DE102006037799B4

DE102006037799B4 - Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102006037799B4
Application number: DE102006037799.0A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Lamm Arnold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2006-08-12
Filing date: 2006-08-12
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2026-08-13
Also published as: US8865369B2; US20100178591A1; DE102006037799A1; WO2008019771A1

Abstract

Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse und wenigstens einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden Brennmittels angetriebenen Strahlpumpe,wobei der Anodenausgang (5) mit dem Sauganschluss (7a, 7b) der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) verbunden ist, undder Ausgang (13a, 13b) der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) mit dem Anodeneingang (4) und dem Sauganschluss (14) des Rezirkulationsgebläses (15) verbunden ist,dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (16) des Rezirkulationsgebläses (15) mit dem Sauganschluss (7b') der wenigstens einen Strahlpumpe (6b) verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse und wenigstens einer Strahlpumpe.
Der Stand der Technik kennt derartige Anordnungen beispielsweise aus der DE 102 51 878 A1 oder der im Wesentlichen inhaltsgleichen US 6,800,390 B2 . In beiden Fällen erfolgt die Kombination einer Strahlpumpe (Jet pump, Ejektor) mit einem im Strömungsrichtung des Abgases davor geschalteten Rezirkulationsgebläse. Diese Gebläse bewegt dabei einen vergleichsweise großen Volumenstrom, nämlich das gesamt rezirkulierte Abgas. Damit benötigt das Gebläse vergleichsweise viel Bauraum. Ferner hat es eine hohe elektrische Leistungsaufnahme, welche als parasitäre Leistung den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems schmälert.
Ebenso zeigt die DE 102 51 878 A1 ein Ausführungsbeispiel, bei dem zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse und einer Strahlpumpe, der Anodenausgang mit dem Sauganschluss der Strahlpumpe verbunden ist und der Ausgang der Strahlpumpe mit dem Anodeneingang und dem Sauganschluss des Rezirkulationsgebläses verbunden ist.
Des Weiteren zeigt die WO 2004/038838 A2 ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Strahlpumpe zur Rezirkulation von Anodenabgasen, wobei hier drei Strahlpumpen parallel in einem gemeinsamen Rezirkulationskreis angeordnet sind, die über Ventilanordnungen einzeln oder kombiniert eingesetzt werden können. Hierbei sind die drei Strahlpumpen unterschiedlich ausgelegt und werden je nach Betriebspunkt über die Ventilanordnung im Rezirkulationskreis zu- oder abgeschaltet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine energiesparende, hochflexible Vorrichtung zur Anodenrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Der Aufbau erlaubt den Einsatz eines sehr kleinen, kompakten, vergleichsweise leistungsschwachen Rezirkulationsgebläses. Dieses kann damit z.B. auch als kostengünstiges 12-Volt- Gebläse ausgebildet sein. Damit ermöglicht der Aufbau gemäß Anspruch 1 bereits eine gezielte Nutzung einer kostengünstigen und Bauraum sparenden aktiven Rezirkulation.
Besonders vorteilhaft ist dabei die Weiterbildung der Erfindung mit wenigstens zwei parallelen Strahlpumpen gemäß Anspruch 2.
Hierdurch werden ideale Verschaltungsvarianten mit einer oder zwei Strahlpumpen und/oder dem Gebläse für verschiedene Lastfälle möglich. Somit kann für alle denkbaren Lastanforderungen eine geeignete Verschaltungskombination ausgewählt werden, um die gezielte Nutzung der kostengünstigen und Bauraum sparenden aktiven Rezirkulation in verschiedenen Lastzuständen zu ermöglichen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ermöglicht es, den Ausgang des Rezirkulationsgebläses bei Bedarf mit einem zusätzlichen Abgasraum zu verbinden.
Eine derartiger Abgasraum kann z.B. die Umgebung des Brennstoffzellensystems sein, oder auch ein geeigneter Raum, in welchem evtl. Restgase z.B. durch Katalysatoren in unschädliche Bestandteile umgesetzt werden können. Die erfindungsgemäße Verschaltung ermöglicht dabei die sehr schnelle Abgabe des unerwünschten Gases, z.B. beim Purgen, oder auch des gesamten Inhalts des Anodenkreislaufs, z.B. im Schadensfall, da das Rezirkulationsgebläse die Gase aktiv in den Bereich eines solchen Abgasraum fördert.
Insbesondere bei der bevorzugten Anwendung der Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem für Kraftfahrzeuge sind alle oben genannten Vorteile von entscheidender Bedeutung. Energieeffizienz und kompakte Bauart sind dabei ebenso wichtig, wie eine möglichst ideale Anpassung an die bei Fahrzeugen typischerweise sehr hohen und sehr dynamischen Lastwechsel. Auch die Sicherheitsaspekte spielen natürlich in Fahrzeugen eine besonders wichtige Rolle, da Personen und System auf engsten Raum vereint sind, und da bei Fahrzeugen ein erhöhtes Unfallrisiko durch Außeneinwirkungen zu erwarten ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung nachfolgend dargelegt.
Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In 1 ist eine Brennstoffzelle 1 schematisch angedeutet. Die Brennstoffzelle 1 besteht dabei aus einem Kathodenraum 2 und einem Anodenraum 3, welche beispielsweise durch eine Protonen leitende Membran voneinander getrennt werden. Für die weitere Erläuterung der Erfindung ist dabei lediglich der Bereich des Anodenraums 3 von Interesse, so dass hier auf den Kathodenraum 2 nicht näher eingegangen wird. Im Bereich des Kathodenraums 2 können aber sämtliche üblichen Aufbauten zur Versorgung des Kathodenraums 2 mit einem sauerstoffhaltigen Medium, beispielsweise befeuchteter Luft, sowie zur Abführung eines Abgases aus dem Kathodenraum 2 vorgesehen sein.
Die Zufuhr des für die Brennstoffzelle 1 genutzten Brennmittels, beispielsweise Wasserstoff, erfolgt über den Anodeneingang 4 in den Bereich des Anodenraums 3. Unverbrauchtes Brennmittel gelangt dann über den Anodenausgang 5 von dem Anodenraum 3 in den Bereich von zwei Strahlpumpen 6a, 6b. Diese beiden Strahlpumpen 6a, 6b - grundsätzlich wäre hier auch nur eine Strahlpumpe denkbar - sind so mit dem Anodenausgang 5 verbunden, dass das aus dem Anodenraum 3 stammende Gas jeweils zu den Sauganschlüssen 7a, 7b der beiden Strahlpumpen 6a, 6b gelangt.
Die beiden Strahlpumpen 6a, 6b, welche typischerweise auch als Jetpump, Ejektor oder dergleichen bezeichnet werden, arbeiten dabei nach dem Prinzip eines Venturi-Rohrs, bei dem ein Treibstrahl aufgrund einer Querschnittsverengung seine Strömungsgeschwindigkeit erhöht und somit im Bereich der Querschnittsverengung einen zweiten Stoffstrom ansaugt. In dem hier dargestellten Aufbau sind die beiden Strahlpumpen 6a, 6b von einem Treibstrahl angetrieben, welcher aus einer Speichereinrichtung 8 stammt. Beim bevorzugten Betrieb der Brennstoffzelle 1 mit Wasserstoff kann diese Speichereinrichtung 8 insbesondere ein Drucktank sein, in dem der Wasserstoff als Brennmittel unter hohem Druck gespeichert wird. Typischerweise sind hier Drücke in der Größenordnung von 200 bis 800 Bar üblich. Der unter Druck stehende Wasserstoff wird aus der Speichereinrichtung 8 durch eine Zuleitung 9 typischerweise durch hier nicht dargestellte schaltbare Ventile oder dergleichen zu einem Druckregler 10 geführt. Nach dem Druckregler 10 erfolgt die Strömungsführung für den Treibstrahl in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über zwei Zweige 11a, 11b zu den jeweiligen Strahlpumpen 6a, 6b.
Im oben bereits angedeuteten Fall einer einzigen Strahlpumpe würde selbstverständlich diese Verzweigung entfallen.
In den beiden Zweigen 11a, 11b sind ferner Dosiereinrichtungen 12a, 12b angeordnet, welche die mittels des Treibstrahls zu der jeweiligen Strahlpumpe 6a, 6b geführte Menge an Brennmittel entsprechend dosieren. Über diese Dosierung kann somit sowohl die eine als auch die andere der beiden Strahlpumpen 6a, 6b mit dem benötigten Volumenstrom betrieben werden. Durch diese Parallelverschaltung der beiden Strahlpumpen 6a, 6b und der zusammengeführten Ausgänge 13a, 13b der beiden Strahlpumpen 6a, 6b kann das aus dem Anodenraum 3 stammende Abgas mit neuem Brennmittel vermischt und zum Anodeneingang 4 zurückgefördert werden. Aufgrund der beiden parallel geschalteten Strahlpumpen 6a, 6b und den über die Dosiereinrichtungen 12a, 12b zugeführte Treibstrahl kann sowohl die zugeführte Menge an Brennmittel als auch die Menge an rezirkuliertem Abgas entsprechend der typischerweise von den Lastanforderungen vorgegebenen Bedürfnissen der Brennstoffzelle 1 eingestellt werden.
Der hier dargestellte Aufbau weist neben dieser Parallelschaltung von zwei Strahlpumpen 6a, 6b außerdem eine Verzweigung des zusammengeführten Rezirkulationsvolumens auf. So sind die zusammengeführten Ausgänge 13a, 13b der beiden Strahlpumpen 6a, 6b mit dem Anodeneingang 4 einerseits und dem Sauganschluss 14 eines Rezirkulationsgebläses 15 andererseits verbunden. Das Rezirkulationsgebläse 15 kann bei Bedarf, typischerweise elektromotorisch, angetrieben werden. Dessen Ausgang 16 ist dabei über eine Verbindung 17 mit einem Sauganschluss 7b' einer der Strahlpumpen 6b verbunden. Die Verbindung 17 weist ferner ein Magnetventil 18 auf, mittels welchem der Querschnitt der Verbindung freigegeben oder verschlossen werden kann. Über das Magnetventil 18 kann der Ausgang 16 des Rezirkulationsgebläses 15 also bei Bedarf mit dem Sauganschluss 7b' der einen Strahlpumpe 6b verbunden werden. Zusätzlich kann der Ausgang 16 des Rezirkulationsgebläses 15 über eine weitere Verbindung 19 mit einem Abgasraum 20 verbunden werden. Auch diese Verbindung 19 kann mittels eines Magnetventils 21 in ihrem durchströmbaren Querschnitt freigegeben oder verschlossen werden. Neben Magnetventilen sind dabei auch andere geeignete Absperrventile, welche eine automatische Betätigung zulassen denkbar. Unter dem Abgasraum 20 ist, wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, entweder die Umgebung des Brennstoffzellensystems direkt zu verstehen oder ein Raum, in welchem beispielsweise durch Katalysatoren die evtl. in dem Abgas enthaltenen Gase oder Gasgemische abgebaut und/oder auf ein ungefährliches Maß verdünnt werden.
Die Anordnung des Rezirkulationsgebläses 15 an der oben dargestellten Stelle ermöglicht es, dieses zur aktiven Rezirkulation des Anodenabgases nur bei unmittelbarem Bedarf zuzuschalten. Zusammen mit den beiden parallel geschalteten und über ihre Dosiereinrichtungen 12a, 12b getrennt ansprechbaren Strahlpumpen 6a, 6b lassen sich so geeignete Rezirkulationsvolumina für die jeweiligen Lastbedingungen der Brennstoffzelle über die beiden Strahlpumpen 6a, 6b zunächst passiv und bei Bedarf durch aktive Unterstützung mittels Rezirkulationsgebläses einstellen. Damit kann bei einem kleinen kompakten - beispielsweise als kostengünstiges 12-Volt-Gebläse ausführbaren - Rezirkulationsgebläse 15 eine aktive und sehr gute Anpassung an die jeweils vorliegenden Lastanforderungen der Brennstoffzelle 1 erfolgen. Entgegen dem Stand der Technik wird dabei für den „primären“ Antrieb der Anodenrezirkulation der in der Speichereinrichtung 8 ohnehin vorhandene Druck des Brennmittels durch die beiden Strahlpumpen genutzt. Das Rezirkulationsgebläse 15 greift nur bei Bedarf gezielt ein. Die zu seinem Antrieb benötigte elektrische Leistung kann somit minimiert werden.
Der erfindungsgemäße Aufbau in 1 weist darüber hinaus einige Möglichkeiten auf, bei denen das Rezirkulationsgebläse genutzt werden kann, um Entleerungsvorgänge des Anodenraums, beispielsweise beim Abschalten der Brennstoffzelle oder beim Auftreten eines Notfalls, welcher ein Entfernen des im System befindlichen Wasserstoffs erforderlich macht, zu unterstützen. Anders als bei herkömmlichen Systemen, bei denen der Austrag lediglich über den Druck innerhalb des Anodenkreislaufs und des Anodenraums 3 erfolgt, kann hier eine aktive Entleerung über das Rezirkulationsgebläse 15 bei geöffneten Magnetventil 21 in den Abgasraum 20 erfolgen.
Eine solche Entleerung kann neben der geschilderten Notfallproblematik auch beim Abschalten des Systems sinnvoll sein, da hier durch die Entlüftung/Entgasung mittels des Rezirkulationsgebläses 15 ein leeres und insbesondere trockenes Brennstoffzellensystem begünstigt wird, welches beim erneuten Starten bekanntermaßen entsprechende Vorteile hat, und welches bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts typischerweise nicht mehr einfriert.
Der geschilderte Aufbau ermöglicht also, sowohl während des Betriebs als auch in Notfällen sowie beim Starten bzw. Abschalten des Betriebs durch eine geeignete Kombination von betätigtem oder nicht betätigtem Rezirkulationsgebläse 15 und/oder jeweils zugeschalteten Strahlpumpen 6a, 6b sowie entsprechend geöffneten Magnetventilen 18, 21 eine sehr flexible Nutzung. Insbesondere bei den hochdynamischen, von Temperatur- und Lastsprüngen geprägten Anforderungen, welche an ein Brennstoffzellensystem in Kraftfahrzeugen zu stellen sind, können durch den Aufbau gemäß der Erfindung entscheidende Vorteile ermöglicht werden.

Claims

Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse und wenigstens einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden Brennmittels angetriebenen Strahlpumpe, wobei der Anodenausgang (5) mit dem Sauganschluss (7a, 7b) der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) verbunden ist, und der Ausgang (13a, 13b) der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) mit dem Anodeneingang (4) und dem Sauganschluss (14) des Rezirkulationsgebläses (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (16) des Rezirkulationsgebläses (15) mit dem Sauganschluss (7b') der wenigstens einen Strahlpumpe (6b) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens zwei parallele Strahlpumpen (6a, 6b) mit zusammengeführten Ausgängen (13a, 13b) anstelle der wenigstens einen Strahlpumpe, wobei der Anodenausgang (5) mit dem Sauganschluss (7a, 7b) beider Strahlpumpen (6a, 6b) verbunden ist, und wobei der Ausgang (16) des Rezirkulationsgebläses (15) mit dem Sauganschluss (7b') einer der Strahlpumpen (6b) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (16) des Rezirkulationsgebläses (15) mit einem zusätzlichen Abgasraum (20) verbindbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verbindbaren Verbindungen (17, 19) als Leitungselemente ausgeführt sind, welche jeweils ein Magnetventil (18, 21) zum Freigeben und/oder Verschließen eines Öffnungsquerschnitts derselben aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung für den Treibstrahl der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) in Strömungsrichtung vor der Strahlpumpe (6a, 6b) eine Dossiereinrichtung (12, 12b) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung für den Treibstrahl sich im Falle von wenigstens zwei Strahlpumpen (6a, 6b) in Strömungsrichtung vor diesen verzweigt, wobei jeder der Zweige (11a, 11b) eine Dossiereinrichtung (12a, 12b) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennmittel unter hohem Druck gespeicherter Wasserstoff dient, wobei die Zuleitung (9) des Wasserstoffs zu der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) einen Druckregler (10) aufweist.