DE102007004590A1

DE102007004590A1 - Gasversorgungsanordnung in einer Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102007004590A1
Application number: DE102007004590A
Authority: DE
Inventors: Janusz Blaszczyk; Wolfram Dipl.-Ing. Fleck; Michael Procter; Darren Sokoloski; Brad Williams
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2008-07-31
Also published as: WO2008092545A1

Abstract

Der Erfindung, die eine Gasversorgungsanordnung in einer Brennstoffzellenvorrichtung betrifft, mit einer Strahlpumpenanordnung zur Förderung eines Versorgungsgases in einer Gasversorgungsleitung unter Einsatz eines Treibgases und mit einer Steuereinheit zur Steuerung eines Versorgungsgasvolumenstromes, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasversorgungsanordnung für eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, bei der eine funktionssichere Förderung des Versorgungsgases über den gesamten Betriebsbereich der Brennstoffzellenvorrichtung gewährleistet wird. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Strahlpumpenanordnung 9 mindestens zwei Strahlpumpen 10, 11 aufweist, die in einer Parallelschaltung zur parallelen Förderung des Versorgungsgases angeordnet und mittels der Steuereinheit 17 selektiv steuerbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasversorgungsanordnung in einer Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Strahlpumpenanordnung zur Förderung eines Versorgungsgases in einer Gasversorgungsleitung unter Einsatz eines Treibgases und mit einer Steuereinheit zur Steuerung eines Versorgungsgasvolumenstromes.
Brennstoffzellenvorrichtungen sind Vorrichtungen, die der Erzeugung elektrischer Energie über einen elektrochemischen Prozess dienen. Besonders attraktiv ist die Verwendung solcher Brennstoffzellenvorrichtungen in der Fahrzeugtechnik als alternative Energie- und Antriebsquelle gegenüber dem herkömmlichen Verbrennungsmotor.
Eine Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer Anode mit einem Anodenraum auf einer Anodenseite und aus einer Kathode mit Kathodenraum auf einer Kathodenseite, wobei Anoden- und Kathodenseite voneinander durch einen Elektrolyten getrennt sind. Bei dem elektrochemischen Prozess in der Brennstoffzelle reagiert ein auf der Anodenseite aufgenommener Brennstoff, z. B. gasförmiger Wasserstoff, mit einem auf der Kathodenseite aufgenommenen gasförmigen Sauerstoff, der meist aus der Umgebungsluft stammt. Der Brennstoff wird an der Anode zu Protonen und Elektronen aufgespaltet, wobei die Elektronen unter Bereitstellung ihrer elektrischer Energie zur Verrichtung elektrischer oder mechanischer Arbeit an die Kathode geleitet werden, während die Protonen vom Anodenraum durch den Elektrolyt in den Kathodenraum gelangen, wo sie sich mit den auf der Kathodenseite gebildeten Sauerstoffanionen zu Wasser verbinden.
Eine für den Einsatz in der Fahrzeugstechnik besonders geeignete Brennstoffzelle ist die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), bei der der Elektrolyt von einer Protonenleitenden Polymermembran gebildet wird. Die Kombination aus Anodenraum, Katodenraum und Polymermembran (Membranelektrodenanordnung-MEA) erfordert für einen effektiven Betrieb der Brennstoffzelle ein besonderes Gasversorgungs- und Wassermanagement und eine ausreichende Befeuchtung der Membran.
Hieraus und aus nachfolgend erläuterten Bedingungen sind an die Gasversorgung der Brennstoffzellenanordnung mit Brennstoff und Sauerstoff, insbesondere an die anodenseitige Gasversorgung, hohe Anforderungen gestellt.
Typischerweise werden in einer Brennstoffzellenvorrichtung eine Veilzahl von Brennstoffzellen zu einem oder mehrere Brennstoffzellenstapel vereinigt, um die erforderliche Leistung, zum Beispiel zum Antrieb eines Fahrzeuges, bereitstellen zu können. Durch die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels wird meist Umgebungsluft, die den notwendigen Sauerstoffanteil enthält, als Kathodengas gefördert, wobei das Kathodengas mittels einer Pumpenanordnung (Verdichter, Kompressor) komprimiert, beschleunigt und über eine Zuleitung der Kathodenseite zugeführt wird. Nach der Durchleitung durch die Kathodenseite wird die Luft mit dem nur teilweise verbrauchten Sauerstoff entweder in dem geschlossenen Kreislauf einer Rezirkulationsanordnung unter Beimischung von Frischluft erneut der Kathodenseite zugeführt oder über eine Abgasleitung an die Umgebung abgegeben.
Durch die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt unter dem Förderdruck einer Pumpenanordnung das Anodengas, welches den gasförmigen Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, enthält, wobei sich der Brennstoff bei der Durchleitung durch die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels ebenfalls nicht vollständig verbraucht. Zur Erhöhung der Effizienz der Gasversorgung in der Brennstoffzellenvorrichtung wird das Anodengas in dem geschlossenen Kreislauf einer Rezirkulationsanordnung gefördert, wobei das nur teilweise verbrauchte Anodengas dem Brennstoffzellenstapel erneut zugeführt und unverbrauchtes Brennstoffgas beigemischt wird.
Insbesondere der Druck des Anodengases im Brennstoffzellenstapel wird in Abhängigkeit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels geregelt, um die erforderliche relative Feuchte der Membran beizubehalten. Außerdem erfordert eine unterschiedliche elektrische Leistungsabnahme eine Anpassung des Anodengasdruckes im Brennstoffzellenstapel an die entsprechende Laststufe. Die erforderliche Druckänderung im Brennstoffzellenstapel wird durch eine Erhöhung oder Verringerung des Volumenstroms des durchströmenden Anodengases erzeugt. Die Betriebszustände des Brennstoffzellenstapels, hervorgerufen durch die verschiedenen Lastanforderungen und die einzuhaltenden Parameter, erfordern dabei eine große Bandbreite der Durchflussmenge des Anodengases. Zur Durchflussmengensteuerung des Anodengases sind im Stand der Technik verschiedene Vorrichtungen bekannt, wie zum Beispiel elektromagnetisch gesteuerte Proportional- oder Injektorventile, drehzahlgeregelte Kreiselpumpen oder treibmittelgesteuerte Strahlpumpen. Die letztgenannte Pumpen, auch als Ejektor oder Injektorpumpe bezeichnet, basieren auf einem Prinzip, bei dem die Pumpwirkung durch einen sehr schnell bewegten Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfstrahl als Treibmittel erzeugt wird. Bezogen auf eine Anodengas-Rezirkulationsanordnung beschleunigt die Strahlpumpe das Anodengas in einer verengenden Düsenanordnung mittels des unter einem Vordruck mit hoher Geschwindigkeit hinzu geführten Treibstrahls aus Brennstoffgas. Mit ausreichender Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in der Düsenanordnung entsteht eine Druckabsenkung und Saugwirkung, die das Anodengas aus der Rezirkulationsleitung ansaugt und mit dem Brennstoffgas mitreißt. Die Steuerung der Durchflussmenge des Anodengases erfolgt in diesem Fall über die Mengendosierung des zugeführten Brennstoffgases.
Eine Gasversorgungsanordnung mit einer derartigen Strahlpumpenanordnung wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift DE 10 2004 007 104 A1 offenbart. In einer Anodengasrückführleitung ist ein so genannter Coanda-Strömungsverstärker angeordnet, der einen längserstreckten Fluidkanal mit einem Saueinlass und einem Auslass aufweist, durch den das Anodengas gefördert wird. Über einen seitlichen Antriebsströmungseinlass mit einem variabel einstellbaren Antriebsströmungsspalt wird unter hoher Geschwindigkeit ein Brennstoffgas aus einem Druckspeicher als Antriebsfluid in den Fluidkanal zugeführt. Der sich infolge des Coanda-Effektes an den Kanalwandungen des Fluidkanals anlegende Brennstoffgasstrahl bewirkt einen Unterdruck im Fluidkanal zur Ansaugung des Anodengases und somit einen Strömungsantrieb für das in die Brennstoffzelle zurückzuführende Anodengas. Abhängig vom Lastzustand der Brennstoffzelle wird der Anodengasvolumenstrom durch Einstellen des Strömungsquerschnittes des Antriebsströmungsspaltes und damit über die Menge des zugeführten Brennstoffgases aus dem Druckspeicher gesteuert. Die Anordnung eines Coanda-Strömungsverstärkers wird in der genannten Offenlegungsschrift außerdem auch bei einer Rezirkulationsanordnung des Kathodengases sowie für eine Kathodengaszuführung aus der Umgebungsluft beschrieben, bei der jeweils Druckluft als Antriebsgas aus einem Druckluftspeicher zur Verfügung gestellt wird.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2006 019 077 A1 , die wohl den nächstliegenden Stand der Technik bildet, offenbart eine Brennstoffzellensystem, bei dem ein Anodengas ebenfalls in einer Rezirkulationsanordnung zirkulierend gefördert und hierbei mittels eines so genannten Ejektors oder Ejektorpumpe im Strahlpumpenprinzip angetrieben wird. Die Ejektorpumpe ist an einem Knotenpunkt zwischen der Zirkulationsleitung und der Brennstoffversorgungsleitung installiert und stößt das von einer Brennstoffversorgungsvorrichtung aus einem Hochdrucktank gelieferte Brennstoffgas mit hoher Geschwindigkeit aus einer Treibdüse in einen Gaskanal, der als Venturi-Druckdüse ausgebildet ist. Dieser Treibstrahl aus Brennstoffgas erzeugt in dem Gaskanal einen Unterdruck, mit dessen Wirkung das Anodengas aus der in den Gaskanal seitlich einmündenden Zirkulationsleitung angesaugt wird. Die Ejektorpumpe mischt das Brennstoffgas mit dem angesaugten Anodengas und fördert das Gemisch in der weiterführenden Zirkulationsleitung wieder dem Brennstoffzellenstapel zu. Entsprechend der Steuersignale der Steuervorrichtung wird die Anodengasdurchflussmenge durch Änderung der Menge des in den Gaskanal einströmenden Brennstoffgases gesteuert. Diese Mengenänderung wird durch Einstellung der Düsenöffnung der Treibdüse oder auch durch Änderung des an der Ejektorpumpe anliegenden Versorgungsdruckes des Brennstoffgases (Primärdruck der Ejektorpumpe) mittels eines Druckregulierungsmechanismus bewirkt. Die Einstellung der Düsenöffnung kann mittels eines elektrischen Stellantriebes (Aktuator) erfolgen. Der Druckregulierungsmechanismus umfasst ein einstellbares Ventil, mit dem die Strömungsöffnung der Brennstoffversorgungsleitung veränderbar ist.
Bei den auf den Strahlpumpenprinzip basierenden Lösungen nach dem Stand der Technik muss die Förderleistung der Strahlpumpe jeweils für die maximal erforderliche Anodengasdurchflussmenge konzipiert sein, um bei höchster Leistungsanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung den entsprechenden Volumenstrom des Anodengases bereitstellen zu können. Wie bereits vorbeschrieben, ist die Durchflussmenge des Anodengases in einer großen Bandbreite zu steuern, um alle möglichen Laststufen und Betriebsparameter abzudecken. Die für die Maximalleistung konzipierte Strahlpumpe sind jedoch in den erforderlichen Niedriglast-Betriebszuständen nur eingeschränkt funktionsfähig. Wird der Brennstoffgasbedarf und damit der Durchfluss des durch die Steuereinrichtung angeforderten Brennstoffgases durch die Treibdüse besonders gering, kann der Unterdruck und mithin die Saugwirkung für die Förderung des Anodengases in der Gasversorgungsanordnung nicht ausreichend aufgebaut werden. Somit ergibt sich eine ungenügende Zirkulation des Anodengases in der Niedriglast-Betriebszuständen und zugleich eine ungenügende Regelbarkeit den Anodengasvolumenstromes in diesen Lastbereichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasversorgungsanordnung für eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, bei der eine funktionssichere Förderung des Versorgungsgases über den gesamten Betriebsbereich der Brennstoffzellenvorrichtung gewährleistet wird. Die Aufgabe wird durch eine Gasversorgungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Unteransprüche, die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen offenbart.
Erfindungsgemäß wird eine Gasversorgungsanordnung für eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, deren Strahlpumpenanordnung zur Förderung eines Versorgungsgases in einer Gasversorgungsleitung mindestens zwei Strahlpumpen aufweist, die in einer Parallelschaltung zur parallelen Förderung des Versorgungsgases angeordnet und mittels der Steuereinheit selektiv steuerbar sind. Dabei stehen zwei oder mehrere in die Gasversorgungsleitung eingebundene und parallel schaltbare Strahlpumpen zur Verfügung, wobei die Strahlpumpen in beliebiger Kombination einzeln, gemeinsam oder wechselseitig betrieben werden können. Dies impliziert somit eine Zwei- oder Mehrstufigkeit der Strahlpumpenanordnung, die eine differenzierte Bereitstellung des Versorgungsgasvolumenstromes in Anpassung an den jeweiligen angeforderten Leistungsbedarf der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht.
Die Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass zwei oder mehr parallel geschaltete Pumpen Volumenstrom summierend wirken. In Folge dessen kann bei einem parallelen Betrieb der Strahlpumpen jede einzelne Strahlpumpe eine Baugröße aufweisen, die im Verhältnis zur erforderlichen Maximal-Förderleistung für eine geringere Teilförderleistung ausgelegt ist. Während in einer Einzelzuschaltung einer Strahlpumpe mit Teilförderleistung die Strahlpumpenanordnung für die Bereitstellung des niedrigen Versorgungsgasvolumenstromes zur Abdeckung des Niedriglastbereiches angepasst ist, decken mehrere parallel arbeitende Strahlpumpen gemeinsam zugeschaltet den hochlastigen Bereich der Betriebszustände mit hohem Versorgungsgasvolumenstrom ab. Insbesondere ergibt sich aber, dass die für eine Teilleistung ausgelegte Strahlpumpe bei einem von der Steuereinheit angeforderten besonders niedrigen Versorgungsgasbedarf dennoch einen genügend energiereichen Treibstahl erzeugt, der die Saugwirkung für einen niedrigen Gasvolumenstrom nicht abreisen lässt. Somit kann auch in den Niedriglast-Betriebszuständen ein Versorgungsgasvolumenstrom funktionssicher und mit hoher Regelgenauigkeit aufrechterhalten werden.
Eine noch höhere Schaltvariabilität für den bereitzustellenden Volumenstrombereich des Versorgungsgases ergibt sich, wenn jede der Strahlpumpen eine entsprechend einer Förderleistung ausgebildete Baugröße aufweist, die sich von einander unterscheiden.
Vorzugsweise ist die Gasversorgungsanordnung mit einer Rezirkulationsleitung zwischen einem anodenseitigen Auslass und einem anodenseitigen Einlass der Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet, um die aus dem Auslass aus der Anodenseite einer Brennstoffzelle, vorzugsweise eines Brennstoffzellenstapels, austretenden Anodengase zum Einlass in die Anodenseite zurückzuführen. Diese Anordnung ergibt sich unter anderem aus dem Umstand, dass der in dem Anodengas enthaltene Brennstoff nur zum Teil im Brennstoffstapel elektrochemisch umgesetzt wird und das austretenden Anodengas eine Restkonzentration an Brennstoffgas aufweist, so dass zur Erhöhung der Effizienz des Brennstoffzellenanordnung das Anodengas mit dem Restgehalt an Brennstoffgas mittels dieser Rezirkulationsanordnung wieder dem Brennstoffzellestapel zugeführt wird. Dabei erzeugt die Strahlpumpenanordnung mittels eines Treibstrahles aus Brennstoffgas die erforderliche Antriebsleistung zur Umtrieb des Anodengases in der jeweiligen von einer Steuereinheit angeforderten Volumenstrommenge. Das Brennstoffgas, vorzugsweise Wasserstoff, wird hierzu aus einem Hochdruck-Brennstofftank mit einem bestimmten Vordruck in die Strahlpumpenanordnung eingespeist. Gleichzeitig dient der Treibstrahl der Auffrischung des Anodengases mit unverbrauchtem Brennstoff.
Durch die Zuführung des Brennstoffgases in das Anodengas wird die Brennstoffkonzentration im Anodengas gegenüber dem austrittsseitigen Anodengas erhöht und so dem anodenseitigen Einlass als aufbereitetes Anodengas zugeführt. Die erfindungsgemäße parallele Schaltbarkeit von mindestens zwei Strahlpumpen in der Gasversorgungsanordnung überwindet das begrenzte Rückführungsverhältnis des Rezirkulationsstromes der herkömmlichen Strahlpumpenanordnung im Niedriglast-Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung und damit im unteren Betriebsbereich der Strahlpumpenanordnung. Die Strahlpumpe mit kleinster Teilförderleistung erzeugt im Einzelbetrieb bei einem von der Steuereinheit angeforderten niedrigen Brennstoffgasbedarf einen ausreichenden Treibstahl, der die Saugwirkung für einen niedrigen Zirkulationsstrom des Anodengases funktionssicher gewährleistet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist eine erste Strahlpumpe eine geeignete Baugröße für die Förderung eines maximalen Versorgungsgasvolumenstromes und eine zweite Strahlpumpe eine geeignete Baugröße für die Förderung eines Mindest-Versorgungsgasvolumenstromes auf. Hierbei kann in einer alternierenden Zu- und Abschaltung beider Strahlpumpen die erste Strahlpumpe als Hauptpumpe für die Bereitstellung eines oberen Volumenstrombereiches des Versorgungsgases im Hochlastbereich der Betriebszustände dienen, wogegen die zweite Strahlpumpe als Nebenpumpe den unteren Volumenstrombereich für den Niedriglastbereich liefert. Auch diese Ausführung der Strahlpumpenanordnung führt zu einer betriebsicheren Förderung des Versorgungsgases über eine hohe Volumenstrom-Bandbreite entsprechend der Betriebsanforderungen der Brennstoffzellenvorrichtung.
Bevorzugt findet eine Ausführungsform der Strahlpumpen Anwendung, bei der die Strahlpumpen je eine Treibdüse mit einer Austrittsöffnung und je eine zugeordnete längserstreckte Druckdüse mit einer Ein- und einer Austrittsöffnung aufweist. Der Treibstrahl strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Austrittsöffnung der Treibdüse in die Eintrittsöffnung der Druckdüse, wobei er in der längserstreckten Druckdüse den erforderlichen Unterdruck zum Ansaugen des Versorgungsgases aus der in die Strahlpumpe einmündenden Versorgungsgasleitung erzeugt. Innerhalb der Druckdüse mischt sich das Treibmittelgas mit dem angesaugten Versorgungsgas. Das so aufbereitete Versorgungsgas wird nachfolgend durch die Austrittsöffnung der Druckdüse in die weiterführende Versorgungsgasleitung gefördert. Derartige Strahlpumpen weisen bei einer einfachen konstruktiven Gestaltung eine sehr zuverlässige Funktionsweise auf. Die Wirkungsweise derartiger Strahlpumpen verbessert sich zudem dadurch, dass die Druckdüse eine venturirohrartige Verjüngung des Strömungsquerschnittes zwischen einem Eintrittsströmungsquerschnitt und einem Austrittsströmungsquerschnitt aufweist.
Der vorteilhafte Einsatz von Strahlpumpen mit unterschiedlichen Baugrößen bildet sich bei einer speziellen Strahlpumpengestaltung in der Weise ab, dass die Austrittsöffnung der Treibdüse der ersten Strahlpumpe größer ist, als die Austrittsöffnung der Treibdüse der zweiten Strahlpumpe. In konsequenter Weiterbildung der verschiedenen Baugrößen mit differenzierteren Förderleistungen ist auch der Eintrittsströmungsquerschnitt der Druckdüse der ersten Strahlpumpe größer, als der Eintrittsströmungsquerschnitt der Druckdüse der zweiten Strahlpumpe gestaltet, wobei jede der Druckdüsen in einem festen Größenverhältnis zu ihrem Eintrittsströmungsquerschnitt ausgebildet ist.
In einer günstigen Weiterbildung der Strahlpumpenanordnung ist die Größe der Austrittsöffnung der Treibdüse einstellbar. Somit kann die über die Treibdüse stattfindende Mengenzufuhr an Treibgas, insbesondere Brennstoffgas, mit höherer Variabilität gesteuert werden und damit der einstellbare Volumenstrombereich für die Förderung des Versorgungsgases erweitert werden. Die Einstellung der Austrittsöffnung der Treibdüse kann zum Beispiel durch mechanische Geometrieveränderung der Treibdüse mittels eines elektrischen Stellantriebes erfolgen, welcher von der Steuereinheit angesteuert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlpumpen in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, womit die Strahlpumpenanordnung zu einer platzsparenden und kompakten Einheit ausbildet wird. Eine gehäuseseitig ausgebildete Saugkammer und Druckkammer führt zu weiterer konstruktiver Vereinfachung der erfindungsgemäßen Strahlpumpenanordnung ohne Einschränkungen der Betriebssicherheit hervorzurufen. Zur individuellen Ansteuerung der Strahlpumpen durch die Steuereinheit ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Gasversorgungsanordnung den Strahlpumpen je eine Treibgaszuleitung mit einem Magnetventil zugeordnet, das von der Steuereinheit ansteuerbar ist. Das Treibgas steht unter einem vom Treibgastank vorgegebenen Vordruck in der jeweiligen Treibgaszuleitung zur den Strahlpumpen an. Das in der Treibgaszuleitung angeordnete Magnetventil kann mittels der empfangenen Steuersignale der Steuereinheit die Durchflussmenge an Treibgas steuern und damit über den Treibstrahl den Betrieb der jeweiligen Strahlpumpe direkt beeinflussen. Mit Öffnen oder Schließen der Treibgaszuleitung durch das Magnetventil wird die jeweilige Strahlpumpe zu- oder abschalten, wogegen in einem stetigen Stellbetrieb des Magnetventils die Treibgasmenge und damit die Förderleistung der Strahlpumpe gesteuert wird. Diese Steuerung der Strahlpumpen gewährleistet eine hohe Funktionssicherheit der Volumenstromsteuerung des Versorgungsgases.
In einer alternativen Ausführungsform ist der ersten und zweiten Strahlpumpe je eine Treibgaszuleitung zugeordnet, wobei die Treibgaszuleitung der ersten Strahlpumpe ein Magnetventil aufweist, das von der Steuereinheit ansteuerbar ist. In dieser Ausführungsform wird nur die Strahlpumpe mit der Maximal-Förderleistung durch ein von der Steuereinheit angesteuertes Magnetventil kontrolliert, wogegen die Strahlpumpe mit der Minimal-Förderleistung in einem ungesteuerten Dauerbetrieb arbeitet. Damit wird auch bei Abschaltung oder Störung der Haupt-Strahlpumpe bzw. bei einer Störung der Steuereinheit ein Mindestvolumenstrom an Versorgungsgas in der Gasversorgungsleitung gewährleistet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und den beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen die einzelnen Figuren:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Gasversorgungsanordnung für eine anodenseitige Gasversorgung in einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Rezirkulationsleitung und einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenanordnung mit zwei Strahlpumpen,
2 eine Seitenansicht der Strahlpumpenanordnung mit Gehäuse nach dem Ausführungsbeispiel,
3 eine Schnittdarstellung der Strahlpumpenanordnung im Schnitt A-A nach 2.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt einer Brennstoffzellenvorrichtung 1, die über einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anodenseite 3 und einer Kathodenseite 4 verfügt, welche jeweils abschnittsweise durch eine nicht dargestellte Membran voneinander getrennt sind.
Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Gasversorgungsanordnung 5 mit einer Rezirkulationsleitung 6, die einen Auslass 7 und einen Einlass 8 der Anodenseite 3 des Brennstoffzellenstapels 2 miteinander verbindet und in der zur Förderung eines Anodengases eine Strahlpumpenanordnung 9 eingebunden ist, die zwei Strahlpumpen 10, 11 aufweist. Die Strahlpumpen 10, 11 sind in einer Parallelschaltung zur Rezirkulationsleitung 6 angeordnet, was eine parallele Förderung des Anodengases mittels der Strahlpumpen 10, 11 ermöglicht. Die Strahlpumpen 10, 11 weisen entsprechend ihrer Förderleistung verschieden ausgebildete Baugrößen auf. Eine erste Strahlpumpe 10, als Hauptpumpe bezeichnet, ist für eine Förderleistung zur Förderung eines maximalen Anodengasvolumenstromes ausgebildet. Die zweite Strahlpumpe 11, als Nebenpumpe bezeichnet, ist für eine Förderleistung zur Förderung eines Mindest-Anodengasvolumenstromes ausgelegt. In die Haupt- und Nebenpumpe 10, 11 mündet je eine Treibgaszuleitung 12, 13, durch die Brennstoffgas, beispielsweise Wasserstoffgas, aus einem Hochdruck-Brennstofftank 14 mit einem bestimmten Vordruck in die Strahlpumpen 10, 11 eingespeist und damit dem Anodengas beigemischt wird. Die Treibgaszuleitungen 12, 13 weisen jeweils ein Magnetventil 15, 16 auf, welche von einer Steuereinheit 17 ansteuerbar sind.
Die Gasversorgungsanordnung 5 realisiert eine permanente Zirkulation des Anodengases durch die Anodenseite 3 des Brennstoffzellenstapels 2, wobei das aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende, teilweise verbrauchte Anodengas vom Auslass 7 der Anodenseite 3 über die Strahlpumpenanordnung 9 gefördert wird und unter Beimischung des Wasserstoffgases aufgefrischt zum Einlass 8 der Anodenseite 3 zurückgeführt wird. Die Strahlpumpen 10, 11 erzeugen die erforderliche Förderleistung des Anodengases mittels dem als Treibstrahl in die Strahlpumpen 10, 11 injizierten Wasserstoffgas, das über die Magnetventile 15, 16 dosiert aus dem Hochdruck-Brennstofftank 14 bereitgestellt wird.
Entsprechend der Leistungsanforderung des Brennstoffzellestapels 2, bestimmbar beispielsweise auf der Basis des absoluten Brennstoffzellendrucks auf der Anodenseite 3, welcher mit einem Drucksensor 18 erfassbar ist, ermittelt die Steuereinheit 17 ein Stellsignal zur Ansteuerung der Magnetventile 15, 16 und im weiteren Sinne zur Steuerung des Anodengasvolumenstromes.
In 2 und 3 ist die erfindungsgemäße Strahlpumpenanordnung 9 in einer detaillierten Bauausführung getrennt von der Rezirkulationsleitung 6 dargestellt. Beide Strahlpumpen 10, 11 sind gemeinsamen in einem kompakten zylindrischen Gehäuse 19 angeordnet. Über einen Eintrittsstutzen 20 des Gehäuses 19 tritt das Anodengas aus der Rezirkulationsleitung 6 in die Strahlpumpenanordnung 9 ein und über einen Austrittsstutzen 21 des Gehäuses 19 wieder in die Zirkulationsleitung 6 aus. Eintrittsstutzen 20 und Austrittsstutzen 21 sind im komplettierten Zustand der Gasversorgungsanordnung 5 mit der Rezirkulationsleitung 6 verbunden. Des Weiteren ist in 2 einer der beiden Treibgaszuleitungen 12, 13 sichtbar, die stirnseitig in das zylindrische Gehäuse 19 münden und mittels Schraubverbindung mit dem Gehäuse 19 verbunden sind. An der den Treibgaszuleitungen 12, 13 gegenüberliegenden Stirnseite ist das zylindrische Gehäuses 19 mit einem Blindflansch 22 verschlossen.
Wie aus 3 ersichtlich, weisen die in dem Gehäuse 19 integrierten Strahlpumpen 10, 11 je eine Treibdüse 23, 24 mit einer Austrittsöffnung 25, 26 und eine zugeordnete längserstreckte Druckdüse 27, 28 mit je einer Eintrittsöffnung 29, 30 und je einer Austrittsöffnung 31, 32 auf. Die Austrittsöffnungen 25, 26 der Treibdüsen 23, 24 und die Eintrittsöffnungen 29, 30 der Druckdüsen 27, 28 stehen mit einer gehäuseseitig ausgebildeten Saugkammer 33 in Verbindung, in die auch der Eintrittstutzen 20 des Gehäuses 19 mündet (in 3 nicht sichtbar). Analog stehen die Austrittsöffnungen 31, 32 der Druckdüsen 27, 28 mit einer gehäuseseitig ausgebildeten Druckkammer 34 in Verbindung, in die der Austrittstutzen 21 des Gehäuses 19 mündet (ebenfalls in 3 nicht sichtbar). Damit ist die Verbindung beider Strahlpumpen 10, 11 mit der Rezirkulationsleitung 6 in einfacher funktionaler Bauweise verwirklicht.
Zusammengesetzt aus Einströmkonus 35, 36, einer Mischstrecke 37, 38 und einem Ausströmkonus 39, 40 ist jede der Druckdüsen 27, 28 als Venturirohr realisiert, bei dem eine Verjüngung des Strömungsquerschnittes der Druckdüse 27, 28 zwischen einem Eintrittsströmungsquerschnitt 41, 42 und einem Austrittsströmungsquerschnitt 43, 44 ausgebildet ist. Mit dem Einströmen des Wasserstoff-Treibstrahles aus den Treibdüsen 23, 24 in die Druckdüsen 27, 28 wird das Unterdruckprinzip der Strahlpumpen 10, 11 realisiert, bei dem das Anodengas aus der Rezirkulationsleitung 6 über die Saugkammer 33 angesaugt wird und in der Mischstrecke 37, 38 mit dem Wasserstoffgas gemischt wird.
Die auf die bestimmten Förderleistung ausgebildeten unterschiedlichen Baugrößen der Haupt- und Nebenpumpe 10, 11 ergeben sich aus den verschiedenen Größen der integralen Bestandteile der Strahlpumpen 10, 11. So ist die Austrittsöffnung 25 der Treibdüse 23 der Hauptpumpe 10 größer ausgebildet, als die Austrittsöffnung 26 der Treibdüse 24 der Nebenpumpe 11. Ebenso ist der Eintrittsströmungsquerschnitt 41 der Druckdüse 27 der Hauptpumpe 10 größer, als der Eintrittsströmungsquerschnitt 42 der Druckdüse 28 der Nebenpumpe 11. Dabei setzt sich das Größenverhältnis der Druckdüsen 27, 28 entsprechend dem zugehörigen Eintrittsströmungsquerschnitt 41, 42 auch in ihren Bestandteilen Einströmkonus 35, 36, Mischstrecke 37, 38 und Ausströmkonus 39, 40, fort.
Ausgehend von einem Messwert des Drucksensors 18, der den entsprechenden Bedarf an Anodengasvolumenstrom im Brennstoffzellenstapel 2 repräsentiert, kann mittels der Steuereinheit 17 über die Auswahl der Magnetventile 15, 16 (AUF/ZU-Funktion) die Hauptpumpe 10 mit der großen Förderleistung oder die Nebenpumpe 11 mit der kleinen Förderleistung selektiv angesteuert werden und innerhalb der Betriebskennlinie der jeweiligen Strahlpumpe 10, 11 unter Verstellen des zugehörigen Magnetventils 15, 16 (stetige Stellfunktion) die Förderleistung der entsprechenden Strahlpumpe 10, 11 variiert werden.
In einem Umschaltmodus sichert so wechselweise die Hauptpumpe 10 die Bereitstellung eines oberen Volumenstrombereiches im Hochlastbereich des Brennstoffzellenstapels 2 und die Nebenpumpe 11 deckt den unteren Volumenstrombereich für den Niedriglastbereich des Brennstoffzellenstapels 2 ab. Die Strahlpumpen 10, 11 sind sodann in im Leistungsbereich ihrer speziellen Betriebskennlinie optimal regelbar. Mithin kann im alternierenden Einsatz beider Strahlpumpen 10, 11 ein sehr großer Volumenstrombereich des Anodengases bei hoher Regelbarkeit zu Verfügung gestellt werden. Die Nebenpumpe 11 mit der niedrigen Förderleistung erzeugt auf Grund ihrer minimierten Baugröße auch bei einer von der Steuereinheit 17 angeforderten geringen Wasserstoffmenge einen ausreichenden Treibstahl, der die Saugwirkung in der Saugkammer 33 nicht abreisen lässt. Somit ist auch in den Niedriglast-Betriebszuständen des Brennstoffzellenstapels 2 ein stabiler Zirkulationsstrom des Anodengases in der Gasversorgungsanordnung 5 gewährleistet.
In weiteren nicht näher beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispielen ist die vorbeschriebene erfindungsgemäße Gasversorgungsanordnung 5 analog auch für den Einsatz bei einer kathodenseitige Gasversorgung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 anwendbar, bei der in einer Rezirkulationsleitung zwischen einem Auslass und einem Einlass der Kathodenseite 4 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ein Kathodengas rückgeführt wird. Die erfindungsgemäße Strahlpumpenanordnung dient hierbei der Förderung des Kathodengases in der Rezirkulationsleitung unter Beimischung von Druckluft aus einem Druckluftbehälter zur Auffrischung und zum Antrieb des Kathodengases, wobei die Steuereinheit in vorbeschriebener, analog vorteilhafter Weise über die Ansteuerung der parallel geschalteten Strahlpumpen den zirkulierenden Kathodengasvolumenstrom steuert.
Ebenso ist die erfindungsgemäßen Strahlpumpenanordnung mit den vorbeschriebenen Vorteilen analog in einer kathodenseitigen Gasversorgung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ausführbar, bei der lediglich eine zirkulationslose Kathodengaszu- und abführung an der Kathodenseite 4 vorgesehen ist. Dabei dient die erfindungsgemäße Strahlpumpenanordnung der Förderung des Kathodengases, beispielsweise Umgebungsluft, aus der Umgebung der Brennstoffzellenanordnung 1 über eine Gaszuleitung zur Kathodenseite 4 des Brennstoffzellenstapels 2 unter Beimischung von Druckluft aus einem Druckluftbehälter, wobei die Steuereinheit in vorbeschriebener vorteilhafter Weise durch Ansteuerung der parallel geschalteten Strahlpumpen den Kathodengasvolumenstrom steuert.

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Anodenseite
4: Kathodenseite
5: Gasversorgungsanordnung
6: Rezirkulationsleitung
7: Auslass der Anodenseite
8: Einlass der Anodenseite
9: Strahlpumpenanordnung
10: Erste Strahlpumpe, Hauptpumpe
11: Zweite Strahlpumpe, Nebenpumpe
12: Treibgaszuleitung
13: Treibgaszuleitung
14: Hochdruck-Brennstofftank
15: Magnetventil der Hauptpumpe
16: Magnetventil der Nebenpumpe
17: Steuereinheit
18: Drucksensor
19: zylindrischen Gehäuse
20: Eintrittsstutzen des Gehäuses
21: Austrittsstutzen des Gehäuses
22: Blindflansch
23: Treibdüse der Hauptpumpe
24: Treibdüse der Nebenpumpe
25: Austrittsöffnung der Treibdüse
26: Austrittsöffnung der Treibdüse
27: Druckdüse der Hauptpumpe
28: Druckdüse der Nebenpumpe
29: Eintrittsöffnung der Druckdüse
30: Eintrittsöffnung der Druckdüse
31: Austrittsöffnung der Druckdüse
32: Austrittsöffnung der Druckdüse
33: Saugkammer
34: Druckkammer
35: Einströmkonus
36: Einströmkonus
37: Mischstrecke
38: Mischstrecke
39: Ausströmkonus
40: Ausströmkonus
41: Eintrittsströmungsquerschnitt der Druckdüse
42: Eintrittsströmungsquerschnitt der Druckdüse
43: Austrittsströmungsquerschnitt der Druckdüse
44: Austrittsströmungsquerschnitt der Druckdüse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004007104 A1 [0009]
- DE 102006019077 A1 [0010]

Claims

Gasversorgungsanordnung in einer Brennstoffzellenvorrichtung, mit einer Strahlpumpenanordnung zur Förderung eines Versorgungsgases in einer Gasversorgungsleitung unter Einsatz eines Treibgases und mit einer Steuereinheit zur Steuerung eines Versorgungsgasvolumenstromes, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpenanordnung (9) mindestens zwei Strahlpumpen (10, 11) aufweist, die in einer Parallelschaltung zur parallelen Förderung des Versorgungsgases angeordnet und mittels der Steuereinheit (17) selektiv steuerbar sind.
Gasversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasversorgungsleitung eine Rezirkulationsleitung (6) zwischen einem anodenseitigen Auslass (7) und einem anodenseitigen Einlass (8) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) aufweist, wobei das geförderte Versorgungsgas ein Anodengas und das Treibgas ein Brennstoffgas ist.
Gasversorgungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Strahlpumpen (10, 11) eine entsprechend einer Förderleistung ausgebildete Baugröße aufweist, die sich von einander unterscheiden.
Gasversorgungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Strahlpumpe (10) für eine Förderleistung zur Förderung eines maximalen Versorgungsgasvolumenstromes und eine zweite Strahlpumpe (11) für eine Förderleistung zur Förderung eines Mindest-Versorgungsgasvolumenstromes ausgebildet ist.
Gasversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpen (10, 11) je eine Treibdüse (23, 24) mit einer Austrittsöffnung (25, 26) und je eine zugeordnete längserstreckte Druckdüse (27, 28) mit einer Ein- und einer Austrittsöffnung (29, 30, 31, 32) aufweist.
Gasversorgungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdüse (27, 28) eine venturirohrartige Verjüngung des Strömungsquerschnittes zwischen einem Eintrittsströmungsquerschnitt (41, 42) und einem Austrittsströmungsquerschnitt (43, 44) aufweist.
Gasversorgungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (25) der Treibdüse (23) der ersten Strahlpumpe (10) größer ausgebildet ist, als die Austrittsöffnung (26) der Treibdüse (24) der zweiten Strahlpumpe (11).
Gasversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintrittsströmungsquerschnitt (41) der Druckdüse (27) der ersten Strahlpumpe (10) größer ist, als der Eintrittsströmungsquerschnitt (42) der Druckdüse (28) der zweiten Strahlpumpe (11) und jede der Druckdüsen (27, 28) in einem festen Größenverhältnis zu ihrem Eintrittsströmungsquerschnitt (41, 42) ausgebildet ist.
Gasversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Austrittsöffnung (25, 26) der Treibdüse (23, 24) einstellbar ist.
Gasversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpen (10, 11) in einem gemeinsamen Gehäuse (19) angeordnet sind.
Gasversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (25, 26) der Treibdüsen (23, 24) und die Eintrittsöffnungen (29, 30) der Druckdüsen (27, 28) mit einer gehäuseseitig ausgebildeten Saugkammer (33) in Verbindung stehen.
Gasversorgungsanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (31, 32) der Druckdüsen (27, 28) mit einer gehäuseseitig ausgebildeten Druckkammer (34) in Verbindung stehen.
Gasversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Strahlpumpen (10, 11) je eine Treibgaszuleitung (12, 13) mit einem Magnetventil (15, 16) zugeordnet ist, das von der Steuereinheit (17) ansteuerbar ist.
Gasversorgungsanordnung nach einem der Ansprüchen 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten und zweiten Strahlpumpe (10, 11) je eine Treibgaszuleitung (12, 13) zugeordnet ist, wobei die Treibgaszuleitung (12) der ersten Strahlpumpe (10) ein Magnetventil (15) aufweist, das von der Steuereinheit (17) ansteuerbar ist.