DE102006061264A1

DE102006061264A1 - Vorrichtung zur Verringerung von Druckschwankungen in einem von Gas durchströmten System

Info

Publication number: DE102006061264A1
Application number: DE102006061264A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Matthias Dipl.-Ing. Jesse; Cosimo S. Dipl.-Ing. Mazzotta; Thomas Winkeler
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2008-06-26
Also published as: WO2008077445A1

Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Verringerung von Druckschwankungen in einem von Gas durchströmten System, wobei das System ein getaktet betriebenes Ventil, ein weiteres einen Druckverlust bewirkendes durchströmtes Bauteil in Strömungsrichtung nach dem Ventil und ein Puffervolumen aufweist. Erfindungsgemäß ist das Puffervolumen zwischen dem Ventil und dem weiteren durchströmten Bauteil angeordnet, wobei das weitere durchströmte Bauteil eine Gasstrahlpumpe ist. Eine bevorzugte Verwendung der Vorrichtung ist in einem Brennstoffzellensystem.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung von Druckschwankungen in einem von Gas durchströmten System, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, sowie eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
Grundsätzlich kennt der Stand der Technik Puffervolumen, um Druckschwankungen in von Gas durchströmten Systemen zu reduzieren. Beispielhaft wird hierzu auf die DE 36 12 994 A1 verwiesen, welche eine Gaskammer ausführt, die einerseits als Puffervolumen zur Vermeidung von Druckschwankungen bzw. Pulsationen und andererseits als Wärmetauscher dient.
Ferner kennt der Stand der Technik Brennstoffzellensysteme, welche eine Einrichtung zur Zurückführung von unverbrauchten Abgasen, beispielsweise aus einem Anoden- oder einem Kathodenbereich vorsehen. Beispielhaft wird hierzu auf die DE 100 55 107 A1 verwiesen, welche einen derartigen Aufbau zeigt.
Bei den heute üblichen Taktventilen zur Begrenzung und Dosierung von strömenden Volumina handelt es sich typischerweise um überkritisch durchströmte Bauteile. Bei derartigen Bauteilen, und insbesondere getakteten Ventilen, sind Druckpulsationen in dem zu dosierenden Medium ein allgemein bekanntes Problem. Diese Pulsationen belasten einerseits das System, andererseits wirken sie sich nachteilig auf die Genauigkeit der Mediendosierung aus, da sie für einen schwankenden Gegendruck sorgen, gegen den dosiert werden muss.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Verringerung von Druckschwankungen in einem von Gas durchströmten System nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Den Erfindern hat sich überraschender und nicht nahe liegender Weise gezeigt, dass ein Puffervolumen, welches zwischen dem ersten durchströmten Bauteil und dem weiteren durchströmten Bauteil angeordnet ist, eine extreme Verringerung der Druckschwankungen bewirkt, wenn das erste durchströmte Bauteil als durchströmtes Bauteil mit Drosselwirkung ausgebildet ist und das zweite durchströmte Bauteil als Überschalldüse ausgebildet ist. Bei diesem Aufbau aus durchströmtem Bauteil und Überschalldüse, beispielsweise in Form einer Gasstrahlpumpe, kann eine derartige Volumenvergrößerung einen sehr positiven Effekt und eine starke Reduzierung der Druckschwankungen bewirken.
Die bevorzugte Verwendung eines derartigen Aufbaus findet sich insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, bei denen Abgas, beispielsweise aus dem Bereich einer Anode oder einer Kathode, zumindest teilweise über Gasstrahlpumpen, sogenannte Jetpumps oder Ejektoren, rezirkuliert wird. Der Treibstrahl für solche Gasstrahlpumpen wird dabei bevorzugt von einem Frischgasstrom gebildet, welcher aus einem Hochdrucktank oder einem Kompressor in Richtung der Brennstoffzelle strömt und dabei das rezirkulierte Abgas mit ansaugt. Bei derartigen Systemen, welche hinsichtlich Bauraum und Kosten optimiert werden sollen, spielt die Möglichkeit, ein vergleichsweise billiges getaktetes Ventil einzusetzen, welches durch eine einfache Modulation des Taktverhältnisses (Pulsweitenmodulation) hinsichtlich der durchströmenden Menge reguliert werden kann, eine entscheidende Rolle.
Nachteilig bei derartigen Taktventilen, welche typischerweise überkritisch durchströmt werden, ist es jedoch, dass sie gewisse Druckschwankungen in das System bringen. Diese Druckschwankungen können mit der gemäß Anspruch 1 beschriebenen Idee gemäß der hier dargelegten bevorzugten Verwendung so stark reduziert werden, dass diese ohne negativen Einfluss auf das System und die in das System dosierte Gasmenge sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen sowie aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen Systemaufbau mit der bevorzugten Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist ein Teil eines Brennstoffzellensystems dargestellt, ohne das die vorrichtungsgemäße Ausführung der Erfindung auf ein derartiges System eingeschränkt werden soll.
Der gezeigte Abschnitt des Brennstoffzellensystems umfasst einen Teil einer hier schematisch angedeuteten Brennstoffzelle 1 sowie einen Gaskreislauf, welcher hier exemplarisch am Beispiel eines Anodenkreislaufs 2 dargestellt ist. Kern eines solchen Anodenkreislaufs, wie er beispielsweise auch aus der US 6,800,390 B2 bekannt ist, ist es, unverbrauchtes Abgas aus dem Bereich einer Anode 3 der Brennstoffzelle 1 zu dieser zurückzuführen. Der Anodenkreislauf 2 kann dabei über eine Fördereinrichtung in Form einer Pumpe oder eines Gebläses 4 verfügen, dies ist jedoch nicht unbedingt notwendig. Daneben verfügt der Anodenkreislauf über eine Gasstrahlpumpe 5, welche typischerweise in der Form eines Venturi-Rohrs oder dergleichen ausgebildet ist, so dass durch die Verringerung des Drucks beim Durchströmen mit einem Treibstrahl ein weiterer Gasstrom, in diesem Fall der Rückstrom des Abgases aus dem Anodenkreislauf 2, angesaugt wird.
Hinsichtlich des Treibstrahls der Gasstrahlpumpe wirkt diese wie eine Überschalldüse. Im vorliegenden Fall besteht der Treibstrahl aus frischem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, welcher aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 6 stammt. Die Wasserstoffspeichereinrichtung 6 lässt sich über ein Absperrventil 7, welches jedoch für die Erfindung nicht weiter relevant ist, im abgeschalteten Zustand des Systems von diesem trennen.
Ferner wird die Menge an zugeführtem Wasserstoff über ein Ventil 8 als Dosierventil, welches entsprechend den Vorgaben aus einer hier nicht dargestellten Steuereinrichtung, beispielsweise aufgrund der elektrischen Leistungsanforderungen an die Brennstoffzelle 1, gesteuert wird, eingestellt. Über dieses Dosierventil 8 wird die Menge an frischem Brennstoff, welcher zuerst der Gasstrahlpumpe 5 und dann der Brennstoffzelle 1 bzw. deren Anodenraum 3 zugeführt wird, bestimmt. Hierzu wird typischerweise ein einfaches und kostengünstiges getaktetes Ventil verwendet, welches in seiner Taktfrequenz entsprechend den Vorgaben aus der Steuerungseinrichtung verändert wird. Dieses kann insbesondere durch eine Pulsweitenmodulation der Taktfrequenz erfolgen, welche in dem angedeuteten Diagramm 9 exemplarisch dargestellt ist.
Aufgrund der getakteten Betätigung des Dosierventils 8 kommt es nun zu Druckschwankungen in dem Treibstrahl für die Gasstrahlpumpe 5. Bei herkömmlichen Systemen würden sich diese Druckschwankungen durch das System hindurch fortpflanzen und durch einen schwankenden Gegendruck die Genauigkeit der Dosierung des frischen Brennstoffs nachteilig beeinflussen sowie durch die Druckpulsationen hohe mechanischen Belastungen der mit ihnen beaufschlagten Bauteile verursachen. Um diese Druckpulsationen nun zu dämpfen, ist ein Puffervolumen 10 zwischen dem Dosierventil 8 und der Gasstrahlpumpe 5 vorgesehen, welches als Dämpfervolumen dient und die Druckschwankungen deutlich verringert.
Bei der bevorzugten Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem, wie in 1 dargestellt, haben sich ein Verhältnis des Puffervolumens 10 im Vergleich zu dem reinen, durch die Verbindungsleitung zwischen dem Ventil 8 und der Gasstrahlpumpe 5 enthaltenden Volumen von 1:3 als besonders vorteilhaft erwiesen. In den diskreten Versuchen wurde anstatt einer Leitung mit ca. 500 mm³ Volumeninhalt ein veränderliches Puffervolumen eingesetzt. Die ideale Dämpfung ergab sich bei ca. 1500 mm³ Volumen. Eine weitere Vergrößerung des Volumens ergab keinen weiteren positiven Effekt. Eine Volumenvergrößerung auf den in etwa 3-fachen Wert des Volumens der reinen Verbindungsleitung ist somit aus funktionalen Gründen und hinsichtlich der gebotenen Minimierung des Bauraums als ideal anzusehen.
Der erfindungsgemäße Aufbau lässt sich selbstverständlich nicht nur in einem Anodenkreislauf 2 einsetzen, sondern kann im Rahmen der erfindungsgemäßen Verwendung auch bei vergleichbaren Kathodenkreisläufen eingesetzt werden, welche beispielsweise zur Rückführung von Feuchtigkeit eingesetzt werden können, um eine Befeuchtung des zuströmenden Oxidationsmittels einzusparen oder zumindest zu minimieren.

Claims

Vorrichtung zur Verringerung von Druckschwankungen in einem von Gas durchströmten System, wobei das System ein erstes durchströmtes Bauteil, ein weiteres durchströmtes Bauteil in Strömungsrichtung nach dem ersten durchströmten Bauteil und ein Puffervolumen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen (10) zwischen dem ersten durchströmten Bauteil (8) und dem weiteren durchströmten Bauteil (5) angeordnet ist, wobei das erste durchströmte Bauteil (8) als durchströmtes Bauteil mit Drosselwirkung ist und das weitere Bauteil als Überschalldüse (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschalldüse als Gasstrahlpumpe (5) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen (10) in der Zuleitung für den Treibstrahl der Gasstrahlpumpe (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Puffervolumen wenigstens 1,5-fach, insbesondere 3-fach größer ist, als eine reine Verbindungsleitung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste durchströmte Bauteil als Ventil (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (8) getaktet betätigt ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in einem Brennstoffzellensystem.
Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das von Gas durchströmte System ein System zur Versorgung und/oder Abführung von Edukten und/oder Abgasen zu einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das von Gas durchströmte System eine Anoden- und oder Kathodengas-Rezirkulation (2) eines Brennstoffzellensystems ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Triebstrahl für die Gasstrahlpumpe (5) aus einer Gasspeichereinrichtung stammt und die Gasstrahlpumpe (5) Abgas aus der Brennstoffzelle (1) ansaugt.