejektorgeometrie zur Erweiterung eines effizienten Betriebsbereichs mit Wirkung auf den Sekundärfluidstrom erweist sich prinzipiell eine Verstellmöglichkeit eines Sträömungsdurchmessers in dem nachgela-

gerten Mischhabschnitt.

Die zuvor genannte Ausführungsform umfasst ein strömungsführendes Element, das über ein elastisches Element gelagert oder aufgehängt ist, und bildet analog zu den diskutierten Ausführungsformen in Bezug auf die Treibdüse wieder eine mögliche Variante für die zuvor genannte Umsetzung, die sich mittels elastischer Rückstellkraft in Reaktion auf eine sekundärseitige sowie primärseitige Strömungsrate bzw. Fluiddruck

selbstreguliert.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein Profil des Mischabschnitts in zwei strömungsführende Elemente aufgeteilt sein, die zumindest an einer Lagerstelle durch eine lineare Führung quer zur Strömungsrichtung verschiebbar gelagert sind. Diese Ausführungsform stellt eine Variante dar, bei der integrale Bestandteile eines Strömungskanals des Ejektors selbst im Sinne von zwei beweglichen Hälften eines geteilten Kanalprofils die Funktionalität der strömungsführenden Elemente einnehmen, wobei eine lineare Führung eine Variante der Lagerung darstellt, welche eine

symmetrische Querschnittserweiterung ermöglicht.

Gemäß einem alternativen oder kombinierbaren, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein Profil des Mischabschnitts in zwei strömungsführende Elemente aufgeteilt

sein, die zumindest an einer Lagerstelle durch eine zentrische Führung quer zur

schaffen, die eine einseitige Anlenkung bzw. Einleitung einer Bewegung begünstigt.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strömungsführende Element des Mischabschnitts zur Innenseite eine den Strömungsquerschnitt umschließende Dichtung aufweisen. Somit kann wiederum eine Integrität einer Leitfläche bzw. Innenfläche des strömungsführenden Elementes hergestellt oder im

Bereich von dessen Lagerung verbessert werden.

Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann sich eine Verstellung des wenigstens einen strömungsführenden Elements des Mischabschnitts mittels eines Gleichgewichts zwischen einer vordefinierten elastischen Rückstellkraft und einem Gesamtdruck aus dem primären Fluidstrom und dem sekundären Fluidstrom, die durch den Mischabschnitt strömen, selbst regulieren. Wie zuvor erwähnt, stellt eine Auslegung der zuvor genannten Mechaniken zur Bereitstellung dieser Funktionalität

eine besondere Variante zur Umsetzung der Erfindung dar.

Gemäß einem alternativen vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann eine Verstellung des wenigstens einen strömungsführenden Elements des Mischabschnitts (20) mittels eines Stellglieds ansteuerbar sein. Analog zu den in Bezug auf die Treibdüse diskutierten Ausführungsformen, ermöglicht die Funktionalität der genannten Ausführungsform mittels eines Stellglieds wiederum einen aktiven Eingriff einer Steuerung, um z.B. Maßnahmen einer Vorsteuerung oder eine Änderung zwischen Betriebsmodi einzulei-

ten.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausfüh-

rungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

Fig. 1A eine schematische Darstellung einer variablen Kontur des Ejektors gemäß

einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1B eine schematische Darstellung eines variablen Strömungsquerschnitts innerhalb der Mischkammer des Ejektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 schematische Darstellungen im Längsschnitt und Querschnitt eines Auf-

baus einer Treibdüse mit variablem Strömungsquerschnitt gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Profils des Mischabschnitts des Ejektors mit unterschiedlich geführten Lagerungen der strömungsführenden

Elemente gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Formvariante des Profils des Mischabschnitts und der Strömungsquerschnitte, die aus einer Verstellung der strömungsführenden Elementen resultieren, gemäß einer Ausführungsform der

Erfindung, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Formvariante des Profils des Mischabschnitts und der Strömungsquerschnitte, die aus einer Verstellung der strömungsführenden Elementen resultieren, gemäß einer weiteren Aus-

führungsform der Erfindung.

In Fig. 1A zeigt schematisch eine längs der Strömungsrichtung angeschnittene Kontur einer Ejektorvorrichtung 100, die einerseits zur Dosierung und Eindüsung von frischem Brennstoffgas in einer Anodengasrezirkulation als auch als Strahlpumpe zur Umwälzung des Gasvolumens in der Anodengasrezirkulation dient. Die Kontur der Ejektorvorrichtung 100 lässt sich funktional übergeordnet in zwei Abschnitte, einen Düsenab-

schnitt 10 und einen Mischabschnitt 20, unterteilen.

Der Düsenabschnitt 10 umfasst in einem radial zentralen Bereich eine Treibdüse 11, deren Strömungsquerschnitt sich zu einer Ausgangsseite hin verjüngt. An einem freien Ende der Treibdüse 11 endet diese in einer Düsenöffnung 13. Aufgrund des abnehmenden Strömungsquerschnitts wird ein in die Treibdüse eingeleiteter Primärfluidstrom beschleunigt, wobei zur Erlangung eines strömungsmechanischen Phänomens für eine größtmögliche Effizienz der Ejektorvorrichtung 100, der Primärfluidstrom beim Austritt aus der Düsenöffnung 13 eine Strömungsgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit erreicht. Das Ausmaß der Beschleunigung lässt sich unter anderem durch einen Förderdruck des Brennstoffgases bzw. Primärfluidstroms als auch eine variable Verstellung des Strömungsquerschnitts innerhalb der Düsenöffnung 13

einstellen, wie später beschrieben wird.

Der Düsenabschnitt 10 umfasst ferner in einem radial äußeren Bereich eine Saugdüse 12 mit einem ringförmigen Düsenspalt 14, der einen abnehmenden Strömungsquerschnitt um das freie Ende und die Düsenöffnung 13 der Treibdüse 11 herum angeordnet umfasst. Durch einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des beschleunigten Primärfluidstroms und einer Strömungsgeschwindigkeit bzw. eingangsseitigen Rezirkulationsgeschwindigkeit des Sekundärfluidstroms entsteht ein Unterdruckfeld, das zu einem Ansaugen des rezirkulierenden Anodenabgases bzw. Sekundärfluidstrom durch die Saugdüse 12 und im speziellen den Düsenspalt 14 führt.

Eine erforderliche Differenz bzw. Überschuß der Strömungsraten zwischen dem Primärfluidstrom und dem Sekundärfluidstrom in dem Düsenabschnitt 10 bestimmt dabei die Dosierung von zugeführtem frischem Brennstoffgas in dem Anodenabgas. Eine Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem Primärfluidstrom und dem Sekundärfluidstrom in dem Düsenabschnitt 10 bestimmt eine Pumpenleistung nach dem Strahlpumpenprinzip zur Umwälzung des rezirkulierenden Anodenabgases, wobei eine Effizienz des Ejektors basierend auf einem strömungsmechanischen Phänomen maßgeblich davon abhängt, ob die Strömungsgeschwindigkeit des aus der Treib-

düse 11 austretenden Primärfluidstroms mindestens Schallgeschwindigkeit erreicht.

Der Düsenabschnitt 10 mündet stromabwärts in den Mischabschnitt 20 ein. An den Düsenabschnitt 10 schließt sich zunächst in Form eines kurzen, annähernd zylindrischen Abschnitts eine Mischkammer 21 an, welche den geringsten Strömungsquerschnitt D21 in dem Mischabschnitt aufweist und so einen Impulsaustausch zwischen dem zentral austretenden Primärstrom und dem umgebenden Sekundärstrom intensiviert. Danach folgt ein Diffusorabschnitt 22 des Düsenabschnitts 20, der in der dargestellten Ausführungsform einen gleichförmig zunehmenden Strömungsquerschnitt aufweist. Aufgrund des zunehmenden Strömungsquerschnitts wird die Strömungsgeschwindigkeit des gemeinsamen Gasvolumens beider Fluidströme expandiert, was zu unterschiedlichen Verzögerungen der individuellen Strömungsgeschwindigkeiten der beiden Fluidströme führt und infolgedessen zu einer Umwandlung der unterschiedlich hohen kinetischen Energien in gemeinsame Druckenergie bzw. strömungsdynamischen Durchmischung der Fluide zwischen dem Primärfluidstrom und dem Sekundärfluidstrom führt.

möglichen.

Fig. 1B zeigt ebenfalls die längs der Strömungsrichtung angeschnittene Kontur der Ejektorvorrichtung 100 in Bezug auf eine Ausführungsform, bei der, im Gegensatz zu der Ausführungsform aus Fig. 1A, nicht die gesamte Kontur, sondern besonders effektiv, lediglich innerhalb der Mischkammer 21 ein strömungsführendes Element bzw. eine strömungsführende Kontur zur radialen Verstellung des kleinsten Strömungsquerschnitts am Ende des Ringspalts 14 schematisch vorgesehen ist. Eine derartige Ausführungsform zur Verstellung an der betreffenden Position ist durch ein verstellbares Segment des strömungsführenden Element sowie eine flexible Dichtungsschicht

zur Innenseite realisierbar.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht des Düsenabschnitts 10, eine vergrößerte Detailansicht eines Endabschnitts der Treibdüse 11 im Bereich der Düsenöffnung 13 sowie einen Querschnitt in dem Endabschnitt der Treibdüse 11. In der dargestellten Ausführungsform besteht das an der Treibdüse 11 beweglich gelagerte, strömungsführendes Element 15, aus einem elastisch kompressiblen Auskleidungs-Element 16 und einer konusförmigen Spiralfeder 17 oder alternativ einem konusförmigen Spaltring, die an einem Ende an der Treibdüse 11 festgelegt und deren gegenüberliegendes Ende freisteht. Das kompressible Element 16 gewährt in Abhängigkeit eines Primärdrucks einen radial dehnbaren Strömungsquerschnitt. Durch ein radial elastisches Verhalten der Spiralform der Spiralfeder 17 bzw. alternativ eines konusförmigen Spaltrings wird ferner eine strömungsführende Kontur radial flexibel gelagert. Eine Innenseite der Treibdüse 11 ist mit einer schlauchförmigen bzw. ebenso konusförmigen Dichtung 18

ausgekleidet, um eine Leckage über die Windungsabstände der Spiralfeder 17 oder

nimieren.

In einer nicht weiter dargestellten Variante kann die flexible radiale Verstellung des Strömungsquerschnitts in der Düsenöffnung 13 auch ausschließlich durch ein elastisch kompressibles Element wie das Auskleidungs-Element 16 oder ausschließlich durch ein formelastisches Element wie die konusförmige Spiralfeder 17 oder einen konusförmigen Spaltring erzielt werden, alternativ zu einer kombinierten Wirkungsweise wie in der dargestellten Ausführungsform. Ferner kann abweichend zu der dargestellten Ausführungsform zur weiteren Abdichtung ein Faltenbalg die Spiralfeder 17 umschließen. Es wurde ferner festgestellt, dass geringfügige Leckagen zwischen der Primärseite und der Sekundärseite keinen größeren Einfluss auf die Strömungscha-

rakteristik nehmen und somit tolerierbar sind.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform können ein Spaltring und die Spiralfeder 17 in einem strömungsführenden Element 15 mit elastischer Eigenschaft integral vereint sein. Dieses ist aus einem flexiblen konusförmigen Element aus z.B. Federstahl hergestellt oder aus einer hochfesten Membran aus Kunststoff bzw. elastischem Verbundwerkstoff, welches Durchbrüche zur gezielten Beeinflussung einer elastischen Verformung, wie z.B. eine spiralförmige Nut oder überlagernden Zylindermantelschichten, oder über den Umfang verteilte ggf. längliche Öffnungen aufweist, um eine entsprechende radiale Dehnung in Reaktion auf eine ansteigende Strömungsrate bzw.

Druck zu erzielen.

Fig. 3 zeigt ein Profil des Mischabschnitts 20, das im Diffusorabschnitt 22 oder auch im Vereinigungsabschnitt 23 angeordnet sein kann. Dabei ist das Profil des Strömungskanals in zwei Hälften als die strömungsführenden Elemente 24A, 24B geteilt, die durch Führungen 26, 27 zueinander verschiebbar gelagert sind. Zu illustrativen Zwecken möglicher Varianten von Führungen 26, 27 wurde dabei an den beiden Lagerstellen eine lineare Führung 26 einerseits und eine zentrische bzw. gekrümmte Lagerung 27 gewählt. Als Teil der Führungen 26, 27 ist ein elastisches Element 25 wie, z.B. eine Zugfeder oder eine mittels eines Führungsstifts beaufschlagte Druckfeder eingesetzt, deren Rückstellkraft einer strömungsbedingten Aufweitung des Strö-

mungsquerschnitts entgegenwirkt.

Allerdings kann gemäß einer alternativen Ausführungsform zur Verstellung eines Strö-

mungsquerschnitts sowohl an der Treibdüse 11 als auch insbesondere vorzugsweise

im Bereich der Mischkammer 21 des Mischabschnitts 20 anstelle eines elastischen

Elements 17, 25 ein Stellglied, wie ein elektromagnetisches Stellglied, ein Bimetall-

Element, ein hygrophobisches-Element, ein Piezoelement oder dergleichen verwendet

werden, um zwischen verschiedenen Zuständen aktiv umzuschalten.

Fig. 4 zeigt ein ähnliches Profil eines Strömungskanals des Mischabschnitts 20 aus Fig. 3, dessen Innenflächen der strömungsführenden Elemente 24C, 24D so gewählt sind, dass sich in einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems eine kreisrunde Kontur des Strömungsquerschnitts D21 in der Mischkammer 21 oder des Strömungsquerschnitts D23 in dem Vereinigungsabschnitt 23 ergibt. Nach einer Verstellung der strömungsführenden Elemente 24C, 24D im Vollastbetrieb des Brennstoffzellensys-

tems ergibt sich die Kontur eines Langlochs.

Fig. 5 zeigt ein entsprechendes Profil des Strömungskanals des Mischabschnitts 20, dessen Innenflächen der strömungsführenden Elemente 24E, 24F alternativ als Kreisbögen mit größerem Radius gewählt sind. Dabei ergibt sich sowohl im Teillastbetrieb als auch nach einer Verstellung der strömungsführenden Elemente 24E, 24F im Vollastbetrieb des Brennstoffzellensystems eine zur Trennungsachse symmetrische Kontur des Strömungsquerschnitts D21 in der Mischkammer 21 oder des Strömungsquerschnitts D23 in dem Vereinigungsabschnitt 23, die im Vergleich zur Formgebung aus Fig. 4 ähnlicher einem Kreisquerschnitt kommt und damit eine größere Durchlassflä-

che bei ähnlich kompakten Außenabmessungen oder geringerem Verstellweg zulässt.

Ergänzend wird angemerkt, dass sich in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform nicht nur der Strömungsquerschnitt der Treibdüse 11, sondern auch der ringförmige Strömungsquerschnitt der Saugdüse 12 verjüngt, wodurch die Strömungscharakteristik der Ejektorvorrichtung 100 begünstigt wird. Diese Ausgestaltung ist jedoch prinzipiell für das Funktionsprinzip einer Strahlpumpe nicht zwingend notwendig, sodass in einer alternativen Ausführungsform auch ein abnehmender Strömungsquerschnitt im Bereich der Saugdüse 12 und ein zunehmender Strömungsquerschnitt im Bereich des Diffusorabschnitts 22 unter Kompromissen der resultierende Strömungscharakteristik

entfallen kann.

Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorlie-

gende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

10 Düsenabschnitt

11 Treibdüse

12 Saugdüse

13 Düsenöffnung

14 Düsenspalt

15 strömungsführendes Element des Düsenabschnitts 16 elastisch kompressibles Element

17 konusförmiger Spaltring oder konusförmige Spiralfeder 18 Dichtung

20 Mischabschnitt

21 Mischkammer

22 Diffusorabschnitt

23 Vereinigungsabschnitt

24A strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24B strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24C strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24D strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24E strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24F strömungsführendes Element des Mischabschnitts 25 elastisches Element

26 lineare Führung

27 zentrisch gekrümmte Führung

100 Ejektorvorrichtung

D21 Strömungsquerschnitt in der Mischkammer

D23 Strömungsquerschnitt im Vereinigungsabschnitt

Claims (15)

Patentansprüche

1. Ejektorvorrichtung (100) für eine Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Düsenabschnitt (10) zum Zusammenführen eines primären Fluidstroms

und eines sekundären Fluidstroms in der Anodengasrezirkulation, mit:

einer Treibdüse (11) mit einem abnehmenden Strömungsquerschnitt und einer Düsenöffnung (13) zum Zuführen und Erhöhen einer Strömungsge-

schwindigkeit des primären Fluidstroms, und

einer Saugdüse (12) mit einem Düsenspalt (14), der in einem radial äußeren Bereich der Düsenöffnung (13) der Treibdüse (11) angeordnet ist, zum An-

saugen und Zuführen des sekundären Fluidstroms;

einen Mischabschnitt (20), in den der Düsenabschnitt (10) einmündet, zum Mischen des zugeführten primären Fluidstroms und des zugeführten sekundären

Fluidstroms, mit:

einer Mischkammer (21) mit einem verringerten Strömungsquerschnitt (D21) innerhalb des Mischabschnitts (20) zum Impulsaustausch zwischen dem

primären Fluidstrom und dem sekundären Fluidstrom,

einem Diffusorabschnitt (22) mit einem zunehmenden Strömungsquerschnitt zur Diffusion des primären Fluidstroms und des sekundären Fluidstroms durch Verringerung von deren Strömungsgeschwindigkeiten,

und/oder

einem Vereinigungsabschnitt (23) mit einem im Wesentlichen gleichbleibenden Strömungsquerschnitt (D23) zum Vereinen des primären Fluidstroms und des sekundären Fluidstroms bei im Wesentlichen gleichblei-

benden Strömungsgeschwindigkeiten; dadurch gekennzeichnet, dass

mittels wenigstens eines strömungsführenden Elements (15, 16, 17) des Düsenabschnitts (10), das in einem Bereich der Treibdüse (11) quer zur Strömungsrich-

tung verstellbar gelagert ist, wenigstens ein kleinster Strömungsquerschnitt in der

ist; und/oder,

mittels wenigstens eines strömungsführenden Elements (24A,B; 24C,‚,D; 24E,F) des Mischabschnitts (20), das wenigstens in einem Bereich der Mischkammer 21 quer zur Strömungsrichtung verstellbar gelagert ist, wenigstens ein kleinster Strömungsquerschnitt (D21) in der Mischkammer (21) in wenigstens einer radialen

Abmessung variabel eingerichtet ist.

2. Ejektorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine strömungsführende Element (15, 16, 17) des Düsenabschnitts (10) mittels eines elastisch kompressiblen Elements (16) eine radial flexible Innenkontur in der

Treibdüse (11) umfasst.

3. Ejektorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine strömungsführende Element (15, 16, 17) des Düsenabschnitts (10) eine konus-

förmige Spiralfeder (17) und/oder einen konusförmigen Spaltring umfasst.

4. Ejektorvorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine strömungsführende Element (15, 16, 17) des Düsenabschnitts (10) elastisch ver-

formbar ist und ein freies Ende desselben radial flexibel ist.

5. Ejektorvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 4, wobei das wenigstens eine strömungsführende Element (15, 16, 17) des Düsenabschnitts (10) als ein mit einer definierten Verteilung von Ausnehmungen versehenen Konuselement oder

ein mit einer Spiralnut geschlitztes Konuselement ausgestaltet ist.

6. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das wenigstens eine strömungsführende Element (15, 16, 17) des Düsenabschnitts (10) zur Innenseite eine den Strömungsquerschnitt umschließende Dichtung (18), insbe-

sondere eine balgartige flexible Membran, bis zur Düsenöffnung (13) aufweist.

7. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sich eine Verstellung des wenigstens einen strömungsführenden Elements (15, 16, 17) des Düsenabschnitts (10) mittels eines Gleichgewichts zwischen einer vordefinierten elastischen Rückstellkraft und einer strömungsbedingten Kraft des primären Flu-

idstroms, der durch die Treibdüse (11) strömt, selbst reguliert.

8. Ejektorvorrichtung (100) einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Verstellung

des wenigstens einen strömungsführenden Elements (15, 16, 17) des Düsenab-

schnitts (10) mittels eines Stellglieds ansteuerbar ist.

9. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Treibdüse (11) eine axial gelagerte Düsennadel aufweist, deren freies Ende in Bezug zur

Düsenöffnung (13) verstellbar ist.

10. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das wenigstens eine strömungsführende Element (24A,B; 24C,D; 24E,F) des Mischabschnitts (20) mittels wenigstens eines elastischen Elements (25) in der Mischkammer 21, in dem Diffusorabschnitt (22) und/oder in dem Vereinigungsabschnitt

(23) flexibel gelagert ist.

11. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei, zumindest in Strömungsrichtung abschnittsweise, ein Profil des Mischabschnitts (20) in zwei strömungsführende Elemente (24A,B; 24C,D; 24E,F) aufgeteilt ist, die zumindest an einer Lagerstelle durch eine lineare Führung (26) quer zur Strömungsrichtung

verschiebbar gelagert sind.

12. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei, zumindest in Strömungsrichtung abschnittsweise, ein Profil des Mischabschnitts (20) in zwei strömungsführende Elemente (24A,B; 24C,D; 24E,F) aufgeteilt ist, die zumindest an einer Lagerstelle durch eine zentrische Führung (27) quer zur Strömungsrich-

tung verschwenkbar gelagert sind.

13. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das wenigstens eine strömungsführende Element (24A,B; 24C,D; 24E,F) des Mischabschnitts (20) zur Innenseite eine den Strömungsquerschnitt (D21, D23) umschlie-

Rende Dichtung aufweist.

14. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei sich eine Verstellung des wenigstens einen strömungsführenden Elements (24A,B; 24C,D; 24E,F) des Mischabschnitts (20) mittels eines Gleichgewichts zwischen einer vordefinierten elastischen Rückstellkraft und einem Gesamtdruck aus dem primären Fluidstrom und dem sekundären Fluidstrom, die durch den Mischabschnitt

(20) strömen, selbst reguliert.

15. Ejektorvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine Verstellung des wenigstens einen strömungsführenden Elements (24A,B; 24C,D; 24E,F)

des Mischabschnitts (20) mittels eines Stellglieds ansteuerbar ist.