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Die Erfindung betrifft eine Gasstrahlpumpe mit wenigstens einer Düse gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Gasstrahlpumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Gasstrahlpumpen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie nutzen einen primären Gasstrom, um einen sekundären Gasstrom anzusaugen und die beiden Gasströme gemeinsam beispielsweise einer das Gasgemisch benötigenden Komponente zuzuführen. Sie werden im Stand der Technik auch als Jetpump oder Ejektor bezeichnet.
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Gasstrahlpumpen können vielfältig eingesetzt werden. Sie werden beispielsweise in Brennstoffzellensystemen eingesetzt, um im Rahmen einer sogenannten Anodenrezirkulation Abgas aus dem Anodenbereich zum Eingang des Anodenbereichs zurückzuführen. Hierfür wird frischer Brennstoff als primärer Gasstrom genutzt, um das Abgas aus dem Anodenraum als sekundären Gasstrom anzusaugen und die beiden Gasströme vermischt wieder dem Anodenraum zuzuführen. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise aus der
JP 2008-192514 A bekannt. Der dort beschriebene Aufbau zeigt mehrere Gasstrahlpumpen, welche so ausgebildet sind, dass eine der Gasstrahlpumpen immer in Betrieb ist und die anderen je nach benötigter Leistung dazugeschaltet werden können. Dies dient zur Leistungsanpassung, um je nach benötigter Förderleistung für das Abgas aus der Anode eine, zwei oder drei der Gasstrahlpumpen einsetzen zu können.
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Der Aufbau ist dabei vergleichsweise aufwändig, da er mehrere Gasstrahlpumpen benötigt und damit voluminös und schwer wird.
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Aus der
DE 10 2007 057 451 A1 ist außerdem ein Aufbau bekannt, bei welchem eine Wasserstoffdosierung zu einer Gasstrahlpumpe über zwei parallele Ventile erfolgen kann. Um einem eventuellen Einfrieren dieser Ventile und/oder Gasstrahlpumpe begegnen zu können, ist es außerdem vorgesehen, dass ein Bypass sowohl um die Gasstrahlpumpe, als auch um diese beiden Ventile und Zuleitungen vorgesehen ist, um den gesamten Aufbau für den Kaltstart umgehen zu können. Durch diese Kaltstartvorrichtung ist ein Start auch dann möglich, wenn die Gasstrahlpumpe und/oder eines oder beide der Ventile bzw. der Zuleitungen eingefroren sind.
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Dieser Aufbau mit einer eigenen Kaltstartvorrichtung ist entsprechend aufwändig und kompliziert, da er einen Bypass Zur Gasstrahlpumpe erforderlich macht. In dieser Situation kann dann außerdem das Abgas aus dem Anodenbereich nicht zurück zum Eingang der Anode gefördert werden, sodass zusätzlich ein Gebläse oder dergleichen als alternative oder ergänzende Fördereinrichtung notwendig ist. All dies macht den Aufbau sehr aufwändig, teuer, voluminös und energieintensiv, da die Fördereinrichtung zusätzliche elektrische Energie benötigt, welche beim Einsatz einer Gasstrahlpumpe und bei unter Druck stehendem Brennstoff in dem System ohnehin vorhanden ist und nicht von außen zugeführt werden muss.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Gasstrahlpumpe dahingehend zu optimieren, dass die oben genannten Probleme nicht mehr auftreten können und dass ein hinsichtlich des Einfrierens sehr sicherer Aufbau entsteht, welcher ohne zusätzlichen Zeit- und Energieaufwand auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einen sicheren und zuverlässigen Start gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Gasstrahlpumpe mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem ist ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Gasstrahlpumpe beschrieben, ebenso entsprechende Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems, welche die oben genannte Aufgabe ebenfalls lösen.
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Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe ist so ausgebildet, dass im Bereich der Ventileinrichtungen, welche jede der Düsenöffnungen mit einem Teil des primären Gasstroms versorgen, ein Strömungsbypass vorgesehen ist. Durch diesen kommt es zu einer geringen Gasströmung unabhängig von der Stellung der Ventileinrichtung zu jeder der Düsenöffnungen. Jede der Düsenöffnungen wird also mit einem geringen Gasstrom, welcher in der Größenordnung von 4,1 Prozent, aber maximal 3 bis 5 Prozent (bzw. abhängig vom Niveau des Leerlaufbetriebs) des maximalen Gasstroms liegt, ständig durchströmt. Diese ständige Durchströmung jeder der Düsenöffnungen unabhängig davon, ob diese derzeit zur Zudosierung des primären Gasstroms verwendet wird oder nicht, verhindert sicher und zuverlässig eine Rückströmung aus dem Austrittsbereich des primären Gasstroms in die Düsenöffnung. Damit wird der Eintrag von Wasser in den Bereich der Düsenöffnung verhindert, da dieses lediglich über eine solche Rückströmung in diesen Bereich gelangen könnte. Bei einem schwerpunktmäßigen Einsatzzweck in einem Brennstoffzellensystem würde das Wasser typischerweise vom sekundären Gasstrom, dem Abgas aus dem Anodenraum in den Bereich der Düse gebracht werden. Ohne dass eine solche Rückströmung in nicht durchströmte Düsenöffnungen auftritt, wird der Eintrag von Wasser in diese Bereiche sicher und zuverlässig verhindert. Die einzelnen Düsenöffnungen werden durch den minimalen dauerhaften Gasstrom also ständig frei gespült. Ohne dass Wasser sich in diesem Bereich anlagert, kann es hier auch nicht eingefrieren. Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe ist daher also hinsichtlich eines Einfrierens außerordentlich sicher und kann mit minimalem konstruktivem Aufwand einen sicheren und zuverlässigen Betrieb auch unter widrigen Bedingungen sehr energieeffizient gewährleisten.
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Der Strömungsbypass kann dabei beispielsweise durch eine Ausnehmung im Bereich eines Ventilkörpers und/oder eines Ventilsitzes der Ventileinrichtung ausgebildet sein. Beispielsweise lässt sich der Ventilkörper mit einem Loch versehen oder insbesondere mit einer Kerbe, welche so angeordnet ist, dass bei Auflage des Ventilkörpers auf dem Ventilsitz immer ein gewisser Öffnungsquerschnitt offen bleibt und so auch in der geschlossenen Stellung des Ventils ein Bypass gewährleistet ist. Die Ventileinrichtung kann dabei sehr einfach und effizient beispielsweise als Ventileinrichtung mit lediglich einer Offen- und einer Geschlossenstellung ausgebildet sein. Ein solches Zweiwegeventil ist entsprechend einfach und effizient. Es kann beispielsweise gepulst betrieben werden, um den entsprechenden Volumenstrom an primärem Gas in das System zu dosieren.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es außerdem vorgesehen sein, dass ein Proportionalventil zwischen einer Quelle für den primären Gasstrom und den Leitungselementen zu den Düsenöffnungen vorgesehen ist. Ein solches Proportionalventil kann dann genutzt werden, um zusätzlich und unabhängig von dem gewählten Strömungsquerschnitt den dauerhaft durch die Düsenöffnungen strömenden Teil des primären Gasstroms entsprechend einzustellen und diesen im Stillstand des Systems auch gänzlich abzustellen.
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Die Gasstrahlpumpe lässt sich insbesondere in einem Brennstoffzellensystem einsetzen, welches wenigstens eine Brennstoffzelle aufweist, mit einer Brennstoffzufuhr zu einem Anodenraum der Brennstoffzelle und mit einer Anodenrezirkulation, um Abgas aus dem Anodenraum zum Eingang des Anodenraums zurückzuführen, und mit einer Gasstrahlpumpe zum Zurückführen des Abgases, welche vom Brennstoff aus der Brennstoffzufuhr als primärem Gasstrom angetrieben ist. Die Gasstrahlpumpe ist dabei in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen ausgebildet. Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe kann hier also ideal eingesetzt werden, um durch die Mehrzahl an Düsenöffnungen, welche jeweils mit einem eigenen Ventil versehen sind, eine ideale Dosierung des Brennstoffs über einen großen Leistungsbereich der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems hinweg zu gewährleisten. Dadurch, dass eine Rückströmung von Gasen in den Bereich der Düsenöffnungen sicher und zuverlässig durch das ständige Durchströmen aller Düsenöffnungen mit einem minimalen Gasstrom gewährleistet ist, kann das Einfrieren der Gasstrahlpumpe ohne zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise eine Beheizung oder dergleichen, sicher und zuverlässig verhindert werden.
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Ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems sieht es dann vor, dass der durchströmbare Querschnitt des Strömungsbypass so ausgelegt wird, dass die für den Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems benötigte Menge an Brennstoff durch den Strömungsbypass strömt. Diese Auslegung des Strömungsbypass so, dass dieser für den Leerlaufbetrieb eine ausreichende Brennstoffmenge durch die Düsenöffnungen strömen lässt, ist insbesondere hinsichtlich eventueller Lärmemissionen während des Leerlaufbetriebs sinnvoll, da dann auf die Betätigung von Ventilen, beispielsweise gepulst betriebene Magnetventile, verzichtet werden kann. Sehr energieeffizient lässt sich so der Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems realisieren und eventuelle Lärmemissionen werden reduziert. Dadurch, dass sämtliche Düsenöffnungen aufgrund des Strömungsbypass in der jeweiligen Ventileinrichtung ständig durchströmt werden, kann ein Abstellen des Brennstoffzellensystems aus dem Leerlauf heraus problemlos erfolgen, auch wenn die Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts liegen. Durch die ständige Durchströmung aller Düsenöffnungen mit einem minimalen Gasstrom wird die Ansammlung von Wasser in diesem Bereich verhindert und ein Einfrieren der Gasstrahlpumpe wird sicher und zuverlässig vermieden.
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Alternativ dazu ist es selbstverständlich auch denkbar, den durchströmbaren Querschnitt des Strömungsbypass so auszulegen, dass ein für das Verhindern des Eindringens von Wasser in die Düsenöffnungen idealer Gasstrom bereitgestellt wird, wobei der Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems an diesen Gasstrom angepasst wird. Es ist also möglich, den Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems in gewissen Grenzen auf einen typischerweise etwas größeren Gasstrom als zwingend notwendig, anzupassen, um so den Leerlaufbetrieb und die durch den Strömungsbypass strömende Menge an Gas ideal aufeinander abzustimmen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtungen gepulst betrieben werden, und dass zur Ausbildung eines Strömungsbypass im „geschlossenen” Zustand die Ventileinrichtungen nicht ganz geschlossen werden. Es lässt sich also auch verfahrenstechnisch beispielsweise durch die Ansteuerung der gepulsten Ventileinrichtungen ein Strömungsbypass einstellen, indem die Ventileinrichtungen eben nicht ganz geschlossen werden. Dieses Verfahren hat den besonderen Vorteil, dass die Ventileinrichtungen nicht verändert werden müssen, sodass diese bei Bedarf, insbesondere beim Abstellen des Systems, auch ganz geschlossen werden können, ohne dass ein zwingender Strömungsbypass in dieser Situation verbleibt, da dieser in dieser Situation nicht notwendig beziehungsweise nicht erwünscht ist. So lässt sich ohne konstruktive Änderung und ohne zusätzliches Absperrventil ausschließlich über die Verfahrensführung eine erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe in dem Brennstoffzellensystem ebenfalls ausbilden.
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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;
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3 eine Prinzipdarstellung einer Ventileinrichtung der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe; und
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4 eine mögliche Ausführungsform eines Ventilkörpers in einer solchen Ventileinrichtung.
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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 einer Düse 12, welcher als primärer Gasstrom der Wasserstoff H2 über eine Leitung 13 zugeführt wird. Der Gasstrom wird dann auf mehrere Leitungselemente 13.1–13.4 aufgeteilt. In jedem der Leitungselemente 13.1–13.4 liegt ein 2/2-Wegeventil, beispielsweise ein gepulst angetriebenes Magnetventil 14. Über die Magnetventile 14 ist dabei der Volumenstrom des primären Gasstroms durch jedes der Leitungselemente 13.1–13.4 getrennt voneinander einstellbar. Die Leitungselemente 13.1–13.4 münden im Bereich der Düse jeweils in einzelne Düsenöffnungen 15.1–15.4. Aus diesen Düsenöffnungen 15.1–15.4 strömt jeweils ein Teil des primären Gasstroms aus, sofern die jeweils zugeordnete Ventileinrichtung 14 geöffnet ist. Der ausströmende primäre Gasstrom strömt dann in einen mit I bezeichneten Ansaugbereich der Gasstrahlpumpe 9, welchem seitlich aus der Rezirkulationsleitung 10 ein Abgas A aus dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Die Gase vermischen sich dann in einem mit II bezeichneten Mischbereich und strömen wieder zum Anodenraum 4.
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Nun ist es so, dass die Verwendung von mehreren Düsenöffnungen 15.1–15.4 eine sehr große Variabilität beim Einstellen der Förderleistung der Gasstrahlpumpe 9 ermöglicht. Allerdings kann es im Bereich der nicht genutzten Düsenöffnungen, beispielsweise bei Teillast, zu einem Rückstrom kommen, welcher Feuchtigkeit, insbesondere in dem Abgasstrom A enthaltene Feuchtigkeit, in den Bereich der Düsenöffnungen 15.1–15.4 fördert. Die Problematik liegt nun darin, dass bei einem Abstellen in einer solchen Situation diese Tröpfchen die Düsenöffnungen 15.1–15.4 ganz oder teilweise verstopfen können, wenn dieses Wasser einfriert. Dies ist insbesondere deshalb problematisch, weil die Düsenöffnungen 15.1–15.4 typischerweise Durchmesser von weniger als 3 mm aufweisen und daher hinsichtlich eines Verstopfens durch einen gefrierenden Tropfen besonders gefährdet sind. Außerdem ziehen sie durch die Kapillarwirkung das Wasser in den Bereich der Düsenöffnungen 15.1–15.4 ein, wenn dieses aufgrund der Rückströmung in ihren Bereich gelangt. Ein freies Abfließen ist damit nicht möglich und die Gefahr eines Einfrierens beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise des Fahrzeugs 2 bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ist sehr groß. Zum Wiederstart muss dann die Düse 12 erst aufwändig aufgetaut werden oder, wie aus dem Stand der Technik bekannt, eine alternative Dosiervorrichtung vorhanden sein, welche den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 so lange gewährleistet, bis die Düsenöffnungen 15.1–15.4 wieder aufgetaut sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe 9 ist es dagegen vorgesehen, dass jede der Ventileinrichtungen 14 in der in 3 prinzipmäßig dargestellten Art ausgebildet ist. Die Ventileinrichtung 14 verfügt dabei über das eigentliche Ventil 16, welches beispielsweise als Magnetventil ausgebildet sein kann. Parallel zu diesem Ventil 16 verfügt jede der Ventileinrichtungen 14 über einen Strömungsbypass 17, welcher in dem hier dargestellten Prinzipbild mit einer entsprechenden Drosselblende 18 versehen ist. Die Aufgabe des Strömungsbypass ist nun die, immer einen minimalen Leckagestrom an dem Ventil 16 vorbei durch den Bereich der Ventileinrichtung 14 strömen zu lassen. Der Gasstrom kann dabei konstruktiv auf maximal 3 bis 5 Prozent (bzw. abhängig vom Niveau des Leerlaufbetriebs) des maximalen Gasstroms durch die Ventileinrichtung 14 eingestellt werden. Der Aufbau der Ventileinrichtung 14 mit dem Strömungsbypass 17 ermöglicht so eine fortwährende minimale Durchströmung aller Düsenöffnungen 15.1–15.4 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1. Damit werden Rückströmungen in den Bereich der Düsenöffnungen 15.1–15.4 sicher und zuverlässig verhindert. Außerdem wird eventuell eingedrungenes Wasser durch den ständigen Gasstrom durch jede der Düsenöffnungen 15.1–15.4 ausgetrieben, sodass Probleme mit einem Einfrieren der Düsenöffnungen 15.1–15.4 nicht mehr auftreten können. Der eigentliche benötigte Gasstrom des Wasserstoffs H2 wird dann weiterhin durch ein selektives Öffnen der Ventileinrichtungen 14 in den Leitungselementen 13.1–13.4 je nach benötigter Leistung entsprechend eingestellt. Parallel dazu ist über den Strömungsbypass 17 in jeder der Ventileinrichtungen immer eine minimale Strömungsmenge durch jede der Düsenöffnungen 15.1–15.4 mit den oben genannten Vorteilen gewährleistet.
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In der Darstellung der 4 ist rein beispielhaft eine Ausgestaltung eines Teils des Innenlebens einer Ventileinrichtung 14 angedeutet. Zu erkennen ist ein Ventilkörper 19, welcher, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, entsprechend bewegt werden kann. Im Bereich des Ventilkörpers 19 ist eine Öffnung 20 als Strömungsbypass 17 angeordnet, in diesem Fall durch eine Bohrung in dem Ventilkörper 19. Ergänzend oder alternativ wäre es selbstverständlich auch denkbar, den Strömungsbypass 17 durch eine Öffnung zwischen Ventilkörper 19 und Ventilsitz auszubilden, oder durch einen um das eigentliche Ventil 16 entweder eigenständig oder in das Gehäuse des Ventils 16 integriert ausgebildeten Strömungsbypass.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2008-192514 A [0003]
- DE 102007057451 A1 [0005]
