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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Strahlpumpe, bei der ein Strahl eines aus einer Düse ausgestoßenen Primärfluids zum Absaugen eines Sekundärfluids dient und, insbesondere einen verbesserten Aufbau einer derartigen Strahlpumpe, die in einem Brennstoffzellensystem verwendbar ist.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Ausnutzung von Brennstoff und bei der Energieerzeugung mittels Brennstoffzellen sind Abgaszirkulationssysteme bekannt, wie das von Wasserstoffelektroden der Brennstoffzellen abgeführte Abgas unter Verwendung einer Pumpe absaugen und es mit dem den Brennstoffzellen zuzuführenden Brennstoff vermischen. Die zum Umwälzen des Abgases verwendete Pumpe ist gewöhnlich als Strahlpumpe ausgebildet, weil sie unter Verwendung der kinetischen Energie des Brennstoffs betätigt werden kann und einen großen Vorteil hinsichtlich der Energieeinsparung bietet. Die
japanische Offenlegungsschrift Nr. 2001-266922 lehrt zum Beispiel ein System des oben genannten Typs.
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Die
US 2002/0 022172 A1 offenbart eine Fluidzufuhrvorrichtung für Brennstoffzellen. Ein Ejektor umfasst einen Diffusor, eine Düse, eine Nadel und eine Antriebseinheit. Die Nadel ist durch die Antriebseinheit in der axialen Richtung verschiebbar und dadurch können ein erster und ein zweiter Fluidstrom zeitgleich verändert werden.
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Die
JP 01 105 000 A beschreibt eine Vakuumstrahlvorrichtung mit einer Düse, einer Mischkammer und einem Diffusor, die innerhalb einer Hochtemperaturkammer bereitgestellt sind. Durch Aufrechterhaltung einer hohen Temperatur an den Wandflächen kann das durchlaufende Fluid nicht kondensieren. Somit wird die Bildung eines Flüssigkeitsfilms verhindert und die Ansaugleistung bei geringer Dichte der Antriebsflüssigkeit verbessert.
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Die
JP 05 089 900 A betrifft eine Brennstoffzelle, die an oberen und unteren Bereichen zwischen Isolationsplatten mit PTC Heizelementen gehalten wird. Hierdurch wird ein Schutz der Elektroden erreicht während die Brennstoffzelle nicht in Betrieb ist und eine Anlaufzeit bei einem erneuten Starten wird verkürzt.
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Die
JP 2001 266 922 A offenbart ein Brennstoffzufuhrsystem für eine Brennstoffzelle mit Zufuhrabschnitten, Druckregelabschnitten, einem Bypassabschnitt und einem Ejektor. Wenn der Austrittsdruck des Ejektors unter einen Zufuhrdruck fällt, wird über eine Bypass-Leitung Wasserstoff an der Brennstoffzelle zugeführt.
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Mit einer derartigen Strahlpumpe ausgerüstete Brennstoffzellensysteme besitzen jedoch das Problem, dass, wenn die Brennstoffzellen plötzlich die Energieerzeugung unterbrechen, d. h. wenn die Brennstoffzellen plötzlich den Verbrauch von Wasserstoffgas unterbrechen, die Strahlpumpe aufhört einen statischen Druck des innerhalb eines Brennstofftanks gespeicherten Wasserstoffgases in einen dynamischen umzuwandeln, wodurch der statische Druck des aus den Brennstofftanks geleiteten Wasserstoffgases durch die Strahlpumpe auf die Brennstoffzellen wirkt, was im schlimmsten Fall in einer Zerstörung der Elektrodenfilme der Brennstoffzellen resultiert, welches zu einer Störung im Betrieb der Brennstoffzellen führt. Darüber hinaus führt eine wiederholte Einwirkung des Drucks des Wasserstoffgases auf die Elektrodenfilme zu einem unerwünschten, verfrühten Verschleiß derselben. Wenn die Zufuhr des Wasserstoffgases innerhalb des Brennstofftanks unterbunden wird, wirkt ein in der Leitung zwischen dem Brennstofftank und der Strahlpumpe befindlicher Restdruck durch dieselbe auf die Brennstoffzellen, woraus dasselbe Problem erwächst wie das oben beschriebene.
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Die oben beschriebene Art von Brennstoffzellensystemen besitzen auch ein zusätzliches Problem darin, dass die zur Umwälzung des Abgases erforderliche dynamische Energie unzureichend ist, wenn die den Brennstoffzellen zugeführte Menge an Wasserstoffgas unzureichend ist, was in einem Mangel der umgewälzten Menge des Abgases resultiert.
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Es ist daher eine grundsätzliche Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Strahlpumpe bereitzustellen, die das unerwünschte Einwirken des Drucks eines Primärfluids auf eine jegliche stromab der Strahlpumpe angeordnete Baugruppe verhindert.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine Strahlpumpe bereitzustellen, die ein Absaugen des Abgases sicherstellt, sogar wenn die Menge eines Primärfluids unzureichend ist.
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Gemäß der Erfindung wird eine Strahlpumpe bereitgestellt, die in Brennstoffzellensystemen für elektrische Fahrzeuge eingesetzt werden kann. Die Strahlpumpe umfasst: (a) eine Durchströmeinheit mit einem darin ausgebildeten und zu einem Fluidauslass führenden Fluidaustragspfad; (b) einen Düsenkörper, der einen Primärfluideinlassport umfasst, dem ein Primärfluid zugeführt wird, eine Düse, welche einen Düsenauslass aufweist, aus dem ein Strahl des Primärfluids in den Austragspfad der Durchflusseinheit austritt und nachfolgend vom Fluidauslass ausgetragen wird, und einen Primärfluiddurchströmweg, welcher eine bestimmte Länge besitzt und den Düsenauslass der Düse und den Primärfluideinlassport verbindet, wobei die physikalische Energie des Stroms des aus der Düse austretenden Primärfluids zum Ansaugen und Führen eines Sekundärfluids in den Austragspfad der Durchströmeinheit dient, und wobei der Düsenkörper eine zu einem Abschnitt des Primärfluiddurchströmwegs gerichtete erste Dichtungsfläche aufweist; und (c) eine koaxial innerhalb des Primärfluiddurchströmwegs angeordnete Nadel. Die Nadel ist in Längsrichtung des Primärfluiddurchströmwegs zur Veränderung der Öffnungsfläche des Düsenauslasses gleitbar angeordnet. Die Nadel weist eine zweite Dichtungsfläche auf. Wenn die Nadel innerhalb des Primärfluiddurchströmwegs bewegt und die zweite Dichtungsfläche in Kontakt mit der ersten Dichtungsfläche des Düsenkörpers gebracht wird, ist der Primärfluiddurchströmweg geschlossen, während ein Kopf der Nadel von der Düse beabstandet gehalten wird.
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Insbesondere, wenn es erforderlich ist den Betrieb der Strahlpumpe anzuhalten, wird die Nadel bewegt, bis die zweite Dichtungsfläche an der ersten Dichtungsfläche anliegt, um den Primärfluiddurchflussweg zu schließen, wodurch verhindert wird, dass der Druck des Primärfluids in unerwünschter Weise auf irgendeine stromab der Strahlpumpe angeordnete Baugruppe wirkt.
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Insbesondere ist die Strahlpumpe so ausgestaltet, dass ein Schließen des Primärfluiddurchströmwegs nicht über einen direkten Kontakt der Nadel mit der Düse bewirkt wird, wodurch ein Abnutzen oder eine Deformation der Nadel und der Düse zum Sicherstellen der Stabilität der Regulierung einer Durchflussrate des Primärfluids für einen ausgedehnten Zeitraum sichergestellt wird.
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Der Düsenkörper besitzt eine Innenwand, die den Primärfluiddurchflussweg bildet. Die Innenwand weist eine Schulter auf, welche die erste Dichtungsfläche darstellt. Die Nadel weist eine Schulter auf, welche die zweite Dichtungsfläche darstellt.
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Die Strahlpumpe kann ferner eine Heizeinrichtung aufweisen, welche der Zufuhr von thermischer Energie zu dem Primärfluid dient. Die Zufuhr von thermischer Energie zum Primärfluid resultiert in einer Erhöhung der dynamischen Energie des Primärfluids wodurch die geforderte Absaugwirkung des Primärfluids in die Strahlpumpe sichergestellt wird, sogar wenn die Durchflussrate des Primärfluids geringer ist. Die Heizeinrichtung kann in einem Abschnitt des Düsenkörpers angeordnet sein, der einen Bereich umgibt, indem die erste Dichtungsfläche die zweite Dichtungsfläche kontaktiert. Hierdurch wird eine Arretierung der Nadel aufgrund eines Festfrierens der ersten und zweiten Dichtungsflächen vermieden, welches auftreten würde, wenn die Strahlpumpe in Umgebungen mit niedriger Temperatur verwendet wird.
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Anderenfalls kann in einem alternativen Beispiel eine Strahlpumpe bereitgestellt sein, welche umfasst: (a) eine Durchflusseinheit mit einem darin ausgebildeten Fluidaustragsweg der zu einem Fluidauslass führt; (b) einen Düsenkörper, einschließlich einem Primärfluideinlassport, zu dem ein Primärfluid geleitet wird, eine Düse, die einen Düsenauslass aufweist, von dem ein Strahl des Primärfluids ausgetragen und nachfolgend vom Fluidauslass ausgelassen wird, und ein Primärfluiddurchflussweg, der eine bestimmte Länge aufweist und mit dem Primärfluideinlassport und dem Düsenauslass der Düse in Verbindung steht, wobei die physikalische Energie des Strahls des aus der Düse austretenden Primärfluids zum Absaugen und Führen eines Sekundärfluids in den Austragsweg der Durchflusseinheit dient; und (c) eine Heizeinrichtung zum Zuführen von thermischer Energie zu dem Primärfluid. Die Zuführung der thermischen Energie zum Primärfluid resultiert in einer Erhöhung der dynamischen Energie des Primärfluids, wodurch das erforderliche Absaugen des Primärfluids in die Strahlpumpe sichergestellt wird, sogar wenn die Durchflussrate des Primärfluids geringer ist.
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Bei diesem Beispiel ist die Heizeinrichtung in einem Abschnitt eines Umfangs des Düsenkörpers angeordnet, in dem der Primärfluideinlassport ausgebildet ist. Dies fördert die Wärmeübertragung auf das Primärfluid.
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Beispielsweise kann eine Heizeinrichtung als eine PTC-Heizeinrichtung ausgeführt sein. Die PTC-Heizeinrichtung arbeitet, wie allgemein auf dem Gebiet bekannt als eine Konstanttemperaturheizeinrichtung, die zur Durchführung einer Temperaturselbstkontrollfunktion ausgebildet ist. Die Verwendung einer PTC-Heizeinrichtung eliminiert somit das Erfordernis eines An-Aus-Steuerungsschaltkreises, der zur Regulierung der dem Primärfluid zugeführten Wärme erforderlich ist, und resultiert in einem vereinfachten Aufbau der Strahlpumpe im Vergleich mit dem Einsatz einer Heißdrahtheizeinrichtung.
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Eine PTC Heizeinrichtung kann beispielsweise innerhalb des Düsenkörpers angeordnet. Der Düsenkörper und die Rohrleitungseinheit können jeweils aus separaten Elementen hergestellt und zur Vervollständigung der Strahlpumpe miteinander verbunden sein. Dieser Aufbau dient zur Unterteilung der Wärmemenge der Strahlpumpe in Drittel. Die Anordnung der PTC-Heizeinrichtung innerhalb des Düsenkörpers erleichtert die Wärmeübertragung zum Inneren desselben. Insbesondere erlaubt der Aufbau der Strahlpumpe eine direkte Übertragung der Wärme von der PTC-Heizeinrichtung auf den Düsenkörper, besitzt aber zwischen dem Düsenkörper und der Rohrleitungseinheit ausgebildete Wärmeübertragungstrennflächen, wodurch die Übertragung der Wärme von der PTC-Heizeinrichtung auf die Rohrleitungseinheit minimiert wird, was die Verbrauchseffizienz der von der PTC-Heizeinrichtung im Düsenkörper erzeugten thermischen Energie verbessert.
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Eine alternative Strahlpumpe umfasst ferner eine in Längsrichtung des Primärfluiddurchflusswegs bewegbare Nadel, um eine Öffnungsfläche des Düsenauslasses zu verändern und eine zur Bewegung der Nadel arbeitende Antriebseinheit. Die Antriebseinheit, der Düsenkörper und die Rohrleitungseinheit können jeweils aus separaten Elementen hergestellt sein.
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Anderenfalls kann in einem weiteren alternativen Beispiel ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt sein, welches umfasst: (a) eine Brennstoffzelle zur Erzeugung einer elektrischen Energie aus einer chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff; (b) eine Wasserstoffzufuhrleitung, durch welche ein Wasserstoffgas der Brennstoffzelle von einer Wasserstoffversorgungseinrichtung zugeführt wird; (c) eine Abgaszirkulationsleitung zur Umwälzung eines Abgases, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, und einen nicht abreagierten Anteil des Wasserstoffgases enthält, der der chemischen Reaktion nicht unterworfen wurde, über die Wasserstoffzuführleitung zur Brennstoffzelle; und (d) eine an einer Verbindung der Wasserstoffzuführleitung und der Abgaszirkulationsleitung angeordneten Strahlpumpe. Die Strahlpumpe schließt (a) eine Durchflusseinheit mit einem darin ausgebildeten Fluidableitungsweg ein, der zu einem Fluidauslass führt, (b) einen Düsenkörper, der einen Primärfluideinlassport einschließt, dem das von der Wasserstoffzuführeinrichtung zugeführte Wasserstoffgas zugeführt wird, eine Düse, welche einen Düsenauslass aufweist, von dem ein Strahl des Wasserstoffgases in den Ausleitungsweg der Durchflusseinheit geführt wird und nachfolgend von dem Fluidauslass über die Wasserstoffversorgungsleitung der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einen Primärfluidweg, der eine bestimmte Länge aufweist und eine Verbindung zwischen dem Primärfluideinlassport und dem Düsenauslass der Düse darstellt, wobei die physikalische Energie des Strahls des aus der Düse austretenden Wasserstoffgases zum Absaugen und Mischen des Abgases mit dem aus der Düse austretenden Wasserstoffgas dient, und wobei der Düsenkörper ferner eine zum Primärfluiddurchflussweg gerichtete erste Dichtungsfläche besitzt und (c) eine koaxial innerhalb des Primärfluiddurchflusswegs angeordnete Nadel. Die Nadel kann in Längsrichtung des Primärfluidwegs zur Veränderung einer Öffnungsfläche des Düsenauslasses gleiten. Die Nadel weist eine zweite Dichtungsfläche auf. Wenn die Nadel innerhalb des Primärfluiddurchflusswegs bewegt wird und die zweite Dichtungsfläche derselben in Kontakt mit der ersten Dichtungsfläche des Düsenkörpers bringt, wird der Primärfluiddurchflussweg geschlossen. Insbesondere, wenn es erforderlich ist die Strahlpumpe anzuhalten, wird die Nadel bewegt, bis die zweite Dichtungsfläche an der ersten Dichtungsfläche anliegt, um den Primärfluiddurchflussweg zu verschließen, wodurch ein unerwünschtes Einwirken des Drucks des Primärfluids auf irgendeine stromab der Strahlpumpe angeordnete Baugruppe vermieden wird.
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Wiederum anderenfalls kann in einem alternativen Beispiel ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt sein, umfassend: (a) eine Brennstoffzelle zur Erzeugung einer elektrischen Energie aus einer chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff; (b) eine Wasserstoffzufuhrleitung, über die ein Wasserstoffgas von einer Wasserstoffzufuhreinrichtung zur Brennstoffzelle geführt wird; (c) eine Abgaszirkulationsleitung zur Zirkulation eines Abgases, das aus der Brennstoffzelle austritt und einen nicht abreagierten Anteil des Wasserstoffgases enthält, der nicht der chemischen Reaktion unterworfen war, über die Wasserstoffversorgungsleitung zur Brennstoffzelle; und (d) eine an einer Verbindung zwischen der Wasserstoffzufuhrleitung und der Abgaszirkulationsleitung angeordneten Strahlpumpe. Die Strahlpumpe umfasst (a) eine Durchflusseinheit mit einem darin ausgebildeten Fluidaustragsweg, der zu einem Fluidauslass führt, (b) einem Düsenkörper, der einen Primärfluideinlassport einschließt, dem das Wasserstoffgas zugeführt wird, eine Düse, welche einen Düsenauslass aufweist, aus dem Strahl des Wasserstoffgases in den Austragsweg der Durchflusseinheit austritt und nachfolgend aus dem Fluidauslass über die Wasserstoffzufuhrleitung zur Brennstoffzelle ausgetragen wird, und einen Primärfluiddurchflussweg, welcher den Primärfluideinlassport und den Düsenauslass der Düse verbindet, wobei die physikalische Energie des aus der Düse austretenden Wasserstoffgases zum Absaugen und Mischen des Abgases mit dem aus der Düse austretenden Wasserstoffgases dient, und (c) eine der Zufuhr von thermischer Energie zum Wasserstoffgas dienenden Heizeinrichtung. Insbesondere resultiert die Zufuhr der thermischen Energie zum Primärfluid in einer erhöhten dynamischen Energie des Primärfluids, wodurch die erforderliche Saugwirkung des Primärfluids in die Strahlpumpe sichergestellt wird, sogar wenn die Durchflussrate des Primärfluids geringer ist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die vorliegende Erfindung wird besser aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Figuren der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verstanden, welche jedoch nicht zur Beschränkung der Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen dienen sollen, sondern ausschließlich dem Zweck der Erläuterung und des Verständnisses.
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Es zeigen:
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1 ein Blockdiagramm, welches einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
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2 einen Längsschnitt, welcher einen inneren Aufbau einer Strahlpumpe darstellt, die in einem Brennstoffzellensystem wie in 1 dargestellt eingesetzt ist, wobei sich die Strahlpumpe in vollständig geöffneter Position befindet,
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3 einen vergrößerten Querschnitt eines in 2 mit A bezeichneten eingekreisten Bereichs,
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4 einen Längsschnitt, welcher einen Innenaufbau einer Strahlpumpe darstellt, die in dem Brennstoffzellensystem, wie in 1 dargestellt, eingesetzt ist, wobei die Strahlpumpe sich in geschlossener Position befindet;
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5 einen Längsschnitt, welcher einen inneren Aufbau einer Strahlpumpe gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt, welche sich in vollständig geöffneter Position befindet;
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6 einen Längsschnitt, der einen inneren Aufbau einer Strahlpumpe der zweiten Ausführungsform darstellt, welche sich in einer geschlossenen Position befindet; und
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7 eine Auftragung, welche die Abgaszirkulationsverhältnisse wiedergibt, wenn eine PTC Heizeinrichtung ein- und ausgeschaltet ist.
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Bezugnehmend auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist insbesondere in 1 ein Brennstoffzellensystem gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Das Brennstoffzellensystem wird als Beispiel in der Verwendung als Energiequelle zum Antrieb eines elektrischen Fahrzeugs (d. h. eines Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugs) verwendet.
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Das Brennstoffzellensystem besteht im Wesentlichen aus einem Brennstoffzellenstapel 10, einer Luftzufuhreinrichtung 21, einer Brennstoffzufuhreinrichtung 31, einer Strahlpumpe 50, und Steuereinheiten 40 und 41.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 arbeitet, wie auf dem Gebiet allgemein bekannt, um durch die elektro-chemische Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff (d. h. Brennstoff) erzeugte Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der Brennstoffzellenstapel 10 besteht aus einer Vielzahl von Feststoffpolyelektrolytbrennstoffzellen. Jede Zelle besteht aus einem Paar Elektroden (welche nachfolgend auch eine Sauerstoff- und eine Wasserstoffelektrode genannt werden) und einem zwischen den Elektroden angeordneten Elektrolyten. Der Brennstoffzellenstapel 10 wird verwendet, um elektrischen Lasten, wie einen Antriebsmotor und eine Speicherbatterie (nicht dargestellt), welche in dem Elektrofahrzeug installiert sind, mit Energie zu versorgen. Der Brennstoffzellenstapel 10 wird mit Wasserstoff und Luft (Sauerstoff) versorgt und induziert deren elektrochemische Reaktionen an den Elektroden, welche von folgender Form sind: Wasserstoffelektrode H2 → 2H+ + 2e– Sauerstoffelektrode 2H+ + ½O2 + 2e– → H2O
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Die obigen elektrochemischen Reaktionen erzeugen Wasser. Zusätzlich wird befeuchtetes Wasserstoffgas und Luft dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt, welcher die Bildung von Kondenswasser in demselben bewirkt. Das Wasser verbleibt innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10. Der Brennstoffzellenstapel 10 besitzt einen auf demselben installierten Spannungssensor 11, welcher die über die Enden des Brennstoffzellenstapels 10 entwickelte Spannung misst und ein dies anzeigendes Signal an die Steuereinheit 40 ausgibt.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst auch eine Luftzufuhrleitung 20 und eine Wasserstoffzufuhrleitung 30. Die Luftzufuhrleitung 20 dient der Zufuhr von Luft (Sauerstoff) zu den Sauerstoffelektroden (d. h. positiven Elektroden) des Brennstoffzellenstapels 10. Die Wasserstoffzufuhrleitung 30 dient zur Zufuhr von Wasserstoff zu den Wasserstoffelektroden (d. h. negativen Elektroden) des Brennstoffzellenstapels 10. Die Luftzufuhreinrichtung 21 ist in dem am weitesten stromauf liegenden Abschnitt der Luftzufuhrleitung 21 angeordnet. Die Brennstoffzufuhreinrichtung 31 ist in den am weitesten stromauf Hegenden Abschnitt der Wasserstoffzufuhrleitung 30 angeordnet. Die Luftzufuhreinrichtung 21 ist z. B. als Kompressor ausgeführt. Die Brennstoffzufuhreinrichtung 31 ist z. B. als mit Wasserstoffgas gefüllter Hochdruckwasserstofftank ausgeführt. Die Wasserstoffzufuhrleitung 30 besitzt einen in derselben angeordneten Regler 32, der der Regelung der Menge und des Drucks an von der Brennstoffzufuhreinrichtung 31 ausgegebenem Wasserstoff dient. Die Luftzufuhrleitung 20 weist einen Luftzufuhrdrucksensor 22 auf, welcher sich in einem Abschnitt desselben nahe eines Lufteinlasses des Brennstoffzellenstapels 10 befindet. Der Luftzufuhrdrucksensor 22 dient zur Messung des Drucks der zugeführten Luft und gibt ein dies anzeigendes Signal an die Steuereinheit 40 aus. In gleicher Weise weist die Wasserstoffzufuhrleitung 30 einen in einem Abschnitt derselben nahe eines Wasserstoffeinlasses des Brennstoffzellenstapels 10 angeordneten Wasserstoffzufuhrdrucksensor 33 auf. Der Wasserstoffzufuhrdrucksensor 33 dient zur Messung des Drucks des zugeführten Wasserstoffs und gibt ein dies anzeigendes Signal an die Steuereinheit 41 aus. Der Druck des dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Wasserstoffs ist äquivalent einem Austrittsdruck (d. h. einem Auslassdruck) der Strahlpumpe 50.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst auch eine Abgaszirkulationsleitung 34, welche dem Vermischen eines nicht abreagierten Wasserstoff enthaltenden Abgases, welches aus dem Brennstoffzellenstapel 10 austritt, mit einem Hauptstrom an Wasserstoffgas dient, welches von der Brennstoffzufuhreinrichtung 31 zugeführt und zu dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückgeführt wird. Die Abgaszirkulationsleitung 34 verbindet einen Wasserstoffauslass des Brennstoffzellenstapels 10 und einen stromab angeordneten Port des in der Wasserstoffzufuhrleitung 30 installierten Reglers 32. Die Abgaszirkulationsleitung 34 besitzt einen in derselben angeordneten Gas-Flüssig-Separator 35, welcher der Abtrennung des Wassers von dem Abgas und dessen Austrag aus dem Brennstoffzellensystem durch ein von der Steuereinheit 41 betätigtes Ein-Aus-Abflussventil bewirkt. Das Abflussventil 36 dient dem Austrag des Abgases aus dem Brennstoffzellensystem. Das Absperrventil 37 dient zum Absperren eines Rückstroms des Abgases, wenn dieses aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragen wird.
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Die Strahlpumpe 50 ist an einer Verbindung der Wasserstoffzufuhrleitung 30 und der Abgaszirkulationsleitung 34 installiert und dient zur Umwälzung des Abgases zum Brennstoffzellenstapel 10. Die Strahlpumpe 50 ist als kinetische Vakuumpumpe ausgeführt, welche zum Absaugen des Abgases unter Beihilfe der dynamischen Energie des Hauptstroms des Wasserstoffgases arbeitet, das von der Brennstoffzufuhreinrichtung 31 zugeführt wird, und dieses zum Brennstoffzellenstapel 10 umwälzt. Die Strahlpumpe 50 wird später auch genauer beschrieben.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst wie oben beschrieben die zwei Steuereinheiten (d. h. elektronische Steuereinheiten) 40 und 41. Die erste Steuereinheit 40 empfängt ein Ausgangssignal eines Gaspedalpositionssensors 43, welcher eine Position eines Gaspedals 42 des Elektrofahrzeugs anzeigt und die Menge der von dem Brennstoffzellenstapel 10 zu erzeugenden elektrischen Energie bestimmt, welche als Funktion der Position des Gaspedals 42 erforderlich ist. Die erste Steuereinheit 40 bestimmt auch die zugeführte Menge des Wasserstoffs, die umgewälzte Menge des Abgases und den Zufuhrdruck des Wasserstoffgases (d. h. des Austragsdrucks der Strahlpumpe 40), welche zum Bereitstellen der erforderlichen Menge an elektrischer Energie benötigt werden und stellt ein Steuersignal für die zweite Steuereinheit 41 bereit.
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Die erste Steuereinheit 40 bestimmt auch die zur Lieferung der erforderlichen, von dem Brennstoffzellenstapel 10 zu erzeugenden elektrischen Energie benötigte Menge an Luft und steuert die Drehzahl des Kompressors 21. Insbesondere steuert die erste Steuereinrichtung 40 die Drehzahl des Kompressors 21 rückgekoppelt unter Verwendung eines Ausgangssignals des Luftzufuhrdrucksensors 22. Die erste Steuereinheit 40 steuert auch die Energieerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 unter Verwendung eines Ausgangssignals des Spannungssensors 11.
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Die zweite Steuereinheit 41 empfängt ein von der ersten Steuereinheit 40 ausgegebenes Steuersignal und ein Ausgangssignal des Wasserstoffzufuhrdrucksensors 33. Die zweite Steuereinheit 41 bestimmt auch eine angestrebte Ventilposition des Reglers 32 als Funktion der den Brennstoffzellenstapel 10 zuzuführenden, erforderlichen Menge an Wasserstoff, und eine diesen Zielposition der Strahlpumpe 50 als Funktion der zu dem Brennstoffzellenstapel 10 zuzuführenden, erforderlichen Menge des Abgases und gibt Steuersignale an den Regler 32 und die Strahlpumpe 50 aus. Ferner gibt die zweite Steuereinheit 41 Steuersignale an den Gas-Flüssig-Separator 35 und das Abschlussventil 36 aus. Die Struktur der Strahlpumpe wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 ausführlich beschrieben. 2 zeigt einen Innenaufbau der in vollständig geöffneter Position befindlichen Strahlpumpe 50. 3 ist eine vergrößerte Ansicht eines mit A in 2 bezeichneten eingekreisten Bereichs. 4 zeigt den inneren Aufbau der in geschlossener Position befindlichen Strahlpumpe 50.
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Die Strahlpumpe 50 besteht aus einer Düseneinheit 51, einer Rohrleitungseinheit 52 und einer Antriebseinheit 53. Die Einheiten 51, 52 und 53 sind auf geeignete Weise miteinander verbunden und befestigt und bilden die Gesamtheit der Strahlpumpe 50.
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Die Düseneinheit 51 umfasst einen Düsenkörper 511 und eine Nadel 512. Der Düsenkörper 511 und die Nadel 512 sind aus einem korrosionsbeständigen Metall hergestellt, wie SUS316L oder SUS304L. Die Nadel 512 ist einer DLC-(diamond-like carbon)-Behandlung unterworfen worden, um deren Gleitfähigkeit und Abrasionsbeständigkeit zu verbessern.
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Der Düsenkörper 511 besteht aus einem Hohlzylinder und besitzt ein zylindrisches Führungsloch 5111, einen zylindrischen Primärfluiddurchflussweg 5112 und eine konische Düse 5113. Das Führungsloch 5111 dient zur Führung der Gleitbewegung der Nadel 512. Der Primärfluiddurchflussweg 5112 ist im Durchmesser kleiner als das Führungsloch 5111 und verbindet einen Primärfluiddurchflussport und die Düse 5113, wie später genauer beschrieben wird. Das Führungsloch 5111, der Primärfluiddurchflussweg 5112 und die Düse 5113 sind in Längsrichtung des Düsenkörpers 511 ausgerichtet.
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In dem Düsenkörper 511 ist in einem zentralen Abschnitt der Primärfluideinströmport 5114 ausgebildet, welcher zu dem Primärfluiddurchflussweg 5112 führt. Der Primärfluideinströmport 5114 ist mit der Wasserstoffzufuhrleitung 30 verbunden und wird mit dem Wasserstoffgas aus der Wasserstoffzufuhreinrichtung 31 versorgt.
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Der Düsenkörper 511 besitzt eine als Dichtungsfläche 5115 wirkende abgeschrägte Fläche und wird unten auch als eine Düsenkörperseitendichtungsfläche bezeichnet, welche zu einem Ende des Primärfluiddurchströmwegs 5112 gerichtet ist und diesen umgibt und zu dem Primärfluideinströmport 5114 führt.
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Die Nadel 512 besteht aus einem zylindrischen Element und ist aus einem ersten, Abschnitt 5122 mit kleinem Durchmesser, einem zweiten Abschnitt 5124 mit kleinem Durchmesser und einem Abschnitt 5121 gebildet, welcher zwischen den ersten und zweiten Abschnitten 5122 und 5124 mit kleinem Durchmesser ausgebildet ist. Der Abschnitt 5121 mit großem Durchmesser ist so innerhalb des Führungslochs 5111 angeordnet, dass eine Gleitbewegung in Längsrichtung der Nadel 512 möglich ist. Der erste Abschnitt 5122 mit kleinem Durchmesser erstreckt sich in Ausrichtung mit dem Abschnitt 5121 mit großem Durchmesser und dem zweiten Abschnitt 5124 mit kleinem Durchmesser in Richtung auf die Düse 5113. Der erste Abschnitt 5122 mit kleinem Durchmesser besitzt einen konischen Kopf 5123, welcher zur Steuerung einer Öffnungsfläche eines Auslasses der Düse 5113 fungiert.
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Der zweite Abschnitt 5124 mit kleinem Durchmesser erstreckt sich von dem Abschnitt 5121 mit großem Durchmesser weg von der Düse 5113. Der Abschnitt 5121 mit großem Durchmesser besitzt einen abgeschrägten Abschnitt, welcher als Dichtungsfläche 5125 fungiert, und wird unten auch als Nadelseitenflächendichtungsfläche bezeichnet. Die Nadelseitenflächendichtungsfläche 5125 kontaktiert die Düsenkörperseitendichtungsfläche 5115 zum vollständigen Verschließen des Primärfluiddurchflusswegs 5112. Die Düseneinheit 51 ist in ihrer Dimension so ausgestaltet, dass sie die Düse 5113 von der konischen Oberfläche 5123 beabstandet hält, wenn die Nadelseitendichtungsfläche 5125 mit der Düsenkörperseitendichtungsfläche 5115 in Kontakt gebracht wird.
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Die Rohrleitungseinheit 52 ist mit einem Ende des Düsenkörpers 511 der Düseneinheit 51 verbunden, von welchem sich die Düse 5113 erstreckt. Die Rohrleitungseinheit 51 besteht aus einem Hohlzylinder und umfasst einen daran ausgebildeten Austragspfad 521, welcher zu einem Auslass der Strahlpumpe 50 führt und sich in Längsrichtung derselben erstreckt, und aus welcher ein Strahl des aus der Düse 5113 austretenden Wasserstoffgases über den Auslass der Strahlpumpe 50 ausgetragen wird. Der Austragspfad 521 umfasst einen stromabwärts angeordneten Abschnitt, in welchem die Düse 513 eingeführt ist, und einen über die Wasserstoffzufuhrleitung 30 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbundenen, stromaufwärts angeordneten Abschnitt. Die Rohrleitungseinheit 52 umfasst einen Absaugport 523, welcher in einem zentralen Abschnitt derselben ausgebildet ist und zu dem Austragspfad 521 führt. Der Absaugport 523 ist mit der Abgaszirkulationsleitung 34 verbunden.
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Die Antriebseinheit 53 treibt oder bewegt die Nadel 512 der Düseneinheit 51 und ist mit einem entfernt von der Düse 513 angeordneten Ende des Düsenkörpers 511 verbunden. Die Antriebseinheit 53 ist als Schrittmotor ausgeführt, welcher aus einem Rotor 531, einem Stator 532 und einem Schild 533 sowie einer Nadelführung 534 besteht.
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Die Nadelführung 534 ist in dem Düsenkörper 511 befestigt und führt die Gleitbewegung des zweiten Abschnitts 5124 mit kleinem Durchmesser der Nadel 512. Der zweite Abschnitt 5124 mit kleinem Durchmesser ist an einem Ende derselben mit dem Rotor 531 verbunden. Der Rotor 531 umfasst ein Innengewinde 5321, welches mit dem Außengewinde 5341 der Nadelführung 534 in Eingriff steht. Eine Rotation des Rotors 531 bewirkt ein Gleiten des Rotors 531 und der Nadel 512 in Längsrichtung der Strahlpumpe 50.
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Nachfolgend wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems beschrieben.
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Wenn Wasserstoff in dem Brennstoffzellenstapel 10 verbraucht wird, liefert die Wasserstoffzufuhreinrichtung 31 das Wasserstoffgas an den Brennstoffzellenstapel 10 über die Wasserstoffzufuhrleitung 30 und die Strahlpumpe 50. Ein Hauptstrom des Wasserstoffgases tritt in die Strahlpumpe 50 ein und wird von der Düse 513 in der Form eines Hochgeschwindigkeitsgasstroms ausgestoßen. Während der Passage durch die Strahlpumpe 50 wird die dynamische Energie des Hauptstroms des Wasserstoffgases in eine kinetische Energie umgewandelt, um das Abgas umzuwälzen. Genauer strömt der aus der Düse 5113 tretende Hochgeschwindigkeitsgasstrom des Wasserstoffgases durch den Austragspfad 521 während das um die äußere Peripherie der Düse 5113 befindliche Abgas abgesaugt wird. Dies bewirkt die Erzeugung eines negativen Drucks oder Vakuums um die äußere Peripherie der Düse 5113, wodurch das durch die Abgaszirkulationsleitung 34 vom Absaugport 523 strömende Abgas abgesaugt wird. Das Abgas tritt nachfolgend in dem Austragspfad 521 und wird mit dem aus der Düse 5113 tretenden Wasserstoffgas gemischt, welches wiederum über die Wasserstoffzufuhrleitung 30 dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt wird.
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Die Regelung der von der Düse 5113 abgegebenen Menge an Wasserstoffgas wird durch Betätigen der Antriebseinheit 53 und Bewegen der Nadel 513 zur Veränderung der Position (d. h. der offenen Fläche) der Düse 5113 bewirkt.
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Wenn der Brennstoffzellenstapel 10 zur Beendigung des Verbrauchs des Wasserstoffgases abgeschaltet wird, wird die Antriebseinheit 53 betätigt, um die Nadel 512 nach rechts zu bewegen, wie in 4 dargestellt, bis die Nadelseitendichtungsfläche 5125 die Düsenkörperseitendichtungsfläche 5115 kontaktiert und den Primärfluiddurchflussweg 5112 verschließt.
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Genauer, wenn es erforderlich ist die Zufuhr des Wasserstoffgases zu dem Brennstoffzellenstapel 10 zu unterbrechen, wird die Nadelseitendichtungsfläche 5125 mit der Düsenkörperseitendichtungsfläche 5115 in Kontakt gebracht, um den Primärfluiddurchflussweg 5112 zu verschließen, wodurch ein unerwünschtes Einwirken des Hochdrucks des Wasserstoffgases auf den Brennstoffzellenstapel 10 vermieden wird, was zur Zerstörung oder Beschleunigung der Ermüdung der Elektrodenfilme des Brennstoffzellenstapels 10 führt, was wiederum in einer Störung im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 resultiert.
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Wenn die Nadelseitendichtungsfläche 5125 mit der Düsenkörperseitendichtungsfläche 5115 in Kontakt gebracht wird, ist der konische Kopf 5123 der Nadel 512 wie oben beschrieben so ausgebildet, dass er nicht mit der Düse 5113 in Kontakt tritt, wodurch eine Abnutzung oder Verformung der Düse 5113 und des konischen Kopfes 5123 vermieden wird. Dies sichert die Stabilität des Hauptstroms des Wasserstoffgases über einen verlängerten Zeitraum.
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5 und 6 zeigen die Strahlpumpe 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dieselben Bezugszeichen wie sie in der ersten Ausführungsform verwendet wurden bezeichnen dieselben Teile und deren ausführliche Erläuterung wird hier daher ausgelassen. 5 zeigt die in vollständig geöffneter Position befindliche Strahlpumpe 50. 6 zeigt die in einer geschlossenen Position befindliche Strahlpumpe 50.
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Die Strahlpumpe 50 ist mit einer PTC-Heizeinrichtung 54 versehen, welche den Hauptstrom des Wasserstoffgases thermische Energie zuführt. Die PTC-Heizeinrichtung 54 arbeitet, wie allgemein auf dem Gebiet bekannt ist, als eine Konstanttemperaturheizeinrichtung, die so ausgebildet ist, dass sie eine Temperaturselbstkontrollfunktion ausübt. Die Verwendung der PTC-Heizeinrichtung 54 vermeidet somit die Notwendigkeit eines An-Aus-Steuerungsschaltkreises, der zur Regulierung der dem Wasserstoffgas zugeführten Wärmemenge erforderlich ist, und resultiert in einem vereinfachten Aufbau der Strahlpumpe 50 im Vergleich mit dem Einsatz einer Heizdrahtheizeinrichtung.
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Die PTC-Heizeinrichtung 54 ist, wie deutlich in 5 dargestellt, in einer Außenwand (d. h. im Umfang) des Düsenkörpers 511 angeordnet und auf den Primärfluideinströmport 5114 gerichtet. In anderen Worten sind die PTC-Heizeinrichtung 54 und der Primärfluideinströmport 5114 in Längsrichtung des Düsenkörpers 511 im Wesentlichen im selben Bereich angeordnet, wodurch die Stabilität der Zufuhr von thermischer Energie zum Hauptstrom des in den Primärfluideinströmport 5114 eintretenden Wasserstoffgases sichergestellt wird.
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Die PTC-Heizeinrichtung 54 ist auch auf die Düsenkörperseitendichtungsfläche 5115 gerichtet, wodurch das Problem verringert wird, dass bei Kontakt der Nadelseitendiehtungsfläche 5125 mit der Düsenkörperseitendichtungsfläche 5115 in Umgebungen niedriger Temperatur auftritt, verringert, nämlich ein Einfrieren durch die Kälte.
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Das aus der Wasserstoffzufuhreinrichtung 31 in den Primärfluideinströmport 5114 strömende Wasserstoffgas wird durch die PTC-Heizeinrichtung 54 erwärmt. Der Abschnitt 5121 mit großem Durchmesser der Nadel 512 wird über die gesamte Zeit mit dem Düsenkörper 511 in Kontakt gehalten. Die Innenseite des Düsenkörpers 511 wird durch den Hauptstrom des Wasserstoffgases gekühlt, so dass diese eine niedrigere Temperatur als die umgebende Luft aufweist. Je größer ein Temperaturunterschied zwischen zwei Elementen ist, umso größer ist gewöhnlich der Grad der Wärmeübertragung von einem Element auf das andere. Aus diesem Grund wird die von der PTC-Heizeinrichtung 54 erzeugte thermische Energie mit hohem Wirkungsgrad zur Innenseite des Düsenkörpers 511 übertragen.
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Die Strahlpumpe besteht, wie oben beschrieben, aus drei getrennten Einheiten: die Düseneinheit 51, die Rohrleitungseinheit 52 und die Antriebseinheit 53. Dieser Aufbau dient zur Unterteilung der Wärmemasse der Strahlpumpe 50 in drei Teile. Die Anordnung der PTC-Heizeinrichtung 54 innerhalb des Düsenkörpers 511 erleichtert die Leichtigkeit der Übertragung von Wärme auf das Innere des Düsenkörpers 511. Genauer erlaubt der Aufbau der Strahlpumpe 50 eine direkte Wärmeübertragung von der PTC-Heizeinrichtung 54 auf die Düseneinheit 51, weist aber zwischen der Düseneinheit 51 und der Rohrleitungseinheit 52 und zwischen der Düseneinheit 51 und der Antriebseinheit 53 ausgebildete Wärmeübertragungssperrgrenzflächen auf, wodurch die Übertragung von Wärme auf die Rohrleitungseinheit 52 und die Antriebseinheit 53 von der PTC-Heizeinrichtung 54 minimiert wird, was den Wirkungsgrad des Verbrauchs der von der PTC-Heizeinrichtung 54 in der Düseneinheit 51 erzeugten thermischen Energie verbessert.
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7 ist eine Auftragung, welche die Abgasumwälzverhältnisse wiedergibt, wenn die PTC-Heizeinrichtung 54 ein- und ausgeschaltet ist. Das Abgasumwälzverhältnis, wie es hierin bezeichnet wird, ist ein Verhältnis der Menge des zum Brennstoffzellenstapel 10 umgewälzten Abgases zu der direkt von der Wasserstoffzufuhreinrichtung 31 zugeführten Menge an Wasserstoffgas. Die Auftragung zeigt, dass die Zufuhr von durch die PTC-Heizeinrichtung 54 erzeugter thermischen Energie auf das Wasserstoffgas in einer erhöhten kinetischen Energie desselben resultiert, wodurch die Leistung der Strahlpumpe 50 zum Umwälzen des Abgases zum Brennstoffzellenstapel 10 verbessert wird, d. h., dass das Abgasumwälzverhältnis innerhalb eines Bereichs erhöht wird, in dem die dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführte Menge an Wasserstoffgas gering ist.
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Eine Erhöhung der Menge des zu dem Brennstoffzellenstapel 10 umgewälzten Abgases kann auch durch Erhöhung des Drucks des Wasserstoffgases erzielt werden, wobei dieses aber eine erhöhte mechanische Beständigkeit der Rohrleitungen des Systems erfordert. Der Aufbau der Strahlpumpe 50 in dieser Ausführungsform dient zur Verbesserung der Fähigkeit der Umwälzung des Abgases ohne Erhöhung des Drucks des Wasserstoffgases, d. h. ohne dass eine Erhöhung der mechanischen Beständigkeit der Rohrleitungen des Systems erforderlich ist.
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Während die vorliegende Erfindung hinsichtlich der bevorzugten Ausführungs formen zum besseren Verständnis derselben offenbart wurde, ist anzuerkennen, dass die Erfindung auf verschiedenen Wegen ausgeführt werden kann, ohne von dem Prinzip derselben abzuweichen. Folglich ist die Erfindung als sämtliche möglichen Ausführungsformen und Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen umfassend anzusehen, welche ohne Abweichung vom Prinzip der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, ausgeführt werden können. Die Strahlpumpe 50 kann z. B. alternativ als Pumpe zum Umwälzen eines Kühlmittels in einem Gefriersystem eingesetzt werden. Anstelle der PTC-Heizeinrichtung 54 kann eine beliebige andere, bekannte Art von Heizeinrichtung verwendet werden.
