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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlpumpe zum Versorgen einer Anode einer Elektrodenkammer einer Brennstoffzelle mit einem Betriebsfluid gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, eine Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8 sowie ein Verfahren zum Steuern eines Betriebsmittelstroms durch eine Treibdüse einer Strahlpumpe einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 9.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen sind Vorrichtungen zum Wandeln chemischer Reaktionsenergie in elektrischen Strom und Wärme. Hierfür werden ein Betriebsfluid bzw. Brennstoff sowie ein Oxidationsmittel kontinuierlich der Brennstoffzelle zugeführt. Bei herkömmlichen Brennstoffzellen wird an einer Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff als Betriebsfluid und an einer Kathode der Brennstoffzelle Sauerstoff als Oxidationsmittel bereitgestellt. Zwischen den Elektroden ist ein Elektrolyt, wie beispielsweise eine Elektrolytmembran, angeordnet, die für Wasserstoffmoleküle undurchlässig und für Protonen, also Wasserstoffionen, durchlässig ist. An der Anode geben die Wasserstoffmoleküle jeweils zwei Elektronen ab und werden hierdurch in zwei Protonen umgewandelt, die sich durch den Elektrolyten in Richtung Kathode bewegen, um dort unter Aufnahme von Elektronen mit dem Sauerstoff zu Wasser reagieren. Durch die Abgabe und Aufnahme der Elektronen fließt ein elektrischer Strom.
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Im Gegensatz zu einer Batterie, bei der sämtliche Reaktionskomponenten bereits in der Batterie gespeichert sind, erfordert die Brennstoffzelle eine ständige Zufuhr des Betriebsfluids sowie des Oxidationsmittels und eine Abfuhr des erzeugten Wassers. Für die Zufuhr des Betriebsfluids können Strahlpumpen verwendet werden, mit denen ein Arbeitsfluid der Kathode umwälzbar und hierbei mit frischem Betriebsfluid, insbesondere Wasserstoff, vermischbar ist. Zum Steuern eines Betriebsfluidstroms frischen Betriebsmittels weisen Strahlpumpen einen Druckregler mit einer Differenzdruckkammer auf, mittels der ein Ventil der Strahlpumpe verstellbar, wie z.B. öffenbar sowie verschließbar, ist. Hierfür ist es bekannt, die Differenzdruckkammer wie die Kathode mit Umgebungsluft oder Kathodenluft aus der Kathode zu beaufschlagen.
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Bekannte Brennstoffzellen mit Strahlpumpen haben insbesondere den Nachteil, dass feuchte Kathodenluft im Druckregler bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt einfrieren und den Druckregler somit blockieren kann. Dies kann zur Folge haben, dass das Ventil in einer Ventilstellung blockiert. Bei einem Blockieren des Ventils in einer geschlossenen Ventilstellung ist eine Betriebsaufnahme der Brennstoffzelle beispielsweise nicht möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlpumpe zum Versorgen einer Anode einer Elektrodenkammer einer Brennstoffzelle mit einem Betriebsfluid gemäß Anspruch 1, eine Brennstoffzelle gemäß Anspruch 8 sowie ein Verfahren zum Steuern eines Betriebsmittelstroms durch eine Treibdüse einer Strahlpumpe einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 9. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Strahlpumpe beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Strahlpumpe zum Versorgen einer Anode einer Elektrodenkammer einer Brennstoffzelle mit einem Betriebsfluid bereitgestellt. Die Strahlpumpe weist eine Treibdüse zum Einbringen des Betriebsfluids in eine Mischkammer zum Erzeugen eines Betriebsmittelgemischs durch Mischen von Arbeitsfluid der Anode mit dem Betriebsfluid und eine Differenzdruckkammer auf. Die Differenzdruckkammer weist einen Betriebsfluidkanal sowie eine Steuerfluidkammer auf, die zum Steuern eines Betriebsfluidstroms durch den Betriebsfluidkanal mittels eines Steuerfluids ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist die Steuerfluidkammer mit einem Wasserstoffgasinjektor der Strahlpumpe derart fluidkommunizierend gekoppelt, dass die Steuerfluidkammer zum Steuern des Betriebsmittelstroms mit Wasserstoff beaufschlagbar ist.
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Die Treibdüse der Strahlpumpe ist zum Einbringen des Betriebsfluids in eine Mischkammer, z.B. eine Mischkammer einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellen-Stacks, ausgebildet. Das Betriebsfluid ist durch den Betriebsfluidkanal sowie durch die Treibdüse mit derart hoher Geschwindigkeit in die Mischkammer einbringbar, dass gemäß dem Venturi-Effekt ein Unterdruck bzw. Einsaugdruck zum Einsaugen von Arbeitsfluid der Anode erzeugt wird.
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Die Differenzdruckkammer ist zum Steuern einer Größe des Betriebsfluidstroms durch die Treibdüse und damit auch des Ansaugdrucks ausgebildet. Dies erfolgt durch Beaufschlagen der Steuerfluidkammer über den Wasserstoffgasinjektor mit dem Steuerfluid, wobei das Steuerfluid erfindungsgemäß Wasserstoff ist. Ein bevorzugter Druck im Betriebsfluidkanal beträgt beispielsweise ca. 10 bar, ein bevorzugter Druck in der Differenzdruckkammer beträgt ca. 1–2 bar.
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Die erfindungsgemäße Strahlpumpe hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig ein Steuern des Betriebsfluidstroms möglich ist, wobei durch die Verwendung von Wasserstoff als Steuerfluid auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser ein Einfrieren der Differenzdruckkammer bzw. eines Ventils zum Steuern des Betriebsfluidstroms vermieden wird. Auf diese Weise wird eine bestimmungsgemäße Ventilstellung und somit ein reibungsloser Betrieb der Strahlpumpe gewährleistet.
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Vorzugsweise weist die Strahlpumpe ein Purge-Ventil auf, das fluidkommunizierend mit der Steuerfluidkammer gekoppelt sowie zum Ablassen von Wasserstoff aus der Steuerfluidkammer ausgebildet ist. Das Purge-Ventil ist demnach ein Auslass-Ventil, das in einer geöffneten Ventilstellung einen Wasserstoffstrom in zumindest eine Richtung zulässt und in einer geschlossenen Ventilstellung einen Wasserstoffstrom sperrt. Über das Ablassen des Wasserstoffs aus der Steuerfluidkammer ist der Betriebsmittelstrom durch die Treibdüse steuerbar. Vorzugsweise ist das Purge-Ventil mit einem Purge-Ventil eines Brennstoffzellen-Stacks fluidkommunizierend gekoppelt. Ein Purge-Ventil hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig ein Ablassen des Wasserstoffs aus der Steuerfluidkammer gewährleistet wird.
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Weiter bevorzugt weist die Strahlpumpe eine Mischkammer zum Erzeugen eines Betriebsmittelgemischs durch Mischen von eingesaugtem Arbeitsfluid mit dem Betriebsfluid auf, wobei die Mischkammer eine Einsaugöffnung zum Einsaugen des Arbeitsfluids von der Anode mittels eines von der Treibdüse durch das Einbringen des Betriebsfluids erzeugten Einsaugdrucks sowie eine Austrittsöffnung zum Herauslassen des Betriebsmittelgemischs zur Anode aufweist. Alternativ weist die Strahlpumpe eine Treibdüsenkopplung auf, die zum fluidkommunizierenden Koppeln der Treibdüse mit einer entsprechend ausgebildeten Mischkammer einer Brennstoffzelle bzw. eines Brennstoffzellen-Stacks ausgebildet ist.
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Die Einsaugöffnung und die Austrittsöffnung sind mit der Anode bzw. Anodenkammer einer Brennstoffzelle fluidkommunizierend koppelbar. Die Mischkammer ist zwischen der Einsaugöffnung und der Austrittsöffnung angeordnet, sowie fluidkommunizierend mit diesen verbunden. Mittels des Einsaugdrucks ist Arbeitsfluid aus der Anodenkammer durch die Einsaugöffnung in die Strahlpumpe einsaugbar und in die Mischkammer leitbar. In der Mischkammer ist das eingesaugte Arbeitsfluid mit dem Betriebsfluid aus der Treibdüse vermischbar. Dieses Gemisch wird als Betriebsmittelgemisch bezeichnet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass Betriebsfluid und Arbeitsfluid und somit auch das Betriebsmittelgemisch identisch sind, insbesondere Wasserstoff. Das Betriebsmittelgemisch ist von der Mischkammer über die Austrittsöffnung wieder in die Anodenkammer leitbar.
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Besonders bevorzugt ist das Purge-Ventil fluidkommunizierend mit der Mischkammer gekoppelt. Besonders bevorzugt ist das Purge-Ventil mit einem der Einsaugöffnung benachbarten bzw. zugewandten Bereich der Mischkammer angeordnet. Eine solche fluidkommunizierende Kopplung kann beispielsweise mittels einer Wasserstoffleitung und einer Wasserstoffpumpe erfolgen, um den abgelassenen Wasserstoff in Richtung der Mischkammer zu pumpen. Durch eine derartige Anordnung ist aus der Steuerfluidkammer abgelassener Wasserstoff der Mischkammer leicht zuführbar. Dies hat den Vorteil, dass kein Wasserstoff an die Umgebung abgelassen werden muss und somit kein Wasserstoffverlust auftritt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einer Strahlpumpe vorgesehen sein, dass die Strahlpumpe einen Wasserstoffspeicher sowie eine Wasserstoffpumpe aufweist, die derart fluidkommunizierend mit der Steuerfluidkammer gekoppelt sind, dass zum Steuern des Betriebsmittelstroms mittels der Wasserstoffpumpe Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher in die Steuerfluidkammer und aus der Steuerfluidkammer in den Wasserstoffspeicher pumpbar ist. Das Steuerfluid ist somit in einem geschlossenen System gehalten und kann je nach Bedarf innerhalb des Systems gefördert werden. Auf diese Weise tritt kein Verlust an Steuerfluid und somit an Wasserstoff aus.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Betriebsfluid Wasserstoff ist. Wasserstoff ist zum Betreiben einer Brennstoffzelle besonders geeignet. Ferner hat die Verwendung eines Betriebsfluids, das dem Steuerfluid entspricht den Vorteil, dass zur Versorgung der Strahlpumpe mit Betriebsfluid und Steuerfluid nur eine Betriebsfluidquelle erforderlich ist. Hierdurch ist eine Komplexität der Strahlpumpe reduzierbar.
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Es ist weiter bevorzugt, dass der Wasserstoffgasinjektor einen Versorgungsanschluss aufweist, der fluidkommunizierend mit einer Versorgungsleitung zum Versorgen des Betriebsfluidkanals mit einem Wasserstoffstrom koppelbar ist. Die Versorgungsleitung ist mit dem Betriebsfluidkanal fluidkommunizierend koppelbar, um das Betriebsfluid durch die Versorgungsleitung und den Betriebsfluidkanal in die Mischkammer zu leiten. Über den Versorgungsanschluss ist der Wasserstoffgasinjektor mit der Versorgungsleitung koppelbar und somit Wasserstoff von der Versorgungsleitung über den Versorgungsanschluss in den Wasserstoffgasinjektor und weiter in die Steuerfluidkammer leitbar. Ein Versorgungsanschluss hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln das Steuerfluid bereitstellbar ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Brennstoffzelle bereitgestellt. Die Brennstoffzelle weist eine Elektrodenkammer mit einer Anode, einer Kathode, einem zwischen Anode und Kathode angeordneten Elektrolyt und eine erfindungsgemäßen Strahlpumpe zum Versorgen der Anode mit einem Betriebsfluidstrom auf. Somit ist als Steuerfluid zum Steuern des Betriebsmittelstroms Wasserstoff verwendbar. Erfindungsgemäß ist bevorzugt, dass bei einem Stack aus mehreren Brennstoffzellen pro Elektrodenkammer eine erfindungsgemäße Strahlpumpe angeordnet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle mehrere Elektrodenkammern pro Strahlpumpe aufweist. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle hat dieselben Vorteile, wie bereits voranstehend zur Strahlpumpe gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden ist. Demnach hat die Brennstoffzelle gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig ein Steuern des Betriebsfluidstroms möglich ist, wobei durch die Verwendung von Wasserstoff als Steuerfluid auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser ein Einfrieren der Differenzdruckkammer bzw. eines Ventils zum Steuern des Betriebsfluidstroms vermieden wird. Auf diese Weise wird eine bestimmungsgemäße Ventilstellung und somit ein reibungsloser Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer Größe eines Betriebsmittelstroms durch eine Treibdüse einer Strahlpumpe einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bereitgestellt. Dabei wird zum Steuern des Betriebsmittelstroms ein Steuerfluid in eine Steuerfluidkammer einer Differenzdruckkammer der Strahlpumpe geleitet. Erfindungsgemäß wird als Steuerfluid Wasserstoff verwendet. Es ist bevorzugt, dass über die Differenzdruckkammer ein Ventil der Treibdüse zum Steuern des Betriebsmittelstroms durch die Treibdüse verstellbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Steuern einer Größe eines Betriebsmittelstroms durch eine Treibdüse einer Strahlpumpe einer Brennstoffzelle hat dieselben Vorteile, wie bereits voranstehend zur Strahlpumpe gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden ist. Demnach hat das Verfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie kostengünstig ein Steuern des Betriebsfluidstroms möglich ist, wobei durch die Verwendung von Wasserstoff als Steuerfluid auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser ein Einfrieren der Differenzdruckkammer bzw. eines Ventils zum Steuern des Betriebsfluidstroms vermieden wird. Auf diese Weise wird eine bestimmungsgemäße Ventilstellung und somit ein reibungsloser Ablauf des Verfahrens gewährleistet bzw. eine Prozesssicherheit beim Betreiben einer Brennstoffzelle verbessert.
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Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Strahlpumpe sowie eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 in einer Seitenansicht eine bevorzugte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, und
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2 in einer Seitenansicht eine bevorzugte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
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1 zeigt in einer Seitenansicht schematisch eine bevorzugte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 4. Die Brennstoffzelle 4 weist eine Strahlpumpe 1 sowie eine Elektrodenkammer 3 mit einer Anode 2, einer Kathode 18 sowie einem zwischen Anode 2 und Kathode 18 angeordneten Elektrolyten 19 auf. Die Strahlpumpe 1 weist eine Mischkammer 6 und eine Treibdüse 7 auf, mittels der ein Betriebsfluidstrom in die Mischkammer 6 einleitbar ist. Die Mischkammer 6 ist fluidkommunizierend zwischen einer Einsaugöffnung 5 sowie einer Austrittsöffnung 8 der Strahlpumpe 1 angeordnet, wobei die Einsaugöffnung 5 und die Austrittsöffnung 8 fluidkommunizierend mit der Anode 2 der Elektrodenkammer 3 gekoppelt sind. Der Betriebsfluidstrom ist derart über die Treibdüse 7 in die Mischkammer 6 einbringbar, dass ein Venturi-Effekt auftritt und Arbeitsfluid von der Anode 2 über die Einsaugöffnung 6 eingesaugt und in die Mischkammer 6 weitergeleitet wird. In der Mischkammer 6 sind das Arbeitsfluid und das Betriebsfluid miteinander mischbar und durch einen optionalen Diffusor 22 über die Austrittsöffnung 8 zur Anode 2 leitbar. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Versorgung der Elektrodenkammer 3 mit frischem Betriebsfluid gewährleistbar. Vorzugsweise sind Betriebsfluid und Arbeitsfluid Wasserstoff.
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Zum Steuern des Betriebsfluidstroms durch die Treibdüse 7 weist die Strahlpumpe 1 ist eine Differenzdruckkammer 9 auf, die an der Treibdüse 7 angeordnet ist. Die Differenzdruckkammer 9 weist einen Betriebsfluidkanal 10 zum Durchleiten des Betriebsfluids zur Treibdüse 7 sowie eine Steuerfluidkammer 11 auf, die zum Steuern des Betriebsfluidstroms mit einem Steuerfluid beaufschlagbar ist. Erfindungsgemäß ist das Steuerfluid Wasserstoff. Zum Einbringen des Steuerfluids in die Steuerfluidkammer 11 weist die Strahlpumpe 1 einen Wasserstoffgasinjektor 12 mit einem Versorgungsanschluss 16 auf, der fluidkommunizierend mit einer Versorgungsleitung 17 gekoppelt ist. Die Versorgungsleitung 17 ist zum Versorgen der Treibdüse 7 mit dem Betriebsmittel fluidkommunizierend mit dem Betriebsfluidkanal 10 gekoppelt. Zum Ablassen des Steuerfluids aus der Steuerfluidkammer 11 ist ein Purge-Ventil 13 mit einem Auslass 20 vorgesehen. In dieser Ausführungsform ist der Auslass 20 über eine gestrichelt dargestellte Wasserstoffleitung 21 sowie eine gestrichelt dargestellte Wasserstoffpumpe 15 fluidkommunizierend mit der Mischkammer 6 gekoppelt. Somit ist Wasserstoff aus der Steuerfluidkammer 11 in die Mischkammer 6 leitbar. In einer alternativen Ausführungsform kann der Auslass 20 anstatt mit der Mischkammer 6 mit einem nicht dargestellten Purge-Auslass eines Purge-Ventils eines Brennstoffzellen-Stacks fluidkommunizierend gekoppelt sein.
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In 2 ist eine bevorzugte zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 4 schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in einer Ausbildung der Strahlpumpe 1 bzw. einer Bereitstellung des Steuerfluids. Der Versorgungsanschluss 16 des Wasserstoffgasinjektors 12 ist in dieser zweiten Ausführungsform mit einem Wasserstoffspeicher 14 fluidkommunizierend gekoppelt und über diesen mit Wasserstoff als Steuerfluid versorgbar. Der Auslass 20 des Purge-Ventils 13 ist mit einer Wasserstoffpumpe 15 zum Pumpen des aus der Steuerfluidkammer 11 abgelassenen Wasserstoffs zurück in den Wasserstoffspeicher 14 fluidkommunizierend gekoppelt. Das Steuerfluid ist in dieser Ausführungsform somit in einem separaten Steuerfluidkreislauf geführt.
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Auch bei dieser zweiten Ausführungsform geht kein Steuerfluid bzw. Wasserstoff verloren.
