DE102021130875A1

DE102021130875A1 - Jet pump for a fuel cell system

Info

Publication number: DE102021130875A1
Application number: DE102021130875.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Pfannenmueller
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-05-25

Abstract

Eine für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem (1) mit Wasserstoffrezirkulation vorgesehene Strahlpumpe (2) umfasst einen zur Führung und Mischung von Wasserstoff ausgebildeten Düsenabschnitt (4) und einen zur Verstellung einer Düsennadel (13) vorgesehenen Aktuator (3). Ein Fluidkanal (15, 16) der Strahlpumpe (2) erstreckt sich vom Düsenabschnitt (4) bis zum Aktuator (3).A jet pump (2) intended for use in a fuel cell system (1) with hydrogen recirculation comprises a nozzle section (4) designed for guiding and mixing hydrogen and an actuator (3) provided for adjusting a nozzle needle (13). A fluid channel (15, 16) of the jet pump (2) extends from the nozzle section (4) to the actuator (3).

Description

Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem mit Wasserstoffrezirkulation vorgesehene Strahlpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a jet pump provided for use in a fuel cell system with hydrogen recirculation according to the preamble of claim 1.

Eine gattungsgemäße Strahlpumpe ist beispielsweise aus der US 2014/0080016 A1 bekannt. Die bekannte Strahlpumpe stellt einen Ejektor mit variabler Strömungsrate dar und ist einem Brennstoffzellensystem zuzurechnen. Der Ejektor weist einen primären Einlass für frischen, unter Hochdruck vorgehaltenem Wasserstoff und einem sekundären Einlass für rezirkulierenden Wasserstoff auf. Im Vergleich zu dem frischen Wasserstoff, das heißt Hochdruck-Wasserstoffgas, steht der rezirkulierende Wasserstoff unter deutlich niedrigerem Druck und wird dementsprechend als Niederdruck-Wasserstoffgas bezeichnet. Das Mischungsverhältnis zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Wasserstoffgas ist mit Hilfe einer in der Strahlpumpe verschiebbaren Düsennadel variierbar, wobei als Mittel zur Verstellung der Düsennadel in der US 2014/0060016 A1 ein elektrischer Schrittmotor vorgeschlagen wird.A generic jet pump is for example from U.S. 2014/0080016 A1 known. The known jet pump is a variable flow rate ejector and is attributable to a fuel cell system. The ejector has a primary inlet for fresh, high pressure stored hydrogen and a secondary inlet for recirculating hydrogen. Compared to the fresh hydrogen, i.e. high-pressure hydrogen gas, the recirculating hydrogen is under significantly lower pressure and is accordingly referred to as low-pressure hydrogen gas. The mixing ratio between high-pressure and low-pressure hydrogen gas can be varied with the aid of a nozzle needle that can be displaced in the jet pump, with the means for adjusting the nozzle needle in the U.S. 2014/0060016 A1 an electric stepping motor is proposed.

Die DE 10 2018 213 327 A1 offenbart ein als Ventil-Strahlpumpenanordnung ausgebildetes Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zum Fördern und zur Rezirkulation eines gasförmigen, Wasserstoff enthaltenden Mediums. Das Förderaggregat umfasst ein Dosierventil und eine Strahlpumpe, durch deren Gehäuse ein Zulauf für rezirkulierendes Medium, ein Mischrohr, ein Diffusor-Bereich und ein Auslasskrümmer gebildet sind. Das dem Förderaggregat zuzurechnende Dosierventil, mit welchem Wasserstoff als Treibmedium der Strahlpumpe zuführbar ist, kann innerhalb der in der DE 10 2018 213 327 A1 beschriebenen Anordnung insbesondere als Proportionalventil ausgebildet sein.The DE 10 2018 213 327 A1 discloses a pump assembly designed as a valve jet pump assembly for a fuel cell system for pumping and recirculating a gaseous medium containing hydrogen. The delivery unit includes a metering valve and a jet pump, through the housing of which an inlet for recirculating medium, a mixing tube, a diffuser area and an outlet elbow are formed. The metering valve to be attributed to the delivery unit, with which hydrogen can be supplied as the driving medium of the jet pump, can be within the in the DE 10 2018 213 327 A1 described arrangement can be designed in particular as a proportional valve.

Ein weiteres Brennstoffzufuhrsystem für ein Brennstoffzellensystem ist in der DE 10 2004 051 391 A1 beschrieben. Auch in diesem Fall ist eine Rezirkulation von Wasserstoff vorgesehen. Gleichzeitig strömt frischer, in einem Tank bereitgehaltener Wasserstoff in eine Ejektor-Vakuumpumpe ein, welche zum Fördern und Mischen der verschiedenen, teils rezirkulierten Stoffströme vorgesehen ist. Innerhalb der Ejektor-Vakuumpumpe ist eine Nadel in einer Düse verstellbar, um die gewünschte Mischung, welche einem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist, einzustellen. Zur Übernahme der erforderlichen Steuerungsfunktionen ist ein Controller vorhanden, welcher unter anderem mit einem Feuchtigkeitssensor, einem Temperatursensor und einem Wasserstoff-Konzentrationssensor verknüpft sein kann.Another fuel supply system for a fuel cell system is in DE 10 2004 051 391 A1 described. In this case, too, a recirculation of hydrogen is provided. At the same time, fresh hydrogen stored in a tank flows into an ejector vacuum pump, which is intended for conveying and mixing the various, partly recirculated material flows. Within the ejector vacuum pump, a needle is adjustable in a nozzle to set the desired mixture to be delivered to a fuel cell stack. A controller is available to take over the necessary control functions, which can be linked to a humidity sensor, a temperature sensor and a hydrogen concentration sensor, among other things.

Die DE 199 29 945 C1 beschreibt ein Reaktandenzufuhrsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug. In diesem Fall ist durch eine Mischdüse ein sauerstoffhaltiges Gas, Wasser sowie eine kohlenwasserstoffhaltige Substanz zu mischen. Die Mischdüse hat die Form einer Venturi-Düse und ist dazu ausgebildet, Gas auf eine Geschwindigkeit von ≥ 1/10 Schallgeschwindigkeit zu bringen. In der Düse wird Kohlenwasserstoff oder ein Kohlenwasserstoffderivat verdampft. Aus der verdampften Mischung wird mit Hilfe eines Katalysators Wasserstoff gewonnen, welcher in ein Brennstoffzellensystem eingespeist wird.The DE 199 29 945 C1 describes a reactant delivery system for a fuel cell vehicle. In this case, an oxygen-containing gas, water and a hydrocarbon-containing substance are to be mixed through a mixing nozzle. The mixing nozzle is in the form of a venturi nozzle and is designed to bring gas to a speed of ≥1/10 the speed of sound. Hydrocarbon or a hydrocarbon derivative is vaporized in the nozzle. With the help of a catalyst, hydrogen is obtained from the vaporized mixture and fed into a fuel cell system.

Die EP 1 296 105 A2 offenbart ein Verfahren zum Einstellen einer Temperatur an einer Sprüh-Mischdüse. Die Sprüh-Mischdüse ist hierbei zur Erzeugung eines Sprühnebels aus einer Flüssigkeit und einem Druckgas vorgesehen. Die Flüssigkeit soll durch Expandieren des Druckgases in einem Mischbereich außerhalb und/oder innerhalb der Sprüh-Mischdüse zerstäubt und gekühlt werden, wobei ein an den Mischbereich angrenzender Außenteil der Sprüh-Mischdüse von Wasser umströmt wird.The EP 1 296 105 A2 discloses a method of adjusting a temperature at a spray-mixing nozzle. The spray-mixing nozzle is provided here for generating a spray mist from a liquid and a compressed gas. The liquid is intended to be atomized and cooled by expanding the compressed gas in a mixing area outside and/or inside the spray-mixing nozzle, with water flowing around an outer part of the spray-mixing nozzle adjoining the mixing area.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Strahlpumpe für eine Brennstoffzellenanordnung anzugeben, welche sich unter verschiedensten Betriebsbedingungen durch eine besonders hohe Betriebssicherheit auszeichnet.The invention is based on the object of specifying a jet pump for a fuel cell arrangement which is further developed than the prior art and which is characterized by particularly high operational reliability under a wide variety of operating conditions.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Strahlpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Strahlpumpe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen zur Wasserstoffführung und -mischung vorgesehenen Düsenabschnitt und einen zur Verstellung einer Düsennadel vorgesehenen Aktuator.This object is achieved according to the invention by a jet pump having the features of claim 1. In a basic concept known per se, the jet pump comprises a nozzle section provided for carrying and mixing hydrogen and an actuator provided for adjusting a nozzle needle.

In der Strahlpumpe befindet sich ein Fluidkanal, welcher sich vom Düsenabschnitt bis in den Aktuator hinein erstreckt. Je nach Ausgestaltung der Strahlpumpe kann dieser Fluidkanal zur Leitung verschiedener Fluide vorgesehen sein. Gemäß einer ersten möglichen Ausgestaltung zweigt der Fluidkanal von einem Zuleitungskanal für unter Druck stehenden Wasserstoff ab. Der unter Druck stehende Wasserstoff ist im Düsenabschnitt der Strahlpumpe mit rezirkuliertem Wasserstoff zu mischen.A fluid channel is located in the jet pump and extends from the nozzle section into the actuator. Depending on the design of the jet pump, this fluid channel can be provided for conducting various fluids. According to a first possible configuration, the fluid channel branches off from a feed channel for pressurized hydrogen. The pressurized hydrogen shall be mixed with recirculated hydrogen in the nozzle section of the jet pump.

In vereinfachender Weise wird der Begriff Wasserstoff auch für wasserstoffhaltige Gasgemische oder Gas-Flüssigkeits-Gemische verwendet, welche innerhalb des Brennstoffzellensystems strömen. Das Wasserstoffgas, welches durch den Zuleitungskanal strömt, wird auch als frischer Wasserstoff bezeichnet. Der Druck des frischen Wasserstoffs ist wesentlich höher als der Druck des aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems abgeleiteten, rezirkulierenden Wasserstoffs.In a simplified manner, the term hydrogen is also used for gas mixtures containing hydrogen or gas-liquid mixtures which flow within the fuel cell system. The hydrogen gas that flows through the supply channel is also referred to as fresh hydrogen. The pressure of the fresh hydrogen is much higher than the pressure from the anodes recirculating hydrogen derived from the fuel cell system.

Der vom Zuleitungskanal für frischen Wasserstoff abzweigende Fluidkanal befindet sich innerhalb der Strahlpumpe und mündet in einen Innenraum des Aktuators. Die fluidtechnische Verbindung zwischen dem Zuleitungskanal und dem Aktuatorinnenraum hat den Vorteil, dass Kräfte, die auf bewegliche Komponenten des Aktuators wirken, kompensiert werden. Dies ist insbesondere in Bauformen von Vorteil, in denen der Aktuator getriebelos mit der Düsennadel gekoppelt ist. Der Aktuator ist hierbei insbesondere als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet.The fluid channel branching off from the feed channel for fresh hydrogen is located within the jet pump and opens into an interior space of the actuator. The fluidic connection between the feed channel and the actuator interior has the advantage that forces acting on movable components of the actuator are compensated. This is particularly advantageous in designs in which the actuator is coupled to the nozzle needle in a gearless manner. In this case, the actuator is designed in particular as an electromagnetic actuator.

Die Druckkompensation, welche mittels des Fluidkanals, der vom Zuleitungskanal in den Aktuatorinnenraum führt, realisiert ist, erleichtert die Ausbildung des Aktuators als federloser bistabiler Aktuator. Der Entfall einer Rückstellfeder wird dadurch ermöglicht, dass der Anker des elektromagnetischen Aktuators über eine Umpolung der Bestromung der Spule des Aktuators hin und her bewegt werden kann und durch magnetische Kräfte in einer seiner Endpositionen verharrt. Nach erfolgter Bestromung behält der Anker seine magnetische Polarität.The pressure compensation, which is realized by means of the fluid channel, which leads from the feed channel into the actuator interior, facilitates the design of the actuator as a springless, bistable actuator. The omission of a restoring spring is made possible by the fact that the armature of the electromagnetic actuator can be moved back and forth by reversing the polarity of the energization of the coil of the actuator and remains in one of its end positions by magnetic forces. After the current has been applied, the armature retains its magnetic polarity.

Die Beibehaltung der Einstellung des Aktuators, das heißt der Position der Düsennadel, erfordert keinerlei Zuführung elektrischer Energie. Die Haltekräfte an den Endlagen des Ankers sowie der damit fest verbundenen Düsennadel sind beispielsweise durch die Größe von Kontaktflächen und/oder durch den Einsatz nicht magnetischer Distanzscheiben einstellbar. Eine Distanzscheibe kann hierbei als Axialanschlag für einen Permanentmagneten fungieren, welcher fest mit der Düsennadel verbunden ist, insbesondere in Form eines ringscheibenförmigen Magneten zentrisch von der Düsennadel durchdrungen wird.Maintaining the setting of the actuator, ie the position of the nozzle needle, does not require any supply of electrical energy. The holding forces at the end positions of the armature and the nozzle needle firmly connected to it can be adjusted, for example, by the size of the contact surfaces and/or by using non-magnetic spacers. A spacer disc can function as an axial stop for a permanent magnet, which is firmly connected to the nozzle needle, in particular in the form of a magnet in the form of an annular disk and through which the nozzle needle passes centrally.

Der Anker, welcher fest mit der Düsennadel verbunden ist oder die Düsennadel als integralen Bestandteil aufweist, kann in einem nicht magnetischen Magnetkern des elektromagnetischen Aktuators geführt sein. Hierbei kann der Anker in Lagerstellen, welche sich im Magnetkern oder außerhalb des Magnetkerns befinden, geführt sein. An verschiedenen Stellen, insbesondere innerhalb des Polkerns des Aktuators, können Konturen ausgebildet sein, welche die Verschiebbarkeit des Ankers beeinflussen und dementsprechend als Kennlinienbeeinflussungskonturen bezeichnet werden. Zur Lagerung des Magnetkerns können beliebige an sich bekannte Lager, insbesondere Gleitlager, verwendet werden. Der Effekt der Druckkompensation, welcher durch den im Aktuatorinnenraum mündenden Fluidkanal gegeben ist, wird durch eine reibungsarme Lagerung des Ankers unterstützt. Eine Mehrzahl an Fluidkanälen kann insgesamt ringförmig um die Düsennadel angeordnet sein. Ergänzend oder alternativ können sich Längsnuten in der Düsennadel, in einem sonstigen Abschnitt des Ankers, im Magnetkern und/oder in einem Gehäuseabschnitt der Strahlpumpe befinden. Der Düsenabschnitt einschließlich des Fluidkanals kann in den Aktuator hineinragen. Dies ist gleichbedeutend damit, dass sich der Düsenabschnitt und der Aktuator in Axialrichtung, das heißt in Längsrichtung der Düsennadel, überlappen.The armature, which is firmly connected to the nozzle needle or has the nozzle needle as an integral part, can be guided in a non-magnetic magnet core of the electromagnetic actuator. In this case, the armature can be guided in bearing points which are located in the magnetic core or outside of the magnetic core. At various points, in particular within the pole core of the actuator, contours can be formed which influence the displaceability of the armature and are accordingly referred to as characteristic curve influencing contours. Any bearings known per se, in particular plain bearings, can be used to mount the magnet core. The effect of the pressure compensation, which is given by the fluid channel opening into the actuator interior, is supported by a low-friction mounting of the armature. A plurality of fluid channels can be arranged in a ring shape around the nozzle needle. In addition or as an alternative, there can be longitudinal grooves in the nozzle needle, in another section of the armature, in the magnet core and/or in a housing section of the jet pump. The nozzle section including the fluid channel can protrude into the actuator. This is equivalent to the fact that the nozzle section and the actuator overlap in the axial direction, ie in the longitudinal direction of the nozzle needle.

Ein solcher Überlapp zwischen Aktuator und Düsenabschnitt hat nicht nur strömungstechnische, sondern auch fertigungstechnische Vorteile. Im Überlappbereich zwischen dem Düsenabschnitt und dem Aktuator kann sich ein Anschraubflansch befinden, welcher in abgedichteter Weise sowohl mit dem Gehäuse des Düsenabschnitts als auch mit dem Gehäuse des Aktuators verbunden ist. Das Aktuatorgehäuse kann hierbei auf einen zentralen topfförmigen Anschlussabschnitt des Anschraubflansches aufgesetzt sein, wobei sich auf der Außenseite des Anschlussabschnitts, das heißt auf der dem Aktuatorinnenraum zugewandten Seite des Anschraubflansches, eine Distanzscheibe mit der bereits erwähnten Funktion, das heißt Anschlagfunktion gegenüber dem Anker des elektromagnetischen Aktuators, befinden kann.Such an overlap between the actuator and the nozzle section has advantages not only in terms of flow technology but also in terms of production technology. A screw-on flange can be located in the overlapping area between the nozzle section and the actuator, which is connected in a sealed manner both to the housing of the nozzle section and to the housing of the actuator. The actuator housing can be placed on a central pot-shaped connection section of the screw-on flange, with a spacer having the already mentioned function, i.e. a stop function with respect to the armature of the electromagnetic actuator, being located on the outside of the connection section, i.e. on the side of the screw-on flange facing the actuator interior , can be located.

Der fest mit Düsenabschnitt verbundene Aktuator benötigt keinerlei dynamische Abdichtungen. Vielmehr sind handelsübliche O-Ring Dichtungen oder auch Profildichtungen zur Abdichtung des Aktuators gegenüber dem Düsenabschnitt, optional unter Zwischenschaltung des genannten Anschraubflansches, ausreichend.The actuator, which is firmly connected to the nozzle section, does not require any dynamic seals. In fact, commercially available O-ring seals or also profile seals are sufficient for sealing the actuator with respect to the nozzle section, optionally with the screw-on flange mentioned being interposed.

Metallische Komponenten des Aktuators werden in Abhängigkeit von den gewünschten magnetischen und sonstigen Eigenschaften, insbesondere Korrosionseigenschaften, ausgewählt. Beispielsweise ist eine Hülse des Aktuators aus nichtrostendem Stahl gefertigt. Durch eine Ineinanderschachtelung von hülsenförmigen Abschnitten kann ein Ringraum gebildet sein, in welchem sich eine Spule des Aktuators befindet. Ein Polkern, in welchem, optional mittels der erwähnten Kennlinienbeeinflussungskontur, der mit der Düsennadel verbundene Anker des Aktuators geführt ist, kann in den inneren hülsenförmigen Abschnitt des insgesamt als Edelstahlhülse bezeichneten metallischen Bauteils eingesetzt sein. Der innere hülsenförmige Abschnitt kann auf derjenigen Seite der Spule, welche dem verschiebbaren Permanentmagneten und damit dem Innenraum des Aktuators zugewandt ist, über einen ringscheibenförmigen Abschnitt fluiddicht mit dem äußeren hülsenförmigen Abschnitt der Edelstahlhülse verbunden sein. Zugleich kann der innere hülsenförmige Abschnitt auf seiner gegenüberliegenden Stirnseite durch einen Boden verschlossen sein, sodass insgesamt ein hermetischer Abschluss des Aktuatorinnenraums gegenüber der Spule gegeben ist.Metallic components of the actuator are selected depending on the desired magnetic and other properties, especially corrosion properties. For example, a sleeve of the actuator is made of stainless steel. An annular space, in which a coil of the actuator is located, can be formed by nesting sleeve-shaped sections into one another. A pole core, in which the armature of the actuator connected to the nozzle needle is guided, optionally by means of the aforementioned contour influencing the characteristic curve, can be inserted into the inner sleeve-shaped section of the metal component, which is generally referred to as a stainless steel sleeve. The inner sleeve-shaped section can be connected in a fluid-tight manner to the outer sleeve-shaped section of the stainless steel sleeve via an annular disk-shaped section on that side of the coil which faces the displaceable permanent magnet and thus the interior of the actuator. At the same time, the inner sleeve-shaped section can be closed by a bottom on its opposite end, so that overall there is a hermetic seal between the interior of the actuator and the coil.

Die Spule kann zusammen mit einer Jochscheibe, welche sich auf der Seite des Bodens des inneren hülsenförmigen Abschnitts befindet, und einem Stecker des Aktuators in eine Kunststoffspritzeinheit integriert sein. Das gesamte Aktuatorgehäuse, welches die Kunststoffspritzeinheit, die durch Mehrkomponenten-Kunststoffspritzguss gefertigt ist, umfasst, kann auf rationelle Weise durch Aufpressen auf den Anschraubflansch mit dem Düsenabschnitt verbunden werden. Entsprechendes gilt bei einer direkten Verbindung zwischen dem Aktuator und einer Kontur des Düsenabschnitts.The coil can be integrated into a plastic injection molding unit together with a yoke disc located on the side of the bottom of the inner sleeve-shaped section and a plug of the actuator. The entire actuator housing, which includes the plastic injection unit, which is manufactured by multi-component plastic injection molding, can be connected to the nozzle section in an efficient manner by being pressed onto the screw-on flange. The same applies to a direct connection between the actuator and a contour of the nozzle section.

Der Düsenabschnitt kann modular aufgebaut sein, wobei ein an den Aktuator grenzender Abschnitt den Zuleitungskanal für frischen Wasserstoff und den zusätzlichen Fluidkanal umfasst. Auch die Düse, in welche die Düsennadel je nach Einstellung mehr oder weniger weit eintaucht, ist durch dasselbe Modul gebildet. Ein hieran direkt anschließendes Modul des Düsenabschnitts kann in diesem Fall die Zuleitung für rezirkulierenden Wasserstoff sowie einen Mischabschnitt aufweisen, in welchem die verschiedenen Gasströme gemischt werden. Innerhalb des Mischabschnitts kann ein Mischrohr, welches sich in Verlängerung der Düse befindet, von einem hieran anschließenden, sich aufweitenden Diffusor unterscheidbar sein. Im Bereich des Diffusors oder in einem stromabwärts gelegenen Bereich der Strahlpumpe befindet sich optional ein Drucksensor.The nozzle portion may be modular, with a portion adjacent to the actuator including the fresh hydrogen supply passage and the additional fluid passage. The nozzle, into which the nozzle needle dips more or less depending on the setting, is also formed by the same module. In this case, a module of the nozzle section which is directly connected thereto can have the supply line for recirculating hydrogen and a mixing section in which the different gas streams are mixed. Within the mixing section, a mixing tube, which is located in the extension of the nozzle, can be distinguished from an expanding diffuser connected thereto. A pressure sensor is optionally located in the area of the diffuser or in an area of the jet pump located downstream.

Die erläuterten Merkmale, was die Gestaltung des Aktuators sowie die Verbindung zwischen dem Aktuator und dem Düsenabschnitt betrifft, können auch bei Ausführungsformen der Strahlpumpe gegeben sein, in welchen der Fluidkanal als Kühlmittelkanal zur Führung eines vom Wasserstoff getrennten Wärmeträgers ausgebildet ist. Das Kühlmittel ist hierbei zu Beheizung der Strahlpumpe nutzbar. Insbesondere kann es sich bei dem Kühlmittel um Kühlwasser handeln, welches innerhalb des Brennstoffzellensystems elektrisch erwärmt wird, um auch bei Frost einen zuverlässigen Start des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen. Durch das zumindest teilweise Eintauchen des Fluidkanals, das heißt Kühlmittelkanals, in den vom Aktuator umschlossenen Raum ist die Düsennadel und ein die Düsennadel umgeben der Raum, in welchem sich insbesondere ein Lagerelement zur Lagerung der Düsennadel befindet, besonders schnell erwärmbar. Ein Einleiten von Kühlmittel in den Hohlraum des Aktuators, in welchem sich der Anker des Aktuators befindet, kann gemäß verschiedener möglicher Ausführungsformen entweder vorgesehen sein oder entfallen.The features explained with regard to the design of the actuator and the connection between the actuator and the nozzle section can also be present in embodiments of the jet pump in which the fluid channel is designed as a coolant channel for conducting a heat carrier separate from the hydrogen. The coolant can be used here to heat the jet pump. In particular, the coolant can be cooling water, which is electrically heated within the fuel cell system in order to enable the fuel cell system to start reliably even in the event of frost. Due to the at least partial immersion of the fluid channel, i.e. coolant channel, in the space enclosed by the actuator, the nozzle needle and the space surrounding the nozzle needle, in which in particular a bearing element for mounting the nozzle needle is located, can be heated particularly quickly. Introducing coolant into the cavity of the actuator, in which the armature of the actuator is located, can either be provided or omitted according to various possible embodiments.

Statt eines als Hubmagnet ausgeführten Aktuators kommt auch die Verwendung einer sonstigen Aktuatorik, beispielsweise in Form eines Schrittmotors, welcher über einen Spindeltrieb mit der Düsennadel gekoppelt ist, in Betracht. In jedem Fall kann durch die Versorgung der Strahlpumpe mit einem flüssigen Wärmeträger schnell Eis entfernt werden, welches bei Frosttemperaturen aus Restfeuchte innerhalb des Brennstoffzellensystems gebildet wurde. Vom Wasserstoffkreislauf ist der Kühlmittelkreislauf in vorteilhafter Ausgestaltung hermetisch getrennt. Optional existiert eine Absperrarmatur, mit welcher der Durchfluss von Kühlmittel, das heißt Wärmeträger, durch die Strahlpumpe bedarfsweise gestoppt oder freigegeben werden kann. Auch ein temperaturgeregelter Betrieb der Strahlpumpe kann vorgesehen sein.Instead of an actuator designed as a lifting magnet, it is also possible to use some other type of actuator, for example in the form of a stepper motor, which is coupled to the nozzle needle via a spindle drive. In any case, by supplying the jet pump with a liquid heat transfer medium, ice that has formed from residual moisture within the fuel cell system at freezing temperatures can be quickly removed. In an advantageous embodiment, the coolant circuit is hermetically separated from the hydrogen circuit. Optionally, there is a shut-off valve with which the flow of coolant, i.e. heat transfer medium, through the jet pump can be stopped or released as required. Temperature-controlled operation of the jet pump can also be provided.

Durch Komponenten, insbesondere Gehäusekomponenten aus thermisch gut leitendem Material wie Metall, kann die gleichmäßige Temperierung der Strahlpumpe gefördert werden. Zusammen mit der Führung des hier zum Heizen verwendeten Kühlmittels innerhalb der Strahlpumpe wird damit insbesondere die Enteisung an relevanten Stellen die Nadelführung, Ankerführung, Austrittsdüse, Lagerstellen und Engstellen begünstigt. Eine ausreichend rasche Temperaturangleichung innerhalb der Strahlpumpe ist in zahlreichen Anwendungsfällen auch unter Verwendung von mit Kunststoff umspritzten Metallkörpern erreichbar. Die Temperierung der Strahlpumpe mittels eines Wärmeträgers ist mit der beschriebenen Zuleitung von Wasserstoff zum Aktuatorinnenraum kombinierbar. Bei der Strahlpumpe kann es sich um eine einstufige oder mehrstufige, insbesondere zweistufige, Pumpe handeln. Auch eine vollvariable Ausführung der Strahlpumpe ist möglich.The uniform temperature control of the jet pump can be promoted by components, in particular housing components made of thermally highly conductive material such as metal. Together with the guidance of the coolant used here for heating within the jet pump, de-icing at relevant points, the needle guide, armature guide, outlet nozzle, bearing points and narrow points, in particular, is promoted. A sufficiently rapid temperature equalization within the jet pump can also be achieved in numerous applications using metal bodies encapsulated with plastic. The temperature control of the jet pump by means of a heat carrier can be combined with the described supply of hydrogen to the actuator interior. The jet pump can be a single-stage or multi-stage, in particular two-stage, pump. A fully variable version of the jet pump is also possible.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 eine für die Verwendung in einer Brennstoffzellenanordnung vorgesehene Strahlpumpe mit weitestmöglich verengtem Düsenquerschnitt,
2 die Anordnung nach 1 mit maximal geöffnetem Düsenquerschnitt,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Strahlpumpe in einer Darstellung analog 1.

Two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to a drawing. Show in it:

1 a jet pump intended for use in a fuel cell arrangement with a nozzle cross-section that is as narrowed as possible,
2 according to the arrangement 1 with maximum open nozzle cross-section,
3 another embodiment of a jet pump in an analog representation 1 .

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations relate to both exemplary embodiments. Parts that correspond to one another or have the same effect in principle are identified by the same reference symbols in all figures.

Ein in den Figuren nur ansatzweise dargestelltes Brennstoffzellensystem 1, welches auch als Brennstoffzellenanordnung bezeichnet wird und aus einer Vielzahl aufeinander gestapelter Brennstoffzellen aufgebaut ist, umfasst eine Strahlpumpe 2, mit welcher rezirkulierender Wasserstoff mit frischem, unter vergleichsweise hohem Druck stehendem Wasserstoff gemischt wird. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Brennstoffzellensystems 1 sowohl der Strahlpumpe 2 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.A fuel cell system 1 shown only partially in the figures, which is also used as Fuel cell arrangement is referred to and is composed of a plurality of fuel cells stacked on top of one another, comprises a jet pump 2, with which recirculating hydrogen is mixed with fresh hydrogen which is under comparatively high pressure. With regard to the basic function of the fuel cell system 1 and the jet pump 2, reference is made to the prior art cited at the outset.

Die Strahlpumpe 2 ist aufgebaut aus einem Aktuator 3 und einem Düsenabschnitt 4. Der Düsenabschnitt 4 wiederum setzt sich zusammen aus einem Düsenmodul 5, welches an den Aktuator 3 grenzt und einem Mischmodul 6, aus welchem der teilweise rezirkulierte Wasserstoff, der der Anodenseite der Brennstoffzellen zuzuführen ist, ausströmt.The jet pump 2 is made up of an actuator 3 and a nozzle section 4. The nozzle section 4 in turn consists of a nozzle module 5, which adjoins the actuator 3 and a mixing module 6, from which the partially recirculated hydrogen is fed to the anode side of the fuel cells is, emanates.

Im Mischmodul 6 befindet sich, in den dargestellten Beispielen direkt angrenzend an das Düsenmodul 5, ein Rezirkulationseinlass 7, durch welchen aus den Brennstoffzellen ausgeleiteter Wasserstoff in Richtung eines Bereichs strömt, welcher als Strahlpumpeneinlass 8 bezeichnet wird. Der Strahlpumpeneinlass 8 befindet sich unmittelbar stromabwärts einer Düse 9 der Strahlpumpe 2. In stromabwärtiger Richtung verjüngt sich der Strahlpumpeneinlass 8 zu einem Mischrohr 10, welches in einen Diffusor 11 übergeht.In the mixing module 6 there is a recirculation inlet 7 , in the examples shown directly adjacent to the nozzle module 5 , through which hydrogen discharged from the fuel cells flows in the direction of an area which is referred to as the jet pump inlet 8 . The jet pump inlet 8 is located directly downstream of a nozzle 9 of the jet pump 2 .

Ein im Bereich des Diffusors 11 angebrachter Drucksensor ist mit 12 bezeichnet. Der Drucksensor 12 wird insbesondere genutzt, um die Einstellung einer Düsennadel 13 zu variieren, welches mittels des Aktuators 3 verstellbar ist und mehr oder weniger weit in die Düse 9 ragt. Der durch die Düse 9 dem Strahlpumpeneinlass 8 zugeführte Wasserstoff wird durch einen Zuleitungskanal 14, welcher im Düsenmodul 5 ausgebildet ist, geleitet. Weiter sind in den Figuren verschiedene Fluidkanäle 15, 16 erkennbar, welche sich ebenfalls im Düsenmodul 5 befinden.A pressure sensor fitted in the area of the diffuser 11 is denoted by 12 . The pressure sensor 12 is used in particular to vary the setting of a nozzle needle 13 which can be adjusted by means of the actuator 3 and protrudes more or less far into the nozzle 9 . The hydrogen supplied to the jet pump inlet 8 through the nozzle 9 is conducted through a supply channel 14 which is formed in the nozzle module 5 . Various fluid channels 15, 16, which are also located in the nozzle module 5, can also be seen in the figures.

Bei dem Aktuator 3 handelt es sich um einen elektromagnetischen Aktuator, dessen Spule mit 17 bezeichnet ist. Die Spule 17 befindet sich in einem Ringraum, welcher durch eine Edelstahlhülse 18 bereitgestellt ist. Der genannte Ringraum ist durch einen inneren hülsenförmigen Abschnitt 19 und einen äußeren hülsenförmigen Abschnitt 20 der Edelstahlhülse 18 begrenzt. Auf dem Düsenabschnitt 4 zugewandten Seite der Spule 17 ist der innere hülsenförmige Abschnitt 19 über einen ringscheibenförmigen Abschnitt 21 mit dem äußeren hülsenförmigen Abschnitt 20 verbunden. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite, angrenzend an eine Jochscheibe 22, ist der innere hülsenförmige Abschnitt 19 durch einen Boden 23 abgeschlossen. Der mit 24 bezeichnete Innenraum des Aktuators 3 ist damit hermetisch gegenüber der Spule 17 abgeschlossen. Die Spule 17 ist mittels eines Anschlusssteckers 25 bestrombar.The actuator 3 is an electromagnetic actuator whose coil is labeled 17 . The coil 17 is located in an annular space provided by a stainless steel sleeve 18 . Said annular space is delimited by an inner sleeve-shaped section 19 and an outer sleeve-shaped section 20 of the stainless steel sleeve 18 . On the side of the coil 17 facing the nozzle section 4 , the inner sleeve-shaped section 19 is connected to the outer sleeve-shaped section 20 via an annular disk-shaped section 21 . On the opposite end side, adjacent to a yoke disk 22, the inner sleeve-shaped section 19 is closed off by a base 23. The interior of the actuator 3 labeled 24 is thus hermetically sealed off from the coil 17 . The coil 17 can be energized by means of a connector plug 25 .

Der mit 26 bezeichnete Anker des Aktuators 3 ist in einem Polkern 27 geführt, welcher in den hülsenförmigen Abschnitt 19 eingesteckt ist. Die Düsennadel 13 ist starr mit dem Anker 26 verbunden. Im Fall von 1 und 2 befindet sich eine Ankerlagerung mit Kennlinienbeeinflussung im Polkern 27. In 3 ist ein Gleitlager 28 zu Lagerung der Düsennadel 13 im Düsenmodul 5 erkennbar.The armature of the actuator 3 labeled 26 is guided in a pole core 27 which is inserted into the sleeve-shaped section 19 . The nozzle needle 13 is rigidly connected to the armature 26 . In the case of 1 and 2 there is an armature bearing with characteristic influencing in the pole core 27. In 3 a sliding bearing 28 for mounting the nozzle needle 13 in the nozzle module 5 can be seen.

Dem Anker 26 ist ein ringscheibenförmiger Permanentmagnet 29 zuzurechnen. Durch geeignete Bestromung der Spule 17 wird der Permanentmagnet 29 entweder vom Polkern 27 abgestoßen, sodass die Düse 9 weitestmöglich geschlossen ist, oder an den Polkern 27 angezogen, sodass die Düse 9 weitestmöglich geöffnet ist. In jeder der entsprechenden Einstellungen (1, 2) befindet sich der Anker 26 und damit auch die Düsennadel 13 in einer stabilen Position.A permanent magnet 29 in the form of an annular disk is to be attributed to the armature 26 . By suitably energizing the coil 17, the permanent magnet 29 is either repelled by the pole core 27, so that the nozzle 9 is closed as far as possible, or attracted to the pole core 27, so that the nozzle 9 is opened as far as possible. In each of the corresponding settings ( 1 , 2 ) the armature 26 and thus also the nozzle needle 13 are in a stable position.

In der annähernd geschlossenen Einstellung der Düse 9 schlägt der Permanentmagnet 29 an einer nichtmagnetischen Distanzscheibe 30 an, welche auf der Außenseite eines Anschraubflansches 31 anliegt, der dem Düsenabschnitt 4 zuzurechnen ist. Eine nicht dargestellte Distanzscheibe ist auch auf der gegenüberliegenden Seite des Permanentmagneten 29, das heißt zwischen dem Permanentmagneten 29 und dem Polkern 27, vorhanden und verhindert ebenso wie die Distanzscheibe 30 ein sogenanntes magnetisches Kleben. Der Anschraubflansch 31 hat eine unebene Form, wobei ein mittiger, topfförmiger Abschnitt des Anschraubflansches 30 als Anschlussabschnitt 32 bezeichnet ist.When the nozzle 9 is in the almost closed position, the permanent magnet 29 strikes a non-magnetic spacer 30 which rests on the outside of a screw-on flange 31 which is assigned to the nozzle section 4 . A spacer disk, not shown, is also present on the opposite side of the permanent magnet 29, ie between the permanent magnet 29 and the pole core 27, and, like the spacer disk 30, prevents so-called magnetic sticking. The screw-on flange 31 has an uneven shape, with a central, pot-shaped section of the screw-on flange 30 being referred to as the connection section 32 .

Im Übergangsbereich zwischen dem Anschlussabschnitt 32 und dem weiter außen liegenden, ebenen Abschnitt des Anschraubflansches 31 ist eine Dichtung 33 in Form eines O-Rings angeordnet. Die O-Ring-Dichtung 33 befindet sich im Fußbereich eines zentralen Stutzens 34 des Düsenmoduls 5, welcher aus dem umgebenden, flächigen Bereich des Düsenmoduls 5 herausragt und hierbei in den im Wesentlichen zylindrischen Aktuator 3 hineinragt. Die Querschnittsgestaltung des Stutzens 34 ist der Querschnittsgestaltung des Anschlussabschnitts 32 angepasst. Auf den Anschlussabschnitt 32 ist der äußere hülsenförmige Abschnitt 20 der Edelstahlhülse 18 aufgepresst. Der äußere hülsenförmige Abschnitt 20 ist unmittelbar umgeben von dem mit 35 bezeichneten Gehäuse des Aktuators 3. Eine ebenfalls als O-Ring gestaltete Dichtung, welche zwischen das Gehäuse 35, den äußeren hülsenförmigen Abschnitt 20 und den Anschlussabschnitt 32 eingelegt ist, ist mit 36 bezeichnet und fungiert ebenso wie die Dichtung 33 als statische Dichtung.A seal 33 in the form of an O-ring is arranged in the transition area between the connection section 32 and the flat section of the screw-on flange 31 lying further outside. The O-ring seal 33 is located in the foot area of a central socket 34 of the nozzle module 5 , which protrudes from the surrounding, flat area of the nozzle module 5 and thereby protrudes into the essentially cylindrical actuator 3 . The cross-sectional shape of the connecting piece 34 is adapted to the cross-sectional shape of the connection section 32 . The outer sleeve-shaped section 20 of the stainless steel sleeve 18 is pressed onto the connection section 32 . The outer sleeve-shaped section 20 is directly surrounded by the housing of the actuator 3, designated 35. A seal, also designed as an O-ring, which is inserted between the housing 35, the outer sleeve-shaped section 20 and the connection section 32, is designated 36 and acts like the seal 33 as a static seal.

Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 sind mehrere Fluidkanäle 15, welche parallel zur Düsennadel 13 und damit zur Mittelachse der Strahlpumpe 2 verlaufen, als Überströmkanäle ausgebildet, welche den Zuleitungskanal 14 mit dem Innenraum 24 des Aktuators 3 verbinden. In Verlängerung der Fluidkanäle 15 befinden sich zu diesem Zweck Öffnungen 37 im Anschlussabschnitt 32. Zusätzlich ist ein die Düsennadel 13 unmittelbar umgebender Ringraum 38 vorhanden, durch welchen frischer, unter Druck stehender Wasserstoff zwischen dem Zuleitungskanal 14 und dem Innenraum 24 strömen kann. Insgesamt ist damit sichergestellt, dass der Anker 26, insbesondere der Permanentmagnet 29, gleichförmig durch Wasserstoffdruck beaufschlagt ist. Eventuell aus dem Innenraum 24 ausströmender Wasserstoff wird der Düse 9 zugeführt.In the embodiment according to 1 and 2 several fluid channels 15 which run parallel to the nozzle needle 13 and thus to the central axis of the jet pump 2 are designed as overflow channels which connect the feed channel 14 to the interior 24 of the actuator 3 . For this purpose, openings 37 are located in the connection section 32 in an extension of the fluid channels 15. In addition, there is an annular space 38 immediately surrounding the nozzle needle 13, through which fresh, pressurized hydrogen can flow between the feed channel 14 and the interior space 24. Overall, this ensures that the armature 26, in particular the permanent magnet 29, is uniformly subjected to hydrogen pressure. Any hydrogen flowing out of the interior 24 is fed to the nozzle 9 .

Im Ausführungsbeispiel nach 3 ist der Fluidkanal 16 an einen Kühlwasserkreislauf des Brennstoffzellensystems 1 angeschlossen. Abschnitte des Fluidkanals 16 umgeben hierbei das Gleitlager 28 sowie die Düse 9, wie aus 3 hervorgeht. Ebenso geht aus 3 hervor, dass der Fluidkanal, das heißt Kühlwasserkanal, teilweise in den Stutzen 34 und damit auch in den Aktuator 3 hineinragt. Im Unterschied zum Fluidkanal 15 des Ausführungsbeispiels nach den 1 und 2 ist der Fluidkanal 16, welcher der Temperierung der Strahlpumpe 2 dient, fluidtechnisch vom Zuleitungskanal 14 sowie sämtlichen anderen Kanälen, die Wasserstoff führen, getrennt. Das Wasser, welches durch den Fluidkanal 16 strömt, wird mittels einer typischerweise elektrischen Heizvorrichtung erwärmt, welche auch zur Beheizung eines Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzellenanordnung 1 genutzt wird.In the embodiment after 3 the fluid channel 16 is connected to a cooling water circuit of the fuel cell system 1 . Sections of the fluid channel 16 surround the plain bearing 28 and the nozzle 9, as shown in FIG 3 emerges. Also goes out 3 shows that the fluid channel, ie the cooling water channel, partially protrudes into the socket 34 and thus also into the actuator 3 . In contrast to the fluid channel 15 of the embodiment according to 1 and 2 the fluid channel 16, which is used to control the temperature of the jet pump 2, is fluidically separated from the feed channel 14 and all other channels that carry hydrogen. The water that flows through the fluid channel 16 is heated by means of a typically electrical heating device, which is also used to heat a fuel cell stack of the fuel cell arrangement 1 .

BezugszeichenlisteReference List

11: Brennstoffzellensystemfuel cell system
22: Strahlpumpejet pump
33: Aktuatoractuator
44: Düsenabschnittnozzle section
55: Düsenmodulnozzle module
66: Mischmodulmixing module
77: Rezirkulationseinlassrecirculation inlet
88th: Strahlpumpeneinlassjet pump inlet
99: Düsejet
1010: Mischrohrmixing tube
1111: Diffusordiffuser
1212: Drucksensorpressure sensor
1313: Düsennadeljet needle
1414: Zuleitungskanalsupply channel
1515: Fluidkanalfluid channel
1616: Fluidkanalfluid channel
1717: SpuleKitchen sink
1818: Edelstahlhülsestainless steel sleeve
1919: innerer hülsenförmiger Abschnittinner tubular section
2020: äußerer hülsenförmiger Abschnittouter tubular section
2121: ringscheibenförmiger Abschnittring-shaped section
2222: Jochscheibeyoke disc
2323: BodenFloor
2424: Innenrauminner space
2525: Anschlusssteckerconnector plug
2626: Ankeranchor
2727: Polkernpole core
2828: Gleitlagerbearings
2929: Permanentmagnetpermanent magnet
3030: Distanzscheibespacer
3131: Anschraubflanschscrew-on flange
3232: Anschlussabschnittconnector section
3333: Dichtungpoetry
3434: StutzenSupport
3535: GehäuseHousing
3636: Dichtungpoetry
3737: Öffnungopening
3838: Ringraumannulus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

US 2014/0080016 A1 [0002]
US 2014/0060016 A1 [0002]
DE 102018213327 A1 [0003]
DE 102004051391 A1 [0004]
DE 19929945 C1 [0005]
EP 1296105 A2 [0006]

Claims

Jet pump (2) for a fuel cell system (1) with hydrogen recirculation, comprising a nozzle section (4) provided for guiding and mixing hydrogen and an actuator (3) provided for adjusting a nozzle needle (13), characterized by a fluid channel (15, 16), which extends from the nozzle section (4) to the actuator (3).

jet pump after claim 1 , characterized in that the fluid channel (15) branches off from a supply channel (14) for pressurized hydrogen, which is to be mixed with recirculated hydrogen in the nozzle section (4), and is connected to an actuator interior (24).

jet pump after claim 1 , characterized in that the fluid channel (16) is designed as a coolant channel for guiding a heat transfer medium separated from the hydrogen.

Jet pump after one of Claims 1 until 3 , characterized in that the fluid channel (15, 16) has at least one section arranged concentrically around the nozzle needle (13).

Jet pump after one of Claims 1 until 4 , characterized in that the actuator (3) is designed as an electromagnetic actuator which is gearless coupled to the nozzle needle (13).

jet pump after claim 5 , characterized in that the actuator (3) has a permanent magnet (29) connected to the nozzle needle (13).

jet pump after claim 6 , characterized in that the actuator (3) is designed as a springless bistable actuator.

Jet pump after one of Claims 1 until 7 , characterized in that the actuator (3) has an actuator housing (35) which is connected in a sealed manner to the nozzle section (4) via a screw-on flange (31).

jet pump after claim 8 , characterized in that the actuator housing (35) is placed on a connection section (32) of the screw-on flange (31), with a spacer disc (30) acting as an axial stop being placed between the connection section (32) and an armature connected to the nozzle needle (13). (26) is used.

Jet pump after one of Claims 1 until 9 , characterized by a pressure sensor (12) arranged in the nozzle section (4).