DE102018214376A1

DE102018214376A1 - Ejektor für ein Brennstoffzellensystem sowie Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102018214376A1
Application number: DE102018214376.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-02-27
Also published as: US20200067112A1; US11156234B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ejektor mit einer Saugdüse (100), mit einer Treibdüse (102) sowie mit einem Mischrohr (104), dem eine Einstelleinrichtung (106) zur zumindest bereichsweisen Einstellung eines Strömungsquerschnitts (602) des Mischrohrs (104) zugeordnet ist. Innerhalb der Treibdüse (102) ist eine axial verstellbare Nadel (108) angeordnet, die ausgebildet ist, einen Strömungsquerschnitt (604) der Treibdüse (102) einzustellen, und ein Kupplungsmechanismus (110) ist vorhanden, der die Einstelleinrichtung (106) mit der Nadel (108) oder einem die Nadel (108) betätigenden Aktuator (112) derart verbindet, dass die Einstelleinrichtung (106) den Strömungsquerschnitt (602) des Mischrohrs (104) in Abhängigkeit einer axialen Nadelbewegung einstellt oder verändert. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Ejektor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ejektor, insbesondere für einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems, mit einer Saugdüse, mit einer Treibdüse sowie mit einem Mischrohr. Dem Mischrohr ist eine Einstelleinrichtung zur zumindest bereichsweisen Einstellung eines Strömungsquerschnitts des Mischrohrs zugeordnet. Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der in einen Anodenkreislauf eingebunden ist, in welchen ein Ejektor strömungsmechanisch eingekoppelt ist.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig in einen Anodenkreislauf / Anodenloop geführt (rezirkuliert), wobei vor Wiederzuführung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt und die Reaktion stattfinden kann.
Im Anodenkreislauf kann ein Ejektor (Strahlpumpe) eingesetzt werden, der mittels der potentiellen Energie des Wasserstoffes aus einem Brennstofftank das Anodengas rezirkuliert. Die Effizienz eines Ejektors hängt stark von dessen Geometrie ab und dabei besonders von der Größe der Treibdüse und der Größe des Mischrohres. Die optimale Ejektorgeometrie ist abhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle, die sich während des Betriebes eines Fahrzeugs ändern. So unterscheidet sich eine ideale Geometrie für das Mischrohr und die Treibdüse für hohe Lastpunkte von der bei niedrigen Lastpunkten. Üblicherweise haben Ejektoren beziehungsweise Strahlpumpen jedoch eine feststehende Geometrie, so dass Anpassungen an den Betriebszustand einer Brennstoffzelle nicht möglich sind.
Ein Ansatz, um eine Anpassung eines Ejektors im Betrieb zu realisieren, wird in US 2014/0212776 A1 , EP 2 204 562 A2 , WO 2017/018 162 A1 und DE 10 2015 216 457 A1 offenbart, bei denen ein Ejektor mit einer variablen Geometrie des Mischrohrs beschrieben wird. Dazu ist beispielsweise im Mischrohr ein flexibler Einsatz angeordnet, der mit Gas befüllt oder anderweitig verstellt werden kann, so dass sich dadurch der Durchmesser des Mischrohrs verringert. Bei einer weiteren in der US 2014/0212776 A1 beschriebenen Ausführungsform eines Ejektors ist der flexible Einsatz von Ringen umgeben, deren Durchmesser mit jeweils einem Motor verstellt werden kann, so dass die Geometrie des Mischrohrs veränderbar ist. Zudem kann nach der EP 2 204 562 A2 der Durchmesser der Treibdüse variiert werden. Eine Möglichkeit, den Durchmesser der Treibdüse zu variieren, ist auch in der US 9,696,069 B2 und der US 6,858,340 B2 beschrieben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ejektor bereitzustellen, der noch besser an unterschiedliche Betriebszustände eines Brennstoffzellensystems angepasst werden kann, sowie ein diesen Ejektor aufweisendes Brennstoffzellensystem zu schaffen.
Die den Ejektor betreffende Aufgabe wird durch einen Ejektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Ejektor zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass innerhalb der Treibdüse eine axial, das heißt entlang der Nadellängsachse, verstellbare Nadel angeordnet ist, die ausgebildet ist, einen Strömungsquerschnitt der Treibdüse einzustellen, und dass ein Kupplungsmechanismus vorhanden ist, der die Einstelleinrichtung mit der Nadel oder einem die Nadel betätigenden Aktuator derart verbindet, dass die Einstelleinrichtung den Strömungsquerschnitt des Mischrohrs in Abhängigkeit einer axialen Nadelbewegung einstellt oder verändert.
Damit ist der Vorteil verbunden, dass mit dem Verringern des Strömungsquerschnitts der Treibdüse aufgrund der axialen Bewegung der Nadel zugleich eine Verringerung des Strömungsquerschnitts des Mischrohrs einhergeht. Umgekehrt ist bei einer Vergrößerung des Strömungsquerschnitts der Treibdüse eine Vergrößerung des Strömungsquerschnitts des Mischrohrs zu verzeichnen. Damit kann also bei niedrigen Lasten das Mischrohr im Strömungsquerschnitt verringert werden, wobei auch niedrigere Treibmassenströme vorliegen. Größere Massenströme werden dabei bei großen Lasten benötigt, wodurch auch größere Strömungsquerschnitte erforderlich sind. Mit der vorgeschlagenen Ausgestaltung des Ejektors lässt sich dessen Rezirkulationsfähigkeit steigern, wobei die Rezirkulation des Anodengases allein durch den Ejektor und ohne Einsatz weiterer Komponenten sichergestellt sein kann. Damit kann beispielsweise im Anodenkreislauf auf ein Rezirkulationsgebläse verzichtet werden oder ein solches hinsichtlich Größe und Leistung kleiner ausgelegt werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Innenwand des Mischrohrs ganz oder teilweise aus einer elastischen Membran besteht, die zwischen einer einen verringerten Strömungsquerschnitt des Mischrohrs bildenden ersten Stellung und einer einen vergrößerten Strömungsquerschnitt des Mischrohrs bildenden zweiten Stellung verstellbar ist. Der Flächeninhalt des verringerten Strömungsquerschnitts ist also kleiner oder deutlich kleiner als der Flächeninhalt des vergrößerten Strömungsquerschnitts des Mischrohrs. Die Membran ist damit also Teil der Einstelleinrichtung mit der der Strömungsquerschnitt des Mischrohrs variiert werden kann.
Es hat sich als vorteilhaft für die Verstellung der Membran zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung erwiesen, wenn die Membran in der ersten Stellung einer Rückstellkraft unterliegt oder wenn die Rückstellkraft wirksam ist, wenn die Membran aus der zweiten Stellung die erste Stellung verstellt wird.
Um zudem eine möglichst gerade Geometrie des Mischrohrs, insbesondere einen möglichst konstanten Durchmesser im Inneren des Mischrohrs erzielen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Membran mindestens ein, insbesondere formstabiles, Versteifungselement zugeordnet ist.
Alternativ kann das mindestens eine Versteifungselement aber auch in die Elastomermembran eingebettet sein. In diesem Zusammenhang hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn eine Mehrzahl von Versteifungselementen vorhanden ist, wobei die Mehrzahl der Versteifungselemente insbesondere gleichverteilt über den Umfang der Membran angeordnet ist.
Für eine betriebssichere Verstellung der Membran zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Einstelleinrichtung ein an einem Außenmantel der Membran zumindest mittelbar anliegendes ringförmiges oder schraubenförmiges oder bandförmiges Element aufweist, durch welches die Membran zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung verstellbar ist, und wenn das Element mittels des Kupplungsmechanismus derart verbunden ist, dass die Verstellung der Membran in Abhängigkeit der axialen Verstellung der Nadel innerhalb der Treibdüse erfolgt. Das ringförmige oder schraubenförmige oder bandförmige Element liegt beispielsweise mittelbar an der Membran an, wenn die Membran mit einem oder mit mehreren Versteifungselementen zur Erzeugung eines konstanten Durchmessers des Mischrohrs versehen ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Element unmittelbar am Außenmantel der Membran angeordnet ist. Beispielsweise kommt als ringförmiges oder schraubenförmiges Element ein Faden, eine Schnur, ein Draht, ein Kabel oder dergleichen infrage, der mit einer Mehrzahl an Windungen um den Außenmantel gewickelt ist, so dass bei einem Zusammenziehen des Elements eine Einschnürung erfolgt, derart, dass der Strömungsquerschnitt des Mischrohrs verringert wird. Das Element kann elastisch oder steif ausgestaltet sein. Es besteht darüber hinaus auch die Möglichkeit, den Außenmantel der Membran mit einer reibungsverringerten Beschichtung zu versehen, so dass das ringförmige oder schraubenförmige oder bandförmige Element die Membran auf einfachere Weise zwischen ihren beiden Stellungen verstellen kann.
In diesem Zusammenhang ist ebenfalls die Möglichkeit gegeben, dass die Einstelleinrichtung eine Druckkammer umfasst, die ausgestaltet ist, die Membran zwischen der ersten und der zweiten Stellung zu verstellen, wenn ein dem Kupplungsmechanismus zugewiesener Kolben in die Druckkammer zumindest teilweise eingeschoben oder aus dieser zumindest teilweise herausgezogen wird. Damit macht sich die Einstelleinrichtung die Erkenntnis zu Nutze, dass Flüssigkeiten inkompressibel sind, so dass der Kolben beim fluiddichten Eindringen in die oder das Austreten aus der Druckkammer, deren Wand zumindest abschnittsweise aus der Membran besteht, die Membran verstellt, womit sich der Strömungsquerschnitt des Mischrohrs verändert. Als Flüssigkeit kommt beispielsweise eine Hydraulikflüssigkeit, wie Öl oder Alkohol, insbesondere eine Flüssigkeit mit geringer thermischer Ausdehnung, in Betracht.
Eine besonders kompakte Ausgestaltung des Ejektors lässt sich dadurch erreichen, dass der Kupplungsmechanismus aus einem, insbesondere mit einem Nadelkörper verbundenen, Zugelement oder einer Betätigungsstange gebildet ist. Damit ist gewährleistet, dass bei einer Verstellung der Nadel derart, dass der Strömungsquerschnitt der Treibdüse verringert wird, zugleich eine Verringerung des Strömungsquerschnitts des Mischrohrs einhergeht. Als Zugelement kann ein Faden, ein Draht, eine Schnur, ein Kabel oder dergleichen, Einsatz finden.
Als vorteilhaft hat es sich weiterhin erwiesen, wenn der Kupplungsmechanismus eine Welle umfasst, die einenends mit der Einstelleinrichtung drehfest verbunden ist, und die derart ausgestaltet ist, mittels der axialen Verstellung der Nadel drehend angetrieben zu werden. Damit kann die Welle beispielsweise einen Draht, einen Faden, eine Schnur, ein Kabel oder dergleichen aufwickeln, wodurch sich der Strömungsquerschnitt der Membran und damit der Strömungsquerschnitt durch das Mischrohr verringert. Die Welle des Kupplungsmechanismus kann aber auch mit einer Einstelleinrichtung verbunden werden, die ein die Membran umgebendes Band umfasst, so dass beim Verdrehen der Welle das Band aufgewickelt und somit die Membran komprimiert wird. Beim Komprimieren der Membran wird also der Strömungsquerschnitt des Mischrohrs ebenfalls verringert.
Wenn die Bewegung der Nadel nicht eins zu eins auf die Bewegung der Membran angewendet werden soll, so hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kupplungsmechanismus ein Übersetzungsgetriebe umfasst, das derart ausgelegt ist, die axiale Bewegung der Nadel mit einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis auf die Bewegung der Membran zu übertragen.
Die für den erfindungsgemäßen Ejektor beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Schnittansicht eines schematisch dargestellten Ejektors,
2 den Schnitt I-I aus 1,
3 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
4 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
5 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
6 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
7 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
8 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
9 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
10 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
11 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
12 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
13 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
14 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
15 eine Schnittansicht eines weiteren schematisch dargestellten Ejektors,
16 ein schematisch dargestellter Kupplungsteil des Kupplungsmechanismus des Ejektors nach 15,
17 eine Schnittansicht durch einen weiteren Kupplungsteil,
18 eine Schnittansicht durch einen weiteren Kupplungsteil, und
19 eine Schnittansicht eines nochmals weiteren Kupplungsteils.

In den Figuren werden verschiedene Ejektoren beschrieben, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Alle Ejektoren weisen eine Saugdüse 100, eine Treibdüse 102 sowie ein Mischrohr 104 auf. Bei den gezeigten Ejektoren schließt sich an das Mischrohr 106 zudem ein Diffusor 114 an. Die Treibdüse 102 ist strömungsmechanisch über einen Anschluss 116 mit einem nicht näher dargestellten Brennstoffspeicher verbindbar, so dass durch den Anschluss 116 frischer Brennstoff über die Treibdüse 102 ins Mischrohr 104 gegeben werden kann. Die Saugdüse 100 weist demgegenüber einen Anschluss 118 auf, über den der rezirkulierte Brennstoff eingebracht oder eingesaugt wird, welcher in einem nicht näher dargestellten Brennstoffzellenstapel nicht verbraucht wurde.
Innerhalb der Treibdüse 102, insbesondere konzentrisch zu dieser, ist eine Nadel 108 angeordnet, die eine sich konisch in Richtung der Düsenöffnung 120 der Treibdüse 102 verjüngende Nadelspitze 122 aufweist. Auch die Treibdüse 102 selbst ist mit einem sich in Richtung der Düsenöffnung 120 verjüngenden Düsenabschnitt 124 gestaltet. Durch die Nadel 108 lässt sich ein Strömungsquerschnitt 604 der Treibdüse 102 variieren. Hierzu ist die Nadel 108 axial verstellbar, so dass bei einem Verstellen der Nadel 108 in Richtung der Düsenöffnung 120 der Strömungsquerschnitt 604 der Treibdüse 102 verringert wird. Bei einem axialen Verstellen der Nadel 108 in einer der Düsenöffnung 120 abgewandten Richtung wird der Strömungsquerschnitt 604 vergrößert und ein größerer Anteil von frischem Brennstoff kann in das Mischrohr 104 gelangen. Zur Verstellung der Nadel 108 ist ein Aktuator 112 vorgesehen, der beispielsweise als Linearantrieb gebildet ist. Auch die Saugdüse 100 ist mit einem sich in Richtung des Mischrohrs 104 verjüngenden Düsenabschnitt 126 gebildet.
Ein Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 lässt sich mittels einer Einstelleinrichtung 106 variieren. Diese Einstelleinrichtung 106 zur zumindest bereichsweisen Einstellung eines Strömungsquerschnitts 602 des Mischrohrs 104 ist vorliegend mittels eines Kupplungsmechanismus 110 mit der Nadel 108 oder mit dem die Nadel 108 betätigenden Aktuator 112 derart verbunden, dass die Einstelleinrichtung 106 den Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 in Abhängigkeit einer axialen Nadelbewegung einstellt oder verändert.
Wenn das Brennstoffzellensystem bei einer niedrigen Last betrieben werden soll, so werden die Strömungsquerschnitte 602, 604 möglichst gering gehalten. In diesem Fall wird die Nadel 108 in Richtung der Düsenöffnung 120 verstellt, womit sich der Strömungsquerschnitt 604 der Treibdüse 102 reduziert. Aufgrund des Kupplungsmechanismus 110 bewirkt dann die Einstelleinrichtung 106 auch eine Reduzierung des Strömungsquerschnitts 602 des Mischrohrs 104. Im umgekehrten Falle, zum Beispiel wenn das Brennstoffzellensystem mit einer großen Last betrieben werden soll, wird die Nadel 108 mittels des Aktuators 112 zurückgezogen und der Strömungsquerschnitt 604 der Treibdüse 102 wieder vergrößert. Dann fließt mehr frischer Brennstoff durch die Treibdüse 102, womit auch ein stärkeres „Mitnehmen“ des rezirkulierten Brennstoffes über die Saugdüse 100 erfolgt. Zugleich erweitert sich aber auch der Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 wieder.
Vorliegend ist eine Innenwand 128 des Mischrohrs 104 vollständig aus einer elastischen Membran 130 gebildet, die zwischen einer einen verringerten Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 bildenden ersten Stellung und einer einen vergrößerten Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 bildenden zweiten Stellung verstellbar ist. Die Membran 130 steht unter einer Vorspannung, so dass eine Rückstellkraft wirksam ist, wenn sich die Membran 130 in der ersten Stellung befindet oder wenn die Membran 130 aus der zweiten Stellung in die erste Stellung verstellt wird. Das bedeutet, dass die Membran 130 einen Drang dazu hat, den Strömungsquerschnitt 602 zu maximieren. Um den Strömungsquerschnitt 602 einzustellen, weist die Einstelleinrichtung 106 ein an einem Außenmantel 134 der Membran 130 zumindest mittelbar anliegendes, ringförmiges oder schraubenförmiges oder bandförmiges Element auf, durch welches die Membran 130 zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung verstellbar ist, wobei das Element mittels des Kupplungsmechanismus 110 derart verbunden ist, dass die Verstellung der Membran 130 in Abhängigkeit der axialen Verstellung der Nadel 108 innerhalb der Treibdüse 102 erfolgt. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Einstelleinrichtung 106 eine Druckkammer 136 umfasst, die ausgestaltet ist, die Membran 130 zwischen der ersten und der zweiten Stellung zu verstellen, wenn ein dem Kupplungsmechanismus 110 zugewiesener Kolben 138 in die Druckkammer 136 zumindest teilweise eingeschoben oder aus dieser zumindest teilweise herausgezogen wird (11 (s.u.)).
Bei dem in 1 gezeigten Ejektor ist ringförmig, insbesondere schraubenförmig, ein Faden 140 um die Membran 130 gewickelt, der einenends an der Nadel 108, bzw. am Nadelkörper 142 und anderenends ortsfest am Ejektorkörper 144 fixiert ist. Der Faden 140 kann auch eine Schnur, ein Draht, ein Kabel oder dergleichen sein. Vorzugsweise steht er unter einer mechanischen Spannung, wobei er vorzugsweise zudem elastisch ist. Der in 1 gezeigte Ejektor weist für die Verstellung mehrere drehbar, aber ortsfest gegenüber dem Ejektorkörper 144 gelagerte Umlenkrollen 146 auf, um die der Faden 140 geführt ist. Wird die Nadel 108 in Richtung der Düsenöffnung 120 der Treibdüse 102 verstellt, so wird der Faden 140 gespannt und schnürt damit die Membran 130 ein, so dass sich der Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 verringert. Wird die Nadel 108 wieder zurückgezogen, so wird der Strömungsquerschnitt 602 aufgrund der Elastizität der Membran 130 wieder vergrößert. Um zu gewährleisten, dass die Membran 130 im Bereich des Mischrohrs 104 möglichst geradlinig, mithin mit konstantem Durchmesser, gehalten ist, ist vorliegend am Außenmantel 134 der Membran 130 mindestens ein Versteifungselement 132 angeordnet, das insbesondere als eine feste, formstabile Strebe geformt ist.
In der Schnittansicht nach 2 ist zu erkennen, dass mehrere über den Umfang der Membran 103 verteilt angeordnete Versteifungselemente 132 vorhanden sind, die insbesondere gleichverteilt über den Außenmantel 134 der Membran 130 angeordnet sind. Der Faden 140 ist dabei also nur mittelbar am Außenmantel 134 angelegt, da dieser über oder via die Versteifungselemente 132 mit der Membran 130 wechselwirken.
Der Ejektor nach 3 unterscheidet sich von demjenigen nach 1 dadurch, dass mehrere, nämlich zwei der Fäden 140 vorgesehen sind, die einenends an der Nadel 108 und anderenends mit dem Ejektorkörper 144 gekoppelt sind. Eine andere Anzahl, beispielsweise mehr als zwei Fäden 140 ist ebenfalls möglich.
In 4 ist eine Variante eines Ejektors gezeigt, bei dem der Faden 140, die Schnur, der Draht, das Kabel oder dergleichen nicht elastisch gebildet ist, wozu es gegenüber dem Ejektorkörper 144 federnd gelagert wird. Hierzu ist zwischen dem Fadenende und der Fixierung am Ejektorkörper 144 ein Federelement 148 angeordnet.
Für die Auslegung des Kupplungsmechanismus 110 kann es notwendig sein, eine Übersetzung der Nadelbewegung und der Bewegung der Membran 130 vorzusehen. Aus diesem Grunde wird in 5 vorgeschlagen, dass der Kupplungsmechanismus 110 ein Übersetzungsgetriebe 150 umfasst, das derart ausgelegt ist, die axiale Bewegung der Nadel 108 mit einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis auf die Bewegung der Membran 130 zu übertragen. Wie bei den vorstehend beschriebenen Ejektoren ist auch hier ein Faden 140 um die Membran 130 gewickelt, wodurch sich der Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 einstellen lässt. Dieser Faden 140 ist einenends mit dem Ejektorkörper 144 verbunden und anderenends mit einem Übersetzungsrad des Übersetzungsgetriebes 150. Das Übersetzungsgetriebe 150 umfasst eine mit einem geringeren Durchmesser gebildete Übersetzungsstufe, an der ein zweiter Faden 152, Schnur, Draht, Kabel oder dergleichen fixiert ist. Dieser zweite Faden 152 ist anderenends nun mit der Nadel 108 verbunden, so dass die Bewegung der Nadel 108 mit einem vom Übersetzungsgetriebe 150 vorgegebenen Übersetzungsverhältnis auf die Bewegung der Membran 130 übertragen wird.
Der Ejektor nach 6 zeigt die Möglichkeit auf, ein Gestänge 154 mit der Nadel 108 zu verbinden, welches durch eine Lagerung 156 geführt ist und an welchem der Faden 140 fixiert ist. Auch dies bietet die Möglichkeit einer Kopplung der Bewegung der Nadel 108 und der Bewegung der Membran 130. Vorliegend wird also am Ende der Stange der Faden 140 angebracht, mit dem das Mischrohr 104 variiert werden kann. Auch hier kann eine Umlenkrolle 146, oder auch mehrere von diesen, Einsatz finden.
In 7 ist ein Gestänge 154 gezeigt, das mit einem Übersetzungsgetriebe 150 wechselwirkt, welches wiederum mit einer Übersetzungsstufe mit dem Faden 140 verbunden ist. Hierbei kann das Übersetzungsgetriebe 150 ein Zahnrad 158 umfassen, auf dem eine Zahnstange 160 des Gestänges 154 kämmt.
Um die Auslenkung der Membran 130 im Bereich des Mischrohres 104 gerade zu halten, kann es notwendig sein, eine Führung 162 für die Versteifungselemente 132, mithin für die formstabilen Streben, an der Membran 130 vorzusehen, wie dies beim Ejektor nach 8 zu erkennen ist. Die Versteifungselemente 132 weisen damit einen Steg auf, der in einer Nut, insbesondere radial, nach außen geführt ist.
In 9 ist ein Ejektor gezeigt, bei dem die Versteifungselemente 132 in die Membran 130 eingebettet sind, so dass der Faden 140, die Schnur, der Draht, das Kabel oder dergleichen am Außenmantel 134 der Membran 130 unmittelbar anliegt.
Im Hinblick auf die Führung der Versteifungselemente 132 kann es auch sinnvoll sein, im Ejektorkörper 144 Führungen 162 bereitzustellen, die ein lediglich radiales Ausweichen der Versteifungselemente 132 ermöglichen. Die Versteifungselemente 132 können beispielsweise den Außenmantel 134 der Membran 130 vollständig umgeben. Beispielsweise können diese aus einem Elastomer geformt sein. Die Führungen 162 sind radial von der Membran 130 beabstandet angeordnet, so dass die Membran 130 in ihrer Bewegung zur Einstellung des gewünschten Strömungsquerschnitts 602 nicht behindert wird.
In 11 ist ein Ejektor gezeigt, bei dem die Einstelleinrichtung 106 eine Druckkammer 136 umfasst, die ausgestaltet ist, die Membran 130 zwischen der ersten und der zweiten Stellung zu verstellen, wenn ein dem Kupplungsmechanismus 110 zugewiesener Kolben 138 in die Druckkammer 136 zumindest teilweise eingeschoben oder aus dieser zumindest teilweise herausgezogen wird. Vorliegend ist der Kolben 138 an einem Gestänge 154 fixiert, das seinerseits mit der Nadel 108 gekoppelt ist. Wird also die Nadel 108 in Richtung der Düsenöffnung 120 verstellt, so dringt der Kolben 138 in die Druckkammer 136 ein, wodurch die Membran 130 eine Ausweichbewegung durchführt und damit der Strömungsquerschnitt 602 verringert wird. Der Strömungsquerschnitt 602 wird wieder vergrößert, wenn der Kolben 138 aufgrund eines Zurückziehens der Nadel 108 aus der Druckkammer 136 gezogen wird. Bei der in 12 gezeigten Variante eines Ejektors mit Druckkammer 136 ist wiederum eine Führung 162 vorhanden, wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Ejektor aus der 8 erläutert wurde.
Beim Ejektor nach 13 ist um die Membran 130 ein Band 164 gewickelt, das an einer Welle 166 befestigt ist. Wird diese Welle 166 verdreht, so wird das Band 164 aufgewickelt, wodurch sich der Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 verringert. Die Welle 166 ist dabei sowohl Teil des Kupplungsmechanismus 110 als auch Teil der Einstelleinrichtung 106. Die Nadel 108 ist vorliegend mit einer Zahnstange 160 gebildet, die entlang eines Zahnrads 158 kämmt, wodurch eine Zwischenwelle 168 um ihre Längsachse rotierend angetrieben wird. Die Zwischenwelle 168 ist also ortfest gegenüber dem Ejektorkörper 144 drehbar gelagert. Die Zwischenwelle 186 weist eine zweite Verzahnung 170 auf, die mit einem Stirnrad 172 der Welle 166 eine Kupplung bildet. Wird nun die Nadel 108 axial verstellt, so wird das Zahnrad 158 aufgrund der Bewegung der Zahnstange 106 rotierend angetrieben, womit auch die Verzahnung 170 das Stirnrad 172 der Welle 166 antreibt.
Dadurch wird das Band 164 auf- oder abgewickelt. Für eine besonders betriebssichere Verstellung hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn das Band 164 eine Breite aufweist, die der Breite des Mischrohrs 104 selbst oder der Breite der Membran 130 entspricht.
Beim Ejektor nach 14 ist der Aktuator 112 nicht als Linearantrieb ausgestaltet, sondern als rotierender Antrieb, der die Welle 166 verdreht. Die Welle 166 verfügt hierbei über einen Gewindeabschnitt oder über eine Zahnstange, die mit einer Gegenverzahnung wechselwirkt. Die Gegenverzahnung ist mit der Nadel 108 gekoppelt, so dass bei einem Verdrehen der Welle 166 mittels des Aktuators 112 eine axiale Verstellung der Nadel 108 die Folge ist einerseits und ein Auf- oder Abwickeln des Bands 164 andererseits erfolgt.
In 15 ist ein Ejektor gezeigt, bei dem der Aktuator 112 die Nadel axial verstellt und zugleich verdreht. Diese Verdrehung lässt sich mittels eines Riementriebs 174 auf einen ersten Wellenteil 176 übertragen, der über eine Kupplung 180 mit einem zweiten Wellenteil 178, mithin mit der mit dem Band 164 wechselwirkenden Welle 166 drehfest verbunden ist. Die Kupplung 180 ist zwar drehfest ausgeführt, sie ermöglicht aber eine axiale Verstellung des ersten Wellenteils 176 bezüglich dem zweiten Wellenteil 178. Dies ist beispielsweise in 16 zu erkennen, da die Kupplung 180 (z.B. der zweite Wellenteil 178) einen Bereich aufweist, in welchen der erste Wellenteil 176 axial verschiebbar aber drehfest eindringen kann.
17, 18 und 19 stellen verschiedene Schnitte dar, die eine drehfeste, aber axial verschiebbare Koppelung des ersten Wellenteils 176 und des zweiten Wellenteils 178 aufzeigen. Vorliegend weist in 17 der erste Wellenteil 176 eine Feder auf, die in eine Passung des zweiten Wellenteils 178 eingreift. In 18 sind zwei Federteile am ersten Wellenteil 176 vorhanden. In 19 weist der zweite Wellenteil 176 einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt auf, der in einem dazu komplementären Ausschnitt des zweiten Wellenteils 178 geführt ist.
Die vorstehend beschriebenen Ejektoren zeichnen sich durch ihre flexible Anpassbarkeit an unterschiedliche Betriebsbedingungen eines Brennstoffzellensystems aus. Dies lässt sich insbesondere aufgrund der gekoppelten Bewegung der Nadel 108 und der damit verbundenen Einstellung des Strömungsquerschnitts 602 des Mischrohrs 104 realisieren.
Bezugszeichenliste

100: Saugdüse
102: Treibdüse
104: Mischrohr
106: Einstelleinrichtung
108: Nadel
110: Kupplungsmechanismus
112: Aktuator
114: Diffusor
116: Anschluss (frischer Brennstoff)
118: Anschluss (rezirkulierter Brennstoff)
120: Düsenöffnung (Treibdüse)
122: Nadelspitze
124: Düsenabschnitt (Treibdüse)
126: Düsenabschnitt (Saugdüse)
128: Innenwand
130: Membran
132: Versteifungselement
134: Außenmantel
136: Druckkammer
138: Kolben
140: Faden
142: Nadelkörper
144: Ejektorkörper
146: Umlenkrollen
148: Federelement
150: Übersetzungsgetriebe
152: zweiter Faden
154: Gestänge
156: Lagerung
158: Zahnrad
160: Zahnstange
162: Führung
164: Band
166: Welle
168: Zwischenwelle
170: zweite Verzahnung
172: Stirnrad
174: Riementrieb
176: erster Wellenteil
178: zweiter Wellenteil
602: Strömungsquerschnitt (Mischrohr)
604: Strömungsquerschnitt (Treibdüse)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2014/0212776 A1 [0005]
EP 2204562 A2 [0005]
WO 2017/018162 A1 [0005]
DE 102015216457 A1 [0005]
US 9696069 B2 [0005]
US 6858340 B2 [0005]

Claims

Ejektor mit einer Saugdüse (100), mit einer Treibdüse (102) sowie mit einem Mischrohr (104), dem eine Einstelleinrichtung (106) zur zumindest bereichsweisen Einstellung eines Strömungsquerschnitts (602) des Mischrohrs (104) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Treibdüse (102) eine axial verstellbare Nadel (108) angeordnet ist, die ausgebildet ist, einen Strömungsquerschnitt (604) der Treibdüse (102) einzustellen, und dass ein Kupplungsmechanismus (110) vorhanden ist, der die Einstelleinrichtung (106) mit der Nadel (108) oder einem die Nadel (108) betätigenden Aktuator (112) derart verbindet, dass die Einstelleinrichtung (106) den Strömungsquerschnitt (602) des Mischrohrs (104) in Abhängigkeit einer axialen Nadelbewegung einstellt oder verändert.
Ejektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand (128) des Mischrohrs (104) ganz oder teilweise aus einer elastischen Membran (130) besteht, die zwischen einer einen verringerten Strömungsquerschnitt (602) des Mischrohrs (104) bildenden ersten Stellung und einer einen vergrößerten Strömungsquerschnitt (602) des Mischrohrs (104) bildenden zweiten Stellung verstellbar ist.
Ejektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückstellkraft wirksam ist, wenn sich die Membran (130) in der ersten Stellung befindet oder wenn die Membran (130) aus der zweiten Stellung in die erste Stellung verstellt wird.
Ejektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Membran (130) mindestens ein, insbesondere formstabiles, Versteifungselement (132) zugeordnet oder in die Membran (130) eingebettet ist.
Ejektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (106) ein an einem Außenmantel (134) der Membran (130) zumindest mittelbar anliegendes ringförmiges oder schraubenförmiges oder bandförmiges Element aufweist, durch welches die Membran (130) zwischen der ersten Stellung und der zweiten Stellung verstellbar ist, und dass das Element mittels des Kupplungsmechanismus (110) derart verbunden ist, dass die Verstellung der Membran (130) in Abhängigkeit der axialen Verstellung der Nadel (108) innerhalb der Treibdüse (102) erfolgt.
Ejektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung (106) eine Druckkammer (136) umfasst, die ausgestaltet ist, die Membran (130) zwischen der ersten und der zweiten Stellung zu verstellen, wenn ein dem Kupplungsmechanismus (110) zugewiesener Kolben (138) in die Druckkammer (136) zumindest teilweise eingeschoben oder aus dieser zumindest teilweise herausgezogen wird.
Ejektor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsmechanismus aus einem Zugelement oder einer Betätigungsstange gebildet ist.
Ejektor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsmechanismus (110) eine Welle (166) umfasst, die einenends mit der Einstelleinrichtung (106) drehfest verbunden ist, und die derart ausgestaltet ist, mittels der axialen Verstellung der Nadel (108) drehend angetrieben zu werden.
Ejektor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsmechanismus (110) ein Übersetzungsgetriebe (150) umfasst, das derart ausgelegt ist, die axiale Bewegung der Nadel (108) mit einem vorbestimmten Übersetzungsverhältnis auf die Bewegung der Membran (130) zu übertragen.
Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der in einen Anodenkreislauf eingebunden ist, in welchen ein Ejektor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 strömungsmechanisch eingekoppelt ist.