DE102008003034A1 - Supply system for at least one fuel cell stack, method and jet pump in the supply system - Google Patents

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Alltagstauglichkeit eines Brennstoffzellensystems weiter zu verbessern.
Hierzu wird ein Versorgungssystem 5 für mindestens einen Brennstoffzellenstapel 2 mit mindestens einer Medienleitung 8 zur Zuführung und/oder zur Abführung von Medien in, innerhalb bzw. von dem Brennstoffzellenstapel 2, mit mindestens einem Funktionselement 19, wobei das Funktionselement 19 an einem Endbereich der Medienleitung 8 strömungstechnisch angeschlossen und zur Änderung des Strömungszustands des geführten Mediums ausgebildet ist, und mit einer Heizvorrichtung 9 zur Heizung des Funktionselements 19 und optional der Medienleitung 8, wobei die Heizvorrichtung 9 angeordnet und/oder ausgebildet ist, die Heizenergie lokal auf den Endbereich der Medienleitung konzentriert und/oder unabhängig von und/oder parallel zu der Medienleitung 8 an das Funktionselement 19 zu übertragen.The invention has for its object to further improve the practicality of a fuel cell system on.
For this purpose, a supply system 5 for at least one fuel cell stack 2 with at least one media line 8 for supplying and / or discharging media in, within or from the fuel cell stack 2, with at least one functional element 19, wherein the functional element 19 at an end region of the media line. 8 connected fluidically and is designed to change the flow state of the guided medium, and with a heater 9 for heating the functional element 19 and optionally the media line 8, wherein the heater 9 is arranged and / or formed, the heating energy concentrated locally on the end portion of the media line and / or independently of and / or parallel to the media line 8 to the functional element 19 to transmit.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Versorgungssystem für mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Medienleitung zur Zuführung und/oder zur Abführung von Medien in bzw. von dem Brennstoffzellenstapel, mit mindestens einem Funktionselement, wobei das Funktionselement in einem Endbereich der Medienleitung strömungstechnisch angeschlossen und zur Änderung des Strömungszustands des geführten Mediums ausgebildet ist, und mit einer Heizvorrichtung zur Heizung des Funktionselements und optional der Medienleitung sowie ein Kontrollverfahren und eine Strahlpumpe für das Versorgungssystem.The The invention relates to a supply system for at least one fuel cell stack with at least one media line for the supply and / or discharge of Media in or from the fuel cell stack, with at least one Functional element, wherein the functional element in an end region the fluid line fluidic connected and to change the flow state of the guided Medium is formed, and with a heater for heating the functional element and optionally the media line and a control method and a jet pump for the supply system.

Brennstoffzellensysteme dienen zur Erzeugung von elektrischer Energie auf Basis eines elektrochemischen Prozesses, wobei ein Brennstoff, oftmals Wasserstoff, zusammen mit einem Oxidationsmittel, oftmals Umgebungsluft, zur Wandlung von chemischer in elektrische Energie eingesetzt wird. Ein wichtiges Anwendungsgebiet derartiger Brennstoffzellensysteme betrifft die Erzeugung von Antriebsenergie für Fahrzeuge, die somit unabhängig von fossilen Brennstoffen betrieben werden können.Fuel cell systems are used to generate electrical energy based on an electrochemical Process, being a fuel, often hydrogen, along with an oxidizing agent, often ambient air, for the conversion of chemical is used in electrical energy. An important application Such fuel cell systems relates to the generation of drive energy for vehicles, thus independent of Fossil fuels can be operated.

Obwohl der zugrunde liegende elektrochemische Prozess längstens bekannt ist, stellt es eine technische Herausforderung dar, Brennstoffzellensysteme so auszugestalten, dass diese im Alltag robust und zuverlässig ihren Dienst verrichten.Even though The underlying electrochemical process has long been known It is a technical challenge, fuel cell systems in such a way that they are robust and reliable in everyday life Perform service.

Beispielsweise ist das Wassermanagement in den Brennstoffzellensystemen sehr wichtig, da zum einen die die Elektrodenbereiche trennende Elektrodenmembran im Betrieb stets ausreichend befeuchtet sein muss, um einen vorzeitigen Verschleiß zu verhindern, und zum anderen bei der elektrochemischen Reaktion Wasser gebildet wird, das abgeführt werden muss. Zur Kontrolle des Wasserhaushaltes ist es üblich, zum einen Entfeuchtungseinrichtungen zur Ableitung des gebildeten Wassers und Befeuchtungseinrichtungen zur Befeuchtung der Membran vorzusehen.For example the water management in fuel cell systems is very important on the one hand, the electrode membrane separating the electrode areas must always be sufficiently moistened in operation to a premature Wear too prevent, and on the other hand in the electrochemical reaction water is formed, which dissipated must become. To control the water balance, it is customary to a dehumidifier for the discharge of the water formed and To provide moistening for moistening the membrane.

Die Druckschrift 10013687 A1 betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Anlage zur Befeuchtung von Prozessgasen, wobei Wasser führende Medienleitungen der Brennstoffzelleneinheit zumindest teilweise als beheizbare Medienleitungen vorgesehen sind. Gemäß der Druckschrift hat diese Ausbildung den Vorteil, dass das Prozesswasser des Wasserhaushalts in den Medienleitungen unabhängig von den Umgebungsbedingungen flüssig gehalten werden kann und die Gefahr des Verschlusses von Medienleitungen und/oder von in den Medienleitungen angeordneten Ventilen und Pumpen durch Ausfrieren des Wassers vermieden wird.The Reference 10013687 A1 relates to a fuel cell system with a fuel cell unit and a system for humidifying Process gases, with water leading Media lines of the fuel cell unit at least partially are provided as heatable media lines. According to the document This training has the advantage that the process water of the water balance in independent of the media lines liquid from the ambient conditions can be kept and the risk of closure of media lines and / or arranged in the media lines valves and pumps By freezing the water is avoided.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Alltagstauglichkeit eines Brennstoffzellensystems weiter zu verbessern.Of the Invention is based on the object, the practicality of a Fuel cell system to further improve.

Diese Aufgabe wird durch ein Versorgungssystem für mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Kontrolle des Versorgungssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch eine Strahlpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.These Task is by a supply system for at least one fuel cell stack with the features of claim 1, by a method of control the supply system with the features of claim 12 and a jet pump with the features of claim 15 solved. preferred or advantageous embodiments The invention will become apparent from the dependent claims, the following description and the attached Characters.

Erfindungsgemäß wird ein Versorgungssystem vorgeschlagen, welches zur Versorgung von mindestens einem Brennstoffzellenstapel geeignet und/oder ausgebildet ist. Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel und das Versorgungssystem bilden vorzugsweise ein Brennstoffzellensystem, welches zur Energieversorgung eines Antriebsstrangs in einem Fahrzeug ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel weist eine Mehrzahl, vorzugsweise über 100 Brennstoffzellen auf, welche jeweils einen Kathoden- und einen Anodenbereich zeigen, die durch eine Elektrodenmembran, insbesondere eine Protonenaustauschmembran, voneinander getrennt sind.According to the invention is a Proposed supply system, which for the supply of at least a fuel cell stack is suitable and / or formed. The at least one fuel cell stack and the supply system preferably form a fuel cell system, which for energy supply a drive train is formed in a vehicle. The fuel cell stack has a plurality, preferably more than 100 fuel cells, which each show a cathode and an anode region, the by an electrode membrane, in particular a proton exchange membrane, are separated from each other.

Zur Zuführung und/oder zur Abführung von Medien, insbesondere Prozesswasser, Oxidationsmittelgase oder Brennstoffgas, in, innerhalb bzw. von dem Brennstoffzellenstapel weist das Versorgungssystem mindestens eine Medienleitung auf, die bevorzugt als Rohrleitungen mit und ohne Krümmungen ausgebildet sind.to feed and / or for removal of media, in particular process water, oxidant gases or Fuel gas, in, within or from the fuel cell stack the supply system has at least one media line which are preferably designed as pipelines with and without bends.

Das Versorgungssystem umfasst mindestens ein Funktionselement, das vorzugsweise unmittelbar in einem Endbereich der Medienleitung strömungstechnisch angeschlossen und zur Änderung des Strömungszustands des geführten Mediums ausgebildet ist. Der Strömungszustand wird insbesondere durch Schalten, Mischen, Drosseln und/oder hinsichtlich der Strömungsgeschwindigkeit oder der Dichteverteilung des Mediums geändert.The Supply system comprises at least one functional element, preferably directly in an end region of the media line fluidically connected and to change the flow state of the guided Medium is formed. The flow state is in particular by switching, mixing, throttling and / or in terms the flow velocity or the density distribution of the medium changed.

Weiterhin umfasst das Versorgungssystem eine Heizvorrichtung, welche zur Heizung des Funktionselements und optional der Medienleitung realisiert ist.Farther The supply system includes a heating device, which is used for heating realized the functional element and optionally the media line is.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Heizvorrichtung derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass die Heizenergie lokal auf den Endbereich der Medienleitung konzentriert und/oder unabhängig von und/oder parallel, insbesondere im Wesentlichen oder überwiegend parallel, zu der Medienleitung an das Funktionselement übertragen wird.According to the invention, it is proposed that the heating device is arranged and / or formed in such a way is that the heating energy is local to the end of the media line concentrated and / or independent from and / or in parallel, in particular substantially or predominantly parallel, is transmitted to the media line to the functional element.

Ein Gedanke der Erfindung ist es, anstatt der gesamten Medienleitung nur den Bereich des Funktionselements zu heizen und somit primär, größtenteils, maßgeblich und/oder ausschließlich die Wärmeenergie von der Heizvorrichtung an das Funktionselement statt an die Medienleitung zu übertragen. Insbesondere wird zumindest ein Großteil der an das Funktionselement übertragenen Wärmeenergie ohne Übertragung über die Medienleitung in das Funktionselement eingeleitet.One Thought of the invention is, rather than the entire media line only to heat the area of the functional element and thus primarily, for the most part, decisively and / or exclusively the heat energy from the heater to the functional element instead of the media line transferred to. Especially will be at least a big part the transmitted to the functional element Thermal energy without transmission over the Media line initiated in the functional element.

Mit dieser erfinderischen Ausgestaltung wird erreicht, dass das Versorgungssystem auch bei kalten Betriebszuständen, insbesondere in Gefrierzuständen, durch die Heizvorrichtung an relevanten Bereichen aufgetaut werden kann, ohne die gesamte Medienleitung zu heizen. Diese Vorgehensweise führt zu einer deutlichen Einsparung der zur Heizung benötigten Energie. Führt man sich vor Augen, dass insbesondere bei einem mobilen Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug vor dem Start des Brennstoffzellensystem nur gespeicherte Energie in begrenztem Umfang zur Verfügung steht, ergibt sich der Vorteil, dass die Energieressourcen der Speichereinrichtung geschont werden. Ferner ist es möglich, das Auftauen der relevanten Bereiche schneller durchzuführen, so dass die Freezing-Tauglichkeit deutlich erhöht werden kann.With This inventive embodiment is achieved that the supply system even in cold operating conditions, especially in freezing conditions, be thawed by the heater at relevant areas can, without heating the entire media line. This procedure leads to a Significant savings in energy required for heating. Leading to be aware of that, especially in a mobile fuel cell system stored in a vehicle before starting the fuel cell system only Energy is available to a limited extent, there is the advantage that the energy resources of the storage device are spared. It is also possible to perform the thawing of the relevant areas faster, so that the freezing ability can be increased significantly.

Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist das Funktionselement als ein einfrierkritisches Bauelement ausgebildet und vorzugsweise als Düse, Ventil oder Drossel verkörpert. Insbesondere die einfrierkritischen Bauelemente weisen Strömungsbereiche für das Medium auf, welche durch einen geringen Querschnitt, insbesondere einen geringeren Querschnitt als die Medienleitung gekennzeichnet ist.at A preferred embodiment of the invention is the functional element designed as a freezing critical component and preferably as a nozzle, Embodied valve or throttle. In particular, the freezing-critical components have flow areas for the Medium, which by a small cross-section, in particular a smaller cross-section than the media line marked is.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Funktionselement als eine Treibstrahldüse in einer Strahlpumpe bzw. Impulsaustauschmaschine, insbesondere einer Jetpumpe zur Beschleunigung oder Kompression des Brennstoffs für den Brennstoffzellenstapel ausgebildet.at a particularly preferred embodiment the invention is the functional element as a Treibstrahldüse in one Jet pump or pulse exchange machine, in particular a jet pump for accelerating or compressing the fuel for the fuel cell stack educated.

Die Strahlpumpe wird in dem Versorgungssystem eingesetzt, um ein in einem Anodenkreislauf rezirkuliertes Gas durch ein durch die Treibstrahldüse zugeführtes Treibgas, insbesondere in Form von Wasserstoff aus einem Vorratstank oder von einem Reformator, über einen Impulsübertrag zu beschleunigen.The Jet pump is used in the supply system to create a in an EGR recirculated gas through a propellant gas supplied through the propulsion jet nozzle, in particular in the form of hydrogen from a storage tank or from a reformer, about a momentum transfer to accelerate.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Versorgungssystem die Strahlpumpe, wie sie soeben beschrieben wurde, wobei die Heizvorrichtung in einem Gehäuse der Strahlpumpe integriert ist. Bevorzugt weist dieses Gehäuse eine Schnittstelle für die Medienleitung auf. Der Übertrag der Heizenergie von der Heizvorrichtung zu dem Funktionselement findet bei dieser Weiterbildung innerhalb des Gehäuses und unabhängig von der Medienleitung statt.at A preferred embodiment of the invention comprises the supply system the jet pump as just described, the heater in a housing the jet pump is integrated. Preferably, this housing has an interface for the Media line on. The transfer of Heating energy from the heater to the functional element finds in this development within the case and regardless of the media management.

Bei einer besonders bevorzugten konstruktiven Realisierung weist die Strahlpumpe einen Grundkörper auf, der vorzugsweise einstückig ausgebildet ist und der das Funktionselement trägt oder bildet, wobei die Heizvorrichtung in dem Grundkörper integriert ist, so dass die Heizenergie über den Grundkörper an das Funktionselement übertragen wird.at a particularly preferred structural realization, the Jet pump a body on, preferably in one piece is formed and which carries or forms the functional element, wherein the heating device integrated in the body is, so the heating energy is over the main body is transmitted to the functional element.

Bei einer besonders bevorzugten Konkretisierung ist in dem Grundkörper die Treibstrahldüse für frischen Wasserstoff und die Hauptstromdüse für rezirkulierten Wasserstoff integriert.at a particularly preferred concretization is in the body the Treibstrahldüse for fresh Hydrogen and the main flow nozzle for recirculated Integrated hydrogen.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Heizvorrichtung in dem Grundkörper lösbar befestigt ist, also beispielsweise einsteckbar oder einschraubbar ausgebildet ist.It is further preferred that the heater releasably secured in the body is, for example, plugged or screwed formed is.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Heizvorrichtung als eine elektrische Heizung ausgebildet, die in einem thermischen Kontakt mit dem Funktionselement steht. Vorzugsweise ist der thermische Kontakt so ausgebildet, dass ein Großteil der übertragenen Heizleistung unabhängig von der Medienleitung von der Heizvorrichtung zu dem Funktionselement fließt.at a particularly preferred embodiment According to the invention, the heating device is an electric heater formed, which is in thermal contact with the functional element. Preferably, the thermal contact is formed so that a large part the transmitted heat output independently from the media line from the heater to the functional element flows.

Bei einer Abwandlung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung als eine elektrochemische Heizung ausgebildet ist, wobei die Heizenergie durch einen Katalyten und das geführte Medium, insbesondere Wasserstoff erzeugt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heizvorrichtung als eine Beschichtung des Funktionselements und/oder als eine katalytische Reaktionsschicht ausgebildet. Weitere Alternativen zur Ausbildung der Heizvorrichtung sind IR-/NIR-Strahler.at In a modification of the invention, it is provided that the heating device is designed as an electrochemical heater, wherein the heating energy by a catalyst and the guided medium, in particular hydrogen is produced. In a preferred embodiment, the heater is as a coating of the functional element and / or as a catalytic Reaction layer formed. Other alternatives to training the heater are IR / NIR emitters.

Um die Heizungsvorrichtung eigensicher auszubilden, das heißt, dass diese zum Beispiel im Fehlerfall dauerhaft betrieben werden kann, ohne dass dies zum Nachteil nachfolgenden Beschädigungen führt, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Heizvorrichtung von dem geführten Medium gasisoliert angeordnet ist.Around make the heating device intrinsically safe, that is, that this can be operated permanently, for example, in the event of a fault, without this leading to damage subsequent damage is preferably provided in that the heating device is arranged gas-insulated from the guided medium is.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung weist das Versorgungssystem eine Steuerungsvorrichtung zur Ansteuerung der Heizvorrichtung auf, welche mit einem Temperatursensor und/oder einer Brennstoffzellenstapelbetriebserfassung signaltechnisch gekoppelt bzw. koppelbar ist.at a development of the invention, the supply system a Control device for controlling the heater, which with a temperature sensor and / or a fuel cell stack operation detection signal technology coupled or can be coupled.

Diese Weiterbildung der Erfindung erlaubt die Durchführung eines Verfahrens zur Kontrolle des Versorgungssystems gemäß dem Anspruch 12, das einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet.These Development of the invention allows the implementation of a method for Control of the supply system according to claim 12, comprising a forms further subject of the invention.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung temperaturabhängig und/oder abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels bzw. des Brennstoffzellensystems kontrolliert, insbesondere gesteuert oder geregelt wird.at the method according to the invention is provided that the heater depends on temperature and / or dependent from the operating state of the fuel cell stack or the fuel cell system controlled, in particular controlled or regulated.

Die temperaturabhängige Steuerung erfolgt dabei z. B. wahlweise über die Auswertung einer lokalen Temperatur im Bereich des Funktionselements, einer globalen Temperatur des Brennstoffzellenstapels und/oder einer externen Temperatur, also einer Außentemperatur.The temperature-dependent Control takes place z. B. optionally via the evaluation of a local Temperature in the area of the functional element, a global temperature the fuel cell stack and / or an external temperature, So an outside temperature.

Bei einer ersten möglichen Betriebsart des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Heizvorrichtung zum Enteisen des Funktionselements und/oder während der Startphase des Brennstoffzellenstapels aktiviert. Bei dieser Betriebsart ist aufgrund der besonderen konstruktiven Ausgestaltung des Versorgungssystems möglich mit sehr geringen Heizenergien, zum Beispiel kleiner als 100 Watt, vorzugsweise kleiner als 50 Watt Heizleistung auszukommen.at a first possible Operating mode of the method according to the invention the heating device is used to defrost the functional element and / or during the Start phase of the fuel cell stack activated. In this mode is due to the special structural design of the supply system possible with very low heating energy, for example less than 100 watts, preferably to get by less than 50 watts of heating power.

Bei einer weiteren möglichen Betriebsart des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Heizvorrichtung zur Vermeidung von Kondensat und/oder während einer Abkühlphase des Brennstoffzellenstapels aktiviert. Dadurch, dass die Heizvorrichtung während des Betriebs oder während der Abkühlphase des Brennstoffzellenstapels eingeschaltet wird, wird der Taupunkt an der Treibstrahldüse verschoben, so dass kein oder weniger Kondensat an der Treibstrahldüse gebildet wird.at another possible Operating mode of the method according to the invention the heater is used to prevent condensation and / or during a cooling phase activated the fuel cell stack. In that the heater during the Operation or during the cooling phase of the fuel cell stack is turned on, the dew point at the jet nozzle shifted, so that no or less condensate formed on the propulsion jet becomes.

Optional kann das Versorgungssystem, insbesondere die Heizvorrichtung auch während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zum Auftauen von Eispartikeln während des Betriebs oder zum Verdampfen von Wasser nach dem Betrieb vorteilhaft eingesetzt werden. In den verschiedenen Betriebsarten kann die Heizvorrichtung mit verschiedenen Heizleistungen betrieben werden.optional can the supply system, in particular the heater too while the operation of the fuel cell stack for thawing ice particles while the operation or used to evaporate water after operation advantageous become. In the different operating modes, the heater can be operated with different heating powers.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch eine Strahlpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 15 optional in Verbindung mit beliebigen Merkmalen der zuvor beschriebenen Strahlpumpe.One Another object of the invention is achieved by a jet pump the features of claim 15 optionally in conjunction with any features the jet pump described above.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figur eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigen:Further Features, advantages and effects of the invention will become apparent the following figure of a preferred embodiment of the invention. Showing:

1 ein schematisches Blockdiagramm eines Versorgungssystems als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung; 1 a schematic block diagram of a supply system as an embodiment of the invention;

2 einen Ausschnitt der Treibstrahlpumpe in 1 in schematischer Darstellung. 2 a section of the jet pump in 1 in a schematic representation.

Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1, wie es beispielsweise in Fahrzeugen zur Versorgung des Antriebsstrangs mit elektrischer Energie eingesetzt wird. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst mindestens einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, welche jeweils einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 aufweisen, die in der 1 schematisch zusammengefasst dargestellt sind.The 1 shows a fuel cell system 1 , as used for example in vehicles for supplying the drive train with electrical energy. The fuel cell system 1 includes at least one fuel cell stack 2 with a plurality of fuel cells, each having an anode region 3 and a cathode region 4 have in the 1 are shown schematically summarized.

Zur Versorgung des Anodenbereichs 3 mit Wasserstoff umfasst das Brennstoffzellensystem 1 ein Versorgungssystem 5, welches unverbrauchten Wasserstoff aus einem Tank 6 über eine Pumpenvorrichtung 7 in den Anodenbereich 3 leitet. Der nach der elektrochemischen Reaktion teilverbrauchte Wasserstoff aus dem Anodenbereich 3 wird über eine Rezirkulationsanordnung 8 zu der Pumpenvorrichtung 7 zurückgeführt, dort mit frischem oder unverbrauchtem Wasserstoff aus dem Tank 6 gemischt und wieder in den Anodenbereich 3 geleitet.To supply the anode area 3 with hydrogen includes the fuel cell system 1 a supply system 5 which unused hydrogen from a tank 6 via a pump device 7 in the anode area 3 passes. The partially consumed after the electrochemical reaction hydrogen from the anode region 3 is via a recirculation arrangement 8th to the pump device 7 returned, there with fresh or unused hydrogen from the tank 6 mixed and returned to the anode area 3 directed.

Um ein robustes und störunanfälliges Betriebsverhalten des Brennstoffzellensystems 1 sicherzustellen, ist in der Pumpenvorrichtung 7 eine Heizvorrichtung 9 integriert, die ausgebildet und/oder angeordnet ist, einfrierkritische Bauelemente in der Pumpenvorrichtung 7 lokal und/oder selektiv zu erwärmen. Durch die Integration der Heizvorrichtung 9 in die Pumpenvorrichtung 7 können diese einfrierkritischen Bauelemente mit einem sehr geringen Energieaufwand gewärmt bzw. enteist werden. Zur Steuerung der Heizvorrichtung 9 ist diese mit einer Steuerungsvorrichtung 10 verbunden, welche temperaturbasiert und/oder betriebsartbasiert die Heizvorrichtung 9 kontrolliert.To a robust and störunanfälliges operating behavior of the fuel cell system 1 is in the pump device 7 a heater 9 integrated, which is formed and / or arranged, freezing critical components in the pump device 7 locally and / or selectively to heat. By integrating the heater 9 into the pump device 7 These freezing critical components can be warmed or de-iced with a very low energy consumption. To control the heater 9 this is with a control device 10 which temperature-based and / or mode-based the heater 9 controlled.

Die Steuerungsvorrichtung 10 ist mit einem ersten Temperatursensor 11 verbunden, welcher die Temperatur in der Pumpenvorrichtung 7, oder im Bereich der Pumpenvorrichtung 7 aufnimmt. Alternativ oder ergänzend ist die Steuerungsvorrichtung 10 mit einem zweiten Temperatursensor 12 verbunden, welcher die Außentemperatur aufnimmt. Optional ist die Steuerungsvorrichtung 10 signaltechnisch mit einer Betriebsarterfassungseinrichtung 13 verbunden, die der Steuerungsvorrichtung 10 ein Signal in Abhängigkeit der Betriebsart, insbesondere hinsichtlich einer Startphase oder einer Abkühlphase des Brennstoffzellensystems 1 liefert.The control device 10 is with a first temperature sensor 11 connected, which the temperature in the pump device 7 , or in the area of the pump device 7 receives. Alternatively or additionally, the control device 10 with a second temperature sensor 12 connected, which receives the outside temperature. Optionally, the control device 10 signal technically with a Betriebsarterfassungseinrichtung 13 connected to the control device 10 a signal as a function of the operating mode, in particular with regard to a starting phase or a cooling phase of the fuel cell system 1 supplies.

Auf Basis der Eingangssignale von dem ersten Temperatursensor 11, dem zweiten Temperatursensor 12 bzw. der Betriebsarterfassungseinrichtung 13 wird die Heizvorrichtung 9 beispielsweise in der Startphase bei Temperaturen unter 0°C aktiviert. Alternativ oder ergänzend wird die Heizvorrichtung 9 bei einer Abkühlphase des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Brennstoffzellenstapels 2 aktiviert, um den Taupunkt im Bereich der Pumpenvorrichtung 7 zu verschieben und ein Auskondensieren von Wasser zu unterbinden. In einer weiteren möglichen Betriebsart wird die Pumpenvorrichtung 7 gewärmt, um auftretendes Kondensat zu verdunsten.Based on the input signals from the first temperature sensor 11 , the second temperature sensor 12 or the operation detection device 13 becomes the heater 9 for example, activated in the startup phase at temperatures below 0 ° C. Alternatively or additionally, the heating device 9 at a cooling phase of the fuel cell system 1 or the fuel cell stack 2 activated to the dew point in the area of the pump device 7 to move and to prevent condensation of water. In another possible mode of operation, the pump device becomes 7 warmed to evaporate any condensate.

Die 2 zeigt die Pumpenvorrichtung 7 in einer stark schematisierten, nicht maßstabsgetreuen Querschnittdarstellung im Mischbereich des rezirkulierten Wasserstoffgases 14 und des zugeführten frischen Wasserstoffgases 15 aus dem Tank 6. Die Pumpenvorrichtung 7 ist als Impulsaustauschmaschine ausgebildet, wobei in der gezeigten Beschleunigungsstufe das rezirkulierte Wasserstoffgas 14 durch das zugeführte Wasserstoffgas 15 als Treibgas über einen Impulsübertrag beschleunigt wird.The 2 shows the pump device 7 in a highly schematic, not true to scale cross-sectional representation in the mixing region of the recirculated hydrogen gas 14 and the supplied fresh hydrogen gas 15 from the tank 6 , The pump device 7 is designed as a pulse exchange machine, wherein in the acceleration stage shown the recirculated hydrogen gas 14 by the supplied hydrogen gas 15 is accelerated as propellant gas via a momentum transfer.

Die Pumpenvorrichtung 7 weist einen Grundkörper 16 auf, in dem ein Konus 17 zur Führung des rezirkulierten Wasserstoffgases 14 eingebracht ist. Wandseitig und parallel zu der Längserstreckung des Konus 17 sind einzelne Bohrungen 18 eingebracht, die als Treibstrahldüse 19 wirken. Die Treibstrahldüsen 19 sind vorzugsweise in Umlaufrichtung um den Konus 17 regelmäßig verteilt.The pump device 7 has a basic body 16 in which a cone 17 for guiding the recirculated hydrogen gas 14 is introduced. On the wall side and parallel to the longitudinal extent of the cone 17 are single holes 18 introduced, as a Treibstrahldüse 19 Act. The propulsion jet nozzles 19 are preferably in the direction of rotation about the cone 17 distributed regularly.

Gerade bei tiefen Temperaturen sind die Treibstrahldüsen 19 aufgrund ihres geringen freien Durchmessers einfrierkritische Bauteile. Um auch bei tiefen Temperaturen die Betriebssicherheit der Pumpenvorrichtung 7 sicherzustellen, ist in dieser die Heizungsvorrichtung 9 integriert, wobei diese als elektrische Heizung mit einer stiftförmigen Gestalt ausgebildet ist, die in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Treibstrahldüse 19 in den Grundkörper 16 eingeschraubt oder eingesteckt ist. Durch die örtliche Nähe von Heizungsvorrichtungen 9 und Treibstrahldüse 19 ist es möglich, auch bei tiefen Temperaturen die Treibstrahldüse 19 innerhalb von wenigen Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden mit einer Heizleistung von kleiner als 50 Watt aufzutauen.Especially at low temperatures are the propulsion jet nozzles 19 due to their small free diameter freezing critical components. Even at low temperatures, the reliability of the pump device 7 ensure is in this the heating device 9 integrated, which is designed as an electric heater with a pin-shaped, in the immediate vicinity of the Treibstrahldüse 19 into the main body 16 screwed in or plugged in. Due to the local proximity of heating devices 9 and jet nozzle 19 It is possible, even at low temperatures, the Treibstrahldüse 19 thaw within a few seconds, especially less than 10 seconds with a heating power of less than 50 watts.

Die Heizvorrichtung 9 erlaubt somit ein Auftauen von Eispartikeln vor dem Betrieb, ein Auftauen von Eispartikeln während des Betriebs, ein Verdampfen von Wasser nach dem Betrieb und ein Verschieben des Taupunkts an der Treibstrahldüse, so dass kein oder weniger Kondensat an der Treibstrahldüse 19 vorhanden ist. Ein weiterer Vorteil des in der 2 dargestellten Heizungskonzeptes ist es, dass die Heizvorrichtung 9 von dem geführten Medium Wasserstoff räumlich getrennt ist, so dass die Heizungsvorrichtung 9 eigensicher ist, das heißt, sie kann – wie zum Beispiel im Fehlerfall – dauerhaft betrieben werden, ohne dass dies zu nachfolgenden Beschädigungen führt.The heater 9 thus allows thawing of ice particles before operation, thawing of ice particles during operation, evaporation of water after operation and shifting of the dew point at the Treibstrahldüse, so that no or less condensate on the Treibstrahldüse 19 is available. Another advantage of in the 2 shown heating concept is that the heater 9 is spatially separated from the guided medium hydrogen, so that the heating device 9 is intrinsically safe, that is, it can - as in the event of a fault - be operated permanently, without this leading to subsequent damage.

Bei abgewandelten Ausführungsformen wird die lokale Beheizung der Treibstrahldüsen 19 durch andersartige Heizvorrichtungen durchgeführt, so wird ein ähnlicher Effekt beispielsweise dadurch erreicht, indem man auf den Wänden der Treibstrahldüsen eine katalytische Reaktionsschicht aufbringt, so dass eine Beheizung über die Wärmeentstehung bei chemischen oder physikalischen Effekten analog zu einem katalytischen Brenner oder einem Wasserstoffhybridspeicher umgesetzt wird. Weitere Möglichkeiten für die Heizungsvorrichtung 9 sind IR/NIR-Strahlungsvorrichtungen.In modified embodiments, the local heating of the propulsion jet nozzles 19 performed by other types of heating devices, a similar effect is achieved, for example, by applying a catalytic reaction layer on the walls of the propulsion jet nozzles, so that heating via the heat generation in chemical or physical effects is implemented analogous to a catalytic burner or a hydrogen hybrid storage. Other options for the heating device 9 are IR / NIR radiation devices.

Claims (15)

Versorgungssystem (5) für mindestens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit mindestens einer Medienleitung (8) zur Zuführung und/oder zur Abführung von Medien in, innerhalb bzw. von dem Brennstoffzellenstapel (2), mit mindestens einem Funktionselement (19), wobei das Funktionselement (19) an einem Endbereich der Medienleitung (8) strömungstechnisch angeschlossen und zur Änderung des Strömungszustands des geführten Mediums ausgebildet ist, und mit einer Heizvorrichtung (9) zur Heizung des Funktionselements (19) und optional der Medienleitung (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (9) angeordnet und/oder ausgebildet ist, die Heizenergie lokal auf den Endbereich der Medienleitung konzentriert und/oder unabhängig von und/oder parallel zu der Medienleitung (8) an das Funktionselement (19) zu übertragen.Supply system ( 5 ) for at least one fuel cell stack ( 2 ) with at least one media line ( 8th ) for supplying and / or discharging media in, within or from the fuel cell stack ( 2 ), with at least one functional element ( 19 ), wherein the functional element ( 19 ) at an end region of the media line ( 8th ) is fluidically connected and designed to change the flow state of the guided medium, and with a heating device ( 9 ) for heating the functional element ( 19 ) and optionally the media line ( 8th ), characterized in that the heating device ( 9 ) is arranged and / or formed, the heating energy locally concentrated on the end portion of the media line and / or independently of and / or in parallel to the media line ( 8th ) to the functional element ( 19 ) transferred to. Versorgungssystem (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (19) als einfrierkritisches Bauelement ausgebildet ist.Supply system ( 5 ) according to claim 1, characterized in that the functional element ( 19 ) is designed as a freezing critical component. Versorgungssystem (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (19) als Düse, Ventil oder Drossel ausgebildet ist.Supply system ( 5 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the functional element ( 19 ) is designed as a nozzle, valve or throttle. Versorgungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement als eine Treibstrahldüse (19) in einer Strahlpumpe (7) zur Beschleunigung oder Kompression des Brennstoffs ausgebildet ist.Supply system ( 5 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the functional element as a propulsion jet nozzle ( 19 ) in a jet pump ( 7 ) is designed to accelerate or compress the fuel. Versorgungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine oder die Strahlpumpe (7), wobei die Heizvorrichtung (9) in dem Gehäuse der Strahlpumpe (9) integriert ist.Supply system ( 5 ) according to one of the preceding claims, characterized by one or the jet pump ( 7 ), wherein the heating device ( 9 ) in the housing of the jet pump ( 9 ) is integrated. Versorgungssystem (5) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet dass die Heizvorrichtung (9) in einem Grundkörper (16) der Strahlpumpe (19) integriert ist, der das Funktionselement (19) trägt oder bildet.Supply system ( 5 ) according to claim 5, characterized in that the heating device ( 9 ) in a basic body ( 16 ) of the jet pump ( 19 ), which is the functional element ( 19 ) or forms. Versorgungssystem (5) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Grundkörper die Treibstrahldüse (19) und eine Hauptstromdüse (17) integriert ist.Supply system ( 5 ) according to claim 6, characterized in that in the main body of the propulsion jet nozzle ( 19 ) and a main flow nozzle ( 17 ) is integrated. Versorgungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (9) als elektrische Heizung ausgebildet ist.Supply system ( 5 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device ( 9 ) is designed as an electric heater. Versorgungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (9) als eine chemische Heizung, vorzugsweise als Beschichtung des Funktionselements, insbesondere als eine katalytische Reaktionsschicht ausgebildet ist.Supply system ( 5 ) according to one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that the heating device ( 9 ) is designed as a chemical heater, preferably as a coating of the functional element, in particular as a catalytic reaction layer. Versorgungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (9) vom geführten Medium gasisoliert angeordnet ist.Supply system ( 5 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device ( 9 ) is arranged gas insulated from the guided medium. Versorgungssystem (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuerungsvorrichtung (10) zur Ansteuerung der Heizvorrichtung (9) sowie einen Temperatursensor (11, 12) und/oder eine Brennstoffzellenstapelbetriebsarterfassung (13), welcher bzw. welche mit der Steuerungsvorrichtung (10) signaltechnisch gekoppelt ist bzw. sind.Supply system ( 5 ) according to one of the preceding claims, characterized by a control device ( 10 ) for controlling the heating device ( 9 ) and a temperature sensor ( 11 . 12 ) and / or a fuel cell stack mode detector ( 13 ), which with the control device ( 10 ) is technically coupled or are. Verfahren zur Kontrolle des Versorgungssystems (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (9) temperaturabhängig und/oder abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels (2) gesteuert wird.Method of controlling the supply system ( 5 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device ( 9 ) Depending on the temperature and / or depending on the operating state of the fuel cell stack ( 2 ) is controlled. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (9) zum Enteisen des Funktionselements (19) und/oder während der Startphase des Brennstoffzellenstapels (2) aktiviert wird.Method according to claim 12, characterized in that the heating device ( 9 ) for deicing the functional element ( 19 ) and / or during the starting phase of the fuel cell stack ( 2 ) is activated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (9) zur Vermeidung von Kondensat und/oder während einer Abkühlphase des Brennstoffzellenstapels (2) aktiviert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the heating device ( 9 ) to avoid condensate and / or during a cooling phase of the fuel cell stack ( 2 ) is activated. Strahlpumpe (7) zum Anschluss an mindestens eine Medienleitung, insbesondere für das Versorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mindestens einem oder dem Funktionselement (19), wobei das Funktionselement (19) zur Änderung des Strömungszustands des in der Strahlpumpe (7) geführten Mediums ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine integrierte oder die Heizvorrichtung (9), wobei die Heizvorrichtung (9) zur Übertragung von Heizenergie auf das Funktionselement (19) ausgebildet und/oder angeordnet ist.Jet pump ( 7 ) for connection to at least one media line, in particular for the supply system according to one of the preceding claims, with at least one or the functional element ( 19 ), wherein the functional element ( 19 ) for changing the flow state of the in the jet pump ( 7 ) guided medium, characterized by an integrated or the heating device ( 9 ), wherein the heating device ( 9 ) for the transmission of heating energy to the functional element ( 19 ) is formed and / or arranged.
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