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Die Erfindung betrifft einen Ejektor mit einer Saugdüse und einer hinsichtlich ihres Strömungsquerschnitts einstellbaren Treibdüse. Derartige Ejektoren werden beispielsweise für die Brennstoffrezirkulation in Brennstoffzellenvorrichtungen genutzt, wobei der Strömungsquerschnitt lastabhängig eingestellt wird.
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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 ein Brennstoffzellenstapel durch eine Vielzahl im Stapel (englisch: „stack“) angeordneter MEA zusammen mit Bipolarplatten 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.
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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.
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Im Anodenkreislauf kann dazu ein Ejektor (Saugstrahlpumpe) eingesetzt werden, der mittels der potentiellen Energie des Wasserstoffes aus einem Brennstofftank das Anodengas rezirkuliert. Dies ermöglicht den Verzicht auf ein energie- und bauraumintensiveres Rezirkulationsgebläse. Die Effizienz eines Ejektors hängt aber 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, weshalb regelbare Ejektoren bekannt sind, deren nutzbarer Strömungsquerschnitt der Treibdüse veränderbar ist durch die Axialverstellung einer Nadel.
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Eine solche Saugstrahlpumpe mit einer axial verstellbaren Nadel ist beispielsweise aus der
US 2014 / 0 080 016 A1 bekannt. Eine andere, sehr viel komplexere Möglichkeit zur Rezirkulation von unverbrauchten Brennstoff in einem Anodenkreislauf bietet der Einsatz eines Brennstoffrezirkulationsgebläses, wie es beispielsweise der
DE 10 2004 056 744 A1 zu entnehmen ist, und welches als ein Roots-Gebläse gebildet ist. Auch die Druckschrift
US 2012 / 0 189 928 A1 beschreibt eine komplexe Pumpe für die Rezirkulation. In der
KR 2007 0 107 994 A wird eine vereinfachte Ventilstruktur beschrieben, um das aus einem Brennstoffspeicher bereitgestellte Anodengas dosiert an den Brennstoffzellenstapel oder an einen Reformer abzugeben.
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Allen vorstehend genannten Lösungen erfordern sehr enge Toleranzen und verursachen daher extrem hohe Fertigungskosten, wobei bei Ejektoren mit einer axial verstellbaren Nadel ein Verklemmen der Nadel in einer Düse erfolgen kann, wenn diese nicht mit der nötigen Präzision gefertigt wurden. Letzteres kann auch die Dauerhaltbarkeit des Ejektors einschränken. Bekannte Saugstrahlpumpen oder Ejektoren weisen außerdem eine niedrige Regelgeschwindigkeit und -genauigkeit auf.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ejektor bereitzustellen, der zumindest einige der vorstehend erwähnten Nachteile überwindet.
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Erfindungsgemäß ist die Treibdüse des Ejektors durch einen Stellnocken realisiert oder gebildet, der zumindest einen Teil des Strömungsquerschnitt mit einer peripheren Ausnehmung bereitstellt, wobei der Stellnocken zur Einstellung des zumindest durch die Ausnehmung vorgegebenen Strömungsquerschnitts um eine, insbesondere senkrecht bezüglich der Treibdüse ausgerichtete, Schwenkachse verschwenkbar gelagert ist.
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Auf diese Weise wird der Strömungsquerschnitt der Treibdüse durch die am Stellnocken vorhandene Ausnehmung bereitgestellt, wobei beim Verdrehen des Stellnockens ein sich ändernder Strömungsquerschnitt realisierbar ist. Diese Ausgestaltung hat eine sehr robuste Ausführung des Ejektors zur Folge, wobei die von Nocken bereits bekannten Fertigungsprozesse hinreichend erforscht und hinreichend präzise durchgeführt werden können. Die Verstellgeschwindigkeit und die Verstellgenauigkeit kann in Abhängigkeit des gewählten Lastpunkts zügig verändert oder angepasst werden. Durch den Einsatz eines Stellnockens ist die Dauerhaltbarkeit des Ejektors erhöht.
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In diesem Zuge hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die periphere Ausnehmung in Form einer Konkavität vorliegt, da sich auf diese Weise eine teilkreisartige Form für den Strömungsquerschnitt einstellt, die hinreichend genau an verschiedenste Lastpunkte des Ejektors angepasst werden kann.
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Eine noch genauere Einstellung des Strömungsquerschnitts lässt sich dadurch realisieren, dass ein Nockenpaar aus zwei der Stellnocken vorhanden ist, dass die beiden Stellnocken um parallel zueinander ausgerichtete Schwenkachsen verschwenkbar sind, und dass jeder der Stellnocken eine periphere Ausnehmung zur Bereitstellung eines Anteils des Strömungsquerschnitts der Treibdüse aufweist. Somit ist also der Strömungsquerschnitt der Treibdüse durch die beiden Ausnehmungen der beiden komplementär zueinander verdrehbaren Stellnocken gegeben. Liegt eine gezielte Verdrehung der beiden Stellnocken vor, so ist damit ein definierter Querschnitt für den Durchtritt von frischem Brennstoff gegeben.
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Um zu gewährleisten, dass lediglich diejenigen Bereiche der Ausnehmung zum Strömungsquerschnitt der Treibdüse beitragen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die beiden Stellnocken eine die Ausnehmung umgebende Lauffläche aufweisen, und wenn sich die Laufflächen fluiddicht berühren unabhängig von der gewählten Schwenkstellung der Stellnocken.
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Um definierte Strömungsquerschnitte in Abhängigkeit der Lastanforderung einstellen zu können, ist es ferner von Vorteil, wenn die Stellnocken zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlag begrenzt verschwenkbar sind, wenn bei Anlage der Stellnocken an dem ersten Anschlag durch die sich gegenüberliegenden Ausnehmungen ein minimaler Mindestströmungsquerschnitt der Treibdüse einstellbar ist, und wenn bei Anlage der Stellnocken an den zweiten Anschlag durch die sich gegenüberliegenden Ausnehmungen ein maximaler Höchstströmungsquerschnitt der Treibdüse einstellbar ist.
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Analog zu den mit einer axial verstellbaren Nadel gebildeten Ejektoren, ist auch beim vorliegenden Ejektor die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, eine gewünschte Flussrate aufrechtzuerhalten, die die Rezirkulation des Brennstoffes im Anodenkreislauf aufrechterhält. Hierzu ist der Mindestströmungsquerschnitt von Null verschieden. Für den Abschaltvorgang der Brennstoffzellenvorrichtung und damit für den Ejektor, hat es sich aber alternativ oder ergänzend als vorteilhaft erwiesen, wenn auch der Mindestströmungsquerschnitt auf eine Querschnittsfläche von Null reduziert werden kann, sodass sich die Laufflächen vollständig gegenüberliegen und vollflächig fluiddicht kontaktieren und somit kein Durchtritt für Brennstoff mehr vorliegt.
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Für die definierte Einstellung von unterschiedlichen Lastpunkten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Flächeninhalt des maximalen Höchstströmungsquerschnitts vom zweifachen bis zum fünffachen des Flächeninhalts des minimalen Mindestströmungsquerschnitts beträgt.
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Vorzugsweise sind die Ausnehmungen der Stellnocken derart ausgestaltet, dass der Höchstströmungsquerschnitt die Form einer Kreisscheibe besitzt, da auf diese Weise nur sehr geringe Turbulenzen an oder nach der Treibdüse vorliegen und erst eine Durchmischung im Mischrohr erfolgt. Entsprechendes gilt für den Mindestströmungsquerschnitt, der vorteilhaft durch eine entsprechende Ausgestaltung der Ausnehmungen der Stellnocken ebenfalls die Form einer Kreisscheibe aufweist.
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Für ein genaues Verstellen der beiden Stellnocken hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn jeder der Schwenkachsen der Stellnocken ein Stirnrad zugeordnet ist, wenn das Stirnrad des ersten Stellnockens in Eingriff mit dem Stirnrad des zweiten Stellnockens steht, und wenn eine Antriebseinrichtung zum rotierenden Antreiben wenigstens eines der beiden Stirnräder vorliegt. Die Stirnräder können dabei als Zahnräder vorliegen, wobei als Antriebseinrichtung beispielsweise ein Stellmotor Einsatz finden kann. Der Stellmotor ist dabei insbesondere bidirektional antreibbar, sodass die beiden Stellnocken in und entgegen dem Uhrzeigersinn um ihre Schwenkachsen verdreht werden können, insbesondere zwischen zwei Anschlägen zur Definierung eines Höchstströmungsquerschnitt und eines Mindestströmungsquerschnitts.
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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.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 einen Längsschnitt eines schematisch dargestellten Ejektors,
- 2 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A - A des Ejektors aus 1,
- 3 eine Detailansicht auf die Treibdüse des Ejektors aus 1 in einer Konfiguration, in der die Treibdüse dem minimalen Mindestströmungsquerschnitt entspricht, und
- 4 eine Detailansicht auf die Treibdüse des Ejektors aus 1 in einer Konfiguration, in der die Treibdüse dem minimalen Mindestströmungsquerschnitt entspricht.
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In den 1 bis 4 ist schematisch 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 nicht näher gezeigter Diffusor 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.
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Bei dem in den Figuren gezeigten Ejektor ist die Treibdüse 102 durch periphere Ausnehmungen 112 an zwei Stellnocken 108, 110 gebildet. Somit ist also ein Nockenpaar aus zwei der Stellnocken 108, 110 vorhanden, wobei die beiden Stellnocken 108, 110 um parallel zueinander ausgerichtete Schwenkachsen 114 verschwenkbar sind, und wobei jeder der Stellnocken 108, 110 eine solche periphere Ausnehmung 112 zur Bereitstellung eines Anteils des Strömungsquerschnitts 106 der Treibdüse 102 aufweist. Die Ausnehmungen 112 liegen vorzugsweise in Form einer Konkavität vor. Die Stellnocken 108, 110 sind ausweislich der 1 lediglich beispielhaft im Querschnitt elliptisch gebildet. Vorzugsweise sind die Stellnocken 108, 110 im Querschnitt allerdings rund gebildet. Auf diese Weise liegt dann das Nochenpaar als ein Walzenpaar oder als ein Rollenpaar vor.
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In 2 wird verdeutlicht, dass jeder der Schwenkachsen 114 der Stellnocken 108, 110 ein Stirnrad 124 in Form eines Zahnrads zugeordnet ist. Hierbei ist das Stirnrad 124 des ersten Stellnockens 108 in Eingriff mit dem Stirnrad 124 des zweiten Stellnockens 110. Zusätzlich ist eine nicht näher dargestellte Antriebseinrichtung vorhanden, um zumindest eines der beiden Stirnräder 124 rotierend anzutreiben, um den durch die Ausnehmungen 112 gebildeten Strömungsquerschnitt 106 zu verändern. Die Antriebseinrichtung ist vorzugsweise als ein Stellmotor gebildet.
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Vorzugsweise sind die beiden Stellnocken 108, 110 zwischen einem ersten und einem zweiten Anschlag begrenzt verschwenkbar, wobei sich bei Anlage der Stellnocken 108, 110 an dem ersten Anschlag durch die sich gegenüberliegenden Ausnehmungen 112 ein minimaler Mindestströmungsabschnitt der Treibdüse 102 einstellt, wie dies durch 3 illustriert ist. Bei Anlage der Stellnocken 108, 110 an dem zweiten Anschlag ist durch die sich gegenüberliegenden Ausnehmungen 112 ein maximaler Höchstströmungsquerschnitt der Treibdüse 102 einstellbar, wie dieser in 4 illustriert ist.
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Um einen definierten Durchtritt für den frischen Brennstoff als Treibmedium bereitstellen zu können, sind die beiden Stellnocken 108, 110 mit Laufflächen 122 versehen, die die periphere Ausnehmung 112 jeweils umgeben. Die beiden Laufflächen 122 berühren sich fluiddicht, und zwar unabhängig von der gewählten Schwenkstellung der Stellnocken 108, 110.
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3 zeigt, dass der Mindestströmungsquerschnitt von Null verschieden ist. Vorzugsweise ist der Flächeninhalt des Höchstströmungsquerschnitts vom zweifachen bis zum fünffachen des Flächeninhalts des Mindestströmungsquerschnitts. Vorliegend liegt sowohl der Mindestströmungsquerschnitt als auch der Höchstströmungsquerschnitt in Form einer Kreisscheibe vor, sodass sich besonders genaue Mengen an durchtretendem frischen Brennstoff vorgeben lassen. Der Strömungsquerschnitt 106 der Treibdüse 102 wird dabei lastpunktabhängig eingestellt, wobei bei einem höherliegenden Lastpunkt ein größerer Strömungsquerschnitt 106 eingestellt wird als bei einer niedriger liegenden Lastanforderung.
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Der erfindungsgemäße Ejektor zeichnet sich durch eine sehr robuste Ausführung auf, wobei er eine erhöhte Stellgeschwindigkeit und eine erhöhte Stellgenauigkeit in Abhängigkeit des gewählten Lastpunkts aufweist. Durch den Einsatz der Stellnocken 108, 110 ist zudem eine hohe Dauerhaltbarkeit gewährleistet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Saugdüse
- 102
- Treibdüse
- 104
- Mischrohr
- 106
- Strömungsquerschnitt (Treibdüse)
- 108
- erster Stellnocken
- 110
- zweiter Stellnocken
- 112
- Ausnehmung
- 114
- Schwenkachse
- 116
- Anschluss (frischer Brennstoff)
- 118
- Anschluss (rezirkulierter Brennstoff)
- 120
- Düsenöffnung (Treibdüse)
- 122
- Lauffläche
- 124
- Stirnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0080016 A1 [0005]
- DE 102004056744 A1 [0005]
- US 2012/0189928 A1 [0005]
- KR 20070107994 A [0005]
