CN117249124A - 用于控制气态介质的供应的喷射泵，燃料电池系统以及用于控制喷射泵的驱动喷嘴的几何形状的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制气体介质(特别是氢气)的供应的喷射泵(1)，所述喷射泵(1)具有用于供应驱动介质的主喷嘴(2)，所述主喷嘴具有喷嘴体(3)和可在所述喷嘴体(3)内纵向移动的喷嘴针(4)，喷嘴横截面能够借助于该喷嘴针可变化地调整和关闭。根据本发明设有压缩弹簧(8)，所述压缩弹簧将所述喷嘴针(4)朝向关闭方向挤动，并且喷嘴针(4)具有至少一个第一压力面(17)，用于在与关闭方向相反的打开方向上施加驱动介质的压力，所述喷嘴针还具有至少一个第二压力面(18)，用于在关闭方向上施加次级介质的压力。此外，本发明涉及一种具有用于控制燃料电池的氢气供应的喷射泵(1)的燃料电池系统(1)。本发明还涉及一种用于控制喷射泵(1)的驱动喷嘴的几何形状的方法。

Description

用于控制气态介质的供应的喷射泵，燃料电池系统以及用于 控制喷射泵的驱动喷嘴的几何形状的方法

技术领域

本文涉及一种用于控制气态介质的供应的喷射泵，尤其是用于控制氢气的供应的喷射泵，所述喷射泵包括用于供应驱动介质(Treibmedium)的主喷嘴，所述主喷嘴具有喷嘴体和可在所述喷嘴体内部纵向移动的喷嘴针，喷嘴横截面能够借助于所述喷嘴针可变化地调整和关闭。此外本发明涉及一种具有用于控制燃料电池的氢气供应的喷射泵的燃料电池系统以及用于控制喷射泵的驱动喷嘴的几何形状的方法。

背景技术

在喷射泵(也被称为喷射器)中，主介质或驱动介质的驱动射流的动能被使用，用于抽吸和夹带围绕驱动喷嘴或主喷嘴的流体(即次级介质或抽吸介质)，以使次级介质提升到更高的压力水平。在此在驱动喷嘴之前给定压力下，驱动射流的可实现速度以及借此可用的动能等，由驱动喷嘴内最小流动横截面的大小决定。尤其是对于具有大运行范围的喷射器，例如在移动燃料电池应用中，驱动喷嘴的尺寸并不普通。一方面，为了在给定压力下能够提供最大的所需的主质量流，驱动喷嘴必须足够大。另一方面，在主质量流小的情况下，驱动射流的速度也必须足够大，以便夹带足够的次级介质。

该问题的已知解决方案描述了具有可变流动横截面的驱动喷嘴。

位于喷嘴内部的喷嘴针通常沿纵轴移动。这是通过线性执行器直接操纵喷嘴针实现的。

另一种可选的解决方案是使用多个串联接通的驱动喷嘴。然而多个驱动喷嘴需要有多个阀门进行控制，这会明显增加对零件的需求以及系统的复杂性。

可沿纵轴移动的喷嘴针不太复杂，但借助于线性执行器的控制同样具有缺点。步进马达通常需要作为控制元件被使用，其不能做出足够的动态反应来调节移动的应用中燃料电池内的压力。此外，它们还具有复杂的结构，必须相对驱动流体密封。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种如下的改良的喷射泵。本发明的另一个任务在于提供具有改进的喷射泵的燃料电池系统。

本发明的任务还在于提供一种控制喷射泵的驱动喷嘴的几何形状的方法，其允许在广泛的运行范围内无故障地使用简单构造的喷气泵。

该任务的解决方案由权利要求1的特征定义。按照本发明用于控制气体介质(特别是氢气)的供应的喷射泵包括用于供应驱动介质的主喷嘴，所述主喷嘴具有喷嘴体和在所述喷嘴体内可纵向移动的喷嘴针，借助于所述喷嘴针能可变地调整喷嘴横截面和关闭喷嘴横截面。根据本发明，设有一个压缩弹簧，其能将所述喷嘴针朝向关闭方向挤动。此外，所述喷嘴针具有至少一个第一压力面，用于在与关闭方向相反的打开方向上施加驱动介质的压力，所述喷嘴针还具有至少一个第二压力面，用于在关闭方向上施加次级介质的压力。

本发明的喷射泵简单地构造，不必直接操纵主喷嘴。相反，其间接地通过在所述喷嘴针的压力面上施加的力进行操纵。

优选的，喷嘴体被构造成两件式或多件式，其具有带有用于驱动介质的第一入流开口的第一喷嘴体元件和带有用于次级介质的第二入流开口的第二喷嘴体元件，其中，喷嘴针可纵向移动的设置在所述第一喷嘴体元件中，所述压缩弹簧设置在所述喷嘴针和所述第二喷嘴体元件之间，并且其中压缩弹簧贴靠在第二压力面上。主喷嘴简单地构造，其中所述喷嘴针被简单和防丢失地安装。

另一任务继续通过具有用于控制燃料电池的氢气供应的喷射泵的燃料电池系统解决。应用于汽车的燃料电池系统的基础结构是已知的。具有阳极供给部和阴极供给部的燃料电池系统是普遍已知的。燃料电池系统通过燃料与氧气的化学反应形成水来产生电能。为了给燃料电池系统的燃料电池堆供给运行介质，设置阳极供给部来供应、排出例如氢气的阳极运行用料，设置阴极供给部来供应、排出例如空气的阴极运行用料，以及设置冷却剂回路。阳极供给部和阴极供给部均各包括用于供给运行介质的供给管线和废弃管线。此外，可以在阳极供给部中设置再循环管线，以便将燃料电池堆的阳极侧废气中所含的氢气再次供应至燃料电池堆。

另一任务通过用于控制喷射泵的驱动喷嘴的几何形状的方法来解决，其中喷嘴横截面可以通过间接控制喷嘴针来调节。喷嘴针不是由线性执行器操纵的，因此可以实现对燃料电池中的压力的快速和动态的调节。

优选的，喷嘴针的位置和喷嘴横截面可借助于作用在压力面上的力来调整，其中驱动介质在打开方向上产生第一力并且次级介质和压缩弹簧在关闭方向上产生第二力。

优选的，对于喷射泵的预设工作点，所述喷嘴针上的力处于平衡状态，这使得喷嘴针占据定义的位置。

由后文的细节描述以及权利要求的整体给出本发明的其它有利的实施方案和特征组合。

附图说明

应用于阐述实施例的附图中：

图1示意性示出具有主喷嘴的喷射泵；

图2示出根据图1的所述喷射泵的所述主喷嘴。

具体实施方式

图1示出了用于控制气体介质的供应的喷射泵1的示意性示图，特别是用于控制氢气的供应的喷射泵1的示意性示图。喷射泵1(也称为喷射器)可应用在例如汽车(图中未显示)的燃料电池系统中，尤其是电动汽车的燃料电池系统中，所述电动汽车具有通过燃料电池系统以电能供给的电动牵引马达。

所述燃料电池系统通常包括燃料电池堆，所述燃料电池堆典型地可以被构建成PEM(质子交换膜)燃料电池堆。用于供应、排出例如空气的阴极运行用料的阴极供给部配属于共同的阴极室，用于供应、排出例如氢气的阳极运行用料的阳极供给部配属于共同的阳极室。

所述阴极供给部包括阴极供给部管线，其将从环境中抽吸的空气供应到所述燃料电池堆的共同的阴极室。阴极废气管线将阴极废气从阴极室排出。在一定情形下，所述阴极废气被供应给未示出的废气设备。

所述阳极供给部包括阳极供给部管线。借助于该阳极供给部管线为所述阳极室备好来自储氢容器的所述阳极运行用料、尤其是氢气。在所述阳极供给部管线中一般设有压力调节阀、罐阀、计量阀和单向阀。阳极废气管线将阳极废气从所述阳极室排出。所述阳极供给部还具有再循环管线，以便借助于再循环装置，例如所述喷射泵1，将所述燃料电池堆的阳极侧废气中所含的氢气重新供应到所述燃料电池堆。

此外，所述阳极废气管线可以包括带下游排水阀的水分离器，用以排出在燃料电池反应中产生的产品水，所述阳极废气管线还包括用于排走基本上是氮气的阳极气体的放出阀。

从图1可以看出，只局部示出的所述喷射泵1包括在图2中放大示出的、用于供应驱动介质(在此为氢气)的主喷嘴2，所述主喷嘴2具有喷嘴体3和喷嘴针4，所述喷嘴针4在所述喷嘴体3内可纵向移动，借助所述喷嘴针可以可变地调整和关闭喷嘴横截面。此外，所述喷射泵1具有带有通孔6的泵壳5，该泵壳将与驱动介质混合的次级介质通过阳极供给部管线导向阳极室。所述次级介质通过抽吸管道7抽吸。

图2显示，所述主喷嘴中具有压缩弹簧8，其将喷嘴针4朝向关闭方向挤动，在该关闭方向上，所述喷嘴针4的端侧尖端9使所述喷嘴体3的开口10关闭。

在本实施例中，喷嘴体3以第一喷嘴体元件11和第二喷嘴体元件12两件式地构造，第一喷嘴体元件11具有用于驱动介质的第一入流开口13，第二喷嘴体元件12具有用于次级介质的第二入流开口14，其中具有圆柱形活塞15的所述喷嘴针4可纵向移动地设在所述第一喷嘴体元件11中。压缩弹簧8设置在所述活塞15和所述第二喷嘴体元件12之间。从图2可以看出，所述第二喷嘴体元件12部分地包围所述第一喷嘴体元件11，从而形成了用于所述压缩弹簧8和所述喷嘴针4的容纳室。针16模制在所述活塞15上，并在该针上形成所述尖端9。

为了压力加载，所述喷嘴针4具有至少一个第一压力面17和至少一个第二压力面18，所述第一压力面用于在与关闭方向相反的开口方向上施加驱动介质的压力，所述第二压力面用于在关闭方向施加次级介质的压力。从图2可以看出，所述第一压力面17是一个环面，对其可以通过经过所述第一入流开口13流入的驱动介质加载压力。驱动介质通过常规压力调节阀在压力作用下被供应给主喷嘴，并使所述喷嘴针4向打开方向移动。在此，所述主喷嘴2打开，并且喷嘴横截面由于针16的相应的几何形状和第一喷嘴体元件11的开口10的相应的几何形状而增大。

形成在所述活塞15的与所述第一压力面17对置的一侧上的所述第二压力面18将低于所述驱动介质的主压力的压力施加到喷嘴针4上。较低的压力在此是次级介质的压力，所述次级介质例如可以从如上面提到的再循环管线再次被供应到所述喷射泵1。同样，这也可以是环境压力或喷射器后的压力。

次级介质的压力以及贴靠在所述第二压力面18上的压缩弹簧8产生了对于所述驱动介质的力的反作用力，其使所述喷嘴针4在图中向右移动，即在关闭方向、朝更小的喷嘴截面移动。对于一个定义的工作点，所述喷嘴针4上的力形成平衡状态，喷嘴针4会占据一个定义的位置，从而确定喷嘴横截面。

这使得能够在较低的供给压力和较小的主质量流的情况下通过较小的流动横截面实现较高的喷嘴出口速度。在较高的供给压力下，所述喷嘴针4进一步打开，并且随着如此变大的横截面，大的主质量流同样可实现。

所有结合本发明各实施方案阐述并示出的特征能够以不同的组合出现在根据本发明的对象中，以便同时实现其有利的效果。本发明的保护范围通过权利要求给出，并且不受说明书中阐述的特征或附图中示出的特征的限制。

Claims (6)

1.用于控制气体介质的供应的喷射泵(1)，特别是用于控制氢气供应的喷射泵(1)，具有用于供应驱动介质的主喷嘴(2)，所述主喷嘴(2)具有喷嘴体(3)和在所述喷嘴体(3)内可纵向移动的喷嘴针(4)，喷嘴横截面能够借助于该喷嘴针(4)可变地调整或关闭，其特征在于，设有压缩弹簧(8)，该压缩弹簧(8)将所述喷嘴针(4)朝向关闭方向挤动，并且所述喷嘴针(4)具有至少一个用于在与关闭方向相反的打开方向上施加所述驱动介质的压力的第一压力面(17)，和至少一个用于在关闭方向上施加次级介质的压力的第二压力面(18)。

2.根据权利要求1所述的喷射泵(1)，其特征在于，所述喷嘴体(3)两件式或多件式地构成，并且具有带有用于驱动介质的第一入流开口(13)的第一喷嘴体元件(11)和带有用于次级介质的第二入流开口(14)的第二喷嘴体元件(12)，其中，所述喷嘴针(4)可纵向移动地设置在所述第一喷嘴体元件(11)内，所述压缩弹簧(8)设置在所述喷嘴针(4)和所述第二喷嘴体元件(12)之间并且，其中所述压缩弹簧(8)贴靠在所述第二压力面(18)上。

3.一种燃料电池系统，所述燃料电池系统具有根据前述权利要求1或2中任一项所述的、用于控制燃料电池的氢气供应的喷射泵(1)。

4.一种用于控制根据前述权利要求1或2中任一项所述的喷射泵(1)的驱动喷嘴的几何形状的方法，其特征在于，能够通过间接控制所述喷嘴针(4)来调整所述喷嘴横截面。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述喷嘴针(4)的位置和所述喷嘴横截面能够借助于作用于压力面(17，18)上的力来调整，其中所述驱动介质在打开方向产生第一力，并且所述次级介质以及所述压缩弹簧(8)在关闭方向上产生第二力。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对于所述喷射泵(1)的预定的运行点，在所述喷嘴针(4)上的力处于平衡状态，从而所述喷嘴针(4)占据定义的位置。