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Die Erfindung betrifft eine Gasstrahlpumpe zur Förderung eines Hauptgasstroms durch einen Treibgasstrom nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Gasstrahlpumpe.
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Gasstrahlpumpen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die am weitesten verbreitete Bauform von Gasstrahlpumpen nutzt dabei einen Treibgasstrahl, welcher in ein sogenanntes Venturirohr einströmt, welches eine Querschnittsverengung aufweist. Zusätzlich zu dem Treibgasstrom wird dem Venturirohr der zu fördernde Hauptgasstrom zugeführt, und zwar so, dass dieser in Strömungsvorrichtung vor oder spätestens im Bereich der Querschnittsverengung in Kontakt zu dem Treibgasstrom kommt. Durch die Querschnittsverengung und einem davor und danach weiter ausgebildeten Querschnitt kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Treibgasstroms im Bereich dieser Querschnittsverengung aufgrund des Kontinuitätsgesetzes. Dadurch entsteht ein Unterdruck im Bereich der Querschnittsverengung, welcher den Hauptgasstrom ansaugt und vermischt mit dem Treibgasstrom fördert.
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Dieser Aufbau ist so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Er kann vielfältig eingesetzt werden. So finden Gasstrahlpumpen in Brennstoffzellensystemen ihren Einsatz, um beispielsweise im Rahmen einer sogenannten Anodenrezirkulation Abgas aus dem Anodenbereich zum Eingang des Anodenbereichs zurückzufördern. Der frische zudosierte Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, dient dann als Treibgasstrom, um das Anodenabgas entsprechend anzusaugen. Dies ist hinsichtlich des Energieaufwands zur Rezirkulation des Anodenabgases von Vorteil. Ergänzend oder alternativ dazu lassen sich Wasserstoffrezirkulationsgebläse einsetzen. Diese sind jedoch vergleichsweise energieintensiv und aufwändig. Beispielhaft wird für einen solchen Aufbau auf die
DE 102 51 878 C5 hingewiesen. Die Problematik der vergleichsweise schwierigen Auslegung einer Gasstrahlpumpe über den gesamten auftretenden Lastbereich des Brennstoffzellensystems wird hier durch die zusätzliche Wasserstoffpumpe in Farm eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses entgegengewirkt. Dieser Aufbau ist sehr aufwändig und teuer, da er neben der Gasstrahlpumpe auch das Wasserstoffrezirkulationsgebläse benötigt.
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Ein alternativer Aufbau ist aus der
DE 10 2007 004 590 A1 bekannt. Um eine Anpassung der Förderleistung der Gasstrahlpumpe zu erzielen, werden hier zwei Gasstrahlpumpen, integriert in ein Gehäuse, miteinander kombiniert. Jede der Gasstrahlpumpen weist das für sie typische Venturirohr und die Zuleitung eines Treibgasstroms auf. Die Treibgasströme sind entsprechend aufgeteilt und über Ventileinrichtungen schaltbar. Sie können so geschaltet werden, dass entweder der eine oder der andere oder beide Treibgasströme in das jeweilige Venturirohr einströmen. Dadurch lässt sich die eine oder die andere Gasstrahlpumpe oder beide Gasstrahlpumpen zusammen betreiben. Der Aufbau ist aufgrund der doppelt vorhandenen Gasstrahlpumpe, welche jeweils ein Venturirohr und die entsprechenden Gasanschlüsse aufweisen muss, trotz der Integration in ein Gehäuse vergleichsweise aufwändig, groß und schwer.
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Ferner beschreibt die
DE 2006 019 077 A1 einen Aufbau, bei welchem eine Düsenöffnung für den Treibstrahl verändert werden kann. Dies ist mechanisch außerordentlich komplex. Der Aufbau wird damit sehr teuer und störanfällig.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Gasstrahlpumpe beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Gasstrahlpumpe anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und einen einfachen und kompakten Aufbau bietet, welcher hinsichtlich der benötigten Förderleistung ausreichend flexibel verwendbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Gasstrahlpumpe sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Außerdem löst ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 die Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe nutzt ein gemeinsames Venturirohr, welchem ein in wenigstens zwei getrennte Teiltreibgasströme aufgeteilter Treibgasstrom zuführbar ist. Dabei ist wenigstens einer der zwei getrennten Teiltreibgasströme über eine Ventileinrichtung in seinem Volumenstrom beeinflussbar. Der Aufbau kann also ähnlich wie ein Aufbau mit zwei eigenen Gasstrahlpumpen über die Aufteilung des Treibgasstroms in zwei Teiltreibgasströme entweder nur mit dem einen oder dem anderen oder beiden der Teiltreibgasströme verwendet werden. Damit entsteht ein einfacher und sehr kompakter Aufbau einer in ihrer Leistung zumindest in zwei Stufen schaltbaren Gasstrahlpumpe, welcher mit einem einzigen Venturirohr auskommt. Dieses Venturirohr muss dann selbstverständlich so ausgelegt sein, dass es auf einen mittleren Volumenstrom des Treibgasstroms hin optimiert ausgebildet ist, sodass die Funktionalität sowohl mit einem als auch mit mehreren der Teiltreibgasströme gegeben ist.
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Die Feinheit in der Regulierung der Förderleistung der Gasstrahlpumpe lässt sich dabei durch die Anzahl der einzelnen Teiltreibgasströme leicht beeinflussen. In der Praxis werden sicher zwei bis drei Teiltreibgasströme eine sinnvolle Variation in der Leistung ergeben. Prinzipiell sind jedoch auch beliebig viele einzelne Teiltreibgasströme möglich, sodass eine quasi kontinuierliche Leistungsanpassung möglich ist.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei vorgesehen, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung als 2/2-Wegeventil, insbesondere als Magnetventil, ausgebildet ist. Eine solche Ausbildung der wenigstens einen Ventileinrichtung als 2/2-Wegeventil ist entsprechend einfach und effizient. Diese kann insbesondere in Form eines Magnetventils realisiert werden, welches einfach ansteuerbar und kostengünstig am Markt verfügbar ist. Der Nachteil bei einem solchen Magnetventil liegt jedoch darin, dass der Strömungsquerschnitt typischerweise vergleichsweise schlagartig freigegeben wird. Damit bricht die Förderleistung kurzzeitig zusammen, da sich die Teiltreibgasströme beim Öffnen eines der Magnetventile anders aufteilen und eine verminderte Durchströmung der bereits offenen Strömungsquerschnitte auftritt.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe ist es daher vorgesehen, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung als Proportionalventil ausgebildet ist. Ein solches Proportionalventil erlaubt eine kontinuierliche Erhöhung des durchströmbaren Querschnitts, sodass ein Einbruch des Drucks und der Förderleistung vermieden werden kann. Der Aufbau erlaubt so eine bessere Ansteuerung der benötigten Förderleistung der Gasstrahlpumpe, da beim Öffnen der Ventileinrichtung die Förderleistung nicht kurzzeitig zusammenbricht, sondern durch die kontinuierliche Öffnung der Ventileinrichtung entsprechend aufrechterhalten werden kann.
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Die oben genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Brennstoffzellensystem mit einer Abgasrezirkulation gelöst, wobei die Abgasrezirkulation wenigstens einen aus einer Brennstoffzelle strömenden Abgasstrom zusammen mit einem zudosierten Eduktgasstrom zur Brennstoffzelle zurückführt, wobei in der Anodenrezirkulation eine Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung mit dem Abgasstrom als Hauptgasstrom und dem Eduktgasstrom als Treibgasstrom vorgesehen ist.
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Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe, welche mit einem einfachen, kleinen, kompakten und leichten Aufbau dennoch eine hohe Variabilität hinsichtlich der Förderleistung ermöglicht, ist insbesondere für die Abgasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem von besonderem Vorteil. In einer solchen Abgasrezirkulation muss in Abhängigkeit der von der Brennstoffzelle geförderten elektrischen Leistung die Rezirkulationsrate entsprechend eingestellt werden. Damit ergibt sich ein Aufbau, bei welchem eine hohe Variabilität in der Förderleistung der Gasstrahlpumpe benötigt wird. Andererseits wird ohnehin ein unter Druck gespeichertes oder verdichtetes Eduktgas der Brennstoffzelle zugeführt, sodass ein unter ausreichendem Druck stehender Treibgasstrom zur Verfügung steht. Die Verwendung einer Gasstrahlpumpe hat gegenüber einem Rezirkulationsgebläse also auch entscheidende Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz des Gesamtsystems.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass die Abgasrezirkulation als Anodenabgasrezirkulation ausgebildet ist. Insbesondere im Bereich des Anodenabgases ist die Verwendung einer Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung von besonderem Vorteil. Hier steht typischerweise Wasserstoff als Eduktgasstrom für den Anodenraum der Brennstoffzelle zur Verfügung.
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Da dieser Wasserstoff im Allgemeinen unter hohem Druck in einem Druckgasspeicher gespeichert ist, steht die für den Wasserstoff als Treibgasstrom benötigte Energie ohnehin zur Verfügung, sodass hier besonders energieeffizient mit der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe die Anodenrezirkulation betrieben werden kann.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass der Treibgasstrom in Strömungsrichtung nach einem Dosierventil in die wenigstens zwei Teiltreibgasströme verzweigt ist. Das Dosierventil, welches oft in Kombination mit einem Druckregelventil ausgebildet ist, ist dabei vergleichsweise komplex und aufwändig, da es eine exakte Dosierung des unter sehr hohem Druck stehenden Wasserstoffs und gegebenenfalls auch die Entspannung dieses Wasserstoffs auf ein niedrigeres Druckniveau realisieren muss. Dieses Bauteil ist bei dem erfindungsgemäßen Aufbau daher nur einmal vorhanden, danach erfolgt die Aufzweigung des Treibgasstroms in die wenigstens zwei Teiltreibgasströme. Das Dosierventil kann dabei sowohl als Proportionalventil ausgebildet sein, was Vorteile hinsichtlich der Geräuschemissionen hat, als auch als Taktventil, welches durch eine Pulsweitenmodulation so betrieben wird, dass sich der gewünschte Gasstrom beziehungsweise die gewünschte Dosiermenge an Wasserstoff entsprechend einstellen lässt.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass wenigstens einer der getrennten Teiltreibgasströme zwischen dem Dosierventil und dem Venturirohr frei von einer Ventileinrichtung ausgebildet ist. Dieser eine Teiltreibgasstrom ohne Ventileinrichtung ist dabei von besonderem Vorteil, um bei geöffnetem Dosierventil eine andauernde Grundströmung von Wasserstoff in den Bereich der Brennstoffzelle zu realisieren. Diese Grundströmung kann dabei in einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung insbesondere so ausgelegt sein, dass diese in ihrer Menge auf den Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems ausgelegt ist. Im Leerlaufbetrieb kann also ohne die Ansteuerung von Ventileinrichtungen in den getrennten Teiltreibgasströmen der Betrieb der Brennstoffzelle sehr energieeffizient und mit minimalem Steuerungsaufwand realisiert werden. Mit steigender Last wird dann einer oder mehrere zusätzliche Teiltreibgasströme durch ein Öffnen der entsprechenden Ventileinrichtung hinzugeschaltet, sodass sich im Bereich der Gasstrahlpumpe die benötigte Förderleistung entsprechend einstellt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe, des Brennstoffzellensystems sowie des Betriebsverfahrens hierfür ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
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2 eine Prinzipdarstellung einer Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;
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3 ein Diagramm des mit der Gasstrahlpumpe gemäß 2 erzielten Druckaufbaus über der Last;
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4 eine Prinzipdarstellung einer Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform; und
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5 ein Diagramm der mit der Gasstrahlpumpe gemäß 4 erzielten Druckaufbaus über der Last.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft und sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 3 auf, welche ihrerseits einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 zeigt. Die Brennstoffzelle 3 soll als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an die Umgebung. Hier könnte prinzipiell auch eine Nachbereitung, beispielsweise eine Nachverbrennung, eine Turbine oder dergleichen angeordnet sein. Dies ist für die vorliegende Erfindung jedoch nicht von Interesse, sodass auf eine Darstellung verzichtet worden ist.
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Der Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird mit Wasserstoff H2 versorgt, welcher aus einem Druckgasspeicher 7 stammt. Er gelangt über eine Druckregeleinrichtung 8 und eine später noch näher erläuterte Gasstrahlpumpe 9 in den Anodenraum 4. Aus dem Bereich des Anodenraums 4 gelangt Abgas A aus dem Anodenraum 4 über eine Rezirkulationsleitung 10 zurück in den Bereich der Gasstrahlpumpe 9, und wird von dieser als sekundärer Gasstrom angesaugt und zurück in den Anodenraum 4 gefördert. Dieses Prinzip einer Anodenrezirkulation ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, Es dient dazu, den Anodenraum 4 mit einem Überschuss an Wasserstoff H2 zu versorgen, um seine aktive Fläche bestmöglichst auszunutzen. Der im Abgas aus dem Anodenraum 4 verbleibende Restwasserstoff wird dann zusammen mit inerten Gasen, welche durch die Membranen aus dem Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert sind und einem kleinen Teil des Produktwasser, welcher im Anodenraum 4 entsteht, über die Rezirkulationsleitung 10 zurückgefördert und dem Anodenraum 4 vermischt mit dem frischen Wasserstoff H2 erneut zugeführt. Da sich in einer solchen Anodenrezirkulation mit der Zeit inerte Gase und Wasser anreichern und dadurch die Wasserstoffkonzentration sinkt, muss, beispielsweise von Zeit zu Zeit, Wasser und Gas aus der Anodenrezirkulation abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der 1 ein Ablassventil 11 prinzipmäßig angedeutet.
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Um nun die Druckverluste im Bereich des Anodenraums 4 und im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 ausgleichen zu können, ist es notwendig, eine Rezirkulationsfördereinrichtung für das rezirkulierte Abgas aus dem Anodenraum 4 vorzusehen. Als Rezirkulationsfördereinrichtung ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 die bereits erwähnte Gasstrahlpumpe 9 vorgesehen.
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Die Gasstrahlpumpe 9 ist in der Darstellung der 2 nochmals im Detail dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem prinzipmäßig angedeuteten Venturirohr 12, welchem das Abgas A zugeführt wird. Außerdem strömt der Wasserstoff H2 als Treibgasstrom 14 über ein Dosierventil 15, welches beispielsweise in den Bereich der Druckregeleinrichtung 8 integriert ausgebildet sein kann, zu dem Venturirohr 12. Das Dosierventil 15 kann beispielsweise als Taktventil oder bevorzugt als Proportionalventil, um Geräuschemissionen zu minimieren, ausgebildet sein. Nach dem Dosierventil 15 verzweigt sich der Treibgasstrom 14 in zwei Teiltreibgasströme 14.1 und 14.2, welche dem Venturirohr 12 getrennt zugeführt werden. Dieser Aufbau mit den beiden Treibgasströmen 14.1, 14.2 ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Es wäre selbstverständlich auch denkbar, mehrere einzelne Teiltreibgasströme 14.1 bis 14.n entsprechend auszubilden. Die nachfolgenden Erläuterungen werden jedoch jeweils am Beispiel von zwei derartigen Teilgasströmen 14.1, 14.2 beschrieben. Selbstverständlich kann der Fachmann die Erläuterungen und Aufbauten auf mehr als zwei Teiltreibgasströme 14.1 bis 14.n ausdehnen.
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In der Darstellung der 2 weist der erste der Teiltreibgasströme 14.1 dabei keine Ventileinrichtung auf. Der parallel dazu geführte zweite Teilgasstrom 14.2 weist eine Ventileinrichtung 16 auf, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als vergleichsweise einfaches, kostengünstiges und effizientes 2/2-Wegeventil ausgebildet sein soll. Dies ist in der Darstellung der Ventileinrichtung 16 durch die symbolisierte Öffnungscharakteristik angedeutet. Insbesondere soll die Ventileinrichtung 16 als Magnetventil ausgebildet werden, welches einfach und effizient zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung geschaltet werden kann.
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Die Situation im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 ist nun die, dass im Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 ein gewisser Volumenstrom an Wasserstoff benötigt wird. Dementsprechend muss ein geringer Volumenstrom an Anodenabgas A rezirkuliert werden. Für diesen Fall ist der Teiltreibgasstrom 14.1 vorgesehen, welcher stetig in das Venturirohr 12 strömt und eine gewisse Förderleistung bereitstellt. In dem Diagramm des möglichen Druckaufbaus dp über der Last L in 3 ist dieses in dem mit I bezeichneten Abschnitt dargestellt. Die Ventileinrichtung 16 in dem zweiten Teiltreibgasstrom 14.2 ist dabei geschlossen. Es wird bei vergleichsweise geringer Last ein vergleichsweise geringer Druckaufbau durch die Gasstrahlpumpe 9 erzielt. Mit höherer Last wird das Ventil 16 geöffnet. Da dieses als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist, wird die Öffnung schlagartig freigegeben. Dadurch geht der über den ersten Teiltreibgasstrom 14.1 aufgebaute Förderdruck zuerst einmal verloren, bevor sich in dem Diagramm der 3 in dem mit II bezeichneten Bereich der Förderdruck bei gemeinsamer Strömung der beiden Teiltreibgasströme 14.1 und 14.2 entsprechend einstellt.
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Sind noch weitere Teiltreibgasströme neben den beiden genannten vorhanden, so kann eine weitere und feinere Leistungsanpassung erfolgen.
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In der Darstellung der 4 ist ein vergleichbarer Aufbau der Gasstrahlpumpe 9 nochmals dargestellt. Der einzige Unterschied dabei ist die Ausbildung der Ventileinrichtung 16. Diese ist in der Ausführungsform gemäß 4 der Gasstrahlpumpe 9 als Proportionalventil ausgebildet. Dies ist wiederum durch die Öffnungscharakteristik in der Darstellung der Ventileinrichtung 16 angedeutet. Sie gibt beim Öffnen also einen kontinuierlich größer werdenden durchströmbaren Querschnitt frei. Dies hat zur Folge, dass die Förderleistung zwischen den mit I und II bezeichneten Bereichen des Diagramms des Druckaufbaus dp über der Last L nicht mehr einbricht, sondern der von dem ersten Teiltreibgasstrom 14.1 aufgebrachte Förderdruck bestehen bleibt. Dies ist an dem analog zum Diagramm in 3 zu verstehenden Diagramm in 5 beispielhaft dargestellt. Auch hier sind die entsprechenden Bereiche wieder mit I und II bezeichnet.
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Dabei hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung des Dosierventils 15 keinen nennenswerten Einfluss auf den Druckaufbau hat, sondern dass dieser primär von der Ausbildung der Ventileinrichtung 16 abhängt. Damit kann im Bereich des Dosierventils 8 auch weiterhin vergleichsweise unabhängig von der Ausbildung der Gasstrahlpumpe 9 die gewünschte Ventiltechnik eingesetzt werden. Beispielsweise bietet ein Taktventil entsprechende Vorteile hinsichtlich der Kosten und der Ansteuerbarkeit, während ein Proportionalventil einen kontinuierlicheren Volumenstrom ermöglicht und hinsichtlich der verursachten Geräuschemissionen Vorteile gegenüber dem Taktventil hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10251878 C5 [0003]
- DE 102007004590 A1 [0004]
- DE 2006019077 A1 [0005]
