DE102021210060A1

DE102021210060A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021210060A1
Application number: DE102021210060.0A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2021-09-13
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023036571A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31) sowie ein Brennstoffzellensystem (31) mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1).Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems (31), bei dem die Rezirkulation des von einer Brennstoffzelle (32) zur Strahlpumpe (4) kommenden Rezirkulationsmediums mittels eines Zulaufventils (20) zumindest nahezu vollständig unterbinden werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, mit deren Hilfe ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden können. Eine Brennstoffzelle weist hierzu eine Anode und eine Kathode auf. Die Anode wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoff, die Kathode mit dem Oxidationsmittel versorgt. Bei dem Brennstoff handelt es sich demnach um das Anodengas.
Systemisch hat sich bei der Versorgung der Anode mit Brennstoff bzw. Anodengas der Ansatz etabliert, das noch brennstoffreiche aus der Brennstoffzelle austretende Anodengas zu rezirkulieren und zusammen mit frischem Brennstoff erneut der Anode zuzuführen. Hierbei gelangt oftmals mindestens eine Strahlpumpe als Gasfördereinheit zum Einsatz um eine Rezirkulationsleistung bei verschiedenen Betriebszuständen, insbesondere einen Hochlastbetrieb und einen Niedriglastbetrieb, abzudecken. Die Strahlpumpe kann dabei lastabhängig betreibbar sein und durch ein separates Dosierventil mit Wasserstoff versorgt werden, um eine flexible, bedarfsgerechte Zudosierung des Anodengases, bei dem es sich insbesondere um ein Treibmedium handelt, zu gewährleisten.
Aus der DE 10 2019 205 990 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Brennstoffzelle über eine Rückführleitung mit der Strahlpumpe verbunden ist, insbesondere über einen ersten Zulauf der Strahlpumpe. Dabei ist jedoch problematisch dass kein trockenes Treibmedium mittels mindestens einer Strahlpumpe zu einem Anodenbereich der Brennstoffzelle zudosiert werden kann, da sich die fluidische Verbindung der Brennstoffzelle zur Strahlpumpe mittels der Rückführleitung, mittels derer auch H₂O enthaltetenes Rezirkulat zur Strahlpumpe zurückgeführt wird, nicht vollständig trennen lässt. Dies ist jedoch in bestimmten Betriebspunkten der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellensystems erforderlich, um eine effizientes Trockenfahren und/oder Ausblasen von H₂O eines Brennstoffzellenstacks und/oder Brennstoffzellensystems und/oder der Brennstoffzelle zu ermöglichen.
Mit der Lösung dieses Problems ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird das Brennstoffzellensystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens eine Strahlpumpen, der zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus einem Tank, zumindest mittelbar über eine Zuströmleitung zugeführt wird, wobei die mindestens eine Strahlpumpe einlassseitig ein erstes Ventil, vorzugsweise ein erstes Dosierventil, aufweist, wobei die mindestens eine Strahlpumpe über mindestens eine Verbindungsleitung und mindestens eine Rückführleitung zumindest mittelbar fluidisch mit einer Brennstoffzelle verbunden ist und mit einem von der Brennstoffzelle kommenden unverbrauchten Rezirkulat versorgt wird.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgeführt, dass die erste Strahlpumpe fluidisch zuströmseitig über ein Zulaufventil, insbesondere ein steuerbares Zulaufventil, mit der Brennstoffzelle, insbesondere einem Anodenbereich über die Rückführleitung verbunden ist, wobei sich das Zulaufventil derart ansteuern lässt, dass die fluidische Verbindung der Brennstoffzelle mit der ersten Strahlpumpe, insbesondere über die Rückführleitung, zumindest nahezu vollständig unterbrechen lässt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass der Rezirkulationskreislauf zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Strahlpumpe zumindest nahezu vollständig unterbrochen werden kann, während der ersten Strahlpumpe mittels des ersten Dosierventils nahezu ausschliessliche das Treibmedium aus dem Tank zugeführt wird, wobei dieses Treibmedium nahezu ausschließlich Wasserstoff enthält und nahezu keine Beiprodukte, wie H₂O oder N₂, enthält. Somit kann bei einem Abstellen des Gesamtfahrzeugs der Brennstoffzellenstack trockengefahren und ausgeblasen werden, so dass sich kein Wasser im Brennstoffzellenstack mehr befindet. Dies ist im Falle einer langen Standzeit bei niedrigen Temperaturen vorteilhaft, da sich keine Eisbrücken aufgrund des Wassers im Stack ausbilden können, die das Brennstoffzellenstack schädigen können, insbesondere bei einem Neustart des Gesamtfahrzeug im Rahmen einer Kaltstartprozedur. Somit kann durch die erfindungsgemäße Ausführung der Vorrichtung die Kaltstartfähigkeit der Vorrichtung und somit des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem auch bei tiefen Temperaturen zuverlässig betrieben werden und ein Start der Brennstoffzelle ist jederzeit möglich. Zudem kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden indem mittels des Zulaufventis eine Zudosierung des Rezirkulats zur ersten Strahlpumpe ermöglicht wird, um eine bessere Abstimmung des Treibmediums und Rezirkulats zu ermöglichen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Fördereinrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist diese zusätzlich zur ersten Strahlpumpe mindestens eine weitere Strahlpumpe auf, insbesondere eine zweite Strahlpumpen, wobei die Strahlpumpen parallel geschaltet und lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei die zweite Strahlpumpe einlassseitig, insbesondere im Bereich eines zweiten Zulaufs mit einem zweiten Ventil, vorzugsweise ein zweites Dosierventil, fluidisch verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass sich die Rezirkulationsleistung über eine breite Bandbreite an Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems mit einem hohen Wirkungsgrad aufrechterhalten werden kann, indem eine jeweilige Strahlpumpe gemäß dem Lastfall mittels des jeweiligen Dosierventils das entsprechende Treibmedium zudosiert bekommt oder das die andere Strahlpumpe mittels des jeweiligen Dosierventils fludisch vom Tank derart getrennt wird, dass kein Treibmedium zudosiert wird. Es ist auch möglich die mindestens zwei Strahlpumpen gemeinsam mittels des Dosierventils mit dem Treibmedium zu versorgen und somit zu betreiben. Somit lässt sich der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems verbessern.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung weist die zweite Strahlpumpe abströmseitig ein Rückschlagventil auf, insbesondere im Bereich der Verbindungsleitung wobei sich das Rückschlagventil zwischen der Verbindungsleitung und der zweiten Strahlpumpe befindet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass ein unerwünschtes Rückströmen durch die zweite Strahlpumpe verhindert wird. Die Betätigung des mindestens einen Sperrelements erfolgt vorzugsweise druckgesteuert, so dass keine zusätzliche Aktorik erforderlich ist. Durch die Verhinderung des Rückströmens kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung das Zulaufventil der erste Strahlpumpe keine absolute oder nur eine geringe Dichtheit und/oder Kapselung der fluidischen Verbindung der Brennstoffzelle mit der ersten Strahlpumpe über die Rückführleitung erzielt. Auf diese Weise kann eine kostengünstige und einfach konstruierte Ausführungsform des Zulaufventils verwendet werden, da im Anodenkreis nur geringe Differenzdrücke auftreten und somit nur eine kleine Aktorkraft für die Betätigung des Zulaufventils notwendig ist. Zudem ist keine abolute Dichtheit des Zulaufventils erforderlich, da durch den Sitz keine Leckage nach außen in eine Umgebung auftritt und für die Funktion eine geringe Leckage keinen Einfluss hat. Somit lassen sich die Gesamtkosten des Brennstoffzellensystems und die Ausfallwahrscheinlichkeit der Vorrichtung reduzieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Strahlpumpe für einen Hochlastbetrieb ausgelegt und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, erfolgt durch das erste Dosierventil und/oder das Zulaufventil erfolgt. Auf diese Weise kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung bereitgestellt werden, da die Strahlpumpen getrennt voneinander ansteuerbar sind. Zudem kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden, da eine optimale Beschickung der Brennstoffzelle mittels der ersten Strahlpumpe erfolgen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist die zweite Strahlpumpe für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt. Dabei erfolgt eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, ausschließlich durch ein zweites Dosierventil. Auf diese Weise kann bei einem Niedriglastbetrieb des Brennstoffzellensystems nur dueZudem treten keine Reibungsverluste aufgrund eines Durchströmens des Anodengases durch die erste Strahlpumpe auf. Somit kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung und/oder ein hoher Wirkungsgrad bereitgestellt werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist demnach insbesondere zur Durchführung des im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung lassen sich somit die gleichen Vorteile erzielen das der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems kann die Rezirkulation des von der Brennstoffzelle zur Strahlpumpe kommenden Rezirkulationsmediums mittels des Zulaufventils zumindest nahezu vollständig unterbunden werden. Dabei wird die Strahlpumpe nahezu ausschließlich mittels des Treibmediums aus dem Tank betrieben und dies wird der Brennstoffzelle zugeführt. Auf diese Weise kann das Verfahren derart betrieben werden, dass sich die Rezirkulation und/oder die Rezirkulationsleistung zumindest nahezu vollständig abschalten lässt und eine Zudosierung ohne Rezirkulation möglich ist. Dabei wird der Strahlpumpe auschliesslich das Treibmedium aus dem Tank über den zweiten Zulauf zugeführt und dieses zumindest nahezu ausschliesslich Wasserstoff aufweisende Treibmedium kann dazu verwendet werden, das Brennstoffzellenstack trockenzufahren und eventuell vorhandenes Wasser aus dem Brennstoffzellenstack auszublasen. Somit kann eine Vermeidung der Schädigung der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellenstacks bei langen Standzeiten und niedrigen Umgebungstemperaturen, insbesondere unter 0°C, erzielt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird im Betrieb mindestens eine weitere Strahlpumpe verwendet, wobei die mindestens zwei Strahlpumpen parallel geschaltet und lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind. Auf diese Weise kann mittels des Vorsehens mindestens einer weiteren Strahlpumpe, die vorzugsweise auf einen anderen Lastbereich, insbesondere einen Hochlastbereich, ausgelegt ist als die zweite Strahlpumpe, lastabhängig diese mindestens eine weitere Strahlpumpe zugeschaltet werden. Grundsätzlich können auch beide Strahlpumpen zur Rezirkulation von Anodengas eingesetzt werden. Auf diese Weise kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung erbracht werden, und zwar sowohl bei hoher als auch bei niedriger Last. Dabei lässt sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und/oder des gesamten Brennstoffzellensystems verbessern.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strahlpumpe
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit der Brennstoffzelle und der Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Darstellung gemäß 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer ersten Strahlpumpe 4 oder einer zweiten Strahlpumpe 6.
Dabei weist die Strahlpumpe 4, 6 einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36 einen Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 9 und einen Diffusorbereich 11 auf. Das Anodengas strömt dabei zumindest teilweise in einer Strömungsrichtung III durch die Strahlpumpe 4, 6, wobei die Strömungsrichtung III parallel zu einer Längsachse 52 der Strahlpumpe 4, 6 verläuft. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Strahlpumpe 4, 6 sind dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebildet und dienen zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um H₂ mit Anteilen an H₂O und N₂ handelt, in der Strahlpumpe 4, 6 Dabei wird der Strahlpumpe 4, 6 mittels des zweiten Zulaufs 36 ein Treibmedium zugeführt, welches durch einen Kanal einer Düse 12 in den Ansaugbereich 7 oder das Mischrohr 9 einströmt. Zudem wird der Strahlpumpe 4, 6 ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H₂ aus einem Anodenbereich 38 (gezeigt in 2) einer Brennstoffzelle 32 (gezeigt in 2), insbesondere einem Brennstoffzellenstack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Das Treibmedium kann dabei von einem Tank 34 (gezeigt in 2) kommen und unter hohen Druck, insbesondere von mehr als 5 bar, stehen.
Von der Düse 12 wird das Treibmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 abgelassen. Der durch die Düse 12 strömende und als Treibmedium dienende Wasserstoff weist eine Druckdifferenz und/oder Geschwindigkeitsdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in die jeweilige Strahlpumpe 4, 6 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 5 bar aufweist. Wenn sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck in den zentralen Strömungsbereich der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch die Düse 12 in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohrs 9 ein.
Die Düse 12 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form einer Strömungsöffnung auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere im Falle der ersten Strahlpumpe 4 von einem ersten Dosierventil 10 kommend und in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 einströmend. Die zweite Strahlpumpe 6 kann dabei das zweite Dosierventil 14 aufweisen. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im Ansaugbereich 7 und/oder im Mischrohr 9 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder Druck-Differenz zwischen dem Treibmediums und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenz zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung III beschleunigt und es entsteht für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 nachgefördert wird.
Dieser Effekt kann als Strahlpumpeneffekt bezeichnet werden. Durch das Ansteuern der Zu-Dosierung des Treibmediums mittels des jeweiligen Dosierventils 10, 14 kann eine Förderrate des Rezirkulations- mediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 (nicht gezeigt in 1) je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden. In einem beispielhaften Betriebszustand einer Vorrichtung 1 und/oder der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 bei dem sich das erste Dosierventil 10 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich der ersten Strahlpumpe 4 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung III zum Rezirkulationsmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt. Nach dem Passieren des Mischrohrs 9 strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibmedium besteht, in der Strömungsrichtung III in den Diffusorbereich 11, wobei es im Diffusorbereich 11 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium beispielsweise weiter in den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32.
Wie in 1 gezeigt kann sich das jeweilige Dosierventil 10, 14 direkt an der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 befinden, und insbesondere eine gemeinsame Baugruppe mit diesem ausbilden, wobei das jeweilige Dosierventil 10, 14 eine jeweilige integrierte Treibdüse 12a, b aufweisen kann. Der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 wird dabei frisches Anodengas, insbesondere das Treibmedium, über das jeweilige Dosierventil 10, 14 und/oder die jeweilige integrierte Treibdüse 12a, b zugeführt wird.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen des Brennstoffzellen-Systems 31 mit der Brennstoffzelle 32 und der Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1 dient dabei zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems 31, umfassend mindestens eine Strahlpumpe 4 der zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus dem Tank 34, zumindest mittelbar über eine Zuströmleitung 21 zugeführt wird, wobei die mindestens eine Strahlpumpe 4 einlassseitig ein erstes Ventil 10, vorzugsweise ein erstes Dosierventil 10, aufweist, wobei die mindestens eine Strahlpumpe 4 über mindestens eine Verbindungsleitung 29 und mindestens eine Rückführleitung 23 zumindest mittelbar fluidisch mit der Brennstoffzelle 32 verbunden ist und mit einem von der Brennstoffzelle 32 kommenden unverbrauchten Rezirkulat versorgt wird. Dabei ist die erste Strahlpumpe 4 fluidisch zuströmseitig über ein Zulaufventil 20, insbesondere ein steuerbares Zulaufventil 20, mit der Brennstoffzelle 32, insbesondere dem Anodenbereich 38 über die Rückführleitung 23 verbunden ist, wobei sich das Zulaufventil 20 derart ansteuern lässt, dass die fluidische Verbindung der Brennstoffzelle 32 mit der ersten Strahlpumpe 4, insbesondere über die Rückführleitung 23, zumindest nahezu vollständig unterbrechen lässt. Zusätzlich zum Anodenbereich 38 weist die Brennstoffzelle 32 einen Kathodenbereich 40 auf. Dabei kann das Zulaufventil 20 eine Aktorik aufweisen, mittels derer sich das Zulaufventil 20 schlie-ßen und öffnen lässt. Dadurch lässt sich die Rezirkulation abschalten und eine Zudosierung ist ohne Rezirkulation möglich. In einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann das Zulaufventil 20 der ersten Strahlpumpe 4 keine absolute oder nur eine geringe Dichtheit und/oder Kapselung der fluidischen Verbindung der Brennstoffzelle 32 mit der ersten Strahlpumpe 4 über die Rückführleitung 23 erzielen. Somit kann ein kostengünstiges und einfach aufgebautes Zulaufventil 20 verwendet werden. Dieses Zulaufventil 20 lässt sich kostengünstig darstellen, da im Anodenkreis nur geringe Differenzdrücke auftreten und somit nur eine kleine Aktorkraft notwendig ist. Zudem ist keine absolute Dichtheit des Zulaufventils 20 erforderlich, da durch den Dichtsitz keine Leckage in eine Umgebung 26 auftritt und für die Funktion eine geringe Leckage keinen Einfluss hat.
2 zeigt, dass das aus dem Tank 34 kommende Treibmedium, bei dem es sich um Wasserstoff handelt, über eine Tankleitung 27 zu einem zweiten Absperrventil 17 strömt. Das zweite Absperrventil 17 kann dabei zum fluidischen Trennen des Tanks 34 vom Brennstoffzellensystem 31 und/oder der Brennstoffzelle 32 dienen. Vom zweiten Absperrventil 17 strömt das Treibmedium in ein Druckregelventil 19, bei dem es sich insbesondere um einen Druckminderer 19 handelt, mittels dessen das Druckniveau des vom Tank 34 kommenden Anodengases reduziert wird, bevor es weiter in eine Mitteldruckleitung 25 strömt. Das zweite Absperrventil 17 wird dabei typischerweise aus Sicherheitsgründen verwendet, wobei das zweite Absperrventil 17 optional verwendet wird. Die Druckreduzierung kann dabei bei einer möglichen beispielhaften Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 31 von einem Druckniveau im Bereich von 700 bar, welches beispielsweise im Tank 34 vorherrscht, auf ein Druckniveau im Bereich von 10 bis 15 bar im Bereich der Mitteldruckleitung 25, heruntergeregelt werden. Von der Mitteldruckleitung 25 strömt das Treibmedium über ein erstes Absperrventil 15 und die stromabwärtige Zuströmleitung 21 zu der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6. Die Zuströmleitung 21 von dem ersten Absperrventil 15 kommend im Bereich eines ersten Knotenpunktes 46 in eine erste Zuströmleitung 21a und eine zweite Zuströmleitung 21b verzweigt.
In 2 ist zudem gezeigt, dass Es kann sich zudem in einer beispielhaften Ausführungsform im Bereich der Rückführleitung 23 ein Wasserabscheider 8 und/oder ein Ablassventil 30 befinden. Somit strömt das unverbrauchte gasförmige Medium aus der Brennstoffzelle 32 in den Wasserabscheider 8, in dem das Wasser vom Wasserstoff getrennt wird und in dem dann das Wasser beispielsweise mittels eines Ventils 8 in die Umgebung 26 abgelassen wird. Von dort kann das Anodengas über die Verbindungsleitung 29 zurück zur jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 oder zum Ablassventil 30 strömen. Im Bereich des Ablassventils 30, bei dem es sich insbesondere um ein Purge-Ventil 30 handelt, Wasser und/oder Wasserstoff und/oder Stickstoff an die Umgebung 26 abgegeben werden.
Die in 2 gezeigte Vorrichtung kann zudem für ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems 31 verwendet werden. Dabei kann die Rezirkulation des von der Brennstoffzelle 32 zur ersten Strahlpumpe 4 kommenden Rezirkulationsmediums mittels des Zulaufventils 20 zumindest nahezu vollständig unterbunden werden kann, wobei die erste Strahlpumpe 4 nahezu ausschließlich mittels des Treibmediums aus dem Tank 34 betrieben und dies der Brennstoffzelle 32 zuführt.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffsystems 31 mit der Brennstoffzelle 32 und der Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei weist die Vorrichtung 1 zusätzlich zur ersten Strahlpumpe 4 mindestens eine weitere Strahlpumpe 6 auf, wobei die Strahlpumpen 4, 6 parallel geschaltet und lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei die zweite Strahlpumpe 6 einlassseitig, insbesondere im Bereich eines zweiten Zulaufs 36 mit einem zweiten Ventil 14, vorzugsweise ein zweites Dosierventil 14, fluidisch verbunden ist. Zudem kann die zweite Strahlpumpe 6 abströmseitig ein Rückschlagventil 18 aufweisen, insbesondere im Bereich der Verbindungsleitung 29b, wobei sich das Rückschlagventil 18 in einer beispielhaften Ausführungsform der Vorrichtung 1 zwischen der Verbindungsleitung 29b und der zweiten Strahlpumpe 6 befinden kann. Dabei kann die erste Strahlpumpe 4 für einen Hochlastbetrieb ausgelegt sein und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, erfolgt durch das erste Dosierventil 10 und/oder das Zulaufventil 20 erfolgt. Die mindestens eine weitere Strahlpumpe 6 kann dabei für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt sein und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, erfolgt durch das zweite Dosierventil 14 erfolgt. Dabei sind die mindestens zwei Strahlpumpen 4, 6 parallel geschaltet und lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind.
Wie in 3 gezeigt verzweigt sich die Zuströmleitung 21 im Bereich des ersten Knotenpunkts 46 in eine erste Zuströmleitung 21a und eine zweite Zuströmleitung 21b. Die erste Zuströmleitung 21a verbindet den ersten Knotenpunkt 46 fluidisch mit dem ersten Dosierventil 10 und somit mittelbar mit der ersten Strahlpumpe 4. Die zweite Zuströmleitung 21b verbindet den ersten Knotenpunkt 46 fluidisch mit dem zweiten Dosierventil 14 und somit mittelbar mit der zweiten Strahlpumpe 6. Weiterhin befindet sich die jeweilige Verbindungsleitung 29a, b stromabwärts der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6. Die Verbindungsleitungen 29a, b laufen im Bereich eines zweiten Knotenpunktes 48 zusammen und/oder sind fluidisch miteinander und mit einem weiteren Bereich der Verbindungsleitung 29 verbunden. Dabei ist die jeweilige Strahlpumpe 4, 6 mittels der Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden. In dem in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel befindet sich das Rückschlagventil 18 stromabwärts der zweiten Strahlpumpe 6.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019205990 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), umfassend mindestens eine Strahlpumpen (4, 6), der zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus einem Tank (34), zumindest mittelbar über eine Zuströmleitung (21) zugeführt wird, wobei die mindestens eine Strahlpumpe (4, 6) einlassseitig ein erstes Ventil (10, 14), vorzugsweise ein erstes Dosierventil (10, 14), aufweist, wobei die mindestens eine Strahlpumpe (4, 6) über mindestens eine Verbindungsleitung (29) und mindestens eine Rückführleitung (23) zumindest mittelbar fluidisch mit einer Brennstoffzelle (32) verbunden ist und mit einem von der Brennstoffzelle (32) kommenden unverbrauchten Rezirkulat versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Strahlpumpe (4) fluidisch zuströmseitig über ein Zulaufventil (20), insbesondere ein steuerbares Zulaufventil (20), mit der Brennstoffzelle (32), insbesondere einem Anodenbereich (38) über die Rückführleitung (23) verbunden ist, wobei sich das Zulaufventil (20) derart ansteuern lässt, dass die fluidische Verbindung der Brennstoffzelle (32) mit der ersten Strahlpumpe (4), insbesondere über die Rückführleitung (23), zumindest nahezu vollständig unterbrechen lässt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zusätzlich zur ersten Strahlpumpe (4) mindestens eine weitere Strahlpumpe (6) aufweist, wobei die Strahlpumpen (4, 6) parallel geschaltet und lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei die zweite Strahlpumpe (6) einlassseitig, insbesondere im Bereich eines zweiten Zulaufs (36) mit einem zweiten Ventil (14), vorzugsweise ein zweites Dosierventil (14), fluidisch verbunden ist
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlpumpe (6) abströmseitig ein Rückschlagventil (18) aufweist, insbesondere im Bereich der Verbindungsleitung (29b), wobei sich das Rückschlagventil (18) zwischen der Verbindungsleitung (29b) und der zweiten Strahlpumpe (6) befindet.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zulaufventil (20) der ersten Strahlpumpe (4) keine absolute oder nur eine geringe Dichtheit und/oder Kapselung der fluidischen Verbindung der Brennstoffzelle (32) mit der ersten Strahlpumpe (4) über die Rückführleitung (23) erzielt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlpumpe (4) für einen Hochlastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das erste Dosierventil (10) und/oder das Zulaufventil (20) erfolgt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine weitere Strahlpumpe (6) für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das zweite Dosierventil (14) erfolgt.
Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), bei dem die Rezirkulation des von der Brennstoffzelle (32) zur Strahlpumpe (4) kommenden Rezirkulationsmediums mittels des Zulaufventils (20) zumindest nahezu vollständig unterbunden werden kann, wobei die Strahlpumpe (4) nahezu ausschließlich mittels des Treibmediums aus dem Tank (34) betrieben und dies der Brennstoffzelle (32) zuführt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb mindestens eine weitere Strahlpumpe (6) verwendet wird, wobei die mindestens zwei Strahlpumpen (4, 6) parallel geschaltet und lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind.
Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Vorrichtung (1) in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems (31) angeordnet ist.