DE102020113453A1 - Brennstoffzellensystem mit einer Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung eines Reaktanten sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einer Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung eines Reaktanten sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (11), der stapelinterne Kathodenräume umfasst, die strömungsmechanisch mit einer Kathodengas bereitstellenden Kathodenversorgung verbunden sind, der ferner einen ersten Brennstoffanschluss (23) und einen zweiten Brennstoffanschluss (27) umfasst, die über stapelinterne Anodenräume strömungsmechanisch miteinander verbunden sind, welche ihrerseits von den Kathodenräumen separiert sind, wobei die Brennstoffanschlüsse (23, 27) in einen Anodenkreislauf (8) eingebunden sind, um den aus dem Einen der Brennstoffanschlüsse (23, 27) austretenden unverbrauchten Brennstoff dem Anderen der Brennstoffanschlüsse (23, 27) erneut zuzuführen, wobei im Anodenkreislauf (8) eine Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung des Brennstoffes zwischen den Brennstoffanschlüssen (23, 27) vorliegt. Die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung ist aus einem in eine Anodenrezirkulationsleitung (14) eingebundenen und bidirektional betreibbaren Rezirkulationsgebläse (6) gebildet, oder die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung ist aus einer zwei Strahlpumpen (7, 10) umfassenden Strahlpumpenanordnung gebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem solchen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, der stapelinterne Kathodenräume umfasst, die strömungsmechanisch mit einer Kathodengas bereitstellenden Kathodenversorgung verbunden sind, der ferner einen ersten Brennstoffanschluss und einen zweiten Brennstoffanschluss umfasst, die über stapelinterne Anodenräume strömungsmechanisch miteinander verbunden sind, welche ihrerseits von den Kathodenräumen separiert sind, wobei die Brennstoffanschlüsse in einen Anodenkreislauf eingebunden sind, um den aus dem Einen der Brennstoffanschlüsse austretenden unverbrauchten Brennstoff dem Anderen der Brennstoffanschlüsse erneut zuzuführen, wozu im Anodenkreislauf eine Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung des Brennstoffes zwischen den Brennstoffanschlüssen vorliegt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
  • Es ist bekannt, dass die Flussrichtung der Reaktanten durch den Brennstoffzellenstapel einen Einfluss auf die Effizienz des Brennstoffzellensystems hat. Mit anderen Worten unterscheidet sich eine Spannungs-Strom-Kennlinie der Brennstoffzelle bei einem Durchströmen des Stapels mit Reaktanten im Gleichstromprinzip („co-flow“) von der Spannungs-Strom-Kennlinie bei einem Durchströmen des Stapels mit Reaktanten im Gegenstromprinzip („counterflow“).
  • Aus der US 2002 / 0 127 444 A1 und der EP 1 365 466 A2 sind Brennstoffzellensysteme beschrieben, die mit einer Einrichtung zum Umkehren der Fließrichtung der Reaktanten ausgestattet sind.
  • In der den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildenden DE 10 2007 059 998 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit zwei in einem Anodenkreislauf zusammengefassten Brennstoffzellenstapeln beschrieben, bei dem sich die Flussrichtung des Brennstoffs durch die beiden Stapel umkehren lässt.
  • Es ist demgegenüber die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Brennstoffzellensystem und ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einem solchen anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung aus einem in eine Anodenrezirkulationsleitung eingebundenen und bidirektional betreibbaren Rezirkulationsgebläse gebildet ist, oder dass die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung aus einer zwei Strahlpumpen umfassenden Strahlpumpenanordnung gebildet ist.
  • Durch die auf diese Weise ausgebildete Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung lässt sich zuverlässig eine geringe lokale Alterung der Membranen verzeichnen. Dadurch verringert sich auch das Risiko von Rissen oder von Lochbildungen in ihnen. Es lässt sich durch diese Einrichtung auch ein etwaig vorhandener Befeuchter kleiner auslegen.
  • Es ist von Vorteil, wenn die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung eingerichtet ist, eine erste Rezirkulationsrate bei der Zirkulation des Brennstoffs im Anodenkreislauf in einer ersten Richtung einzustellen, und eine von der ersten Rezirkulationsrate abweichende zweite Rezirkulationsrate bei der Zirkulation des Brennstoffs im Anodenkreislauf in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung einzustellen. Hierdurch kann das Brennstoffzellensystem an zwei unterschiedliche Lastpunkte optimiert angepasst werden. Vorzugsweise entspricht dabei die erste Strömungsrichtung einer Optimierung an einen niedrigen Lastpunkt und die zweite Strömungsrichtung einer Optimierung an einen hohen Lastpunkt des Brennstoffzellensystems.
  • Beim Einsatz einer Strahlpumpenanordnung ist es sinnvoll, wenn die Strahlpumpen eine strömungsmechanisch mit einem Treibdüsenanschluss verbundene Treibdüse und eine strömungsmechanisch mit einem Saugdüsenanschluss verbundene Saugdüse umfassen. Die Saugdüsen münden jeweils in ein Mischrohr. Die Treibdüsenanschlüsse der Strahlpumpen sind strömungsmechanisch an eine mit einem Brennstofftank verbundene Anodenzufuhrleitung angeschlossen. Das Mischrohr der ersten Strahlpumpe ist zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit dem ersten Brennstoffanschluss des Brennstoffzellenstapels verbindbar, wobei der Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe zumindest zeitweise mit dem zweiten Brennstoffanschluss des Brennstoffzellenstapels verbindbar ist. Das Mischrohr der zweiten Strahlpumpe ist zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit dem zweiten Brennstoffanschluss des Brennstoffzellenstapels verbindbar, wobei der Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe zumindest zeitweise mit dem ersten Brennstoffanschluss des Brennstoffzellenstapels verbindbar ist. Auf diese Weise lässt sich eine Brennstoffzirkulation in zwei entgegengesetzten Richtungen durch den Brennstoffzellenstapel realisieren.
  • Für eine zuverlässige Brennstoffzirkulation im Anodenkreislauf in einer ersten Richtung ist das Mischrohr der ersten Strahlpumpe strömungsmechanisch mit dem ersten Brennstoffanschluss verbunden, wobei der Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe strömungsmechanisch mit dem zweiten Brennstoffanschluss verbunden ist, und wobei das Mischrohr und der Treibdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe mit keinem der Brennstoffanschlüsse strömungsmechanisch verbunden sind. Für eine zuverlässige Brennstoffzirkulation im Anodenkreislauf in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung ist das Mischrohr der zweiten Strahlpumpe strömungsmechanisch mit dem zweiten Brennstoffanschluss verbunden, wobei der Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe strömungsmechanisch mit dem ersten Brennstoffanschluss verbunden ist, und wobei das Mischrohr und der Treibdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe mit keinem der Brennstoffanschlüsse strömungsmechanisch verbunden sind.
  • Dabei ist die Möglichkeit vorhanden, dass der Anodenkreislauf ein das Mischrohr der ersten Strahlpumpe mit dem ersten Brennstoffanschluss verbindendes erstes Leitungsstück umfasst, und dass der Anodenkreislauf ein das Mischrohr der zweiten Strahlpumpe mit dem zweiten Brennstoffanschluss verbindendes zweites Leitungsstück umfasst. Von dem zweiten Leitungsstück zweigt ein Rezirkulationsleitungsstück ab, welches seinerseits eine Verzweigung zu einem am Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe angeschlossenen ersten Saugdüsenleitungsstück sowie zu einem am Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe angeschlossenen zweiten Saugdüsenleitungsstück umfasst. Um die Anzahl an zu einzusetzender Ventile gering halten zu können umfasst der Anodenkreislauf außerdem ein das erste Leitungsstück strömungsmechanisch mit dem Rezirkulationsleitungsstück stromauf der Verzweigung verbindendes Verbindungsleitungsstück.
  • Vorzugsweise ist zwischen dem Mischrohr der ersten Strahlpumpe und dem ersten Brennstoffanschluss ein erstes Absperrventil vorhanden. Zwischen dem Mischrohr der zweiten Strahlpumpe und dem zweiten Brennstoffanschluss ist ferner ein zweites Absperrventil vorhanden, wobei zwischen dem Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe und dem Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe sowie dem zweiten Brennstoffanschluss ein gemeinsames drittes Absperrventil vorliegt. Damit ist die Ventilanzahl deutlich reduziert, wobei die einzelnen Ventile von einem Steuergerät ansteuerbar sind.
  • Es ist für eine zuverlässige Rezirkulation von Vorteil, wenn das dritte Absperrventil in das Rezirkulationsleitungsstück zwischen der Abzweigung und einem Anschluss des Verbindungsleitungsstücks eingebunden ist.
  • Um den Effekt der unterschiedlichen Leistungskurven im Gegenstrombetrieb und Gleichstrombetrieb der Reaktanten durch den Stapel nutzen zu können, und um insbesondere das Brennstoffzellensystem an mindestens zwei unterschiedliche Lastanforderungen oder Lastpunkten optimieren zu können, hat sich eine unterschiedliche geometrische Ausgestaltung der beiden Strahlpumpen als vorteilhaft erwiesen. In diesem Zusammenhang unterscheiden sich die Geometrien der beiden Strahlpumpen derart voneinander, dass bei einem vorgegebenen, am jeweiligen Treibdüsenanschluss anliegenden Brennstoff-druck, eine unterschiedliche Rezirkulationsrate vorherrscht für den im Anodenkreislauf vorliegenden Brennstoff oder das im Anodenkreislauf vorliegende Brennstoffgemisch.
  • Zur Sicherstellung einer Mindestbrennstoffmenge während des Umschaltens der Flussrichtung durch den Brennstoffzellenstapel, ist es von Vorteil, dass stromab des Mischrohrs der ersten Strahlpumpe und/oder stromab des Mischrohrs der zweiten Strahlpumpe ein Brennstoffzwischenspeicher vorliegt.
  • Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten im gleichen Maße für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
  • Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
    • 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Brennstoffzellensystems eines Kraftfahrzeugs, bei welchem die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung aus einem Rezirkulationsgebläse gebildet ist, und
    • 2 eine der 1 entsprechende Darstellung eines Brennstoffzellensystems, bei welchem die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung aus einer zwei Strahlpumpen umfassenden Strahlpumpenanordnung gebildet ist.
  • In 1 und 2 sind ein über eine Kommunikationsverbindung mit einem nicht näher dargestellten Fahrzeugsteuergerät verbundenes Steuergerät 25 eines Brennstoffzellensystems 1 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 11, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 2 aufweist. Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen 2 ist in der 1 nur schematisch angedeutet. Das Brennstoffzellensystem 1 und das Fahrzeugsteuergerät sind Teile eines nicht näher dargestellten erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
  • Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige, insbesondere protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
  • Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.
  • Über stapelintern angeordnete Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 kann den Kathoden Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme). Luft- oder kathodenseitig ist ein Verdichter 17 vorhanden, der vorliegend Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Aufgrund dieser Verdichtung erhöht sich die Temperatur des angesaugten Kathodengases, so dass es über eine Verdichterleitung 18 zunächst an einen Ladeluftkühler 19 geleitet wird, um es wieder auf eine gewünschte Temperatur herunter zu kühlen. Ausgehend vom Ladeluftkühler 19 wird das angesaugte, komprimierte Kathodengas einem Befeuchter 20 zugeleitet. Im Befeuchter 20 wird das trockene Kathodengas mit der Feuchtigkeit des Kathodenabgases, welches über eine Kathodenabgasleitung 21 dem Befeuchter 20 zugeführt wird, vermischt und damit ebenfalls befeuchtet, bevor es über die Kathodenzufuhrleitung 9 den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird. Außerdem ist der Befeuchter 20 mit einer Abgasleitung 22 verbunden, über welche das verbleibende Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgeleitet wird.
  • Über stapelintern angeordnete Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 wird den Anoden Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt. Der Brennstoff wird aus einem Brennstoffspeicher 13 mittels einer Anodenzufuhrleitung 12 bereitgestellt, wobei er in einem Wärmetauscher 16 vorkonditioniert wird. Über ein Brennstoffstellglied 15, insbesondere einem Druckregelventil, lässt sich der bereitgestellte Brennstoffdruck einstellen.
  • In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (z.B. H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
  • Der Brennstoffzellenstapel 11 umfasst dabei einen ersten Brennstoffanschluss 23 und einen zweiten Brennstoffanschluss 27, die über die stapelinternen Anodenräume strömungsmechanisch miteinander verbunden sind, welche ihrerseits von den Kathodenräumen separiert sind, wobei die Brennstoffanschlüsse 23, 27 in einen Anodenkreislauf 8 eingebunden sind, um den aus dem Einen der Brennstoffanschlüsse 23, 27 austretenden unverbrauchten Brennstoff dem Anderen der Brennstoffanschlüsse 23, 27 erneut zuzuführen. Dies ist von Vorteil, weil die Brennstoffzellenreaktion zumeist unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs abläuft.
  • Es hat sich im Hinblick auf die Vermeidung von Schädigungen der Membranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 erfindungsgemäß als vorteilhaft herausgestellt, dass in den Anodenkreislauf 8 eine Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung des Brennstoffes zwischen den Brennstoffanschlüssen 23, 27 eingebunden wird. Es ist von Vorteil, wenn die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung eingerichtet ist, eine erste Rezirkulationsrate bei der Zirkulation des Brennstoffs im Anodenkreislauf 8 in einer ersten Richtung einzustellen, und eine von der ersten Rezirkulationsrate abweichende zweite Rezirkulationsrate bei der Zirkulation des Brennstoffs im Anodenkreislauf 8 in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung einzustellen. Auf diese Weise lässt sich das Brennstoffzellensystem 1 optimiert an zwei unterschiedliche Lastpunkte einstellen bzw. betreiben.
  • In 1 ist die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung aus einem in eine Anodenrezirkulationsleitung 14 eingebundenen und bidirektional betreibbaren Rezirkulationsgebläse 6 gebildet.
  • In 2 ist die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung aus einer zwei Strahlpumpen 7, 10 umfassenden Strahlpumpenanordnung gebildet. Jede der Strahlpumpen 7, 10 umfasst eine strömungsmechanisch mit einem Treibdüsenanschluss verbundene Treibdüse sowie eine strömungsmechanisch mit einem Saugdüsenanschluss verbundene Saugdüse. Die Saugdüsen münden jeweils in ein Mischrohr, an welches sich ein Diffusor anschließt. Die Treibdüsenanschlüsse der Strahlpumpen 7, 10 sind ihrerseits - zumindest zeitweise - über die Anodenzufuhrleitung 12 strömungsmechanisch mit Brennstofftank 13 verbunden.
  • Der Anodenkreislauf 8 umfasst ein das Mischrohr bzw. den Diffusor der ersten Strahlpumpe 7 mit dem ersten Brennstoffanschluss 23 verbindendes erstes Leitungsstück 32. Der Anodenkreislauf 8 umfasst außerdem ein das Mischrohr bzw. den ersten Diffusor der zweiten Strahlpumpe 10 mit dem zweiten Brennstoffanschluss 27 verbindendes zweites Leitungsstück 33.
  • Von dem zweiten Leitungsstück 33 zweigt an einer Abzweigung 38 ein Rezirkulationsleitungsstück 31 ab, welches eine Verzweigung 37 zu einem am Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe 7 angeschlossenen ersten Saugdüsenleitungsstück 35 sowie zu einem am Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe 10 angeschlossenen zweiten Saugdüsenleitungsstück 34 umfasst.
  • Der Anodenkreislauf 8 umfasst ferner ein das erste Leitungsstück 32 strömungsmechanisch mit dem Rezirkulationsleitungsstück 31 stromauf der Verzweigung 37 verbindendes Verbindungsleitungsstück 36, wobei ein strömungsmechanische Verbindung an einem Anschluss 39 vorliegt. In dieses Verbindungsleitungsstück 39 ist optional noch ein weiteres Ventil 41 eingebunden. Das Verbindungsleitungsstück 36 setzt sich nach dem Anschluss 39 in einer Auslassleitung fort, in welcher ein Wasserabscheider 4 sowie ein Spül- und/oder Abscheiderventil 5 vorliegen, um den Anodenkreislauf 8 zu spülen und/oder Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf 8 auszuleiten.
  • Im ersten Leitungsstück 32 liegt zwischen dem Mischrohr der ersten Strahlpumpe 7 und dem ersten Brennstoffanschluss 23 ein erstes Absperrventil 28 vor, welches stromauf des Verbindungsleitungsstücks 36 eingebunden ist. Im zweiten Leitungsstück 33 liegt zwischen dem Mischrohr der zweiten Strahlpumpe 10 und dem zweiten Brennstoffanschluss 27 ein zweites Absperrventil 29, welches stromauf der Abzweigung 38 eingebunden ist. Im Rezirkulationsleitungsstück 31 liegt zwischen der Abzweigung 38 und dem Anschluss 39 ein drittes Absperrventil 30 vor. Die Absperrventile 28, 29, 30 werden mittels des Steuergeräts 25 angesteuert, wobei sich durch eine geeignete Ventilstellung der Brennstoffstrom im Brennstoffzellenstapel 11 umkehren lässt. Das Steuergerät 25 kann ferner die Betätigung und die Einstellung des Öffnungsgrads der Ventile 3, 5, 15, 41 bewirken.
  • Zur Brennstoffzirkulation im Anodenkreislauf 8 in einer ersten Richtung, wird das Mischrohr der ersten Strahlpumpe 7 strömungsmechanisch mit dem ersten Brennstoffanschluss 23 verbunden, wozu das erste Absperrventil 28 geöffnet ist. Ferner ist der Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe 7 strömungsmechanisch mit dem zweiten Brennstoffanschluss 27 verbunden, wozu außerdem das dritte Absperrventil 30 geöffnet ist. Das Mischrohr und der Treibdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe 10 ist dabei mit keinem der Brennstoffanschlüsse 23, 27 strömungsmechanisch verbunden, wozu das zweite Absperrventil 29 geschlossen ist.
  • Um die Flussrichtung des Brennstoffs umzukehren und eine Brennstoffzirkulation im Anodenkreislauf 8 in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu realisieren, wird das Mischrohr der zweiten Strahlpumpe 10 strömungsmechanisch mit dem zweiten Brennstoffanschluss 27 verbunden, wozu das zweite Absperrventil 29 geöffnet wird. Der Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe 10 wird ferner strömungsmechanisch mit dem ersten Brennstoffanschluss 23 verbunden, wozu das dritte Absperrventil 30 geschlossen wird. Das Mischrohr und der Treibdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe 7 sind dabei mit keinem der Brennstoffanschlüsse 23, 27 strömungsmechanisch verbunden, wozu das erste Absperrventil 28 verschlossen ist.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 ist vorliegend auch beim Einsatz der Strahlpumpenanordnung optimiert an zwei unterschiedliche Lastpunkte; beispielsweise bei einer Brennstoffflussrichtung im Uhrzeigersinn an einen hohen Lastpunkt und bei einer Brennstoffflussrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn an einen niedrigen Lastpunkt. Hierzu unterscheiden sich die Geometrien der Strahlpumpen 7, 10 derart voneinander, dass bei einem vorgegebenen, am jeweiligen Treibdüsenanschluss anliegenden Brennstoffdruck, eine unterschiedliche Rezirkulationsrate vorherrscht für den im Anodenkreislauf 8 vorliegenden Brennstoff oder das im Anodenkreislauf 8 vorliegende Brennstoffgemisch.
  • Um beim Umkehren der Flussrichtung eine ausreichende Brennstoffversorgung des Stapels sicherzustellen ist vorliegend außerdem stromab des Mischrohrs der ersten Strahlpumpe 7 ein Brennstoffzwischenspeicher 40 vorhanden, der bei Bedarf durch Öffnen eines Ventils 3 zugeschaltet werden kann. Dieser Brennstoffzwischenspeicher 40 kann aber alternativ oder zusätzlich dem Mischrohr der zweiten Strahlpumpe 10 nachgeschaltet sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Brennstoffzelle
    3
    Ventil (Brennstoffzwischenspeicher)
    4
    Wasserabscheider
    5
    Abscheiderventil
    6
    Rezirkulationsgebläse
    7
    erste Strahlpumpe
    8
    Anodenkreislauf
    9
    Kathodenzufuhrleitung
    10
    zweite Strahlpumpe
    11
    Brennstoffzellenstapel
    12
    Anodenzufuhrleitung
    13
    Brennstoffspeicher
    14
    Anodenrezirkulationsleitung
    15
    Brennstoffstellglied
    16
    Wärmetauscher
    17
    Verdichter
    18
    Verdichterleitung
    19
    Ladeluftkühler
    20
    Befeuchter
    21
    Kathodenabgasleitung
    22
    Abgasleitung
    23
    erster Brennstoffanschluss
    25
    Steuergerät
    27
    zweiter Brennstoffanschluss
    28
    erstes Absperrventil
    29
    zweites Absperrventil
    30
    drittes Absperrventil
    31
    Rezirkulationsleitungsstück
    32
    erstes Leitungsstück (erster Brennstoffanschluss)
    33
    zweites Leitungsstück (zweiter Brennstoffanschluss)
    34
    zweites Saugdüsenleitungsstück
    35
    erstes Saugdüsenleitungsstück
    36
    Verbindungsleitungsstück
    37
    Verzweigung (in Rezirkulationsleitungsstück)
    38
    Abzweigung (zu Rezirkulationsleitungsstück)
    39
    Anschluss (Verbindungsleitungsstück)
    40
    Brennstoffzwischenspeicher
    41
    Ventil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2002/0127444 A1 [0003]
    • EP 1365466 A2 [0003]
    • DE 102007059998 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (11), der stapelinterne Kathodenräume umfasst, die strömungsmechanisch mit einer Kathodengas bereitstellenden Kathodenversorgung verbunden sind, der ferner einen ersten Brennstoffanschluss (23) und einen zweiten Brennstoffanschluss (27) umfasst, die über stapelinterne Anodenräume strömungsmechanisch miteinander verbunden sind, welche ihrerseits von den Kathodenräumen separiert sind, wobei die Brennstoffanschlüsse (23, 27) in einen Anodenkreislauf (8) eingebunden sind, um den aus dem Einen der Brennstoffanschlüsse (23, 27) austretenden unverbrauchten Brennstoff dem Anderen der Brennstoffanschlüsse (23, 27) erneut zuzuführen, wobei im Anodenkreislauf (8) eine Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung des Brennstoffes zwischen den Brennstoffanschlüssen (23, 27) vorliegt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung aus einem in eine Anodenrezirkulationsleitung (14) eingebundenen und bidirektional betreibbaren Rezirkulationsgebläse (6) gebildet ist, oder dass die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung aus einer zwei Strahlpumpen (7, 10) umfassenden Strahlpumpenanordnung gebildet ist.
  2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Umkehren der Flussrichtung eingerichtet ist, eine erste Rezirkulationsrate bei der Zirkulation des Brennstoffs im Anodenkreislauf (8) in einer ersten Richtung einzustellen, und eine von der ersten Rezirkulationsrate abweichende zweite Rezirkulationsrate bei der Zirkulation des Brennstoffs im Anodenkreislauf (8) in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung einzustellen.
  3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpen (7, 10) der Strahlpumpenanordnung eine strömungsmechanisch mit einem Treibdüsenanschluss verbundene Treibdüse und eine strömungsmechanisch mit einem Saugdüsenanschluss verbundene Saugdüse umfassen, wobei die Saugdüsen jeweils in ein Mischrohr münden, und wobei die Treibdüsenanschlüsse der Strahlpumpen (7, 10) an eine strömungsmechanisch mit einem Brennstofftank (13) verbundene Anodenzufuhrleitung (12) angeschlossen sind, dass das Mischrohr der ersten Strahlpumpe (7) zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit dem ersten Brennstoffanschluss (23) des Brennstoffzellenstapels (11) verbindbar ist, dass der Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe (7) zumindest zeitweise mit dem zweiten Brennstoffanschluss (27) des Brennstoffzellenstapels (11) verbindbar ist, dass das Mischrohr der zweiten Strahlpumpe (10) zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit dem zweiten Brennstoffanschluss (27) des Brennstoffzellenstapels (11) verbindbar ist, und dass der Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe (10) zumindest zeitweise mit dem ersten Brennstoffanschluss (23) des Brennstoffzellenstapels (11) verbindbar ist.
  4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Brennstoffzirkulation im Anodenkreislauf (8) in einer ersten Richtung, das Mischrohr der ersten Strahlpumpe (7) strömungsmechanisch mit dem ersten Brennstoffanschluss (23) verbunden ist, wobei der Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe (7) strömungsmechanisch mit dem zweiten Brennstoffanschluss (27) verbunden ist, und wobei das Mischrohr und der Treibdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe (10) mit keinem der Brennstoffanschlüsse (23, 27) strömungsmechanisch verbunden sind, und dass zur Brennstoffzirkulation im Anodenkreislauf (8) in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung, das Mischrohr der zweiten Strahlpumpe (10) strömungsmechanisch mit dem zweiten Brennstoffanschluss (27) verbunden ist, wobei der Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe (10) strömungsmechanisch mit dem ersten Brennstoffanschluss (23) verbunden ist, und wobei das Mischrohr und der Treibdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe (7) mit keinem der Brennstoffanschlüsse (23, 27) strömungsmechanisch verbunden sind.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenkreislauf (8) ein das Mischrohr der ersten Strahlpumpe (7) mit dem ersten Brennstoffanschluss (23) verbindendes erstes Leitungsstück (32) umfasst, dass der Anodenkreislauf (8) ein das Mischrohr der zweiten Strahlpumpe (10) mit dem zweiten Brennstoffanschluss (27) verbindendes zweites Leitungsstück (33) umfasst, dass von dem zweiten Leitungsstück (33) ein Rezirkulationsleitungsstück (31) abzweigt, welches eine Verzweigung (37) zu einem am Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe (7) angeschlossenen ersten Saugdüsenleitungsstück (35) sowie zu einem am Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe (10) angeschlossenen zweiten Saugdüsenleitungsstück (34) umfasst, und dass der Anodenkreislauf (8) ein das erste Leitungsstück (32) strömungsmechanisch mit dem Rezirkulationsleitungsstück (31) stromauf der Verzweigung (37) verbindendes Verbindungsleitungsstück (36) umfasst.
  6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Mischrohr der ersten Strahlpumpe (7) und dem ersten Brennstoffanschluss (23) ein erstes Absperrventil (28) vorliegt, dass zwischen dem Mischrohr der zweiten Strahlpumpe (10) und dem zweiten Brennstoffanschluss (27) ein zweites Absperrventil (29) vorliegt, und dass zwischen dem Saugdüsenanschluss der ersten Strahlpumpe (7) und dem Saugdüsenanschluss der zweiten Strahlpumpe (10) sowie dem zweiten Brennstoffanschluss (27) ein gemeinsames drittes Absperrventil (30) vorliegt.
  7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Absperrventil (30) in das Rezirkulationsleitungsstück (31) zwischen der Abzweigung (38) und einem Anschluss (39) des Verbindungsleitungsstücks (36) eingebunden ist.
  8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Geometrien der Strahlpumpen (7, 10) derart voneinander unterscheiden, dass bei einem vorgegebenen, am jeweiligen Treibdüsenanschluss anliegenden Brennstoffdruck, eine unterschiedliche Rezirkulationsrate vorherrscht für den im Anodenkreislauf (8) vorliegenden Brennstoff oder das im Anodenkreislauf (8) vorliegende Brennstoffgemisch.
  9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Mischrohrs der ersten Strahlpumpe (7) und/oder stromab des Mischrohrs der zweiten Strahlpumpe (10) ein Brennstoffzwischenspeicher (40) vorliegt.
  10. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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