CN116711108A - 用于燃料电池系统的喷射器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统(100)的喷射器装置(1)，其包括喷嘴部(2)、主气体管路段(3)、混合腔(4)和扩流器(5)，其中，设有在扩流器(5)下游与扩流器(5)相接的连接件(6)，其中，该连接件(6)包括用于将气流分流的导流件(7)。本发明还涉及一种具有这种喷射器装置(1)的燃料电池系统(100)以及这种燃料电池系统(100)的用途。

Description

用于燃料电池系统的喷射器

技术领域

本发明涉及一种用于燃料电池系统的喷射器装置，包括喷嘴部、主气体管路段、混合腔和扩流器，其中，设有在下游与扩流器相接的连接件。

本发明还涉及这种喷射器装置的用途。

此外，本发明涉及一种具有这种喷射器装置的燃料电池系统。

本发明还涉及这种燃料电池系统的用途。

背景技术

喷射器或喷射器装置由现有技术公开了并且尤其被用作射流泵，或者射流泵被设计成喷射器。它们例如被用在具有循环管路的燃料电池系统中，用以将所循环的燃料再次供入燃料电池堆的阳极部。在燃料电池系统中已知的是，燃料以主燃料形式借助喷射器被引导向阳极部。灼热的阳极废气可通过喷射器被循环，即，从阳极部以副燃料形式被引导入喷射器并从那里与主燃料一起又送回至阳极部。为了获得尽量高的循环率，主流的高压力是有利的。

在扩流器下游，气流从喷射器输出并且被引导入燃料电池堆的阳极部。燃料电池系统也可以包括超过一个的燃料电池堆。从现有技术中例如公开了一种燃料电池系统具有两个燃料电池堆。在此，气流在喷射器下游被如此分流，即，其被引导至两个阳极部。在此重要的是如此优化气流的流动，即，一方面压力足够，另一方面气流被均匀分流至两个燃料电池堆。从现有技术中未公开将气流高效引导至两个阳极部的喷射器。

发明内容

本发明着手于此。本发明的任务是提供一种特别高效的喷射器，经此能够以最好的方式将气流供应给一种尤其是具有两个燃料电池堆的燃料电池系统。

另一个目的是指明这种喷射器的用途。

另一目的是指明一种具有这种喷射器的燃料电池系统以及相应的燃料电池系统的用途。

根据本发明，如此完成该任务，即，在前言所述类型的喷射器中该连接件包括导流件，用以将气流分流。

由此获得的优点尤其体现在：通过根据本发明的喷射器装置设计，可以最佳且高效地将工作流体供应给一种具有尤其是两个燃料电池堆的燃料电池系统。燃料电池系统在此尤其是一种具有两个燃料电池堆的PEM燃料电池系统，其工作流体是气态氢(通入至少一个阳极部的气流)和空气(通入至少一个阴极部的气流)。气态燃料在此是如下燃料，它尤其是通过主燃料管路经由喷射器装置被输送向阳极部。空气通过空气管路被引导向阴极部。两个燃料电池堆在此有利地竖向重叠布置。

喷射器装置尤其也可被设计用于呈燃料电池系统、电解槽和/或例如呈SOFC/SOEC系统形式的能可逆工作的燃料电池系统形式的电化学反应器。

扩流器设计且布置成尤其在混合腔的下游与混合腔紧邻。特别优选地，至少该连接件的导流件至少部分突入扩流器中，从而所述流动一方面能在扩流器内事先被转向并且另一方面更好地贴靠扩流器几何形状并且更好地利用其增压效果。通过借助导流件使流动转向，减小局部损耗。虽然导流件本身也是流动阻力。但阻力现在处在增大流动效率的正确位置。

混合腔尤其设计成圆筒形。一旦该筒体加宽，则形成扩流器。

喷嘴部尤其是布置在喷射器嘴中或者喷射器嘴包括喷嘴部，其中，该喷嘴部在经过喷射器嘴的流动方向上缩窄。经过喷射器嘴的流动方向可以是指如下方向，主流在电化学反应器工作期间至少基本上朝着该方向流动。经过喷射器嘴的流动方向优选也对应于经过混合腔的流动方向以及经过扩流器的流动方向，其中，流动方向不应被视为湍流流动方向，而是指如下的主流动方向，主流和/或副流基本沿该主流动方向经过喷射器嘴、混合腔和扩流器。喷射器嘴可以除了喷嘴部外还具有其它功能构件，它们尤其布置成紧接在喷嘴部上游和/或紧接在喷射器通道部上游，喷射器通道部紧接在喷嘴部上游地形成在喷嘴部旁，用以引导主流经过喷射器通道部进入喷嘴部。“提供主流至混合腔”可以是指来自喷射器嘴的主流在喷射器装置中可间接地尤其经过抽吸区而被进一步输送至混合腔。

混合腔是指喷射器装置内的如下区域，在该区域中来自喷射器嘴的主流与来自副气体引导部的副流混合。它随后作为气流流出喷射器装置。在抽吸区内也可以将主流与副流混合，其中，混合是以比在混合腔中低的程度发生的。来自喷射器嘴的主流在电化学反应器工作期间内产生射流，射流借助动量交换而从副气体引导部抽吸副流并朝着混合腔方向进行加速。喷射器装置因此也可以是指射流泵装置。抽吸区并非由特定壳体限定，而是可以是指在所述流动方向上在喷射器嘴出口和混合腔入口之间的开放区域。喷射器在本发明范围内尤其是指射流泵。

有利的是设有副气体引导部。副气体引导部尤其设计成副腔并且可以具有流体入口，副流能够以所循环的燃料电池堆废气形式经此从电化学反应器的燃料电池堆通过循环管路被送入副腔中。燃料电池堆废气可以尤其是指该至少一个燃料电池堆的阳极部的阳极废气。“副气体引导部设计成提供副流”因此可以是指，副气体引导部设计成收集区和/或设计成用于所循环的副流的一种临时储库。

主流在本发明范围内尤其是指气态氢，其从氢气源被输送至喷射器装置。副流在本发明范围内尤其是指阳极废气，其在至少一个阳极部的下游被循环至喷射器装置。但副流可以除了阳极废气外还含有阴极废气、即包含阳极废气与阴极废气的混合物。

尤其如此设计导流件，即，气流以相同分量被分流至燃料电池系统的尤其是两个阳极部，其中，两个分流尤其集中地被分流向阳极部。原则上集中的气流因此通过导流件被预先定向并且被转向至燃料电池堆。

特别优选地，导流件在第一纵切面中具有基本呈锥段状的第一纵截面。导流件或其宽度因此在经过喷射器装置的流动方向上在下游增大，其中，它在第一纵切面中尤其是具有弓形或扇形的导流面。气流尤其通过导流面基本上被如此转向和分流，即，它流至两个燃料电池堆。另外，通过导流件，扩流器的增压效果通过使流动更好地贴靠扩流器轮廓而被增强，由此进而提高气体循环效率。导流件尤其形成最好是实心的连接件的一部分，其中，该导流件本身至少部分形成用于气流引导的空腔。原则上有利的是在连接件中形成用于引导气流并将其送至燃料电池堆的空腔。

有利的是该导流件在正交于第一纵切面延伸的第二纵切面中具有基本上呈锥段状的第二纵截面，其中，基本上呈锥段状的第一纵截面不同于基本上呈锥段状的第二纵截面。由此该导流件因此基本上设计成椭圆体。但也可能有利的是该导流件具有旋转对称设计。椭圆形状已被证明对于将气流最佳地转向至尤其两个燃料电池堆极其有利。还由此改善吸气压力。

因此合适的是气流可通过导流件被分流以输送至两个燃料电池堆。即，具有本发明喷射器装置的相应的燃料电池系统包括两个各有一个阳极部和一个阴极部的燃料电池堆。从现有技术中知道了T形导流件，用以将从喷射器装置流出的气流分送至两个燃料电池堆。通过根据本发明的喷射器装置设计，可以高效地将气流分送至两个燃料电池堆，从而可以将吸气压力增大高达10％以上，由此进一步造成循环力增大和进而可以获得改善的被动循环功率。在从现有技术中知道的T形引导件中，气流必须分别被转向90°。通过根据本发明的导流件设计，该角度范围被缩减至约60°至70°或更高。

虽然导流件的横截面可以是圆形或环形的，但有利的是流动件的横截面基本呈椭圆形，其中，该椭圆在导流件的纵向上扩大。即，该椭圆按照横截面的具体部位而大小不同。导流件的体积因此在气流流动方向上增大，由此流动体积也相比于无气流用导流件的实施方式被缩小。

有利的是该导流件突入扩流器中。即，连接件虽然与扩流器相接，但导流件如此布置在连接件中，即，它突入扩流器中。导流件在此有利地按照达到扩流器总长度的约10％～50％、优选20％～45％的方式伸入扩流器中。这有以下优点，即，由此可以抵制或许回转的也贴靠扩流器壁的流动。流动由此得以稳定。

有利的是扩流器的轴线与导流件的对称轴线相互错开布置。扩流器轴线因此不与导流件的对称轴线重合，由此可补偿源自副气流的不均匀性。

有利的是该连接件由塑料尤其作为注塑件构成。原则上，该连接件优选也可以被车削或增材制造(如通过3D打印)。连接件原则上实心构成，其中，它具有用于将分流气流引导向阳极部的多个凹槽。凹口的形状至少部分通过导流件构成。

有利地，该连接件以传力配合方式连接至扩流器。但它也可以通过材料接合方式连接至扩流器或与之成一体地构成。在连接件与扩流器之间优选可以设置O形环等，以便按气密方式构成喷射器装置。

这种喷射器装置有利地应用在具有循环管路和两个燃料电池堆的燃料电池系统中，其中，该燃料电池系统尤其设计成PEM燃料电池系统。

当前言所述类型的燃料电池系统包括至少两个各有一个阴极部和一个阳极部的燃料电池堆、用于将含有主燃料和副燃料的气流从喷射器装置引导至阳极部的燃料混合管路、用于供应主燃料至喷射器的主燃料管路和用于将副燃料从阳极部回输至喷射器装置的循环管路时，实现进一步目的。

因此得到关于本发明喷射器装置所详细描述的一样的优点。所有与此相关的特征、优点和效果显然也与本发明的尤其设计成PEM燃料电池系统的燃料电池系统相关地适用。本发明的燃料电池系统具有至少两个各有数百个单独的燃料电池的燃料电池堆，其具有各自的阴极部和阳极部。但原则上一个燃料电池堆也可以或多或少地具有更少的或更多的燃料电池。还有利的是设有用于将阳极供应气体(氢气)送入燃料电池堆的阳极部的阳极供应部与用于将阴极供应气体(空气)送入阴极部的阴极供应部。优选设有设计成压缩机的空气输送装置和空气加湿器。使用后的阳极废气最好通过阳极排出部被排出并且经过水分离器。除了通过所谓的吹扫阀排出至环境和/或阴极排出部，也规定了经由呈喷射器装置形式的被动循环装置来进行阳极废气循环。水分离器尤其是在循环部或阳极供应部内布置在喷射器装置的下游。有利的是燃料电池系统还包括冷却循环。

特别有利的是燃料电池系统包括尽量少的管路。因此该循环管路和/或水分离器可以例如直接集成到喷射器中。由此紧凑地构成燃料电池系统。

这种燃料电池系统有利地应用在机动车中。机动车在此可以是轿车，但有利的是机动车是卡车、公共汽车等。此外，本发明的燃料电池系统也可以应用在船舶、火车或飞行器以及私用领域和/或工商业领域中的发电用固定式系统如PEM燃料电池系统中。

附图说明

本发明的其它优点、特征和细节来自以下参照图详细描述本发明实施例的说明，其中示意性示出：

图1示出本发明的喷射器装置的一个截面；

图2示出本发明的喷射器装置的另一截面；

图3示出本发明的喷射器装置的另一截面；

图4示出本发明的燃料电池系统的局部。

具体实施方式

图1示出喷射器装置1的纵切面，其包括用于供应新气体的喷嘴部2、主气体管路段3、混合腔4、扩流器5以及副气体管路段9。喷射器装置1还包括连接件6，其布置在扩流器5的下游并包括导流件7。

喷嘴部2是抽吸腔10，其中，喷嘴部2在经由抽吸腔10的流动方向上缩窄。抽吸腔10优选设计成喷射器入口。混合腔4是指喷射器装置1中的如下区域，在该区域中将来自喷射器嘴10的主流与来自副气体引导部9的副流混合。其接着作为气流流出喷射器装置1。副管路段9可以有利地已经包括水分离器180和循环管路160。

连接件6被设计成基本是实心的，但包括空腔，空腔被设计和布置成用于输送分流后的气流至燃料电池系统100的燃料电池堆120的进流部8。在图1中未示出燃料电池系统100及其组成部件。

从图1中看到导流件7具有基本呈锥段状的第一纵截面。该纵截面沿纵轴线或沿主流和气流的流动方向延伸。包含主燃料和副燃料的气流经由混合腔4流入扩流器5并通过导流件分别转向约90°，进而被分流至两个燃料电池堆120。经过喷射器装置1的流动方向可以是指如下方向，主流在工作期间至少基本上朝该方向流动。

导流件7被设计成连接件6的零件，其中，该连接件呈实心构成。连接件6尤其以传力配合方式连接至扩流器5。它具有多个凹槽，它们是通至两个燃料电池堆120的两个阳极部140的进流部8。进流部8如此设计和布置，即，气流朝两个相对方向被分流。

图2示出本发明喷射器装置1的另一个截面。该截面也是纵切面，其相对于图1所示的纵切面成90°延伸。可看到导流件7的截面在一个流动方向上扩宽。因为图2所示的其余零部件对应于图1的零部件，故对此参照对图1的说明。

虽然在图1和2中导流件7与扩流器7的末端相接，但有利的是它突入扩流器5中，尤其是导流件7的长达约一半的纵截面可突入扩流器7的纵截面中。

图3示出喷射器装置1的横截面。在此示出基本呈椭圆形的导流件7横截面，其将气流分送至进流部8。

图4示出本发明的燃料电池系统100的局部。它包括两个各有相应的阴极部130和阳极部140的燃料电池堆120。在阴极部130方向上分别设有空气管路170，经此可将空气输送向两个阴极部140。空气管路170不必针对这两个阴极部130分开构成。也可以仅设有唯一的空气管路170，其被分为两个分管路，用于两个阴极部。

喷射器装置1布置在阳极部中。通过主燃料管路150给喷射器装置1供应燃料、即气态氢。另外设置循环管路160，经此将循环燃料供入喷射器装置1。在喷射器装置1的下游，含主燃料和副燃料的气流在燃料混合管路110内被引导并且被分流到两个进流段8，因此被供入两个阳极部140。来自阳极部140的燃料通过循环管路160以副燃料的形式又被供入喷射器装置1。在循环管路160内还设置水分离器180。借助水分离器160，位于阳极废气中的水在回输入喷射器装置1之前从中被分离。循环气体的多余部分通过未示出的吹扫阀从循环管路160被送入吹扫管路190。吹扫管路190通入现在起到废气管路作用的空气管路170。废气接着被输出至环境A。

Claims (12)

1.一种用于燃料电池系统(100)的喷射器装置(1)，包括喷嘴部(2)、主气体管路段(3)、混合腔(4)和扩流器(5)，其中，设有在该扩流器(5)下游与该扩流器(5)相接的连接件(6)，

其特征是，

该连接件(6)包括用于将气流分流的导流件(7)。

2.根据权利要求1所述的喷射器装置(1)，其特征是，该导流件(7)在第一纵切面中具有基本呈锥段状的第一纵截面。

3.根据权利要求2所述的喷射器装置(1)，其特征是，该导流件(7)在正交于该第一纵切面延伸的第二纵切面中具有基本成锥段形的第二纵截面，其中，该基本呈锥段状的第一纵截面不同于该基本呈锥段状的第二纵截面。

4.根据权利要求1至3之一所述的喷射器装置(1)，其特征是，气流能够通过该导流件(7)被分流至两个进流部(8)，用以供应至两个燃料电池堆。

5.根据权利要求1至5之一所述的喷射器装置(1)，其特征是，该导流件(7)的横截面基本上呈椭圆形，其中，该椭圆在该导流件的纵向上扩大。

6.根据权利要求1至5之一所述的喷射器装置(1)，其特征是，该导流件(7)突入该扩流器(5)中。

7.根据权利要求1至6之一所述的喷射器装置(1)，其特征是，该扩流器(5)的轴线和该导流件(7)的对称轴线相互错开布置。

8.根据权利要求1至7之一所述的喷射器装置(1)，其特征是，该连接件(6)由塑料制成，尤其作为注塑件构成。

9.根据权利要求1至8之一所述的喷射器装置(1)，其特征是，该连接件(6)以传力配合的方式连接至该扩流器。

10.将根据权利要求1至9之一所述的喷射器装置(1)用在一种具有循环管路(160)和两个燃料电池堆(120)的燃料电池系统(100)中的用途。

11.一种燃料电池系统(100)，具有根据权利要求1至9之一所述的喷射器装置(1)，该燃料电池系统包括至少两个各有相应的阴极部(130)和阳极部(140)的燃料电池堆(120)、用于将具有主燃料和副燃料的气流从该喷射器装置(1)引导至所述阳极部(140)的两个进流部(8)、用于将主燃料供应至该喷射器装置(1)的主燃料管路(150)和用于将副燃料从所述阳极部(120)回输至该喷射器装置(1)的循环管路(160)。

12.将根据权利要求11所述的燃料电池系统(100)用在机动车中的用途。