DE102011114716A1

DE102011114716A1 - Gas jet pump for conveying a main gas flow

Info

Publication number: DE102011114716A1
Application number: DE201110114716
Authority: DE
Inventors: Matthias Jesse; Thomas Winkeler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-10-01
Filing date: 2011-10-01
Publication date: 2013-04-04
Also published as: WO2013045040A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasstrahlpumpe (9) zur Förderung eines Hauptgasstroms (A) durch einen zudosierten Treibgasstrom (H2) mit einer Gaszufuhr für den Hauptgasstrom (A), wenigstens einer Düse (12) für den Treibgasstrom (H2), einem Abströmbereich (19) für die vermischten Gasströme und einem fluchtend zu dem Abströmbereich (19) auf derselben Achse (17) angeordneten Beschleunigungsraum (16), in welchen die Gaszufuhr und die wenigstens eine Düse (12) münden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse (12) in axialer Richtung des Abströmbereichs (19) in den Beschleunigungsraum (16) mündet, und dass die wenigstens eine Düse (12) in einem dem Abströmbereich (19) gegenüberliegenden zentralen Bereich des Beschleunigungsraums (16) angeordnet ist, und dass die Gaszufuhr im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung des Abströmbereichs (19) in den Beschleunigungsraum (16) mündet.The invention relates to a gas jet pump (9) for conveying a main gas stream (A) through a metered propellant gas stream (H2) with a gas supply for the main gas stream (A), at least one nozzle (12) for the propellant gas stream (H2), an outflow region (19). for the mixed gas streams and an acceleration chamber (16) arranged in alignment with the outflow region (19) on the same axis (17), into which the gas supply and the at least one nozzle (12) open. The invention is characterized in that the at least one nozzle (12) opens into the acceleration space (16) in the axial direction of the discharge area (19), and in that the at least one nozzle (12) is located in a central area of the discharge area (19) Acceleration space (16) is arranged, and that the gas supply opens substantially perpendicular to the axial direction of the outflow region (19) in the acceleration space (16).

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasstrahlpumpe zur Förderung eines Hauptgasstroms nach der ein Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer solchen Gasstrahlpumpe.The invention relates to a gas jet pump for conveying a main gas stream according to the preamble of claim 1 further defined type. Furthermore, the invention relates to the use of such a gas jet pump.

Gasstrahlpumpen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie werden häufig auch als Impulsaustauschmaschinen, Ejektoren oder, in Anlehnung an den englischsprachigen Begriff, als Jetpump bezeichnet. Sie dienen immer dazu, einen Hauptgasstrom zu fördern, indem über einen Treibgasstrom eine Beschleunigung und/oder ein Druckaufbau in dem Hauptgasstrom erreicht wird. Die beiden Gasströme gelangen dann vermischt in den Bereich, in den sie gefördert werden sollen.Gas jet pumps are known from the general state of the art. They are often referred to as pulse exchange machines, ejectors or, based on the English term, as a jet pump. They always serve to promote a main gas stream by acceleration and / or pressure build-up in the main gas stream is achieved via a propellant gas flow. The two gas streams then arrive mixed in the area in which they are to be promoted.

Aus der gattungsgemäßen DE 10 2008 003 033 A1 ist eine solche Impulsaustauschmaschine für eine Gasversorgungsanlage beschrieben. Sie besteht aus einer Gaszufuhr für den Hauptgasstrom, welche hier als Hauptgasdüse bezeichnet wird, sowie wenigstens einer Düse für den Treibgasstrom, welche hier als Zusatzgasdüse bezeichnet wird. Die Gaszufuhr und die Düse münden dabei in einen gemeinsamen Beschleunigungsraum, von dem aus die Gase vermischt über einen Abströmbereich wieder abströmen. Die Düsen sind dabei in dem hier dargestellten Stand der Technik so angeordnet, dass diese insbesondere gleichmäßig um die Gaszufuhr des Hauptgasstroms verteilt angeordnet sind und mit zumindest einer Richtungskomponente in Strömungsrichtung des Hauptgasstroms eingedüst werden. Dadurch kommt es zu einem Impulsaustausch zwischen den Teilchen des über die Düse zugeführten Treibgasstroms und des Hauptgasstroms, wodurch der Hauptgasstrom beschleunigt wird. Die Gasströme gelangen dann zusammen nach dem Beschleunigungsraum in einen Abströmbereich.From the generic DE 10 2008 003 033 A1 Such a pulse exchange machine for a gas supply system is described. It consists of a gas supply for the main gas flow, which is referred to here as the main gas, and at least one nozzle for the propellant gas stream, which is referred to here as Zusatzgasdüse. The gas supply and the nozzle open into a common acceleration space, from which the gases mixed out flow through a discharge area again. The nozzles are arranged in the prior art shown here so that they are distributed in particular uniformly around the gas supply of the main gas stream and are injected with at least one directional component in the flow direction of the main gas stream. This results in an exchange of momentum between the particles of the propellant gas stream supplied via the nozzle and the main gas stream, whereby the main gas stream is accelerated. The gas streams then go together after the acceleration space in a discharge area.

Nun hat sich den Erfindern gezeigt, dass der im gattungsgemäßen Stand der Technik beschriebene Aufbau einen entscheidenden Nachteil aufweist. Vermutlich liegt dies daran, dass der Treibgasstrom parallel zu den Wandungen der Gaszufuhr des Hauptgasstroms ausgerichtet ist und damit dicht an den Wandungen des Beschleunigungsraums strömt. Dadurch scheinen Reibungskräfte zwischen dem Treibgasstrom und der Wand des Beschleunigungsraums aufzutreten, welche den Effekt mindern und damit die auf den Hauptgasstrom übertragene Beschleunigung beziehungsweise den im Bereich des Hauptgasstroms erzeugten Druckaufbau schmälern.Now, the inventors have shown that the structure described in the generic state of the art has a decisive disadvantage. Presumably, this is due to the fact that the propellant gas flow is aligned parallel to the walls of the gas supply of the main gas flow and thus flows close to the walls of the acceleration space. As a result, frictional forces between the propellant gas flow and the wall of the acceleration space appear to occur, which reduce the effect and thus reduce the acceleration transmitted to the main gas flow or the pressure build-up generated in the region of the main gas flow.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen Nachteil zu vermeiden und eine hocheffiziente Gasstrahlpumpe anzugeben.The object of the present invention is now to avoid this disadvantage and to provide a highly efficient gas jet pump.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und aus der erfindungsgemäßen Verwendung der Gasstrahlpumpe.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments of the solution according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and from the inventive use of the gas jet pump.

Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe ist als Impulsaustauschmaschine nun so aufgebaut, dass die wenigstens eine Düse in axialer Richtung des Abströmbereichs in den Beschleunigungsraum mündet. Sie mündet außerdem in einem dem Abströmbereich gegenüberliegenden zentralen Bereich des Beschleunigungsraums. Damit ist sichergestellt, dass über die wenigstens eine Düse die vergleichsweise energieintensiven Treibgasströmungen zentral und weit entfernt von den Wandungen des Beschleunigungsraums in diesen münden. Der Hauptgasstrom wird dann im Wesentlichen senkrecht zur axialen Richtung des Abströmbereichs in diesen Beschleunigungsraum zugeführt. Insbesondere kann dieser Beschleunigungsraum als in Umfangsrichtung offener Ringraum ausgebildet sein, welcher allseitig von dem Hauptgasstrom umströmt wird. Dieser Aufbau mit einer senkrecht zum Hauptgasstrom ausgerichteten zentralen Eindüsung des oder der Treibgasströme erzielt den maximalen Druckaufbau beziehungsweise die maximale Beschleunigung des Hauptgasstroms, da negative Einflüsse auf den Treibgasstrom, wie beispielsweise Reibung mit den Wandungen des Beschleunigungsraums, vermieden werden können. Es hat sich gezeigt, dass mit der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe ein signifikant höherer Druckaufbau möglich ist, als mit der gattungsgemäßen oben beschriebenen Impulsaustauschmaschine.The gas jet pump according to the invention is now constructed as a momentum exchange machine such that the at least one nozzle opens into the acceleration space in the axial direction of the outflow region. It also opens in a region of the acceleration chamber opposite the outflow region. This ensures that the comparatively energy-intensive propellant gas flows open centrally and far away from the walls of the acceleration space via the at least one nozzle. The main gas stream is then fed into this acceleration space substantially perpendicular to the axial direction of the outflow region. In particular, this acceleration space can be designed as an annular space open in the circumferential direction, which is surrounded on all sides by the main gas flow. This construction, with a central injection of the gas stream or gas streams oriented perpendicular to the main gas stream, achieves the maximum pressure build-up or the maximum acceleration of the main gas stream, since negative influences on the propellant gas stream, such as friction with the walls of the acceleration space, can be avoided. It has been shown that a significantly higher pressure build-up is possible with the gas jet pump according to the invention than with the generic pulse exchange machine described above.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei vorgesehen, dass die wenigstens eine Düse wenigstens zwei Düsenöffnungen aufweist. Die Verwendung von mehreren Düsenöffnungen mit entsprechend kleinem Querschnitt ermöglicht eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit des zudosierten Treibgasstroms durch die Verwendung mehrerer kleinerer Düsenöffnungen. Dadurch wird der Energieeintrag in den Hauptgasstrom weiter erhöht und es kann eine weitere Verbesserung der Förderleistung erzielt werden.In a further very favorable and advantageous embodiment of the construction according to the invention, it is provided that the at least one nozzle has at least two nozzle openings. The use of a plurality of nozzle openings with a correspondingly small cross section enables a comparatively high flow rate of the added propellant gas stream through the use of a plurality of smaller nozzle openings. Thereby, the energy input is further increased in the main gas flow and it can be achieved a further improvement of the flow rate.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass die wenigstens zwei Düsenöffnungen einzeln mit dem Treibgasstrom versorgt sind, wobei in wenigstens einer der Zuleitungen des Treibgasstroms zu den einzelnen Düsenöffnungen eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Eine solche Ventileinrichtung ermöglicht das Ansteuern wenigstens einer der Düsenöffnungen getrennt von der oder den anderen. Prinzipiell ist es dabei möglich, alle der Düsenöffnungen mit einer eigenen Ventileinrichtung auszustatten. Zumindest können alle der Düsenöffnungen bis auf eine über eine solche Ventileinrichtung verfügen. Dann ist es möglich, den Volumenstrom so einzustellen, dass für den Leerlaufbetrieb der durch die eine Düsenöffnung eindosierte Volumenstrom ausreichend ist. Je nach Lastzustand und benötigter Förderleistung können dann weitere Düsenöffnungen angeströmt werden, sodass eine Regulierung der Leistung der Gasstrahlpumpe einfach und effizient möglich wird. Außer den Ventileinrichtungen, welche beispielsweise als einfache Magnetventile ausgebildet sein können, sind hier keine beweglichen Teile notwendig. Der Aufbau ist daher entsprechend einfach und effizient. Da die Magnetventile beabstandet von den eigentlichen Düsenöffnungen angeordnet werden können, ist auch ein sehr kompakter Aufbau der Gasstrahlpumpe selbst möglich. Die Magnetventile können beispielsweise in einem Ventilblock außerhalb der Gasstrahlpumpe angeordnet werden, welcher über entsprechende Zuleitungen mit den einzelnen Düsenöffnungen verbunden ist.In a further very favorable and advantageous embodiment thereof, it is further provided that the at least two nozzle openings are individually supplied with the propellant gas stream, wherein in at least one of the supply lines of the propellant gas stream to the individual nozzle openings, a valve device is arranged. Such a valve device allows the driving of at least one of the nozzle openings separately from the one or the other. In principle, it is possible to equip all of the nozzle openings with their own valve device. At least all of the nozzle openings may have one such valve device except for one. Then it is possible to adjust the volume flow so that for the idling operation of the metered through the nozzle opening volume flow is sufficient. Depending on the load condition and the required delivery rate, further nozzle openings can then be flown in, so that it is possible to regulate the power of the gas jet pump easily and efficiently. In addition to the valve devices, which may be formed for example as simple solenoid valves, no moving parts are necessary here. The structure is therefore correspondingly simple and efficient. Since the solenoid valves can be arranged at a distance from the actual nozzle openings, a very compact construction of the gas jet pump itself is also possible. The solenoid valves can be arranged for example in a valve block outside of the gas jet pump, which is connected via corresponding supply lines to the individual nozzle openings.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe ist es dabei vorgesehen, dass die Düsenöffnungen von einer ringförmigen Düsenkappe umgeben sind. Eine solche ringförmige Düsenkappe im Außenbereich der Düse um die Düsenöffnungen ermöglicht es dem oder den einzelnen Treibgasströmen nach dem Austritt aus der Düse eine gewisse Wegstrecke, nämlich die Wegstrecke, die sich aus der axialen Ausdehnung der Düsenkappe ergibt, zu strömen, bevor diese in Kontakt mit dem Hauptgasstrom kommen. Dadurch wird ein noch besserer Impulsaustausch gewährleistet. Insbesondere wird dadurch aber auch erreicht, dass eventuelle Verunreinigungen oder unerwünschte Stoffe, welche über den Hauptgasstrom transportiert werden, beispielsweise in dem Hauptgasstrom mitgeführte Feuchtigkeit, nicht in den Bereich der Düsenöffnungen gelangen und diese somit nicht verschmutzen oder verstopfen können.In a further very favorable and advantageous embodiment of the gas jet pump according to the invention, it is provided that the nozzle openings are surrounded by an annular nozzle cap. Such an annular nozzle cap in the outer region of the nozzle around the nozzle openings allows the or each propellant gas streams after exiting the nozzle a certain distance, namely the distance resulting from the axial extent of the nozzle cap, to flow before it in contact with come the main gas stream. This ensures even better momentum exchange. In particular, however, this also ensures that any impurities or undesirable substances which are transported via the main gas stream, for example moisture entrained in the main gas stream, do not reach the area of the nozzle openings and thus can not pollute or clog them.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass die Düsenkappe wenigstens eine Öffnung senkrecht zur Strömungsrichtung des Treibgasstroms aufweist. Eine solche Öffnung, beispielsweise eine Kerbe oder dergleichen, kann ebenfalls einer Verschmutzung entgegenwirken, indem beispielsweise sich im Inneren der Düsenkappe sammelndes Wasser, was aufgrund von geringfügigen Rückströmungen im Bereich der Düsenkappe typischerweise nicht zu verhindern ist, durch diese Öffnung ablaufen kann.According to an advantageous embodiment thereof, it is further provided that the nozzle cap has at least one opening perpendicular to the flow direction of the propellant gas stream. Such an opening, such as a notch or the like, can also counteract contamination, for example, by in the interior of the nozzle cap collecting water, which is typically unavoidable due to slight backflow in the nozzle cap, can pass through this opening.

Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe lässt sich hochkompakt aufbauen und erlaubt eine sehr effiziente Förderung eines Hauptgasstroms über einen zudosierten Treibgasstrom. Dieser Aufbau ist insbesondere für die Verwendung in Brennstoffzellensystemen geeignet, in denen Abgas als Hauptgasstrom über ein zudosiertes Edukt für die Brennstoffzelle als Treibgasstrom gefördert werden soll. Dieser eignet sich insbesondere für eine Kathoden- oder Anodenrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem.The gas jet pump according to the invention can be constructed highly compact and allows a very efficient delivery of a main gas stream via a dosed propellant gas stream. This structure is particularly suitable for use in fuel cell systems in which exhaust gas is to be promoted as a main gas stream via a metered educt for the fuel cell as a propellant gas stream. This is particularly suitable for a cathode or anode recirculation in a fuel cell system.

Die besonders bevorzugte Verwendung liegt dabei im Einsatz der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe im Bereich einer Anodenrezirkulation eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche in Fahrzeugen zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden, ist eine energieeffiziente und zuverlässige Rezirkulation von Anodenabgas, sofern eine solche eingesetzt wird, von entscheidender Bedeutung. Dabei ist der kompakte und einfache Aufbau entscheidend. All dies lässt sich durch die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe realisieren, da diese außerordentlich kompakt mit hoher Förderleistung realisiert werden kann. Sie eignet sich daher besonders gut für die angegebene Verwendung.The particularly preferred use lies in the use of the gas jet pump according to the invention in the region of an anode recirculation of a fuel cell system. In particular, in fuel cell systems used in vehicles for generating electric drive power, an energy-efficient and reliable recirculation of anode exhaust gas, if used, is of crucial importance. The compact and simple construction is decisive. All this can be realized by the gas jet pump according to the invention, since this can be realized extremely compact with high flow rate. It is therefore particularly suitable for the specified use.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden zusammen mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels näher beschrieben.Further advantageous embodiments of the gas jet pump according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be described in more detail together with a fuel cell system according to the invention with reference to the following embodiment.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; und 1 an exemplary fuel cell system in a vehicle; and

2 eine Schnittansicht von oben durch eine Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung. 2 a sectional view from above through a gas jet pump according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft und sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 3 auf, welche ihrerseits einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 zeigt. Die Brennstoffzelle 3 soll als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an die Umgebung. Hier könnte prinzipiell auch eine Nachbereitung, beispielsweise eine Nachverbrennung, eine Turbine oder dergleichen angeordnet sein. Dies ist für die vorliegende Erfindung jedoch nicht von Interesse, sodass auf eine Darstellung verzichtet worden ist.In the presentation of the 1 is purely exemplary and very highly schematized a fuel cell system 1 in an indicated vehicle 2 to recognize. The fuel cell system 1 essentially comprises a fuel cell 3 which in turn has an anode compartment 4 and a cathode compartment 5 shows. The fuel cell 3 should be designed as a stack of PEM fuel cells. The cathode compartment 5 the fuel cell 3 is via an air conveyor 6 supplied with air as an oxygen supplier. The exhaust air from the cathode compartment 5 arrives in the embodiment shown here to the environment. Here, in principle, a post-processing, for example, an afterburner, a turbine or the like could be arranged. However, this is not of interest for the present invention, so that a representation has been omitted.

Der Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird mit Wasserstoff H₂ versorgt, welcher aus einem Druckgasspeicher 7 stammt. Er gelangt über eine Druckregeleinrichtung 8 und eine später noch näher erläuterte Gasstrahlpumpe 9 in den Anodenraum 4. Aus dem Bereich des Anodenraums 4 gelangt Abgas A aus dem Anodenraum 4 über eine Rezirkulationsleitung 10 zurück in den Bereich der Gasstrahlpumpe 9, und wird von dieser als sekundärer Gasstrom angesaugt und zurück in den Anodenraum 4 gefördert. Dieses Prinzip einer Anodenrezirkulation ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es dient dazu, den Anodenraum 4 mit einem Überschuss an Wasserstoff H₂ zu versorgen, um seine aktive Fläche bestmöglichst auszunutzen. Der im Abgas aus dem Anodenraum 4 verbleibende Restwasserstoff wird dann zusammen mit inerten Gasen, welche durch die Membranen aus dem Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert sind und einem kleinen Teil des Produktwasser, welcher im Anodenraum 4 entsteht, über die Rezirkulationsleitung 10 zurückgefördert und dem Anodenraum 4 vermischt mit dem frischen Wasserstoff H₂ erneut zugeführt. Da sich in einer solchen Anodenrezirkulation mit der Zeit inerte Gase und Wasser anreichern und dadurch die Wasserstoffkonzentration sinkt, muss, beispielsweise von Zeit zu Zeit, Wasser und Gas aus der Anodenrezirkulation abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der 1 ein Ablassventil 11 prinzipmäßig angedeutet.The anode compartment 4 the fuel cell 3 is supplied with hydrogen H ₂ , which consists of a compressed gas storage 7 comes. He gets over one Pressure control device 8th and a later explained in more detail gas jet pump 9 in the anode compartment 4 , From the area of the anode compartment 4 exhaust gas A comes out of the anode compartment 4 via a recirculation line 10 back to the area of the gas jet pump 9 , and is sucked by this as a secondary gas stream and back into the anode compartment 4 promoted. This principle of an anode recirculation is known from the general state of the art. It serves to the anode space 4 to supply an excess of hydrogen H ₂ in order to make the best possible use of its active area. The in the exhaust from the anode compartment 4 Residual hydrogen remaining is then together with inert gases passing through the membranes from the cathode compartment 5 in the anode compartment 4 are diffused and a small portion of the product water, which in the anode compartment 4 arises, via the recirculation line 10 fed back and the anode room 4 fed again mixed with the fresh hydrogen H ₂ . Since in such an anode recirculation over time, inert gases and water accumulate and thereby the hydrogen concentration decreases, it is necessary, for example from time to time, to discharge water and gas from the anode recirculation. This is in the presentation of the 1 a drain valve 11 indicated in principle.

Um nun die Druckverluste im Bereich des Anodenraums 4 und im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 ausgleichen zu können, ist es notwendig, eine Rezirkulationsfördereinrichtung für das rezirkulierte Abgas aus dem Anodenraum 4 vorzusehen. Als Rezirkulationsfördereinrichtung ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 die bereits erwähnte Gasstrahlpumpe 9 vorgesehen.Now to the pressure losses in the region of the anode compartment 4 and in the area of the recirculation line 10 To be able to compensate, it is necessary, a recirculation conveyor for the recirculated exhaust gas from the anode compartment 4 provided. As a recirculation conveyor is in the embodiment shown here the 1 the already mentioned gas jet pump 9 intended.

In der Darstellung der 2 ist diese in einer Schnittdarstellung im Blick von oben beim bestimmungsgemäßen Einsatz zu erkennen. Die Gasstrahlpumpe 9 besteht aus einer Düse 12, welcher hier über zwei getrennte Zuleitungen 13, und idealerweise jeweils getrennten Ventileinrichtungen 14, Wasserstoff H₂ aus dem Druckgasspeicher 7 als primärer Gasstrom zugeführt wird. Über Düsenöffnungen 15 gelangt dieser Wasserstoff H₂ aus der Düse 12 in einen Beschleunigungsraum 16, welcher im Wesentlichen als zylindrische Scheibe um eine zentrale Achse 17 der Gasstrahlpumpe 9 ausgebildet ist. Dieser Aufbau der als Impulsaustauschmaschine ausgebildeten Gasstrahlpumpe 9 unterscheidet sich somit deutlich vom Aufbau einer „saugenden” Gasstrahlpumpe, welche ein Venturirohr mit einer Querschnittsverengung und einer anschließenden Querschnittserweiterung nutzt, um einen Unterdruck aufzubauen und das rezirkulierte Abgas so anzusaugen.In the presentation of the 2 this can be seen in a sectional view in view from above the intended use. The gas jet pump 9 consists of a nozzle 12 , which here via two separate supply lines 13 , and ideally each separate valve means 14 , Hydrogen H ₂ from the compressed gas storage 7 is supplied as a primary gas stream. Over nozzle openings 15 this hydrogen H ₂ comes out of the nozzle 12 into an acceleration space 16 which is essentially a cylindrical disk about a central axis 17 the gas jet pump 9 is trained. This structure of the gas jet pump designed as a pulse exchange machine 9 Thus, it differs significantly from the construction of a "sucking" gas jet pump, which uses a Venturi tube with a cross-sectional constriction and a subsequent cross-sectional widening to build a vacuum and so suck the recirculated exhaust gas.

Der Beschleunigungsraum 16 ist an einer oder mehreren Stellen um seinen Umfang offen ausgebildet und steht mit einem Abgasstrom A aus dem Anodenraum 4 beziehungsweise der Rezirkulationsleitung 10 in Verbindung. Der Aufbau kann dabei insbesondere so sein, dass der Beschleunigungsraum 16 in Form einer am Umfang offenen zylindrischen Scheibe ausgebildet ist. Über eine Verjüngung 18 geht der Beschleunigungsraum 16 dann in einen Abströmbereich 19 über, welcher mit konstantem Querschnitt ausgebildet ist. Der Beschleunigungsraum 16 und der Abströmbereich 19 sind dabei fluchtend zueinander um die Mittelachse 17 der Gasstrahlpumpe 9 ausgebildet. Auf der dem Abströmbereich 19 abgewandten Seite des Beschleunigungsraums 16 ist dabei die Düse 12 angeordnet. Diese ist zentral angeordnet, sodass die durch die Düsenöffnungen 15 austretenden Treibgasströme im zentralen Bereich, um die Achse 17 angeordnet, in den Beschleunigungsraum 16 einströmen. Senkrecht dazu strömt durch eine oder mehrere Öffnungen im Umfangsbereich des Beschleunigungsraums 16 der Abgasstrom A aus dem Anodenraum 4 ein. Durch die Treibgasströme aus den Düsenöffnungen 15 wird dieser Hauptgasstrom des Anodenabgases A entsprechend beschleunigt, da es zu einem Impulsaustausch zwischen dem Hauptgasstrom A und dem oder den Treibgasströmen kommt. Der Aufbau ermöglicht so eine Beschleunigung des Hauptgasstroms A beziehungsweise einen Druckaufbau in dem Hauptgasstrom und kann die beiden Gasströme vermischt über den Abströmbereich 19 zurück zum Anodenraum 4 fördern.The acceleration space 16 is formed open at one or more locations around its circumference and communicates with an exhaust stream A from the anode compartment 4 or the recirculation line 10 in connection. The structure may in particular be such that the acceleration space 16 is formed in the form of a cylindrical disk open on the circumference. About a rejuvenation 18 is the acceleration space 16 then into a discharge area 19 over, which is formed with a constant cross-section. The acceleration space 16 and the outflow area 19 are aligned with each other about the central axis 17 the gas jet pump 9 educated. On the outflow area 19 opposite side of the acceleration space 16 is the nozzle 12 arranged. This is arranged centrally, so that through the nozzle openings 15 escaping propellant gas flows in the central area, around the axis 17 arranged in the acceleration room 16 flow. Perpendicular thereto flows through one or more openings in the peripheral region of the acceleration space 16 the exhaust stream A from the anode compartment 4 one. By the propellant gas streams from the nozzle openings 15 This main gas flow of the anode exhaust gas A is correspondingly accelerated, as it comes to an exchange of pulses between the main gas stream A and the or the propellant gas streams. The structure thus enables an acceleration of the main gas flow A or a pressure build-up in the main gas flow and can mix the two gas flows over the outflow region 19 back to the anode room 4 promote.

Insbesondere in einem Brennstoffzellensystem 1 ist es nun so, dass durch den Abgasstrom A Feuchtigkeit und Wassertröpfchen in den Beschleunigungsraum 16 eingetragen werden können. Um ein Benetzen der Düsenöffnungen 15 und die Gefahr eines Zufrierens der Düsenöffnungen 15 nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, zu verhindern, ist im Bereich der Düse 12 eine optionale Düsenkappe 20 vorgesehen. Die Düsenkappe 20 schirmt einen Austrittsbereich 21 des Wasserstoffs H₂ vor dem Hauptgasstrom A ab. Sie ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und umgibt den Austrittsbereich 21 so, dass das durch die Rezirkulationsleitungen 10 anströmende Abgas A von diesem Bereich abgelenkt wird. Von dem Abgas A mit transportiertes Wasser wird dadurch von dem kritischen Austrittsbereich 21, in welchem es die Düsenöffnungen 15 verstopfen und in deren Bereich gefrieren könnte, ferngehalten.Especially in a fuel cell system 1 It is now so that through the exhaust stream A moisture and water droplets in the acceleration space 16 can be entered. To wetting the nozzle openings 15 and the risk of freezing the nozzle openings 15 after switching off the fuel cell system 1 at temperatures below freezing, is in the range of the nozzle 12 an optional nozzle cap 20 intended. The nozzle cap 20 shields an exit area 21 of the hydrogen H ₂ before the main gas stream A from. It is essentially annular and surrounds the outlet area 21 so that through the recirculation lines 10 inflowing exhaust gas A is deflected from this area. From the exhaust gas A with transported water is characterized by the critical exit area 21 in which there are the nozzle openings 15 clog and freeze in their area, kept away.

Diese Aufgabe, Flüssigkeit vom Austrittsbereich 21 der Düse 12 fernzuhalten, erfüllt die Düsenkappe 20 mit ihrem ringförmigen Aufbau sehr effizient und mit sehr einfachen konstruktiven Mitteln. Allerdings verursacht eine solche Düsenkappe 20 typischerweise Totzonen der Strömung innerhalb der Düsenkappe 20, was so wiederum zu einer Wasseransammlung im Bereich dieser Totzonen führen kann. Um dies zu verhindern, ist bei der in 2 gezeigten Düsenkappe im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unten eine Öffnung 22 angeordnet, welche hier als sich in Richtung des Austrittsbereichs 21 verjüngende Kerbe ausgeführt ist. Diese Öffnung 21 verhindert einerseits die Ausbildung von Totzonen der Strömung und erlaubt es andererseits, dem sich im Inneren der ringförmigen Düsenkappe 20 sammelnden Wasser abzuströmen. Da die Öffnung 21, sofern nur eine vorhanden ist, in Richtung der Schwerkraft im bestimmungsgemäßen Einsatz unten angeordnet ist, kann das Wasser durch die Schwerkraft ablaufen, Weitere Öffnungen 22 um den Umfang der Düsenkappe 20 sind prinzipiell denkbar und möglich, sie dienen dann nicht nur dem Wasserablauf, sondern auch der Verringerung von Totzonen der Strömung.This task, liquid from the exit area 21 the nozzle 12 Keep away, the nozzle cap meets 20 with its ring-shaped construction very efficient and with very simple constructive means. However, such a nozzle cap causes 20 typically dead zones of the flow within the nozzle cap 20 , which in turn can lead to water accumulation in the area of these dead zones. To prevent this, the in 2 nozzle cap shown in the intended use in the direction of gravity down an opening 22 arranged, which here as in the direction of the exit area 21 tapered notch is executed. This opening 21 on the one hand prevents the formation of dead zones of the flow and on the other hand allows the inside of the annular nozzle cap 20 to drain off collecting water. Because the opening 21 , if only one is present, arranged in the direction of gravity in the intended use below, the water can drain by gravity, other openings 22 around the perimeter of the nozzle cap 20 are conceivable and possible in principle, they serve not only the water flow, but also the reduction of dead zones of the flow.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008003033 A1 [0003]

Claims

Gas jet pump ( 9 ) for conveying a main gas stream (A) by a metered propellant gas stream (H ₂ ) with a gas supply for the main gas stream (A), at least one nozzle ( 12 ) for the propellant gas stream (H ₂ ), a discharge area ( 19 ) for the mixed gas streams and one aligned with the outflow region ( 19 ) on the same axis ( 17 ) arranged acceleration space ( 16 ), in which the gas supply and the at least one nozzle ( 12 ), characterized in that the at least one nozzle ( 12 ) in the axial direction of the outflow area ( 19 ) into the acceleration space ( 16 ), and that the at least one nozzle ( 12 ) in an outflow area ( 19 ) opposite central area of the acceleration space ( 16 ) is arranged, and that the gas supply substantially perpendicular to the axial direction of the outflow region ( 19 ) into the acceleration space ( 16 ) opens.

Gas jet pump ( 9 ) according to claim 1, characterized in that the at least one nozzle ( 12 ) at least two nozzle openings ( 15 ) having.

Gas jet pump ( 9 ) according to claim 2, characterized in that the at least two nozzle openings ( 15 ) are individually supplied with the propellant gas stream (H ₂ ), wherein in at least one of the supply lines ( 13 ) of the propellant gas stream (H ₂ ) to the individual nozzle openings ( 15 ) a valve device ( 14 ) is arranged.

Gas jet pump ( 9 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the flow-through cross-section is in the range ( 18 ) of the transition from the acceleration space ( 16 ) to the discharge area ( 19 ) rejuvenated.

Gas jet pump ( 9 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the outflow area ( 19 ) has a constant flow-through cross-section.

Gas jet pump ( 9 ) according to one of claims 2 to 5, characterized in that the nozzle openings ( 15 ) of an annular nozzle cap ( 20 ) are surrounded.

Gas jet pump ( 9 ) according to claim 6, characterized in that the nozzle cap ( 20 ) at least one opening ( 22 ) perpendicular to the flow direction of the propellant gas stream (H ₂ ).

Gas jet pump ( 9 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the acceleration space ( 16 ) is formed substantially as a cylindrical circumferentially outwardly open space.

Use of the gas jet pump ( 9 ) according to one of claims 1 to 8, in a fuel cell system ( 1 ) for the recirculation of exhaust gas from a fuel cell ( 3 ) of the fuel cell system ( 1 ), wherein the exhaust gas (A) forms the main gas stream and one of the fuel cell ( 2 ) fed educt forms the propellant gas stream.

Use according to claim 9, characterized in that the exhaust gas (A) through the anode exhaust gas of the fuel cell ( 3 ) is formed, and that the propellant gas stream of hydrogen (H ₂ ) is formed.