DE102021129809B3

DE102021129809B3 - Strahlpumpe, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102021129809B3
Application number: DE102021129809.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nehmeyer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2021-11-16
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2041-11-17

Abstract

Eine verstellbare Strahlpumpe (2) wird zum Rezirkulieren von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem (1) verwendet. Zur Variation des Mischungsverhältnisses zwischen frischem und rezirkuliertem Wasserstoff befindet sich in einem Pumpengehäuse (3) eine Düsennadel (10), welche mittels eines Aktuators (14) verschiebbar ist. Das Pumpengehäuse (3) weist zwei Anschlüsse (4, 8), nämlich einen primären Anschluss (8) für frischen Wasserstoff und einen sekundären Anschluss (4) für rezirkulierenden Wasserstoff, auf. Der Aktuator (14) ist als pneumatischer, mit frischem Wasserstoff betriebener Aktuator ausgebildet und weist hierfür zwei zusätzlich zum primären Anschluss (8) mit frischem Wasserstoff beaufschlagbare Zylinderanschlüsse (17, 18) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Strahlpumpe, welche zum Rezirkulieren von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
Ein Brennstoffzellensystem mit Rezirkulation von Wasserstoff ist beispielsweise aus der US 2014 / 0080016 A1 bekannt. Das bekannte Brennstoffzellensystem umfasst eine Strahlpumpe, das heißt einen Ejektor, mit variabler Strömungsrate. Der Ejektor weist einen primären Einlass für frischen, unter Hochdruck vorgehaltenem Wasserstoff und einen sekundären Einlass für rezirkulierenden Wasserstoff auf. Im Vergleich zu dem frischen Wasserstoff, das heißt Hochdruck-Wasserstoffgas, steht der rezirkulierende Wasserstoff unter deutlich niedrigerem Druck und wird dementsprechend als Niederdruck-Wasserstoffgas bezeichnet. Das Mischungsverhältnis zwischen Hochdruck- und Niederdruck-Wasserstoffgas bei der Vorrichtung nach der US 2014 / 0080016 A1 , die den gattungsbildenden Stand der Technik darstellt, ist mit Hilfe einer in der Strahlpumpe verschiebbaren Düsennadel variierbar. Als Mittel zur Verstellung der Düsennadel wird in der US 2014 / 0080016 A1 ein elektrischer Schrittmotor vorgeschlagen.
Eine weitere Brennstoffzellenanlage mit einem rezirkulierenden Brennstoff ist in der DE 10 2005 009 674 A1 offenbart. Als Mittel zum Rezirkulieren von wasserstoffhaltigem Betriebsstoff wird ein Verdichter vorgeschlagen, welcher von frischem, unter hohem Druck stehendem Wasserstoff angetrieben wird und nach dem Flügelzellenprinzip aufgebaut ist. Das Flügelzellenprinzip bezieht sich hierbei sowohl auf den Antrieb des Verdichters mittels expandierenden Wasserstoffes als auch auf die Verdichtung des rezirkulierenden wasserstoffhaltigen Gases. Hierbei soll es möglich sein, Verdichterelemente des Verdichters zugleich als Expansionselemente einer Expansionsmaschine auszubilden. Als alternative Expansions- sowie Verdichtungsprinzipien sind in der DE 10 2005 009 674 A1 unter anderem Rollenzellen-, Kolben-, Membran- sowie Strahlpumpenprinzipien aufgeführt.
Die DE 10 2018 213 327 A1 offenbart ein als Ventil-Strahlpumpenanordnung ausgebildetes Förderaggregat für ein Brennstoffzellen-System zum Fördern und zur Rezirkulation eines gasförmigen, Wasserstoff enthaltenden Mediums. Das Förderaggregat umfasst ein Dosierventil und eine Strahlpumpe, durch deren Gehäuse ein Zulauf für rezirkulierendes Medium, ein Mischrohr, ein Diffusor-Bereich und ein Auslasskrümmer gebildet sind. Das dem Förderaggregat zuzurechnende Dosierventil, mit welchem Wasserstoff als Treibmedium der Strahlpumpe zuführbar ist, kann innerhalb der in der DE 10 2018 213 327 A1 beschriebenen Anordnung insbesondere als Proportionalventil ausgebildet sein.
Ein weiteres Brennstoffzufuhrsystem für ein Brennstoffzellensystem ist in der DE 10 2004 051 391 A1 beschrieben. Auch in diesem Fall ist eine Rezirkulation von Wasserstoff vorgesehen. Gleichzeitig strömt frischer, in einem Tank bereitgehaltener Wasserstoff in eine Ejektor-Vakuumpumpe ein, welche zum Fördern und Mischen der verschiedenen, teils rezirkulierten Stoffströme vorgesehen ist. Innerhalb der Ejektor-Vakuumpumpe ist eine Nadel in einer Düse verstellbar, um die gewünschte Mischung, welche einem Brennstoffzellenstapel zuzuführen ist, einzustellen. Zur Übernahme der erforderlichen Steuerungsfunktionen ist ein Controller vorhanden, welcher unter anderem mit einem Feuchtigkeitssensor, einem Temperatursensor und einem Wasserstoff-Konzentrationssensor verknüpft sein kann.
Eine in der DD 223 775 A1 beschriebene Strahlpumpe mit verstellbarer Ringdüse soll insbesondere für das Absaugen von Probegasströmen geeignet sein. Die Verstellbarkeit einer zentralen Düse der Strahlpumpe ist hierbei durch eine von einer Gewindespindel geführte Düsennadel gegeben. DE 11 2005 001 210 B4 zeigt eine gattungsgemäße Strahlpumpe, eine weitere Strahlpumpe ist in JP 2006 - 250 000 A offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte Möglichkeiten der Rezirkulation von Wasserstoff in Brennstoffzellenanlagen anzugeben, wobei eine hohe Betriebssicherheit mit einem robusten, kompakten Aufbau und ausreichender Variationsmöglichkeit der Rezirkulationsrate verbunden sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine verstellbare Strahlpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Strahlpumpe ist zum Einbau in ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 geeignet. Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtungen, das heißt die Strahlpumpe sowie das Brennstoffzellensystem, und umgekehrt.
Die zum Rezirkulieren von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem vorgesehene Strahlpumpe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption Mittel zur Variation des Mischungsverhältnisses zwischen frischem, unter Hochdruck stehendem Wasserstoff und rezirkulierendem Wasserstoff. Diese Mittel umfassen einen Aktuator und eine durch den Aktuator betätigbare Düsennadel, welche in einem Pumpengehäuse der Strahlpumpe verschiebbar ist. Zur Zuleitung des frischen Wasserstoffs ist ein primärer Anschluss, zur Zuleitung des rezirkulierenden Wasserstoffs ein sekundärer Anschluss der Strahlpumpe vorgesehen.
Der Aktuator der anmeldungsgemäßen Strahlpumpe ist pneumatisch betätigbar, wobei zur Betätigung des Aktuators frischer Wasserstoff verwendet wird, welcher in der Strahlpumpe mit rezirkulierendem Wasserstoff zu mischen ist. Im Unterschied zu gängigen pneumatischen Aktuatoren wird der Aktuator der Strahlpumpe somit nicht mit Druckluft betrieben. Um einen Betrieb des Aktuators mit frischem, unter Druck stehendem Wasserstoff zu ermöglichen, weist der Aktuator zwei Zylinderanschlüsse auf, welche zusätzlich zum primären Anschluss vorhanden und beide mit frischem Wasserstoff zu beaufschlagen sind.
In einfacher Ausgestaltung hat der Aktuator genau zwei Schaltstellungen. Alternativ kann auch eine kontinuierliche Verstellbarkeit des Aktuators der Strahlpumpe gegeben sein. In beiden Fällen kann von einem Getriebe zur Umsetzung der Stellbewegung des Aktuators in die Verstellung der Düsennadel abgesehen werden. Insbesondere ist die Düsennadel koaxial zu einem Kolben des Aktuators angeordnet. Die beiden Zylinderanschlüsse können hierbei mit jeweils einer Kammer eines Zylinders, in welchem ein beidseitig wirksamer, fest mit der Düsennadel gekoppelter Kolben verschiebbar ist, verbunden sein.
Zur Ansteuerung des Aktuators dient ein 4/2 Wegeventil, dessen Aufbau von gängigen Pneumatik-Komponenten her bekannt ist. Bei dem 4/2 Wegeventil kann es sich insbesondere um ein elektromagnetisch betätigtes Ventil, das heißt Magnetventil, handeln. In keinem Fall wird durch das Wegeventil direkt die Düsennadel der Strahlpumpe verstellt. Vielmehr öffnet und schließt das Wegeventil lediglich Wasserstoffleitungen, wobei die Verstellung der Düsennadel durch den im Aktuator wirkenden Druck des Wasserstoffs erfolgt. Sofern das Wegeventil oder eine andere Komponente der Strahlpumpe geringe Wasserstoff leckagen zulässt, ist dies unkritisch, da der Wasserstoff innerhalb des vorgesehenen Bereichs des Brennstoffzellensystems verbleibt.
Das Brennstoffzellensystem umfasst zusätzlich zu der anspruchsgemäßen Strahlpumpe eine Versorgungsleitung für frischen, unter Druck stehenden Wasserstoff, welche sich vor der Strahlpumpe derart aufsplittet, dass ein erster Zweig, das heißt Hauptzweig, der Versorgungsleitung an eine Düsenkammer der Strahlpumpe angeschlossen ist, wogegen ein Nebenzweig der Versorgungsleitung zur Zuführung von Wasserstoff als Arbeitsmedium, das heißt pneumostatisches Medium, des Aktuators der Strahlpumpe vorgesehen ist.
Gemäß einer ersten möglichen Gestaltung des Brennstoffzellensystems zweigt der Nebenzweig vor einem Druckregler von der Versorgungsleitung ab, wobei der Aktuator zugleich an einen den Druckregler mit der Düsenkammer verbindenden Leitungsabschnitt der Versorgungsleitung angeschlossen ist.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems zweigt der Nebenzweig nach einem Druckregler von der Versorgungsleitung ab, wobei der Aktuator in diesem Fall über eine weitere Leitung zugleich an eine Mischkammer der Strahlpumpe angeschlossen ist.
Allgemein wird das Brennstoffzellensystem betrieben, indem rezirkulierter, durch Brennstoffzellen geleiteter Wasserstoff durch eine Strahlpumpe mit verstellbarem Mischungsverhältnis strömt, deren Einstellung mit Hilfe von frischem Wasserstoff, der hierbei als pneumostatisches Medium fungiert und mit dem rezirkulierten Wasserstoff zu mischen ist, variiert wird. Hierbei wird ein Anteil von höchstens 10% des frischen, den Brennstoffzellen zuzuleitenden Wasserstoffs als pneumostatisches Medium verwendet wird. Der restliche Anteil von mindestens 90% des frischen Wasserstoffs gelangt dementsprechend in die Brennstoffzellen, ohne zuvor als pneumostatisches Medium genutzt worden zu sein.
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, jeweils schematisiert:

1 ausschnittsweise ein erstes Ausführungsbeispiel einer verstellbaren Strahlpumpe für ein Brennstoffzellensystem,
2 eine alternative Ausgestaltung einer verstellbaren Strahlpumpe für ein Brennstoffzellensystem in einer Darstellung analog 1.

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in beiden Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Ein in den Figuren jeweils nur ansatzweise dargestelltes Brennstoffzellensystem 1 weist eine Vielzahl aufeinander gestapelter Brennstoffzellen auf, wobei die Anodenseite der Brennstoffzellen durchströmender, nicht verbrauchter Wasserstoff mit Hilfe einer verstellbaren Strahlpumpe 2 rezirkuliert wird. An dem mit 3 bezeichneten Gehäuse der Strahlpumpe 2 befindet sich ein Rezirkulationsanschluss 4, durch welchen rezirkulierender Wasserstoff in eine Mischkammer 5 der Strahlpumpe 2 einströmt. Der Rezirkulationsanschluss 4 wird auch als sekundärer Anschluss bezeichnet. Die Einströmrichtung des rezirkulierenden Wasserstoffs ist mit ER, die Ausströmrichtung des gemischten Wasserstoffs mit AR bezeichnet. Vereinfachend wird hierbei jeweils von Wasserstoff gesprochen, auch wenn in den entsprechenden Fluiden neben Wasserstoff andere Bestandteile vorhanden sind.
Die Strahlpumpe 2 hat zwei Aufgaben, nämlich zum einen die Förderung des rezirkulierenden Wasserstoffs und zum anderen die Mischung dieses Gases mit frischem Wasserstoff, welcher durch eine Versorgungsleitung 6 strömt, die an einen nicht dargestellten Tank angeschlossen ist, in dem Wasserstoff unter Hochdruck gespeichert wird. Der unter Hochdruck gespeicherte Wasserstoff wird auch als frischer Wasserstoff bezeichnet. Statt Wasserstoff unter Hochdruck gasförmig zu speichern, ist es prinzipiell auch möglich, Wasserstoff auf andere Art bereitzustellen, beispielsweise aus einer flüssigen Substanz, an die Wasserstoff gebunden ist, freizusetzen.
Die Versorgungsleitung 6 weist einen Hauptzweig 7 auf, der an einen Wasserstoffhauptanschluss 8 der Strahlpumpe 2 angeschlossen ist. Der Wasserstoffhauptanschluss 8 stellt den primären Anschluss der Strahlpumpe 2 dar und mündet in eine Düsenkammer 9, in welcher sich eine Düsennadel 10 der Strahlpumpe 2 befindet. Die Düsennadel 10 weist einen Nadelkopf 11 mit konischer Grundform auf. An den Nadelkopf 11 schließt ein Schaft 12 der Düsennadel 10 an. Der Nadelkopf 11 dringt je nach Einstellung der Düsennadel 10 mehr oder weniger weit in eine Düsenöffnung 13 ein, die zur Mischkammer 5 hin offen ist. Auf der gegenüberliegenden, das heißt hinteren Seite der Düsennadel 10 ist der Schaft 12 in einem Aktuator 14 der Strahlpumpe 2 verschiebbar geführt. Das Gehäuse des Aktuators 14 ist in den Ausführungsbeispielen unmittelbar durch das Gehäuse 3 der übrigen Strahlpumpe 2 gegeben. Insgesamt weist das Pumpengehäuse 3 eine zylindrische Grundform auf.
Der Aktuator 14 ist zur Verstellung der Position der Düsennadel 10 pneumatisch betätigbar und weist einen Kolben 15 auf, der fest mit dem Schaft 12 verbunden und verschiebbar in einem Zylinder 16 geführt ist. In den Ausführungsbeispielen ist der Zylinder 16 unmittelbar durch das Gehäuse 3 gebildet. Alternativ könnte in das Gehäuse 3 ein gesondertes hülsenförmiges Bauteil eingesetzt sein, in welchem der Kolben 15 verschiebbar ist. Mittel zur Abdichtung des Schaftes 12 zwischen dem Zylinder 16 und der Düsenkammer 9 sind nicht dargestellt.
Der Zylinder 16 ist über zwei Zylinderanschlüsse 17, 18 befüll- oder entleerbar, die sich am Gehäuse 3 befinden. Beide Zylinderanschlüsse 17, 18 sind an ein als 4/2 Wegeventil ausgebildetes Magnetventil 19 angeschlossen. Weiter sind an das 4/2 Wegeventil 19 ein Nebenzweig 20 der Versorgungsleitung 6 sowie ein weiterer Leitungsabschnitt 21 angeschlossen. In beiden Ausführungsformen existiert ferner ein Druckregler 22 in der Versorgungsleitung 6.
Um mittels der Düsennadel 10 die Düsenöffnung 13 weitestmöglich zu verschließen, ist das Magnetventil 19 derart einzustellen, dass unter Druck stehender frischer Wasserstoff von der Versorgungsleitung 6 in eine Kammer 23 des Aktuators 14 gelangt und damit den Kolben 15 mit Druck beaufschlagt. Bezogen auf die Anordnungen nach den 1 und 2 bedeutet dies, dass der Kolben 15 durch den Druck des in den Aktuator 14 einströmenden Wasserstoffs nach rechts verschoben wird. Zu diesem Zweck muss der mit 24 bezeichnete Schieber des Aktuators 14, verglichen mit der Einstellung nach den 1 und 2, nach links verschoben werden.
Bei der Verschiebung der Düsennadel 10 nach rechts, das heißt in Richtung des Schließens der Düsenöffnung 13, wird gleichzeitig mit dem Einströmen von Wasserstoff in die Kammer 23 Wasserstoff verdrängt, welcher sich in einer Kammer 25 des Aktuators 14 befindet. Der verdrängte Wasserstoff verlässt den Aktuator 14 durch den Zylinderanschluss 18 und den hieran angeschlossenen Leitungsabschnitt 21.
Die in den 1 und 2 skizzierten Einstellungen des Aktuators 14 sind geeignet, die Düsenöffnung 13 weiter zu öffnen. Hierbei strömt frischer Wasserstoff durch den Nebenzweig 20 in die Kammer 25, während Wasserstoff aus der Kammer 23 verdrängt wird und in den Leitungsabschnitt 21 einströmt.
In der Ausführungsform nach 1 zweigt der Nebenzweig 20 vor dem Druckregler 22 von der Versorgungsleitung 6 ab. Dagegen zweigt in der Ausführungsform nach 2 der Nebenzweig 20 erst nach dem Druckregler 22 von der Versorgungsleitung 6 ab. Was den weiteren Leitungsabschnitt 21 betrifft, so ist dieser im Fall von 1 an einen Abschnitt der Versorgungsleitung 6 nach dem Druckregler 22 angeschlossen. Dagegen mündet der vom Magnetventil 19 ausgehende Leitungsabschnitt 21 im Fall von 2 in der Mischkammer 5 der Strahlpumpe 2.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Strahlpumpe
3: Gehäuse
4: Rezirkulationsanschluss, sekundärer Anschluss
5: Mischkammer
6: Versorgungsleitung
7: Hauptzweig
8: Wasserstoffhauptanschluss, primärer Anschluss
9: Düsenkammer
10: Düsennadel
11: Nadelkopf
12: Schaft der Düsennadel
13: Düsenöffnung
14: Aktuator
15: Kolben
16: Zylinder
17: Zylinderanschluss
18: Zylinderanschluss
19: Magnetventil
20: Nebenzweig
21: Leitungsabschnitt
22: Druckregler
23: Kammer
24: Schieber
25: Kammer
AR: Ausströmrichtung
ER: Einströmrichtung

Claims

Verstellbare Strahlpumpe (2) zum Rezirkulieren von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem (1), wobei zur Variation des Mischungsverhältnisses zwischen frischem und rezirkuliertem Wasserstoff eine Düsennadel (10) in einem Pumpengehäuse (3) mittels eines Aktuators (14) verschiebbar ist und das Pumpengehäuse (3) zwei Anschlüsse (4, 8), nämlich einen primären Anschluss (8) für frischen Wasserstoff und einen sekundären Anschluss (4) für rezirkulierenden Wasserstoff aufweist, wobei der Aktuator (14) als pneumatischer, mit frischem Wasserstoff betriebener Aktuator ausgebildet ist und hierfür zwei zusätzlich zum primären Anschluss (8) mit frischem Wasserstoff versorgbare Zylinderanschlüsse (17, 18) aufweist, gekennzeichnet durch ein zur Ansteuerung des Aktuators (14) vorgesehenes, ausschließlich von frischem Wasserstoff durchströmbares 4/2 Wegeventil (19).
Strahlpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das 4/2 Wegeventil (19) als Magnetventil ausgebildet ist.
Strahlpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderanschlüsse (17, 18) mit jeweils einer Kammer (23, 25) eines Zylinders (16), in welchem ein beidseitig wirksamer, die Kammern (23, 25) begrenzender Kolben (15) verschiebbar ist, verbunden sind.
Strahlpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (14) zum getriebelosen Antrieb der Düsennadel (10) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (1), umfassend eine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildete Strahlpumpe (2), sowie eine Versorgungsleitung (6) für frischen Wasserstoff, welche sich vor der Strahlpumpe (2) derart aufsplittet, dass ein erster Zweig (7), das heißt Hauptzweig, der Versorgungsleitung (6) an eine Düsenkammer (9) der Strahlpumpe (2) angeschlossen ist, wogegen ein Nebenzweig (20) der Versorgungsleitung (6) zur Zuführung von Wasserstoff als Arbeitsmedium, das heißt pneumostatisches Medium, des Aktuators (14) der Strahlpumpe (2) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenzweig (20) vor einem Druckregler (22) von der Versorgungsleitung (6) abzweigt, wobei der Aktuator (14) zugleich an einen den Druckregler (22) mit der Düsenkammer (9) verbindenden Abschnitt der Versorgungsleitung (6) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenzweig (20) nach einem Druckregler (22) von der Versorgungsleitung (6) abzweigt, wobei der Aktuator (14) zugleich an eine Mischkammer (5) der Strahlpumpe (2) angeschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1), wobei rezirkulierter, durch Brennstoffzellen geleiteter Wasserstoff durch eine Strahlpumpe (2) strömt, deren Einstellung mit frischem Wasserstoff, der hierbei als pneumostatisches Medium fungiert und mit dem rezirkulierten Wasserstoff zu mischen ist, variiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil von höchstens 10% des frischen, den Brennstoffzellen zuzuleitenden Wasserstoffs als pneumostatisches Medium verwendet wird.