WO2022112424A1 - Anodenkreislauf - Google Patents

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WO2022112424A1
WO2022112424A1 PCT/EP2021/083019 EP2021083019W WO2022112424A1 WO 2022112424 A1 WO2022112424 A1 WO 2022112424A1 EP 2021083019 W EP2021083019 W EP 2021083019W WO 2022112424 A1 WO2022112424 A1 WO 2022112424A1
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WO
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line
gas
anode circuit
flow
propellant gas
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PCT/EP2021/083019
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Inventor
Joachim Karnahl
Daniel Kramer
Sven Pegel
Original Assignee
Cellcentric Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Priority to CN202180077458.5A priority patent/CN116568934A/zh
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to an anode circuit for a fuel cell with several gas jet pumps according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1.
  • the recirculation of anode waste gas in fuel cell systems is well known and customary.
  • the anode waste gas is returned to the anode inlet, usually via a water separator, by means of a recirculation line and is mixed with fresh fuel gas and fed back into it so that an excess of hydrogen can always be metered into the active surface of the anode without significant hydrogen losses.
  • recirculation fans and, alternatively or additionally, gas jet pumps are known for the recirculation of the anode exhaust gas.
  • gas jet pumps typically varies with the metered volume flow, the so-called propellant gas flow.
  • the geometry of the gas jet pump is designed to match the respective propellant gas flow in order to obtain ideal recirculation even with different volume flows of metered hydrogen.
  • movable nozzle needles are often used, which sit inside a nozzle of the gas jet pump and release different flow cross sections in the nozzle by moving in the direction of flow and against the direction of flow. This is relatively complex and relatively susceptible to freezing due to the moving parts arranged directly in the nozzle.
  • KR 2012 0057996 A adopts such a structure with several nozzle bodies in a single gas jet pump and creates a device that optimizes the structure described by means of a rotary valve.
  • a rotatable valve body can be pivoted via the rotary valve in such a way that one or more of the nozzles can be used selectively.
  • the principle is also known in principle from the field of cooling circuits and is correspondingly previously described in JP 2005-155571 A1.
  • the object of the present invention is to further develop an anode circuit according to the preamble of claim 1 such that it can be optimized depending on the situation with an efficient and compact structure with regard to the recirculation efficiency.
  • the anode circuit according to the invention for a fuel cell thus comprises at least one gas jet pump for the recirculation of anode waste gas, like the structure described in the prior art mentioned at the outset.
  • the fuel gas serves as a propellant gas flow, which flows through the nozzle of the at least one gas jet pump and sucks in anode waste gas from a recirculation line.
  • the resulting mixture then flows out of the gas jet pump via a discharge line and typically to the anode chamber of the fuel cell, in particular a stack or stacks of individual cells.
  • nozzles with different geometries are arranged in one nozzle body. This can be moved relative to the propellant gas line in such a way that one of the nozzles can be used selectively.
  • the individual nozzles in a common nozzle body are brought into the area of the propellant gas line by an actuator, for example by a linear movement or by this be pivoted into the area.
  • the suitable nozzle can be selected from the common nozzle body and brought into the use position.
  • the nozzle body itself can, for example, be designed in the form of a strip and must then be displaced via a linearly acting actuator transversely to the propellant gas line, which, according to an advantageous development, is ideally aligned with the outflow line. It is particularly efficient and favorable with regard to the required installation space if the nozzle body is designed to be rotatable, specifically with an axis of rotation arranged eccentrically to the propellant gas line.
  • the central axes of the individual nozzles are ideally arranged on a constant radius around the axis of rotation of the nozzle body. For example, depending on the diameter of the nozzle body, four to six individual nozzles can be kept available and, if necessary, turned into the propellant gas line of the gas jet pump.
  • the nozzle body tapers in the direction of flow of the propellant gas flow, so that the flow resistance for the sucked-in exhaust gas flow is correspondingly reduced and this is guided into the gas jet pump with an ideal flow geometry.
  • the recirculation line can open into the gas jet pump in any way.
  • the recirculated gas stream and the propellant gas stream can flow into the gas jet pump parallel to one another.
  • An anti-parallel orientation with a deflection within the gas jet pump is also conceivable in principle.
  • the recirculation line is arranged at an angle to the propellant gas line and/or the outflow line, in particular it is perpendicular to the alignment of these two lines.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system, shown in principle, in an at least partially electrically driven vehicle
  • FIG. 2 shows a gas jet pump according to the invention in a sectional view in a first operating state
  • FIG. 3 shows the gas jet pump according to FIG. 2 in a second operating state
  • FIG. 4 shows a plan view of the nozzle body used in the gas jet pump according to FIGS.
  • a vehicle for example a passenger vehicle or a commercial vehicle, can be seen schematically indicated, which draws at least part of its electrical drive power from a fuel cell system designated by 2.
  • the core of this fuel cell system 2 is formed by a fuel cell 3.
  • the fuel cell 3 is designed as a fuel cell stack made up of a large number of individual cells in a manner known per se.
  • a common anode compartment 4 and a common cathode compartment 5 are indicated here purely by way of example.
  • the fuel cell 3 should be designed as a PEM fuel cell, for example.
  • the fuel cell 3 is supplied with hydrogen H2 from a hydrogen store, not shown here, for example a compressed gas storage system.
  • the hydrogen reaches the anode chamber 4 of the fuel cell 3 as a propulsion jet via a gas jet pump 6.
  • Exhaust gas from the anode chamber 4 returns to the gas jet pump 6 via a recirculation line 7 and is sucked in by the latter and mixed with the fresh hydrogen, fed back to the anode chamber 4.
  • This so-called anode circuit 8 is generally known to those skilled in the art of fuel cell systems.
  • the anode circuit 8 can also have a water separator and/or a blow-off valve 9 in order to drain water and/or inert gases that accumulate in the anode circuit 8 over time, for example from time to time or depending on the hydrogen concentration, from the anode circuit 8. It could also have a recirculation fan as a supplement to the gas jet pump 6, but this is not shown here, comparable to the water separator. Released gases reach an exhaust air line 11 of the fuel cell system 2 via a line labeled 10.
  • Air is supplied to the cathode chamber 5 as an oxygen supplier via an air conveying device 12 and a gas/gas humidifier 13 indicated here by way of example.
  • the exhaust air then passes through the gas/gas humidifier 13 into the environment via the already mentioned exhaust air line 11 .
  • All of this is well known and common to those skilled in the art of fuel cell systems. He also knows that other components such as charge air coolers, water separators, exhaust air turbines and the like can also be provided. However, all of this plays a subordinate role for the present invention with regard to the anode circuit 8, so that it is not discussed further.
  • FIG. 2 now shows the gas jet pump 6 indicated schematically in FIG. 1, which is referred to as a jet pump, in cross section.
  • a propellant gas line 14 can be seen and aligned with it, in a venturi tube configuration, is a discharge line 15, through which the mixture of propellant jet flowing in through the propellant gas line 14 and exhaust gas of the anode chamber 4 sucked in via the recirculation line 7 flows back to the anode chamber 4.
  • the special feature of the gas jet pump 6 is a nozzle body, designated 16, which can be rotated about an axis of rotation 17, which is different from the central axis of the propellant gas line 14 and the outflow line 15 aligned with it.
  • Several individual nozzles 18 are now formed in this nozzle body 16 .
  • FIG. 2 there is a nozzle labeled 18 .
  • Its geometry is designed in such a way that, at this volume flow, it creates good conditions for sucking in the exhaust gas flow from the recirculation line 7, in particular that a flow velocity above the speed of sound occurs and the suction behavior of the gas jet pump 6 is thereby optimized at this volume flow.
  • the same structure of the gas jet pump 6 is shown again in the representation of FIG.
  • the nozzle body 16 is rotated accordingly about the axis of rotation 17, so that the nozzle labeled 18.1 is now located outside the area through which the gas flows, and that a nozzle labeled 18.2 for a correspondingly smaller volume flow of the metered hydrogen is aligned between the propellant gas line 14 and the outflow line 15 has been pivoted and is now active within the gas jet pump 6.
  • the structure of the nozzle body 16, which tapers in the direction of flow, corresponds approximately to the barrel of a barrel revolver and can be seen in a plan view in the representation of FIG.
  • nozzles 18.1-18.4 each designed with the same starting diameter that matches the propellant gas line 14, handle the individual volume flows in the desired manner.
  • the structure could be expanded such that, for example, five, six, seven or more individual nozzles 18 are formed in the nozzle body 16, which is designed to be rotationally symmetrical here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf (8) für eine Brennstoffzelle (3) mit wenigstens einer Gasstrahlpumpe (6) zur Rezirkulation von Anodenabgas, welche wenigstens eine vom Brenngas (H2) als Treibgasstrom durchströmbare Düsen (18) aufweist, und welche eine Treibgasleitung (14), eine Rezirkulationsleitung (7) und eine Abströmleitung (15) aufweisen. Der erfindungsgemäße Anodenkreislauf ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (18) mit unterschiedlicher Geometrie in einem Düsenkörper (16) angeordnet sind, welcher relativ zu der Treibgasleitung (14) in der Art beweglich ist, dass jeweils eine der Düsen (18) wahlweise nutzbar ist.

Description

Anodenkreislauf
Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf für eine Brennstoffzelle mit mehreren Gasstrahlpumpen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Die Rezirkulation von Anodenabgas in Brennstoffzellensystemen ist allgemein bekannt und üblich. Dafür wird das Anodenabgas, meist über einen Wasserabscheider, mittels einer Rezirkulationsleitung zum Anodeneingang zurückgeleitet und wird diesem vermischt mit frischem Brenngas erneut zugeführt, um so ohne nennenswerte Wasserstoffverluste immer mit einem Wasserstoffüberschuss in die aktive Fläche der Anode dosieren zu können. Für die Rezirkulation des Anodenabgases sind dabei einerseits Rezirkulationsgebläse und alternativ oder ergänzend hierzu Gasstrahlpumpen bekannt.
Dabei ist es so, dass die Effizienz von Gasstrahlpumpen typischerweise mit dem zudosierten Volumenstrom, dem sogenannten Treibgasstrom, variiert. Im Idealfall ist die Geometrie der Gasstrahlpumpe passend zum jeweiligen Treibgasstrom ausgebildet, um so auch bei verschiedenen Volumenströmen an dosiertem Wasserstoff eine ideale Rezirkulation zu erhalten. Um dies in der Praxis zu realisieren, sind dabei häufig bewegliche Düsennadeln im Einsatz, welche im Inneren einer Düse der Gasstrahlpumpe sitzen und durch eine Bewegung in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung unterschiedliche Strömungsquerschnitte in der Düse freigeben. Dies ist relativ aufwändig und durch die direkt in der Düse angeordneten beweglichen Teile relativ anfällig gegen Einfrieren.
Aus der allgemeinen Praxis ist es außerdem bekannt, mehrere Gasstrahlpumpen parallel anzuordnen. Über aufwendige Ventile und Leitungen lassen sich diese dann in der Art verschalten, dass entweder die eine oder die andere oder mehrere der Gasstrahlpumpen gemeinsam genutzt werden können. Dies ist ebenfalls relativ aufwändig und durch die Vielzahl von Leitungen und Ventilen relativ teuer.
Die KR 2012 0057996 A übernimmt einen derartigen Aufbau mit mehreren Düsenkörpern in einer einzigen Gasstrahlpumpe und schafft über ein Drehventil eine den beschriebenen Aufbau optimierende Vorrichtung. Über das Drehventil lässt sich ein drehbarer Ventilkörper so verschwenken, dass eine oder mehrere der Düsen wahlweise zum Einsatz kommen. Das Prinzip ist auch aus dem Bereich von Kühlkreisläufen prinzipiell bekannt und in der JP 2005-155571 A1 entsprechend vorbeschrieben. Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Anodenkreislauf gemäß dem Oberbergriff des Anspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, dass dieser bei einem effizienten und kompakten Aufbau hinsichtlich des Rezirkulationswirkungsgrads situationsabhängig optimiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Anodenkreislauf mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Der erfindungsgemäße Anodenkreislauf für eine Brennstoffzelle umfasst also wenigstens eine Gasstrahlpumpe zur Rezirkulation von Anodenabgas, wie der im eingangs genannten Stand der Technik beschriebene Aufbau. Dabei dient, wie dort auch, das Brenngas als Treibgasstrom, welches die Düse der wenigstens einen Gasstrahlpumpe durchströmt und dabei aus einer Rezirkulationsleitung Anodenabgas ansaugt. Das entstandene Gemisch strömt dann über eine Abströmleitung aus der Gasstrahlpumpe ab und typischerweise zum Anodenraum der Brennstoffzelle, insbesondere eines Stapels bzw. Stacks von Einzelzellen.
Erfindungsgemäß sind dabei mehrere Düsen mit unterschiedlicher Geometrie in einem Düsenkörper angeordnet. Dieser ist relativ zur T reibgasleitung in der Art beweglich, dass jeweils eine der Düsen wahlweise nutzbar ist. Anders als im oben genannten Stand der Technik werden hier also nicht alle Düsen vorgehalten und bei Bedarf einzeln oder parallel angeströmt, sondern die einzelnen Düsen in einem gemeinsamen Düsenkörper werden durch einen Aktuator in den Bereich der Treibgasleitung gebracht, beispielsweise durch eine lineare Bewegung oder indem diese in den Bereich verschwenkt werden. Je nach aktuell anstehendem Treibgasstrom, welcher von der aktuellen Wasserstoffdosierung in die Brennstoffzelle abhängt, kann so die geeignete Düse aus dem gemeinsamen Düsenkörper ausgewählt und in die Nutzposition verbracht werden.
Der Düsenkörper selbst kann dabei beispielsweise streifenförmig ausgebildet sein und muss dann über einen linear wirkenden Aktuator quer zur T reibgasleitung, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung idealerweise mit der Abströmleitung fluchtet, verschoben werden. Besonders effizient und günstig bezüglich des benötigten Bauraums ist es, wenn der Düsenkörper drehbeweglich ausgebildet ist, und zwar mit einer außermittig zur Treibgasleitung angeordneten Drehachse. Er lässt sich dann sehr platzsparend realisieren und kann bei Bedarf durch ein Verdrehen, vergleichbar wie die Trommel eines Revolvers, in die gewünschte Position gedreht werden, sodass die aktuell benötigte Düse mit der Treibgasleitung und insbesondere der Abströmleitung fluchtet und bei der Durchströmung der Gasstrahlpumpe kann dann, passend zum jeweiligen Volumenstrom des dosierten Wasserstoffs, eine für die Ansaugung des Anodenabgases aus der Rezirkulationsleitung ideale Durchströmung, typischerweise mit Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als Mach 1, erreicht werden.
Die Mittelachsen der einzelnen Düsen sind dabei idealerweise auf einem konstanten Radius um die Drehachse des Düsenkörpers angeordnet. So können beispielsweise, je nach Durchmesser des Düsenkörpers, vier bis sechs einzelne Düsen vorgehalten und bei Bedarf in den Treibgasleitung der Gasstrahlpumpe gedreht werden.
Idealerweise verjüngt sich der Düsenkörper dabei in Strömungsrichtung des Treibgasstroms, sodass sich der Strömungswiderstand für den angesaugten Abgasstrom entsprechend reduziert und dieser mit idealer Strömungsgeometrie in die Gasstrahlpumpe geleitet wird.
Die Rezirkulationsleitung kann dabei in beliebiger Art und Weise in die Gasstrahlpumpe münden. So können beispielsweise der rezirkulierte Gasstrom und der Treibgasstrom parallel zueinander in die Gasstrahlpumpe einströmen. Auch eine antiparallele Ausrichtung mit einer Umlenkung innerhalb der Gasstrahlpumpe ist prinzipiell denkbar. Vom besonderen Vorteil kann es jedoch sein, wenn die Rezirkulationsleitung in einem Winkel zur Treibgasleitung und/oder der Abströmleitung angeordnet sein, insbesondere steht sie senkrecht auf der Flucht dieser beiden Leitungen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs und seiner Gasstrahlpumpe ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen: Fig. 1 ein prinzipmäßig dargestelltes Brennstoffzellensystem in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug;
Fig. 2 eine Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung in einer Schnittdarstellung in einem ersten Betriebszustand;
Fig. 3 die Gasstrahlpumpe gemäß Fig. 2 in einem zweiten Betriebszustand; und Fig. 4 eine Draufsicht auf den in der Gasstrahlpumpe gemäß den Figuren 2 und 3 eingesetzten Düsenkörper.
In der Darstellung der Figur 1 ist schematisch angedeutet ein Fahrzeug 1, beispielsweise ein Personenfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug, zu erkennen, welches zumindest einen Teil seiner elektrischen Antriebsleistung aus einem mit 2 bezeichneten Brennstoffzellensystem bezieht. Den Kern dieses Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3. Die Brennstoffzelle 3 ist dabei als Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen in an sich bekannter Art und Weise ausgebildet. Rein beispielhaft ist hier ein gemeinsamer Anodenraum 4 und ein gemeinsamer Kathodenraum 5 angedeutet. Die Brennstoffzelle 3 soll beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff H2 aus einem hier nicht dargestellten Speicher für Wasserstoff, beispielsweise einem Druckgasspeichersystem, zugeführt. Der Wasserstoff gelangt als Treibstrahl über eine Gasstrahlpumpe 6 in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Abgas aus dem Anodenraum 4 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück zu der Gasstrahlpumpe 6 und wird von dieser angesaugt und vermischt mit dem frischen Wasserstoff dem Anodenraum 4 erneut zugeführt. Dieser sogenannten Anodenkreislauf 8 ist dem Fachmann für Brennstoffzellensysteme allgemein bekannt.
Der Anodenkreislauf 8 kann außerdem über einen Wasserabscheider und/oder ein Abblasventil 9 verfügen, um Wasser und/oder sich in dem Anodenkreislauf 8 mit der Zeit anreichernde inerte Gase, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration, aus dem Anodenkreislauf 8 abzulassen. Er könnte außerdem als Ergänzung zu der Gasstrahlpumpe 6 ein Rezirkulationsgebläse aufweisen, was hier jedoch, vergleichbar wie der Wasserabscheider, nicht dargestellt ist. Abgelassene Gase gelangen über eine mit 10 bezeichnete Leitung in eine Abluftleitung 11 des Brennstoffzellensystems 2.
Dem Kathodenraum 5 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 12 und einen hier beispielhaft angedeuteten Gas/Gas-Befeuchter 13 zugeführt Die Abluft gelangt dann über die bereits angesprochene Abluftleitung 11 wiederum durch den Gas/Gas-Befeuchter 13 in die Umgebung. All dies ist für einen Fachmann der Brennstoffzellensysteme allgemein bekannt und üblich. Er weiß dabei auch, dass weitere Komponenten wie beispielsweise Ladeluftkühler, Wasserabscheider, Abluftturbinen und dergleichen mit vorgesehen werden können. Für die hier vorliegende Erfindung bezüglich des Anodenkreislaufs 8 spielt dies jedoch alles eine untergeordnete Rolle, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
Figur 2 zeigt nun die in der Figur 1 schematisch angedeutete Gasstrahlpumpe 6, welche als Jet Pump bezeichnet wird, im Querschnitt. Dabei ist eine Treibgasleitung 14 zu erkennen und fluchtend dazu in einer Ausgestaltung als Venturirohr eine Abströmleitung 15, durch welche das Gemisch aus einem durch die Treibgasleitung 14 einströmenden Treibstahl und über die Rezirkulationsleitung 7 angesaugten Abgas des Anodenraums 4 wieder zu dem Anodenraum 4 strömt. Die Besonderheit bei der Gasstrahlpumpe 6 ist ein mit 16 bezeichneter Düsenkörper, welcher um eine Drehachse 17, welche von der zentralen Achse der Treibgasleitung 14 und der mit ihr fluchtenden Abströmleitung 15 verschieden ist, drehbar ist. In diesem Düsenkörper 16 sind nun mehrere einzelne Düsen 18 ausgebildet. In der Darstellung der Figur 2 befindet sich fluchtend zu der Treibgasleitung 14 und der Abströmleitung 15 eine mit 18.1 bezeichnete Düse, welcher hier beispielhaft für einen mittleren Wasserstoffstrom, welcher zu dem Anodenraum 4 strömt, vorgesehen ist. Sie ist in Ihrer Geometrie so ausgestaltet, dass sie bei diesem Volumenstrom gute Bedingungen für das Ansaugen des Abgasstroms aus der Rezirkulationsleitung 7 schafft, insbesondere dass eine Strömungsgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit auftritt und dadurch das Ansaugverhalten der Gasstrahlpumpe 6 bei diesem Volumenstrom optimiert wird.
Derselbe Aufbau der Gasstrahlpumpe 6 ist in der Darstellung der Figur 3 nochmals dargestellt. Der Düsenkörper 16 ist um die Drehachse 17 entsprechend verdreht, sodass nun die mit 18.1 bezeichnete Düse außerhalb des durchströmten Bereichs angeordnet ist, und dass eine mit 18.2 bezeichnete Düse für einen entsprechend kleineren Volumenstrom des zudosierten Wasserstoffs in die Flucht zwischen der Treibgasleitung 14 und der Abströmleitung 15 verschwenkt worden ist und nun innerhalb der Gasstrahlpumpe 6 aktiv ist. Der Aufbau des Düsenkörpers 16, welcher in Durchströmungsrichtung verjüngend ausgestaltet ist, entspricht dabei in etwa der Trommel eines Trommel revolvers und ist in einer Draufsicht in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen. Er kann um die Drehachse 17 entsprechend gedreht werden, sodass die jeweils mit demselben zu der Treibgasleitung 14 passenden Startdurchmesser gestalteten Düsen 18.1-18.4 die einzelnen Volumenströme in der gewünschten Art und Weise bewältigen. Das bedeutet also, dass für vier verschiedene Größenordnungen von Volumenströmen vier entsprechende Düsen 18.1-18.4 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zur Verfügung stehen. Der Aufbau ließe sich dahingehend erweitern, dass beispielsweise fünf, sechs, sieben oder mehr einzelne Düse 18 in dem hier rotationssymmetrisch ausgebildeten Düsenkörper 16 ausgebildet sind.
Alles in allem entsteht so ein außerordentlich kompakter und effizienter Aufbau der Gasstrahlpumpe 6, welcher eine einfache Anpassung an den zudosierten Wasserstoffstrom als Treibgasstrom erlaubt, indem entsprechend der Größenordnung dieses Volumenstroms die jeweils passende Düse 18.1-18.4 in die Flucht zwischen der Treibgasleitung 14 und der Abströmleitung 15 verschwenkt wird. Damit sind ideale Durchströmungsbedingungen der Gasstrahlpumpe 6, und hier insbesondere des als Venturirohr ausgebildeten Teils der Abströmleitung 15, möglich, sodass durch Unterdruck- und Impulsaustausch-Effekte eine bestmögliche Ansaugung des rezirkulierten Abgases aus der Rezirkulationsleitung 7 des Brennstoffzellensystems 2 bzw. seines Anodenkreislaufs 8 erreicht wird. Dies ist dabei ohne eine aufwändige Mehrfachverrohrung, dem Einsatz von zahlreichen Ventilen und ohne die Verwendung einer Düsennadel möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Anodenkreislauf (8) für eine Brennstoffzelle (3) mit wenigstens einer Gasstrahlpumpe (6) zur Rezirkulation von Anodenabgas, welche wenigstens eine vom Brenngas (H2) als Treibgasstrom durchströmbare Düse (18) aufweist, und welche eine Treibgasleitung (14), eine Rezirkulationsleitung (7) und eine Abströmleitung (15) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Düsen (18) mit unterschiedlicher Geometrie in einem Düsenkörper (16) angeordnet sind, welcher relativ zu der Treibgasleitung (14) in der Art beweglich ist, dass jeweils eine der Düsen (18) wahlweise nutzbar ist.
2. Anodenkreislauf (8) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (16) drehbeweglich mit einer außermittig zur Treibgasleitung (14) angeordneten Drehachse (17) ausgebildet ist.
3. Anodenkreislauf (8) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Mittelachsen der Düsen (18) auf einem konstanten Radius um die Drehachse (17) angeordnet sind.
4. Anodenkreislauf (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibgasleitung (14) und die Abströmleitung (15) fluchtend ausgebildet sind.
5. Anodenkreislauf (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkörper (16) sich Strömungsrichtung der Treibgasströmung an seinem äußeren Umfang verjüngt.
6. Anodenkreislauf (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsleitung (7) in einem Winkel zur Treibgasleitung (14) und/oder Abströmleitung (15) ausgebildet ist.
7. Anodenkreislauf (8) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wnkel in etwa 90° beträgt.
8. Anodenkreislauf (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch seinen Einsatz in einem Brennstoffzellensystem (2), welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Kraftfahrzeug (1) dient.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005155571A (ja) 2003-11-28 2005-06-16 Jfe Engineering Kk エジェクタおよび冷凍システム
US20050130008A1 (en) * 2002-10-22 2005-06-16 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system
KR20120057996A (ko) 2010-11-29 2012-06-07 현대자동차주식회사 연료전지용 병렬형 다단 수소 재순환 이젝터 장치
KR20150078791A (ko) * 2013-12-31 2015-07-08 현대자동차주식회사 이젝터 및 이의 구동방법
JP2020169632A (ja) * 2019-04-05 2020-10-15 株式会社デンソー エジェクタ装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050130008A1 (en) * 2002-10-22 2005-06-16 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system
JP2005155571A (ja) 2003-11-28 2005-06-16 Jfe Engineering Kk エジェクタおよび冷凍システム
KR20120057996A (ko) 2010-11-29 2012-06-07 현대자동차주식회사 연료전지용 병렬형 다단 수소 재순환 이젝터 장치
KR20150078791A (ko) * 2013-12-31 2015-07-08 현대자동차주식회사 이젝터 및 이의 구동방법
JP2020169632A (ja) * 2019-04-05 2020-10-15 株式会社デンソー エジェクタ装置

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