DE102019126302A1 - Ejector and fuel cell system and motor vehicle with one - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ejektor mit einer Saugdüse (100) und einer Treibdüse (102), mit einer innerhalb der Treibdüse (102) angeordneten und axial entlang einer Nadellängsachse verstellbaren Nadel (108), die ausgebildet ist, einen Strömungsquerschnitt (604) der Treibdüse (102) einzustellen, wozu die Nadel (108) einen Nadelkörper (106) mit einem sich zu einer Nadelspitze (122) verjüngenden Körperabschnitt (110) umfasst. Der sich verjüngende Körperabschnitt umfasst mindestens einen konkav verlaufenden Bereich (130) und/oder mindestens einen konvex verlaufenden Bereich (132). Die Erfindung betrifft außerdem ein Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Ejektor.The invention relates to an ejector with a suction nozzle (100) and a propulsion nozzle (102), with a needle (108) which is arranged within the propulsion nozzle (102) and axially adjustable along a longitudinal axis of the needle and is designed to have a flow cross section (604) of the propulsion nozzle ( 102), for which purpose the needle (108) comprises a needle body (106) with a body section (110) tapering to a needle point (122). The tapering body portion comprises at least one concave region (130) and / or at least one convex region (132). The invention also relates to a fuel cell system and a motor vehicle with such an ejector.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ejektor mit einer Saugdüse und einer Treibdüse, mit einer innerhalb der Treibdüse angeordneten und axial entlang einer Nadellängsachse verstellbaren Nadel, die ausgebildet ist, einen Strömungsquerschnitt der Treibdüse einzustellen, wozu die Nadel einen Nadelkörper mit einem sich zu einer Nadelspitze verjüngenden Körperabschnitt umfasst. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem und ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem solchen Ejektor.The invention relates to an ejector with a suction nozzle and a propulsion nozzle, with a needle arranged within the propulsion nozzle and axially adjustable along a needle longitudinal axis, which needle is designed to set a flow cross section of the propulsion nozzle, for which purpose the needle comprises a needle body with a body section tapering to a needle tip . The invention also relates to a fuel cell system and a motor vehicle, in particular a fuel cell vehicle with such an ejector.

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 O2 " 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.Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly) as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode unit on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of MEAs arranged in a stack, the electrical powers of which add up. When the fuel cell is in operation, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. A (water-bound or anhydrous) transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and electrically insulates them. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2 " takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water. Through the direct conversion of More chemical than electrical energy, fuel cells achieve improved efficiency compared to other electricity generators due to the bypassing of the Carnot factor.

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.Since the anode reaction is usually operated with a stoichiometric dimensioning of the fuel, there is no complete reaction of the entire fuel supplied in the fuel cell stack. Nor does a complete reaction of the oxygen take place. For efficient use of the fuel, it is therefore often fed (recirculated) into an anode circuit / anode loop, with the fuel being enriched again to such an extent that the fuel is again overstoichiometric and the reaction can take place before the fuel is returned to the fuel cell stack.

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. Die Geometrie ist dabei typischerweise unter Volllast optimiert, wobei sich das Fluid bei Überschallgeschwindigkeit bewegt. Bei niedrigen Lastpunkten und damit niedrigen Treibmassenströmen lässt die Pumpwirkung des Ejektors deutlich nach, da bei konstantem Querschnitt kein Überschall vom Fluid mehr erreicht wird. Ein bekannter Ansatz zur Verbesserung der Teillastfähigkeit ist der Einsatz eines regelbaren Ejektors wie er beispielsweise in den Druckschriften JP 2011 140 906 A und DE 10 2017 208 279 A1 beschrieben ist. Eine Nadelspitze eines Ejektors mit einem ersten linear konisch verlaufenden Abschnitt unter einem ersten Neigungswinkel bezüglich der Längsachse der Nadel und einem zweiten linear konisch verlaufenden Abschnitt mit einem zweiten Neigungswinkel bezüglich der Längsachse der Nadel ist in der JP 2011 012 636 A beschrieben.An ejector (jet pump) can be used in the anode circuit, which recirculates the anode gas from a fuel tank using the potential energy of the hydrogen. The efficiency of an ejector depends heavily on its geometry and particularly on the size of the propellant nozzle and the size of the mixing tube. The optimal ejector geometry depends on the respective operating conditions of the fuel cell, which change during the operation of a vehicle. An ideal geometry for the mixing tube and the motive nozzle for high load points differs from that for low load points. Usually, however, ejectors or jet pumps have a fixed geometry, so that adaptations to the operating state of a fuel cell are not possible. The geometry is typically optimized under full load, with the fluid moving at supersonic speed. At low load points and thus low propellant mass flows, the pumping action of the ejector decreases significantly, as the fluid no longer reaches supersonic at a constant cross-section. A well-known approach to improving the partial load capability is the use of a controllable ejector such as that used in the publications JP 2011 140 906 A and DE 10 2017 208 279 A1 is described. A needle tip of an ejector with a first linearly conical section at a first angle of inclination with respect to the longitudinal axis of the needle and a second linearly conical section with a second angle of inclination with respect to the longitudinal axis of the needle is in the JP 2011 012 636 A described.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ejektor bereitzustellen, der noch besser an unterschiedliche Betriebszustände oder Lastpunkte eines Brennstoffzellensystems angepasst werden kann. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein einen solchen Ejektor aufweisendes Brennstoffzellensystem und ein einen solchen Ejektor aufweisendes Kraftfahrzeug bereitzustellen.It is therefore the object of the present invention to provide an ejector which can be adapted even better to different operating states or load points of a fuel cell system. It is also an object of the invention to provide a fuel cell system having such an ejector and a motor vehicle having such an ejector.

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 8 gelöst und die das Kraftfahrzeug betreffende Aufgabe mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.The object relating to the ejector is achieved by an ejector with the features of claim 1. The object related to the fuel cell system is achieved by a fuel cell system with the features of claim 8 and the object related to the motor vehicle with a motor vehicle with the features of claim 9. Further advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Der Ejektor zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der sich verjüngende Körperabschnitt mindestens einen konkav verlaufenden Bereich und/oder mindestens einen konvex verlaufenden Bereich umfasst.The ejector is characterized in particular by the fact that the tapering body section comprises at least one concavely extending area and / or at least one convexly extending area.

Durch eine solche Formgebung ist die Nadelgeometrie optimal an mindestens zwei verschiedene Lastpunkt anpassbar, wobei gewährleistet ist, dass die Strömung nicht mehr abgelöst wird. Ein Ablösen der Strömung reduziert die Förderleistung des Ejektors oder behindert sie im schlimmsten Falle sogar vollständig.Such a shape allows the needle geometry to be optimally adapted to at least two different load points, whereby it is ensured that the flow is no longer detached. A detachment of the flow reduces the delivery rate of the ejector or, in the worst case, even hampers it completely.

Unter dem konvex verlaufenden Bereich ist ein Bereich des sich verjüngenden Körperabschnitts der Nadel zu verstehen, bei der die (gedachte) Verbindung von einem stromauf gelegenen ersten Berührpunkt an dem Körperabschnitt zu einem stromab, mithin spitzennäher gelegenen, zweiten Berührpunkt an dem Körperabschnitt durchgehend innerhalb des Materials des Körperabschnitts verliefe. Unter dem konkav verlaufenden Bereich ist ein Bereich des sich verjüngenden Körperabschnitts der Nadel zu verstehen, bei der die (gedachte) Verbindung von einem stromauf, mithin spitzenferner gelegenen, ersten Berührpunkt an dem Körperabschnitt zu einem stromab gelegenen zweiten Berührpunkt an dem Körperabschnitt durchgehend außerhalb des Materials des Körperabschnitts verliefe.The convex area is to be understood as an area of the tapering body section of the needle in which the (imaginary) connection from an upstream first contact point on the body section to a downstream, therefore closer to the tip, second contact point on the body section is continuous within the material of the body section. The concave area is to be understood as an area of the tapering body section of the needle in which the (imaginary) connection from an upstream first contact point on the body section to a downstream second contact point on the body section is continuously outside the material of the body section.

Die Nadelgeometrie ist dabei insbesondere derart verändert, dass der Öffnungswinkel über die Nadellängsachse nicht mehr konstant verläuft. In dem Teilbereich der Nadel, der sich bei einem kleinen Massestrom (niedriger Lastpunkt) im Bereich der Treibdüse hinter dem engsten Querschnitt befindet, fällt der Öffnungswinkel geringer aus, als in dem Teilbereich, der sich dort bei einem großen Massestrom (hoher Lastpunkt) befindet.The needle geometry is changed in particular in such a way that the opening angle is no longer constant over the longitudinal axis of the needle. In the sub-area of the needle that is located in the area of the propellant nozzle behind the narrowest cross-section with a small mass flow (low load point), the opening angle is smaller than in the sub-area that is located there with a high mass flow (high load point).

Zu einem möglichst gleichmäßig über die Treibdüse verteilten Brennstoffstrom bei niedrigen Lastpunkten trägt bei, wenn der konvex verlaufende Bereich zur Bildung eines Bundes, insbesondere radial bezüglich der Nadellängsachse, vollständig radial außenumfangseitig am sich verjüngenden Körperabschnitt ausgebildet ist.A fuel flow that is as evenly distributed as possible over the propellant nozzle at low load points helps if the convex area is designed to form a collar, in particular radially with respect to the longitudinal axis of the needle, completely radially on the outer circumference of the tapered body section.

Eine an einen niedrigen Lastpunkt optimierte Nadelgeometrie lässt sich dadurch erreichen, dass der konvex verlaufende Bereich unter einem vorgegebenen ersten axialen Abstand von der Nadelspitze am sich verjüngenden Körperabschnitt angeordnet ist.A needle geometry optimized for a low load point can be achieved in that the convex area is arranged at a predetermined first axial distance from the needle tip on the tapering body section.

Zu einem möglichst gleichmäßig über die Treibdüse verteilten Brennstoffstrom bei hohen Lastpunkten trägt bei, wenn der konkav verlaufende Bereich zur Bildung einer Einschnürung, insbesondere radial bezüglich der Nadellängsachse, vollständig radial außenumfangseitig am sich verjüngenden Körperabschnitt ausgebildet ist.A fuel flow distributed as evenly as possible over the propellant nozzle at high load points helps if the concave area is designed to form a constriction, in particular radially with respect to the longitudinal axis of the needle, completely radially on the outer circumference of the tapering body section.

Eine an einen hohen Lastpunkt optimierte Nadelgeometrie lässt sich dadurch erreichen, dass der konkav verlaufende Bereich unter einem vorgegebenen zweiten axialen Abstand von der Nadelspitze am sich verjüngenden Körperabschnitt angeordnet ist.A needle geometry optimized for a high load point can be achieved in that the concave area is arranged at a predetermined second axial distance from the needle tip on the tapering body section.

Eine sowohl an einen hohen Lastpunkt als auch an einen niedrigen Lastpunkt optimierte Nadelgeometrie sieht vor, dass sowohl der konvex verlaufende Bereich als auch der konkav verlaufende Bereich am sich verjüngenden Körperabschnitt vorhanden sind, dass der konvex verlaufende Bereich unter einem vorgegebenen ersten axialen Abstand von der Nadelspitze am sich verjüngenden Körperabschnitt angeordnet ist, dass der konkav verlaufende Bereich unter einem vorgegebenen zweiten axialen Abstand von der Nadelspitze am sich verjüngenden Körperabschnitt angeordnet ist, und dass der erste Abstand größer ist als der zweite Abstand.A needle geometry optimized for both a high load point and a low load point provides that both the convex area and the concave area are present on the tapering body section, that the convex area is at a predetermined first axial distance from the needle tip is arranged on the tapered body portion, that the concave region is arranged at a predetermined second axial distance from the needle tip on the tapered body portion, and that the first distance is greater than the second distance.

In diesem Zusammenhang ist ferner zur Bildung eines sehr kompakten und damit bauraumarmen Ejektors sinnvoll, wenn der konvex verlaufende Bereich und der konkav verlaufende Bereich unmittelbar ineinander übergehend an dem sich verjüngenden Körperabschnitt ausgebildet sind.In this context, it is also useful to form a very compact and thus space-saving ejector if the convex area and the concave area are formed on the tapering body section that merge directly into one another.

Die für den erfindungsgemäßen Ejektor beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, welches vorzugsweise als ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gebildet ist.The advantages and preferred embodiments described for the ejector according to the invention also apply to the fuel cell system according to the invention and to the motor vehicle according to the invention, which is preferably formed as a fuel cell vehicle with a fuel cell system according to the invention.

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.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge from the explained embodiments and can be generated by separate combinations of features.

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 das Detail A aus 1 für drei unterschiedliche Nadelgeometrien, wobei die Strömungslinien des Brennstoffs bei einem ersten Betriebspunkt des Ejektors bzw. des Brennstoffzellensystems eingezeichnet sind,
  • 3 eine der 2 entsprechende Darstellung bei einem zweiten Betriebspunkt,
  • 4 eine der 2 entsprechende Darstellung bei einem dritten Betriebspunkt, und
  • 5 eine der 2 entsprechende Darstellung bei einem vierten Betriebspunkt.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a sectional view of a schematically illustrated ejector,
  • 2 the detail A. 1 for three different needle geometries, the flow lines of the fuel being drawn in at a first operating point of the ejector or the fuel cell system,
  • 3 one of the 2 corresponding representation at a second operating point,
  • 4th one of the 2 corresponding representation at a third operating point, and
  • 5 one of the 2 corresponding representation at a fourth operating point.

In 1 ist ein Ejektor gezeigt, der eine Saugdüse 100, eine Treibdüse 102 sowie ein Mischrohr 104 aufweist. Bei dem gezeigten Ejektor schließt sich an das Mischrohr 104 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.In 1 an ejector is shown which has a suction nozzle 100 , a propulsion nozzle 102 as well as a mixing tube 104 having. The ejector shown is connected to the mixing tube 104 also a diffuser 114 on. The propulsion nozzle 102 is fluid mechanically via a connection 116 connectable to a fuel storage device, not shown, so that through the connection 116 fresh fuel through the propellant nozzle 102 into the mixing tube 104 can be given. The suction nozzle 100 in contrast, has a connection 118 on, through which the recirculated fuel is introduced or sucked in, which was not consumed in a fuel cell stack not shown in detail.

Innerhalb der Treibdüse 102, insbesondere konzentrisch zu dieser, ist eine Nadel 108 angeordnet, die einen Nadelkörper 106 mit einer sich konisch in Richtung der Düsenöffnung 120 der Treibdüse 102 verjüngenden Körperabschnitt 110 aufweist, der in eine Nadelspitze 122 übergeht. 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. Der Strömungsquerschnitt 602 des Mischrohrs 104 ist vorliegend fest vorgegeben. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass sich der Strömungsquerschnitt mittels einer geeigneten Einstelleinrichtung variieren lässt.Inside the propellant nozzle 102 , especially concentric to this, is a needle 108 arranged that a needle body 106 with a tapering towards the nozzle opening 120 the propulsion nozzle 102 rejuvenating body section 110 has that in a needle point 122 transforms. Also the propulsion nozzle 102 itself is facing towards the nozzle opening 120 tapered nozzle section 124 designed. Through the needle 108 can be a flow cross-section 604 the propulsion nozzle 102 vary. This is where the needle is 108 axially adjustable so that when the needle is adjusted 108 towards the nozzle opening 120 the flow cross-section 604 the propulsion nozzle 102 is decreased. With an axial adjustment of the needle 108 in one of the nozzle openings 120 the opposite direction is the flow cross-section 604 enlarged and a larger proportion of fresh fuel can be in the mixing tube 104 reach. To adjust the needle 108 is an actuator 112 provided, which is formed for example as a linear drive. Also the suction nozzle 100 is facing towards the mixing tube 104 tapered nozzle section 126 educated. The flow cross section 602 of the mixing tube 104 is fixed in the present case. However, there is also the possibility that the flow cross-section can be varied by means of a suitable adjustment device.

Wenn das Brennstoffzellensystem bei einer niedrigen Last betrieben werden soll, so wird der Strömungsquerschnitt 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. 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.When the fuel cell system is to be operated at a low load, the flow cross section becomes 604 kept as low as possible. In this case the needle will 108 towards the nozzle opening 120 adjusted, with which the flow cross-section 604 the propulsion nozzle 102 reduced. In the opposite case, for example, when the fuel cell system is to be operated with a large load, the needle 108 by means of the actuator 112 withdrawn and the flow cross-section 604 the propulsion nozzle 102 enlarged again. Then more fresh fuel flows through the propellant nozzle 102 This also means that the recirculated fuel is more “taken along” via the suction nozzle 100 he follows.

In den 2 bis 5 sind in Form einer Gegenüberstellung drei Geometrien der Nadel 108 innerhalb jeweils derselben Düsenöffnung 120 der Treibdüse 102 gezeigt. Die oben dargestellte Nadel 108 entspricht dabei einer aus dem Stand der Technik bekannten Nadel 108 eines Ejektors, wobei die in der Mitte und die unten dargestellten Nadeln 108 diejenigen eines erfindungsgemäßen Ejektors darstellen. In allen Figuren ist die Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffs (Treibmassenstrom) durch die Treibdüse 102 um die Nadel 108 gezeigt. Während der sich verjüngende Körperabschnitt 110 der Nadel 108 aus dem Stand der Technik frei von konvex und/oder konkav verlaufenden Abschnitten, mithin krümmungsfrei gebildet ist, ist der sich verjüngende Körperabschnitt 110 der mittleren Nadel 108 mit einem konvex verlaufenden Bereich 130 gebildet, der in einem vorgegebenen Abstand D1 von der Nadelspitze 122 angeordnet ist. Der sich verjüngende Körperabschnitt 110 der unteren Nadel 108 weist neben dem konvex verlaufenden Bereich 130 zusätzlich einen konkav verlaufenden Bereich 132 auf, der sich unmittelbar an den konvex verlaufenden Bereich 130 anschließt, derart, dass die beiden Bereiche 130, 132 unmittelbar ineinander übergehen. Der konkav verlaufende Bereich 130 ist unter einem vorgegebenen zweiten axialen Abstand D2 von der Nadelspitze 122 am sich verjüngenden Körperabschnitt 110 angeordnet ist, wobei der erste Abstand D1 größer ist als der zweite Abstand D2.In the 2 to 5 are in the form of a comparison three geometries of the needle 108 within the same nozzle opening 120 the propulsion nozzle 102 shown. The needle shown above 108 corresponds to a needle known from the prior art 108 an ejector, with the needles in the middle and the needles shown below 108 represent those of an ejector according to the invention. In all figures is the flow rate of the fuel (propellant mass flow) through the propellant nozzle 102 around the needle 108 shown. During the tapered section of the body 110 the needle 108 From the prior art, it is free of convex and / or concave sections, and is therefore formed free of curvature, is the tapering body section 110 the middle needle 108 with a convex area 130 formed at a predetermined distance D1 from the point of the needle 122 is arranged. The tapered section of the body 110 the lower needle 108 points next to the convex area 130 additionally a concave area 132 on, which is directly adjacent to the convex area 130 connects in such a way that the two areas 130 , 132 merge directly into one another. The concave area 130 is below a predetermined second axial distance D2 from the point of the needle 122 on the tapered part of the body 110 is arranged, the first distance D1 is greater than the second distance D2 .

Der konvex verlaufende Bereich 132 der mittleren Nadel 108 und der unteren Nadel 108 bildet dabei einen Bund aus, da er vollständig radial außenumfangseitig am sich verjüngenden Körperabschnitt 110 ausgebildet ist. Der konkav verlaufende Bereich 130 der unteren Nadel 108 bildet eine Einschnürung aus, da er vollständig radial außenumfangseitig am sich verjüngenden Körperabschnitt 110 ausgebildet ist.The convex area 132 the middle needle 108 and the lower needle 108 forms a collar because it is completely radially outer circumference on the tapering body section 110 is trained. The concave area 130 the lower needle 108 forms a constriction, since it is completely radially outer circumference on the tapering body section 110 is trained.

2 zeigt die Strömungssituation der drei Nadeln 108 an einem ersten, sehr niedrigen Lastpunkt (Betriebspunkt 1). Es ist bei der oberen Nadel 108 zu erkennen, dass eine unerwünschte Ablösung 606 der Strömung von der Treibdüse 102 vorliegt, die mit den Nadelgeometrie der mittleren Nadel 108 und der unteren Nadel 108 nicht auftritt. 2 shows the flow situation of the three needles 108 at a first, very low load point (operating point 1). It's by the top needle 108 to recognize that an unwanted detachment 606 the flow from the propellant nozzle 102 that is present with the needle geometry of the middle needle 108 and the lower needle 108 does not occur.

3 zeigt die Strömungssituation der drei Nadeln 108 an einem zweiten, niedrigen Lastpunkt (Betriebspunkt 2). Es ist bei der oberen Nadel 108 zu erkennen, dass die unerwünschte Ablösung 606 der Strömung von der Treibdüse 102 zwar reduziert ist aber immer noch vorliegt, die mit den Nadelgeometrie der mittleren Nadel 108 und der unteren Nadel 108 nicht auftritt. 3 shows the flow situation of the three needles 108 at a second, low load point (operating point 2). It's by the top needle 108 to realize that the unwanted detachment 606 the flow from the propellant nozzle 102 although it is reduced, the one with the needle geometry of the middle needle is still present 108 and the lower needle 108 does not occur.

4 zeigt die Strömungssituation der drei Nadeln 108 an einem dritten, hohen Lastpunkt (Betriebspunkt 3). Es ist bei der oberen Nadel 108 zu erkennen, dass die unerwünschte Ablösung 606 der Strömung von der Treibdüse 102 weiter reduziert ist und nicht mehr vorliegt, wobei die mit den Nadelgeometrie der mittleren Nadel 108 und der unteren Nadel 108 hinsichtlich ihrer Strömungsbilder dem in nichts nachstehen. Lediglich bei der unteren Nadel 108 ist eine Ablösung 606 zu erkennen, diese liegt aber bereits hinter der eigentlichen Düsenöffnung 120 der Treibdüse 102. 4th shows the flow situation of the three needles 108 at a third, high load point (operating point 3). It's by the top needle 108 to realize that the unwanted detachment 606 the flow from the propellant nozzle 102 is further reduced and no longer exists, with the needle geometry of the middle needle 108 and the lower needle 108 are in no way inferior in terms of their flow patterns. Only with the lower needle 108 is a replacement 606 can be seen, but this is already behind the actual nozzle opening 120 the propulsion nozzle 102 .

5 zeigt die Strömungssituation der drei Nadeln 108 an einem vierten, sehr hohen Lastpunkt (Betriebspunkt 4). Es ist bei der Strömung der oberen und der mittleren Nadel 108 zu erkennen, dass die Strömung des Treibstrahls eine deutliche Nachexpansion aufweist, da der Druck innerhalb der Treibdüse 102 nicht auf den Druck im Mischrohr 104 abgestimmt ist. Aufgrund der konkaven Geometrie der unteren Nadel 108 ist das Verhältnis von Austritt zu engstem Querschnitt hier größer, so dass der Druck innerhalb der Treibdüse 102 stärker abgebaut wird. Dies führt zu einer höheren Austrittsgeschwindigkeit und damit zu einer Reduzierung der Nachexpansion. 5 shows the flow situation of the three needles 108 at a fourth, very high load point (operating point 4). It's with the flow of the top and middle needles 108 it can be seen that the flow of the propulsion jet shows a significant post-expansion, as the pressure inside the propulsion nozzle 102 not on the pressure in the mixing tube 104 is matched. Due to the concave geometry of the lower needle 108 the ratio of the outlet to the narrowest cross-section is greater here, so that the pressure inside the motive nozzle 102 is degraded more. This leads to a higher exit speed and thus to a reduction in post-expansion.

Der erfindungsgemäße Ejektor mit den in den Figuren in der Mitte und unten gezeigten Nadeln 108 ist also derart ausgebildet, dass die Strömung innerhalb der Treibdüse 102 im Bereich des sich verjüngenden Körperabschnitts 110 sowohl für niedrige Lastpunkte (2 und 3) als auch für hohe Lastpunkte (4 und 5), mithin über die gesamte Kennlinie des Brennstoffzellensystems ablösungsfrei anliegt.The ejector according to the invention with the needles shown in the figures in the middle and below 108 is therefore designed in such a way that the flow within the propellant nozzle 102 in the area of the tapered part of the body 110 both for low load points ( 2 and 3 ) as well as for high load points ( 4th and 5 ), so it is applied without detachment over the entire characteristic curve of the fuel cell system.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
SaugdüseSuction nozzle
102102
TreibdüsePropulsion nozzle
104104
MischrohrMixing tube
106106
NadelkörperNeedle body
108108
Nadelneedle
110110
Körperabschnitt (verjüngend)Body section (tapering)
112112
AktuatorActuator
114114
DiffusorDiffuser
116116
Anschluss (frischer Brennstoff)Connection (fresh fuel)
118118
Anschluss (rezirkulierter Brennstoff)Connection (recirculated fuel)
120120
Düsenöffnung (Treibdüse)Nozzle opening (propulsion nozzle)
122122
NadelspitzeNeedlepoint
124124
Düsenabschnitt (Treibdüse)Nozzle section (propulsion nozzle)
126126
Düsenabschnitt (Saugdüse)Nozzle section (suction nozzle)
130130
konkaver Bereichconcave area
132132
konvexer Bereichconvex area
D1D1
Abstand zw. Nadelspitze und Mitte des konvexen BereichsDistance between the tip of the needle and the center of the convex area
D2D2
Abstand zw. Nadelspitze und Mitte des konkaven BereichsDistance between the tip of the needle and the center of the concave area
602602
Strömungsquerschnitt (Mischrohr)Flow cross-section (mixing tube)
604604
Strömungsquerschnitt (Treibdüse)Flow cross-section (propellant nozzle)
606606
AblösungDetachment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • JP 2011140906 A [0004]JP 2011140906 A [0004]
  • DE 102017208279 A1 [0004]DE 102017208279 A1 [0004]
  • JP 2011012636 A [0004]JP 2011012636 A [0004]

Claims (9)

Ejektor mit einer Saugdüse (100) und einer Treibdüse (102), mit einer innerhalb der Treibdüse (102) angeordneten und axial entlang einer Nadellängsachse verstellbaren Nadel (108), die ausgebildet ist, einen Strömungsquerschnitt (604) der Treibdüse (102) einzustellen, wozu die Nadel (108) einen Nadelkörper (106) mit einem sich zu einer Nadelspitze (122) verjüngenden Körperabschnitt (110) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der sich verjüngende Körperabschnitt mindestens einen konkav verlaufenden Bereich (130) und/oder mindestens einen konvex verlaufenden Bereich (132) umfasst.Ejector with a suction nozzle (100) and a motive nozzle (102), with a needle (108) which is arranged within the motive nozzle (102) and is axially adjustable along a longitudinal axis of the needle and is designed to set a flow cross section (604) of the motive nozzle (102), for which the needle (108) comprises a needle body (106) with a body section (110) tapering to a needle point (122), characterized in that the tapering body section has at least one concave region (130) and / or at least one convex region Area (132) includes. Ejektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der konvex verlaufende Bereich (132) zur Bildung eines Bundes vollständig radial außenumfangseitig am sich verjüngenden Körperabschnitt (110) ausgebildet ist.Ejector after Claim 1 , characterized in that the convex area (132) for forming a collar is formed completely on the radially outer circumference of the tapering body section (110). Ejektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der konvex verlaufende Bereich (132) unter einem vorgegebenen ersten axialen Abstand (D1) von der Nadelspitze (122) am sich verjüngenden Körperabschnitt (110) angeordnet ist.Ejector after Claim 1 or 2 , characterized in that the convex region (132) is arranged at a predetermined first axial distance (D1) from the needle tip (122) on the tapering body portion (110). Ejektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der konkav verlaufende Bereich (130) zur Bildung einer Einschnürung vollständig radial außenumfangseitig am sich verjüngenden Körperabschnitt (110) ausgebildet ist.Ejector according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the concave region (130) is designed to form a constriction completely radially on the outer circumference of the tapering body section (110). Ejektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der konkav verlaufende Bereich (130) unter einem vorgegebenen zweiten axialen Abstand (D2) von der Nadelspitze (122) am sich verjüngenden Körperabschnitt (110) angeordnet ist.Ejector according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that the concave region (130) is arranged at a predetermined second axial distance (D2) from the needle tip (122) on the tapering body portion (110). Ejektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der konvex verlaufende Bereich (132) als auch der konkav verlaufende Bereich (130) am sich verjüngenden Körperabschnitt (110) vorhanden sind, dass der konvex verlaufende Bereich (132) unter einem vorgegebenen ersten axialen Abstand (D1) von der Nadelspitze (122) am sich verjüngenden Körperabschnitt (110) angeordnet ist, dass der konkav verlaufende Bereich (130) unter einem vorgegebenen zweiten axialen Abstand (D2) von der Nadelspitze (122) am sich verjüngenden Körperabschnitt (110) angeordnet ist, und dass der erste Abstand (D1) größer ist als der zweite Abstand (D2).Ejector according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that both the convex area (132) and the concave area (130) are present on the tapered body portion (110) that the convex area (132) is at a predetermined first axial distance (D1) of the needle tip (122) is arranged on the tapered body portion (110), that the concave region (130) is arranged at a predetermined second axial distance (D2) from the needle tip (122) on the tapered body portion (110), and that the first distance (D1) is greater than the second distance (D2). Ejektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der konvex verlaufende Bereich (132) und der konkav verlaufende Bereich (130) unmittelbar ineinander übergehend an dem sich verjüngenden Körperabschnitt (110) ausgebildet sind.Ejector after Claim 6 , characterized in that the convex area (132) and the concave area (130) are formed on the tapering body portion (110) that merge directly into one another. Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der in einen Anodenkreislauf eingebunden ist, in welchen ein Ejektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7 strömungsmechanisch eingekoppelt ist.Fuel cell system with a fuel cell stack which is integrated into an anode circuit in which an ejector according to one of the Claims 1 to 7th is coupled fluidically. Kraftfahrzeug, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Ejektor nach einem der der Ansprüche 1 bis 7.Motor vehicle, in particular fuel cell vehicle with an ejector according to one of the Claims 1 to 7th .
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