WO2023066628A1 - Jet pump module for a fuel cell system - Google Patents

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WO2023066628A1
WO2023066628A1 PCT/EP2022/076986 EP2022076986W WO2023066628A1 WO 2023066628 A1 WO2023066628 A1 WO 2023066628A1 EP 2022076986 W EP2022076986 W EP 2022076986W WO 2023066628 A1 WO2023066628 A1 WO 2023066628A1
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jet pump
pump module
piston
nozzle
anode gas
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PCT/EP2022/076986
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Michael Kurz
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants

Definitions

  • the invention relates to a jet pump module for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system. Furthermore, a fuel cell system with a jet pump module according to the invention is proposed.
  • Hydrogen-based fuel cells require hydrogen and oxygen to convert them into electrical energy, heat and water.
  • the hydrogen is supplied to an anode via an anode circuit.
  • the air which serves as the oxygen supplier, reaches a cathode via an air system.
  • the two gas spaces within a fuel cell are each separated from one another by an electrolyte membrane that is permeable to protons.
  • a mobile fuel cell system is usually operated with an excess of hydrogen (lambda > 1).
  • the excess hydrogen is recirculated via a recirculation path of the anode circuit and fed back to the fuel cells.
  • the recirculation can be effected actively and/or passively, a recirculation pump being used for active recirculation and a jet pump with a propulsion nozzle being used for passive recirculation. Since a single jet pump can only inadequately cover the entire load range of a fuel cell system, concepts are known from the prior art that use two jet pumps or propulsion nozzles connected in parallel.
  • the inactive jet pump or motive nozzle In order to be able to operate these independently of one another depending on the load, the inactive jet pump or motive nozzle must be encapsulated, otherwise no anode gas is recirculated.
  • the known concepts therefore provide a control valve, by means of which the flow path over the respective inactive jet pump can be disconnected.
  • the control valve causes additional costs, so that the costs of the entire system increase.
  • an additional hydrogen metering valve may also be required in order to free the fuel cell system of water residues by flushing with pure hydrogen in the event of a shutdown. This further increases the costs. In addition, the space requirement increases.
  • the present invention is therefore concerned with the task of specifying a more cost-effective and at the same time more space-saving solution for the operation of two jet pumps or driving nozzles for the passive recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system.
  • the jet pump module proposed for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system comprises a first driving nozzle and a second driving nozzle arranged parallel to the first driving nozzle.
  • Each propulsion nozzle is assigned an actively controllable hydrogen metering valve, so that the propulsion nozzles can be activated independently of one another.
  • the jet pump module also includes a first mixing tube, into which the first propulsion nozzle opens, and a second mixing tube, which is arranged parallel to the first mixing tube and into which the second propulsion nozzle opens, with each mixing tube being preceded by an antechamber which, depending on the position, has a reciprocating Piston of a pressure-controlled valve can be connected to a common inlet area for recirculated anode gas.
  • the pressure applied to the piston can be used to move it into at least two positions, into a first position in which the first antechamber is connected to the common inlet area and the second antechamber is connected to the inlet Is let area decoupled, and in a second position in which the second anteroom is connected to the common inlet area and the first antechamber is decoupled from the inlet area.
  • the movements of the piston are controlled via the pressure applied to the piston, i.e. passively.
  • the pressure prevailing in the first antechamber is preferably applied to the piston on the one hand and the pressure prevailing in the second antechamber on the other hand. If a hydrogen dosing valve is now opened to activate a propulsion nozzle, the pressure in the respective antechamber drops so that a pneumatic force that moves the piston is generated via the pressure difference. In this way, the respective inactive propulsion nozzle is decoupled from the common inlet area. An additional control valve for controlling the two propulsion nozzles is therefore not necessary. This means that the costs for an actively switchable control valve are saved and the overall costs are reduced.
  • Another advantage results from the arrangement of the pressure-controlled valve on the inlet side. Because in this arrangement the flow resistance of the recirculated anode gas deteriorates only insignificantly. As a result, high efficiency can be achieved.
  • the two mixing tubes are connected on the outlet side via a common outlet area. Since the antechamber of the respective inactive propulsion nozzle can be decoupled from the common inlet area with the aid of the pressure-controlled valve, there is no risk of anode gas being circulated through the jet pump module, despite the connection via the common outlet area. This is because the flow path through the respective inactive propulsion nozzle is blocked.
  • the propulsion nozzles and/or the mixing tubes are designed for system loads of different magnitudes. In this way, a wide range of loads can be covered by either the low load motive nozzle or the high load motive nozzle is activated.
  • the piston of the pressure-controlled valve which can be moved back and forth, is prestressed in the direction of at least one end position by the spring force of at least one spring.
  • the spring force causes an additional force acting on the piston, preferably compressive force, which can be designed such that when a hydrogen metering valve opens, the pressure increasing in the respective antechamber is not sufficient to move the piston from a position in which both antechambers are separated from the common inlet area are decoupled.
  • the piston is preferably biased in opposite directions with the aid of at least two springs.
  • the piston is then essentially balanced in terms of pressure or force, so that it can assume a type of central position in which both antechambers are decoupled from the common inlet area.
  • both hydrogen metering valves can be opened selectively or together.
  • At least one end position of the piston which can be moved back and forth, is preferably predetermined by a stop surface on the housing side.
  • the abutment surface on the housing side is preferably ring-shaped and/or has a connecting channel passing through it, which opens into an antechamber. This ensures that the pressure prevailing in the antechamber is applied to the piston, even when the piston is in contact with the stop surface.
  • the stop surface on the housing side preferably interacts with a stop surface formed on the end face of the piston. At the same time, this serves as an effective surface on which the pressure prevailing in the respective antechamber is applied to control the movements of the piston.
  • Both end positions of the piston are preferably specified by a stop surface on the housing side. Furthermore, each stop surface preferably interacts with a stop surface formed on the end face of the piston.
  • the piston can then be moved back and forth between the two end positions to open and/or block the flow paths that connect the common inlet area with the antechambers, and preferably assume a middle position between the two end positions.
  • an end position be formed by a movable stop sleeve that is spring-loaded in the direction of the piston.
  • the end position is variable, depending in particular on the pressures in the two antechambers.
  • the piston preferably has a longitudinal axis which is aligned perpendicular to the longitudinal axes of the propulsion nozzles.
  • This alignment of the piston of the pressure-controlled valve is particularly space-saving.
  • the piston can be arranged between the two vestibules with a corresponding alignment, so that the pressure prevailing in the respective vestibule is present on both sides of the piston.
  • the piston of the pressure-controlled valve preferably assumes a middle position when the hydrogen metering valves are closed, in which both antechambers are decoupled from the common inlet area for recirculated anode gas.
  • fresh hydrogen can be metered in by opening at least one hydrogen metering valve, without anode gas being recirculated at the same time. This is particularly important in the event of part in order to remove water residues with the help of the dosed fresh hydrogen.
  • a jet pump module according to the invention Since the preferred area of application of a jet pump module according to the invention is a fuel cell system, a fuel cell system with an anode circuit is also proposed, in which a jet pump module according to the invention is integrated. With the help of this module, costs and installation space can be saved. Furthermore, a high level of efficiency can be achieved in the passive recirculation of anode gas, since the flow resistance of the recirculated anode gas is only slightly worsened by the proposed configuration of the jet pump module.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a first jet pump module according to the invention, a) with an active first motive nozzle with an inactive second motive nozzle and b) with an active second motive nozzle with an inactive first motive nozzle,
  • Fig. 2 shows a schematic longitudinal section through a second jet pump module according to the invention, a) with inactive first and second driving nozzle, b) with active second driving nozzle with inactive first driving nozzle, c) with active first driving nozzle with inactive second driving nozzle, d) with active first driving nozzle simultaneous decoupling from the inlet area and e) with active first and second propulsion nozzle with simultaneous decoupling from the inlet area, and
  • FIG 3 shows a schematic longitudinal section through a third jet pump module according to the invention, a) with activated second drive nozzle for recirculation of anode gas and b) with activated second drive nozzle with simultaneous decoupling from the inlet area.
  • the jet pump module 1 shown in FIGS. 1a) and 1b) is used for the passive recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system in which the jet pump module 1 is integrated.
  • the jet pump For this purpose, module 1 comprises a first propulsion nozzle 2 and a second propulsion nozzle 3, which are arranged in parallel.
  • the two propulsion nozzles 2, 3 are each assigned a hydrogen metering valve 4, 5 and a mixing tube 6, 7. Based on the design of the mixing tubes 6, 7, it can be seen that they are designed in conjunction with the respective propulsion nozzle 2, 3 for system loads of different magnitudes.
  • the motive nozzle 2 with the mixing tube 6 is designed for higher loads, while the motive nozzle 3 with the mixing tube 7 is designed for lower loads.
  • the driving nozzles 2, 3 can be activated separately from one another via the hydrogen metering valves 4, 5, so that the amount of recirculated anode gas can be controlled as a function of the load.
  • the mixing tubes 6 , 7 are connected on the outlet side via a common outlet area 13 of the jet pump module 1 .
  • the mixing tubes 6 , 7 are each preceded by an antechamber 8 , 9 which can be coupled or decoupled to a common inlet area 12 depending on the position of a reciprocating piston 11 of a pressure-controlled valve 10 .
  • Recirculated anode gas can be fed to the jet pump module 1 via the common inlet area 12 . If an antechamber 8, 9 is decoupled from the inlet area 12, no recirculated anode gas gets into it.
  • the inlet area 12 is then only connected to the outlet area 13 via the anteroom 8, 9, which is not decoupled in each case, while the other flow path is blocked. This ensures that no recirculated anode gas is circulated within the jet pump module 1 .
  • the first propulsion nozzle 2 is activated and the second propulsion nozzle 3 is deactivated.
  • the first propulsion nozzle 2 is activated via the associated hydrogen metering valve 4 . This is opened so that fresh hydrogen is taken from a tank 21 and fed to the propulsion nozzle 2 .
  • the pressure is previously set to medium pressure with the aid of a pressure regulator 22 .
  • the fluid jet generated by the driving nozzle 2 causes a negative pressure pi in the antechamber 8 that is smaller than a pressure P2 in the antechamber 9 . Since the pressures p1, p2 prevailing in the two vestibules 8, 9 are applied to the piston 11, the pressure difference causes a pneumatic force which moves the piston 11 in the direction of a first stop surface 16 on the housing side.
  • the antechamber 8 is connected to the inlet area 12 so that recirculated anode gas is sucked into the mixing tube 6 . Due to the design of the driving nozzle 2 and of the mixing tube 6 for high loads, a comparatively large amount of recirculated anode gas is supplied to the outlet section 13 .
  • the deactivation of one propulsion nozzle 2, 3 of the jet pump module 1 of FIG. 1 ensures that no anode gas is pumped within the jet pump module 1 in a circuit. Furthermore, by switching between the driving nozzles 2, 3, the amount of recirculated anode gas can be varied depending on the load.
  • FIG. 1 A further preferred embodiment of a jet pump module 1 according to the invention is shown in FIG. This differs from that of FIG. 1 in particular in that springs 14, 15 are provided, the spring forces of which pretension the piston 11 in the direction of a first and a second end position. Via the spring forces of the springs 14, 15, the piston 11 can be held in a central position in which both vestibules 8, 9 are decoupled from the common inlet area 12 (see FIG. 2a)). The correct length adjustment of the two springs 14, 15 is responsible for the middle position of the piston 11.
  • the hydrogen metering valve 5 is open to activate the driving nozzle 3. This creates a negative pressure ps in the antechamber 9, which pulls the piston 11 against the spring force F2 of the spring 15 against the stop surface 17. The softer the spring 15 is designed, the less vacuum is required to pull the piston 11 up to the stop surface 17 . In this position, a connection between the vestibule 9 and the inlet region 12 is established, while the vestibule 8 remains uncoupled from the inlet region 12—despite the changed position of the piston 11.
  • Figure 2c) shows the opposite case.
  • the hydrogen metering valve 4 is open, so that there is a negative pressure ps in the antechamber 8, which pulls the piston 11—against the spring force Fi of the spring 14—to the stop surface 16 on the housing side.
  • the vestibule 8 is connected to the inlet region 12 , while the vestibule 9 remains decoupled from the inlet region 12 .
  • FIGS. 2d) and 2e Further functions are described below with reference to FIGS. 2d) and 2e), which can be implemented with the aid of the jet pump module 1 of FIG. This is because the central position of the piston 11 makes it possible, if required, to meter in fresh or dry hydrogen from the tank 21 without admixing recirculated and therefore moist anode gas.
  • the pressure in the antechamber 8 hardly changes. This means that in the antechamber 8 there is a negative pressure p? sets, which is not sufficient to move the piston 11 against the spring force of the spring 14 from its central position.
  • the antechamber 8 remains decoupled even when the piston 11 moves (see FIG. 2d)). Only when a larger quantity of hydrogen is metered in from the tank 21 via the hydrogen metering valve 4 does the pressure p? in the vestibule 8 significantly, so that the piston 11 is pulled against the stop surface 16 on the housing side. In this position, the antechamber 8 is connected to the inlet area 12 so that anode gas is recirculated and mixed with the fresh hydrogen from the tank 21 .
  • the hydrogen metering valve 4 is operated below the design limit of the driving nozzle 2, small amounts of hydrogen can thus be metered in from the tank 21 without the admixture of recirculated (moist) anode gas. As shown by way of example in FIG. 2e), this also applies to the hydrogen metering valve 5. If this—at the same time as the hydrogen metering valve 4—is operated below a design limit for the propulsion nozzle 3, the forces acting on the piston 11 are comparatively small or cancel each other out. Can for rinsing thus fresh (dry) hydrogen can be removed from the tank 21 via both hydrogen metering valves 4, 5 without recirculated (moist) anode gas being admixed.
  • FIG. 14 A further preferred embodiment of a jet pump module 1 according to the invention can be seen in FIG.
  • only one spring 15 is provided, by means of which a stop sleeve 20 is pretensioned against a stop surface 23 on the housing side.
  • a stop surface 19 of the piston 11 comes into contact with the stop sleeve 20.
  • the piston 11 has a stop surface 18 which interacts with a stop surface 16 on the housing side.
  • the stop sleeve 20 is arranged on the side of the piston 11 which faces the driving nozzle 3 for smaller system loads. If only so much hydrogen is metered in with the hydrogen metering valve 5 that the driving nozzle 3 is still operated below the upper design limit, a negative pressure ps occurs in the antechamber 9, which causes a pneumatic force that pulls the piston 11 up to the stop sleeve 20. In this position, the anteroom 9 is connected to the inlet area 12 . Since the spring force F3 of the spring 15 is greater than the pneumatic counterforce acting on the piston 11, the stop sleeve 20 remains on the stop surface 23 on the housing side (see FIG. 3a)).
  • the pressure in the antechamber 9 drops to a negative pressure pg, which is significantly lower than the negative pressure ps.
  • a pneumatic force F p acts on the piston 11 which is greater than the spring force F3 of the spring 15, so that the piston 11 and the stop sleeve 20 move in the direction of the stop surface 17 on the housing side.
  • the antechamber 9 is decoupled from the inlet area 12, so that the outlet area 13 can be supplied with fresh (dry) hydrogen from the tank 21 without the admixture of recirculated (moist) anode gas (see FIG. 3b)).
  • FIGS. 1 to 3 have in common that the longitudinal axis A3 of the piston 11 of the pressure-controlled valve 10 is aligned perpendicular to the longitudinal axes Ai, A2 of the two driving nozzles 2, 3. This enables a compact arrangement of the valve 10, which therefore requires little installation space.

Abstract

The invention relates to a jet pump module (1) for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system, comprising a first propelling nozzle (2) and a second propelling nozzle (3) which is arranged parallel to the first propelling nozzle (2). Each propelling nozzle (2, 3) is paired with an actively actuatable hydrogen metering valve (4, 5) so that the propelling nozzles (2, 3) can be activated independently of each other. The jet pump module additionally comprises a first mixing tube (6), into which the first propelling nozzle (2) opens, and a second mixing tube (7) which is arranged parallel to the first mixing tube (6) and into which the second propelling nozzle (3) opens, wherein each mixing tube (6, 7) is arranged downstream of an antehamber (8, 9) that can be connected to a common inlet region (12) for recirculated anode gas on the basis of the position of a piston (11), which can be moved back and forth, of a pressure-controlled valve (10). The invention likewise relates to a fuel cell system comprising such a jet pump module (1).

Description

Beschreibung Description
Titel: Title:
STRAHLPUMPENMODUL FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM JET PUMP MODULE FOR A FUEL CELL SYSTEM
Die Erfindung betrifft ein Strahlpumpenmodul zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Strahlpumpenmodul vorgeschlagen. The invention relates to a jet pump module for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system. Furthermore, a fuel cell system with a jet pump module according to the invention is proposed.
Stand der Technik State of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen benötigen Wasserstoff und Sauerstoff, um diese in elektrische Energie, Wärme und Wasser zu wandeln. Der Wasserstoff wird über einen Anodenkreis einer Anode zugeführt. Die Luft, welche als Sauerstofflieferant dient, gelangt über ein Luftsystem zu einer Kathode. Die beiden Gasräume werden innerhalb einer Brennstoffzelle jeweils durch eine für Protonen durchlässige Elektrolyt-Membran voneinander getrennt. Hydrogen-based fuel cells require hydrogen and oxygen to convert them into electrical energy, heat and water. The hydrogen is supplied to an anode via an anode circuit. The air, which serves as the oxygen supplier, reaches a cathode via an air system. The two gas spaces within a fuel cell are each separated from one another by an electrolyte membrane that is permeable to protons.
Ein mobiles Brennstoffzellensystem wird in der Regel mit einem Wasserstoffüberschuss (Lambda > 1) betrieben. Der überschüssige Wasserstoff wird über einen Rezirkulationspfad des Anodenkreises rezirkuliert und erneut den Brennstoffzellen zugeführt. Die Rezirkulation kann aktiv und/oder passiv bewirkt werden, wobei zur aktiven Rezirkulation eine Rezirkulationspumpe und zur passiven Rezirkulation eine Strahlpumpe mit einer Treibdüse eingesetzt wird. Da eine einzige Strahlpumpe nur unzureichend den gesamten Lastbereich eines Brennstoffzellensystems abdecken kann, sind aus dem Stand der Technik Konzepte bekannt, die zwei parallel geschaltete Strahlpumpen bzw. Treibdüsen einsetzen. Um diese je nach Last unabhängig voneinander betreiben zu können, muss die jeweils inaktive Strahlpumpe bzw. Treibdüse abgekapselt werden, da ansonsten kein Anodengas rezirkuliert wird. Die bekannten Konzepte sehen daher ein Steuerventil vor, mittels dessen der Strömungspfad über die jeweils inaktive Strahl- pumpe abgekoppelt werden kann. Das Steuerventil verursacht jedoch Mehrkosten, so dass die Kosten des Gesamtsystems steigen. A mobile fuel cell system is usually operated with an excess of hydrogen (lambda > 1). The excess hydrogen is recirculated via a recirculation path of the anode circuit and fed back to the fuel cells. The recirculation can be effected actively and/or passively, a recirculation pump being used for active recirculation and a jet pump with a propulsion nozzle being used for passive recirculation. Since a single jet pump can only inadequately cover the entire load range of a fuel cell system, concepts are known from the prior art that use two jet pumps or propulsion nozzles connected in parallel. In order to be able to operate these independently of one another depending on the load, the inactive jet pump or motive nozzle must be encapsulated, otherwise no anode gas is recirculated. The known concepts therefore provide a control valve, by means of which the flow path over the respective inactive jet pump can be disconnected. However, the control valve causes additional costs, so that the costs of the entire system increase.
Bei Einsatz einer Strahlpumpe zur rein passiven Rezirkulation von Anodengas in einem Brennstoffzellensystem kann zudem ein zusätzliches Wasserstoffdosierventil erforderlich sein, um das Brennstoffzellensystem im Abstellfall durch Spülen mit reinem Wasserstoff von Wasserrückständen zu befreien. Dadurch erhöhen sich die Kosten weiter. Zudem steigt der Bauraumbedarf. When using a jet pump for the purely passive recirculation of anode gas in a fuel cell system, an additional hydrogen metering valve may also be required in order to free the fuel cell system of water residues by flushing with pure hydrogen in the event of a shutdown. This further increases the costs. In addition, the space requirement increases.
Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, eine kostengünstigere und zugleich bauraumschonendere Lösung für den Betrieb zweier Strahlpumpen bzw. Treibdüsen zur passiven Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems anzugeben. The present invention is therefore concerned with the task of specifying a more cost-effective and at the same time more space-saving solution for the operation of two jet pumps or driving nozzles for the passive recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system.
Zur Lösung der Aufgabe wird das Strahlpumpenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Strahlpumpenmodul angegeben. To solve the problem, the jet pump module with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the dependent claims. Furthermore, a fuel cell system with a jet pump module according to the invention is specified.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Das zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagene Strahlpumpenmodul umfasst eine erste Treibdüse und eine zur ersten Treibdüse parallel angeordnete zweite Treibdüse. Jeder Treibdüse ist dabei ein aktiv ansteuerbares Wasserstoffdosierventil zugeordnet, so dass die Treibdüsen unabhängig voneinander aktivierbar sind. Das Strahlpumpenmodul umfasst ferner ein erstes Mischrohr, in das die erste Treibdüse mündet, sowie ein parallel zum ersten Mischrohr angeordnetes zweites Mischrohr, in das die zweite Treibdüse mündet, wobei jedem Mischrohr ein Vorraum vorgelagert ist, der in Abhängigkeit von der Position eines hin und herbeweglichen Kolbens eines druckgesteuerten Ventils mit einem gemeinsamen Einlassbereich für rezirkuliertes Anodengas verbindbar ist. The jet pump module proposed for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system comprises a first driving nozzle and a second driving nozzle arranged parallel to the first driving nozzle. Each propulsion nozzle is assigned an actively controllable hydrogen metering valve, so that the propulsion nozzles can be activated independently of one another. The jet pump module also includes a first mixing tube, into which the first propulsion nozzle opens, and a second mixing tube, which is arranged parallel to the first mixing tube and into which the second propulsion nozzle opens, with each mixing tube being preceded by an antechamber which, depending on the position, has a reciprocating Piston of a pressure-controlled valve can be connected to a common inlet area for recirculated anode gas.
Über den am Kolben anliegenden Druck kann dieser in mindestens zwei Positionen bewegt werden, in eine erste Position, in welcher der erste Vorraum mit dem gemeinsamen Einlassbereich verbunden ist und der zweite Vorraum vom Ein- lassbereich entkoppelt ist, sowie in eine zweite Position, in welcher der zweite Vorraum mit dem gemeinsamen Einlassbereich verbunden ist und der erste Vorraum vom Einlassbereich entkoppelt ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass bei Aktivierung einer Treibdüse Anodengas im Kreis durch das Strahlpumpenmodul geführt wird. Das heißt, dass das Anodengas sicher dem gemeinsamen Auslassbereich und über diesen mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zugeführt wird. The pressure applied to the piston can be used to move it into at least two positions, into a first position in which the first antechamber is connected to the common inlet area and the second antechamber is connected to the inlet Is let area decoupled, and in a second position in which the second anteroom is connected to the common inlet area and the first antechamber is decoupled from the inlet area. This prevents anode gas from being circulated through the jet pump module when a driving nozzle is activated. This means that the anode gas is reliably fed to the common outlet area and, via this area, to at least one fuel cell of the fuel cell system.
Die Bewegungen des Kolbens werden dabei über den am Kolben anliegenden Druck gesteuert, das heißt passiv. Bevorzugt liegt hierzu am Kolben einerseits der im ersten Vorraum herrschende Druck, andererseits der im zweiten Vorraum herrschende Druck an. Wird nun zur Aktivierung einer Treibdüse ein Wasserstoffdosierventil geöffnet, senkt sich der Druck im jeweiligen Vorraum, so dass über die Druckdifferenz eine den Kolben bewegende pneumatische Kraft erzeugt wird. Die jeweils inaktive Treibdüse wird auf diese Weise vom gemeinsamen Einlassbereich entkoppelt. Ein zusätzliches Steuerventil zur Steuerung der beiden Treibdüsen ist somit verzichtbar. Das heißt, dass die Kosten für ein aktiv schaltbares Steuerventil eingespart werden und die Gesamtkosten sinken. The movements of the piston are controlled via the pressure applied to the piston, i.e. passively. For this purpose, the pressure prevailing in the first antechamber is preferably applied to the piston on the one hand and the pressure prevailing in the second antechamber on the other hand. If a hydrogen dosing valve is now opened to activate a propulsion nozzle, the pressure in the respective antechamber drops so that a pneumatic force that moves the piston is generated via the pressure difference. In this way, the respective inactive propulsion nozzle is decoupled from the common inlet area. An additional control valve for controlling the two propulsion nozzles is therefore not necessary. This means that the costs for an actively switchable control valve are saved and the overall costs are reduced.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der einlassseitigen Anordnung des druckgesteuerten Ventils. Denn in dieser Anordnung verschlechtert sich der Strömungswiderstand des rezirkulierten Anodengases nur unwesentlich. Folglich kann ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Another advantage results from the arrangement of the pressure-controlled valve on the inlet side. Because in this arrangement the flow resistance of the recirculated anode gas deteriorates only insignificantly. As a result, high efficiency can be achieved.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Mischrohre auslassseitig über einen gemeinsamen Auslassbereich verbunden. Da der Vorraum der jeweils inaktiven Treibdüse mit Hilfe des druckgesteuerten Ventils vom gemeinsamen Einlassbereich entkoppelt werden kann, besteht trotz der Verbindung über den gemeinsamen Auslassbereich keine Gefahr, dass Anodengas durch das Strahlpumpenmodul im Kreis geführt wird. Denn der Strömungspfad durch die jeweils inaktive Treibdüse ist gesperrt. According to a preferred embodiment of the invention, the two mixing tubes are connected on the outlet side via a common outlet area. Since the antechamber of the respective inactive propulsion nozzle can be decoupled from the common inlet area with the aid of the pressure-controlled valve, there is no risk of anode gas being circulated through the jet pump module, despite the connection via the common outlet area. This is because the flow path through the respective inactive propulsion nozzle is blocked.
Vorteilhafterweise sind bei einem erfindungsgemäßen Strahlpumpenmodul die Treibdüsen und/oder die Mischrohre für unterschiedlich hohe Systemlasten ausgelegt. Auf diese Weise kann ein breites Lastspektrum abgedeckt werden, indem entweder die Treibdüse für niedrige Lasten oder die Treibdüse für hohe Lasten aktiviert wird. Advantageously, in a jet pump module according to the invention, the propulsion nozzles and/or the mixing tubes are designed for system loads of different magnitudes. In this way, a wide range of loads can be covered by either the low load motive nozzle or the high load motive nozzle is activated.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der hin und her bewegliche Kolben des druckgesteuerten Ventils durch die Federkraft mindestens einer Feder in Richtung mindestens einer Endlage vorgespannt ist. Die Federkraft bewirkt eine zusätzliche auf den Kolben wirkende Kraft, vorzugsweise Druckkraft, die derart ausgelegt sein kann, dass mit dem Öffnen eines Wasserstoffdosierventils der im jeweiligen Vorraum ansteigende Druck nicht ausreicht, den Kolben aus einer Position zu bewegen, in welcher beide Vorräume vom gemeinsamen Einlassbereich entkoppelt sind. Das heißt, dass in dieser Position kein Anodengas rezirkuliert wird, sondern lediglich frischer Wasserstoff über das geöffnete Wasserstoffdosierventil eindosiert wird. Damit entfällt die Notwendigkeit, ein zusätzliches bzw. drittes Wasserstoffdosierventil vorzusehen, mit dessen Hilfe der Anodenkreis im Abstellfall mit frischem Wasserstoff gespült werden kann. Das heißt, dass weitere Kosten sowie Bauraum eingespart werden können. In a further development of the invention, it is proposed that the piston of the pressure-controlled valve, which can be moved back and forth, is prestressed in the direction of at least one end position by the spring force of at least one spring. The spring force causes an additional force acting on the piston, preferably compressive force, which can be designed such that when a hydrogen metering valve opens, the pressure increasing in the respective antechamber is not sufficient to move the piston from a position in which both antechambers are separated from the common inlet area are decoupled. This means that in this position no anode gas is recirculated, but only fresh hydrogen is metered in via the open hydrogen metering valve. This eliminates the need to provide an additional or third hydrogen metering valve, with the help of which the anode circuit can be flushed with fresh hydrogen in the event of a shutdown. This means that further costs and installation space can be saved.
Erst wenn das Wasserstoffdosierventil so weit geöffnet wird, dass der Druck in dem zugeordneten Vorraum über den Öffnungsdruck des druckgesteuerten Ventils steigt, wird nicht nur frischer Wasserstoff zudosiert, sondern mit dessen Hilfe auch Anodengas rezirkuliert. Only when the hydrogen metering valve is opened so far that the pressure in the associated anteroom rises above the opening pressure of the pressure-controlled valve is fresh hydrogen not only metered in, but also anode gas recirculated with its help.
Bevorzugt ist der Kolben mit Hilfe von mindestens zwei Federn in einander entgegengesetzte Richtungen vorgespannt. Der Kolben ist dann bei geschlossenen Wasserstoffdosierventilen im Wesentlichen druck- bzw. kraftausgeglichen, so dass er eine Art Mittelstellung einnehmen kann, in der beide Vorräume vom gemeinsamen Einlassbereich entkoppelt sind. Zum Eindosieren von frischem Wasserstoff ohne zeitgleiche Rezirkulation von Anodengas können somit beide Wasserstoffdosierventile wahlweise oder gemeinsam geöffnet werden. The piston is preferably biased in opposite directions with the aid of at least two springs. When the hydrogen metering valves are closed, the piston is then essentially balanced in terms of pressure or force, so that it can assume a type of central position in which both antechambers are decoupled from the common inlet area. In order to meter in fresh hydrogen without simultaneous recirculation of anode gas, both hydrogen metering valves can be opened selectively or together.
Ferner bevorzugt ist zumindest eine Endlage des hin und her beweglichen Kolbens durch eine gehäuseseitige Anschlagfläche vorgegeben. Die gehäuseseitige Anschlagfläche ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet und/oder von einem Verbindungskanal durchsetzt, der in einen Vorraum mündet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass am Kolben der im Vorraum herrschende Druck anliegt, und zwar selbst dann, wenn der Kolben an der Anschlagfläche anliegt. Die gehäuseseitige Anschlagfläche wirkt vorzugsweise mit einer stirnseitig am Kolben ausgebildeten Anschlagfläche zusammen. Diese dient zugleich als Wirkfläche, an welcher der im jeweiligen Vorraum herrschende Druck zur Steuerung der Bewegungen des Kolbens anliegt. Furthermore, at least one end position of the piston, which can be moved back and forth, is preferably predetermined by a stop surface on the housing side. The abutment surface on the housing side is preferably ring-shaped and/or has a connecting channel passing through it, which opens into an antechamber. This ensures that the pressure prevailing in the antechamber is applied to the piston, even when the piston is in contact with the stop surface. The stop surface on the housing side preferably interacts with a stop surface formed on the end face of the piston. At the same time, this serves as an effective surface on which the pressure prevailing in the respective antechamber is applied to control the movements of the piston.
Bevorzugt sind beide Endlagen des Kolbens durch jeweils eine gehäuseseitige Anschlagfläche vorgegeben. Ferner bevorzugt wirkt jede Anschlagfläche mit einer stirnseitig am Kolben ausgebildeten Anschlagfläche zusammen. Der Kolben kann dann zum Öffnen und/oder Versperren der Strömungspfade, die den gemeinsamen Einlassbereich mit den Vorräumen verbinden, zwischen den beiden Endlagen hin und her bewegt werden sowie vorzugsweise eine Mittelstellung zwischen den beiden Endlagen einnehmen. Both end positions of the piston are preferably specified by a stop surface on the housing side. Furthermore, each stop surface preferably interacts with a stop surface formed on the end face of the piston. The piston can then be moved back and forth between the two end positions to open and/or block the flow paths that connect the common inlet area with the antechambers, and preferably assume a middle position between the two end positions.
Alternativ wird vorgeschlagen, dass eine Endlage durch eine bewegliche, in Richtung des Kolbens federbelastete Anschlaghülse ausgebildet wird. Die Endlage ist in diesem Fall variabel, insbesondere von den Drücken in den beiden Vorräumen abhängig. Auf diese Weise werden weitere Auslegungsmöglichkeiten bzw. Funktionalitäten geschaffen, die weiter unten in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlpumpenmoduls näher beschrieben werden. Alternatively, it is proposed that an end position be formed by a movable stop sleeve that is spring-loaded in the direction of the piston. In this case, the end position is variable, depending in particular on the pressures in the two antechambers. In this way, further design options or functionalities are created, which are described in more detail below in connection with a preferred embodiment of a jet pump module according to the invention.
Ferner bevorzugt weist der Kolben eine Längsachse auf, die senkrecht zu den Längsachsen der Treibdüsen ausgerichtet ist. Diese Ausrichtung des Kolbens des druckgesteuerten Ventils ist besonders bauraumschonend. Insbesondere kann der Kolben bei entsprechender Ausrichtung zwischen den beiden Vorräumen angeordnet werden, so dass beidseits am Kolben der im jeweiligen Vorraum herrschende Druck anliegt. Furthermore, the piston preferably has a longitudinal axis which is aligned perpendicular to the longitudinal axes of the propulsion nozzles. This alignment of the piston of the pressure-controlled valve is particularly space-saving. In particular, the piston can be arranged between the two vestibules with a corresponding alignment, so that the pressure prevailing in the respective vestibule is present on both sides of the piston.
Des Weiteren bevorzugt nimmt - wie bereits erwähnt - der Kolben des druckgesteuerten Ventils bei geschlossenen Wasserstoffdosierventilen eine Mittelstellung ein, in welcher beide Vorräume vom gemeinsamen Einlassbereich für rezirkuliertes Anodengas entkoppelt sind. In dieser Position durch Öffnen zumindest eines Wasserstoffdosierventils frischer Wasserstoff eindosiert werden, ohne dass zeitgleich Anodengas rezirkuliert wird. Dies ist insbesondere im Abstellfall von Vor- teil, um mit Hilfe des eindosierten frischen Wasserstoffs Wasserrückstände zu beseitigen. As already mentioned, the piston of the pressure-controlled valve preferably assumes a middle position when the hydrogen metering valves are closed, in which both antechambers are decoupled from the common inlet area for recirculated anode gas. In this position, fresh hydrogen can be metered in by opening at least one hydrogen metering valve, without anode gas being recirculated at the same time. This is particularly important in the event of part in order to remove water residues with the help of the dosed fresh hydrogen.
Da der bevorzugte Anwendungsbereich eines erfindungsgemäßen Strahlpumpenmoduls ein Brennstoffzellensystem ist, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreis vorgeschlagen, in den ein erfindungsgemäßes Strahlpumpenmodul integriert ist. Mit Hilfe dieses Moduls können Kosten und Bauraum eingespart werden. Ferner kann ein hoher Wirkungsgrad bei der passiven Rezir- kulation von Anodengas erzielt werden, da der Strömungswiderstand des rezirkulierten Anodengases durch die vorgeschlagene Ausgestaltung des Strahlpumpenmoduls nur unwesentlich verschlechtert wird. Since the preferred area of application of a jet pump module according to the invention is a fuel cell system, a fuel cell system with an anode circuit is also proposed, in which a jet pump module according to the invention is integrated. With the help of this module, costs and installation space can be saved. Furthermore, a high level of efficiency can be achieved in the passive recirculation of anode gas, since the flow resistance of the recirculated anode gas is only slightly worsened by the proposed configuration of the jet pump module.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Strahlpumpenmodul, a) mit aktiver erster Treibdüse bei inaktiver zweiter Treibdüse und b) mit aktiver zweiter Treibdüse bei inaktiver erster Treibdüse, 1 shows a schematic longitudinal section through a first jet pump module according to the invention, a) with an active first motive nozzle with an inactive second motive nozzle and b) with an active second motive nozzle with an inactive first motive nozzle,
Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Strahlpumpenmodul, a) mit inaktiver erster und zweiter Treibdüse, b) mit aktiver zweiter Treibdüse bei inaktiver erster Treibdüse, c) mit aktiver erster Treibdüse bei inaktiver zweiter Treibdüse, d) mit aktiver erster Treibdüse bei zeitgleicher Entkoppelung vom Einlassbereich und e) mit aktiver erster und zweiter Treibdüse bei zeitgleicher Entkoppelung vom Einlassbereich, sowie Fig. 2 shows a schematic longitudinal section through a second jet pump module according to the invention, a) with inactive first and second driving nozzle, b) with active second driving nozzle with inactive first driving nozzle, c) with active first driving nozzle with inactive second driving nozzle, d) with active first driving nozzle simultaneous decoupling from the inlet area and e) with active first and second propulsion nozzle with simultaneous decoupling from the inlet area, and
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Strahlpumpenmodul, a) mit aktivierter zweiter Treibdüse zur Rezirkulation von Anodengas und b) mit aktivierter zweiter Treibdüse bei zeitgleicher Entkopplung vom Einlassbereich. 3 shows a schematic longitudinal section through a third jet pump module according to the invention, a) with activated second drive nozzle for recirculation of anode gas and b) with activated second drive nozzle with simultaneous decoupling from the inlet area.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
Das in den Figuren la) und lb) dargestellte Strahlpumpenmodul 1 dient der passiven Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, in den das Strahlpumpenmodul 1 integriert ist. Das Strahlpumpen- modul 1 umfasst hierzu eine erste Treibdüse 2 sowie eine zweite Treibdüse 3, die parallel angeordnet sind. Den beiden Treibdüsen 2, 3 ist jeweils ein Wasserstoffdosierventil 4, 5 sowie ein Mischrohr 6, 7 zugeordnet. Anhand der Ausgestaltung der Mischrohre 6, 7 ist erkennbar, dass diese in Verbindung mit der jeweiligen Treibdüse 2, 3 für unterschiedlich hohe Systemlasten ausgelegt sind. Die Treibdüse 2 mit dem Mischrohr 6 ist für höhere Lasten ausgelegt, während die Treibdüse 3 mit dem Mischrohr 7 für niedrigere Lasten ausgelegt ist. Die Treibdüsen 2, 3 sind über die Wasserstoffdosierventile 4, 5 getrennt voneinander aktivierbar, so dass die Menge an rezirkuliertem Anodengas lastabhängig steuerbar ist. The jet pump module 1 shown in FIGS. 1a) and 1b) is used for the passive recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system in which the jet pump module 1 is integrated. The jet pump For this purpose, module 1 comprises a first propulsion nozzle 2 and a second propulsion nozzle 3, which are arranged in parallel. The two propulsion nozzles 2, 3 are each assigned a hydrogen metering valve 4, 5 and a mixing tube 6, 7. Based on the design of the mixing tubes 6, 7, it can be seen that they are designed in conjunction with the respective propulsion nozzle 2, 3 for system loads of different magnitudes. The motive nozzle 2 with the mixing tube 6 is designed for higher loads, while the motive nozzle 3 with the mixing tube 7 is designed for lower loads. The driving nozzles 2, 3 can be activated separately from one another via the hydrogen metering valves 4, 5, so that the amount of recirculated anode gas can be controlled as a function of the load.
Die Mischrohre 6, 7 sind auslassseitig über einen gemeinsamen Auslassbereich 13 des Strahlpumpenmoduls 1 verbunden. Einlassseitig ist den Mischrohren 6, 7 jeweils ein Vorraum 8, 9 vorgelagert, der jeweils in Abhängigkeit von der Position eines hin und her beweglichen Kolbens 11 eines druckgesteuerten Ventils 10 mit einem gemeinsamen Einlassbereich 12 koppelbar bzw. entkoppelbar ist. Über den gemeinsamen Einlassbereich 12 ist dem Strahlpumpenmodul 1 rezirkuliertes Anodengas zuführbar. Sofern ein Vorraum 8, 9 vom Einlassbereich 12 entkoppelt ist, gelangt in diesen kein rezirkuliertes Anodengas. Eine Verbindung des Einlassbereichs 12 mit dem Auslassbereich 13 besteht dann nur über den jeweils nicht entkoppelten Vorraum 8, 9, während der andere Strömungspfad versperrt ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass kein rezirkuliertes Anodengas innerhalb des Strahlpumpenmoduls 1 im Kreis geführt wird. The mixing tubes 6 , 7 are connected on the outlet side via a common outlet area 13 of the jet pump module 1 . On the inlet side, the mixing tubes 6 , 7 are each preceded by an antechamber 8 , 9 which can be coupled or decoupled to a common inlet area 12 depending on the position of a reciprocating piston 11 of a pressure-controlled valve 10 . Recirculated anode gas can be fed to the jet pump module 1 via the common inlet area 12 . If an antechamber 8, 9 is decoupled from the inlet area 12, no recirculated anode gas gets into it. The inlet area 12 is then only connected to the outlet area 13 via the anteroom 8, 9, which is not decoupled in each case, while the other flow path is blocked. This ensures that no recirculated anode gas is circulated within the jet pump module 1 .
In der Figur la) ist die erste Treibdüse 2 aktiviert und die zweite Treibdüse 3 deaktiviert. Die Aktivierung der ersten Treibdüse 2 wird über das zugehörige Wasserstoffdosierventil 4 bewirkt. Dieses wird geöffnet, so dass frischer Wasserstoff aus einem Tank 21 entnommen und der Treibdüse 2 zugeführt wird. Der Druck wird zuvor mit Hilfe eines Druckreglers 22 auf Mitteldruck eingestellt. Der durch die Treibdüse 2 erzeugte Fluidstrahl bewirkt im Vorraum 8 einen Unterdrück pi, der kleiner als ein Druck P2 im Vorraum 9 ist. Da die in den beiden Vorräumen 8, 9 herrschenden Drücke pi, P2 am Kolben 11 anliegen, bewirkt die Druckdifferenz eine pneumatische Kraft, die den Kolben 11 in Richtung einer ersten gehäuseseitigen Anschlagfläche 16 bewegt. In dieser Position ist eine Verbindung des Vorraums 8 mit dem Einlassbereich 12 hergestellt, so dass rezirkuliertes Anodengas in das Mischrohr 6 angesaugt wird. Aufgrund der Auslegung der Treibdüse 2 und des Mischrohrs 6 für hohe Lasten wird eine vergleichsweise große Menge an rezirkuliertem Anodengas dem Auslassbereich 13 zugeführt. In FIG. 1a), the first propulsion nozzle 2 is activated and the second propulsion nozzle 3 is deactivated. The first propulsion nozzle 2 is activated via the associated hydrogen metering valve 4 . This is opened so that fresh hydrogen is taken from a tank 21 and fed to the propulsion nozzle 2 . The pressure is previously set to medium pressure with the aid of a pressure regulator 22 . The fluid jet generated by the driving nozzle 2 causes a negative pressure pi in the antechamber 8 that is smaller than a pressure P2 in the antechamber 9 . Since the pressures p1, p2 prevailing in the two vestibules 8, 9 are applied to the piston 11, the pressure difference causes a pneumatic force which moves the piston 11 in the direction of a first stop surface 16 on the housing side. In this position, the antechamber 8 is connected to the inlet area 12 so that recirculated anode gas is sucked into the mixing tube 6 . Due to the design of the driving nozzle 2 and of the mixing tube 6 for high loads, a comparatively large amount of recirculated anode gas is supplied to the outlet section 13 .
Bei sich verringernder Systemlast kann von der Treibdüse 2 auf die Treibdüse 3 umgeschaltet werden, indem das Wasserstoffdosierventil 4 geschlossen und das Wasserstoffdosierventil 5 geöffnet wird (siehe Figur lb)). Dies hat zur Folge, dass sich im Vorraum 9 ein Unterdrück p4 einstellt, der kleiner als ein Druck pa im Vorraum 8 ist, so dass sich der Kolben 11 in Richtung einer weiteren gehäuseseitigen Anschlagfläche 17 bewegt. In dieser Position ist der Vorraum 9 mit dem Einlassbereich 12 verbunden, während zeitgleich der Vorraum 8 vom Einlassbereich 12 entkoppelt wird. Rezirkuliertes Anodengas wird demnach in das Mischrohr 7 angesaugt und über das Mischrohr 7 dem Auslassbereich 13 zugeführt. When the system load decreases, it is possible to switch from the driving nozzle 2 to the driving nozzle 3 by closing the hydrogen metering valve 4 and opening the hydrogen metering valve 5 (see FIG. 1b)). As a result, a negative pressure p4 is established in the antechamber 9, which is lower than a pressure pa in the antechamber 8, so that the piston 11 moves in the direction of a further stop surface 17 on the housing side. In this position, the vestibule 9 is connected to the inlet area 12, while at the same time the vestibule 8 is decoupled from the inlet area 12. Accordingly, recirculated anode gas is sucked into the mixing tube 7 and fed to the outlet area 13 via the mixing tube 7 .
Die Deaktivierung jeweils einer Treibdüse 2, 3 des Strahlpumpenmoduls 1 der Figur 1 stellt sicher, dass kein Anodengas innerhalb des Strahlpumpenmoduls 1 im Kreis gepumpt wird. Ferner kann durch Umschalten zwischen den Treibdüsen 2, 3 die Menge an rezirkuliertem Anodengas lastabhängig variiert werden. The deactivation of one propulsion nozzle 2, 3 of the jet pump module 1 of FIG. 1 ensures that no anode gas is pumped within the jet pump module 1 in a circuit. Furthermore, by switching between the driving nozzles 2, 3, the amount of recirculated anode gas can be varied depending on the load.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlpumpenmoduls 1 ist in der Figur 2 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der der Figur 1 insbesondere dadurch, dass Federn 14, 15 vorgesehen sind, deren Federkräfte den Kolben 11 in Richtung einer ersten und einer zweiten Endlage vorspannen. Über die Federkräfte der Federn 14, 15 kann der Kolben 11 in einer Mittelstellung gehalten werden, in der beide Vorräume 8, 9 vom gemeinsamen Einlassbereich 12 entkoppelt sind (siehe Figur 2a)). Verantwortlich für die Mittelstellung des Kolbens 11 ist die richtige Längenabstimmung der beiden Federn 14, 15. A further preferred embodiment of a jet pump module 1 according to the invention is shown in FIG. This differs from that of FIG. 1 in particular in that springs 14, 15 are provided, the spring forces of which pretension the piston 11 in the direction of a first and a second end position. Via the spring forces of the springs 14, 15, the piston 11 can be held in a central position in which both vestibules 8, 9 are decoupled from the common inlet area 12 (see FIG. 2a)). The correct length adjustment of the two springs 14, 15 is responsible for the middle position of the piston 11.
In der Figur 2b) ist zur Aktivierung der Treibdüse 3 das Wasserstoffdosierventil 5 geöffnet. Dabei entsteht im Vorraum 9 ein Unterdrück ps, der den Kolben 11 entgegen der Federkraft F2 der Feder 15 an die Anschlagfläche 17 zieht. Je weicher die Feder 15 ausgelegt ist, desto weniger Unterdrück wird benötigt, um den Kolben 11 bis an die Anschlagfläche 17 zu ziehen. In dieser Position ist eine Verbindung des Vorraums 9 mit dem Einlassbereich 12 hergestellt, während der Vorraum 8 vom Einlassbereich 12 - trotz geänderter Position des Kolbens 11 - entkoppelt bleibt. Figur 2c) zeigt den umgekehrten Fall. Zur Aktivierung der Treibdüse 2 ist das Wasserstoffdosierventil 4 geöffnet, so dass im Vorraum 8 ein Unterdrück ps herrscht, der den Kolben 11 - entgegen der Federkraft Fi der Feder 14 - an die gehäuseseitige Anschlagfläche 16 zieht. In dieser Position ist eine Verbindung des Vorraums 8 mit dem Einlassbereich 12 hergestellt, während der Vorraum 9 vom Einlassbereich 12 entkoppelt bleibt. In FIG. 2b), the hydrogen metering valve 5 is open to activate the driving nozzle 3. This creates a negative pressure ps in the antechamber 9, which pulls the piston 11 against the spring force F2 of the spring 15 against the stop surface 17. The softer the spring 15 is designed, the less vacuum is required to pull the piston 11 up to the stop surface 17 . In this position, a connection between the vestibule 9 and the inlet region 12 is established, while the vestibule 8 remains uncoupled from the inlet region 12—despite the changed position of the piston 11. Figure 2c) shows the opposite case. To activate the propulsion nozzle 2, the hydrogen metering valve 4 is open, so that there is a negative pressure ps in the antechamber 8, which pulls the piston 11—against the spring force Fi of the spring 14—to the stop surface 16 on the housing side. In this position, the vestibule 8 is connected to the inlet region 12 , while the vestibule 9 remains decoupled from the inlet region 12 .
Anhand der Figuren 2d) und 2e) werden nachfolgend weitere Funktionen beschrieben, die mit Hilfe des Strahlpumpenmoduls 1 der Figur 2 aufgrund der möglichen Mittelstellung des Kolbens 11 realisierbar sind. Denn die Mittelstellung des Kolbens 11 ermöglicht bei Bedarf die Zudosierung von frischem bzw. trockenem Wasserstoff aus dem Tank 21 ohne Beimischung von rezirkuliertem und damit feuchten Anodengas. Further functions are described below with reference to FIGS. 2d) and 2e), which can be implemented with the aid of the jet pump module 1 of FIG. This is because the central position of the piston 11 makes it possible, if required, to meter in fresh or dry hydrogen from the tank 21 without admixing recirculated and therefore moist anode gas.
Wird lediglich eine geringe Wasserstoffmenge aus dem Tank 21 über das geöffnete Wasserstoffdosierventil 4 zudosiert, verändert sich der Druck im Vorraum 8 kaum. Das heißt, dass sich im Vorraum 8 ein Unterdrück p? einstellt, der nicht ausreicht, den Kolben 11 entgegen der Federkraft der Feder 14 aus seiner Mittelstellung zu bewegen. Je nach Abstimmung einer Länge L eines sperrenden Kolbenquerschnitts und einem Durchmesser D des Einlassbereichs 12 bleibt der Vorraum 8 selbst bei einer Bewegung des Kolbens 11 entkoppelt (siehe Figur 2d)). Erst wenn eine größere Wasserstoffmenge aus dem Tank 21 über das Wasserstoffdosierventil 4 zudosiert wird, senkt sich der Druck p? im Vorraum 8 signifikant ab, so dass der Kolben 11 an die gehäuseseitige Anschlagfläche 16 gezogen wird. In dieser Position ist der Vorraum 8 mit dem Einlassbereich 12 verbunden, so dass Anodengas rezirkuliert und dem frischen Wasserstoff aus dem Tank 21 beigemischt wird. If only a small amount of hydrogen is metered in from the tank 21 via the open hydrogen metering valve 4, the pressure in the antechamber 8 hardly changes. This means that in the antechamber 8 there is a negative pressure p? sets, which is not sufficient to move the piston 11 against the spring force of the spring 14 from its central position. Depending on the coordination of a length L of a blocking piston cross section and a diameter D of the inlet area 12, the antechamber 8 remains decoupled even when the piston 11 moves (see FIG. 2d)). Only when a larger quantity of hydrogen is metered in from the tank 21 via the hydrogen metering valve 4 does the pressure p? in the vestibule 8 significantly, so that the piston 11 is pulled against the stop surface 16 on the housing side. In this position, the antechamber 8 is connected to the inlet area 12 so that anode gas is recirculated and mixed with the fresh hydrogen from the tank 21 .
Wird das Wasserstoffdosierventil 4 unterhalb der Auslegungsgrenze der Treibdüse 2 betrieben, können somit geringe Wasserstoffmengen aus dem Tank 21 ohne Beimischung von rezirkuliertem (feuchten) Anodengas zudosiert werden. Wie beispielhaft in der Figur 2e) dargestellt, gilt dies auch für das Wasserstoffdosierventil 5. Wird dieses - zeitgleich mit dem Wasserstoffdosierventil 4 - unterhalb einer Auslegungsgrenze der Treibdüse 3 betrieben, sind die auf den Kolben 11 wirkenden Kräfte vergleichsweise gering bzw. heben sich auf. Zum Spülen kann somit frischer (trockener) Wasserstoff aus dem Tank 21 über beide Wasserstoffdosierventile 4, 5 entnommen werden, ohne dass rezirkuliertes (feuchtes) Anodengas beigemischt wird. If the hydrogen metering valve 4 is operated below the design limit of the driving nozzle 2, small amounts of hydrogen can thus be metered in from the tank 21 without the admixture of recirculated (moist) anode gas. As shown by way of example in FIG. 2e), this also applies to the hydrogen metering valve 5. If this—at the same time as the hydrogen metering valve 4—is operated below a design limit for the propulsion nozzle 3, the forces acting on the piston 11 are comparatively small or cancel each other out. Can for rinsing thus fresh (dry) hydrogen can be removed from the tank 21 via both hydrogen metering valves 4, 5 without recirculated (moist) anode gas being admixed.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlpumpenmoduls 1 ist der Figur 3 zu entnehmen. Anstelle der Federn 14, 15 ist nur eine Feder 15 vorgesehen, mittels welcher eine Anschlaghülse 20 gegen eine gehäuseseitige Anschlagfläche 23 vorgespannt ist. Je nach Position des Kolbens 11 gelangt eine Anschlagfläche 19 des Kolbens 11 zur Anlage an der Anschlaghülse 20. Andernends weist der Kolben 11 eine Anschlagfläche 18 auf, die mit einer gehäuseseitigen Anschlagfläche 16 zusammenwirkt. A further preferred embodiment of a jet pump module 1 according to the invention can be seen in FIG. Instead of the springs 14, 15, only one spring 15 is provided, by means of which a stop sleeve 20 is pretensioned against a stop surface 23 on the housing side. Depending on the position of the piston 11, a stop surface 19 of the piston 11 comes into contact with the stop sleeve 20. At the other end, the piston 11 has a stop surface 18 which interacts with a stop surface 16 on the housing side.
Die Anschlaghülse 20 ist auf der Seite des Kolbens 11 angeordnet, die der Treibdüse 3 für kleinere Systemlasten zugewandt ist. Wird mit dem Wasserstoffdosierventil 5 nur so viel Wasserstoff zudosiert, dass die Treibdüse 3 noch unterhalb der oberen Auslegungsgrenze betrieben wird, stellt sich im Vorraum 9 ein Unterdrück ps ein, der eine pneumatische Kraft bewirkt, die den Kolben 11 bis an die Anschlaghülse 20 zieht. In dieser Position ist eine Verbindung des Vorraums 9 mit dem Einlassbereich 12 hergestellt. Da die Federkraft F3 der Feder 15 größer als die auf den Kolben 11 wirkende pneumatische Gegenkraft ist, verharrt die Anschlaghülse 20 an der gehäuseseitigen Anschlagfläche 23 (siehe Figur 3a)). The stop sleeve 20 is arranged on the side of the piston 11 which faces the driving nozzle 3 for smaller system loads. If only so much hydrogen is metered in with the hydrogen metering valve 5 that the driving nozzle 3 is still operated below the upper design limit, a negative pressure ps occurs in the antechamber 9, which causes a pneumatic force that pulls the piston 11 up to the stop sleeve 20. In this position, the anteroom 9 is connected to the inlet area 12 . Since the spring force F3 of the spring 15 is greater than the pneumatic counterforce acting on the piston 11, the stop sleeve 20 remains on the stop surface 23 on the housing side (see FIG. 3a)).
Wird die Treibdüse 3 oberhalb der oberen Auslegungsgrenze betrieben, sinkt der Druck im Vorraum 9 auf einen Unterdrück pg ab, der deutlich geringer als der Unterdrück ps ist. Dies hat zur Folge, dass auf den Kolben 11 eine pneumatische Kraft Fp wirkt, die größer als die Federkraft F3 der Feder 15 ist, so dass sich der Kolben 11 und die Anschlaghülse 20 in Richtung der gehäuseseitigen Anschlagfläche 17 bewegen. In dieser Position des Kolbens 11 ist der Vorraum 9 vom Einlassbereich 12 entkoppelt, so dass dem Auslassbereich 13 frischer (trockener) Wasserstoff aus dem Tank 21 ohne Beimischung von rezirkuliertem (feuchtem) Anodengas zuführbar ist (siehe Figur 3b)). If the motive nozzle 3 is operated above the upper design limit, the pressure in the antechamber 9 drops to a negative pressure pg, which is significantly lower than the negative pressure ps. As a result, a pneumatic force F p acts on the piston 11 which is greater than the spring force F3 of the spring 15, so that the piston 11 and the stop sleeve 20 move in the direction of the stop surface 17 on the housing side. In this position of the piston 11, the antechamber 9 is decoupled from the inlet area 12, so that the outlet area 13 can be supplied with fresh (dry) hydrogen from the tank 21 without the admixture of recirculated (moist) anode gas (see FIG. 3b)).
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen haben gemein, dass die Längsachse A3 des Kolbens 11 des druckgesteuerten Ventils 10 jeweils senkrecht zu den Längsachsen Ai, A2 der beiden Treibdüsen 2, 3 ausgerichtet ist. Dies ermöglicht eine kompakte und damit wenig Bauraum erfordernde Anordnung des Ventils 10. The embodiments shown in FIGS. 1 to 3 have in common that the longitudinal axis A3 of the piston 11 of the pressure-controlled valve 10 is aligned perpendicular to the longitudinal axes Ai, A2 of the two driving nozzles 2, 3. This enables a compact arrangement of the valve 10, which therefore requires little installation space.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Strahlpumpenmodul (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, umfassend eine erste Treibdüse (2) und eine zur ersten Treibdüse (2) parallel angeordnete zweite Treibdüse (3), wobei jeder Treibdüse (2, 3) ein aktiv ansteuerbares Wasserstoffdosierventil (4, 5) zugeordnet ist, so dass die Treibdüsen (2, 3) unabhängig voneinander aktivierbar sind, ferner umfassend ein erstes Mischrohr (6), in das die erste Treibdüse (2) mündet, sowie ein parallel zum ersten Mischrohr (6) angeordnetes zweites Mischrohr (7), in das die zweite Treibdüse (3) mündet, wobei jedem Mischrohr (6, 7) ein Vorraum (8, 9) vorgelagert ist, der in Abhängigkeit von der Position eines hin und herbeweglichen Kolbens (11) eines druckgesteuerten Ventils (10) mit einem gemeinsamen Einlassbereich (12) für rezirkuliertes Anodengas verbindbar ist. 1. Jet pump module (1) for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system, comprising a first driving nozzle (2) and a second driving nozzle (3) arranged parallel to the first driving nozzle (2), each driving nozzle (2, 3) having an actively controllable assigned to the hydrogen metering valve (4, 5), so that the propellant nozzles (2, 3) can be activated independently of one another, further comprising a first mixing tube (6), into which the first propellant nozzle (2) opens, and a mixing tube (6 ) arranged second mixing tube (7) into which the second propulsion nozzle (3) opens, with each mixing tube (6, 7) being preceded by an antechamber (8, 9) which, depending on the position of a reciprocating piston (11) a pressure-controlled valve (10) can be connected to a common inlet area (12) for recirculated anode gas.
2. Strahlpumpenmodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischrohre (6, 7) auslassseitig über einen gemeinsamen Auslassbereich (13) verbunden sind. 2. Jet pump module (1) according to claim 1, characterized in that the mixing tubes (6, 7) are connected on the outlet side via a common outlet region (13).
3. Strahlpumpenmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibdüsen (2, 3) und/oder die Mischrohre (6, 7) für unterschiedlich hohe Systemlasten ausgelegt sind. 3. jet pump module (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the propulsion nozzles (2, 3) and / or the mixing tubes (6, 7) are designed for different levels of system loads.
4. Strahlpumpenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der hin und her bewegliche Kolben (11) des druckgesteuerten Ventils (10) durch die Federkraft mindestens einer Feder (14, 15) in Richtung mindestens einer Endlage vorgespannt ist. 4. Jet pump module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the reciprocating piston (11) of the pressure-controlled valve (10) is prestressed in the direction of at least one end position by the spring force of at least one spring (14, 15).
5. Strahlpumpenmodul (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Endlage durch eine gehäuseseitige Anschlagfläche (16, 17) vorgegeben ist, die vorzugsweise mit einer stirnseitig am Kolben (11) ausgebildeten Anschlagfläche (18, 19) zusammenwirkt. 5. Jet pump module (1) according to claim 4, characterized in that at least one end position is predetermined by a housing-side stop surface (16, 17) which preferably interacts with a stop surface (18, 19) formed on the front side of the piston (11).
6. Strahlpumpenmodul (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endlage durch eine bewegliche, in Richtung des Kolbens (11) federbelastete Anschlaghülse (20) ausgebildet wird. 6. Jet pump module (1) according to claim 4 or 5, characterized in that an end position is formed by a movable stop sleeve (20) which is spring-loaded in the direction of the piston (11).
7. Strahlpumpenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (11) eine Längsachse (A3) aufweist, die senkrecht zu Längsachsen (Ai, A2) der Treibdüsen (2, 3) ausgerichtet ist. 7. Jet pump module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the piston (11) has a longitudinal axis (A3) which is perpendicular to the longitudinal axes (Ai, A2) of the propulsion nozzles (2, 3) is aligned.
8. Strahlpumpenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (11) bei geschlossenen Wasserstoffdosierventilen (4, 5) eine Mittelstellung einnimmt, in welcher beide Vorräume (8, 9) vom gemeinsamen Einlassbereich (12) für rezirkuliertes Anodengas entkoppelt sind. 8. Jet pump module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the piston (11) when the hydrogen metering valves (4, 5) are closed assumes a central position in which both vestibules (8, 9) are separated from the common inlet area (12) for recirculated Anode gas are decoupled.
9. Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreis, in den ein Strahlpumpenmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche integriert ist. 9. Fuel cell system with an anode circuit, in which a jet pump module (1) according to one of the preceding claims is integrated.
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