DE102004049165B4

DE102004049165B4 - Kombination aus Injektor/Ejektor für Brennstoffzellensysteme und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102004049165B4
Application number: DE102004049165A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pechtold; James S. Siepierski
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2024-10-09
Also published as: US7320840B2; US20060024548A1; DE102004049165A1

Abstract

Kombiniertes Injektor/Ejektor-System (100) für ein Brennstoffzellensystem (10), wobei das System (100) umfasst:
ein Gasinjektionssystem (18);
ein Gasejektionssystem (32); und
ein Element (20) mit einem Bereich, der einen darin enthaltenen Durchgang (36) definiert, wobei das Gasinjektionssystem (18) und das Gasejektionssystem (32) in Fluidverbindung mit dem Durchgang (36) stehen, und wobei das Injektionssystem selektiv ein erstes Gas in den Durchgang (36) injiziert und einen gepulsten Strom aus dem ersten Gas bildet, und wobei ein zweites Gas in den Durchgang (36) in Reaktion auf den gepulsten Strom aus dem ersten Gas von dem Gasejektionssystem (32) gezogen wird, so dass ein gepulster Strom aus dem zweitem Gas gebildet wird.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Erfindung beansprucht den Anmeldetag der vorläufigen US-Anmeldung 60/487,997 mit dem Titel ”Combination of Injector/Ejector for Fuel Cell Systems”, die am 17. Juli 2003 eingereicht wurde.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Brennstoffzellensysteme und insbesondere ein neues und verbessertes Brennstoffzellensystem mit einem kombinierten Injektor/Ejektor-System.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die Elektrizität durch eine chemische Reaktion erzeugt. Jede Brennstoffzelle besitzt zwei Elektroden, nämlich eine positive und eine negative Elektrode, die jeweils als die Kathode und die Anode bezeichnet werden. Die Reaktionen, die Elektrizität erzeugen, finden an den Elektroden statt. Jede Brennstoffzelle besitzt auch einen Elektrolyt, der elektrisch geladene Partikel von einer Elektrode zu der anderen trägt, und einen Katalysator, der die Reaktionen an den Elektroden beschleunigt. Wasserstoff ist der grundsätzliche Brennstoff, wobei Brennstoffzellen jedoch auch Sauerstoff benötigen. Ein Vorteil von Brennstoffzellen besteht darin, dass sie Elektrizität mit sehr wenig Verschmutzung erzeugen, d. h. der größte Teil des Wasserstoffs und Sauerstoffs, die bei der Erzeugung der Elektrizität verwendet werden, werden schließlich miteinander kombiniert, um ein harmloses Nebenprodukt, nämlich Wasser zu bilden.
Allgemein umfasst der Brennstoffzellenbetrieb, dass Wasserstoffatome in eine Brennstoffzelle an der Anode eintreten, an der durch eine chemische Reaktion deren Elektronen abgespalten werden. Die Wasserstoffatome sind nun ”ionisiert” und tragen eine positive elektrische Ladung. Die negativ geladenen Elektronen sehen den Strom durch die Drähte zur Verrichtung von Arbeit vor. Wenn ein Wechselstrom (AC) benötigt wird, muss der DC-Ausgang der Brennstoffzelle durch eine Umwandlungsvorrichtung geführt werden, die als ein Wechselrichter bezeichnet wird.
Sauerstoff tritt in die Brennstoffzelle an der Kathode ein und wird bei einigen Zellentypen mit Elektronen, die von der elektrischen Schaltung zurückkehren, und Wasserstoffionen kombiniert, die von der Anode durch den Elektrolyten gewandert sind. Bei anderen Zellentypen nimmt der Sauerstoff Elektronen auf und wandert dann durch den Elektrolyten an die Anode, an der er mit Wasserstoffionen kombiniert wird. Der Elektrolyt erlaubt, dass nur die geeigneten Ionen zwischen der Anode und Kathode hindurchgelangen können. Wenn freie Elektronen oder andere Substanzen durch den Elektrolyt gelangen könnten, würden diese die chemische Reaktion unterbrechen.
Unabhängig davon, ob sich Wasserstoff und Sauerstoff an der Anode oder der Kathode vereinigen, bilden sie gemeinsam Wasser, das von der Zelle abgezogen wird. Solange eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Sauerstoff beliefert wird, erzeugt sie Elektrizität.
Bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem wird eine Mischung aus Gasen, wie beispielsweise H₂, H₂O und N₂, von dem Anodenauslass zurück an den Anodeneinlass des Brennstoffzellensystems (beispielsweise einem Stapel bzw. ”Stack” einzelner Brennstoffzellen) transportiert. Allgemein gesagt ist der Einlassseite typischerweise ein Injektor zugeordnet und der Auslassseite typischerweise ein Ejektor zugeordnet.
Bei einem Verfahren werden Injektoren und Ejektoren zur Brennstoffinjektion und Anodengasumwälzung als separate und beabstandete Komponenten aufgebaut und entwickelt, wobei die beiden aufgrund eines Leitungs- bzw. Rohrsystems miteinander in Fluidverbindung stehen. Die Umwälzantriebskraft wird von der Druckenergie des Brennstoffzellentanks genommen und geregelt, um eine Anodenumwälzlast nachzuführen und zu bewegen. Eine Anodenumwälzlast kommt durch Stickstoff (von der Kathodenseite übertragen) und durch Wasser (Reaktionsprodukt) zustande. Stickstoff muss von dem Kreislauf durch Entlüftung entfernt werden. Da dieses Verfahren den Wasserstoffdruck ausschließlich mit der Stickstoffbeladung nachführt, steigt eine Wasserstoffentlüftung mit der Stickstoffentlüftung. Eine verringerte Brennstoffnutzung stellt daher einen Hauptnachteil dieses Ejektor-Umwälzverfahrens dar, bei dem Stickstoff in dem Anodengas vorhanden ist.
Bei einem anderen Verfahren, das eine Alternative zu dem oben beschriebenen Ejektorverfahren darstellt, kann eine Pumpvorrichtung verwendet werden, um die jeweiligen Gase zurück in den Einlass des Brennstoffzellensystems zu liefern. Dieses Verfahren hat den Nutzungs vorteil, dass der Wasserstoffdruck nur die Brennstoffanforderung für die Motorleistung erfüllen muss. Jedoch steigt die Pumpleistung mit der Umwälzlast, wodurch der Gesamtenergiewirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verringert wird.
Ferner werden in den Druckschriften US 7,105,243 B2 , US 5,441,821 A und DE 102 51 878 A1 Injektor/Ejektor-Systeme zur Rückfuhr von nicht verbrauchtem Anodenabgas beschrieben, die durch einen kontinuierlichen Frischwasserstoffstrom das unverbrauchte Anodenabgas vom Anodenauslass abziehen.
Es besteht ein Bedarf nach einem neuen und verbesserten Umwälzsystem für Anodengas von Brennstoffzellen, wobei der Injektor und der Ejektor derart ausgebildet sind, dass sowohl der Gesamtbetrieb als auch der Energiewirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert wird. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, den Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems zu verbessern.
Diese Aufgabe wird mit einem kombinierten Injektor/Ejektor-System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Brennstoffzellensysteme mit den Merkmalen der Ansprüche 17 oder 23 gelöst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein neues und verbessertes Brennstoffzellensystem vorgesehen. Genauer ist ein neues und verbessertes Injektor/Ejektor-System für das Brennstoffzellensystem vorgesehen. Der Injektor und der Ejektor sind gemeinsam in ein System in Zusammenarbeit mit Instrumenten und Steuerun gen, einem oder mehreren optionalen Adaptern, Kopplungen, Dichtungen und anderen geeigneten Komponenten kombiniert.
Bei einem nicht beschränkenden Beispiel kann der Injektor und Ejektor mit verschiedenen Öffnungen oder Bohrungen einer Kopplung gekoppelt sein, die einen gemeinsamen Durchgang besitzt. Ein unter Druck gesetztes Gas, wie beispielsweise Wasserstoff, kann dann in einer selektiv gesteuerten gepulsten Art und Weise durch den Injektor in den gemeinsamen Durchgang der Kopplung eingeführt werden. Der Injektor ist oberstromig der Einlassseite des Brennstoffzellensystems angeordnet. Ein oder mehrere Gase von der Auslassseite des Brennstoffzellensystems werden von dem Ejektor geführt, der in Verbindung mit dem gemeinsa men Durchgang steht, und werden dann durch die Wirkung der gepulsten Injektion des Gases durch den Injektor in den gemeinsamen Durchgang gezogen. Diese Gase mischen sich dann in dem gemeinsamen Durchgang in der Nähe des Ejektors und werden anschließend durch die Wirkung des durch den Injektor ausgeübten Drucks in das Brennstoffzellensystem eingeführt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Injektor/Ejektor-System eine Steuereinheit für den Wasserstofflieferdruck, um den Druck der Wasserstofflieferung von einem unter Druck stehenden Tank an den Injektor in dem Injektor/Ejektor-System zu steuern. Die Dichte wie auch die Konsistenz des Anodenabgases von dem Brennstoffzellensystem wird durch einen geeigneten Sensor erfasst, und der Druck des Wasserstoffs, der auf den Injektor aufgebracht wird, wird gemäß der Drucksteuereinheit erhöht oder verringert, so dass die Anodenlieferströmung das Abgas durch den Anodenaustragsauslass effektiv abzieht. Bei dieser Ausführungsform ist eine Stift- bzw. Nadellochöffnung benachbart des unter Druck stehenden Tankes vorgesehen, so dass, wenn die Hochdruckleitung zwischen dem Tank und der Drucksteuereinheit unterbrochen ist, eine minimale Menge an Wasserstoff von dem Tank entweichen kann, bevor das Leck erfasst und der Regler abgeschaltet werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein kombiniertes Injektor/Ejektor-System für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit: (1) einem Gasinjektionssystem; (2) einem Gasejektionssystem; und (3) einem Element mit einem Bereich, der einen darin enthaltenen Durchgang definiert, wobei das Gasinjektionssystem und das Gasejektionssystem in Fluidverbindung mit dem Durchgang stehen, und wobei das Injektionssystem dazu dient, selektiv ein erstes Gas in den Durchgang zu injizieren, um einen gepulsten Strom aus erstem Gas zu bilden, und wobei ein zweites Gas in den Durchgang in Reaktion auf den gepulsten Strom aus erstem Gas gezogen wird, um einen gepulsten Strom aus zweitem Gas zu bilden.
Gemäß einer ersten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein kombiniertes Injektor/Ejektor-System für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit: (1) einer Quelle für ein erstes Gas; (2) einem Injektionssystem in Fluidverbindung mit der Quelle für das erste Gas; (3) einer Quelle für ein zweites Gas; (4) einem Ejektionssystem in Fluidverbindung mit der Quelle für das zweite Gas; und (5) einem Element mit einem Bereich, der einen darin enthaltenen Durchgang definiert, wobei das Injektionssystem und das Ejektionssystem in Fluidverbindung mit dem Durchgang stehen; wobei das Injektionssystem selektiv das erste Gas in den Durchgang injiziert, um einen gepulsten Strom aus erstem Gas zu bilden; wobei das zweite Gas in den Durchgang in Reaktion auf den gepulsten Strom aus erstem Gas gezogen wird, um einen gepulsten Strom aus zweitem Gas zu bilden; wobei der gepulste Strom aus erstem Gas und der gepulste Strom aus zweitem Gas miteinander kombiniert werden, um eine Gasmischung zu bilden.
Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein kombiniertes Injektor/Ejektor-System für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, mit: (1) einer unter Druck stehenden Quelle für ein erstes Gas; (2) einem Injektionssystem in Fluidverbindung mit der unter Druck stehenden Quelle für das erste Gas; (3) einer Quelle für ein zweites Gas; (4) einem Ejektionssystem in Fluidverbindung mit der Quelle für das zweite Gas; und (5) einem Element mit einem Bereich, der eine erste Bohrung definiert, einem Bereich, der eine zweite Bohrung definiert, und einem Bereich, der einen darin enthaltenen Durchgang definiert, wobei der Durchgang in Fluidverbindung mit der ersten Bohrung und der zweiten Bohrung steht, das Injektionssystem und das Ejektionssystem in Fluidverbindung mit dem Durchgang stehen, das Injektionssystem in physischer Kooperation mit der ersten Bohrung steht und das Ejektionssystem in physischer Kooperation mit der zweiten Bohrung steht; wobei das Injektionssystem selektiv das erste Gas in den Durchgang injiziert, um einen gepulsten Strom aus erstem Gas zu bilden; wobei das zweite Gas in den Durchgang in Reaktion auf den gepulsten Strom aus erstem Gas gezogen wird, um einen gepulsten Strom aus zweitem Gas zu bilden; wobei der gepulste Strom aus erstem Gas und der gepulste Strom aus zweitem Gas miteinander kombiniert werden, um eine Gasmischung zu bilden.
Gemäß einer dritten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, das umfasst: (1) zumindest eine Brennstoffzelle mit einem Einlass und einem Auslass; (2) eine Quelle für ein erstes Gas; (3) ein Injektionssystem in Fluidverbindung mit der Quelle für das erste Gas und dem Einlass der Brennstoffzelle; (4) eine Quelle für ein zweites Gas; (5) ein Ejektionssystem in Fluidverbindung mit der Quelle für das zweite Gas und dem Auslass der Brennstoffzelle; und (6) ein Element mit einem Bereich, der einen darin enthaltenen Durchgang definiert, wobei das Injektionssystem und das Ejektionssystem in Fluidverbindung mit dem Durchgang stehen; wobei das Injektionssystem selektiv das erste Gas in den Durchgang injiziert, um einen gepulsten Strom aus erstem Gas zu bilden; wobei das zweite Gas in den Durchgang in Reaktion auf den gepulsten Strom aus erstem Gas gezogen wird, um einen gepulsten Strom aus zweitem Gas zu bilden; wobei der gepulste Strom aus erstem Gas und der gepulste Strom aus zweitem Gas miteinander kombiniert werden, um eine Gasmischung zu bilden; wobei die Gasmischung in den Einlass der zumindest einen Brennstoffzelle eingeführt wird.
Gemäß einer vierten alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass umfasst: (1) zumindest eine Brennstoffzelle mit einem Einlass und einem Auslass; (2) eine unter Druck stehende Quelle für ein erstes Gas; (3) ein Injektionssystem in Fluidverbindung mit der unter Druck stehenden Quelle für das erste Gas und dem Einlass der Brennstoffzelle; (4) eine Quelle für ein zweites Gas; (5) ein Ejektionssystem in Fluidverbindung mit der Quelle für das zweite Gas und dem Auslass der Brennstoffzelle; und (6) ein Element mit einem Bereich, der eine erste Bohrung definiert, einem Bereich, der eine zweite Bohrung definiert, und einem Bereich, der einen darin enthaltenen Durchgang definiert, wobei der Durchgang in Fluidverbindung mit der ersten Bohrung und der zweiten Bohrung steht, das Injektionssystem und das Ejektionssystem in Fluidverbindung mit dem Durchgang stehen, das Injektionssystem in physischer Kooperation mit der ersten Bohrung steht und das Ejektionssystem in physischer Kooperation mit der zweiten Bohrung steht, wobei das Injektionssystem selektiv das erste Gas in den Durchgang injiziert, um einen gepulsten Strom aus erstem Gas zu bilden, wobei das zweite Gas in den Durchgang in Reaktion auf den gepulsten Strom aus erstem Gas gezogen wird, um einen gepulsten Strom aus zweitem Gas zu bilden; wobei der gepulste Strom aus erstem Gas und der gepulste Strom aus zweitem Gas miteinander kombiniert werden, um eine Gasmischung zu bilden; wobei die Gasmischung in den Einlass der zumindest einen Brennstoffzelle eingeführt wird.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie bestimmte Ausführungsformen der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung ist nachfolgend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Schnittdarstellung eines kombinierten Injektor/Ejektor-Systems für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
3A eine Schnittdarstellung des kombinierten Injektor/Ejektor-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem ein gepulster Strom aus erstem Gas von dem Injektor in einen Durchgang, der das Injektor- und Ejektorsystem verbindet, injiziert wird;
3B eine Schnittdarstellung des kombinierten Injektor/Ejektor-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem ein gepulster Strom aus zweitem Gas in den Durchgang, der das Injektor- und Ejektorsystem verbindet, in Reaktion auf den gepulsten Strom aus erstem Gas gezogen wird;
3C eine Schnittdarstellung des kombinierten Injektor/Ejektor-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem die gepulsten Ströme des ersten und zweiten Gases miteinander kombiniert werden und sich in dem Durchgang mischen, der das Injektor- und Ejektorsystem verbindet;
3D ein Schnittdarstellung des kombinierten Injektor/Ejektor-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem die kombinierten gepulsten Ströme des ersten und zweiten Gases weiter entlang des Durchganges, der das Injektor- und Ejektorsystem verbindet, in Richtung des Einlasses des Brennstoffzellensystems vorgetrieben werden;
3E eine Schnittdarstellung des kombinierten Injektor/Ejektor-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem ein zweiter gepulster Strom aus erstem Gas von dem Injektor in den Durchgang injiziert wird, der das Injektor- und Ejektorsystem verbindet;
3F eine Schnittdarstellung des kombinierten Injektor/Ejektor-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem ein zweiter gepulster Strom aus zweitem Gas in den Durchgang, der das Injektor- und Ejektorsystem verbindet, in Reaktion auf den zweiten gepulsten Strom aus erstem Gas gezogen wird;
3G eine Schnittdarstellung des kombinierten Injektor/Ejektor-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem der zweite gepulste Strom aus erstem Gas und der zweite gepulste Strom aus zweitem Gas miteinander kombiniert werden und sich in dem Durchgang mischen, der das Injektor- und Ejektorsystem verbindet;
3H eine Schnittdarstellung des kombinierten Injektor/Ejektor-Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, bei dem die kombinierten zweiten gepulsten Ströme des ersten Gasstroms und des zweiten Gasstromes weiter entlang des Durchgangs in Richtung des Einlasses des Brennstoffzellensystems getrieben werden;
4 eine graphische Darstellung einer vergleichenden Untersuchung des Ejektorwirkungsgrades zwischen einem herkömmlichen Brennstoffzellenejektor und dem kombinierten Injektor/Ejektor-System der vorliegenden Erfindung ist; und
5 eine Draufsicht mit einem geschnittenen Abschnitt eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, das ein Injektor/Ejektor-System und eine Lieferdrucksteuereinheit umfasst; und
6 ein Schaubild ist, bei dem die Stickstofflastdurchflussrate an der horizontalen Achse und die erforderliche Betriebsart des Wasserstofflieferdrucks an der vertikalen Achse aufgetragen ist und das den Wasserstofflieferdruck zeigt, der benötigt wird, um den Anodenaustrag für eine bestimmte Stickstofflastdurchflussrate abzuziehen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die auf ein Injektor/Ejektor-System für eine Brenn stoffzelle gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
In den 1 und 2 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung wie auch eine Schnittdarstellung eines kombinierten Injektor/Ejektor-Systems 100 zur Verwendung in Verbindung mit dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 12 und allgemein eine Vielzahl von Brennstoffzellen, die als ein Stapel bzw. ”Stack” bezeichnet werden. Eine erste Gasquelle 14, wie beispielsweise ein unter Druck stehender H₂-Tank an einem Fahrzeug, ist zur Speicherung eines unter Druck stehenden Gases vorgesehen, wie beispielsweise Wasserstoff (H₂). Eine optionale Leitung 16 ist in Fluidverbindung mit der ersten Gasquelle 14 vorgesehen.
Ein Injektorsystem 18 ist zur Regulierung des Durchflusses des ersten Gases vorgesehen, wobei das Injektorsystem 18 mit der ersten Gasquelle 14 und/oder der optionalen Leitung 16 in Fluidverbindung steht. Das Injektorsystem 18 umfasst eine konzentrische Durchgangsbohrung 18A, die darin ausgebildet ist, um einen Fluiddurchfluss durch diese hindurch zuzulassen. Ein Kopplungselement 20 ist in physischer Kooperation mit zumindest einem Anteil einer Fläche des Injektorsystems 18 vorgesehen. Das Kopplungselement 20 umfasst zumindest einen Bereich, der eine Bohrung definiert. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Kopplungselement 20 drei Bohrungen 22, 24 und 26. Das Injektorsystem 18 steht in physischer Kooperation mit zumindest einer der Bohrungen 22, 24 oder 26 und insbesondere der Bohrung 22.
Eine zweite Gasquelle 28 ist vorgesehen, um ein zweites Gas, wie beispielsweise Wasserstoff (H₂), Stickstoff (N₂), Wasserdampf (H₂O) und deren Kombinationen zu speichern oder anderweitig zu halten. Bei einer Ausführungsform sieht die zweite Gasquelle 28 das Abgas von dem Anodenauslass der Brennstoffzelle 12 vor. Das zweite Gas braucht nicht unter Druck zu stehen. Eine optionale Leitung 30 ist in Fluidverbindung mit der zweiten Gasquelle 28 vorgesehen.
Ein Ejektorsystem 32 ist vorgesehen, um das zweite Gas von einem Brennstoffzellenauslass 34 in das Kopplungselement 20 auszutragen. Das Ejektorsystem 32 umfasst eine konzentrische Durchgangsbohrung 32A, die darin ausgebildet ist, um einen Fluiddurchfluss durch diese hindurch zuzulassen. Das Ejektorsystem 32 steht in physischer Kooperation mit zumindest einem Anteil einer Fläche des Kopplungselementes 20. Das Ejektorsystem 32 steht bevorzugt in physischer Kooperation mit zumindest einer der Bohrungen 22, 24 oder 26 und insbesondere der Bohrung 24.
Ein Durchgang 36 ist in dem Kopplungselement 20 ausgebildet, wobei der Durchgang 36 in Fluidverbindung mit zumindest einer der Bohrungen 22, 24 oder 26 und insbesondere allen drei Bohrungen 22, 24 und 26 steht.
Eine optionale Leitung 38 ist vorgesehen, um jegliche Gase in oder in der Nähe des Durchganges 36 zurück an einen Anodeneinlass 40 der Brennstoffzelle 12 zu befördern. Die optionale Leitung 38 steht in physischer Kooperation mit zumindest einer der Bohrungen 22, 24 oder 26 und insbesondere mit der Bohrung 26.
Das kombinierte Injektor/Ejektor-System 100 umfasst das Injektorsystem 18, das Kopplungselement 20 und das Ejektorsystem 32. Es sei jedoch angemerkt, dass auch andere optionale Komponenten (beispielsweise Dichtungen, Leitungen, Rohre, Ventile und dergleichen), einschließlich denjenigen, die oben beschrieben wurden, in das Injektor/Ejektor-System 100 integriert sein können. Ferner sei angemerkt, dass, obwohl das Injektorsystem 18, das Kopplungselement 20 und das Ejektorsystem 32 als separate und diskrete Komponenten gezeigt sind, zwei oder mehr dieser Komponenten einteilig ausgebildet werden können, so dass beispielsweise der Bedarf nach dem Kopplungselement 20 vermieden werden kann. Beispielsweise könnte ein einheitliches Element (beispielsweise aus Kunststoffmaterialien) geformt oder (beispielsweise aus Metallmaterialien) gegossen werden, um ein Element zu bilden, das die Funktion des Injektorsystems 18 und des Ejektorsystems 32 vorsieht, während die erforderlichen Leitungen, Bohrungen und/oder Durchgänge vorgesehen werden, um einen Fluiddurchfluss durch das einheitliche Element zu ermöglichen.
Ungeachtet der tatsächlichen Ausgestaltung des Injektor/Ejektor-Systems 100 sei angemerkt, dass das Injektor/Ejektor-System 100 kompakter als herkömmliche Brennstoffsysteminjektoren und -ejektoren ausgebildet ist. Zusätzlich sei angemerkt, dass die Anforderung nach Leitungen und Rohren zwischen dem Injektorsystem 18 und dem Ejektorsystem 32 aufgrund der Konstruktion des Injektor/Ejektor-Systems 100 wesentlich verringert ist.
Die H₂-Versorgung für das Brennstoffzellensystem 10 ist typischerweise unter relativ hohem Druck gespeichert und wird selektiv in das Brennstoffzellensystem 10 durch die Wirkung des Injektorsystems 18 injiziert. Die H₂-Versorgung wird durch eine Regelvorrichtung (beispielsweise ein Ventil) geregelt, wie beispielsweise einen Digitalinjektor, der in der Technik bekannt ist. Die Regelvorrichtung kann in das Injektorsystem 18 integriert sein oder kann aus einer separaten Komponente bestehen.
Das Ventil pendelt zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung. Es wechselt zwischen diesen Stellungen relativ schnell, gewöhnlich, jedoch nicht unbedingt nötig, typischerweise konstant zwischen 10 und 60 Hz. Die Dauer der offenen Stellung ist variabel. Die Einschaltdauer, d. h. die Zeitbeziehung zwischen der offenen und geschlossenen Stellung, ist proportional zu der Durchflussrate. Der Druck pulsiert notwendigerweise. Solange jedoch der Druck von dem Injektorsystem 18 weit genug entfernt gemessen wird, können die Pulsierungen nicht mehr gemessen werden.
Somit ist Energie in der Form von Druck von der H₂-Versorgung verfügbar. Gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung wird diese Energie in der Form von Druck bevorzugt dazu verwendet, die Gase von dem Auslass 34 und/oder dem Ejektorsystem 32 zurück in das Injektorsystem 18 und/oder das Kopplungselement 20 und schließlich zurück in den Einlass 40 zu pumpen, zu treiben oder anderweitig zu liefern. Auf diese Art und Weise ist der Bedarf nach einer separaten Pumpvorrichtung für das Ejektorsystem 32 und irgendwelcher zugeordneter Leitungen beseitigt oder zumindest verringert, wodurch der Energieeingang in das Brennstoffzellensystem 10 gespart wird, was daher den Gesamtenergiewirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 10 erhöht.
Der beabsichtigte Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und insbesondere des Injektor/Ejektor-Systems 100 wird unter Bezugnahme auf die 3A–3H erläutert.
In 3A ist eine bruchstückhafte Schnittdarstellung des Injektor/Ejektor-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der ein gepulster (d. h. nicht kontinuierlicher) Strom aus einem ersten Gas (beispielsweise Wasserstoff) FG von der ersten Gasquelle 14 in den oberen Abschnitt 36A des Durchgangs 36 durch die Wirkung des Injektorsystems 18 injiziert wird. Der gepulste Strom aus erstem Gas kann zwischen 0% Durchfluss und 100% Durchfluss pendeln.
In 3B ist eine bruchstückhafte Schnittdarstellung des Injektor/Ejektor-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der ein gepulster (d. h. nicht kontinuierlicher) Strom aus einem zweiten Gas SG in den oberen Abschnitt 36B des Durchganges 36 in Reaktion auf den gepulsten Strom aus erstem Gas FG gezogen oder anderweitig bewegt wird.
In 3C ist eine bruchstückhafte Schnittdarstellung des Injektor/Ejektor-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der der gepulste Strom aus erstem Gas FG und der gepulste Strom aus zweitem Gas SG miteinander kombiniert werden und sich bevorzugt, obwohl dies nicht notwendig ist, in der Nähe des oberen Abschnittes 36C des Durchganges 36 mischen. Somit werden der gepulste Strom aus erstem Gas FG und der gepulste Strom aus zweitem Gas SG in Kontakt miteinander gebracht und können sich in der Nähe des Bereiches des Ejektorsystems 32 und/oder der oberen Abschnitte 36A, 36B und/oder 36C des Durchganges 36 mischen. Ohne an eine bestimmte Theorie hinsichtlich des Betriebs der vorliegenden Erfindung gebunden zu sein, mischen und/oder vereinigen sich die jeweiligen Gasströme vor einem Einführen in das Brennstoffzellensystem 10.
In 3D ist eine bruchstückhafte Schnittdarstellung des Injektor/Ejektor-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der der kombinierte gepulste Strom aus dem ersten Gasstrom FG und dem zweiten Gasstrom SG weiter entlang des Durchganges 36 in Richtung des Einlasses 40 des Brennstoffzellensystems 10 getrieben wird.
In 3E ist eine bruchstückhafte Schnittdarstellung des Injektor/Ejektor-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der ein zweiter gepulster (d. h. nicht kontinuierlicher) Strom aus einem ersten Gas (beispielsweise Wasserstoff) SFG von der ersten Gasquelle 14 in den oberen Abschnitt 36A des Durchganges 36 durch die Wirkung des Injektorsystem 18 injiziert wird. Wiederum kann der gepulste Strom aus zweitem Gas zwischen 0% Durchfluss und 100% Durchfluss pendeln.
In 3F ist eine bruchstückhafte Schnittdarstellung des Injektor/Ejektor-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der ein zweiter gepulster (d. h. nicht kontinuierlicher) Strom aus zweitem Gas SSG in den oberen Abschnitt 36B des Durchganges 36 in Reaktion auf den zweiten gepulsten Strom aus erstem Gas SFG gezogen oder anderweitig bewegt wird.
In 3G ist eine bruchstückhafte Schnittdarstellung des Injektor/Ejektor-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der der zweite gepulste Strom aus erstem Gas SFG und der zweite gepulste Strom aus zweitem Gas SSG in dem oberen Abschnitt 36C des Durchganges 36 kombiniert und gemischt werden. Somit werden der gepulste Strom aus erstem Gas SFG und der gepulste Strom aus zweitem Gas SSG in Kontakt gebracht und können sich in der Nähe des Bereiches des Ejektorsystems 32 und/oder der oberen Abschnitte 36A, 36B und/oder 36C des Durchganges 36 mischen. Ohne an eine bestimmte Theorie hinsichtlich des Betriebs der vorliegenden Erfindung gebunden zu sein, ist es bevorzugt, dass sich die jeweiligen Gasströme vor einem Einführen in das Brennstoffzellensystem 10 mischen und/oder vereinigen.
In 3H ist eine schematische Darstellung des Injektor/Ejektor-Systems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der die kombinierten zweiten gepulsten Ströme aus dem ersten Gasstrom SFG und dem zweiten Gasstrom SSG weiter entlang des Durchganges 36 in Richtung des Einlasses 40 des Brennstoffzellensystems 10 getrieben werden.
In der Praxis wird diese Vorgehensweise selektiv und sequentiell als ein Mittel zum Transport oder zur anderweitigen Beförderung des zweiten Gasstromes von dem Ejektorsystem 32 in den Durchgang 36 wiederholt. Ohne an eine bestimmte Theorie hinsichtlich des Betriebs der vorliegenden Erfindung gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass die Druckenergie der gepulsten Einführung des ersten Gasstromes in den Durchgang 36 ausreichend ist, um einen Pumpmechanismus zu betätigen, der den zweiten Gasstrom von dem Ejektorsystem 32 in den Durchgang 36 zieht oder anderweitig bewegt.
In 4 ist eine Darstellung eines Vergleichtests des Ejektorwirkungsgrades zwischen einem herkömmlichen Brennstoffzellenejektor und dem kombinierten Injektor/Ejektor-System 100 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Aus dieser Ansicht wird deutlich, dass die Verfahrensweise wie auch die Vorrichtung des Injektor/Ejektor-Systems 100 der vorliegenden Erfindung erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Ejektorsystemen vorsieht, wenn der Prozentsatz des Pumpgasdurchflusses und seine Beziehung zu dem Prozentsatz des eingesaugten Gasdurchflusses verglichen wird.
Daher besteht ein erster Vorteil des gepulsten Pumpens des ersten Gasstromes in Verbindung mit dem Injektor/Ejektor-System 100 der vorliegenden Erfindung darin, dass es effizienter als ein herkömmlicher Ejektor ist, der bei einem geregelten Druck kontinuierlich betrieben wird. Somit besitzt ein herkömmlicher Ejektor einen Prozentsatz des eingesaugten Gasdurchflusses grob gleich dem Quadrat des Prozentsatzes des Antriebsgasflusses. Umgekehrt besitzt das Injektor/Ejektor-System 100 unter Verwendung eines gepulsten Gasdurchflusses einen Prozentsatz des eingesaugten Gasdurchflusses grob gleich 100% des Prozentsatzes des Antriebsgasdurchflusses multipliziert mit dem Prozentsatz des Pumpgasdurchflusses.
Demgemäß wird ein Teillastwirkungsgrad mit der vorliegenden Erfindung verbessert. Ein Ejektor kann nur in einem Betriebspunkt optimal arbeiten. Wenn daher der Druck des Antriebsgases verringert wird, bricht die Pumpwirkung schnell zusammen, da die Beziehung zwischen dem Antriebsdurchfluss und dem gepumpten Durchfluss nicht linear ist, wie in 4 gezeigt ist (beispielsweise erzeugt eine Halbierung der Wasserstoffgasdurchflussrate weniger als die Hälfte der Pumprate). Jedoch hat gemäß den allgemeinen Lehren der vorliegenden Erfindung die Ausbildung des Injektors, so dass dieser einen pulsierenden Gasstrom in der Nähe seines Auslasses erzeugt, an dem der Ejektor angeordnet ist, eine höhere Gaspumprate zur Folge, als wenn derselbe Wasserstoffgasdurchfluss kontinuierlich wäre, wie bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen.
Wie oben beschrieben ist, zieht der Durchfluss des Wasserstoffs von der Quelle 14 über die Öffnung der Bohrung 32A zu dem Durchgang 36 die Stickstoff-, Wasserstoff- und Wasserdampfmischung von dem Anodenaustrag durch die Bohrung 32A in den Durchgang 36, an dem sie mit dem Lieferwasserstoff gemischt wird. Die Einschaltdauer oder die Impulsrate des Injektorsystems 18 bestimmt abhängig von der Lastanforderung, wie viel Wasserstoff an dem Anodeneingang der Brennstoffzelle 12 vorgesehen wird. Jedoch ist der Druck des durch die Quelle 14 vorgesehenen Wasserstoffs ungeachtet der Impulsrate des Injektorsystems 18 konstant. Daher existiert eine Grenze, wie viel Antriebskraft der Wasserstoffdurchfluss von dem Injektorsystem 18 vorsehen kann, um die Mischung aus Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf durch die Bohrung 32A zu ziehen. Insbesondere da Wasserstoff ein sehr dünnes Gas ist, kann die Dichte des Wasserstoffliefergases erheblich unterhalb der Dichte der Gasmischung in dem Anodenabgas liegen, wodurch die Fähigkeit des Wasserstoffdurchflusses verringert oder beseitigt wird, das Anodenabgas durch die Bohrung 32A zu ziehen. Somit kann zu bestimmten Zeiten während des Systembetriebs das Anodenabgas mit höherer Dichte in der Bohrung 32A verhindern, dass der Wasserstoff von dem Ejektorsystem 18 das Anodenabgas von der Brennstoffzelle 12 effektiv abzieht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Druck des Wasserstoffgases, das auf das Injektorsystem 18 aufgebracht wird, abhängig von dem Druck und der Zusammensetzung des Anodenabgases so gesteuert, dass der Druck des Wasserstoffs gesteigert werden kann, um seine Dichte zu steigern, wodurch das Anodenabgas durch die Bohrung 32A effektiv abgezogen wird.
5 ist eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 50, das das oben beschriebene Injektor/Ejektor-System 100 umfasst. Bei dieser Ausführungsform wird Wasserstoffliefergas in einem Wasserstofftank 52 gespeichert, wie beispielsweise einem GH2-Wasserstofftank an einem Fahrzeug. Wenn der Tank 52 voll oder nahezu voll ist, kann der Druck darin 600 bar oder mehr betragen. Die vorliegende Erfindung schlägt die Verwendung dieses Druckes vor, um den Druck des an das Injektor/Ejektor-System 100 gelieferten Wasserstoffgases zu erhöhen und damit das Anodenabgas besser durch die Bohrung 32A ziehen zu können. Ein Druckregler 54 ist an dem Auslass des Tanks 52 vorgesehen, um den Druck des von dem Tank 52 ausgestoßenen und an ein Rohr 58 mit einem relativ hohen Druck, wie beispielsweise 20 bar, gelieferten Wasserstoffs zu verringern. Bei den bekannten Brennstoffzellensystemen wurde der Wasserstofflieferdruck durch den Druckregler 54 auf einen merklich niedrigen Druck, etwa 2 bar, verringert, wodurch wertvolle Energie in dem komprimierten Gas verschwendet wurde. Es ist eine den Durchfluss begrenzende Stiftlochöffnung 56, wie beispielsweise eine Lochscheibe, neben dem Druckregler 54 in dem Rohr 58 als ein Sicherheitsmechanismus vorgesehen, um zu verhindern, dass ein größerer Anteil an Wasserstoff von dem Tank 52 in dem Falle entweichen kann, wenn das Rohr 58 reißt, bevor das Leck erfasst und der Regler 54 abgeschaltet werden kann. Daher kann kein größerer Anteil von brennbarem Wasserstoff in den Motorraum des Fahrzeugs eintreten, bevor das Wasserstoffleck erfasst wird.
Der unter hohem Druck befindliche Wasserstoff, der durch das Rohr 58 strömt, wird an eine Drucksteuereinheit 60 geliefert. Die Drucksteuereinheit 60 ist eine bekannte Steuereinheit für variablen Druck, die den Wasserstofflieferdruck selektiv einstellt, bevor er an das Injektorsystem 18 geliefert wird. Ein Sensor 62 ist in der Bohrung 32A oder einem anderen geeigneten Ort in der Anodenabgasleitung positioniert, um die Dichte des Anodenabgases zu erfassen und die Bestandteile darin zu erfassen. Der Sensor 62 liefert ein Signal an eine Systemsteuereinheit 64, das die Dichte des Anodenabgases und die Menge an Wasserdampf und Stickstoff darin angibt. Auf Grundlage eines vorbestimmten Algorithmus steuert die Systemsteuereinheit 64 die Drucksteuereinheit 60 so, dass die richtige Menge an Wasserstoffdruck von dem Tank 52 in den Durchgang 36 geliefert wird, um das Anodenabgas effektiv durch die Bohrung 32A zu ziehen. Insbesondere wenn die Dichte des Anodenabgases steigt oder sinkt, erhöht oder verringert die Drucksteuereinheit 60 den Lieferdruck entsprechend, so dass der richtige Druck über die Bohrung 32A angelegt wird, um das Anodenabgas effektiv abzuziehen.
Die Systemsteuereinheit 64 steuert abhängig von der gegenwärtigen Lastanforderung auch die Einschaltdauer des Injektors 18, um die richtige Menge an Wasserstoff an die Brennstoffzelle 12 liefern zu können. Mit anderen Worten kann, wenn der Druck durch die Drucksteuereinheit 60 erhöht wird, da die Dichte des Abgases ansteigt, dann die Systemsteuereinheit 64 die Einschaltdauer des Injektorsystems 18 für dieselbe Lastanforderung verringern.
Daher besteht ein zweiter Vorteil des gepulsten Pumpens des ersten Stromes in Verbindung mit dem Injektor/Ejektor-System 100 der vorliegenden Erfindung in einer verbesserten Brennstoffnutzung. Stickstoff wird von dem Umwälzkreislauf durch Entlüftung in die Atmosphäre entfernt. Da eine derartige Entlüftung nicht selektiv erfolgt, wird auch überschüssiger Wasserstoffbrennstoff mit dem Stickstoff entlüftet. Dieses Verfahren erfordert keinen überschüssigen Wasserstoffmassendurchfluss, um die erhöhte Stickstoffbeladung umwälzen zu können.
Stickstoff stellt das vorherrschende Material in dem Anodenabgas dar, das dessen Dichte beeinflusst. 6 ist ein Schaubild mit einer Stickstofflastdurchflussrate an der horizontalen Achse und einem erforderlichen Antriebswasserstofflieferdruck an der vertikalen Achse, die den erforderlichen Lieferdruck für eine bestimmte Stickstoffdurchflussrate zeigt, um die richtige Drucksteuerung durch die Steuereinheit 60 vorsehen zu können.
Die Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung abweichen, als innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung anzusehen. Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Kombiniertes Injektor/Ejektor-System (100) für ein Brennstoffzellensystem (10), wobei das System (100) umfasst: ein Gasinjektionssystem (18); ein Gasejektionssystem (32); und ein Element (20) mit einem Bereich, der einen darin enthaltenen Durchgang (36) definiert, wobei das Gasinjektionssystem (18) und das Gasejektionssystem (32) in Fluidverbindung mit dem Durchgang (36) stehen, und wobei das Injektionssystem selektiv ein erstes Gas in den Durchgang (36) injiziert und einen gepulsten Strom aus dem ersten Gas bildet, und wobei ein zweites Gas in den Durchgang (36) in Reaktion auf den gepulsten Strom aus dem ersten Gas von dem Gasejektionssystem (32) gezogen wird, so dass ein gepulster Strom aus dem zweitem Gas gebildet wird.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 1, wobei das erste Gas unter Druck steht.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 1, wobei das erste Gas Wasserstoff ist.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 1, wobei das zweite Gas aus der Gruppe gewählt ist, die Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf und deren Kombinationen umfasst.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 1, wobei der gepulste Strom aus erstem Gas und der gepulste Strom aus zweitem Gas miteinander kombiniert werden, um eine Gasmischung zu bilden.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 5, ferner mit zumindest einer Brennstoffzelle (12), die einen Anodeneinlass (40) und einen Anodenauslass (34) umfasst.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 6, wobei das Gasinjektionssystem (18) in Fluidverbindung mit dem Einlass (40) der zumindest einen Brennstoffzelle (12) steht.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 6, wobei das Gasejektionssystem (32) in Fluidverbindung mit dem Auslass (34) der zumindest einen Brennstoffzelle (12) steht.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 6, wobei die Gasmischung in den Einlass (40) der zumindest einen Brennstoffzelle (12) eingeführt wird.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 1, wobei das Element (20) einen Bereich, der eine erste Bohrung (22) definiert, und einen Bereich umfasst, der eine zweite Bohrung (24) definiert, wobei der Durchgang (36) in Fluidverbindung mit der ersten Bohrung (22) und der zweiten Bohrung (24) steht.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 10, wobei das Injektionssystem (18) in physischer Kooperation mit der ersten Bohrung (22) steht.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 10, wobei das Ejektionssystem (32) in physischer Kooperation mit der zweiten Bohrung (24) steht.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 1, ferner mit einer Drucksteuereinheit (60), wobei die Drucksteuereinheit (60) den Druck des ersten Gases, das auf das Gasinjektionssystem (32) aufgebracht wird, steuert.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 13, ferner mit einem Sensor (62), der so positioniert ist, dass er die Dichte des zweiten Gases erfasst, wobei die Drucksteuereinheit (60) den Druck des ersten Gases auf Grundlage der Dichte des zweiten Gases steuert.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 13, ferner mit einem unter Druck stehenden Tank (52) zum Speichern des ersten Gases, wobei das unter Druck stehende erste Gas von dem Tank (52) an die Drucksteuereinheit (60) durch ein Rohr (58) geliefert wird.
Injektor/Ejektor-System nach Anspruch 14, ferner mit einer Stiftlochöffnung (56), die in dem Rohr (58) zwischen dem unter Druck stehenden Tank (52) und der Drucksteuereinheit (60) positioniert ist.
Brennstoffzellensystem (10) mit: zumindest einer Brennstoffzelle (12), die einen Anodeneinlass (40) und einen Anodenauslass (34) umfasst; einer Quelle (14) für Wasserstoffgas, um Wasserstoff an den Anodeneinlass (40) zu liefern; einem Injektionssystem (18) in Fluidverbindung mit der Quelle (14) für Wasserstoffgas und dem Einlass (40) der Brennstoffzelle (12); einem Ejektionssystem (32) in Fluidverbindung mit dem Anodenauslass (34) der Brennstoffzelle (12); und einem Element (20), das einen Bereich umfasst, der einen darin enthaltenen Durchgang (36) definiert, wobei das Injektionssystem (18) und das Ejektionssystem (32) in Fluidverbindung mit dem Durchgang (36) stehen, und wobei das Injektionssystem (18) selektiv das Wasserstoffgas in den Durchgang (36) injiziert und einen gepulsten Wasserstoffstrom bildet, und wobei ein Anodenabgas von dem Anodenauslass (34) in Reaktion auf das gepulste Wasserstoffgas in den Durchgang (36) gezogen wird, so dass das Wasserstoffgas und das Anodenabgas gemischt und in den Anodeneinlass (40) der zumindest einen Brennstoffzelle (12) eingeführt werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 17, ferner mit einer Drucksteuereinheit (60), wobei die Drucksteuereinheit (60) den Druck des Wasserstoffgases, das auf das Gasinjektionssystem (18) aufgebracht wird, steuert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei die Quelle (14) für Wasserstoffgas ein Tank (52) zum Speichern von unter Druck stehendem Wasserstoff ist, wobei die Quelle (14) für Wasserstoffgas das Wasserstoffgas unter hohem Druck an die Drucksteuereinheit (60) liefert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, ferner mit einem Sensor (62) zur Erfassung der Dichte des Anodenabgases, wobei die Drucksteuereinheit (60) auf die Dichte des Anodenabgases reagiert, um selektiv den Druck des an das Injektionssystem (18) gelieferten Wasserstoffgases einstellen zu können.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, ferner mit einer Stiftlochöffnung (56), die zwischen dem unter Druck stehenden Tank (52) und der Drucksteuereinheit (60) positioniert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, wobei das Wasserstoffgas, das auf die Drucksteuereinheit (60) aufgebracht wird, einen Druck von etwa 20 bar besitzt.
Brennstoffzellensystem (10) mit: einem Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Anodeneinlass (40) und einem Anodenauslass (34); einem unter Druck stehenden Tank (52), der eine Quelle für Wasserstoffgas speichert; einer Drucksteuereinheit (60) in Fluidverbindung mit dem unter Druck stehenden Tank (52), die unter Druck stehenden Wasserstoff davon aufnimmt; und einer Injektor/Ejektor-Vorrichtung (100) in Fluidverbindung mit der Drucksteuereinheit (62), dem Anodeneinlass (40) und dem Anodenauslass (34), wobei die Injektor/Ejektor-Vorrichtung (100) einen Injektor (18) und einen Ejektor (32) umfasst, wobei der Injektor (18) auf das Wasserstoffgas von der Drucksteuereinheit (62) reagiert und das Wasserstoffgas über eine Öffnung des Ejektors (32) hinweg ge pulst injiziert, so dass das Anodenabgas von dem Anodenauslass (34) gepulst in die Injektor/Ejektor-Vorrichtung (100) gezogen wird, wodurch das Wasserstoffgas und das Anodenabgas in der Injektor/Ejektor-Vorrichtung (100) gemischt und in den Anodeneinlass (40) eingeführt werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, ferner mit einem Sensor (62) zur Erfassung der Dichte des Anodenabgases, wobei die Drucksteuereinheit (60) auf die Dichte des Anodenabgases reagiert, um selektiv den Druck des Wasserstoffgases, das an den Injektor (18) geliefert wird, einstellen zu können und so effektiv das Anodenabgas in die Injektor/Ejektor-Vorrichtung (100) ziehen zu können.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, ferner mit einer Stiftlochöffnung (56), die in einer Leitung (58) positioniert ist, die in Fluidverbindung mit dem unter Druck stehenden Tank (52) und der Drucksteuereinheit (60) steht, wobei die Stiftlochöffnung (56) die Menge an Wasserstoff, die von dem Brennstoffzellenstapel (12) in dem Fall freigegeben wird, wenn die Leitung unterbrochen ist, beschränkt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, wobei die Injektor/Ejektor-Vorrichtung (100) eine einzelne einteilige Einheit ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 23, wobei das auf die Drucksteuereinheit (60) aufgebrachte Wasserstoffgas einen Druck von etwa 20 bar besitzt.