DE102022115196A1

DE102022115196A1 - Strahlpumpe zum Steuern einer Zufuhr eines gasförmigen Mediums, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern einer Treibdüsengeometrie einer Strahlpumpe

Info

Publication number: DE102022115196A1
Application number: DE102022115196.4A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schulze; Mario Witopil
Original assignee: Eco Holding 1 GmbH
Current assignee: Eco Holding 1 GmbH
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2023-12-28
Also published as: CN117249124A; US20230407888A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe (1) zum Steuern einer Zufuhr eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend eine Primärdüse (2) zur Zuführung eines Treibmediums mit einem Düsenkörper (3) und einer innerhalb des Düsenkörpers (3) längsbeweglichen Düsennadel (4), mittels welcher ein Düsenquerschnitt variabel einstellbar sowie verschließbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Druckfeder (8) vorgesehen, welche die Düsennadel (4) in eine Schließrichtung drängt, und die Düsennadel (4) wenigstens eine erste Druckfläche (17) zur Beaufschlagung mit einem Druck des Treibmediums in einer der Schließrichtung entgegengesetzten Öffnungsrichtung und wenigstens eine zweite Druckfläche (18) zur Beaufschlagung mit einem Druck eines Sekundärmediums in der Schließrichtung aufweist.Weiter betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1) mit einer Strahlpumpe (1) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr einer Brennstoffzelle.Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Steuern einer Treibdüsengeometrie einer Strahlpumpe (1)

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe zum Steuern einer Zufuhr eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend eine Primärdüse zur Zuführung eines Treibmediums mit einem Düsenkörper und einer innerhalb des Düsenkörpers längsbeweglichen Düsennadel, mittels welcher ein Düsenquerschnitt variabel einstellbar sowie verschließbar ist. Weiter betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer Strahlpumpe zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr einer Brennstoffzelle sowie ein Verfahren zum Steuern einer Treibdüsengeometrie einer Strahlpumpe.
Bei einer Strahlpumpe, auch Ejektor genannt, wird die kinetische Energie eines Treibstrahls eines Primär- bzw. Treibmediums genutzt, um ein eine Treib- bzw. Primärdüse umgebendes Fluid (Sekundär- oder Saugmedium) anzusaugen und mitzureißen, um das Sekundärmedium auf ein höheres Druckniveau zu heben. Dabei wird bei gegebenem Druck vor der Treibdüse die erreichbare Geschwindigkeit des Treibstrahls und damit die verfügbare kinetische Energie u.a. durch die Größe des kleinsten Strömungsquerschnitts innerhalb der Treibdüse bestimmt.
Vor allem bei Ejektoren mit großem Betriebsbereich wie beispielsweise in einer mobilen Brennstoffzellen-Anwendung, ist die Dimensionierung der Treibdüse nicht trivial. Einerseits muss die Treibdüse groß genug sein, um den maximal geforderten Primärmassenstrom bei gegebenem Druck bereitstellen zu können. Andererseits muss die Geschwindigkeit des Treibstrahls auch bei geringem Primärmassenstrom groß genug sein, um ausreichend Sekundärmedium mitzureißen.
Bekannte Lösungen dieses Problems beschreiben eine Treibdüse mit einem veränderlichen Strömungsquerschnitt. Hier wird häufig eine innerhalb der Düse liegende Düsennadel entlang einer Längsachse verschoben. Dies erfolgt durch eine direkte Betätigung der Düsennadel durch einen Linearaktuator.
Eine alternative Lösung ist die Verwendung mehrerer Treibdüsen, welche kaskadiert zugeschaltet werden. Jedoch benötigen mehrere Treibdüsen mehrere Ventile zur Steuerung, was den Teilebedarf und die Komplexität des Systems deutlich erhöht.
Die entlang einer Längsachse verschiebbare Düsennadel ist weniger komplex, dafür hat die Steuerung mittels Linearaktuator ebenfalls Nachteile. Schrittmotoren die oft als Steuerelement eingesetzt werden, können nicht ausreichend dynamisch reagieren, um den Druck innerhalb einer Brennstoffzelle in deiner mobilen Anwendung zu regeln. Zudem sind diese ebenfalls komplex aufgebaut und müssen gegen das Treibfluid gedichtet werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine dahingehend verbesserte Strahlpumpe anzubieten. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer verbesserten Strahlpumpe anzubieten.
Weiter ist es Aufgabe, ein Verfahren zum Steuern einer Treibdüsengeometrie einer Strahlpumpe anzubieten, welches die einwandfreie Verwendung einer einfach aufgebauten Strahlpumpe in einem großen Betriebsbereich erlaubt.
Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Die erfindungsgemäße Strahlpumpe zum Steuern einer Zufuhr eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfasst eine Primärdüse zur Zuführung eines Treibmediums mit einem Düsenkörper und einer innerhalb des Düsenkörpers längsbeweglichen Düsennadel auf, mittels welcher ein Düsenquerschnitt variabel einstellbar sowie verschließbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Druckfeder vorgesehen, welche die Düsennadel in eine Schließrichtung drängt. Weiter weist die Düsennadel wenigstens eine erste Druckfläche zur Beaufschlagung mit einem Druck des Treibmediums in einer der Schließrichtung entgegengesetzten Öffnungsrichtung und wenigstens eine zweite Druckfläche zur Beaufschlagung mit einem Druck eines Sekundärmediums in der Schließrichtung auf.
Die erfindungsgemäße Strahlpumpe ist einfach aufgebaut und eine direkte Betätigung der Primärdüse ist nicht notwendig. Vielmehr erfolgt die Betätigung indirekt durch die Kraftbeaufschlagung auf die Druckflächen der Düsennadel.
Vorzugsweise ist der der Düsenkörper zwei- oder mehrteilig ausgebildet und weist ein erstes Düsenkörperelement mit einer ersten Zuströmöffnung für das Treibmedium und ein zweites Düsenkörperelement mit einer zweiten Zuströmöffnung für das Sekundärmedium auf, wobei die Düsennadel in dem ersten Düsenkörperelement längsbeweglich vorgesehen und die Druckfeder zwischen der Düsennadel und dem zweiten Düsenkörperelement angeordnet ist und wobei die Druckfeder an der zweiten Druckfläche anliegt. Die Primärdüse ist einfach aufgebaut, wobei die Düsennadel einfach und verliersicher montiert werden kann.
Die weitere Aufgabe wird weiter durch ein Brennstoffzellensystem mit einer Strahlpumpe zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr einer Brennstoffzelle gelöst. Der grundsätzliche Aufbau eines Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug ist bekannt. Brennstoffzellensysteme mit einer Anodenversorgung und einer Kathodenversorgung sind allgemein bekannt. Brennstoffzellensysteme nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen von elektrischer Energie. Um einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems mit Betriebsmitteln zu versorgen, sind eine Anodenversorgung zum Zu- und Abführen des Anodenbetriebsmittels, z.B. Wasserstoff, eine Kathodenversorgung zum Zu- und Abführen des Kathodenbetriebsmittels, z.B. Luft, sowie ein Kühlmittelkreislauf vorgesehen. Die Anoden- und die Kathodenversorgung umfassen jeweils eine Versorgungsleitung zum Zuführen des Betriebsmittels und eine Abgasleitung. In der Anodenversorgung kann zudem eine Rezirkulationsleitung vorgesehen sein, um in dem anodenseitigen Abgas des Brennstoffzellenstapels enthaltenen Wasserstoff erneut dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen.
Die weitere Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Steuern einer Treibdüsengeometrie einer Strahlpumpe gelöst, wobei der Düsenquerschnitt durch eine indirekte Steuerung der Düsennadel einstellbar ist. Die Betätigung der Düsennadel erfolgt nicht durch einen Linearaktuator, so dass eine schnelle, dynamische Regelung des Druckes in der Brennstoffzelle möglich ist.
Vorzugsweise ist die Position der Düsennadel und der Düsenquerschnitt mittels auf die Druckflächen wirkender Kräfte einstellbar, wobei das Treibmedium eine erste Kraft in Öffnungsrichtung und das Sekundärmedium sowie die Druckfeder eine zweite Kraft in Schließrichtung erzeugt.
Vorzugsweise sind für einen vorbestimmten Betriebspunkt der Strahlpumpe die Kräfte an der Düsennadel im Gleichgewicht, so dass die Düsennadel eine definierte Position einnimmt.
Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.
Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Strahlpumpe mit einer Primärdüse und
2 die Primärdüse der Strahlpumpe gemäß 1.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Strahlpumpe 1 zum Steuern einer Zufuhr eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Die Strahlpumpe 1, auch Ejektor genannt, findet beispielsweise Anwendung in einem Brennstoffzellensystem eines nicht dargestellten Fahrzeuges, insbesondere eines Elektrofahrzeuges, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, welcher durch das Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel, der typischerweise als Stapel von PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sein kann. Einem gemeinsamen Kathodenraum ist eine Kathodenversorgung eine Kathodenversorgung zum Zu- und Abführen des Kathodenbetriebsmittels, z.B. Luft, und einem gemeinsamen Anodenraum ist eine Anodenversorgung zum Zu- und Abführen des Anodenbetriebsmittels, z.B. Wasserstoff, zugeordnet.
Die Kathodenversorgung umfasst eine Kathodenversorgungsleitung, der dem gemeinsamen Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels aus der Umgebung angesaugte Luft zuführt. Eine Kathodenabgasleitung führt Kathodenabgas aus dem Kathodenraum ab. Gegebenenfalls wird das Kathodenabgas einer nicht dargestellten Abgasanlage zugeführt.
Die Anodenversorgung umfasst eine Anodenversorgungsleitung, mittels welcher das Anodenbetriebsmittel, insbesondere Wasserstoff, aus einem Wasserstofftank dem Anodenraum bereitbestellt wird. In der Anodenversorgungsleitung sind in der Regel ein Druckregelventil, ein Tankventil, ein Dosierventil und ein Absperrventil angeordnet. Eine Anodenabgasleitung führt Anodenabgas aus dem Anodenraum ab. Die Anodenversorgung weist zudem eine Rezirkulationsleitung auf, um in dem anodenseitigen Abgas des Brennstoffzellenstapels enthaltenen Wasserstoff mittels einer Rezirkulationseinrichtung, z.B. die Strahlpumpe 1, erneut dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen.
Weiter kann die Anodenabgasleitung einen Wasserabscheider mit einem nachgeschalteten Drain-Ventil umfassen, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser abzuleiten sowie ein Purge-Ventil zum Ablassen der Anodengase, im wesentlichen Stickstoff.
Wie 1 zu entnehmen ist, umfasst die nur ausschnittsweise dargestellte Strahlpumpe 1 eine in 2 vergrößert dargestellten Primärdüse 2 zur Zuführung eines Treibmediums, hier Wasserstoff, mit einem Düsenkörper 3 und einer innerhalb des Düsenkörpers 3 längsbeweglichen Düsennadel 4 auf, mittels welcher ein Düsenquerschnitt variabel einstellbar sowie verschließbar ist. Weiter weist die Strahlpumpe 1 ein Pumpengehäuse 5 mit einer Durchgangsbohrung 6 auf, welches das mit dem Treibmedium gemischten Sekundärmedium über die Anodenversorgungsleitung in Richtung Anodenraum leitet. Das Sekundärmedium wird über einen Ansaugkanal 7 angesaugt.
Aus 2 wird ersichtlich, dass die Primärdüse eine Druckfeder 8 aufweist, welche die Düsennadel 4 in eine Schließrichtung drängt, in welcher eine endseitige Spitze 9 der Düsennadel 4 eine Öffnung 10 des Düsenkörpers 3 verschließt.
Der Düsenkörper 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig mit einem ersten Düsenkörperelement 11 mit einer ersten Zuströmöffnung 13 für das Treibmedium und mit einem zweiten Düsenkörperelement 12 mit einer zweiten Zuströmöffnung 14 für das Sekundärmedium ausgebildet, wobei die Düsennadel 4 mit einem zylinderförmigen Kolben 15 in dem ersten Düsenkörperelement 11 längsbeweglich vorgesehen ist. Die Druckfeder 8 ist zwischen dem Kolben 15 und dem zweiten Düsenkörperelement 12 angeordnet. Wie aus 2 ersichtlich ist, umschließt das zweite Düsenkörperelement 12 teilweise das erste Düsenkörperelement 11 und bildet so einen Aufnahmeraum für die Druckfeder 8 und die Düsennadel 4. An dem Kolben 15 ist eine Nadel 16 angeformt, an welcher die Spitze 9 ausgebildet ist.
Zur Druckbeaufschlagung weist die Düsennadel 4 wenigstens eine erste Druckfläche 17 zur Beaufschlagung mit einem Druck des Treibmediums in einer der Schließrichtung entgegengesetzten Öffnungsrichtung und wenigstens eine zweite Druckfläche 18 zur Beaufschlagung mit einem Druck eines Sekundärmediums in der Schließrichtung auf. Wie 2 zu entnehmen ist, ist die erste Druckfläche 17 eine Ringfläche, welche durch das durch die erste Zuströmöffnung 13 einströmbare Treibmedium mit Druck beaufschlagt werden kann. Das Treibmedium wird durch ein konventionelles Druckregelventil der Primärdüse unter Druck zugeführt und verschiebt die Düsennadel 4 in Öffnungsrichtung. Dabei öffnet sich die Primärdüse 2 und ein Düsenquerschnitt vergrößert sich durch die entsprechenden Geometrien der Nadel 16 und der Öffnung 10 des ersten Düsenkörperelements 11.
Die zweite Druckfläche 18, welche auf der der ersten Druckfläche 17 gegenüberliegenden Seite des Kolbens 15 ausgebildet ist, beaufschlagt die Düsennadel 4 mit niedrigerem Druck als dem Primärdruck des Treibmediums. Der niedrigere Druck ist hier der Druck des Sekundärmediums, welches beispielsweise aus der oben erwähnten Rezirkulationsleitung wieder der Strahlpumpe 1 zugeführt werden kann. Ebenso kann dies der Umgebungsdruck oder Druck nach dem Ejektor sein.
Der Druck des Sekundärmediums sowie die Druckfeder 8, welche an der zweiten Druckfläche 18 anliegt, erzeugen eine Gegenkraft zur Kraft des Treibmediums, welche die Düsennadel 4 in der Zeichnung nach rechts, d.h. in Schließrichtung, hin zu kleinerem Düsenquerschnitt verschiebt. Für einen definierten Betriebspunkt bilden die Kräfte an der Düsennadel 4 ein Gleichgewicht und die Düsennadel 4 nimmt eine definierte Position ein und bestimmt so den Düsenquerschnitt.
Damit ist es möglich, bei kleinerem Versorgungsdruck und kleinerem Primärmassenstrom durch den dann kleineren Strömungsquerschnitt eine höhere Düsenaustritts-Geschwindigkeit zu realisieren. Bei größerem Versorgungsdruck öffnet die Düsennadel 4 weiter und mit dem so vergrößerten Querschnitt kann auch der große Primärmassenstrom realisiert werden.
Sämtliche in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlichen Kombinationen in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkung zu realisieren. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder in den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.

Claims

Strahlpumpe (1) zum Steuern einer Zufuhr eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, umfassend eine Primärdüse (2) zur Zuführung eines Treibmediums mit einem Düsenkörper (3) und einer innerhalb des Düsenkörpers (3) längsbeweglichen Düsennadel (4), mittels welcher ein Düsenquerschnitt variabel einstellbar sowie verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckfeder (8) vorgesehen ist, welche die Düsennadel (4) in eine Schließrichtung drängt, und die Düsennadel (4) wenigstens eine erste Druckfläche (17) zur Beaufschlagung mit einem Druck des Treibmediums in einer der Schließrichtung entgegengesetzten Öffnungsrichtung und wenigstens eine zweite Druckfläche (18) zur Beaufschlagung mit einem Druck eines Sekundärmediums in der Schließrichtung aufweist.
Strahlpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (3) zwei- oder mehrteilig ausgebildet ist und ein erstes Düsenkörperelement (11) mit einer ersten Zuströmöffnung (13) für das Treibmedium und ein zweites Düsenkörperelement (12) mit einer zweiten Zuströmöffnung (14) für das Sekundärmedium aufweist, wobei die Düsennadel (4) in dem ersten Düsenkörperelement (11) längsbeweglich vorgesehen und die Druckfeder (8) zwischen der Düsennadel (4) und dem zweiten Düsenkörperelement (12) angeordnet ist und wobei die Druckfeder (8) an der zweiten Druckfläche (18) anliegt.
Brennstoffzellensystem mit einer Strahlpumpe (1) zum Steuern einer Wasserstoffzufuhr einer Brennstoffzelle nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 oder 2.
Verfahren zum Steuern einer Treibdüsengeometrie einer Strahlpumpe (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenquerschnitt durch eine indirekte Steuerung der Düsennadel (4) einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Düsennadel (4) und der Düsenquerschnitt mittels auf die Druckflächen (17, 18) wirkender Kräfte einstellbar ist, wobei das Treibmedium eine erste Kraft in Öffnungsrichtung und das Sekundärmedium sowie die Druckfeder (8) eine zweite Kraft in Schließrichtung erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für einen vorbestimmten Betriebspunkt der Strahlpumpe (1) die Kräfte an der Düsennadel (4) im Gleichgewicht sind, so dass die Düsennadel (4) eine definierte Position einnimmt.