EP4695851A1 - Ejektor-strahlpumpe - Google Patents

Ejektor-strahlpumpe

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Publication number
EP4695851A1
EP4695851A1 EP24733514.4A EP24733514A EP4695851A1 EP 4695851 A1 EP4695851 A1 EP 4695851A1 EP 24733514 A EP24733514 A EP 24733514A EP 4695851 A1 EP4695851 A1 EP 4695851A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
connection
water separator
water
jet pump
Prior art date
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Pending
Application number
EP24733514.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gionata LUISONI
Thomas Scherer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MTU Aero Engines AG
Original Assignee
MTU Aero Engines AG
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Filing date
Publication date
Application filed by MTU Aero Engines AG filed Critical MTU Aero Engines AG
Publication of EP4695851A1 publication Critical patent/EP4695851A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/14—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid
    • F04F5/24—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing liquids, e.g. containing solids, or liquids and elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/54—Installations characterised by use of jet pumps, e.g. combinations of two or more jet pumps of different type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters

Definitions

  • the invention relates to an ejector jet pump for a recirculation system of a fuel cell system of a fuel cell drive, in particular a fuel cell drive designed as an aircraft drive, for humidifying and recirculating hydrogen in the fuel cell system.
  • Ejector jet pumps are commonly used to recirculate gaseous hydrogen in proton-exchange-membrane (PEM) fuel cells.
  • Ejector jet pumps allow the unused hydrogen that exits the anode of a fuel cell as exhaust gas to be mixed with fresh hydrogen from a hydrogen tank and reused.
  • the excess hydrogen that leaves the fuel cell is very moist, with 90%-100% relative humidity, and may even be mixed with liquid water.
  • This moist excess hydrogen is used to humidify the dry hydrogen from the hydrogen tank before the mixture is returned to the fuel cell.
  • Humidification is an important function of the ejector jet pump, as it significantly improves the performance of the fuel cell. However, it is also important that no liquid water enters the fuel cell. For this reason, it is necessary to separate the liquid water component from the fuel cell system, especially from the recirculation circuit. This is usually achieved with a cyclone water separator.
  • the ejector jet pump with at least one fuel cell comprises a water separator for separating liquid water and forming droplet-free gas from a moist exhaust gas of the fuel cell, and a gas conveying device which is arranged downstream of the water separator, in particular adjacent to it.
  • the water separator has a suction connection for feeding the exhaust gas into the water separator and also a water outlet for discharging water separated from the moist exhaust gas.
  • the water separator has a droplet-free gas connection for droplet-free gas, a moist gas without water droplets, which opens into the gas conveying device.
  • the ejector jet pump according to claim 1 in that the water separator between the suction connection and the gas conveying device is tubular and has a curvature by an angle a of at least 60° and at most 160°, in particular 120°. Narrower limits of the angle a can also be selected, whereby the choice must not be arbitrary, but a flow must still be reasonable, i.e. it must be able to flow without major losses. Reasonable lower limits of the angle a can accordingly be 65°, 70°, 75°, 80° or 85°.
  • Reasonable upper limits of the angle a can accordingly be 155°, 150°, 145°, 140°, 135°, 130°, 125°, 120°, 115°, 110°, 105°, 100° or 95°.
  • a right-angled or approximately right-angled curvature is particularly preferred.
  • the water separator may comprise a first pipe section having a first main axis adjacent to the suction connection and a second pipe section having a second main axis adjacent to the gas conveying device, wherein the curvature between the first pipe section and the second pipe section can be arranged, and the angle a can be formed between the two main axes.
  • the exhaust gas from an anode of the fuel cell in particular is usually present as a moist hydrogen gas with a liquid portion.
  • the droplet-free gas is then a gas, in particular a hydrogen-nitrogen-water vapor mixture, without liquid water droplets.
  • the tube shape can preferably be circular.
  • the tube shape can have other shapes, for example an elliptical, polygonal or square shape, with the corresponding corners being rounded.
  • the fuel cell mentioned here can be representative of a fuel cell stack consisting of a plurality of fuel cells.
  • the water collection ring is arranged at a distance from the droplet release gas connection. This allows a simple separation of the separated water from the exhaust gas and the dehumidified droplet release gas thus formed from the exhaust gas. Furthermore, the distance between the water collection ring and the droplet release gas connection defined in a cross section of the water collection ring and radially to at least one of the center axes of the water collection ring or the droplet release gas connection along a radial can be at least 10% of the cross section of the water collection ring.
  • An inner wall diameter of the water collection ring is at least one and a half times, in particular at least twice as large as an inner wall diameter of the droplet release gas connection.
  • the water collection ring is arranged separately from the droplet release gas connection. This can be achieved, for example, by a common partition wall, which can in particular form the distance between the water collection ring and the droplet release gas connection. The separation allows the separated water and the droplet release gas to be drained away separately from one another in a particularly advantageous manner.
  • the droplet release gas connection tapers in the direction of flow. This reduces the overall cross-section and the gas can be advantageously accelerated in the direction of the gas conveying device. It can also be provided that a The outer and inner wall diameters taper uniformly so that the distance between an outer and an inner wall does not decrease.
  • a particularly preferred embodiment of the ejector jet pump provides that the gas delivery device has a propellant connection for supplying a propellant into a delivery chamber of the gas delivery device, and wherein the droplet-free gas and the propellant flow together in the delivery chamber of the gas delivery device.
  • the propellant particularly in an aviation application, is liquid hydrogen in the propellant tank, which is expanded at least in the delivery chamber or already upstream in a supply line and takes on a gaseous form.
  • the propellant is fed into the delivery chamber at high speed, at almost Mach speed or even over Mach speed, where it draws the droplet-free gas, which preferably enters laterally to its flow thread, and thus develops a pumping or suction effect in the water separator.
  • the design of the ejector jet pump can particularly preferably be further developed in such a way that the propellant connection with a propellant nozzle opens into the conveying chamber of the gas conveying device. This achieves an even higher speed of the propellant when entering the conveying chamber, so that the suction effect on the water separator is advantageously higher.
  • the droplet release gas connection of the water separator is arranged around the propellant connection. This is a particularly compact design, which at the same time advantageously introduces less friction into the flow and thus fewer cross flows.
  • the propellant connection runs at least partially through the water separator.
  • the propellant supply can advantageously enter the conveying chamber particularly undisturbed.
  • the droplet release gas connection and the propellant connection can be arranged concentrically to one another. This advantageously achieves both a uniform suction at the droplet release gas connection and a uniform mixing in the gas conveying device.
  • the gas conveying device has a diffuser downstream of the droplet release gas connection.
  • the outflowing gas is advantageously slowed down by a diffuser, so that the ejector jet pump can advantageously be integrated into a recirculation system with as little loss as possible.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a recirculation system with an embodiment of a jet ejector pump according to the invention
  • Fig. 2 shows the embodiment of the jet ejector pump according to the invention in a perspective view from the outside
  • Fig. 3 shows a section of the embodiment of the jet ejector pump according to the invention from Fig. 2
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an example of a recirculation system 1 of a fuel cell drive 1a.
  • the recirculation system 1 has an embodiment of an ejector jet pump 10 according to the invention.
  • the ejector jet pump 10 consists of a water separator 20 and a gas conveying device 30.
  • the recirculation system 1 further comprises at least one fuel cell 2 made of a fuel cell stack with at least one anode 3, with an anode inlet connection 3a and an anode outlet connection 3b being provided on the at least one anode 3.
  • a first recirculation line 6 leads from the anode outlet connection 3b to the water separator 20 of the ejector jet pump 10 and a second recirculation line 7 leads from the gas conveying device 30 of the ejector jet pump 10 to the anode inlet connection 3a.
  • propellant tank 4 which supplies the ejector jet pump 10 with a propellant, in the present embodiment with liquid hydrogen, via a supply line 8.
  • the supply line 8 is connected to the gas conveying device 20.
  • a discharge line 9 leads from the water separator 20 to a water system 5 of the fuel cell system.
  • FIG. 2 the embodiment of an ejector jet pump 10 according to the invention from Fig. 1 is shown in perspective.
  • the ejector jet pump 10 consists of a water separator 20 and a gas conveying device 30.
  • a sectional view of a section of the ejector jet pump 10 is shown by a The rectangle marked with dashed lines and designated III is shown in Fig. 3.
  • the water separator 20 has a suction connection 21 for connection to the first recirculation line 6 and further comprises a first pipe section 22 and a second pipe section 23, between which a bend 24 is arranged or which merge into one another with the bend 24, and a concentrically arranged water collection ring 25 with a water outlet 26 following downstream of the second pipe section 23, as well as a droplet release gas connection 27 arranged concentrically to the water collection ring 25.
  • the water outlet 26 is arranged in and on a wall of the water collection ring 25 opposite the suction connection 21 and from there directs the falling water for further use via the discharge line 9 to the water system 5 of the fuel cell system.
  • the opposite arrangement of the water outlet 26 is advantageous due to its proximity to the wall of the water separator 20 against which the flow passes, since the majority of the falling water will form on the wall against which the flow passes.
  • the two pipe sections 22, 23 are cylindrical in the present embodiment, but can also have other shapes as indicated in the introduction to the description.
  • the first pipe section 22 has a first main axis Hi and the second pipe section 23 has a second main axis Hi.
  • the main axes Hi and H2 intersect and form an angle a, which according to the invention can have a value between 60° and 120° and is 90° in the present embodiment. Accordingly, the water separator 20 has a curvature 23 of 90°.
  • the moist exhaust gas flowing in from the suction connection 21 is directed against an inner wall of the water separator 20 and can release water there, so that a dewatered droplet-free gas is then created and can flow along the flow direction S through the droplet-free gas connection 27 arranged further inside compared to the water collecting ring 25 with as little loss as possible.
  • the gas conveying device 30 is connected to the droplet release gas connection 27.
  • the gas conveying device 30 in turn comprises a propellant connection 31 with a propellant nozzle 32 shown in Fig. 3 and opening into a conveying chamber 33 of the gas conveying device 30, a diffuser 34 arranged downstream of the conveying chamber 34 and a downstream gas outlet connection 35 for connecting the ejector jet pump 10 to the second recirculation line 7.
  • Fig. 3 shows a section of the ejector jet pump 10 shown in Fig. 2 in a sectional view, in particular the connection between the water separator 20 and the gas conveying device 30.
  • the gas conveying device 30 has a third main axis Hs, which runs identically to the second main axis H2.
  • the water collection ring 25, an inlet of the droplet release gas connection 27 and a section of the propellant connection 31 arranged directly in front of the propellant nozzle 32 in the flow direction S are arranged concentrically to and next to each other around the third main axis Hs of the gas conveying device 30.
  • a partition wall 28 is arranged between the water collecting ring 25 and the inlet of the droplet-free gas connection 27, which separates the water collecting ring 25 from the droplet-free gas connection and gives the water collecting ring 25 a container-like ring shape in which water can collect. The water can then be drained through the water drain 26 in the water collecting ring 25.
  • the partition wall 28 is rounded on the side facing the dry wall connection 27 to reduce the flow resistance in the droplet-free gas connection 27, while the partition wall 28 is fully formed on the side facing the water collecting ring 25 and thus provides the largest possible inner surface for the water collecting ring 25. This advantageously increases the interior space of the water collecting ring 25, which serves as a water collecting container.
  • the droplet release gas connection 27 is arranged around the propellant nozzle 32 and has a constant height along the flow direction in the radial direction around the third main axis H3, but in the flow direction S corresponding to that of the propellant nozzle 32. This reduces the cross section of the droplet release gas connection 27, so that the dehumidified droplet release gas is accelerated. Since the propellant emerging from the propellant nozzle 32 also has a high flow velocity, this can advantageously reduce turbulence, i.e. the proportion of cross flows. It is understood that the height of the droplet release gas connection 27 can also taper in the flow direction in other embodiments, for example to further increase the acceleration of the flow.
  • the propellant exiting the propellant nozzle 32 sucks in the droplet-free gas due to the high flow speed and conveys it through the conveying chamber 33.
  • the conveying chamber 33 which is essentially cylindrical
  • the droplet-free gas and propellant are mixed, which further reduces the moisture of the escaping gas mixture due to the completely dry, i.e. water-free, state of the propellant.
  • the gas mixture present at the end of the conveying chamber 33 finally reaches the diffuser 34, the cross-section of which widens and thus slows down the flow to a speed that can be used in the recirculation line 6 connected to the gas outlet connection 35.
  • the combination of water separator 20 and gas conveying device 30 with a propellant connection 31 thus advantageously forms an efficient ejector jet pump with embedded water separator.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Ejektor-Strahlpumpe (10) für ein Rezirkulationssystem (1 ) eines in einem Brennstoffzellenantrieb (1a), insbesondere einem als Flugantrieb ausgebildeten Brennstoffzellenantrieb (1a), zur Befeuchtung und Rezirkulation von Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem, mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), umfassend einen Wasserabscheider (20) zur Abscheidung von Wasser und Bildung von Tropfenfreigas aus einem feuchten Abgas der Brennstoffzelle (2), und eine Gasfördervorrichtung (30), die stromabwärts des Wasserabscheiders (20), insbesondere angrenzend, angeordnet ist, wobei der Wasserabscheider (20) einen Sauganschluss (22) zur Zuführung des Abgases in den Wasserabscheider (20) aufweist, wobei der Wasserabscheider (20) einen Wasserabfluss (25) zur Abführung von aus dem feuchten Abgas abgeschiedenem Wasser aufweist, wobei der Wasserabscheider (20) eine Tropfenfreigasverbindung (27) aufweist, die in die Gasfördervorrichtung (30) mündet. Um für eine Luftfahrtanwendung besser geeignet zu sein, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Wasserabscheider (20) zwischen dem Sauganschluss (22) und der Gasfördervorrichtung (30) rohrförmig ausgebildet ist und eine Krümmung um einen Winkel a von mindestens 60° und höchstens 120° aufweist.

Description

Ejektor-Strahlpumpe
Die Erfindung betrifft eine Ejektor-Strahlpumpe für ein Rezirkulationssystem eines Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenantriebs, insbesondere einem als Flugantrieb ausgebildeten Brennstoffzellenantrieb, zur Befeuchtung und Rezirkulation von Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem.
Für die Rezirkulation von gasförmigem Wasserstoff in Protonen-Austausch- Membran- Brennstoffzellen (engl. „proton-exchange-membrane (PEM) fuel cell“) werden üblicherweise Ejektor-Strahlpumpen verwendet. Ejektor-Strahlpumpen ermöglichen den ungenutzten Wasserstoff, der als Abgas aus der Anode einer Brennstoffzelle austritt, mit frischem Wasserstoff aus einem Wasserstofftank zu mischen und wieder zu verwenden. Üblicherweise ist der überschüssige Wasserstoff, der die Brennstoffzelle verlässt mit 90%-100% relativer Feuchte sehr feucht und kann sogar mit flüssigen Wasser gemischt sein. Dieser feuchte überschüssige Wasserstoff wird genutzt, um den trockenen Wasserstoff aus dem Wasserstofftank zu befeuchten, bevor das Gemisch wieder zu der Brennstoffzelle geführt wird. Die Befeuchtung ist eine wichtige Funktion der Ejektor-Strahlpumpe, da sie die Performance der Brennstoffzelle deutlich verbessert. Es ist allerdings auch wichtig, dass kein flüssiges Wasser in die Brennstoffzelle eintritt. Aus diesem Grund ist es nötig, den flüssigen Wasseranteil aus dem Brennstoffzellensystem, insbesondere aus dem Rezirkulationskreislauf, abzuscheiden. Üblicherweise wird dies mit einem Zyklon-Wasserabscheider erzielt.
Die Anwendung einer Ejektor-Strahlpumpe in Verbindung mit einem Zyklon- Wasserabscheider für die Trennung des flüssigen Wassers wird oft in der Automobilindustrie verwendet, wo der frische Wasserstoff aus Hochdrucktanks mit einem Anlagedruck von 350-700 bar stammt. Damit steht in diesen Fällen für die Anwendung der Strahlpumpe viel Treibdruck zu Verfügung, um in einem geschlossenen Kreislauf die Rezirkulation zu ermöglichen. In Luftfahrtanwendungen werden Flüssigwasserstofftanks verwendet, die lediglich unter einem Druck von 5 bis 10 bar stehen. Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Ejektor-Strahlpumpe anzugeben, die für eine Anwendung in der Luftfahrt besser geeignet ist.
Eine erfindungsgemäße Ejektor-Strahlpumpe für ein Rezirkulationssystem eines Brennstoffzellensystems eines Brennstoffzellenantriebs, insbesondere einem als Flugantrieb ausgebildeten Brennstoffzellenantrieb, zur Befeuchtung und Rezirkulation von Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem. Die Ejektor- Strahlpumpe mit zumindest einer Brennstoffzelle umfasst einen Wasserabscheider zur Abscheidung von flüssigem Wasser und Bildung von Tropfenfreigas aus einem feuchten Abgas der Brennstoffzelle, und eine Gasfördervorrichtung, die stromabwärts des Wasserabscheiders, insbesondere angrenzend, angeordnet ist. Der Wasserabscheider weist einen Sauganschluss zur Zuführung des Abgases in den Wasserabscheider und ferner einen Wasserabfluss zur Abführung von aus dem feuchten Abgas abgeschiedenem Wasser auf. Darüber hinaus weist der Wasserabscheider eine Tropfenfreigasverbindung für Tropfenfreigas, einem feuchten Gas ohne Wassertropfen, auf, die in die Gasfördervorrichtung mündet.
Die Aufgabe wird von der erfindungsgemäßen Ejektor-Strahlpumpe gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Wasserabscheider zwischen dem Sauganschluss und der Gasfördervorrichtung rohrförmig ausgebildet ist und eine Krümmung um einen Winkel a von mindestens 60° und höchstens 160°, insbesondere 120° aufweist. Es können auch engere Grenzen des Winkels a gewählt werden, wobei die Wahl nicht beliebig sein darf, sondern eine Strömung noch sinnvoll, das heißt ohne größerer Verluste strömen können muss. Sinnvolle Untergrenzen des Winkels a können dementsprechend 65°, 70°, 75°, 80° oder 85° sein. Sinnvolle Obergrenzen des Winkels a können dementsprechend 155°, 150°, 145°, 140°, 135°, 130°, 125°, 120°, 115°, 110°, 105°, 100° oder 95° sein. Besonders bevorzugt ist eine rechtwinklige oder annähernd rechtwinklige Krümmung.
Der Wasserabscheider kann einen an den Sauganschluss angrenzenden ersten Rohrabschnitt mit einer ersten Hauptachse und einen an die Gasfördervorrichtung angrenzenden zweiten Rohrabschnitt mit einer zweiten Hauptachse umfassen, wobei die Krümmung zwischen dem ersten Rohrabschnitt und dem zweiten Rohrabschnitt angeordnet sein kann, und wobei der Winkel a zwischen den beiden Hauptachsen gebildet sein kann. Das Abgas aus insbesondere einer Anode der Brennstoffzelle liegt üblicherweise als ein feuchtes Wasserstoffgas mit einem flüssigen Anteil vor. Das Tropfenfreigas ist dann ein Gas, insbesondere ein Wasserstoff-Stickstoff- Wasserdampf Gemisch, ohne flüssige Wassertropfen. Die Rohrform kann vorzugsweise kreisförmig sein. Es ist aber auch möglich, dass die Rohrform andere Formen aufweist, beispielsweise eine elliptische, vieleckige oder viereckige Form, wobei die entsprechenden Ecken abgerundet sind. Die hierin genannte Brennstoffzelle kann stellvertretend für einen Brennstoffzellenstapel bestehend aus einer Mehrzahl an Brennstoffzellen stehen.
Dadurch, dass das anströmende feuchte Abgas mit einem flüssigen Anteil in der Ejektor-Strahlpumpe in dem Wasserabscheider umgelenkt wird, wird das Abgas auf eine Wand des Wasserabscheiders geleitet. Die in dem feuchten Abgas vorliegenden Wassertropfen haften an den angeströmten Wänden und die nunmehr teils entfeuchtete Gasströmung kann mit geringem Reibverlust weitergeleitet werden Dies ist insbesondere für eine Ejektor-Strahlpumpe, die zur Bereitstellung eines Treibmittels mit einem unter nur geringem Druck stehenden Flüssigwasserstofftank verbunden ist, von Vorteil, denn es entstehen nur sehr geringe Druckverluste in dem Wasserabscheider und somit in der vorgeschlagenen, erfindungsgemäßen Ejektor- Strahlpumpe.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie den abhängigen Ansprüchen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Ejektor-Strahlpumpe dadurch weitergebildet, dass der Wasserabscheider an seinem der Gasfördervorrichtung zugewandten Ende einen Wassersammelring aufweist, aus dem der Wasserabfluss mündet. Dadurch ist die Strömungsrichtung innerhalb des Wasserabscheiders sowohl für die Gas- als auch für die Flüssigphase des feuchten Abgases beziehungsweise seiner flüssigen und gasförmigen Bestandteile gleich, so dass sich die Druckverluste zumindest gegenüber einem Zyklon noch weiter reduzieren lassen. Der Wassersammelring ist vorzugsweise als ein Sammelbecken ausgebildet, in dem die Bewegung des abgeschiedenen Wassers von der Hauptströmungsrichtung hin zu dem Wasserabfluss gelenkt wird. In einem Querschnitt kann der Wassersammelring eine Taschenform aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Ejektor-Strahlpumpe ist der Wassersammelring konzentrisch zu dem Tropfenfreigasaustritt angeordnet. So kann eine Überdeckung des Wassersammelrings und des Tropfenfreigasaustritts erzielt werden. Dies ist eine besonders kompakte und platzsparende Anordnung der beiden Komponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Ejektor-Strahlpumpe ist der Wassersammelring zu der Tropfenfreigasverbindung beabstandet angeordnet ist. Dies erlaubt eine einfache Trennung des abgeschiedenen Wassers aus dem Abgas und des so aus dem Abgas gebildeten entfeuchteten Tropfenfreigases. Ferner kann der in einem Querschnitt des Wassersammelrings und radial zu zumindest einer der Mittelachse des Wassersammelrings oder der Tropfenfreigasverbindung entlang einer Radialen definierte Abstand zwischen dem Wassersammelring und der Tropfenfreigasverbindung mindestens 10% des Querschnitts des Wassersammelrings betragen. Ein Innenwanddurchmesser des Wassersammelrings ist mindestens anderthalbmal, insbesondere mindestens doppelt so groß wie ein Innenwanddurchmesser der Tropfenfreigasverbindung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Wassersammelring von der Tropfenfreigasverbindung getrennt angeordnet ist. Dies kann beispielsweise durch eine gemeinsame Trennwand erzielt werden, die insbesondere den Abstand zwischen den Wassersammelring und der Tropfenfreigasverbindung bilden kann. Durch die Trennung können das abgeschiedene Wasser und das Tropfenfreigas besonders günstig voneinander getrennt abgeleitet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Ejektor-Strahlpumpe verjüngt sich die Tropfenfreigasverbindung in Strömungsrichtung. Dadurch reduziert sich der Gesamtquerschnitt und das Gas kann in Richtung auf die Gasfördervorrichtung vorteilhaft beschleunigt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich ein Außen- und ein Innenwanddurchmesser gleichförmig verjüngen, so dass sich der Abstand zwischen einer Außen- und einer Innenwand nicht verringert.
Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Ejektor-Strahlpumpt sieht vor, dass die Gasfördervorrichtung einen Treibmittelanschluss zur Zuführung eines Treibmittels in eine Förderkammer der Gasfördervorrichtung aufweist und wobei das Tropfenfreigas und das Treibmittel in der Förderkammer der Gasfördervorrichtung zusammenströmen. Dadurch wird eine besonders effiziente Förderpumpe geschaffen, die auch bei geringem Förderdruck des Treibmittels bereits gut arbeitet, was insbesondere für eine Luftfahrtanwendung von Vorteil ist. Das Treibmittel ist insbesondere in einer Luftfahrtanwendung im Treibmitteltank flüssiger Wasserstoff, der zumindest in der Förderkammer oder bereits stromaufwärts in einer Zufuhrleitung entspannt wird und eine Gasform annimmt. Das Treibmittel wird mit hoher Geschwindigkeit mit annähernd Machgeschwindigkeit oder sogar Übermachgeschwindigkeit in die Förderkammer geleitet, wo es die vorzugsweise seitlich zu seinem Stromfaden eintretendes Tropfenfreigas mitzieht und so eine Pump- beziehungsweise Sogwirkung in dem Wasserabscheider entfaltet.
Der Wasserabscheider kann einen ersten Rohrabschnitt und einen zweiten Rohrabschnitt umfassen, zwischen denen sich die Krümmung befinden kann. Dabei kann der Treibmittelanschluss einen dritten Rohrabschnitt zur Zuführung des Treibmittels in die Förderkammer umfassen, wobei der dritte Rohrabschnitt im Bereich der Krümmung von außerhalb des Wasserabscheiders in diesen hinein, insbesondere durch einer Rohrwand des Wasserabscheiders hindurch, verlaufen kann und innerhalb des zweiten Rohrabschnitts, insbesondere im Wesentlichen konzentrisch mit diesem, verlaufen kann. Im Wesentlichen konzentrisch kann bedeuten, dass ein Zentrum des dritten Rohrabschnitts, nicht mehr als 50%, vorzugsweise 40%, besonders vorzugsweise 30%, insbesondere 20% einer maximalen Querschnittsabmessung des zweiten Rohrabschnitts an der betreffenden Stelle zu einem Zentrum des zweiten Rohrabschnitts versetzt ist. Eine derartige aus Rohrabschnitten zusammengesetzten Ejektor-Strahlpumpe gestattet eine besonders einfache und besonders leichte Bauweise, die sich insbesondere für Fluganwendungen besonders vorteilhaft ist. Die Rohre bzw. der erste, zweite und dritte Rohrabschnitt können insbesondere aus Blech gebildet sein bzw. Blechrohrwände umfassen.
Die Ausbildung der Ejektor-Strahlpumpe kann besonders bevorzugt so weitergebildet sein, dass der Treibmittelanschluss mit einer Treibmitteldüse in die Förderkammer der Gasfördervorrichtung mündet. Dadurch wird bei dem Eintritt in die Förderkammer eine noch höhere Geschwindigkeit des Treibmittels erzielt, so dass die Sogwirkung auf den Wasserabscheider vorteilhaft höher ist.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Tropfenfreigasverbindung des Wasserabscheiders um den Treibmittelanschluss herum angeordnet ist. Dies ist eine besonders kompakte Bauform, die gleichzeitig vorteilhaft eine geringere Reibung in die Strömung und damit weniger Querströmungen einführt.
Ferner kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Treibmittelanschluss zumindest abschnittsweise durch den Wasserabscheider verläuft. Zwar entsteht dadurch in dem Wasserabscheider ein geringes Hindernis, allerdings kann die Treibmittelzufuhr in die Förderkammer vorteilhaft besonders ungestört eintreten.
Ferner können in einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Ejektor-Strahlpumpe die Tropfenfreigasverbindung und der Treibmittelanschluss konzentrisch zueinander angeordnet sein. Dadurch wird vorteilhaft sowohl ein gleichmäßiger Sog an der Tropfenfreigasverbindung und eine gleichmäßige Durchmischung in der Gasfördervorrichtung erzielt.
Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform der Ejektor-Strahlpumpe vorgesehen sein, dass die Gasfördervorrichtung stromabwärts der Tropfenfreigasverbindung einen Diffusor aufweist. Durch einen Diffusor wird das abströmende Gas vorteilhaft verzögert, so dass die Ejektor-Strahlpumpe vorteilhaft möglichst verlustfrei in ein Rezirkulationssystem eingebunden werden kann.
Die Erfindung wird bezüglich der nachfolgenden Zeichnungen anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Rezirkulationssystem mit einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel einer Strahl-Ejektorpumpe
Fig. 2 zeigt das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel der Strahl-Ejektorpumpe in einer perspektivischen Darstellung von außen
Fig. 3 zeigt einen in einer Schnittansicht dargestellten Ausschnitt des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Strahl-Ejektorpumpe aus Fig. 2
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung ein Beispiel für ein Rezirkulationssystem 1 eines Brennstoffzellenantriebs 1a gezeigt.
Das Rezirkulationssystem 1 weist dabei ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Ejektor-Strahlpumpe 10 auf. Die Ejektor-Strahlpumpe 10 besteht in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Wasserabscheider 20 und einer Gasfördervorrichtung 30. Das Rezirkulationssystem 1 umfasst ferner zumindest eine Brennstoffzelle 2 aus einem Brennstoffzellenstapel mit zumindest einer Anode 3 wobei an der zumindest einen Anode 3 ein Anodeneingangsanschluss 3a und ein Anodenausgangsanschluss 3b vorgesehen sind. Von dem Anodenausgangsanschluss 3b führt eine erste Rezirkulationsleitung 6 zu dem Wasserabscheider 20 der Ejektor-Strahlpumpe 10 und von der Gasfördervorrichtung 30 der Ejektor-Strahlpumpe 10 führt eine zweite Rezirkulationsleitung 7 zu dem Anodeneingangsanschluss 3a.
Ferner ist zumindest ein Treibmitteltank 4, der die Ejektor-Strahlpumpe 10 mit einem Treibmittel, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit flüssigen Wasserstoff über eine Zufuhrleitung 8 versorgt. Die Zufuhrleitung 8 ist dabei an die Gasfördervorrichtung 20 angeschlossen.
Schließlich führt eine Abfuhrleitung 9 von dem Wasserabscheider 20 zu einem Wassersystem 5 des Brennstoffzellsystems.
In Fig. 2 ist das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel einer Ejektor-Strahlpumpe 10 aus Fig. 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Die Ejektor-Strahlpumpe 10 besteht aus einem Wasserabscheider 20 und einer Gasfördervorrichtung 30. Eine Schnittansicht eines Ausschnitts der Ejektor-Strahlpumpe 10 ist durch ein mit gestrichelten Linien gezeichnetes und mit III bezeichnetes Rechteck markiert und in Fig. 3 gezeigt.
Der Wasserabscheider 20 weist zur Anbindung an die erste Rezirkulationsleitung 6 einen Sauganschluss 21 auf und umfasst ferner einen ersten Rohrabschnitt 22 und einen zweiten Rohrabschnitt 23, zwischen denen eine Krümmung 24 angeordnet ist bzw. die mit der Krümmung 24 ineinander übergehen und einen auf den zweiten Rohrabschnitt 23 stromabwärts folgenden, konzentrisch angeordneten Wassersammelring 25 mit einem Wasserabfluss 26 sowie eine konzentrisch zu dem Wassersammelring 25 angeordnete Tropfenfreigasverbindung 27. Der Wasserabfluss 26 ist dabei in und an einer dem Sauganschluss 21 gegenüber liegenden Wand des Wassersammelrings 25 angeordnet und leitet von dort das abfallende Wasser zur weiteren Verwendung über die Abfuhrleitung 9 an das Wassersystem 5 des Brennstoffzellsystems. Die gegenüberliegende Anordnung des Wasserabflusses 26 ist aufgrund der Nähe zu der angeströmten Wand des Wasserabscheiders 20 vorteilhaft, denn an der angeströmten Wand wird sich der Hauptteil des abfallenden Wassers bilden.
Die beiden Rohrabschnitte 22, 23 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zylindrisch ausgebildet, können aber auch wie in der Beschreibungseinleitung angedeutet andere Formen aufweisen. Der erste Rohrabschnitt 22 weist eine erste Hauptachse Hi und der zweite Rohrabschnitt 23 eine zweite Hauptachse Hi auf. Die Hauptachsen Hi und H2 schneiden sich und bilden einen Winkel a, der erfindungsgemäß einen Wert zwischen 60° und 120° einnehmen kann und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiele 90° beträgt. Entsprechend weist der Wasserabscheider 20 eine Krümmung 23 von 90° auf.
Durch diese Krümmung wird das aus dem Sauganschluss 21 einströmende feuchte Abgas gegen eine Innenwand des Wasserabscheiders 20 geleitet und kann dort Wasser abgegeben, so dass ein dann entwässertes Tropfenfreigas entsteht und entlang der Strömungsrichtung S durch die gegenüber dem Wassersammelring 25 weiter innen angeordnete Tropfenfreigasverbindung 27 möglichst verlustarm strömen kann. An die Tropfenfreigasverbindung 27 ist die Gasfördervorrichtung 30 angeschlossen. Die Gasfördervorrichtung 30 umfasst ihrerseits einen Treibmittelanschluss 31 mit einer in Fig. 3 dargestellten und in eine Förderkammer 33 der Gasfördervorrichtung 30 mündende Treibmitteldüse 32, einen an die Förderkammer 34 stromabwärts angeordneten Diffusor 34 und einen stromabwärts folgenden Gasaustrittsanschluss 35 zur Verbindung der Ejektor-Strahlpumpe 10 mit der zweiten Rezirkulationsleitung 7.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt der in Fig. 2 dargestellten Ejektor-Strahlpumpe 10 in einer Schnittdarstellung, insbesondere der Verbindung zwischen dem Wasserabscheider 20 und der Gasfördervorrichtung 30. Die Gasfördervorrichtung 30 weist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine dritte Hauptachse Hs auf, die identisch zu der zweiten Hauptachse H2 verläuft.
Der Wassersammelring 25, ein Einlass der Tropfenfreigasverbindung 27 und ein in Strömungsrichtung S vor der Treibmitteldüse 32 unmittelbar angeordneter Abschnitt des Treibmittelanschlusses 31 sind dabei konzentrisch zu- und nebeneinander um die dritte Hauptachse Hs der Gasfördervorrichtung 30 angeordnet.
Zwischen dem Wassersammelring 25 und dem Einlass der Tropfenfreigasverbindung 27 ist eine Trennwand 28 angeordnet, die den Wassersammelring 25 von der Tropfenfreigasverbindung trennt und die dem Wassersammelring 25 eine behälterartige Ringform verleiht, in der sich Wasser sammeln kann. Das Wasser kann dann durch den Wasserabfluss 26 in dem Wassersammelring 25 abgeleitet werden. Die Trennwand 28 ist zur Verringerung des Strömungswiderstandes in die Tropfenfreigasverbindung 27 an dem der Trockenwandverbindung 27 zugewandten Seite abgerundet, während die Trennwand 28 auf der dem Wassersammelring 25 zugewandten Seite voll ausgebildet ist und damit eine möglichst große Innenfläche für den Wassersammelring 25 bereitstellt. Dadurch wird der Innenraum des als Wasserauffangbehälter dienenden Wassersammelrings 25 vorteilhaft vergrößert.
Man erkennt ferner, dass die Tropfenfreigasverbindung 27 um die Treibmitteldüse 32 angeordnet ist und eine in radialer Richtung um die dritte Hauptachse H3 konstante Höhe entlang der Strömungsrichtung aufweist, sich allerdings in Strömungsrichtung S entsprechend zu der der Treibmitteldüse 32 verjüngt. Dadurch reduziert sich der Querschnitt der Tropfenfreigasverbindung 27, so dass das entfeuchtete Tropfenfreigas beschleunigt wird. Da auch das aus der Treibmitteldüse 32 austretende Treibmittel eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweist, kann dadurch vorteilhaft eine Verwirbelung, das heißt der Anteil an Querströmungen verringert werden. Es versteht sich, dass sich auch die Höhe der Tropfenfreigasverbindung 27 in anderen Ausführungsbeispielen in Strömungsrichtung verjüngen kann, um beispielsweise die Beschleunigung der Strömung weiter zu erhöhen.
Das aus der Treibmitteldüse 32 austretende Treibmittel saugt das Tropfenfreigas aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit an und fördert es durch die Förderkammer 33 mit. Bei einem Durchströmen der Förderkammer 33, welche im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet ist, werden Tropfenfreigas und Treibmittel gemischt, was aufgrund des vollständig trockenen, das heißt wasserfreien Zustands des Treibmittels, die Feuchtigkeit des austretenden Gasgemisches weiter verringert. Das am Ende der Förderkammer 33 vorliegende Gasgemisch erreicht schließlich den Diffusor 34, dessen Querschnitt sich weitet und so die Strömung auf eine in der an den Gasaustrittanschluss 35 anschließenden Rezirkulationsleitung 6 nutzbare Geschwindigkeit abbremst.
Durch die Kombination aus Wasserabscheider 20 und Gasfördervorrichtung 30 mit einem Treibmittelanschluss 31 ist somit vorteilhaft eine effiziente Ejektor- Strahlpumpe mit eingebettetem Wasserabscheider gebildet.
Bezugszeichenliste
1 Rezirkulationssystem
1a Brennstoffzellenantrieb
2 Brennstoffzelle
3 Anode
3a Anodeneingangsanschluss
3b Anodenausgangsanschluss
4 Treibmitteltank
5 Wassersystem
6 erste Rezirkulationsleitung
7 zweite Rezirkulationsleitung
8 Zufuhrleitung
9 Abfuhrleitung
10 Ejektor-Strahlpumpe
20 Wasserabscheidekammer
21 Sauganschluss
22 erster Rohrabschnitt
23 zweiter Rohrabschnitt
36 dritter Rohrabschnitt
24 Krümmung
25 Wassersammelring
26 Wasserabfluss
27 Tropfenfreigasverbindung
28 Trennwand
30 Gasfördervorrichtung
31 Treibmittelanschluss
32 Treibmitteldüse
33 Gasaustrittskammer 34 Diffusor
35 Gasaustrittsanschluss a Winkel zwischen der ersten und zweiten Hauptachse Hi erste Hauptachse
H2 zweite Hauptachse
Hs dritte Hauptachse

Claims

Patentansprüche
1 . Ejektor-Strahlpumpe (10) für ein Rezirkulationssystem (1 ) eines Brennstoffzellsystems in einem Brennstoffzellenantrieb (1a), insbesondere einem als Flugantrieb ausgebildeten Brennstoffzellenantrieb (1a), zur Befeuchtung und Rezirkulation von Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem, mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), umfassend einen Wasserabscheider (20) zur Abscheidung von flüssigem Wasser und Bildung von Tropfenfreigas aus einem feuchten Abgas der Brennstoffzelle (2), und eine Gasfördervorrichtung (30), die stromabwärts des Wasserabscheiders (20), insbesondere angrenzend, angeordnet ist, wobei der Wasserabscheider (20) einen Sauganschluss (21 ) zur Zuführung des Abgases in den Wasserabscheider (20) aufweist, wobei der Wasserabscheider (20) einen Wasserabfluss (26) zur Abführung von aus dem feuchten Abgas abgeschiedenem Wasser aufweist, wobei der Wasserabscheider (20) eine Tropfenfreigasverbindung (27) aufweist, die in die Gasfördervorrichtung (30) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (20) zwischen dem Sauganschluss (21 ) und der Gasfördervorrichtung (30) rohrförmig ausgebildet ist und eine Krümmung (24) um einen Winkel a von mindestens 60° und höchstens 160° aufweist.
2. Ejektor-Strahlpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (20) an seinem der Gasfördervorrichtung (30) zugewandten Ende einen Wassersammelring (25) aufweist, aus dem der Wasserabfluss (26) mündet.
3. Ejektor-Strahlpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassersammelring (25) konzentrisch zu dem Tropfenfreigasaustritt angeordnet ist.
4. Ejektor-Strahlpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassersammelring (25) zu der Tropfenfreigasverbindung (27) beabstandet angeordnet ist.
5. Ejektor-Strahlpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassersammelring (25) von der Tropfenfreigasverbindung (27) getrennt angeordnet ist.
6. Ejektor-Strahlpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tropfenfreigasverbindung (27) in Strömungsrichtung verjüngt.
7. Ejektor-Strahlpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasfördervorrichtung (30) einen Treibmittelanschluss (31 ) zur Zuführung eines Treibmittels in eine Förderkammer (33) der Gasfördervorrichtung (30) aufweist und wobei das Tropfenfreigas und das Treibmittel in der Förderkammer (33) der Gasfördervorrichtung (30) zusammenströmen.
8. Ejektor-Strahlpumpe nach Anspruch 7, wobei der Wasserabscheider (20) einen ersten Rohrabschnitt (22) und einen zweiten Rohrabschnitt (23) umfasst, zwischen denen sich die Krümmung (24) befindet, wobei der Treibmittelanschluss (31 ) einen dritten Rohrabschnitt (36) zur Zuführung des Treibmittels in die Förderkammer (33) umfasst, wobei der dritte Rohrabschnitt (36) im Bereich der Krümmung (24) von außerhalb des Wasserabscheiders (20) in diesen hinein, insbesondere durch einer Rohrwand des Wasserabscheiders (20) hindurch, verläuft und innerhalb des zweiten Rohrabschnitts (23), insbesondere im Wesentlichen konzentrisch mit diesem, verläuft.
9. Ejektor-Strahlpumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibmittelanschluss (31 ) mit einer Treibmitteldüse (32) in die Förderkammer (33) der Gasfördervorrichtung (30) mündet.
10. Ejektor-Strahlpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenfreigasverbindung (27) des Wasserabscheiders (20) um den Treibmittelanschluss (31 ) herum angeordnet ist.
11 . Ejektor-Strahlpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibmittelanschluss (31 ) zumindest abschnittsweise durch den Wasserabscheider (20) verläuft.
12. Ejektor-Strahlpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tropfenfreigasverbindung (27) und der Treibmittelanschluss (31 ) konzentrisch zueinander angeordnet sind.
13. Ejektor-Strahlpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasfördervorrichtung (30) stromabwärts der
Tropfenfreigasverbindung (27) einen Diffusor (35) aufweist.
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