WO2022241495A1 - Jet pump device for a recirculation device of a fuel cell system - Google Patents

Jet pump device for a recirculation device of a fuel cell system Download PDF

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WO2022241495A1
WO2022241495A1 PCT/AT2022/060171 AT2022060171W WO2022241495A1 WO 2022241495 A1 WO2022241495 A1 WO 2022241495A1 AT 2022060171 W AT2022060171 W AT 2022060171W WO 2022241495 A1 WO2022241495 A1 WO 2022241495A1
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section
jet pump
connection
recirculation
pump device
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PCT/AT2022/060171
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Inventor
Raphael NEUBAUER
Robert Pöschl
Marlies HOFER
Bernd REITER
Christoph SCHLUCKNER
Jörg Mathè
Original Assignee
Avl List Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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
    • 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
    • F04F5/16—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 elastic fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a jet pump device for a recirculation device of a fuel cell system and a fuel cell system with such a jet pump device.
  • fuel cell systems have recirculation devices in order to be able to recirculate at least part of the anode waste gas produced from the anode section of the fuel cell stack into the anode feed section. Since the anode waste gas can still contain unburned residual fuel, depending on the operating situation of the fuel cell system, the recirculation makes it possible to increase the efficiency of the operation of the fuel cell system.
  • Known te solutions are used for recirculation through appropriate recirculation lines. In such recirculation lines, either active conveying devices such as fan devices or passive conveying devices such as ejector devices are provided.
  • An ejector device is usually equipped with a drive connection, which can also be referred to as the primary side, and a suction connection, which can also be referred to as the secondary side.
  • the recirculation line opens out in the suction connection of the ejector device, while the drive connection and also the outlet connection of the ejector device form part of the fluid path of the anode feed section.
  • Fuel or an anode feed gas that contains fuel is therefore conveyed to the drive connection of the ejector device and in this way makes suction power available at the suction connection of the ejector device.
  • the recirculation gas is sucked into the ejector device via this suction power and mixed there with the anode feed gas introduced at the drive connection.
  • the new mixture of anode feed gas and recirculation gas is now fed to the anode section for combustion.
  • a disadvantage of the known solutions is that the ejector devices are clearly limited in terms of the amount of recirculation gas that can be pumped. If larger amounts of recirculation gas are desired, for example to enable high recirculation rates for the fuel cell system, this is only possible with a supersonic situation, i.e. with a flow velocity within the ejector system. direction above the speed of sound, possible. In addition to the design complexity, which is associated with a supersonic suitability for the ejector device, this requires a high primary pressure at the driving connection of the ejector device. In addition to the design effort, there is also the necessary compressor work to apply this high primary pressure to the drive connection of the ejector device.
  • a jet pump device serves to recirculate recirculation gas into an anode feed section of a fuel cell stack of a fuel cell system.
  • the jet pump device has a drive connection for fluid-communicating integration into the anode feed section.
  • a suction connection is provided for the fluid-communicating connection with a recirculation line of the recirculation device.
  • An exhaust port of the jet pump assembly is for exhausting anode feed gas to the anode portion of the fuel cell stack.
  • a mixing section is arranged in the jet pump device between the drive port and the outlet port for mixing recirculation gas sucked in via the suction port and anode feed gas introduced via the drive port.
  • the driving connection towards the mixing section is equipped with a flow cross-section that is free of widening or essentially free of widening, for the formation of a subsonic flow in the mixing section and in particular in a diffuser section. a sol rather, the diffuser section serves to recover the kinetic energy required for flow through the fuel stack into pressure energy.
  • the jet pump device is designed in particular as a suction jet pump. In principle, the jet pump device can also be designed as an ejector device for forming a subsonic flow as described above
  • a jet pump device is based on the basic concept of a known jet pump device for introducing recirculation gas into the anode feed section.
  • the jet pump device is equipped with a drive port for receiving the anode feed gas and an outlet port for discharging the anode feed gas to the anode section.
  • a mixing section is provided between the drive connection and the outlet connection, in which the suction effect for sucking in the recirculation gas is formed.
  • the suction takes place here, for example, using the Venturi principle, i.e. due to differences in speed and the corresponding entrainment of a gas introduced from the side.
  • the core idea of the present invention is that the driving connection, at least in the area towards the mixing section, behaves without widening with its flow cross section. This means that in the simplest case the flow cross-section merges into the mixing section in a constant or substantially constant manner. It is also possible that the last section of the driving connection has a constant or substantially constant flow cross-section. However, in principle, embodiments are also possible in which the driving connection narrows in front of the opening towards the mixing section and the flow cross-section is thus reduced. It is decisive for the formation of a subsonic flow in the mixing section according to the invention that, with a constant flow cross-section and/or with a narrowing flow cross-section, this changes to the Mixing section does not widen or does not widen substantially.
  • a widening of a drive connection to the mixing section could result in a Laval nozzle function, which would be accompanied by a strong acceleration of the anode feed gas present at the drive connection if the pressure supply was sufficiently high.
  • Known jet pump devices deliberately rely on this Laval nozzle principle and explicitly construct the driving connection with a deliberate widening in the flow cross section in order to achieve active acceleration of the anode feed gas. This leads to increased suction capacity at the suction connection and a correspondingly higher suction option, even for larger quantities of recirculation gas.
  • the core idea of the invention is to design an acceleration of the anode feed gas in the driving connection to the mixing section in such a way that a subsonic flow is ensured in the entire ejector area.
  • the suction power is generally lower, the necessary primary pressure at the drive connection can also be significantly lower.
  • the design of the jet pump device according to the invention not only achieves application and placement advantages, but also means that less heat has to be dissipated and less heat energy is required for a recirculation fan.
  • the relationship between the suction capacity at the suction connection and the primary pressure at the drive connection for supersonic ejectors is usually not linear over the entire operating range. This applies in particular in the area of changing from subsonic operation to supersonic operation. In other words, in order to double the suction power, the pressure increase must be significantly greater than doubling the pressure at the primary connection. In the opposite direction, with a reduction in the necessary suction power, a significantly greater reduction in the necessary compressor power and the corresponding pressure at the drive connection can be made available.
  • Subsonic ejectors are characterized by almost linear relationships, which because of this, the regulation and control behavior is significantly simplified. In particular, the subsonic configuration according to the invention enables a linear or essentially linear relationship between the driving connection and the suction connection.
  • a jet pump device is used in particular in combination with a second or further stage of jet pump devices or in interaction with a blower device in the recirculation device. This allows a high overall recirculation rate for the fuel cell system to be made available despite the reduced flow rate and suction power in the jet pump device according to the invention.
  • the configuration according to the invention for forming a subsonic flow in the mixing section can, for example, reduce the required primary pressure at the driving connection from around 5 bar in previously known jet pump devices to well over a fifth, i.e. well below 1 bar.
  • the corresponding suction capacity at the suction connection in this example is only halved from around 60 mbar at a primary pressure of 5 bar to around 30 mbar at around 500 mbar primary pressure.
  • the amount of anode gas that can be pumped i.e. the recirculation rate
  • the amount of anode gas that can be pumped is also reduced by e.g. B. ei nen factor 5.
  • the avoidance of the non-linear dependency between the primary pressure and the suction capacity provides the advantages according to the invention in the form of subsonic operation.
  • the driving connection has a constant or essentially constant flow cross section. This is especially true for the last section of the drive port before the opening towards the mixing section.
  • the driving connection is essentially designed there with a completely constant flow cross-section, ie, for example, in the form of a tube.
  • the driving connection is designed with a round flow cross section.
  • the driving connection is at least partially within the suction connection, in particular at least partially concentrically in the suction Conclusion, is arranged.
  • a concentric arrangement, or an arrangement integrated into the suction connection leads to a significantly more compact design of the jet pump device.
  • the suction connection preferably surrounds the driving connection, so that a symmetrical or essentially symmetrical distribution of the suction power to the associated flow circumference of the suction connection is ensured.
  • This design of the driving connection integrated into the suction connection is therefore an alternative to a lateral integration of the suction connection, which can also be referred to as a Y-arrangement.
  • the suction preferably takes place uniformly over the entire suction connection.
  • the drive connection and/or the suction connection and/or the mixing section and/or the outlet connection have a round or essentially round flow cross section.
  • a round flow cross-section has great advantages, particularly with regard to production. All sections of the jet pump device are therefore preferably equipped with a round or essentially round flow cross section.
  • a round flow cross-section for the respective section also leads to a very low loss of pressure and, in addition, to the lowest possible flow resistance, as a result of which the efficiency of the flow through the jet pump device can be increased even further.
  • the driving connection is designed without a Laval nozzle.
  • a Laval nozzle effect in the drive connection is thus explicitly avoided, and in this way an acceleration of the anode feed gas into the mixing section, either reduced to such an extent that the desired subsonic flow is achieved in the mixing section in order to avoid unnecessary friction losses.
  • a further advantage of the jet pump device according to the invention lies in massively expanding the field of application for ejectors, even for applications in which the driving connection does not have the necessary supercritical pressure supplies in order to be able to generate supersonic waves. This means that interconnections in Recirculation system possible, in which zip further intermediate fan would be required without the Ejektorprin invention.
  • the suction flow direction in the suction connection forms a defined ejector angle with the driving flow direction in the driving connection, where the ejector angle is in particular designed as an acute angle.
  • the ejector angle is 0° or 180°.
  • the ejector angle can be optimized depending on the mode of operation. For example, simulations or the test bench can be used to determine at which ejector angles the maximum suction power can be achieved with ideal flow conditions in subsonic operation in the mixing section.
  • a diffuser section is arranged between the mixing section and the outlet connection, for forming a medium pressure level for the anode feed gas.
  • a diffuser section includes, in particular, an opening flow cross section, so that on the one hand the mixing of the gases of the anode feed gas from the drive connection and the recirculation gas is improved and on the other hand a reduction in the speed of the mixture is generated, with the kinetic energy present at the entry into the diffuser being Increasing the pressure at the exit from the diffuser is converted.
  • This resulting pressure level is preferably high enough to conduct the anode feed gas together with the mixed-in recirculation gas through the subsequent anode section of the fuel cell stack.
  • the present invention also relates to a fuel cell system for generating electricity from a fuel.
  • a fuel cell system includes a fuel cell stack having an anode section and a cathode section.
  • the anode section is provided with an anode supply section for supplying anode supply gas and an anode exhaust section for discharging anode off-gas.
  • the cathode section is provided with a cathode supply section for supplying cathode supply gas and a cathode discharge section for discharging cathode off-gas.
  • the fuel cell system has a recirculation device for recirculating ano denabgas as a recirculation gas via a recirculation line into the anode feed section.
  • a jet pump device is arranged in the anode feed section.
  • the recirculation line opens into the suction port of the jet pump device and a fuel supply line from a fuel source opens into the drive port of the jet pump device.
  • a fuel cell system according to the invention thus has the same advantages as have been explained in detail with reference to a jet pump device according to the invention.
  • further functional components such as an air source, a reformer device, catalytic converter devices, evaporators or heat exchanger devices can also be arranged in the fuel cell system.
  • the recirculation line has a dividing device for dividing the recirculation gas into a first partial recirculation line and a second partial recirculation line.
  • the jet pump device according to the invention is arranged at least in the first partial recirculation line.
  • the splitting up allows the proportion of recirculation gas split between the jet pump device according to the invention to be small enough, even when high required recirculation rates are required, to allow the jet pump device to be operated with the reduced suction capacity in subsonic operation.
  • the remaining required flow rate of recirculation gas is divided between the second partial recirculation line, which can preferably have further components and functional units for an assisted recirculation.
  • the second partial recirculation line can preferably have further components and functional units for an assisted recirculation.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a jet pump device according to the invention
  • FIG. 2 a further embodiment of a jet pump device according to the invention
  • Fig. 3 lensystems an embodiment of a fuel cell according to the invention.
  • Fig. 4 shows another embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 schematically shows one possibility of a jet pump device 10 according to the invention.
  • the anode supply gas AZG flows through the drive connection 20, which here has a constant flow cross section SQ along the drive flow direction TSR.
  • the anode feed gas AZG emerges from the drive connection 20 into the mixing section 50, it creates a suction effect on the suction connection 30.
  • This suction effect results in recirculation gas RG being sucked out of the recirculation line 142 into the suction connection 30.
  • a somewhat decreasing flow cross section SQ is provided here, with the recirculation gas RG being conveyed along the suction flow direction SSR, which is aligned here parallel or essentially parallel to the propulsion flow direction TSR.
  • mixing with the recirculation gas RG takes place in the mixing section 50. so that the newly mixed anode feed gas AZG can then be reduced to a medium pressure level via the diffuser section 60 .
  • the quantity of anode feed gas provided with the recirculation gas RG can now exit in a mixed manner and brought to the desired pressure level via the outlet connection 40 and be conveyed further via the anode feed section 122 into the anode section 120 .
  • the flow cross section SQ in the drive connection 20 along the drive flow direction TSR Due to the constant design of the flow cross section SQ in the drive connection 20 along the drive flow direction TSR, an acceleration of the anode supply gas AZG is avoided in this last area or at least kept in the subsonic range and the flow profile is stabilized. A subsonic flow is thus established in the mixing section 50, which makes the corresponding suction capacity available at the suction connection 30 in the subsonic range. This ensures that the present jet pump device 10 can be operated in subsonic operation.
  • the flow cross-sections SQ are selected in such a way that the suction connection 30 and the drive connection 20 are split approximately 50:50.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment to FIG.
  • a constant flow cross-section SQ which in particular does not widen, is provided for the driving connection 20, so that a subsonic flow situation also occurs in the mixing section 50 with this Y arrangement.
  • An ejector angle a can be optimized for this jet pump device 5 by simulation or test operation in such a way that the suction capacity made available in subsonic operation in the mixing section 50 is guaranteed for maximized suction of recirculation gas RG via the suction connection 30 .
  • a diffuser device 60 has even been dispensed with, which can be sufficient for very low RZ and therefore low required suction pressures.
  • FIG. 3 shows a fuel cell system 100 which has a fuel cell stack 110 for generating electricity. This is provided with an anode section 120 and a cathode section 130 .
  • the cathode section 130 receives supply air from an air source 180 via a cathode supply section 132 as the cathode supply gas KZG.
  • fuel BS is introduced into the fuel cell system 100 from a fuel source 150 via the fuel supply line 152 .
  • the fuel BS can be introduced here in gaseous form, for example via a heat exchanger device 170, into the driving connection 20 of a jet pump device 10.
  • This introduction results in the already explained suction effect at the suction connection 30 , so that recirculation gas RG can be sucked in here from the recirculation line 142 via the first partial recirculation line 146 via the dividing device 144 .
  • the anode feed gas AZG is conveyed through the reformer device 174 into the anode section 120 .
  • the anode waste gas AAG that is produced is at least partially distributed to the recirculation line 142 via the anode discharge section 124 , depending on the recirculation rate.
  • the remainder of the anode exhaust gas AAG is fed to the environment via an exhaust pipe, also to the catalytic converter device 172 and the heat exchanger devices 170 already explained.
  • FIG. 3 a multi-stage configuration of the recirculation is shown. Since the jet pump device 10 is designed for subsonic operation for this purpose, the suction power and the speed that can be pumped with it are correspondingly total amount or maximum amount of recirculation gas RG limited. In the case of high recirculation rates, the additional amount of recirculation gas RG that is then still missing must be divided here via the dividing device 144 onto the second partial recirculation line 148 .
  • the remaining recirculation gas RG is conducted via a heat exchanger device 170 in the air supply, which is in particular a condenser device.
  • the heat exchanger devices 170 are preferably adapted according to the respective requirements of the positions in the fuel cell system 100 .
  • Condensate can thus be separated off and fed to a drive connection of a further jet pump device 10 via a compressor and a further heat exchanger device 170 designed as an evaporation device. Remaining residual gas after the heat exchanger device 170 shown on the bottom left as a condenser device can be fed back to the anode feed section 122 via the secondary connection of the same jet pump device 10 shown on the left.
  • three-stage or multi-stage jet pump devices can also be used in accordance with the invention.
  • Figure 4 is based on the embodiment of Figure 3. However, instead of a multi-stage ejector solution, the second partial recirculation line 148 has been equipped with a blower device 176, which, similar to the embodiment of Figure 3, is able to provide the still missing recirculation through active blower support onsgas RG in addition to the jet pump device 10 of the recirculation to make the anode supply section 122 available.
  • a blower device 176 which, similar to the embodiment of Figure 3, is able to provide the still missing recirculation through active blower support onsgas RG in addition to the jet pump device 10 of the recirculation to make the anode supply section 122 available.
  • jet pump device 20 propulsion port 30 suction port 40 outlet port 50 mixing section 60 diffuser section

Abstract

The present invention relates to a jet pump device (10) for a recirculation device (140) for recirculating recirculation gas (RG) into an anode feed section (122) of a fuel cell stack (110) of a fuel cell system (100), comprising a drive port (20) for fluidly communicating with the anode feed section (122), a suction port (30) for fluidly communicating with a recirculation line (142) of the recirculation device (140), and an exhaust port (40) for exhausting anode feed gas (AZG) to the anode section (120) of the fuel cell stack (110), a mixing section (50) being arranged between the drive connection (20) and the outlet connection (40) for mixing recirculation gas (RG) sucked in via the suction connection (30) and anode feed gas (AZG) introduced via the drive connection (20), the drive connection (20) further having a flow cross section (SQ) which is free of expansion or substantially free of expansion towards the mixing section (50) for forming a subsonic flow in the mixing section (50).

Description

STRAHLPUMPENVORRICHTUNG FÜR EINE REZIRKULATIONSVORRICHTUNG JET PUMP DEVICE FOR A RECIRCULATION DEVICE
EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS OF A FUEL CELL SYSTEM
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlpumpenvorrichtung für eine Rezirkulati- onsvorrichtung eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Strahlpumpenvorrichtung. The present invention relates to a jet pump device for a recirculation device of a fuel cell system and a fuel cell system with such a jet pump device.
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Rezirkulationsvorrichtungen aufwei sen, um zumindest einen Teil des entstehenden Anodenabgases vom Anodenab schnitt des Brennstoffzellenstapels in den Anodenzuführabschnitt rezirkulieren zu können. Da das Anodenabgas je nach Betriebssituation des Brennstoffzellensystems noch unverbrannten Restbrennstoff aufweisen kann, wird durch die Rezirkulation ei ne Effizienzsteigerung für den Betrieb des Brennstoffzellensystems möglich. Bekann te Lösungen dienen der Rezirkulation durch entsprechende Rezirkulationsleitungen. In solchen Rezirkulationsleitungen sind entweder aktive Fördervorrichtungen wie Gebläsevorrichtungen oder passive Fördervorrichtungen wie Ejektorvorrichtungen vorgesehen. Eine Ejektorvorrichtung ist dabei üblicherweise mit einem Treiban schluss, welcher auch als Primärseite bezeichnet werden kann, und einem Saugan schluss, welcher auch als Sekundärseite bezeichnet werden kann, ausgestattet.It is known that fuel cell systems have recirculation devices in order to be able to recirculate at least part of the anode waste gas produced from the anode section of the fuel cell stack into the anode feed section. Since the anode waste gas can still contain unburned residual fuel, depending on the operating situation of the fuel cell system, the recirculation makes it possible to increase the efficiency of the operation of the fuel cell system. Known te solutions are used for recirculation through appropriate recirculation lines. In such recirculation lines, either active conveying devices such as fan devices or passive conveying devices such as ejector devices are provided. An ejector device is usually equipped with a drive connection, which can also be referred to as the primary side, and a suction connection, which can also be referred to as the secondary side.
Bei bekannten Lösungen mündet die Rezirkulationsleitung im Sauganschluss der E- jektorvorrichtung, während der Treibanschluss und auch der Auslassanschluss der Ejektorvorrichtung einen Teil im Fluidpfad des Anodenzuführabschnitts ausbilden. Brennstoff oder ein Anodenzuführgas, welches Brennstoff enthält, wird also an den Treibanschluss der Ejektorvorrichtung gefördert und stellt auf diese Weise eine Saugleistung am Sauganschluss der Ejektorvorrichtung zur Verfügung. Über diese Saugleistung wird das Rezirkulationsgas in die Ejektorvorrichtung eingesaugt und dort mit dem am Treibanschluss eingebrachten Anodenzuführgas vermischt. Das neue Gemisch aus Anodenzuführgas und Rezirkulationsgas wird nun dem Anoden abschnitt zur Verbrennung zugeführt. In known solutions, the recirculation line opens out in the suction connection of the ejector device, while the drive connection and also the outlet connection of the ejector device form part of the fluid path of the anode feed section. Fuel or an anode feed gas that contains fuel is therefore conveyed to the drive connection of the ejector device and in this way makes suction power available at the suction connection of the ejector device. The recirculation gas is sucked into the ejector device via this suction power and mixed there with the anode feed gas introduced at the drive connection. The new mixture of anode feed gas and recirculation gas is now fed to the anode section for combustion.
Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass die Ejektorvorrichtungen hin sichtlich der geförderten Menge an Rezirkulationsgas begrenzt sind. Werden größere Mengen an Rezirkulationsgas gewünscht, um beispielsweise hohe Rezirkulationsra- ten für das Brennstoffzellensystem zu ermöglichen, so ist dies nur mit einer Über schallsituation, also mit einer Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Ejektorvor- richtung oberhalb der Schallgeschwindigkeit, möglich. Neben dem konstruktiven Aufwand, welcher mit einer Überschalleignung für die Ejektorvorrichtung einhergeht, ist hierfür ein hoher Primärdruck am Treibanschluss der Ejektorvorrichtung notwen dig. Zum konstruktiven Aufwand kommt also noch die notwendige Verdichterarbeit, um diesen hohen Primärdruck am Treibanschluss der Ejektorvorrichtung anzulegen.A disadvantage of the known solutions is that the ejector devices are clearly limited in terms of the amount of recirculation gas that can be pumped. If larger amounts of recirculation gas are desired, for example to enable high recirculation rates for the fuel cell system, this is only possible with a supersonic situation, i.e. with a flow velocity within the ejector system. direction above the speed of sound, possible. In addition to the design complexity, which is associated with a supersonic suitability for the ejector device, this requires a high primary pressure at the driving connection of the ejector device. In addition to the design effort, there is also the necessary compressor work to apply this high primary pressure to the drive connection of the ejector device.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nach teile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine möglichst effiziente Rezirku- lation mit einer Strahlpumpenvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem zur Verfü gung stellen zu können. It is an object of the present invention to at least partially remedy the after parts described above. In particular, it is the object of the present invention to be able to provide the most efficient possible recirculation with a jet pump device for a fuel cell system in a cost-effective and simple manner.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst, durch eine Strahlpumpenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungs gemäßen Brennstoffzellensystem und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Of fenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genom men wird beziehungsweise werden kann. The above object is achieved by a jet pump device having the features of claim 1 and a fuel cell system having the features of claim 8. Further features and details of the invention result from the subclaims below, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the jet pump device according to the invention also apply, of course, in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.
Erfindungsgemäß dient eine Strahlpumpenvorrichtung einer Rezirkulation von Rezir- kulationsgas in einen Anodenzuführabschnitt eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Strahlpumpenvorrichtung einen Treiban schluss zur fluidkommunizierenden Einbindung in den Anodenzuführabschnitt auf. Weiter ist ein Sauganschluss zur fluidkommunizierenden Verbindung mit einer Rezir- kulationsleitung der Rezirkulationsvorrichtung vorgesehen. Ein Auslassanschluss der Strahlpumpenvorrichtung dient dem Auslass von Anodenzuführgas zum Anodenab schnitt des Brennstoffzellenstapels. Zwischen dem Treibanschluss und dem Aus lassanschluss ist in der Strahlpumpenvorrichtung ein Mischabschnitt angeordnet, für ein Vermischen von über den Sauganschluss angesaugtem Rezirkulationsgas und über den Treibanschluss eingebrachtem Anodenzuführgas. Weiter ist der Treiban schluss zum Mischabschnitt hin mit einem aufweitungsfreien oder im Wesentlichen aufweitungsfreien Strömungsquerschnitt ausgestattet, für eine Ausbildung einer Un terschallströmung im Misch- und insbesondere in einem Diffusorabschnitt. Ein sol- eher Diffusorabschnitt dient zur Rückgewinnung der kinetischen Energie in Dru ckenergie welche für die Strömung durch den Brennstoffstapel erforderlich ist. Die Strahlpumpenvorrichtung ist insbesondere als Saugstrahlpumpe ausgebildet. Grund sätzlich kann die Strahlpumpenvorrichtung auch als Ejektorvorrichtung für eine Aus bildung einer oben beschriebenen Unterschallströmung ausgebildet sein According to the invention, a jet pump device serves to recirculate recirculation gas into an anode feed section of a fuel cell stack of a fuel cell system. For this purpose, the jet pump device has a drive connection for fluid-communicating integration into the anode feed section. Furthermore, a suction connection is provided for the fluid-communicating connection with a recirculation line of the recirculation device. An exhaust port of the jet pump assembly is for exhausting anode feed gas to the anode portion of the fuel cell stack. A mixing section is arranged in the jet pump device between the drive port and the outlet port for mixing recirculation gas sucked in via the suction port and anode feed gas introduced via the drive port. Furthermore, the driving connection towards the mixing section is equipped with a flow cross-section that is free of widening or essentially free of widening, for the formation of a subsonic flow in the mixing section and in particular in a diffuser section. a sol rather, the diffuser section serves to recover the kinetic energy required for flow through the fuel stack into pressure energy. The jet pump device is designed in particular as a suction jet pump. In principle, the jet pump device can also be designed as an ejector device for forming a subsonic flow as described above
Eine erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung basiert auf dem Grundkonzept ei ner bekannten Strahlpumpenvorrichtung, für die Einbringung von Rezirkulationsgas in den Anodenzuführabschnitt. Für die Integration in den Anodenzuführabschnitt ist die Strahlpumpenvorrichtung mit einem Treibanschluss für die Aufnahme des Ano- denzuführgases und einem Auslassanschluss für die Abgabe des Anodenzuführga- ses zum Anodenabschnitt ausgestattet. Um nun eine Saugleistung für anzusaugen des Rezirkulationsgas zur Verfügung stellen zu können, ist zwischen dem Treiban schluss und dem Auslassanschluss ein Mischabschnitt vorgesehen, in welchem die Saugwirkung für das Ansaugen des Rezirkulationsgases ausgebildet wird. Das An saugen erfolgt hier beispielsweise durch das Venturi-Prinzip, also durch Geschwin digkeitsunterschiede und dementsprechendes Mitreißen eines seitlich eingebrachten Gases. Dabei ist es für die erfindungsgemäße Ausgestaltung unerheblich, wie die tatsächliche geometrische Korrelation zwischen Treibanschluss und Sauganschluss gebildet wird. Es können runde Strömungsquerschnitte, rechteckige Strömungsquer schnitte oder Kombinationen unterschiedlicher Strömungsquerschnitte eingesetzt werden. Auch sind konzentrische, teilkonzentrische oder auch quer zueinander an geordnete Ausrichtungen des Treibanschlusses zum Sauganschluss im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar. A jet pump device according to the invention is based on the basic concept of a known jet pump device for introducing recirculation gas into the anode feed section. For integration into the anode feed section, the jet pump device is equipped with a drive port for receiving the anode feed gas and an outlet port for discharging the anode feed gas to the anode section. In order to be able to provide a suction capacity for sucking in the recirculation gas, a mixing section is provided between the drive connection and the outlet connection, in which the suction effect for sucking in the recirculation gas is formed. The suction takes place here, for example, using the Venturi principle, i.e. due to differences in speed and the corresponding entrainment of a gas introduced from the side. It is irrelevant for the configuration according to the invention how the actual geometric correlation between the driving connection and the suction connection is formed. Round flow cross-sections, rectangular flow cross-sections or combinations of different flow cross-sections can be used. Also concentric, partially concentric or also arranged transversely to one another alignments of the driving connection to the suction connection are conceivable within the scope of the present invention.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Treibanschluss, zumindest im Bereich zum Mischabschnitt hin, sich aufweitungsfrei mit seinem Strö mungsquerschnitt verhält. Das bedeutet, dass der Strömungsquerschnitt im einfachs ten Fall in den Mischabschnitt in konstanter oder im Wesentlichen konstanterWeise übergeht. Es ist auch möglich, dass der letzte Abschnitt des Treibanschluss einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Jedoch sind grundsätzlich auch Ausführungsformen möglich, bei welchen sich der Treiban schluss vor der Öffnung zum Mischabschnitt hin verengt und damit der Strömungs querschnitt sich verringert. Entscheidend für die erfindungsgemäße Ausbildung einer Unterschallströmung im Mischabschnitt ist es, dass bei konstantem Strömungsquer schnitt und/oder bei sich verengendem Strömungsquerschnitt, dieser sich zum Mischabschnitt hin nicht oder im Wesentlichen nicht aufweitet. Ein Aufweiten eines Treibanschlusses zum Mischabschnitt könnte eine Lavaldüsenfunktion zur Folge ha ben, welche bei ausreichend hoher Druckversorgung mit einer starken Beschleuni gung des am Treibanschluss anliegenden Anodenzuführgases einhergehen würde. Bekannte Strahlpumpenvorrichtungen setzen bewusst auf dieses Lavaldüsenprinzip und konstruieren den Treibanschluss explizit mit einer bewussten Aufweitung im Strömungsquerschnitt, um eine aktive Beschleunigung des Anodenzuführgases zu erzielen. Dies führt zu verstärkter Saugleistung am Sauganschluss und entsprechend hoher Ansaugmöglichkeit auch für größere Mengen Rezirkulationsgas. The core idea of the present invention is that the driving connection, at least in the area towards the mixing section, behaves without widening with its flow cross section. This means that in the simplest case the flow cross-section merges into the mixing section in a constant or substantially constant manner. It is also possible that the last section of the driving connection has a constant or substantially constant flow cross-section. However, in principle, embodiments are also possible in which the driving connection narrows in front of the opening towards the mixing section and the flow cross-section is thus reduced. It is decisive for the formation of a subsonic flow in the mixing section according to the invention that, with a constant flow cross-section and/or with a narrowing flow cross-section, this changes to the Mixing section does not widen or does not widen substantially. A widening of a drive connection to the mixing section could result in a Laval nozzle function, which would be accompanied by a strong acceleration of the anode feed gas present at the drive connection if the pressure supply was sufficiently high. Known jet pump devices deliberately rely on this Laval nozzle principle and explicitly construct the driving connection with a deliberate widening in the flow cross section in order to achieve active acceleration of the anode feed gas. This leads to increased suction capacity at the suction connection and a correspondingly higher suction option, even for larger quantities of recirculation gas.
Der erfindungsgemäße Kerngedanke zielt darauf ab eine Beschleunigung des Ano denzuführgases im Treibanschluss zum Mischabschnitt so zu gestalten, dass eine Unterschallströmung im gesamten Ejektorbereich gewährleistet wird. Dies führt dazu, dass zwar grundsätzlich die Saugleistung geringer ausfällt, jedoch der notwendige Primärdruck am Treibanschluss ebenfalls deutlich geringer ausfallen kann. Neben einer Reduktion des Konstruktionsaufwandes bei unterschallbetriebenen Mischab schnitten führt dies zu einer größeren Effizienz beim Betrieb des Brennstoffzellensys tems, da eine geringere Verdichterarbeit notwendig ist, um den entsprechend redu zierten Primärdruck am Treibanschluss der Strahlpumpenvorrichtung zur Verfügung zu stellen. The core idea of the invention is to design an acceleration of the anode feed gas in the driving connection to the mixing section in such a way that a subsonic flow is ensured in the entire ejector area. As a result, although the suction power is generally lower, the necessary primary pressure at the drive connection can also be significantly lower. In addition to a reduction in the construction effort for subsonic mixer sections, this leads to greater efficiency in the operation of the fuel cell system, since less compressor work is required to provide the correspondingly reduced primary pressure at the drive connection of the jet pump device.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Strahlpumpenvorrichtung sind nicht nur Anwendungs- und Platzierungsvorteile erreicht, sondern es muss dadurch auch we niger Wärme abgeführt werden und es ist weniger Wärmeenergie für ein Rezirkulati- onsgebläse notwendig. The design of the jet pump device according to the invention not only achieves application and placement advantages, but also means that less heat has to be dissipated and less heat energy is required for a recirculation fan.
Dabei ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass das Verhältnis zwischen der Saug leistung am Sauganschluss und dem Primärdruck am Treibanschluss für Überschal lejektoren üblicherweise nicht linear im gesamten Betriebsfeld ist. Dies gilt insbeson dere im Bereich des Wechsels vom Unterschallbetrieb in einen Überschallbetrieb. Mit anderen Worten muss für eine Verdoppelung der Saugleistung eine deutlich größere Druckerhöhung als eine Verdoppelung des Drucks am Primäranschluss erfolgen. In umgekehrter Richtung kann bei einer Reduktion der notwendigen Saugleistung eine deutlich stärkere Reduktion der notwendigen Verdichterleistung und des entspre chenden Drucks am Treibanschluss zur Verfügung gestellt werden. Unterschallejek toren zeichnen sich hingegen durch annähernd lineare Zusammenhänge ab, wes- halb dadurch das Regel- und Steuerverhalten signifikant vereinfacht wird. Insbeson dere wird durch die erfindungsgemäße Unterschallausgestaltung ein linearer oder im Wesentlichen linearer Zusammenhang zwischen Treibanschluss und Sauganschluss möglich. It should be pointed out in particular that the relationship between the suction capacity at the suction connection and the primary pressure at the drive connection for supersonic ejectors is usually not linear over the entire operating range. This applies in particular in the area of changing from subsonic operation to supersonic operation. In other words, in order to double the suction power, the pressure increase must be significantly greater than doubling the pressure at the primary connection. In the opposite direction, with a reduction in the necessary suction power, a significantly greater reduction in the necessary compressor power and the corresponding pressure at the drive connection can be made available. Subsonic ejectors, on the other hand, are characterized by almost linear relationships, which because of this, the regulation and control behavior is significantly simplified. In particular, the subsonic configuration according to the invention enables a linear or essentially linear relationship between the driving connection and the suction connection.
Eine erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung wird, wie dies später noch erläu tert wird, insbesondere in Kombination mit einer zweiten oder weiteren Stufen von Strahlpumpenvorrichtungen oder im Zusammenspiel mit einer Gebläsevorrichtung in der Rezirkulationsvorrichtung eingesetzt. Dies erlaubt es, trotz der reduzierten Strö mungsmenge und Saugleistung in der erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung, eine hohe Gesamt-Rezirkulationsrate für das Brennstoffzellensystem zur Verfügung stellen zu können. As will be explained later, a jet pump device according to the invention is used in particular in combination with a second or further stage of jet pump devices or in interaction with a blower device in the recirculation device. This allows a high overall recirculation rate for the fuel cell system to be made available despite the reduced flow rate and suction power in the jet pump device according to the invention.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung zum Ausbilden einer Unterschallströ mung im Mischabschnitt, kann beispielsweise der dafür benötigte Primärdruck am Treibanschluss von circa 5bar bei bisher bekannten Strahlpumpenvorrichtungen auf weit mehr als ein Fünftel, also deutlich unter 1bar, reduziert werden. Trotz der Re duktion um z.B. den Faktor 10 wird die entsprechende Saugleistung am Saugan schluss bei diesem Beispiel von circa 60mbar bei einem Primärdruck von 5bar nur auf circa 30mbar bei circa 500mbar Primärdruck halbiert. Allerdings reduziert sich auch die förderbare Menge an Anodengas (also die Rezirkulationsrate) um z. B. ei nen Faktor 5. Hier wird gut ersichtlich, wie stark die Vermeidung der nicht lineare Ab hängigkeit zwischen Primärdruck und Saugleistung die erfindungsgemäßen Vorteile in Form eines Unterschallbetriebs zur Verfügung stellt. The configuration according to the invention for forming a subsonic flow in the mixing section can, for example, reduce the required primary pressure at the driving connection from around 5 bar in previously known jet pump devices to well over a fifth, i.e. well below 1 bar. Despite the reduction by a factor of 10, for example, the corresponding suction capacity at the suction connection in this example is only halved from around 60 mbar at a primary pressure of 5 bar to around 30 mbar at around 500 mbar primary pressure. However, the amount of anode gas that can be pumped (i.e. the recirculation rate) is also reduced by e.g. B. ei nen factor 5. Here it is easy to see to what extent the avoidance of the non-linear dependency between the primary pressure and the suction capacity provides the advantages according to the invention in the form of subsonic operation.
Es kann vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrich tung der Treibanschluss einen konstanten oder im Wesentlichen konstanten Strö mungsquerschnitt aufweist. Dies gilt insbesondere für den letzten Abschnitt des Treibanschlusses vor der Öffnung zum Mischabschnitt hin. Im einfachsten Fall ist der Treibanschluss dort im Wesentlichen mit vollständig konstantem Strömungsquer schnitt, also beispielsweise rohrförmig, ausgebildet. Insbesondere ist bei dieser Aus führungsform der Treibanschluss mit einem runden Strömungsquerschnitt ausgebil det. It can be advantageous if, in a jet pump device according to the invention, the driving connection has a constant or essentially constant flow cross section. This is especially true for the last section of the drive port before the opening towards the mixing section. In the simplest case, the driving connection is essentially designed there with a completely constant flow cross-section, ie, for example, in the form of a tube. In this embodiment, in particular, the driving connection is designed with a round flow cross section.
Vorteile bringt es ebenfalls mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpum penvorrichtung der Treibanschluss wenigstens abschnittsweise innerhalb des Saug anschlusses, insbesondere wenigstens abschnittsweise konzentrisch im Saugan- Schluss, angeordnet ist. Eine konzentrische Anordnung, oder eine Anordnung in den Sauganschluss integriert, führt zu einer deutlich kompakteren Bauweise der Strahl pumpenvorrichtung. Bevorzugt umgibt der Sauganschluss den Treibanschluss, so- dass eine symmetrische oder im Wesentlichen symmetrische Aufteilung der Saug leistung auf den zugehörigen Strömungsumfang des Sauganschlusses gewährleistet wird. Bei dieser Ausbildung des in den Sauganschluss integrierten Treibanschlusses handelt es sich also um eine Alternative zu einer seitlichen Einbindung des Saugan schlusses, welche auch als Y-Anordnung bezeichnet werden kann. Die Ansaugung erfolgt dabei vorzugsweise gleichmäßig über den gesamten Sauganschluss. There are also advantages if, in a jet pump device according to the invention, the driving connection is at least partially within the suction connection, in particular at least partially concentrically in the suction Conclusion, is arranged. A concentric arrangement, or an arrangement integrated into the suction connection, leads to a significantly more compact design of the jet pump device. The suction connection preferably surrounds the driving connection, so that a symmetrical or essentially symmetrical distribution of the suction power to the associated flow circumference of the suction connection is ensured. This design of the driving connection integrated into the suction connection is therefore an alternative to a lateral integration of the suction connection, which can also be referred to as a Y-arrangement. In this case, the suction preferably takes place uniformly over the entire suction connection.
Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen konzentrischen Strahlpumpenvorrichtung der Treibanschluss und/oder der Sauganschluss und/oder der Mischabschnitt und/oder der Auslassanschluss einen runden oder im Wesentli chen runden Strömungsquerschnitt aufweisen. Ein runder Strömungsquerschnitt ist insbesondere hinsichtlich der Fertigung mit großen Vorteilen versehen. Bevorzugt sind daher alle Teilabschnitte der Strahlpumpenvorrichtung mit einem runden oder im Wesentlichen runden Strömungsquerschnitt ausgestattet. Auch führt ein runder Strömungsquerschnitt für den jeweiligen Abschnitt zu einem sehr geringen Druckver lust und zusätzlich zu einem möglichst geringem Strömungswiderstand, wodurch die Effizienz beim Durchströmen der Strahlpumpenvorrichtung noch weiter gesteigert werden kann. Further advantages can be achieved if, in a concentric jet pump device according to the invention, the drive connection and/or the suction connection and/or the mixing section and/or the outlet connection have a round or essentially round flow cross section. A round flow cross-section has great advantages, particularly with regard to production. All sections of the jet pump device are therefore preferably equipped with a round or essentially round flow cross section. A round flow cross-section for the respective section also leads to a very low loss of pressure and, in addition, to the lowest possible flow resistance, as a result of which the efficiency of the flow through the jet pump device can be increased even further.
Hingegen könnte sich bei einer Y-Anordnung ein flach-rechteckiger oder trapezför miger Querschnitt als besonders günstig heraussteilen, da die Fläche der Wechsel wirkung zwischen TSR und SSR dadurch vergrößert wird. On the other hand, with a Y-arrangement, a flat-rectangular or trapezoidal cross-section could turn out to be particularly favorable, since the surface of the interaction between the TSR and SSR is increased as a result.
Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahl pumpenvorrichtung der Treibanschluss frei von einer Lavaldüse ausgebildet ist. Es wird also explizit eine Lavaldüsenwirkung im Treibanschluss vermieden, und auf die se Weise eine Beschleunigung des Anodenzuführgases in den Mischabschnitt hin ein, entweder so weit reduziert, dass die gewünschte Unterschallströmung im Misch abschnitt erreicht wird, um unnötige Reibungsverluste zu vermeiden. Further advantages can be achieved if, in a jet pump device according to the invention, the driving connection is designed without a Laval nozzle. A Laval nozzle effect in the drive connection is thus explicitly avoided, and in this way an acceleration of the anode feed gas into the mixing section, either reduced to such an extent that the desired subsonic flow is achieved in the mixing section in order to avoid unnecessary friction losses.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung liegt darin das Anwendungsgebiet für Ejektoren massiv zu erweitern, auch für Anwendungen bei denen der Treibanschluss nicht über die erforderliche überkritische Druckversorgun gen verfügt um Überschall erzeugen zu können. Dadurch werden Verschaltungen im Rezirkulationssystem möglich, bei welchen ohne das erfindungsgemäße Ejektorprin zip weitere Zwischengebläse erforderlich wären. A further advantage of the jet pump device according to the invention lies in massively expanding the field of application for ejectors, even for applications in which the driving connection does not have the necessary supercritical pressure supplies in order to be able to generate supersonic waves. This means that interconnections in Recirculation system possible, in which zip further intermediate fan would be required without the Ejektorprin invention.
Weitere Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpumpen vorrichtung die Saug-Strömungsrichtung im Sauganschluss mit der Treib- Strömungsrichtung im Treibanschluss einen definierten Ejektorwinkel ausbildet, wo bei der Ejektorwinkel insbesondere als spitzer Winkel ausgebildet ist. Bei einer kon zentrischen Auslegung des Sauganschlusses ist der Ejektorwinkel 0° beziehungs weise 180°. Bei der bereits erläuterten Y-Anordnung zwischen Sauganschluss und Treibanschluss kann der Ejektorwinkel je nach Betriebsweise optimiert werden. Bei spielsweise kann durch Simulationen oder am Prüfstand ermittelt werden, bei wel chen Ejektorwinkeln die maximale Saugleistung bei idealen Strömungsverhältnissen im Unterschallbetrieb im Mischabschnitt erreicht werden kann. Further advantages can be achieved if, in a jet pump device according to the invention, the suction flow direction in the suction connection forms a defined ejector angle with the driving flow direction in the driving connection, where the ejector angle is in particular designed as an acute angle. With a concentric design of the suction connection, the ejector angle is 0° or 180°. With the already explained Y-arrangement between suction connection and drive connection, the ejector angle can be optimized depending on the mode of operation. For example, simulations or the test bench can be used to determine at which ejector angles the maximum suction power can be achieved with ideal flow conditions in subsonic operation in the mixing section.
Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenvorrichtung zwischen dem Mischabschnitt und dem Auslassanschluss ein Diffusorabschnitt angeordnet ist, für ein Ausbilden eines mittleren Druckniveaus für das Anodenzuführgas. Ein solcher Diffusorabschnitt beinhaltet insbesondere ei nen sich öffnenden Strömungsquerschnitt, sodass zum einen das Vermischen der Gase des Anodenzuführgases aus dem Treibanschluss und des Rezirkulationsgases verbessert und zum anderen eine Reduktion der Geschwindigkeit des Gemisches erzeugt wird, wobei die vorhandene kinetische Energie am Eintritt in den Diffusor in Erhöhung des Druckes am Austritt aus dem Diffusor umgewandelt wird. Dieses ent stehende Druckniveau ist dabei vorzugsweise hoch genug, um das Anodenzuführgas zusammen mit dem eingemischten Rezirkulationsgas durch den nachfolgenden Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels zu führen. In addition, there are advantages if, in a jet pump device according to the invention, a diffuser section is arranged between the mixing section and the outlet connection, for forming a medium pressure level for the anode feed gas. Such a diffuser section includes, in particular, an opening flow cross section, so that on the one hand the mixing of the gases of the anode feed gas from the drive connection and the recirculation gas is improved and on the other hand a reduction in the speed of the mixture is generated, with the kinetic energy present at the entry into the diffuser being Increasing the pressure at the exit from the diffuser is converted. This resulting pressure level is preferably high enough to conduct the anode feed gas together with the mixed-in recirculation gas through the subsequent anode section of the fuel cell stack.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für die Erzeugung von elektrischem Strom aus einem Brennstoff. Ein solches Brenn stoffzellensystem weist einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Der Anodenabschnitt ist mit einem Anodenzuführab- schnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas und mit einem Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas ausgestattet. Der Kathodenabschnitt ist mit einem Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas und einem Katho denabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas versehen. Das Brennstoffzel lensystem weist eine Rezirkulationsvorrichtung auf, für eine Rezirkulation von Ano- denabgas als Rezirkulationsgas über eine Rezirkulationsleitung in den Anodenzu- führabschnitt. Weiter ist im Anodenzuführabschnitt eine erfindungsgemäße Strahl pumpenvorrichtung angeordnet. Die Rezirkulationsleitung mündet im Sauganschluss der Strahlpumpenvorrichtung und eine Brennstoffzufuhrleitung von einer Brennstoff quelle in dem Treibanschluss der Strahlpumpenvorrichtung. Damit bringt ein erfin dungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie aus führlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung erläutert worden sind. Selbstverständlich können im Brennstoffzellensystem auch noch weite re Funktionsbestandteile, wie beispielsweise eine Luftquelle, eine Reformervorrich tung, Katalysatorvorrichtungen, Verdampfer oder Wärmetauschervorrichtungen an geordnet sein. The present invention also relates to a fuel cell system for generating electricity from a fuel. Such a fuel cell system includes a fuel cell stack having an anode section and a cathode section. The anode section is provided with an anode supply section for supplying anode supply gas and an anode exhaust section for discharging anode off-gas. The cathode section is provided with a cathode supply section for supplying cathode supply gas and a cathode discharge section for discharging cathode off-gas. The fuel cell system has a recirculation device for recirculating ano denabgas as a recirculation gas via a recirculation line into the anode feed section. Furthermore, a jet pump device according to the invention is arranged in the anode feed section. The recirculation line opens into the suction port of the jet pump device and a fuel supply line from a fuel source opens into the drive port of the jet pump device. A fuel cell system according to the invention thus has the same advantages as have been explained in detail with reference to a jet pump device according to the invention. Of course, further functional components, such as an air source, a reformer device, catalytic converter devices, evaporators or heat exchanger devices can also be arranged in the fuel cell system.
Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystem die Rezirkulationsleitung eine Aufteilvorrichtung aufweist, für ein Aufteilen des Rezirkulationsgases auf eine erste Teil-Rezirkulationsleitung und eine zweite Teil-Rezirkulationsleitung. Wenigstens in der ersten Teil-Rezirkulationsleitung ist da bei die erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung angeordnet. Das Aufteilen er laubt es, dass auch bei hohen benötigten Rezirkulationsraten der auf die erfindungs gemäße Strahlpumpenvorrichtung aufgeteilte Anteil an Rezirkulationsgas klein genug ist, um mit der verringerten Saugleistung im Unterschallbetrieb an der Strahlpumpen vorrichtung betrieben werden zu können. Die noch verbleibende benötigte Strö mungsmenge an Rezirkulationsgas wird auf die zweite Teil-Rezirkulationsleitung aufgeteilt, welche vorzugsweise weitere Bestandteile und Funktionseinheiten für eine unterstützte Rezirkulation aufweisen kann. Hier kann auch von einer mehrstufigen Rezirkulation gesprochen werden. It can bring advantages if, in a fuel cell system according to the invention, the recirculation line has a dividing device for dividing the recirculation gas into a first partial recirculation line and a second partial recirculation line. The jet pump device according to the invention is arranged at least in the first partial recirculation line. The splitting up allows the proportion of recirculation gas split between the jet pump device according to the invention to be small enough, even when high required recirculation rates are required, to allow the jet pump device to be operated with the reduced suction capacity in subsonic operation. The remaining required flow rate of recirculation gas is divided between the second partial recirculation line, which can preferably have further components and functional units for an assisted recirculation. Here one can also speak of a multi-stage recirculation.
Bei der Ausführungsform gemäß dem voranstehenden Absatz kann es vorteilhaft sein, wenn in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung wenigstens eine der folgenden Vorrichtungen angeordnet ist: In the embodiment according to the previous paragraph, it can be advantageous if at least one of the following devices is arranged in the second partial recirculation line:
- Strahlpumpenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, - Jet pump device according to the present invention,
- Normale Strahlpumpenvorrichtung, - Normal jet pump device,
- Gebläsevorrichtung. - blower device.
Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Lis te. Hier ist gut zu erkennen, dass eine zweistufige oder sogar mehrstufige Rezirkula- tion möglich ist, wobei jede einzelne Stufe hinsichtlich der entsprechenden Notwen digkeiten so weit reduziert ist, dass die Gesamteffizienz des Rezirkulationssystems der Rezirkulationsvorrichtung verbessert werden kann. Somit wird bei einer Begren zung der Strömungsmenge in die erfindungsgemäße Strahlpumpenvorrichtung er höhter Bedarf in einer Rezirkulationsrate dazu führen, dass die zusätzliche Strö mungsmenge an Rezirkulationsgas durch eine weitere Vorrichtung, beispielsweise eine Gebläsevorrichtung, ebenfalls in den Anodenzuführabschnitt eingeleitet wird.The above list is a non-exhaustive list. Here it is easy to see that a two-stage or even multi-stage recirculation tion is possible, with each individual stage being reduced in terms of the corresponding necessities to such an extent that the overall efficiency of the recirculation system of the recirculation device can be improved. Thus, when the flow rate in the jet pump device according to the invention is limited, an increased demand for a recirculation rate will result in the additional flow rate of recirculation gas also being introduced into the anode feed section by a further device, for example a blower device.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Aus führungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schema tisch: Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. It show schematic table:
Fig. 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlpumpen vorrichtung, 1 shows an embodiment of a jet pump device according to the invention,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahl pumpenvorrichtung, Fig. 2 a further embodiment of a jet pump device according to the invention,
Fig. 3 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel lensystems und Fig. 3 lensystems an embodiment of a fuel cell according to the invention and
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystems. Fig. 4 shows another embodiment of a fuel cell system according to the invention.
Figur 1 zeigt schematisch eine Möglichkeit einer erfindungsgemäßen Strahlpumpen vorrichtung 10. Über einen Treibanschluss 20 kann hier Anodenzuführgas AZG von einem Anodenzuführabschnitt 122 aufgenommen werden. Das Anodenzuführgas AZG strömt durch den Treibanschluss 20, welcher hier entlang der Treib- Strömungsrichtung TSR einen konstanten Strömungsquerschnitt SQ aufweist. So bald das Anodenzuführgas AZG nun aus dem Treibanschluss 20 in den Mischab schnitt 50 austritt, erzeugt es eine Saugwirkung auf den Sauganschluss 30. Diese Saugwirkung führt dazu, dass Rezirkulationsgas RG aus der Rezirkulationsleitung 142 in den Sauganschluss 30 eingesaugt wird. Hier ist ein sich etwas verringernder Strömungsquerschnitt SQ vorgesehen, wobei das Rezirkulationsgas RG entlang der Saug-Strömungsrichtung SSR gefördert wird, welche hier parallel oder im Wesentli chen parallel zur Treib-Strömungsrichtung TSR ausgerichtet ist. Nach dem Ansau gen findet das Vermischen mit dem Rezirkulationsgas RG im Mischabschnitt 50 statt, sodass anschließend das neu gemischte Anodenzuführgas AZG über den Diffusor abschnitt 60 auf ein mittleres Druckniveau reduziert werden kann. In gemischter und auf das gewünschte Druckniveau gebrachter Weise kann nun die mit dem Rezirkula- tionsgas RG versehene Anodenzuführgasmenge über den Auslassanschluss 40 aus treten und weiter über den Anodenzuführabschnitt 122 in den Anodenabschnitt 120 gefördert werden. FIG. 1 schematically shows one possibility of a jet pump device 10 according to the invention. The anode supply gas AZG flows through the drive connection 20, which here has a constant flow cross section SQ along the drive flow direction TSR. As soon as the anode feed gas AZG emerges from the drive connection 20 into the mixing section 50, it creates a suction effect on the suction connection 30. This suction effect results in recirculation gas RG being sucked out of the recirculation line 142 into the suction connection 30. A somewhat decreasing flow cross section SQ is provided here, with the recirculation gas RG being conveyed along the suction flow direction SSR, which is aligned here parallel or essentially parallel to the propulsion flow direction TSR. After the intake, mixing with the recirculation gas RG takes place in the mixing section 50. so that the newly mixed anode feed gas AZG can then be reduced to a medium pressure level via the diffuser section 60 . The quantity of anode feed gas provided with the recirculation gas RG can now exit in a mixed manner and brought to the desired pressure level via the outlet connection 40 and be conveyed further via the anode feed section 122 into the anode section 120 .
Durch die hier konstante Ausbildung des Strömungsquerschnittes SQ im Treiban schluss 20 entlang der Treib-Strömungsrichtung TSR wird eine Beschleunigung des Anodenzuführgases AZG in diesem letzten Bereich vermieden oder zumindest im Unterschallbereich gehalten und das Strömungsprofil stabilisiert. Es stellt sich damit eine Unterschallströmung im Mischabschnitt 50 ein, welche im Unterschallbereich die entsprechende Saugleistung am Sauganschluss 30 zur Verfügung stellt. Damit wird sichergestellt, dass die vorliegende Strahlpumpenvorrichtung 10 im Unterschallbe treib betrieben werden kann. Bei der Ausgestaltung der Figur 1 sind die Strömungs querschnitte SQ so gewählt, dass sich eine Aufteilung zwischen Sauganschluss 30 und Treibanschluss 20 von ca. 50:50 einstellt. Due to the constant design of the flow cross section SQ in the drive connection 20 along the drive flow direction TSR, an acceleration of the anode supply gas AZG is avoided in this last area or at least kept in the subsonic range and the flow profile is stabilized. A subsonic flow is thus established in the mixing section 50, which makes the corresponding suction capacity available at the suction connection 30 in the subsonic range. This ensures that the present jet pump device 10 can be operated in subsonic operation. In the embodiment of FIG. 1, the flow cross-sections SQ are selected in such a way that the suction connection 30 and the drive connection 20 are split approximately 50:50.
Die Figur 2 zeigt eine alternative Ausführungsform zur Figur 1 , wobei hier eine Y- Anordnung zwischen Treibanschluss 20 und Sauganschluss 30 vorgesehen ist. Auch hier ist jedoch ein konstanter und insbesondere aufweitungsfreier Strömungsquer schnitt SQ für den Treibanschluss 20 vorgesehen, sodass sich auch bei dieser Y- Anordnung eine Unterschallströmungssituation im Mischabschnitt 50 einstellt. Durch Simulation oder Testbetrieb kann für diese Strahlpumpenvorrichtung 5 ein Ejektor winkel a so optimiert werden, dass die zur Verfügung gestellte Saugleistung im Un terschallbetreib im Mischabschnitt 50 für ein maximiertes Ansaugen von Rezirkulati- onsgas RG über den Sauganschluss 30 gewährleistet wird. Bei dieser Ausführungs form ist sogar zusätzlich auf eine Diffusorvorrichtung 60 verzichtet worden, was für sehr geringe RZ und damit niedrig erforderliche Saugdrucke ausreichend sein kann. Durch den deutlichen Unterschied der Strömungsquerschnitte SQ erfolgt bei dieser Ausführungsform beispielsweise eine Aufteilung von 80:20 zwischen Treibanschluss 20 und Sauganschluss 30. Für andere Aufteilungen können die Strömungsquer schnitte SQ im Verhältnis zueinander entsprechend den Anforderungen an die Strahlpumpenvorrichtung 10 unterschiedlich ausgelegt werden. Bei den Ausführungsformen der Figur 1 und der Figur 2 kann die Konstruktionsweise der Strahlpumpenvorrichtung 10 einfacher erfolgen, da ausschließlich eine Berück sichtigung eines Unterschallbetriebes notwendig ist. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist, dass im Unterschallbetrieb die notwendigen Betriebsdrücke am Treiban schluss 20 deutlich geringer liegen, beispielsweise um den Faktor 5, als dies im Überschallbetrieb der Fall ist. Trotz einer Reduktion des Druckbedarfs am Treiban schluss 20 um den Faktor 5, kann beispielsweise die Saugleistung nur um den Fak tor 2 geringer erzielt werden, sodass die Optimierung und Reduktion des benötigten Drucks die Reduktion der Saugleistung, die damit einhergeht, deutlich übersteigt.FIG. 2 shows an alternative embodiment to FIG. Here, too, however, a constant flow cross-section SQ, which in particular does not widen, is provided for the driving connection 20, so that a subsonic flow situation also occurs in the mixing section 50 with this Y arrangement. An ejector angle a can be optimized for this jet pump device 5 by simulation or test operation in such a way that the suction capacity made available in subsonic operation in the mixing section 50 is guaranteed for maximized suction of recirculation gas RG via the suction connection 30 . In this embodiment, a diffuser device 60 has even been dispensed with, which can be sufficient for very low RZ and therefore low required suction pressures. Due to the clear difference in the flow cross sections SQ, in this embodiment there is a split of 80:20 between drive connection 20 and suction connection 30, for example. In the embodiments of FIG. 1 and FIG. 2, the design of the jet pump device 10 can be simpler, since only subsonic operation has to be taken into account. Another decisive advantage is that in subsonic operation the necessary operating pressures at the driving connection 20 are significantly lower, for example by a factor of 5, than is the case in supersonic operation. Despite a reduction in the pressure requirement at the drive connection 20 by a factor of 5, the suction power can only be reduced by a factor of 2, for example, so that the optimization and reduction of the required pressure significantly exceeds the associated reduction in suction power.
In der Figur 3 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt, welches zum Erzeugen von Strom einen Brennstoffzellenstapel 110 aufweist. Dieser ist mit einem Anoden abschnitt 120 und einem Kathodenabschnitt 130 ausgestattet. Der Kathodenab schnitt 130 erhält als Kathodenzuführgas KZG Zuluft von einer Luftquelle 180 über einen Kathodenzuführabschnitt 132. Das Kathodenabgas KAG wird über den Katho denabführabschnitt 134, hier über eine Katalysatorvorrichtung 172 und zwei weitere Wärmetauschervorrichtungen 170, wieder an die Umgebung abgeführt. FIG. 3 shows a fuel cell system 100 which has a fuel cell stack 110 for generating electricity. This is provided with an anode section 120 and a cathode section 130 . The cathode section 130 receives supply air from an air source 180 via a cathode supply section 132 as the cathode supply gas KZG.
Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 wird Brennstoff BS von einer Brennstoffquelle 150 über die Brennstoffzufuhrleitung 152 in das Brennstoffzellen system 100 eingebracht. Der Brennstoff BS kann hier gasförmig, beispielsweise über eine Wärmetauschervorrichtung 170, in den Treibanschluss 20 einer Strahlpumpen vorrichtung 10 eingebracht werden. Durch dieses Einbringen entsteht die bereits er läuterte Saugwirkung am Sauganschluss 30, sodass hier über die erste Teil- Rezirkulationsleitung 146 Rezirkulationsgas RG über die Aufteilvorrichtung 144 aus der Rezirkulationsleitung 142 angesaugt werden kann. Nach dem Mischen mit dem Rezirkulationsgas wird das Anodenzuführgas AZG durch die Reformervorrichtung 174 in den Anodenabschnitt 120 gefördert. Das entstehende Anodenabgas AAG wird über den Anodenabführabschnitt 124 zumindest teilweise, je nach Rezirkulationsrate, auf die Rezirkulationsleitung 142 aufgeteilt. Der verbleibende Rest des Anodenabga ses AAG wird über eine Abgasleitung, ebenfalls der Katalysatorvorrichtung 172 und die bereits erläuterten Wärmetauschervorrichtungen 170, der Umgebung zugeführt.For the operation of the fuel cell system 100, fuel BS is introduced into the fuel cell system 100 from a fuel source 150 via the fuel supply line 152 . The fuel BS can be introduced here in gaseous form, for example via a heat exchanger device 170, into the driving connection 20 of a jet pump device 10. This introduction results in the already explained suction effect at the suction connection 30 , so that recirculation gas RG can be sucked in here from the recirculation line 142 via the first partial recirculation line 146 via the dividing device 144 . After mixing with the recirculation gas, the anode feed gas AZG is conveyed through the reformer device 174 into the anode section 120 . The anode waste gas AAG that is produced is at least partially distributed to the recirculation line 142 via the anode discharge section 124 , depending on the recirculation rate. The remainder of the anode exhaust gas AAG is fed to the environment via an exhaust pipe, also to the catalytic converter device 172 and the heat exchanger devices 170 already explained.
Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist eine mehrstufige Ausgestaltung der Rezirku- lation dargestellt. Da die Strahlpumpenvorrichtung 10 hierfür den Unterschallbetrieb ausgerichtet ist, ist entsprechend die Saugleistung und die damit förderbare Ge- samtmenge oder Maximalmenge an Rezirkulationsgas RG begrenzt. Bei hohen Re- zirkulationsraten muss die dann noch fehlende zusätzliche Menge an Rezirkulations gas RG hier über die Aufteilvorrichtung 144 auf die zweite Teil-Rezirkulationsleitung 148 aufgeteilt werden. Hier wird das verbleibende Rezirkulationsgas RG über eine Wärmetauschervorrichtung 170 in der Luftzufuhr geführt, welche insbesondere eine Kondensatorvorrichtung ist. Die Wärmetauschervorrichtungen 170 sind vorzugsweise gemäß den jeweiligen Anforderungen an den Einsatzpositionen im Brennstoffzellen system 100 angepasst. So kann Kondensat abgetrennt und über einen Verdichter und eine als Verdampfungsvorrichtung ausgebildete weitere Wärmetauschervorrich tung 170 einem Treibanschluss einerweiteren Strahlpumpenvorrichtung 10 zugeführt werden. Verbleibendes Restgas nach der unten links dargestellten Wärmetauscher vorrichtung 170 als Kondensatorvorrichtung kann über den Sekundäranschluss der gleichen links dargestellten Strahlpumpenvorrichtung 10 dem Anodenzuführabschnitt 122 wieder zugeführt werden. Selbstverständlich können auch drei- oder mehrstufige Strahlpumpenvorrichtungen in erfindungsgemäßerweise eingesetzt werden. In the embodiment of FIG. 3, a multi-stage configuration of the recirculation is shown. Since the jet pump device 10 is designed for subsonic operation for this purpose, the suction power and the speed that can be pumped with it are correspondingly total amount or maximum amount of recirculation gas RG limited. In the case of high recirculation rates, the additional amount of recirculation gas RG that is then still missing must be divided here via the dividing device 144 onto the second partial recirculation line 148 . Here the remaining recirculation gas RG is conducted via a heat exchanger device 170 in the air supply, which is in particular a condenser device. The heat exchanger devices 170 are preferably adapted according to the respective requirements of the positions in the fuel cell system 100 . Condensate can thus be separated off and fed to a drive connection of a further jet pump device 10 via a compressor and a further heat exchanger device 170 designed as an evaporation device. Remaining residual gas after the heat exchanger device 170 shown on the bottom left as a condenser device can be fed back to the anode feed section 122 via the secondary connection of the same jet pump device 10 shown on the left. Of course, three-stage or multi-stage jet pump devices can also be used in accordance with the invention.
Die Figur 4 basiert auf der Ausführungsform der Figur 3. Jedoch wurde hier anstelle einer mehrstufigen Ejektorlösung die zweite Teil-Rezirkulationsleitung 148 mit einer Gebläsevorrichtung 176 ausgestattet, welche ähnlich der Ausführungsform der Figur 3 in der Lage ist, hier durch aktive Gebläseförderung das noch fehlende Rezirkulati onsgas RG zusätzlich zur Strahlpumpenvorrichtung 10 der Rezirkulation dem Ano denzuführabschnitt 122 zur Verfügung zu stellen. Figure 4 is based on the embodiment of Figure 3. However, instead of a multi-stage ejector solution, the second partial recirculation line 148 has been equipped with a blower device 176, which, similar to the embodiment of Figure 3, is able to provide the still missing recirculation through active blower support onsgas RG in addition to the jet pump device 10 of the recirculation to make the anode supply section 122 available.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively in the context of examples.
Bezugszeichenliste Reference List
10 Strahlpumpenvorrichtung 20 Treibanschluss 30 Sauganschluss 40 Auslassanschluss 50 Mischabschnitt 60 Diffusorabschnitt 10 jet pump device 20 propulsion port 30 suction port 40 outlet port 50 mixing section 60 diffuser section
100 Brennstoffzellensystem 100 fuel cell system
110 Brennstoffzellenstapel 110 fuel cell stack
120 Anodenabschnitt 120 anode section
122 Anodenzuführabschnitt 122 anode feeding section
124 Anodenabführabschnitt 124 anode exhaust section
130 Kathodenabschnitt 130 cathode section
132 Kathodenzuführabschnitt 132 cathode supply section
134 Kathodenabführabschnitt 134 Cathode discharge section
140 Rezirkulationsvorrichtung 140 recirculation device
142 Rezirkulationsleitung 142 recirculation line
144 Aufteilvorrichtung 144 dividing device
146 erste Teil-Rezirkulationsleitung146 first partial recirculation line
148 zweite Teil-Rezirkulationsleitung148 second partial recirculation line
150 Brennstoffquelle 150 fuel source
152 Brennstoffzufuhrleitung 152 fuel supply line
170 Wärmetauschervorrichtung 170 heat exchanger device
172 Katalysatorvorrichtung 172 catalyst device
174 Reformervorrichtung 174 reformer device
176 Gebläsevorrichtung 176 Blower Device
180 Luftquelle 180 air source
SQ Strömungsquerschnitt SSR Saug-Strömungsrichtung TSR Treib-Strömungsrichtung BS Brennstoff RG Rezirkulationsgas AZG Anodenzuführgas AAG Anodenabgas KZG Kathodenzuführgas KAG Kathodenabgas a Ejektorwinkel SQ flow cross-section SSR suction flow direction TSR motive flow direction BS fuel RG recirculation gas AZG Anode supply gas AAG Anode exhaust gas KZG Cathode supply gas KAG Cathode exhaust gas a Ejector angle

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Strahlpumpenvorrichtung (10) für eine Rezirkulationsvorrichtung (140) zur Re- zirkulation von Rezirkulationsgas (RG) in einen Anodenzuführabschnitt (122) eines Brennstoffzellenstapels (110) eines Brennstoffzellensystems (100), auf weisend einen Treibanschluss (20) zur fluidkommunizierenden Einbindung in den Anodenzuführabschnitt (122), einen Sauganschluss (30) zur fluidkommu nizierenden Verbindung mit einer Rezirkulationsleitung (142) der Rezirkulati onsvorrichtung (140) und einen Auslassanschluss (40) zum Auslass von Ano- denzuführgas (AZG) zum Anodenabschnitt (120) des Brennstoffzellenstapels (110), wobei zwischen dem Treibanschluss (20) und dem Auslassanschluss (40) ein Mischabschnitt (50) angeordnet ist für ein Vermischen von über den Sauganschluss (30) angesaugtem Rezirkulationsgas (RG) und über den Treibanschluss (20) eingebrachtem Anodenzuführgas (AZG), dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) zum Mischabschnitt (50) hin ei nen aufweitungsfreien oder im Wesentlichen aufweitungsfreien Strömungs querschnitt (SQ) aufweist für eine Ausbildung einer Unterschallströmung im Mischabschnitt (50). 1. Jet pump device (10) for a recirculation device (140) for recirculating recirculation gas (RG) in an anode feed section (122) of a fuel cell stack (110) of a fuel cell system (100), having a drive connection (20) for fluid-communicating integration into the Anode feed section (122), a suction port (30) for fluid-communicating connection with a recirculation line (142) of the recirculation device (140) and an outlet port (40) for the outlet of anode feed gas (AZG) to the anode section (120) of the fuel cell stack (110 ), wherein a mixing section (50) is arranged between the drive connection (20) and the outlet connection (40) for mixing the recirculation gas (RG) sucked in via the suction connection (30) and the anode feed gas (AZG) introduced via the drive connection (20), characterized in that the driving connection (20) towards the mixing section (50) has a flare-free or substantially en expansion-free flow cross-section (SQ) for the formation of a subsonic flow in the mixing section (50).
2. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) einen konstanten oder im Wesentlichen kon stanten Strömungsquerschnitt (SQ) aufweist. 2. Jet pump device (10) according to claim 1, characterized in that the driving connection (20) has a constant or essentially constant flow cross section (SQ).
3. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) wenigstens ab schnittsweise innerhalb des Sauganschlusses (30), insbesondere wenigstens abschnittsweise konzentrisch im Sauganschluss (30), angeordnet ist. 3. Jet pump device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the driving connection (20) is arranged at least in sections within the suction connection (30), in particular at least in sections concentrically in the suction connection (30).
4. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) und/oder der Saug anschluss (30) und/oder der Mischabschnitt (50) und/oder der Auslassan schluss (40) einen runden oder im Wesentlichen runden Strömungsquerschnitt (SQ) aufweisen. 4. Jet pump device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the driving connection (20) and/or the suction connection (30) and/or the mixing section (50) and/or the outlet connection (40) have a round or have substantially round flow cross-section (SQ).
5. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibanschluss (20) frei von einer Lava- Idüse ausgebildet ist. 5. jet pump device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the driving connection (20) is formed free of a lava nozzle.
6. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Saug-Strömungsrichtung (SSR) im Sauganschluss (30) mit der Treib-Strömungsrichtung (TSR) im Treibanschluss (20) einen definierten Ejektorwinkel (a) ausbildet, wobei der Ejektorwinkel (a) insbesondere als spitzer Winkel ausgebildet ist. 6. Jet pump device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the suction flow direction (SSR) in the suction connection (30) forms a defined ejector angle (a) with the motive flow direction (TSR) in the motive connection (20), wherein the ejector angle (a) is designed in particular as an acute angle.
7. Strahlpumpenvorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mischabschnitt (50) und dem Auslassanschluss (40) ein Diffusorabschnitt (60) angeordnet ist für ein Ausbil den eines mittleren Druckniveaus für das Anodenzuführgas (AZG). 7. Jet pump device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a diffuser section (60) is arranged between the mixing section (50) and the outlet connection (40) for forming a medium pressure level for the anode feed gas (AZG).
8. Brennstoffzellensystem (100) für die Erzeugung von elektrischem Strom aus einem Brennstoff (BS), aufweisend einen Brennstoffzellenstapel (110) mit ei nem Anodenabschnitt (120) und einem Kathodenabschnitt (130), der Anoden abschnitt (120) aufweisend einen Anodenzuführabschnitt (122) zum Zuführen von Anodenzuführgas (AZG) und einen Anodenabführabschnitt (124) zum Ab führen von Anodenabgas (AAG), der Kathodenabschnitt (130) aufweisend ei nen Kathodenzuführabschnitt (132) zum Zuführen von Kathodenzuführgas (KZG) und einen Kathodenabführabschnitt (134) zum Abführen von Katho denabgas (KAG), wobei das Brennstoffzellensystem (100) eine Rezirkulati- onsvorrichtung (140) aufweist für eine Rezirkulation von Anodenabgas (AAG) als Rezirkulationsgas (RG) über eine Rezirkulationsleitung (142) in den Ano denzuführabschnitt (122), dadurch gekennzeichnet, dass in dem Anodenzu führabschnitt (122) eine Strahlpumpenvorrichtung (10) mit den Merkmalen ei nes der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet ist und die Rezirkulationsleitung (142) im Sauganschluss (30) der Strahlpumpenvorrichtung (10) mündet, und weiter eine Brennstoffzufuhrleitung (152) von einer Brennstoffquelle (150) in dem Treibanschluss (20) der Strahlpumpenvorrichtung (10) mündet. 8. Fuel cell system (100) for generating electricity from a fuel (BS), comprising a fuel cell stack (110) with an anode section (120) and a cathode section (130), the anode section (120) having an anode feed section (122 ) for supplying anode feed gas (AZG) and an anode discharge section (124) for discharging anode waste gas (AAG), the cathode section (130) having a cathode feed section (132) for supplying cathode feed gas (KZG) and a cathode discharge section (134) for discharging of cathode exhaust gas (KAG), the fuel cell system (100) having a recirculation device (140) for recirculating anode exhaust gas (AAG) as recirculation gas (RG) via a recirculation line (142) into the anode feed section (122), characterized that a jet pump device (10) having the features of one of claims 1 to 7 is arranged in the anode feed section (122) and the R ecirculation line (142) opens in the suction port (30) of the jet pump device (10), and further a fuel supply line (152) from a fuel source (150) opens in the drive port (20) of the jet pump device (10).
9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rezirkulationsleitung (142) eine Aufteilvorrichtung (144) angeord net ist für ein Aufteilen des Rezirkulationsgases (RG) auf eine erste Teil- Rezirkulationsleitung (146) und eine zweite Teil-Rezirkulationsleitung (148), wobei in wenigstens der ersten Teil-Rezirkulationsleitung (146) die Strahlpum penvorrichtung (10) mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 7 angeordnet ist. 9. Fuel cell system (100) according to claim 8, characterized in that in the recirculation line (142) a dividing device (144) is angeord net for dividing the recirculation gas (RG) into a first partial recirculation line (146) and a second partial Recirculation line (148), wherein the jet pump device (10) having the features of claims 1 to 7 is arranged in at least the first partial recirculation line (146).
10. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Teil-Rezirkulationsleitung (148) wenigstens eine der fol genden Vorrichtungen angeordnet ist: 10. The fuel cell system (100) according to claim 9, characterized in that at least one of the following devices is arranged in the second partial recirculation line (148):
- Strahlpumpenvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7 - Jet pump device (10) having the features of one of claims 1 to 7
- Normale Strahlpumpenvorrichtung - Normal jet pump device
Gebläsevorrichtung (176) blower device (176)
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