DE102021108722A1 - Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit passiver Rezirkulation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel mit passiver Rezirkulation mit einer Wasserstoffzuführung (10), einer Rezirkulationsgaszuführung (12), einer Strahlpumpe (14) mit Düse für den Wasserstoff, und einer Mischeinheit (20). Zur Erhöhung der Leistung der Brennstoffzelle ist vorgesehen, dass eine zweite Strahlpumpe (14) eingesetzt wird und dass beide Strahlpumpen (14) von einem gemeinsamen Umschaltventil (28) mit Wasserstoff versorgt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel mit passiver Rezirkulation mit einer Wasserstoffzuführung, einer Rezirkulationsgaszuführung, einer Strahlpumpe mit Düse für den Wasserstoff, und einer Mischeinheit.
  • Brennstoffzellen wandeln die chemische Energie eines Brennstoffs durch eine Reaktion mit Sauerstoff (oft aus der Luft) in Elektrizität um. Meist wird Wasserstoff als Brennstoff verendet. Wir werden daher im Weiteren immer „Wasserstoff“ für den Brennstoff oder Kraftstoff verwenden, schließen aber andere gasförmige Brennstoffe wie Butan, Propan, Methan, Methanol oder andere Kohlenwasserstoffe explizit mit ein.
  • Bekannt sind Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einem ionenleitenden Polymerelektrolyten, der und eine Anode von einer Kathode trennt. Der Wasserstoff wird dem Anodenraum zugeführt, der Sauerstoff dem Kathodenraum Die Wasserstoffionen wandern durch den Elektrolyten, die Elektronen wandern über einen elektrischen Stromkreis und einen Verbraucher außerhalb der Zelle. Solche PEM-Brennstoffzellen werden auch Polymerelektrolytbrennstoffzellen, Poylmer Electrolyte Fuel Cells, PEFC, Protonenaustauschmembranbrennstoffzellen, Proton Exchange Membran Fuel Cells, PEMFC oder Feststoffpolymerbrennstoffzellen, Solid Polymer Fuel Cells, SPFC; genannt. Da eine Brennstoffzelle normalerweise eine Spannung von nur ca. 1 V erzeugt, werden in der Regel mehrere Zellen zu Stapeln oder Stacks verbunden, um insgesamt eine höhere Spannung zu erzeugen.
  • Wasserstoffbrennstoffzellen werden überstöchiometrisch mit Wasserstoff versorgt, das heißt, sie verbrauchen nicht den gesamten Wasserstoff im Anodenraum, da sich sonst flüssiges Wasser und Inertgase ansammeln würden. Um den überflüssigen Wasserstoff nicht zu verschwenden, wird recycelt, also einer Rezirkulation zugeführt. Hierzu gibt es die Möglichkeit, den Wasserstoff aktiv mit einer mechanischen Pumpe oder einem Gebläse im Kreis zu führen. Möglich ist es auch ( DE 10 2012 017 567 A1 ), den Wasserstoff passiv im Kreis zu führen, indem eine Strahlpumpe mit einer Düse für den frischen Wasserstoff vorgesehen ist, die mit dem höheren Frischwasserstoffdruck den zu recycelnden Wasserstoff mitreißt. Dazu ist dort eine Rezirkulationsleitung vorgesehen.
  • Da die Strahlpumpe einen sehr begrenzten Arbeitsbereich hat, kann man auch parallel mehrere Strahlpumpen einsetzen, die je nach angeforderter Leistung versorgt werden. So ist in der DE 10 2017 011 720 A1 in Absatz 6 das parallele Zu- und Abschalten von Gasstrahlpumpen genannt, wird aber als aufwändig und komplex angesehen.
  • Möglich ist alternativ dazu auch, für einen großen Leistungsbereich eine Strahlpumpe mit einem verstellbaren Düsenaustrittsquerschnitt vorzusehen. Aus der US 2014/008 0016 A1 ist eine solche Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle mit passiver Rezirkulation mit einer Wasserstoffzuführung, einer Rezirkulationsgaszuführung, einer Strahlpumpe mit Düse für den Wasserstoff, und einer Mischeinheit bekannt. Die Querschnittsänderung der Düse erfolgt über eine elektrisch verstellbare Düsennadel. Die Düsennadel wird mit einem elektrischen Schrittmotor in ihrer Position verstellt. Diese Vorrichtung bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Vorrichtung vorzuschlagen, mit der die Bandbreite der Leistung der Brennstoffzelle vergrößert werden kann.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
  • Erfindungsgemäß wird also eine Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel mit passiver Rezirkulation vorgeschlagen mit einer Wasserstoffzuführung, einer Rezirkulationsgaszuführung, einer Strahlpumpe mit Düse für den Wasserstoff, und einer Mischeinheit, wobei eine zweite Strahlpumpe vorgesehen ist und wobei beide Strahlpumpen von einem gemeinsamen Umschaltventil mit Wasserstoff versorgt werden. Die zwei Strahlpumpen decken ein breiteres Leistungsspektrum ab als eine einzige, vor allem, wenn sie unabhängig voneinander schaltbar sind. Eine angeschaltet und die andere ausgeschaltet, liefert eine relativ kleine Leistung. Wird die zweite zugeschaltet, steigt die Leistung erheblich. Da erfindungsgemäß nur ein Schaltventil zur Ansteuerung beider Pumpen vorgesehen ist, ist das „Gasgeben“ (im wahrsten Sinn des Wortes) so einfach wie das Fahren in einem Auto mit einem einzigen Gaspedal. Zuschalten, Abschalten, Leistungssteigerung von einer oder beiden Pumpen und Leistungsrücknahme einer oder beider erfolgt ohne besondere, eigene Steuerelemente.
  • Die beiden Strahlpumpen können identisch sein und/oder die gleiche Leistung aufweisen. Schon dann verdoppelt sich die Leistung des gesamten Stacks. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die erste und die zweite Strahlpumpe unterschiedliche Leistungen, wenn zum Beispiel eine als Teillaststrahlpumpe und die andere als Volllaststrahlpumpe ausgebildet sind. Damit ist eine noch feinere Regulierung der Gesamtleistung möglich, da jede Pumpe für sich ja über die Düsenverstellung einen eigenen Leistungsbereich überstreicht.
  • Da das gemeinsame Umschaltventil beide Strahlpumpen ausschalten, je eine Strahlpumpe anschalten oder beide Strahlpumpen anschalten kann, können bei zwei unterschiedlichen Pumpen auch zwei unterschiedliche Optimalbereiche gefahren werden, in denen der Stack besonders effizient arbeitet.
  • In einer Ausführung der Erfindung ist das Umschaltventil als 3/4 Wege-Ventil ausgebildet. Dies ist die einfachste und preiswerteste Lösung, da hier auf ein an sich bekanntes und bewährtes Bauelement zurückgegriffen wird. Das 3/4 Wege-Ventil eignet sich aufgrund seiner Bauart: 3 Anschlüsse, 4 Schaltstellungen hervorragend zur Steuerung zweier Strahlpumpen aus einer Gasquelle. Vorgesehen sind als die drei Anschlüsse z.B. ein Eingang (gemeinsame Gaszufuhr) und zwei Ausgänge (die zwei Pumpen). Als die vier Schaltstellungen sind vorgesehen:
    1. 1. Beide Ausgänge zu.
    2. 2. Ausgang zur ersten Pumpe auf und zur zweiten zu.
    3. 3. Ausgang zur ersten Pumpe zu und zur zweiten auf.
    4. 4. Beide Ausgänge auf.
  • Da das 3/4 Wege-Ventil nur diskrete Schaltstellungen (auf, zu) hat (was man heute digital nennt), empfiehlt sich das Vorschalten eines Druckregelventils zum Einstellen von Zwischenwerten zwischen „Vollgas“ und „Aus“.
  • Bevorzugt wird ein Proportionalventil eingesetzt, das neben den Stellungen Ein und Aus auch Zwischenwerte einnehmen kann. Die Regelbarkeit der Gesamtanlage ist damit erhöht. Auch kann dann ein vorgeschaltetes Druckregelventil entfallen, da das Proportionalventil dessen Einstellarbeit übernimmt. So ist eine lastangepasste Umschaltung zwischen zwei passiven - auch unterschiedlich großen - Strahlpumpen möglich.
  • In einer bevorzugten Ausführung weist das Umschaltventil einen einzigen Ventilschieber mit Steuerkanten auf. Das Öffnen, Schließen, die Umschaltung und die Druckregelung gehen dann über die Freigabe von Steuerkanten von Statten. Ein einziger Antrieb reicht dann, um beide Pumpen in ihrer Leistung fein abgestimmt zu regeln.
  • Bevorzugt ist auch die Verwendung eines Rückstellmechanismus, der unabhängig vom Wasserstoffdruck und unabhängig von der Stromversorgung eine Rückstellung des Schiebers in die Geschlossenstellung erzwingt, und so als Sicherheitsmerkmal die Wasserstoffzufuhr abschließt. Dies kann zum Beispiel über eine Rückstellfeder erreicht werden, die den Schieber bei Nichtbestromung des Ventils in die Absperrstellung bewegt.
  • Als Antrieb des Schiebers können an sich bekannte Linearantriebe, wie Hydraulik- oder Pneumatikkolben oder Spindeltriebe mit Elektroantrieb, Einsatz finden. Bevorzugt wird ein Proportionalaktor als Antrieb für den Ventilschieber eingesetzt. Dieser hat einerseits genug Kraft, den Schieber hin- und her zu bewegen und arbeitet andererseits schnell genug für ein rasches Reagieren auf Steuerbefehle.
  • Der Aktor oder der Antrieb kann so stark ausgelegt sein, dass er die Steuerbefehle auch gegen hohe Drücke ausführt. In einer bevorzugten Ausführung reicht aber auch ein schwächerer Antrieb oder Aktor, wenn im Umschaltventil eine Druckkompensation vorgesehen ist. Zur Druckkompensation gelangt (Hochdruck-)gas von der Vorderseite des Kolbens auf dessen Rückseite, baut dort Gegendruck auf und hilft so, die aufzuwendenden Kräfte kleiner zu halten. Dies ermöglicht die Verwendung kleinerer, schwächerer und/oder schnellerer Antriebe. Eine Druckkompensation kann bei einem oder bei mehreren pneumatisch wirksamen Volumina eingesetzt werden. Die Druckkompensation kann bevorzugt durch Axialnuten erfolgen, die zum Beispiel im Schieber, in der oder den Führungen oder im Gehäuse eingebracht sind.
  • Zusätzlich oder alternativ zur Druckkompensation kann bevorzugt im Umschaltventil eine Verdrehsicherung für den Schieber vorgesehen sein. Eine solche verhindert eine Verdrehung des Schiebers um seine Längs- oder Bewegungsachse gegen die Zu- und Abführungen des Ventils. Die Verdrehsicherung kann über eine Nut, einen Stift, eine Passfeder oder ähnliche an sich bekannte Elemente erfolgen.
  • Die erfindungsgemäße Wasserstoffeinspritzvorrichtung kann aus jedem geeigneten Material hergestellt sein. Das Material muss den dort herrschenden mechanischen Belastungen und Temperaturen Stand halten. So empfiehlt sich Metall oder Kunststoff als vorherrschender Werkstoff für die Kolben, Gehäuse und Leitungen. Für Dichtungen elastische Werkstoffe.
  • Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
    • 1: eine erfindungsgemäße Wasserstoffeinspritzvorrichtung,
    • 2: eine andere Ausführung einer Wasserstoffeinspritzvorrichtung und
    • 3 bis 10: verschiedene Schaltzustände der Vorrichtung der 2.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Wasserstoffeinspritzvorrichtung mit passiver Rezirkulation, mit einer Wasserstoffzuführung 10, einer Rezirkulationsgaszuführung 12 vom Stack der Brennstoffzellen, erfindungsgemäß zwei Strahlpumpen 14 mit je einer Düse für den Wasserstoff, und mit einer Mischeinheit 20 mit einem Saugraum 22, zwei Mischrohren 24 und zwei Diffusoren 26, aus denen das gemischte Gas über die Gaszuführung 34 zum Anodenraum des Brennstoffzellenstacks gelangt. Die Wasserstoffeinspritzung erfolgt über ein gemeinsames einem gemeinsamen Umschaltventil 28, das in dieser Ausführung als 3/4 Wege-Ventil 30 ausgebildet ist. Dem 3/4 Wege-Ventil 30 ist ein Druckregelventil 32 vorgeschaltet. Das 3/4 Wege-Ventil 30 hat drei Anschlüsse nämlich ein Eingang (gemeinsame Gaszufuhr 10) und zwei Ausgänge zu den zwei Pumpen14. Es sind vier Schaltstellungen vorgesehen:
    1. 1. Beide Ausgänge zu. Dazu wird das oberste Ventilelement zum Eingang geschoben, da es keine Durchgänge hat, ist das Ventil 30 geschlossen.
    2. 2. Ausgang zur oberen Pumpe 14 auf und zur unteren Pumpe 14 zu. Dazu ist das zweitoberste Ventilelement zum Eingang geschoben, wie 1 zeigt. Da dieses Element einen Durchgang zur oberen Pumpe 14 hat (Pfeil) und keinen zur unteren Pumpe 14, wird nur die obere Pumpe 14 mit Wasserstoff versorgt.
    3. 3. Ausgang zur oberen Pumpe zu und zur unteren auf. Dazu wird das zweitunterste Ventilelement zum Eingang geschoben. Da dieses Element einen Durchgang (Pfeil) zur unteren Pumpe 14 hat und keinen zur oberen Pumpe 14, wird nur die untere Pumpe 14 mit Wasserstoff versorgt.
    4. 4. Beide Ausgänge auf. Dazu wird das unterste Ventilelement zum Eingang geschoben. Da dieses zwei Durchgänge (zwei Pfeile) hat, ist das Ventil 30 voll geöffnet und liefert Wasserstoff an beide Pumpen 14.
  • 2 zeigt eine andere Ausführung einer erfindungsgemäßen Wasserstoffeinspritzvorrichtung mit passiver Rezirkulation, mit einer Wasserstoffzuführung 10, einer Rezirkulationsgaszuführung 12 vom Stack der Brennstoffzellen, erfindungsgemäß zwei Strahlpumpen 16 und 18 mit je einer Düse für den Wasserstoff, und mit einer Mischeinheit 20, aus der das gemischte Gas über die Gaszuführung 34 zum Anodenraum des Brennstoffzellenstacks gelangt, wo sich ein Drucksensor 46 befindet, der Regelsignale zum Vergrößern oder Verkleinern der Gaszufuhr geben kann. Anders als in 1 sind nun die beiden Pumpen 16 und 18 unterschiedlich aufgebaut und haben unterschiedliche Leistungsstufen. Die eine Pumpe 16 ist eine Teillaststrahlpumpe 16, die andere Pumpe 18 eine Volllaststrahlpumpe 18 mit deutlich höherer Leistung. Auch die Elemente der Mischeinheit 20, (Saugraum, Mischrohre, Diffusoren), die den beiden Pumpen 16 und 18 zugeordnet sind, sind entsprechend den unterschiedlichen Leistungen unterschiedlich groß ausgelegt. Auch hat die Volllaststrahlpumpe 18 zwei Zuleitungen hinter dem Umschaltventil 28, während die Teillaststrahlpumpe 16 nur eine Zuleitung hat. Die Wasserstoffeinspritzung erfolgt über das gemeinsame Umschaltventil 28, das hier als Proportionalventil mit einem einzigen Ventilschieber 36 ausgebildet ist. Da es ein Proportionalventil ist, kann ein eigenes Druckregelventil vorgesehen sein, muss es aber nicht. Der Ventilschieber 36 ist hier als ein Bauteil (bevorzugt als ein einziges) ausgebildet. Er weist in seinem oberen Teil, dem als eigentliches Ventil wirkenden Teil, mit unterschiedlichen Kolbenteilen oder Funktionsbereichen 48, 50 und 52 mit funktionalen Durchmessern und Steuerkanten ausgerüstet, die je nach ihrer Stellung im Gehäuse Gas von der Wasserstoffzuführung 10 zu einer oder zu beiden der Pumpen 16 und 18 durchlassen oder es in der Menge so regeln, dass alle beliebigen Zwischenwerte in der Leistung der Brennstoffzelle eingestellt werden können. Die eigentlichen, schaltenden Ventilteile werden von einem Proportionalaktor 40 in 2 nach oben und nach unten bewegt und öffnen oder schließen dabei Durchgänge von der Wasserstoffversorgung 10 zu den beiden Pumpen 16 und 18 ganz oder teilweise. Der Proportionalaktor 40 ist elektrisch oder elektromagnetisch angesteuert und bewegt den als Ventilkolben wirkenden Ventilschieber 36 auf und ab. Dazu taucht sein unteres Ende in die Öffnung eines Tauchmagneten, der von einer Spule gebildet wird, die über Bestromung den Ventilschieber 36 nach oben oder nach unten bewegt.
  • Bei Verwendung einer Rückstellfeder 42, wie hier gezeigt, reicht auch die elektromotorische Verschiebung in einer Richtung, da die Rückstellfeder 42 dann die Verschiebung in die andere Richtung übernimmt. Die Rückstellfeder 42 drückt den Ventilschieber 36 nach oben und hält ihn im Falle eines Stromausfalls in der oberen Endstellung, so dass die Wasserstoffzufuhr geschlossen ist.
  • Weiterhin ist in dieser Ausführung eine Verdrehsicherung 38 vorgesehen, die verhindert, dass der Ventilschieber 36 sich um seine eigene Längsachse verdreht. Zusätzlich sind in dieser Ausführung Überstömbohrungen 44 zur Druckkompensation vorgesehen, die Hochdruckgas aus der Wasserstoffzuführung 10 am Funktionsbereich 52 vorbei in den Bereich unterhalb des Kolbenteils 52 nach unten strömen lassen. Über die Verdrehsicherung 38 und über vorhandene Radial-Führungsspiele (an 52 vorbei) sind alle Funktionsbereiche oder Funktionsräume miteinander verbunden, so dass ein Druckausgleich stattfindet und der Aktor 40 nur die Reib- und Federkräfte aufbringen muss. Der Raum auf der anderen Seite hat den gleichen Druck, was bedeutet, dass keine resultierende Kraft wirkt.
  • Die 3 bis 10 zeigen verschiedene Schaltzustände der Vorrichtung der 2.
  • 3 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 2 in Stellung 1, der vollständig abgeschlossenen Wasserstoffzuführung. Dazu wurde im Umschaltventil 28 der Ventilschieber 36 entweder vom Proportionalaktor 40 oder von der Rückstellfeder 42 ganz nach oben in den oberen Anschlag gedrückt. Der Funktionsbereich 52 schließt die Wasserstoffzuführung 10 und verhindert, dass frischer Wasserstoff über die beiden Strahlpumpen 16 und 18 und die Mischeinrichtung 20 zur Gaszuführung 34 zum Anodenraum der Brennstoffzellen gelangt.
  • 4 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 2 in Stellung 2, der Druckregelung der Teillaststrahlpumpe 16. Der Ventilschieber 36 wurde vom Proportionalaktor 40 etwas nach unten gezogen. Der Funktionsbereich 52 öffnet die Wasserstoffzuführung 10 etwas und erlaubt so, dass frischer Wasserstoff über die Teillaststrahlpumpe 16 druckgeregelt freigegeben wird. Die Volllaststrahlpumpe 18 ist in dieser Phase 2 deaktiviert.
  • 5 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 2 in Stellung 2, der vollständigen Öffnung der Teillaststrahlpumpe 16. Der Ventilschieber 36 wurde vom Proportionalaktor 40 weiter nach unten gezogen. Der Funktionsbereich 52 bedeckt die Wasserstoffzuführung 10 nicht mehr und erlaubt so, dass frischer Wasserstoff über die Teillaststrahlpumpe 16 vollständig freigegeben ist. Die Volllaststrahlpumpe 18 ist in dieser Phase 2 deaktiviert.
  • 6 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 2 in Stellung 3, dem teilweisen Schließen der Teillaststrahlpumpe 16 und der teilweisen Öffnung der Volllaststrahlpumpe 18. Der Ventilschieber 36 wurde vom Proportionalaktor 40 etwas weiter nach unten gezogen. Der Funktionsbereich 50 lässt die Wasserstoffzuführung 10 links voll offen, erlaubt rechts aber noch, dass frischer Wasserstoff geregelt zur Teillaststrahlpumpe 16 und zur Volllaststrahlpumpe 18 gelangt. Der Funktionsbereich 52 eröffnet den teilweisen Zufluss zur Volllaststrahlpumpe 18.
  • 7 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 2 am Ende der Stellung 3, dem vollständigen Schließen der Teillaststrahlpumpe 16 und der vollständigen Öffnung der Volllaststrahlpumpe 18. Der Ventilschieber 36 wurde vom Proportionalaktor 40 etwas weiter nach unten gezogen. Der Funktionsbereich 50 verhindert rechts die Wasserstoffzufuhr zur Teillaststrahlpumpe 16, erlaubt aber, dass frischer Wasserstoff zur Volllaststrahlpumpe 18 gelangt. Der Funktionsbereich 52 erlaubt den vollständigen Zufluss zur Volllaststrahlpumpe 18.
  • 8 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 2 am Start der Stellung 4, dem vollständigen Schließen der Teillaststrahlpumpe 16 und der vollständigen Öffnung der Volllaststrahlpumpe 18. Der Ventilschieber 36 wurde vom Proportionalaktor 40 noch etwas weiter nach unten gezogen. Der Funktionsbereich 50 verhindert rechts die Wasserstoffzufuhr zur Teillaststrahlpumpe 16, erlaubt aber, dass frischer Wasserstoff zur Volllaststrahlpumpe 18 gelangt. Das Kolbenteil 52 erlaubt den vollständigen Zufluss zur Volllaststrahlpumpe 18.
  • 9 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 2 in der Stellung 4, dem teilweisen Öffnen der Teillaststrahlpumpe 16 und der vollständigen Öffnung der Volllaststrahlpumpe 18. Der Ventilschieber 36 wurde vom Proportionalaktor 40 noch etwas weiter nach unten gezogen. Der Funktionsbereich 50 erlaubt die teilweise Wasserstoffzufuhr zur Teillaststrahlpumpe 16. erlaubt aber, dass frischer Wasserstoff zur Volllaststrahlpumpe 18 gelangt. Die Funktionsbereiche 50 und 52 erlauben den vollständigen Zufluss zur Volllaststrahlpumpe 18.
  • 10 zeigt die Wasserstoffeinspritzvorrichtung der 2 am Ende der Stellung 4, der vollständigen Öffnung beider Strahlpumpen 16 und 18. Der Ventilschieber 36 wurde vom Proportionalaktor 40 noch etwas weiter nach unten in den unteren Anschlag gezogen. Das Funktionsbereich 50 erlaubt die vollständige Wasserstoffzufuhr zur Teillaststrahlpumpe 16 und zur Volllaststrahlpumpe 18. Damit sind beide Pumpen 16 und 18 vollständig geöffnet und laufen für die maximale Stackleistung auf Volllast.
  • Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass das einfache, lineare Verschieben des Ventilschiebers 36 in dem Umschaltventil 28 die Leistung des Stacks von Null auf 100 % so einfach bedienbar regeln kann wie das lineare „Gasgeben“ eines PKW oder das „Aufdrehen“ eines Verstärkers einer Musikanlage.
  • Bezugszeichenliste
  • 10
    Wasserstoffzuführung
    12
    Rezirkulationsgaszuführung
    14
    Strahlpumpe
    16
    Teillaststrahlpumpe
    18
    Volllaststrahlpumpe
    20
    Mischeinheit
    22
    Saugraum
    24
    Mischrohr
    26
    Diffusor
    28
    Umschaltventil
    30
    3/4 Wege Ventil
    32
    Druckregelventil
    34
    Gaszuführung zum Anodenraum
    36
    Ventilschieber
    38
    Verdrehsicherung
    40
    Proportionalaktor
    42
    Rückstellfeder
    44
    Überströmbohrung
    46
    Drucksensor
    48
    Funktionsbereich
    50
    Funktionsbereich
    52
    Funktionsbereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012017567 A1 [0004]
    • DE 102017011720 A1 [0005]
    • US 2014/0080016 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Wasserstoffeinspritzvorrichtung für eine Brennstoffzelle oder einen Brennstoffzellenstapel mit passiver Rezirkulation mit einer Wasserstoffzuführung (10), einer Rezirkulationsgaszuführung (12), einer Strahlpumpe (14) mit Düse für den Wasserstoff, und einer Mischeinheit (20), dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Strahlpumpe (14) vorgesehen ist und dass beide Strahlpumpen (14) von einem gemeinsamen Umschaltventil (28) mit Wasserstoff versorgt werden.
  2. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Strahlpumpe (14) unterschiedliche Leistungen haben (Teillaststrahlpumpe (16), Volllaststrahlpumpe (18)).
  3. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (28) beide Strahlpumpen (14) ausschalten, je eine Strahlpumpe (14) anschalten oder beide Strahlpumpen (14) anschalten kann.
  4. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (28) als 3/4 Wege-Ventil (30) ausgeführt ist, dem bevorzugt ein Druckregelventil (32) vorgeschaltet ist.
  5. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (28) als Proportionalventil ausgebildet ist.
  6. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (28) einen einzigen Ventilschieber (36) mit Steuerkanten aufweist.
  7. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (28) einen Proportionalaktor (40) und/oder einen Rückstellmechanismus wie eine Rückstellfeder (42) aufweist.
  8. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Umschaltventil (28) eine Druckkompensation (44), bevorzugt durch Axialnuten, vorgesehen ist.
  9. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Umschaltventil (28) eine Verdrehsicherung (38) für den Ventilschieber (36) vorgesehen ist.
  10. Wasserstoffeinspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie im Wesentlichen aus Metall oder aus Kunststoff hergestellt ist.
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