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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle wandelt einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie. Der Brennstoff wird hierzu einer Anode und der Sauerstoff einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt. Da aus der Brennstoffzelle austretender Brennstoff in der Regel noch Restmengen an Brennstoff enthält, wird er rezirkuliert und der Anode erneut zugeführt. Dies spart Brennstoff. Die Rezirkulation kann dabei aktiv mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses und/oder passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe bewirkt werden.
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Problematisch bei dem Einsatz einer Strahlpumpe zur Rezirkulation ist eine nachlassende Rezirkulationsleistung im niedrigen Lastbereich. Um hier Abhilfe zu schaffen, kann eine kleinere zweite Strahlpumpe eingesetzt werden, die auf einen niedrigen Lastbereich ausgelegt und parallel zur ersten Strahlpumpe angeordnet ist. Die weitere Strahlpumpe erhöht jedoch den konstruktiven Aufwand, da die Treibdüsen der beiden parallel angeordneten Strahlpumpen jeweils über ein Dosierventil mit Wasserstoff versorgt werden müssen. Zugleich steigt der Bauraumbedarf der Anordnung.
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Die vorliegende Erfindung versucht hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems angegeben werden, die über alle Lastbereiche eine ausreichend hohe Rezirkulationsleistung ermöglicht sowie einfach und kompakt aufgebaut ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagene Vorrichtung umfasst eine Strahlpumpe mit zwei koaxial angeordneten Treibdüsen, denen ein gemeinsamer Druckraum vorgelagert ist, wobei der Druckraum mit der ersten Treibdüse direkt verbunden und mit der zweiten Treibdüse indirekt über ein druckgesteuertes Ventil verbindbar ist, so dass abhängig vom Druck im Druckraum die zweite Treibdüse zuschaltbar ist.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung weist lediglich eine Strahlpumpe auf, die jedoch zwei koaxial angeordnete Treibdüse umfasst. Diese sind koaxial angeordnet, insbesondere ineinander liegend, so dass eine kompaktbauende Anordnung geschaffen wird. Zudem wird der Bauraumbedarf durch den Wegfall der zweiten Strahlpumpe deutlich gesenkt.
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Da lediglich eine der beiden Treibdüsen direkt mit dem vorgelagerten Druckraum verbunden ist, kann die Strahlpumpe in niedrigen Lastbereichen mit nur einer Treibdüse betrieben werden. In höheren Lastbereichen, in denen eine höhere Rezirkulationsleistung gefordert ist, kann dann die zweite Treibdüse zugeschaltet werden. Das Zuschalten erfolgt mit Hilfe des druckgesteuerten Ventils, das öffnet, wenn der Druck im vorgelagerten Druckraum steigt. Dies ist der Fall, wenn der Zufluss von Wasserstoff in den Druckraum größer als der Abfluss über die erste Treibdüse ist. Denn dann baut sich im Druckraum ein Staudruck auf, der schließlich zum Öffnen des druckgesteuerten Ventils führt. Auf diese Weise kann für alle Lastbereiche die jeweils geforderte Rezirkulationsleistung erbracht werden.
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Bevorzugt ist dem Druckraum ein Dosierventil vorgeschaltet, mit dessen Hilfe Wasserstoff in den Druckraum eindosierbar ist. Der Zufluss von Wasserstoff in den Druckraum kann demnach mit Hilfe des Dosierventils gezielt gesteuert werden.
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Vorzugsweise ist das Dosierventil als Proportionalventil ausgeführt, so dass der Öffnungsquerschnitt des Dosierventils variabel ist. Auf diese Weise kann der Zufluss von Wasserstoff in den Druckraum noch gezielter gesteuert werden.
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Ferner bevorzugt umfasst das druckgesteuerte Ventil ein bewegliches Ventilglied, aufweisend
- - eine erste Druckfläche, an welcher der im Druckraum herrschende Druck anliegt und eine in Öffnungsrichtung wirkende Kraft auf das Ventilglied bewirkt sowie
- - eine zweite Druckfläche, an welcher der im Anodenkreis herrschende Druck anliegt und eine in Schließrichtung wirkende Kraft auf das Ventilglied bewirkt.
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Da der Druck im Anodenkreis sich im Betrieb des Brennstoffzellensystems nur geringfügig ändert, kann mit Hilfe des variablen Drucks im Druckraum das Ventil definiert geöffnet werden, um die zweite Treibdüse zuzuschalten.
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Um ein definiertes Öffnen und Schließen des druckgesteuerten Ventils zu unterstützen, wird ferner vorgeschlagen, dass das Ventilglied des druckgesteuerten Ventils in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist. Die Feder gewährleistet das sich Verschließen des Ventils. Vorzugsweise ist das druckgesteuerte Ventil vollständig im Anodenkreis angeordnet, so dass keine Leckage nach außen auftreten kann. Das druckgesteuerte Ventil muss daher nicht aufwendig auf absolute Dichtheit optimiert werden.
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Im Betrieb der vorgeschlagenen Vorrichtung wird bei Aktivierung des Dosierventils zunächst nur die erste Treibdüse mit Wasserstoff versorgt. Die Feder sowie der Druck im Anodenkreis halten das druckgesteuerte Ventil zunächst geschlossen. Die zweite Treibdüse ist daher abgeschaltet. Erst wenn sich im Druckraum ein ausreichend hoher Staudruck aufbaut, öffnet das druckgesteuerte Ventil und beide Treibdüsen werden mit Hilfe des einen Dosierventils mit Wasserstoff versorgt. Die vorgeschlagene Vorrichtung erlaubt die korrekte Versorgung der beiden Treibdüsen und damit eine einfache und kostengünstige Strahlpumpe mit Doppeldüse.
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Vorteilhafterweise sind die beiden Treibdüsen unterschiedlich groß ausgelegt und die größere Treibdüse ist mit Hilfe des druckgesteuerten Ventils zuschaltbar ist. Das heißt, dass die mit dem Druckraum direkt verbundene, erste Treibdüse kleiner als die zweite Treibdüse und damit insbesondere für niedrige Lastbereiche ausgelegt ist. Die erste Treibdüse kann daher auch als Niedriglast-Treibdüse bezeichnet werden, die zweite Treibdüse als Hochlast-Treibdüse. Mit Zuschalten der Hochlast-Treibdüse kann der in höheren Lastbereichen größere Bedarf an rezirkulierte Anodengas gedeckt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die beiden Treibdüsen konzentrisch angeordnete Austrittsöffnungen auf. Das heißt, dass zumindest eine Austrittsöffnung ringförmig ausgebildet ist und die andere Austrittsöffnung umgibt. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um die Austrittsöffnung der zweiten Treibdüse bzw. Hochlast-Treibdüse, da sich hierüber größere Öffnungsquerschnitte realisieren lassen. Denn bevorzugt weisen die beiden Austrittsöffnungen unterschiedlich große Öffnungsquerschnitte auf, so dass eine Niedriglast- und eine Hochlast-Treibdüse ausgebildet werden.
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Des Weiteren bevorzugt weisen die beiden Treibdüsen koaxial angeordnete hohlzylinderförmige Abschnitte auf, die gemeinsam einen Ringraum begrenzen. Über den Ringraum ist der zweiten Treibdüse Wasserstoff zuführbar. Der Ringraum ist daher über das druckgesteuerte Ventil mit dem den Treibdüsen vorgelagerten Druckraum verbindbar. Um eine gute Konzentrizität der beiden Austrittsöffnungen zu erreichen, wird ferner vorgeschlagen, dass die beiden hohlzylinderförmigen Abschnitte über mindestens einen sich zumindest über einen Teilumfangsbereich erstreckenden Steg verbunden sind. Beispielsweise können mehrere kreuz- oder sternförmig angeordnete Stege vorgesehen sein, die sich in radialer Richtung erstrecken und die beiden hohlzylinderförmigen Abschnitte der beiden Treibdüse verbinden. Über die Zwischenräume zwischen den Stegen bleibt die Versorgung der zweiten Treibdüse mit Wasserstoff sichergestellt. Alternativ zu den mehreren Stegen kann auch ein einzelner Steg vorgesehen sein, der sich über den gesamten Umfangsbereich erstreckt. Um in diesem Fall die Versorgung der zweiten Treibdüse mit Wasserstoff sicherzustellen, ist in diesem Steg mindestens eine Öffnung vorgesehen. Der Öffnungsquerschnitt der mindestens einen Öffnung bzw. der gesamte Öffnungsquerschnitt ist dabei größer gewählt als der Öffnungsquerschnitt der Austrittsöffnung der zweiten Treibdüse, um dieser ausreichend Wasserstoff zuzuführen.
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Die beiden Treibdüsen der Vorrichtung öffnen bevorzugt in einen Ansaugraum, in den ein Einlass für rezirkuliertes Anodengas mündet. Bei Aktivierung mindestens einer Treibdüse kann somit eine Treibkraft generiert werden, die Anodengas aus dem Einlass bzw. dem Anodenkreis ansaugt und die gewünschte Rezirkulation von Anodengas bewirkt. Der Einlass ist hierzu mit einem Rezirkulationspfad des Anodenkreis des verbunden.
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Da die vorgeschlagene Vorrichtung bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist dabei in einen Anodenkreis des Brennstoffzellensystems integriert. Über die getrennt steuerbaren Treibdüsen der Strahlpumpe kann weiterhin eine kontinuierliche Anpassung der Dosiermenge zur Druckregelung im Anodenkreis erzielt werden. Ferner kann eine kompaktbauende, einfacher Strahlpumpe realisiert werden, da beide Treibdüsen über nur ein einziges Dosierventil mit Wasserstoff versorgt werden.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung einer Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Strahlpumpe mit zwei koaxial angeordneten Treibdüsen sowie ein Dosierventil zum Steuern der beiden Treibdüsen umfasst. Dabei wird lediglich die erste Treibdüse über das Dosierventil direkt mit Wasserstoff versorgt und die zweite Treibdüse wird bei Bedarf über ein druckgesteuertes Ventil zugeschaltet, so dass auch diese über das gleiche Dosierventil mit Wasserstoff versorgt wird.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Steuerung beider Treibdüsen der Strahlpumpe mit einem gemeinsamen Dosierventil. Das heißt, dass nur ein Dosierventil und nur eine Strahlpumpe benötigt werden, wobei die Strahlpumpe jedoch mit einer Doppeldüse ausgestattet ist. Die bei der Durchführung verwendete Vorrichtung kann demnach vergleichsweise einfach aufgebaut sein. Zugleich kann der Bauraumbedarf gesenkt werden. Vorzugsweise gelangt bei der Durchführung des Verfahrens die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas und
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1 im Bereich der beiden Treibdüsen der Vorrichtung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dient der Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis 2 eines Brennstoffzellensystems (nicht dargestellt). Über den Anodenkreis 2 wird mindestens einer Brennstoffzelle (nicht dargestellt) des Brennstoffzellensystems ein Anodengas, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Da aus der Brennstoffzelle austretendes Anodengas noch Reste an Brennstoff enthält, wird es rezirkuliert. Zur Rezirkulation wird die in der Figur dargestellte Vorrichtung 1 eingesetzt.
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Die dargestellte Vorrichtung 1 umfasst eine Strahlpumpe 3 mit zwei koaxial angeordneten Treibdüsen 4, 5, denen ein Druckraum 6 vorgelagert ist. Die erste Treibdüse 4 ist dabei direkt mit dem Druckraum 6 verbunden, die zweite Treibdüse 5 indirekt über ein druckgesteuertes Ventil 7. Die beiden Treibdüsen 4, 5 weisen jeweils einen hohlzylinderförmigen Abschnitt 14, 15, wobei der hohlzylinderförmige Abschnitt 14 der ersten Treibdüse 4 im hohlzylinderförmigen Abschnitt 15 der zweiten Treibdüse 5 aufgenommen ist. Zwischen diesen verbleibt ein Ringraum 13, über den einer Austrittsöffnung 12 der zweiten Treibdüse 5 bei geöffnetem Ventil 7 Brennstoff aus dem Druckraum 6 zuführbar ist. Konzentrisch zur Austrittsöffnung 12 ist eine Austrittsöffnung 11 der ersten Treibdüse 4 angeordnet, der über den hohlzylinderförmigen Abschnitt 14 Brennstoff aus dem Druckraum 6 direkt zugeführt wird.
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Der Brennstoff gelangt in den Druckraum 6 über ein Dosierventil 8, dass dem Druckraum 6 vorgelagert ist. Das Dosierventil 8 ist vorzugsweise als Proportionalventile ausgeführt, so dass die in den Druckraum 6 eindosierte Menge gezielt steuerbar ist. Gelangt eine größere Menge an Brennstoff in den Druckraum 6 als über die Treibdüse 4 abgeführt werden kann, baut sich im Druckraum 6 ein Staudruck auf, der schließlich das druckgesteuerte Ventil 7 öffnet, so dass die zweite Treibdüse 5 zugeschaltet wird. Entsprechend steigt die Rezirkulationsleistung der Strahlpumpe 3. Beide Treibdüse in 4, 5 werden daher bevorzugt ausschließlich in Hochlastphasen aktiviert. In Niedriglastphasen kann die zweite Treibdüse 5 abgeschaltet bleiben, so dass die erforderliche Rezirkulationsleistung allein durch die erste Treibdüse 4 erbracht wird.
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Über die Treibdüsen 4, 5 gelangt der eindosierte Brennstoff in einen Ansaugraum 17 der Strahlpumpe 3, in den ein Einlass 20 für rezirkuliertes Anodengas mündet. Auf den Ansaugraum 17 folgen ein Mischrohr 18 sowie ein Diffusor 19, um eine optimale Durchmischung von frischem und rezirkuliertem Anodengas zu erzielen. Der Diffusor 19 bildet zugleich einen Auslass 21 der Strahlpumpe 3 aus, über den das Anodengas in den Anodenkreis 2 gelangt. Über den Anodenkreis 2 wird der Brennstoff der mindestens einen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zugeführt.
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Das druckgesteuerte Ventil 7 der in der 1 dargestellte Vorrichtung 1 zum Zuschalten der zweiten Treibdüse 5 wird nachfolgend anhand der 2 näher beschrieben.
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Das druckgesteuerte Ventil 7 weist ein bewegliches Ventilglied 9 auf, dass in Schließrichtung von der Federkraft einer Feder 10 beaufschlagt ist. Das Ventilglied 9 weist eine dem Druckraum 6 zugewandte erste Druckfläche A1 sowie eine dem Druckraum 6 abgewandte zweite Druckfläche A2 auf. An der Druckfläche A1 liegt der im Druckraum 6 herrschende Druck an, an der Druckfläche A2 der im Anodenkreis 2 herrschende Druck. Um das Ventil 7 zu öffnen, muss der Druck im Druckraum 6 erhöht werden. Hierzu wird das Dosierventil 8 geöffnet bzw. weiter geöffnet, so dass sich im Druckraum 6 ein Staudruck aufbaut, der eine in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied 9 wirkende Kraftresultierende zur Folge hat.
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Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, können die beiden hohlzylinderförmigen Abschnitte 14, 15 der beiden Treibdüsen 4, 5 über mindestens einen Steg 16 verbunden sein. Auf diese Weise kann eine gute Konzentrizität der beiden Austrittsöffnungen 11, 12 gewährleistet werden. Vorliegend ist der Steg 16 umlaufend, das heißt scheibenförmig ausgeführt und mit mindestens einer Öffnung 22 versehen, um der Austrittsöffnung 12 der zweiten Treibdüse 5 weiterhin Brennstoff zuführen zu können.
