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Die Erfindung betrifft ein Wasserstoffversorgungssystem für einen Anodenraum einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Wasserstoffversorgungssystems.
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Ein gattungsgemäßes Wasserstoffversorgungssystem ist aus der
JP 2005-267969 A bekannt. Bei diesem Wasserstoffversorgungssystem wird Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeicher, insbesondere einem Druckgasspeicher, zu einer Brennstoffzelle geleitet, wobei in der Wasserstoffzuleitung zusätzlich eine Wasserstoffpumpe, in diesem Fall eine mechanische Wasserstoffpumpe, angeordnet ist. Dadurch lässt sich eine höhere Flexibilität bei der Bereitstellung von gewünschten Drücken und Dosiermengen erzielen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Wasserstoffversorgungssystem dieser Art anzugeben, welches weiter verbessert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Wasserstoffversorgungssystem gelöst, welches die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Wasserstoffversorgungssystems gemäß der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Eine bevorzugte Verwendung ist im Anspruch 9 angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Wasserstoffversorgungssystem ist wie im Stand der Technik eine Wasserstoffpumpe zwischen dem Wasserstoffspeicher und der Brennstoffzelle vorgesehen, wobei um die Pumpe ein Bypass mit einem Bypassventil angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist es außerdem vorgesehen, dass in Strömungsrichtung nach der Wasserstoffpumpe und ihrem Bypass eine Gasstrahlpumpe zur Rezirkulation von Anodenabgas angeordnet ist, in welcher der Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher als Treibstrahl dient. Dieser Aufbau mit der Wasserstoffpumpe zwischen dem Anodenraum der Brennstoffzelle und dem Wasserstoffspeicher in Kombination mit der Gasstrahlpumpe ermöglicht, insbesondere wenn der Wasserstoffspeicher als Druckgasspeicher ausgebildet ist, eine sehr gute und annähernd vollständige Entnahme des Wasserstoffs aus dem Druckgasspeicher, da kein Minimaldruck für den sicheren und zuverlässigen Betrieb der Gasstrahlpumpe vorgehalten werden muss. Dieser Druck wird vielmehr durch die Wasserstoffpumpe erzeugt. Der Aufbau ermöglicht es so, sehr einfach und effizient eine sichere und zuverlässige Rezirkulation des Anodenabgases über die Gasstrahlpumpe, insbesondere auch bei Teillast zu erreichen. Ferner kann bei Bedarf durch Erhöhen des Drucks des Wasserstoffs als Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe eine hohe Wasserstoffmenge zudosiert werden. Insbesondere kann der Aufbau auf aufwändige Verfahren beispielsweise zur Pulsation des Treibgasstroms zum Erreichen einer ausreichenden Rezirkulationsrate bei Teillast verzichten und spart die hierbei mechanisch sehr stark belasteten Elemente zur Erzeugung der Pulsation ein. Dies hat Vorteile hinsichtlich der Kosten, aber auch hinsichtlich des Verschleißes und der Zuverlässigkeit des Wasserstoffversorgungssystems.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wasserstoffversorgungssystems ist es dabei vorgesehen, dass die Gasstrahlpumpe auf Teillast ausgelegt ist. Der Einsatz der Wasserstoffpumpe in Strömungsrichtung vor der Gasstrahlpumpe erlaubt es insbesondere die Gasstrahlpumpe von vornherein auf Teillast auszulegen. Damit kann ohne die Notwendigkeit einer Pulsation eine sehr gute Rezirkulation mit hohem Wirkungsgrad im sehr häufig auftretenden Teillastbetrieb erzielt werden. Dies gilt insbesondere für Brennstoffzellen in Brennstoffzellensystemen, welche in Fahrzeugen eingesetzt sind, da hier der Teillastbetrieb eine der zeitlich häufigsten Betriebssituationen ist. Wird zusätzlicher Wasserstoff benötigt und ein Betrieb mit hoher Last ist angedacht, dann kann über die erfindungsgemäße Wasserstoffpumpe in Strömungsrichtung des Treibstrahls vor der Gasstrahlpumpe eine Druckerhöhung vorgenommen werden, sodass auch in dieser Volllastsituation die dosierte Menge an Wasserstoff den Anforderungen entspricht. Dies ist aufgrund der Wasserstoffmenge ohne Einschränkungen auch bei der auf Teillast ausgelegten Gasstrahlpumpe möglich, wodurch ein entscheidender Vorteil hinsichtlich der Betriebsführung und insbesondere hinsichtlich der Kosten, des Gewichts und des Bauraums für die Gasstrahlpumpe entsteht.
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Ähnlich wie beim gattungsgemäßen Stand der Technik kann die Wasserstoffpumpe dabei als mechanische Pumpe aufgebaut sein, beispielsweise als Volumen- oder Verdrängermaschine, als Membranpumpe oder dergleichen. In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wasserstoffversorgungssystems ist es dann vorgesehen, dass diese mechanische Pumpe elektrisch und/oder über eine den Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher entspannende Turbine angetrieben ist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines Druckgasspeichers für den Wasserstoff von entscheidendem Vorteil. Durch die ohnehin notwendige Druckreduzierung nach dem Druckgasspeicher kann beispielsweise eine Turbine eingesetzt werden. Diese kann dann die Wasserstoffpumpe antreiben, sodass hier in vielen Betriebssituationen keine zusätzliche Leistung zum Antrieb der Wasserstoffpumpe benötigt wird. Lediglich wenn das Druckniveau in dem Druckgasspeicher vergleichsweise weit abgesunken ist, ist zusätzliche Leistung notwendig, welche dann beispielsweise elektrisch zugeführt werden kann. Hierfür kann ein eigener Elektromotor vorhanden sein oder es kann, gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wasserstoffversorgungssystems vorgesehen sein, dass die mechanische Pumpe über einen in der Umgebung des Wasserstoffversorgungssystems ohnehin vorhandenen elektrischen Antriebsmotor zusätzlich angetrieben wird. So kann beispielsweise der elektrische Antriebsmotor einer Luftfördereinrichtung, einer Kühlmittelfördereinrichtung oder dergleichen den Antrieb der nur bei Bedarf anzutreibenden mechanischen Pumpe mit übernehmen, sodass auf einen zusätzlichen eigenständigen Elektromotor verzichtet werden kann.
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Eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserstoffversorgungssystems sieht es im Gegensatz zu diesem Aufbau der Wasserstoffpumpe als mechanische Pumpe vor, dass diese als elektrochemische Pumpe ausgebildet ist. Über eine solche elektrochemische Pumpe kann mit wenig Aufwand und ohne bewegliche Teile ein ähnlicher Effekt erzielt werden, welcher einen zuverlässigen und sicheren Betrieb annähernd ohne den Bedarf an Wartung und Reparatur ermöglicht. Dadurch, dass keine mechanischen Teile bewegt werden müssen, tritt hierbei auch kein Verschleiß auf.
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Das erfindungsgemäße Wasserstoffversorgungssystem eignet sich vor allem um eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen, welche mit häufigen Lastsprüngen und damit einer häufigen Notwendigkeit, den zugeführten Wasserstoff in seinem Volumen zu ändern, betrieben wird. Dies ist insbesondere bei Brennstoffzellensystemen der Fall, welche in Fahrzeugen zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Die bevorzugte Verwendung des Wasserstoffversorgungssystems liegt genau in diesem Bereich. Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wie oben bereits beschrieben, dadurch, dass durch den Einsatz der Wasserstoffpumpe der Wasserstoffspeicher weitgehend vollständig entleert werden kann. Dies bedeutet beim Einsatz in einem Fahrzeug einen Vorteil hinsichtlich der Reichweite, sodass auch aus diesem Gesichtspunkt heraus der bevorzugte Einsatz des Wasserstoffversorgungssystems in einem Brennstoffzellensystem, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug vorgesehen ist, besonders günstig ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wasserstoffversorgungssystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug mit einer ersten möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserstoffversorgungssystems; und
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2 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug mit einer zweiten möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserstoffversorgungssystems.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, in welchem ein Brennstoffzellensystem 2 in Ausschnitten gezeigt ist. Dieses Brennstoffzellensystem 2 ist dabei in den später noch näher beschriebenen Ausschnitten mit einem speziellen Wasserstoffversorgungssystem ausgestattet, die anderen Teile des Brennstoffzellensystems 2 können annähernd beliebig gemäß dem allgemeinen Stand der Technik ausgebildet sein und sind deshalb nicht oder nur am Rande dargestellt. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche im typischen Aufbau als Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut ist. Rein beispielhaft ist hier ein Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 sowie ein Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 prinzipmäßig angedeutet. Der Kathodenraum 5 wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt und Abluft gelangt aus diesem. Der Anodenraum 4 wird über das bereits erwähnte Wasserstoffversorgungssystem mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 versorgt. Um die vergleichsweise geringe Energiedichte von Wasserstoff auszugleichen, ist es dabei üblich, dass der Druckgasspeicher 6 bei vergleichsweise hohem Nenndrücken betrieben wird. Nenndrücke in der Größenordnung von 350 bar bzw. 700 bar und in neueren Ausgestaltungen auch mehr sind dabei zwischenzeitlich allgemein bekannt und üblich.
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In Strömungsrichtung auf den Druckgasspeicher 6 folgt in der Darstellung der 1 ein Tankventil 7 sowie eine Druckregelung, welche den im Tank vorliegenden Druck auf ein für das restliche Wasserstoffversorgungssystem geeignetes Druckniveau bringt. Daran anschließend befindet sich in der Darstellung der 1 ein 3/2-Wegeventil als Bypassventil 9, welches zur Aufteilung des Volumenstroms an Wasserstoff zwischen einem Bypass 10 und einer Wasserstoffpumpe 11 geeignet ist. Der Wasserstoff kann also entweder direkt über den Bypass 10 oder über die Wasserstoffpumpe 11 zu einem Dosierventil 12 strömen, über welches der Wasserstoff als Treibgasstrom in eine Gasstrahlpumpe 13 eingedüst wird. Das Dosierventil 12 kann dabei als Injektor ausgebildet sein. In der Gasstrahlpumpe, welche auch als Ejektor bezeichnet wird, kommt es dann durch Druckeffekte und Impulsaustausch dazu, dass über den Wasserstoff als Treibgasstrom ein weiterer Gasstrom angesaugt und mit dem Wasserstoff vermischt dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Dieser weitere Gasstrom stammt aus einer Rezirkulationsleitung 14, welche den Ausgang des Anodenraums 4 mit der Gasstrahlpumpe 13 verbindet. Nicht verbrauchter Restwasserstoff und andere gasförmige Stoffe aus dem Anodenraum werden so in an sich bekannter Art und Weise im Kreislauf um den Anodenraum 4 geführt. Um in diesen Kreislauf von Zeit zu Zeit Wasser und Gase ablassen zu können, ist in der Darstellung der 1 ein Wasserabscheider 15 vorgesehen, welcher über eine Ventileinrichtung 16 beispielsweise mit der Umgebung, einer Kathodenzuleitung, einer Kathodenableitung oder dergleichen verbunden sein kann. Über den Wasserabscheider 15 und die Ventileinrichtung 16 kann so Wasser und bei Bedarf Gas mit abgelassen werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass trotz Stickstoff, welcher in den Anodenraum 4 diffundiert, immer eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration vorliegt, da Wasser und Stickstoff beispielsweise von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit einer Stoffkonzentration oder in Abhängigkeit des Füllstands an Wasser abgelassen werden können, sodass trotz des konstanten Volumens durch den frisch zugeführten Wasserstoff die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf nicht unter einen kritischen Wert fällt.
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Neben dem Druckgasspeicher 6 als Wasserstoffspeicher sind auch Alternativen denkbar, beispielsweise die Speicherung des Wasserstoffs in flüssiger Form, gebunden in einem Hydrid oder dergleichen. Selbstverständlich sind als Wasserstoffspeicher auch Kombinationen dieser Speichermöglichkeiten für Wasserstoff denkbar.
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Nun ist es so, dass das Wasserstoffversorgungssystem durch die Wasserstoffpumpe 11 in der Lage ist, den Druck des Wasserstoffs in Abhängigkeit der Betriebssituation und insbesondere der Last in einem für den Injektor 12/Ejektor 13 sehr günstigen Bereich zu halten bzw. diesen bei Bedarf auf einen sehr günstigen Bereich zu erhöhen. Würde beispielsweise der aus dem Druckgasspeicher 6 bereitgestellte Druck unter diesen besonders günstigen Bereich absinken, dann wird die Wasserstoffpumpe 11 entsprechend in Betrieb genommen, um so weiterhin den sehr günstigen Druckbereich an der Gasstrahlpumpe 13 zu gewährleisten. Liegt dieser beispielsweise bei 10 bar, so könnte der Druck im Gasspeicher 6 selbst bis in die Nähe von 0 bar absinken, und immer noch könnte die Brennstoffzelle 3 mit Wasserstoff versorgt werden. Hierdurch wird eine sehr viel bessere Ausnutzung des in dem Druckgasspeicher 6 gespeicherten Wasserstoffs und damit eine Erhöhung der Reichweite des Fahrzeugs möglich. In anderen Betriebssituationen kann es besonders sinnvoll sein, wenn über die Wasserstoffpumpe 11 in bestimmten Betriebssituationen der Druck beispielsweise von 10 bar auf 20 bar erhöht wird. Der Injektor 12 bzw. die Gasstrahlpumpe 13 kann dann im Volllastbereich betrieben werden und kann die benötigte Menge an Wasserstoff für die Brennstoffzelle 3 problemlos zur Verfügung stellen. Durch eine solche Variation des Vordrucks des Treibstrahls für die Gasstrahlpumpe 13 ist es sehr einfach in Abhängigkeit des Betriebszustands der Brennstoffzelle 3 möglich, mit einer auf Teillast optimal ausgelegten Gasstrahlpumpe 13 den gesamten auftretenden Lastbereich der Brennstoffzelle 3 abzudecken. Hierdurch kann eine sehr gute Dosierung von Wasserstoff in allen Lastbereichen und gleichzeitig einer ausreichende Rezirkulationsgeschwindigkeit in der Rezirkulationsleitung 14 im Teillastbereich erzielt werden. Auch im Volllastfall kann durch den erhöhten Vordruck durch den Betrieb der Wasserstoffpumpe 11 die notwendige Wasserstoffmenge bereitgestellt werden. Somit ist eine ideale Rezirkulation auch unter Teillast möglich, ohne dass, so wie es beispielsweise im Stand der Technik üblich ist, eine Pulsation des Treibgasstroms erzeugt werden muss. Diese geht immer mit einem entsprechenden Verschleiß der zur Erzeugung der Pulsation eingesetzten mechanischen Komponenten einher und macht das System entsprechend fehleranfällig und wartungsaufwändig.
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Der Vordruck lässt sich dabei in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern beispielsweise zwischen einem Minimaldruck und einem Maximaldruck steuern. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit der Leistung, in Abhängigkeit der Spannung, der Stromstärke, der Temperatur und/oder der Volumenströme an Fluiden erfolgen. Eine Veränderung lässt sich dabei beispielsweise anhand einer vorgegebenen Funktion bzw. einem vorgegebenen Profil erzeugen, beispielsweise in Form einer linearen Rampe, einer quadratischen Funktion, einer stufenweisen Anpassung, einer exponentiellen Funktion oder dergleichen.
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Die Wasserstoffpumpe 11 kann, wie es in 1 dargestellt ist, als mechanische Pumpe ausgebildet sein. Diese kann insbesondere über einen Elektromotor angetrieben werden. Der Elektromotor kann dabei ein eigenständig für die Wasserstoffpumpe vorhandener Elektromotor sein, oder es kann ein Elektromotor mit verwendet werden, welcher ohnehin vorhanden ist, beispielsweise zum Antreiben einer Luftfördereinrichtung, eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses, einer Kühlmittelpumpe, eines Klimakompressors in dem Fahrzeug 1 oder dergleichen. Alternativ dazu wäre auch der Einsatz einer elektrochemischen Pumpe möglich, welche den Vorteil bietet, dass sie auf sich bewegende mechanische Teile verzichtet und daher keinen Verschleiß unterliegt. Sie ist hierdurch sehr wartungsarm.
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In der Darstellung der 2 ist eine weitere alternative Ausführungsform gezeigt. Auch hierbei handelt es sich um eine mechanische Pumpe als Wasserstoffpumpe 11, welche nun jedoch nicht nur über einen elektrischen Motor, welcher hier analog zur Darstellung in 1 nicht dargestellt ist, angetrieben werden kann, sondern welche auch über eine Turbine 17 angetrieben werden kann. Die Turbine 17 sitzt mit der Wasserstoffpumpe 11 auf einer gemeinsamen Welle 18. In der Turbine 17 wird der Wasserstoff nach dem Tankventil 7 entspannt, bevor er in den Bereich der Wasserstoffpumpe 11 oder im Bypass 10 um diese herum gelangt. Das Bypassventil 9 ist hier anders als das 3/2-Wegeventil in der Darstellung der 1 innerhalb des Bypasses als 2/2-Wegeventil ausgebildet. Nun ist es so, dass bei diesem Aufbau, welcher ansonsten dem oben bereits beschriebenen Aufbau entspricht, bei entsprechend hohem Druckniveau in dem Druckgasspeicher 6 ein vollständiger oder annähernd vollständiger Betrieb der Wasserstoffpumpe 11 über die Turbine 17 erfolgen kann. In den Betriebssituationen, in denen der Druck und damit die im Bereich der Turbine 17 erzeugte Leistung nicht ausreicht, kann wiederum über eine elektrische Maschine, vergleichbar zur Darstellung in 1, zusätzliche Antriebsleistung für die Wasserstoffpumpe 11 bereitgestellt werden, sodass auch in dieser Ausführungsform eine annähernd vollständige Entleerung des Druckgasspeichers 6 als Wasserstoffspeicher möglich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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