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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Üblicherweise kann bei Brennstoffzellensystemen der Treibstoff, etwa Wasserstoff, für einen Anodenkreis der Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Der Anodenkreis ist dabei dazu ausgelegt, die Anodenseite der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels mit einem ersten Gas zu versorgen, durch welches dann eine Reaktion an der Brennstoffzelle erfolgen kann.
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Es ist dabei möglich, frischen Treibstoff (Wasserstoff) von einem Tank zu beziehen und diesen über ein Dosierventil dem System zuzuführen. Andererseits kann der Wasserstoff auch über eine Saugstrahlpumpe und/oder ein Rezirkulationsgebläse im Kreis gefördert werden. Die Saugstrahlpumpe kann dabei einen oberen Lastbereich abdecken und das Rezirkulationsgebläse einen unteren Lastbereich. Eine Kombination von Kreiszirkulation und frische Zufuhr kann möglich sein, die beiden Fördermethoden sich jedoch auch beeinflussen, da diese üblicherweise in Reihe zueinander (geschaltet) betrieben werden.
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Das (mobile) Brennstoffzellensystem kann beim Betrieb mit Wasserstoff mit einem Wasserstoffüberschuss (Lamda > 1) betrieben werden, wobei ein Überschuss an Wasserstoff über einen Rezirkulationspfad wieder in einen Anodenpfad zurückgeführt werden kann, welcher die Brennstoffzelle versorgen kann.
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Üblicherweise kann die Rückführung aktiv nur durch eine Rezirkulationspumpe oder einer Rezirkulationspumpe mit zusätzlicher Unterstützung durch eine Strahldüse oder nur passiv mittels einer Strahldüse umgesetzt werden. Da eine einzige Strahldüse meist zu wenig ist um den gesamten Lastbereich abzudecken, werden meist zwei parallel geschaltete Strahldüsen genutzt, wobei jedoch ein zusätzliches Steuerventil notwendig werden kann, das ein Rückströmen des frischen Treibstoffs und des rezirkulierten Treibstoff-Gasgemisches in den Abströmkanal der Brennstoffzelle verhindern oder verringern kann. Ein zusätzliches Steuerventil verursacht jedoch Mehrkosten für das Gesamtsystem.
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In der
DE 112006003013 B4 wird ein Tank mit einer Armatur und einem Ventil beschrieben, wobei das Ventil in der Armatur befestigt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, wobei ein Fördern des Treibstoffs an eine Brennstoffzelle derart steuerbar ist, dass dabei auf ein aktives und separat anzusteuerndes Steuerventil verzichtet werden kann.
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Erfindungsgemäß umfasst die Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem einen ersten Förderpfad für den Treibstoff mit einer ersten Fördereinrichtung; einen zweiten Förderpfad für den Treibstoff mit einer zweiten Fördereinrichtung, wobei der erste Förderpfad und der zweite Förderpfad miteinander in Reihe verbunden sind und aneinander anschließen und der Treibstoff nacheinander durch den ersten Förderpfad und danach durch den zweiten Förderpfad förderbar ist; eine Ausgangsöffnung für den Treibstoff, welche an den zweiten Förderpfad anschließt und durch welche der Treibstoff an eine Brennstoffzelle abgebbar ist, wobei die erste Fördereinrichtung und/oder die zweite Fördereinrichtung dazu eingerichtet ist, eine Förderleistung des Treibstoffs in Abhängigkeit einer Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems zu steuern, und wobei der erste Förderpfad und/oder der zweite Förderpfad einen variablen Strömungskanal für den Treibstoff umfasst, mittels dessen ein Volumensfluss des Treibstoffs durch den variablen Strömungskanal in Abhängigkeit der Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems veränderbar ist.
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Erfindungsgemäß kann so eine passive Rezirkulation mit zwei Fördereinrichtungen, etwa mit zwei Strahldüsen, realisiert werden, ohne dabei ein zusätzliches aktives Steuerventil zu verwenden. Die zwei Fördereinrichtungen werden dabei in Reihe geschaltet. Solche Strahldüsen können durch das Einschalten eines der Fördereinrichtung zugehörigen Dosierventils (Wasserstoffdosierventil) kurz „HGI“ gesteuert und aktiviert werden. Somit kann eine kostengünstige Umsetzung einer passiven Rezirkulation des Treibstoffs zur Brennstoffzelle realisiert werden.
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Der Treibstoff kann beispielsweise gasförmig sein, wobei auch das Fördern eines flüssigen Treibstoffs möglich ist. Der erste Förderpfad und/oder der zweite Förderpfad können jeweils oder beide ein Rohr oder einen Schlauch umfassen, welcher in ein Endstück münden kann.
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Der Wortlaut „Treibstoff“ kann hier allgemein als ein Mittel oder eine Komponente eines Stoffs zum Antreiben einer Brennstoffzelle verstanden werden, etwa für eine Anodenseite einer Brennstoffzelle. Es ist dabei allerdings auch möglich, das gleiche System an eine Kathodenseite der Brennstoffzelle auszurichten. Die Brennstoffzelle kann dabei eine einzelne Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel sein.
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Die Aktion des Förderns kann dabei unterschiedliche Verfahren umfassen, beispielsweise ein Pumpen oder eine Saugstrahlförderung. Zwei Förderpfade können dabei durch die jeweiligen Fördereinrichtungen und je nach Vorgabe in unterschiedlichen Betriebsmodi, etwa abhängig von der Leistung der Brennstoffzelle und der nötigen Förderung von frischen oder rezirkulierten Treibstoff, betrieben werden.
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Der erste Förderpfad und/oder der zweite Förderpfad und deren Komponenten können jeweils als Module ausgeformt sein.
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Die Treibstofffördereinrichtung kann beispielsweise für alle Brennstoffzellensysteme mit Wasserstoffdosierventil und Rezirkulation oder auch für andere Treibstoffarten für Brennstoffzellensysteme zum Einsatz kommen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst die erste Fördereinrichtung ein erstes Dosierventil und/oder eine erste Saugstrahlpumpe.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst die zweite Fördereinrichtung ein zweites Dosierventil und/oder eine zweite Saugstrahlpumpe.
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Durch das Dosierventil kann die nötige Menge an Treibstoff in den Förderpfad eingebracht werden. Mit der Saugstrahlpumpe kann dann ein bestimmter Volumensfluss erzeugt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst der zweite Förderpfad eine zweite externe Treibstoffverbindung, wobei die zweite externe Treibstoffverbindung mit einem externen Treibstofftank verbindbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst der erste Förderpfad eine erste externe Treibstoffverbindung und/oder eine erste interne Treibstoffverbindung, wobei die erste externe Treibstoffverbindung mit einem externen Treibstofftank verbindbar ist und die erste interne Treibstoffverbindung mit einem Rücklauf von der Brennstoffzelle verbindbar ist.
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Durch die externe Treibstoffverbindung kann somit der Treibstoff von einem externen Treibstofftank in den entsprechenden Förderpfad eingebracht werden. Durch die interne Treibstoffverbindung kann der Treibstoff von der Brennstoffzelle zurück in den Förderpfad in Rezirkulation und wieder durch den entsprechenden Förderpfad zur Brennstoffzelle zurückgeführt werden, beispielsweise von der Anodenseite in Rezirkulation wieder zur Anodenseite.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst die erste Fördereinrichtung eine erste Strahldüse, welche im ersten Förderpfad angeordnet ist und ein innerer Volumensfluss des Treibstoffs durch einen Innenbereich der ersten Strahldüse leitbar ist, und wobei die erste Strahldüse den variablen Strömungskanal bildet, wobei die erste Strahldüse entlang des ersten Förderpfads beweglich angeordnet ist und abhängig von einer Position der ersten Strahldüse ein äußerer Volumensfluss des Treibstoffs um die erste Strahldüse herum sperrbar oder durchlassbar ist.
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Durch die verschiebbare Strahldüse kann somit ein Gesamtvolumensfluss gesteuert werden, welcher sich aus dem äußeren Volumensfluss um die Strahldüse herum und dem inneren Volumensfluss im Inneren der Strahldüse zusammensetzen kann, oder jeweils nur der äußere oder innere Volumensfluss einzeln dem Gesamtvolumensfluss entsprechen können. Die Strahldüse kann eine im Wesentlichen zylindrische Form haben, beispielsweise an einem Ende mit einem sich zu einem der Enden hin vergrößernden Durchmesser.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst die zweite Fördereinrichtung eine zweite Strahldüse, welche im zweiten Förderpfad angeordnet ist und ein innerer Volumensfluss des Treibstoffs durch einen Innenbereich der zweiten Strahldüse leitbar ist, und wobei die zweite Strahldüse den variablen Strömungskanal bildet, wobei die zweite Strahldüse entlang des zweiten Förderpfads beweglich angeordnet ist und abhängig von einer Position der zweiten Strahldüse ein äußerer Volumensfluss des Treibstoffs um die zweite Strahldüse herum sperrbar oder durchlassbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst der erste Förderpfad eine erste Federeinrichtung, mit welcher die erste Strahldüse gegen eine Dichtgeometrie gegenspannbar ist und/oder der zweite Förderpfad umfasst eine zweite Federeinrichtung, mit welcher die zweite Strahldüse gegen einen Innendruck des Treibstoffs im zweiten Förderpfad gegenspannbar ist.
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Je nach den inneren Druckverhältnissen in dem Förderpfad kann die Strahldüse entgegen der Kraft der Federeinrichtung verschoben werden und dabei aus deren vorgespannter Ruheposition einen äußeren Volumensfluss zulassen oder unterbrechen, vorteilhaft am Dichtsitz (Dichtgeometrie), wobei dieser Dichtsitz einer Verengung der Innenwände des ersten Förderpfades entsprechen kann und die Strahlhülse daran andrücken kann. Das Unterbrechen kann dabei derart erfolgen, dass die Strahldüse an deren Ende bezüglich des Durchmessers des Förderpfads breiter ausgeformt sein kann als an deren Anfang und somit einen Vorsprung an einer Wand des Förderpfads abschließen kann und den äußeren Volumensfluss so unterbrechen kann. Eine derartige Formgebung kann als Dichtgeometrie bezeichnet werden und kann den variablen Strömungskanal bilden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung verlaufen der erste Förderpfad und der zweite Förderpfad länglich entlang einer gleichen Richtung und die erste Fördereinrichtung ist an einem Anfang des ersten Förderpfads angeordnet und die zweite Fördereinrichtung ist seitlich am zweiten Förderpfad angeordnet und umfasst eine zweite Einlassdüse für den Treibstoff, welche in die Richtung der beiden Förderpfade in diesen ausgerichtet ist.
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Die Förderpfade können linear aneinander anschließen und so eine länglich ausgedehnte Fördereinrichtung entlang einer Hauptrichtung bilden. Dazu kann dann die Einlassdüse in dieser länglichen Richtung orientiert sein.
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Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle und eine erfindungsgemäße Treibstofffördereinrichtung.
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Erfindungsgemäß erfolgt bei einem Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs und ein Verbinden der Treibstofffördereinrichtung mit einer Brennstoffzelle; ein Erkennen einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs von einem Treibstofftank und danach Fördern des Treibstoffs von dem Treibstofftank zu der Brennstoffzelle mittels des ersten Förderpfads mit einer ersten Fördereinrichtung und/oder mittels des zweiten Förderpfads mit einer zweiten Fördereinrichtung; ein Erkennen einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs bei einer geringen Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems oder bei einer hohen Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems und danach Fördern des Treibstoffs in dem ersten Förderpfad und/oder in dem zweiten Förderpfad; und ein Abgeben des Treibstoffs über die Ausgangsöffnung für den Treibstoff an die Brennstoffzelle.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird bei einer geringen Betriebsleistung nur die erste Fördereinrichtung oder die zweite Fördereinrichtung betrieben und bei einer hohen Betriebsleistung wird sowohl die erste Fördereinrichtung als auch die zweite Fördereinrichtung betrieben oder es wird bei einer hohen Betriebsleistung nur jene der ersten Fördereinrichtung oder der zweiten Fördereinrichtung betrieben, welche stärker ausgelegt ist.
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Die Fördereinrichtungen können einzeln betrieben werden und einen Unterdruck an der im Förderpfad vorgeschalteten Einlassöffnung für den Treibstoff erzeugen, beispielsweise an der externen oder internen Treibstoffverbindung, und durch diese dann den Treibstoff von extern oder von der Rezirkulation ansaugen. Die stärker ausgelegte Fördereinrichtung kann so einen Unterdruck erzeugen und eine Rezirkulation von der anderen Fördereinrichtung erzeugen.
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Das Erkennen der Notwendigkeit kann über Sensoren oder Kenntnis über die Betriebsart der Brennstoffzelle erfolgen, etwa aus einem Rückschluss über den gegenwärtig betriebenen Leistungsbereich / Lastenbereich der Brennstoffzelle.
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Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits genannten Merkmale der Treibstofffördereinrichtung auszeichnen und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 4 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Treibstofffördereinrichtung 10 zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem, umfasst einen ersten Förderpfad F1 für den Treibstoff mit einer ersten Fördereinrichtung FE1; einen zweiten Förderpfad F2 für den Treibstoff mit einer zweiten Fördereinrichtung FE2, wobei der erste Förderpfad F1 und der zweite Förderpfad F2 miteinander in Reihe verbunden sind und aneinander anschließen und der Treibstoff nacheinander durch den ersten Förderpfad F1 und danach durch den zweiten Förderpfad F2 förderbar ist; eine Ausgangsöffnung AO für den Treibstoff, welche an den zweiten Förderpfad F2 anschließt und durch welche der Treibstoff an eine Brennstoffzelle abgebbar ist, wobei die erste Fördereinrichtung FE1 und/oder die zweite Fördereinrichtung FE2 dazu eingerichtet ist, eine Förderleistung des Treibstoffs in Abhängigkeit einer Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems zu steuern, und wobei der erste Förderpfad F1 und/oder der zweite Förderpfad F2 einen variablen Strömungskanal für den Treibstoff umfasst, mittels dessen ein Volumensfluss des Treibstoffs durch den variablen Strömungskanal in Abhängigkeit der Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems veränderbar ist. Dabei kann die erste Fördereinrichtung FE1 ein erstes Dosierventil DV1 und/oder eine erste Saugstrahlpumpe SSP1 umfassen.
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Des Weiteren kann die zweite Fördereinrichtung FE2 ein zweites Dosierventil DV2 und/oder eine zweite Saugstrahlpumpe SSP2 umfassen. Der zweite Förderpfad F2 kann eine zweite externe Treibstoffverbindung ET2 umfassen, wobei die zweite externe Treibstoffverbindung ET2 mit einem externen Treibstofftank verbindbar sein kann.
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Des Weiteren kann der erste Förderpfad F1 eine erste externe Treibstoffverbindung ET1 und eine erste interne Treibstoffverbindung IT1 umfassen, wobei die erste externe Treibstoffverbindung ET1 mit einem externen Treibstofftank verbindbar ist und die erste interne Treibstoffverbindung IT1 mit einem Rücklauf von der Brennstoffzelle verbindbar sein kann.
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Des Weiteren kann die erste Fördereinrichtung FE1 eine erste Strahldüse SD1 umfassen, welche im ersten Förderpfad F1 angeordnet sein kann und ein innerer Volumensfluss des Treibstoffs kann durch einen Innenbereich IB1 der ersten Strahldüse leitbar sein, und wobei die erste Strahldüse SD1 den variablen Strömungskanal bilden kann, wobei die erste Strahldüse SD1 entlang des ersten Förderpfads F1 beweglich angeordnet sein kann und abhängig von einer Position der ersten Strahldüse SD1 ein äußerer Volumensfluss des Treibstoffs um die erste Strahldüse SD1 herum sperrbar oder durchlassbar sein kann.
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Dabei kann der erste Förderpfad F1 eine erste Federeinrichtung Fedl umfassen, mit welcher die erste Strahldüse SD1 gegen die Dichtgeometrie 2.2 (Wand des ersten Förderpfads) zu 2.3 (Strahlhülsenverbreiterung) gegengespannt sein kann, etwa für eine eindeutige Startposition der ersten Strahldüse SD1. Die Dichtgeometrie kann dabei einen Dichtsitz, etwa einen Vorsprung oder eine Erhebung an der Wand des Förderpfades (erster oder zweiter) umfassen. Gegen diesen kann die Strahldüse anliegend angeschoben werden, vorteilhaft durch die Federeinrichtung. Diese Dichtposition kann einer Ruheposition entsprechen, wobei bei einer Vergrößerung des Innendrucks kann dann die (erste) Strahldüse in Gegenrichtung zur Kraftwirkung der ersten Federeinrichtung verschoben werden und einen Zusatzpfad für den Treibstoff öffnen.
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Allgemein kann die Treibstofffördereinrichtung 10 mit deren Komponenten dazu ausgelegt sein, flüssigen oder gasförmigen Wasserstoff als Treibstoff zu fördern.
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Nach der 1 kann die Treibstofffördereinrichtung 10 als ein Doppelstrahldüsenmodul ausgestaltet sein, dessen Fördereinrichtungen FE1 und FE2 in Reihe geschaltet sein können. Die Förderpfade F1 und F2 können jeweils von einem Wasserstoffdosierventil betrieben werden und aktiviert werden.
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In einem Mitteldruckbereich Vmitt können die externen Treibstoffverbindungen ET1 und ET2 in die jeweiligen Fördereinrichtungen FE1 und FE2 münden und diese mit frischem Treibstoff, etwa Wasserstoff, von einem externen Tank versorgen. Eine Abdichtung des Mitteldruckbereiches gegenüber einem Außen- und Innenbereich des anliegenden Förderpfades kann dazu jeweils über eine Dichtung erfolgen 8a, und 8b oder 9a und 9b, welche einen Außenbereich der Treibstofffördereinrichtung 10 von dem angrenzenden Förderpfad abgrenzen kann. Nach Innen in dem Förderpfad kann dann der sogenannte Anodenbereich Van angrenzen, welcher durch die anliegende Dichtung getrennt sein kann. Diese Dichtungen können jeweils einen O-Ring umfassen, über die O-Ringe 8a, 8b und 9a, 9b in den Anodenbereich VAn.
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Wenn die Brennstoffzelle niederlastig betrieben werden soll, wird weniger Treibstoff (Wasserstoff) benötigt, was auch in einer geringeren Leistung der Fördereinrichtung resultieren kann.
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Bei hochlastigen Betriebspunkten kann die Leistung der Fördereinrichtung größer ausgelegt sein, so dass die Zurückspeisung eines größeren (Volumens) Massenstroms möglich ist.
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Bei einem Betrieb bei Niederlast kann die Fördereinrichtung, etwa die erste FE1, das System mit frischem Treibstoff, etwa Wasserstoff, versorgen. Die zweite Fördereinrichtung FE2 kann dann den Zustrom vom Mitteldruckbereich zum Anodenbereich sperren, also ausgeschaltet sein.
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Auf diese Weise kann in der ersten Fördereinrichtung FE1 frischer Wasserstoff aus der Düse 4.1 in den ersten Förderpfad F1 eingebracht werden, und es entsteht somit in Bereichen vor (vor der Hülse aus Richtung der Treibstoffverbindung ET1 oder IT1) dem ersten Förderpfad F1 ein Unterdruck, der das Rezirkulationsgas (Treibstoff) aus der ersten internen Treibstoffverbindung IT1 ansaugen kann.
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Damit kann die erste Strahldüse SD1, etwa als eine Strahlhülse ausgeformt, einen innerer Volumensfluss erzeugen.
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Die erste Strahldüse SD1 kann eine Röhrenform aufweisen und an Seiten des Dosierventils einen kleineren Durchmesser aufweisen als an dessen Ende in Richtung entlang des ersten Förderpfads. So kann die erste Strahldüse SD1 in einem Endbereich in Richtung des ersten Förderpfads einen vergrößerten Außendurchmesser aufweisen und mit dem Förderpfad an einer Kante 2.2 mit der Dichtkante 2.3 der Strahldüse SD1 abschließen, die einen möglichen äußeren Volumensfluss SP1 zwischen der Strahlhülse 2.1 und dem Modulgehäuse 13 versperren kann, wenn die inneren Druckkräfte bei Niederlastbetrieb die Strahlhülse an die Dichtkante 2.3 schieben können. Der eingedüste Frisch-Wasserstoff und das Rezirkulationsgas gelangen in diesem Fall zum inneren Volumensfluss SP2 (und SP3 des zweiten Förderpfads F2) in die Brennstoffzelle, die zweite Fördereinrichtung kann dabei ausgeschaltet sein oder mit einer geringeren Leistung als die erste Fördereinrichtung betrieben werden. In diesem Betriebsbereich wirken neben der Federkraft Ff noch eine zu dieser gleichgerichtete pneumatische Kraft FpN die vom Durchmesserverhältnis da/di abhängt, da vor der Strahlhülse 2.1 ein Unterdruck und nach der Strahlhülse ein Überdruck entstehen kann. Die Summe der beiden Kräfte sorgt dafür, dass die Dichtkante 2.2 den Strömungspfad SP1 verschließen kann und so kein Rückströmen des eingedüsten frischen Wasserstoffs in die interne Treibstoffverbindung IT1 über den Strömungspfad SP1 möglich ist.
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Bei einem Betrieb bei Hochlast kann die zweite Fördereinrichtung FE2 aktiv sein und dessen Dosierventil DV2 über die zweite externe Treibstoffverbindung ET2 das System mit frischem Wasserstoff versorgen. Die erste Fördereinrichtung FE1 kann dann den Zustrom vom Mitteldruckbereich zum Anodenbereich an der ersten Fördereinrichtung FE1 sperren. Die erste Fördereinrichtung kann dabei ausgeschaltet sein oder mit geringerer Leistung als die zweite Fördereinrichtung betrieben werden.
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Wird nun frischer Wasserstoff aus der Düse der zweiten Fördereinrichtung eingebracht, entsteht in Bereichen vor der zweiten Strahldüse ein Unterdruck, der das Rezirkulationsgas aus der ersten internen Treibstoffverbindung IT1 ansaugt. Da der Rezirkulationsstrom nun größer ist als bei niedriger Last, ist der Querschnitt di an der Strahlhülse 2.1 nicht ausreichend groß zum Durchstrom bei Druckausgleich. Deshalb entsteht an der ersten Strahldüse FE1 ein Druckgefälle, dessen wirksame Kraft FpH der optionalen Federkraft Ff der ersten Federeinrichtung Fedl entgegenwirken kann. Die Strahlhülse der SD1 kann axial in Richtung des ersten Förderpfades verfahren, die Dichtkante 2.2 gibt den äußeren Strömungspfad SP1 frei. Das Rezirkulationsgas kann nun durch die angedeuteten Öffnungen 13.1 des Außenmoduls in den Führungsbereich(en) 13.2 der ersten Strahlhülse SD1 über den nun geöffneten Dichtsitz 2.3 in den Zuströmbereich vor der zweiten Fördereinrichtung FE2 gelangen. Da nun der äußere und innere Strömungspfad SP1 und SP2 zur Verfügung stehen, kann das gesamte anstehende Rezirkulationsgas der Strahldüse der zweiten Fördereinrichtung FE2 zugeführt werden. Die Strahldüse der zweiten Fördereinrichtung kann nun die Brennstoffzelle mit dem frischen Wasserstoff und dem anstehenden Rezirkulationgas versorgen. Die zweite Fördereinrichtung kann dann mit einer größeren Leistung als die erste Fördereinrichtung betrieben werden.
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Es kann die Funktion der Strahldüse der ersten Fördereinrichtung FE1 auch ohne die erste Federeinrichtung Fedl gegeben sein; in diesem Fall entstehen im Hochlastbetrieb nur sehr geringe Strömungsverluste im äußeren Strömungspfad SP1.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die 2 zeigt die Treibstofffördereinrichtung 10 aus der 1, wobei jedoch die erste Fördereinrichtung und damit der erste Förderpfad keine verschiebbare Strahldüse umfasst. Die Variante der 2 zeigt somit ein Doppelstrahldüsenmodul in dessen Flussrichtung des Treibstoffs die Reihenfolge der Wirkungen der Förderpfade aus der 1 vertauscht ist. Die Fördereinrichtung des ersten Förderpfads, nunmehr für den Betrieb bei Hochlast, kann der zweiten Fördereinrichtung für niedrige Last vorgeschaltet sein.
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Die Treibstofffördereinrichtung 10 nach der 2 ist derart aufgebaut, dass die zweite Fördereinrichtung FE2 eine zweite Strahldüse SD2 umfasst, welche im zweiten Förderpfad F2 angeordnet ist und ein innerer Volumensfluss des Treibstoffs durch einen Innenbereich IB2 der zweiten Strahldüse leitbar ist, und wobei die zweite Strahldüse SD2 den variablen Strömungskanal bildet, wobei die zweite Strahldüse SD2 entlang des zweiten Förderpfads F2 beweglich angeordnet ist und abhängig von einer Position der zweiten Strahldüse SD2 ein äußerer Volumensfluss des Treibstoffs um die zweite Strahldüse SD2 herum sperrbar oder durchlassbar ist. Des Weiteren kann der zweite Förderpfad F2 eine zweite Federeinrichtung Fed2 umfassen, mit welcher die zweite Strahldüse SD2 gegen die Dichtgeometrie 2.2 / 2.3 (ähnlich wie in der 1, allerdings nun im zweiten Förderpfad und an der zweiten Strahlhülse) gegengespannt sein kann, etwa für eine eindeutige Startposition der zweiten Strahldüse SD2.
Die Dichtsitze 2.3 und 2.2 können sich nun an der zweiten Strahldüse und an dem zweiten Förderpfad um die zweite Strahldüse SD2 herum befinden.
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Ansonsten können bei einem entsprechenden Betrieb der zweiten Fördereinrichtung, etwa des zweiten Dosierventils und/oder der zweiten Saugstrahlpumpe, die gleichen Druckverhältnisse gemäß der 1, nun in der 2 um die zweite Strahldüse erzeugt werden, damit der Treibstoff aus der ersten internen Treibstoffverbindung IT1 angesaugt werden kann und ein Druck vor der Strahlhülse der zweiten Strahldüse DS2 geringer sein kann als die Vorspannkraft der zweiten Federeinrichtung Fed2. Dadurch kann dann der Dichtsitz 2.2 der zweiten Strahldüse DS2 auf den Dichtsitz 2.3 des zweiten Förderpfads aufsetzen und den äußeren Volumensfluss sperren. Der Treibstoff kann dann nur durch den Innenbereich IB2 geführt werden. Dies kann dem Niederlastregime entsprechen und vom ersten Förderpfad nur Rezirkulation betreiben wenn die erste Fördereinrichtung ausgeschaltet ist (von der zweiten Fördereinrichtung kann dazu dann Treibstoff von der externen Leitung ET2 gefördert werden), durch ein Ansaugen aus der ersten internen Treibstoffverbindung IT1 mit Unterdruck. Für einen Hochlastbetrieb kann dann ähnlich der 1 ein derartiges Druckniveau in den Förderpfaden erzeugt werden, dass die Strahlhülse der zweiten Strahldüse DS2 gegen die Feder gedrückt werden kann und sowohl der innere als auch der äußere Volumensfluss im zweiten Förderpfad betreibbar sind, da der äußere Volumensfluss um die Strahlhülse der zweiten Strahldüse durchlassbar sein kann. So können rezirkulierter Treibstoff und frischer Treibstoff gefördert werden, allein durch die inneren Druckverhältnisse und ohne ein zusätzliches aktives Steuerventil. Die erste und zweite Fördereinrichtung können entsprechend der 1 für den jeweiligen Fall mit größerer oder geringerer Leistung relativ zueinander betrieben werden, oder es kann eine der beiden entsprechend abgeschaltet sein. Um die zweite Strahlhülse zu verschieben können die beiden Fördereinrichtungen im Verhältnis zueinander derart betrieben werden, dass die entstehenden Druckniveaus in den Förderpfaden die zweite Strahlhülse öffnen können, oder es kann ein Ansaugen von der Ausgangsöffnung, etwa von der Brennstoffzelle selbst oder von einer Vorrichtung nach der Ausgangsöffnung, erzielt werden, wobei eine Zugwirkung und entsprechendes Druckniveau an der zweiten Strahlhülse entstehen kann und die Öffnungswirkung des Dichtsitzes, ähnlich wie zur 1 erklärt, erzeugt werden kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die Treibstofffördereinrichtung 10 nach der 3 zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Förderpfad F1 und der zweite Förderpfad F2 länglich (dieser nur teilweise länglich da eine Biegung vorhanden sein kann) entlang einer gleichen Richtung R zur Ausgangsöffnung AO hin verlaufen und die erste Fördereinrichtung FE1 an einem Anfang des ersten Förderpfads F1 angeordnet ist und die zweite Fördereinrichtung FE2 seitlich am zweiten Förderpfad F2 angeordnet ist und eine zweite Einlassdüse E2, welche in die Richtung R der beiden Förderpfade in diese ausgerichtet sein kann. Die zweite Einlassdüse E2 kann dabei eine flexible oder feste Düse oder Rohrform umfassen, die in den zweiten Förderpfad F2 hineinreichen kann und um 90 Grad zur Ausgangsöffnung AO hingebogen sein kann.
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Die zweite externe Treibstoffverbindung ET2 kann ebenso wie in den anderen Beispielen neben der zweiten Fördereinrichtung FE2 angeordnet sein.
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Die Treibstofffördereinrichtung 10 der 3 entspricht im Wesentlichen jener aus der 1 und ist bezüglich der Anordnung in Flussrichtung gleich jener der 1. Die Variante der 3 entspricht jedoch einer anderen konstruktiven Bauform des Doppelstrahldüsenmoduls. Die längliche Bauform des Doppelstrahldüsenmoduls erfordert es, dass die zweite Fördereinrichtung FE2 mit einer gekrümmten zweiten Einlassdüse E2 ausgestattet ist.
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4 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs und ein Verbinden der Treibstofffördereinrichtung mit einer Brennstoffzelle; ein Erkennen S2 einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs von einem Treibstofftank und danach Fördern S3 des Treibstoffs von dem Treibstofftank zu der Brennstoffzelle mittels des ersten Förderpfads mit einer ersten Fördereinrichtung und/oder mittels des zweiten Förderpfads mit einer zweiten Fördereinrichtung; ein Erkennen S4 einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs bei einer geringen Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems oder bei einer hohen Betriebsleistung des Brennstoffzellensystems und danach Fördern S5 des Treibstoffs in dem ersten Förderpfad und/oder in dem zweiten Förderpfad; und ein Abgeben S6 des Treibstoffs über die Ausgangsöffnung für den Treibstoff an die Brennstoffzelle.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112006003013 B4 [0006]
