DE102007004590A1 - Gas-supply assembly for anode-sided gas supply in fuel cell device, has jet pump arrangement for delivering of supply gas in gas supply section under insertion of gas propellant - Google Patents

Gas-supply assembly for anode-sided gas supply in fuel cell device, has jet pump arrangement for delivering of supply gas in gas supply section under insertion of gas propellant Download PDF

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Abstract

The gas-supply assembly (5) has a jet pump arrangement (9) for the delivering of a supply gas in a gas supply section under insertion of a gas propellant. A control unit is provided for controlling a supply gas volume stream. The jet pump arrangement has two jet pumps (10,11), which are arranged in a parallel connection for the parallel delivery of the supply gas and selectively controllable by the control unit.

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.The The invention relates to a gas supply arrangement in a fuel cell device, with a jet pump arrangement for conveying a supply gas in a gas supply line using a propellant gas and with a control unit for controlling a supply gas volume flow.

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.Fuel cell devices are devices that generate electricity over one serve electrochemical process. Particularly attractive is the use such fuel cell devices in vehicle technology as alternative source of energy and power over the conventional one Combustion engine.

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.A Fuel cell essentially consists of an anode with a Anode space on an anode side and from a cathode with cathode space on a cathode side, with anode and cathode sides apart separated by an electrolyte. In the electrochemical Process in the fuel cell reacts on the anode side absorbed fuel, eg. Gaseous hydrogen, with a received on the cathode side gaseous Oxygen, which mostly comes from the ambient air. The fuel is split at the anode into protons and electrons, where the electrons to provide their electrical energy to Performing electrical or mechanical work on the cathode while the protons pass through from the anode compartment get the electrolyte into the cathode compartment, where they meet with the Connect oxygen anions formed on the cathode side to water.

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.A particularly suitable for use in vehicle technology Fuel cell is the PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), in which the electrolyte is a proton-conducting polymer membrane is formed. The combination of anode compartment, cathode compartment and polymer membrane (Membrane electrode assembly-MEA) required for effective Operation of the fuel cell a special gas supply and water management and adequate humidification of the membrane.

Hieraus und aus nachfolgend erläuterten Bedingungen sind an die Gasversorgung der Brennstoffzellenanordnung mit Brennstoff und Sauerstoff, insbesondere an die anodenseitige Gasversorgung, hohe Anforderungen gestellt.From this and from the conditions explained below are to the Gas supply of the fuel cell assembly with fuel and oxygen, in particular to the anode-side gas supply, high demands.

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.typically, In a fuel cell device, a number of fuel cells are added one or more fuel cell stacks combined to the required Provide power, for example for propelling a vehicle to be able to. Through the cathode side of the fuel cell stack is mostly ambient air containing the necessary oxygen content, promoted as cathode gas, wherein the cathode gas means a pump assembly (compressor, compressor) compressed, accelerated and supplied via a feed line of the cathode side becomes. After passing through the cathode side, the air with the only partially consumed oxygen either in the closed Circulation of a recirculation arrangement with the addition of fresh air again fed to the cathode side or via a Exhaust pipe discharged to the environment.

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.By the anode side of the fuel cell stack underflows the delivery pressure of a pump assembly, the anode gas, which contains the gaseous fuel, preferably hydrogen, wherein the fuel in the passage through the anode side of the Fuel cell stack also not completely consumed. To increase the efficiency of the gas supply in the fuel cell device the anode gas is in the closed loop of a recirculation arrangement encouraged, with the only partially used anode gas the Fuel cell stack fed again and unconsumed Fuel gas is mixed.

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.In particular, the pressure of the anode gas in the fuel cell stack is controlled as a function of the temperature of the fuel cell stack in order to maintain the required relative humidity of the membrane. In addition, a different electrical power decrease requires an adaptation of the anode gas pressure in the fuel cell stack to the corresponding load stage. The required pressure change in the fuel cell stack is generated by an increase or decrease in the volume flow of the anode gas flowing through. The operating conditions of the fuel cell stack, caused by the different load requirements and the parameters to be maintained, thereby require a large bandwidth of the flow rate of the anode gas. For flow rate control of the anode gas various devices are known in the art, such as electromagnetically controlled proportional or injector valves, variable speed centrifugal pumps or propellant controlled jet pumps. The latter pumps, also referred to as ejector or injector pump, based on a principle in which the pumping action is generated by a very fast moving liquid, gas or steam jet as a propellant. Relative to an anode gas recirculation arrangement, the jet pump accelerates the anode gas in a narrowing nozzle arrangement by means of the propellant jet of fuel gas supplied at a high speed under a pre-pressure. With sufficient increase in the flow velocity in the nozzle assembly ent is a pressure drop and suction, which sucks the anode gas from the recirculation and entrained with the fuel gas. The control of the flow rate of the anode gas takes place in this case via the metering of the supplied fuel gas.

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.A gas supply arrangement with such a jet pump arrangement is described, for example, in the published patent application DE 10 2004 007 104 A1 disclosed. In an anode gas recirculation line, a so-called Coanda flow amplifier is arranged, which has an elongated fluid channel with a suction inlet and an outlet through which the anode gas is conveyed. Via a lateral drive flow inlet with a variably adjustable drive flow gap, a fuel gas is supplied from a pressure accumulator as drive fluid into the fluid channel at high speed. The fuel gas jet, which abuts the channel walls of the fluid channel as a result of the Coanda effect, causes a negative pressure in the fluid channel for suction of the anode gas and thus a flow drive for the anode gas to be returned to the fuel cell. Depending on the load state of the fuel cell, the anode gas volume flow is controlled by adjusting the flow cross-section of the drive flow gap and thus on the amount of the supplied fuel gas from the pressure accumulator. The arrangement of a Coanda flow amplifier is also described in the cited Offenlegungsschrift also in a recirculation arrangement of the cathode gas and for a cathode gas supply from the ambient air, is provided in each compressed air as the drive gas from a compressed air reservoir.

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.The publication DE 10 2006 019 077 A1 , which probably forms the closest prior art, discloses a fuel cell system in which an anode gas is also circulated in a recirculation arrangement and thereby driven by means of a so-called ejector or ejector in the jet pump principle. The ejector is installed at a node between the circulation pipe and the fuel supply pipe, and discharges the high-speed fuel gas supplied from a fuel supply device from a high-pressure tank from a driving nozzle into a gas passage formed as a venturi pressure nozzle. This propellant jet of fuel gas generates a negative pressure in the gas channel, with the effect of which the anode gas is sucked out of the circulation duct which opens laterally into the gas duct. The ejector mixes the fuel gas with the aspirated anode gas and promotes the mixture in the secondary circulation line back to the fuel cell stack. In accordance with the control signals of the control device, the anode gas flow rate is controlled by changing the amount of the fuel gas flowing into the gas passage. This change in quantity is effected by adjusting the nozzle opening of the motive nozzle or by changing the voltage applied to the ejector fuel pressure of the fuel gas (primary pressure of the ejector) by means of a pressure regulating mechanism. The adjustment of the nozzle opening can be done by means of an electric actuator (actuator). The pressure regulating mechanism comprises an adjustable valve with which the flow opening of the fuel supply line is variable.

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.at the solutions based on the jet pump principle In the prior art, the flow rate of the jet pump each designed for the maximum required anode gas flow rate be at the highest power requirement to the fuel cell device provide the corresponding volume flow of the anode gas can. As previously described, the flow rate control the anode gas in a wide range, to cover all possible load levels and operating parameters. The jet pumps designed for maximum output are however, in the required low load operating conditions only partially functional. Will the fuel gas demand and thus the flow of the requested by the controller Fuel gas through the motive nozzle is particularly low, can the negative pressure and thus the suction effect for the promotion the anode gas in the gas supply arrangement is not sufficient being constructed. This results in an insufficient circulation of anode gas in low load operating conditions and at the same time an insufficient controllability of the anode gas volume flow in these load ranges.

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.Of the The invention is therefore based on the object, a gas supply arrangement for a fuel cell device the functionally reliable delivery of the supply gas over ensures the entire operating range of the fuel cell device becomes. The object is achieved by a gas supply arrangement with the Characteristics of claim 1 solved. Advantageous embodiments and further developments of the invention are dependent Subclaims, the following description and the accompanying drawings disclosed.

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.According to the invention, a gas supply arrangement is proposed for a fuel cell device whose jet pump arrangement for conveying a supply gas in a gas supply line has at least two jet pumps, which are arranged in a parallel connection for the parallel delivery of the supply gas and selectively controllable by means of the control unit. There at are two or more integrated into the gas supply line and parallel switchable jet pumps available, the jet pumps can be operated in any combination individually, together or alternately. This thus implies a two or more stages of the jet pump arrangement, which enables a differentiated provision of the supply gas volume flow in adaptation to the respective required power requirement of the fuel cell device.

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.The Invention continues from the consideration that two or more pumps connected in parallel have a cumulative volume flow. As a result, in a parallel operation of the jet pumps each individual jet pump has a size, in relation to the required maximum flow rate designed for a lower partial output is. While in a single connection of a jet pump with partial flow the jet pump arrangement for the provision of the low supply gas volume flow to Cover the low-load range is adjusted, cover several parallel-working jet pumps jointly connected the high-load Range of operating states with high supply gas volume flow from. In particular, it turns out that for a partial performance designed jet pump at one requested by the control unit especially low supply gas needs nevertheless a sufficient generates high-energy propellant, the suction effect for a low gas volume flow does not leave. Consequently Even in the low load operating conditions, a supply gas volume flow functionally reliable and maintained with high control accuracy become.

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.A even higher switching variability for the to be provided Volumetric flow range of the supply gas results when each the jet pumps one according to a flow rate trained size, extending from each other differ.

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.Preferably is the gas supply arrangement with a recirculation line between an anode-side outlet and an anode-side inlet the fuel cell device formed to the from the outlet from the anode side of a fuel cell, preferably a fuel cell stack, due anode gas to the inlet into the anode side. This arrangement arises inter alia from the fact that the in the anode gas contained fuel only partially in the fuel stack is reacted electrochemically and the exiting anode gas a Has residual concentration of fuel gas, so that to increase the efficiency of the fuel cell assembly, the anode gas with the Residual content of fuel gas by means of this recirculation arrangement is returned to the fuel cell stack. there generates the jet pump arrangement by means of a propulsion jet Fuel gas, the required power to drive the Anodengases in the respective requested by a control unit Flow amount. The fuel gas, preferably hydrogen, This is from a high-pressure fuel tank with a specific Form fed into the jet pump assembly. At the same time serves the motive jet of the refreshing of the anode gas with unused Fuel.

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.By the supply of the fuel gas into the anode gas is the fuel concentration in the anode gas over the exit-side anode gas increases and so the anode-side Inlet fed as treated anode gas. The inventive parallel switchability of at least two jet pumps in the Gas supply arrangement overcomes the limited recycle ratio the recirculation flow of the conventional jet pump assembly in the low-load operation of the fuel cell device and thus in the lower operating range of the jet pump arrangement. The jet pump produced with the smallest partial flow rate in single operation at a low fuel gas demand requested by the control unit a sufficient Treibstahl that the suction for a ensures low circulation current of the anode gas functionally reliable.

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.In a particularly preferred embodiment has a first jet pump a suitable size for the promotion of a maximum supply gas volume flow and a second jet pump of a suitable size for the promotion of a minimum supply gas volume flow. This can be done in an alternating connection and disconnection of both Jet pumps the first jet pump as the main pump for the Providing an upper volume flow range of the supply gas in High load range of the operating states serve, whereas the second jet pump as a secondary pump, the lower volume flow range for the low load range. Also this version the jet pump arrangement leads to a safe operation Promotion of the supply gas over a high volume flow bandwidth according to the operating requirements of the fuel cell device.

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.An embodiment of the jet pumps is preferably used, in which the jet pumps each have a motive nozzle with an outlet opening and an associated longitudinally extended pressure nozzle with an inlet and an outlet opening. The propulsion jet flows at high speed through the outlet opening of the motive nozzle into the inlet opening of the pressure nozzle, wherein it extends in the longitudinal direction Pressure nozzle generates the required negative pressure for sucking the supply gas from the opening into the jet pump supply gas line. Within the pressure nozzle, the propellant gas mixes with the sucked supply gas. The thus treated supply gas is subsequently conveyed through the outlet opening of the pressure nozzle into the further supply gas line. Such jet pumps have a very reliable operation with a simple structural design. The mode of action of such jet pumps also improves because the pressure nozzle has a venturi-type taper of the flow cross-section between an inlet flow cross-section and an outlet flow cross-section.

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.Of the advantageous use of jet pumps with different sizes forms in a special jet pump design in the way from that the outlet opening of the motive nozzle the first jet pump is larger than the outlet opening the motive nozzle of the second jet pump. In consistent training of the different sizes with differentiated ones Flow rates is also the inlet flow cross section the pressure nozzle of the first jet pump larger, as the inlet flow cross-section of the pressure nozzle the second jet pump designed, each of the pressure nozzles in a fixed proportion to theirs Inflow flow cross-section is formed.

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.In a favorable development of the jet pump arrangement is the size of the outlet of the Adjustable motive nozzle. Thus, the over the motive nozzle taking place quantity supply of propellant gas, in particular fuel gas, be controlled with higher variability and thus the adjustable volumetric flow range for the promotion be extended to the supply gas. The setting of the outlet opening the motive nozzle can be, for example, by mechanical geometry change the motive nozzle by means of an electric actuator, which is controlled by the control unit.

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.at In a preferred embodiment, the jet pumps arranged in a common housing, whereby the jet pump arrangement to a space-saving and compact unit is formed. A the housing side trained suction chamber and pressure chamber leads to further constructive simplification of the invention Jet pump arrangement without restrictions of operational safety cause. For individual control of the jet pumps the control unit is in an advantageous development of the gas supply arrangement the jet pumps each a propellant gas supply with a solenoid valve assigned, which can be controlled by the control unit. The propellant is under a pre-pressure specified by the LPG tank in the respective propellant gas supply to the jet pumps. That in the Propellant gas supply arranged solenoid valve can by means of the received Control signals of the control unit, the flow rate of propellant gas control and thus over the propulsion jet the operation of directly influence the respective jet pump. With open or closing the propellant gas supply line through the solenoid valve will turn on or off the respective jet pump, whereas in a steady actuation of the solenoid valve, the amount of propellant gas and thus the delivery rate of the jet pump is controlled. These Control of the jet pumps ensures high functional reliability the flow control of the supply gas.

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.In an alternative embodiment is the first and second Jet pump each associated with a propellant gas supply line, wherein the propellant gas supply line the first jet pump has a solenoid valve, which is provided by the control unit is controllable. In this embodiment, only the Jet pump with the maximum flow rate through a of the control unit controlled solenoid valve controls, whereas the jet pump with the minimum flow rate in an uncontrolled Continuous operation works. This will also turn off or fault the main jet pump or in the event of a malfunction of the control unit a minimum volume flow of supply gas in the gas supply line guaranteed.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und den beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen die einzelnen Figuren:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of a preferred embodiment and the attached drawings. The individual show Characters:

1 ein schematisches Blockschaltbild einer Gasversorgungsanordnung für eine anodenseitige Gasversorgung in einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Rezirkulationsleitung und einer erfindungsgemäßen Strahlpumpenanordnung mit zwei Strahlpumpen, 1 FIG. 2 shows a schematic block diagram of a gas supply arrangement for an anode-side gas supply in a fuel cell device with a recirculation line and a jet pump arrangement according to the invention with two jet pumps, FIG.

2 eine Seitenansicht der Strahlpumpenanordnung mit Gehäuse nach dem Ausführungsbeispiel, 2 a side view of the jet pump assembly with housing according to the embodiment,

3 eine Schnittdarstellung der Strahlpumpenanordnung im Schnitt A-A nach 2. 3 a sectional view of the jet pump assembly in section AA according to 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. 1 shows a schematic representation of a section of a fuel cell device 1 that have a fuel cell stack 2 with an anode side 3 and a cathode side 4 has, which are each separated in sections by a membrane, not shown, from each other.

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.Furthermore, the fuel cell includes contraption 1 a gas supply arrangement 5 with a recirculation line 6 that have an outlet 7 and an inlet 8th the anode side 3 of the fuel cell stack 2 interconnects and in the for promoting an anode gas a jet pump assembly 9 is involved, the two jet pumps 10 . 11 having. The jet pumps 10 . 11 are in parallel with the recirculation line 6 arranged, which is a parallel promotion of the anode gas by means of the jet pumps 10 . 11 allows. The jet pumps 10 . 11 have different sizes according to their capacity. A first jet pump 10 , referred to as the main pump, is designed for a delivery capacity for promoting a maximum anode gas volume flow. The second jet pump 11 , referred to as a secondary pump, is designed for a delivery rate to promote a minimum anode gas volume flow. In the main and secondary pump 10 . 11 each opens a propellant gas supply 12 . 13 by the fuel gas, for example hydrogen gas, from a high-pressure fuel tank 14 with a certain form in the jet pumps 10 . 11 fed and thus mixed with the anode gas. The propellant gas supply lines 12 . 13 each have a solenoid valve 15 . 16 on which of a control unit 17 are controllable.

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.The gas supply arrangement 5 Realizes a permanent circulation of the anode gas through the anode side 3 of the fuel cell stack 2 , where from the fuel cell stack 2 leaking, partially spent anode gas from the outlet 7 the anode side 3 via the jet pump arrangement 9 is promoted and refreshed with admixture of the hydrogen gas to the inlet 8th the anode side 3 is returned. The jet pumps 10 . 11 generate the required flow rate of the anode gas by means of the propulsion jet in the jet pumps 10 . 11 injected hydrogen gas through the solenoid valves 15 . 16 dosed from the high pressure fuel tank 14 provided.

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.According to the power requirement of the fuel cell stack 2 determinable, for example, based on the absolute fuel cell pressure on the anode side 3 , which with a pressure sensor 18 is detectable determines the control unit 17 a control signal for controlling the solenoid valves 15 . 16 and in a broader sense to control the anode gas volume flow.

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.In 2 and 3 is the jet pump arrangement according to the invention 9 in a detailed design separate from the recirculation line 6 shown. Both jet pumps 10 . 11 are common in a compact cylindrical housing 19 arranged. Via an inlet 20 of the housing 19 The anode gas exits the recirculation line 6 in the jet pump arrangement 9 on and over an outlet 21 of the housing 19 back to the circulation line 6 out. inlet connection 20 and outlet nozzle 21 are in the completed state of the gas supply system 5 with the recirculation line 6 connected. Furthermore, in 2 one of the two propellant gas supply lines 12 . 13 visible, the front side in the cylindrical housing 19 open and by means of a screw connection with the housing 19 are connected. At the the propellant gas supply lines 12 . 13 opposite end face is the cylindrical housing 19 with a blind flange 22 locked.

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.How out 3 seen, have in the housing 19 integrated jet pumps 10 . 11 one motive nozzle each 23 . 24 with an outlet opening 25 . 26 and an associated elongate pressure nozzle 27 . 28 each with an inlet opening 29 . 30 and one each outlet opening 31 . 32 on. The outlet openings 25 . 26 the motive nozzles 23 . 24 and the inlet openings 29 . 30 the pressure nozzles 27 . 28 Stand with a housing side trained suction chamber 33 in connection, in which also the inlet pipe 20 of the housing 19 flows (in 3 not visible). The outlet openings are analogous 31 . 32 the pressure nozzles 27 . 28 with a housing-side pressure chamber 34 in connection, in which the outlet nozzle 21 of the housing 19 flows (also in 3 not visible). This is the connection of both jet pumps 10 . 11 with the recirculation line 6 realized in a simple functional design.

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.Composed of inflow cone 35 . 36 , a mixed route 37 . 38 and a discharge cone 39 . 40 is each of the pressure nozzles 27 . 28 realized as Venturi tube, in which a taper of the flow cross-section of the pressure nozzle 27 . 28 between an inlet flow cross section 41 . 42 and an exit flow cross section 43 . 44 is trained. With the inflow of the hydrogen propulsion jet from the motive nozzles 23 . 24 in the pressure nozzles 27 . 28 becomes the negative pressure principle of jet pumps 10 . 11 realized in which the anode gas from the recirculation line 6 over the suction chamber 33 is sucked in and in the mixing section 37 . 38 is mixed with the hydrogen gas.

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.Designed for the specific capacity different sizes of the main and secondary pump 10 . 11 arise from the different sizes of the integral components of the jet pumps 10 . 11 , This is the exit opening 25 the motive nozzle 23 the main pump 10 formed larger than the outlet opening 26 the motive nozzle 24 the sub pump 11 , Likewise, the inlet flow cross-section 41 the pressure nozzle 27 the main pump 10 greater than the inlet flow area 42 the pressure nozzle 28 the sub pump 11 , This is the size ratio of the pressure nozzles 27 . 28 according to the associated entry flow section 41 . 42 also in its components inflow cone 35 . 36 , Mixed route 37 . 38 and outflow cone 39 . 40 , continued.

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.Based on a reading from the pressure sensor 18 , which has the corresponding demand for anode gas volume flow in the fuel cell stack 2 can be represented by means of the control unit 17 about the selection of solenoid valves 15 . 16 (ON / OFF function) the main pump 10 with the large capacity or the sub pump 11 be selectively controlled with the small flow rate and within the operating characteristic of the respective jet pump 10 . 11 with adjustment of the associated solenoid valve 15 . 16 (continuous control function) the capacity of the corresponding jet pump 10 . 11 be varied.

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 a changeover mode, the main pump alternately secures 10 the provision of an upper volume flow range in the high load region of the fuel cell stack 2 and the sub pump 11 covers the lower volume flow range for the low load area of the fuel cell stack 2 from. The jet pumps 10 . 11 are then optimally regulated in the power range of their special operating characteristic. Thus, in alternating use of both jet pumps 10 . 11 a very large volume flow range of the anode gas can be provided with high controllability. The sub pump 11 due to its minimized size, it also generates at the low capacity one of the control unit 17 requested small amount of hydrogen sufficient driving steel, the suction in the suction chamber 33 not leave. Thus, even in the low load operating conditions of the fuel cell stack 2 a stable circulation flow of the anode gas in the gas supply arrangement 5 guaranteed.

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.In further embodiments not described in detail and illustrated is the above-described gas supply arrangement according to the invention 5 analogously also for use in a cathode-side gas supply of the fuel cell device 1 applicable, in a recirculation line between an outlet and an inlet of the cathode side 4 the fuel cell device 1 a cathode gas is recycled. The jet pump assembly according to the invention serves to convey the cathode gas in the recirculation line with the addition of compressed air from a compressed air tank for refreshment and to drive the cathode gas, wherein the control unit controls the circulating cathode gas flow in the manner described above, analogously advantageous via the control of parallel jet pumps.

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.Likewise, the jet pump arrangement according to the invention with the advantages described above is analogous in a cathode-side gas supply of the fuel cell device 1 executable, in which only a circulation-free Kathodengaszu- and discharge on the cathode side 4 is provided. The jet pump arrangement according to the invention serves to convey the cathode gas, for example ambient air, from the surroundings of the fuel cell arrangement 1 via a gas supply line to the cathode side 4 of the fuel cell stack 2 with the addition of compressed air from a compressed air tank, wherein the control unit controls the cathode gas volume flow in the manner described above by controlling the parallel jet pumps.

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
33
Anodenseiteanode side
44
Kathodenseitecathode side
55
GasversorgungsanordnungGas supply arrangement
66
Rezirkulationsleitungrecirculation
77
Auslass der Anodenseiteoutlet the anode side
88th
Einlass der Anodenseiteinlet the anode side
99
StrahlpumpenanordnungJet pump assembly
1010
Erste Strahlpumpe, HauptpumpeFirst Jet pump, main pump
1111
Zweite Strahlpumpe, NebenpumpeSecond Jet pump, secondary pump
1212
TreibgaszuleitungLPG supply
1313
TreibgaszuleitungLPG supply
1414
Hochdruck-BrennstofftankHigh-pressure fuel tank
1515
Magnetventil der Hauptpumpemagnetic valve the main pump
1616
Magnetventil der Nebenpumpemagnetic valve the sub pump
1717
Steuereinheitcontrol unit
1818
Drucksensorpressure sensor
1919
zylindrischen Gehäusecylindrical casing
2020
Eintrittsstutzen des Gehäusesinlet connection of the housing
2121
Austrittsstutzen des Gehäusesoutlet connection of the housing
2222
Blindflanschblind flange
2323
Treibdüse der Hauptpumpepropelling nozzle the main pump
2424
Treibdüse der Nebenpumpepropelling nozzle the sub pump
2525
Austrittsöffnung der Treibdüseoutlet opening the motive nozzle
2626
Austrittsöffnung der Treibdüseoutlet opening the motive nozzle
2727
Druckdüse der Hauptpumpepressure nozzle the main pump
2828
Druckdüse der Nebenpumpepressure nozzle the sub pump
2929
Eintrittsöffnung der Druckdüseinlet opening the pressure nozzle
3030
Eintrittsöffnung der Druckdüseinlet opening the pressure nozzle
3131
Austrittsöffnung der Druckdüseoutlet opening the pressure nozzle
3232
Austrittsöffnung der Druckdüseoutlet opening the pressure nozzle
3333
Saugkammersuction chamber
3434
Druckkammerpressure chamber
3535
Einströmkonusintake cone
3636
Einströmkonusintake cone
3737
Mischstreckemixing section
3838
Mischstreckemixing section
3939
AusströmkonusAusströmkonus
4040
AusströmkonusAusströmkonus
4141
Eintrittsströmungsquerschnitt der DruckdüseInlet flow cross-section the pressure nozzle
4242
Eintrittsströmungsquerschnitt der DruckdüseInlet flow cross-section the pressure nozzle
4343
Austrittsströmungsquerschnitt der DruckdüseExit flow area the pressure nozzle
4444
Austrittsströmungsquerschnitt der DruckdüseExit flow area the pressure nozzle

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Claims (14)

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.Gas supply arrangement in a fuel cell device, comprising a jet pump arrangement for conveying a supply gas in a gas supply line using a propellant gas and with a control unit for controlling a supply gas volume flow, characterized in that the jet pump arrangement ( 9 ) at least two jet pumps ( 10 . 11 ) arranged in a parallel connection for the parallel delivery of the supply gas and by means of the control unit ( 17 ) are selectively controllable. 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.Gas supply arrangement according to claim 1, characterized in that the gas supply line is a recirculation line ( 6 ) between an anode-side outlet ( 7 ) and an anode-side inlet ( 8th ) of the fuel cell device ( 1 ), wherein the supplied supply gas is an anode gas and the propellant gas is a fuel gas. 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.Gas supply arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that each of the jet pumps ( 10 . 11 ) has a built according to a capacity size that differ from each other. 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.Gas supply arrangement according to claim 3, characterized in that a first jet pump ( 10 ) for a delivery rate for promoting a maximum supply gas volume flow and a second jet pump ( 11 ) is designed for a delivery rate to promote a minimum supply gas volume flow. 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.Gas supply arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the jet pumps ( 10 . 11 ) one motive nozzle each ( 23 . 24 ) with an outlet opening ( 25 . 26 ) and one associated longitudinally extending pressure nozzle ( 27 . 28 ) with an inlet and an outlet opening ( 29 . 30 . 31 . 32 ) having. 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.Gas supply arrangement according to claim 5, characterized in that the pressure nozzle ( 27 . 28 ) a venturi-like taper of the flow cross-section between an inlet flow cross section ( 41 . 42 ) and an outlet flow cross-section ( 43 . 44 ) having. 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).Gas supply arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that the outlet opening ( 25 ) of the motive nozzle ( 23 ) of the first jet pump ( 10 ) is formed larger than the outlet opening ( 26 ) of the motive nozzle ( 24 ) of the second jet pump ( 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.Gas supply arrangement according to one of claims 5 to 7, characterized in that the inlet flow cross section ( 41 ) of the pressure nozzle ( 27 ) of the first jet pump ( 10 ) is greater than the inlet flow area ( 42 ) of the pressure nozzle ( 28 ) of the second jet pump ( 11 ) and each of the pressure nozzles ( 27 . 28 ) in a fixed size ratio to its inlet flow cross-section ( 41 . 42 ) is trained. Gasversorgungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Austrittsöffnung (25, 26) der Treibdüse (23, 24) einstellbar ist.Gas supply arrangement according to one of claims 5 to 8, characterized in that the size of the outlet opening ( 25 . 26 ) of the motive nozzle ( 23 . 24 ) is adjustable. Gasversorgungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpen (10, 11) in einem gemeinsamen Gehäuse (19) angeordnet sind.Gas supply arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the jet pumps ( 10 . 11 ) in a common housing ( 19 ) are arranged. 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.Gas supply arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the outlet openings ( 25 . 26 ) of the motive nozzles ( 23 . 24 ) and the inlet openings ( 29 . 30 ) of the pressure nozzles ( 27 . 28 ) with a housing-side formed suction chamber ( 33 ) keep in touch. 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.Gas supply arrangement according to claim 10 or 11, characterized in that the outlet openings ( 31 . 32 ) of the pressure nozzles ( 27 . 28 ) with a housing-side pressure chamber ( 34 ) keep in touch. 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.Gas supply arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the jet pumps ( 10 . 11 ) each a propellant gas supply ( 12 . 13 ) with a solenoid valve ( 15 . 16 ) assigned by the control unit ( 17 ) is controllable. 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.Gas supply arrangement according to one of claims 4 to 12, characterized in that the first and second jet pump ( 10 . 11 ) each a propellant gas supply ( 12 . 13 ), wherein the propellant gas supply ( 12 ) of the first jet pump ( 10 ) a solenoid valve ( 15 ) provided by the control unit ( 17 ) is controllable.
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