DE102021212308A1

DE102021212308A1 - Vorrichtung und Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102021212308A1
Application number: DE102021212308.2A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-11-02
Filing date: 2021-11-02
Publication date: 2023-05-04
Also published as: CN118176604A; KR20240091202A; WO2023078637A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31) sowie ein Brennstoffzellensystem (31) mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung (1).Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren (300) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), bei dem eine parallel geschaltete Strahlpumpe (4) und ein By-Pass (15) verwendet werden, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird ein Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens. 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 eine Strahlpumpe - allein oder in Kombination mit einem Rezirkulationsgebläse - als Gasfördereinheit zum Einsatz. Problematisch ist dabei eine nachlassende Rezirkulationsleistung der Strahlpumpe im Teillastbereich bzw. im niederen Lastbereich.
Mit der Lösung dieses Problems ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung wird eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Betriebsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 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 Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems und/oder ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Strahlpumpe, der mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus einem Tank über eine Tankleitung und/oder einen zweiten Zulauf zugeführt wird. Dabei weist die Strahlpumpe einlaßseitig ein erstes Dosierventil auf und ist über mindestens eine Verbindungsleitung und mindestens eine Rückführleitung zumindest mittelbar fluidisch mit einer Brennstoffzelle verbunden. Diese Strahlpumpe wird zudem mit einem von der Brennstoffzelle kommenden unverbrauchten Rezirkulat versorgt.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgeführt, dass die Vorrichtung einen By-Pass aufweist, der fluidisch parallel zur Strahlpumpe angeordnet und/oder betreibbar ist, wobei der By-Pass einlaßseitig ein zweites Dosierventil aufweist, wobei der By-Pass über mindestens eine Verbindungsleitung und/oder den zweiten Zulauf mit dem Tank verbunden ist, wobei insbesondere der By-Pass derart bei einem Hochlastbetrieb zuschaltbar ist, dass die benötigte Menge des Treibmediums beim Hochlastpunkt der Brennstoffzelle dieser zugeführt wird. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass keine zweite Strahlpumpe benötigt wird, die zusätzlich zur Strahlpumpe beispielsweise im Falle eines Hochlastbetriebs der Vorrichtung, bei dem eine Vollastmenge zur Brennstoffzelle gefördert werden muss, aktiviert wird. Dabei wird beim Hochlastbetrieb der By-Pass mittels des zweiten Dosierventils geöffnet, so dass die Vorrichtung die Volllastmenge fördern kann. Dabei ist der By-Pass konstruktiv weniger komplex ausgeführt, insbesondere hinsichtlich seiner Strömungsgeometrien, als die Strahlpumpe. Somit können die Kosten für eine zusätzliche zweite Strahlpumpe einspart werden, wodurch sich die Gesamtkosten der Vorrichtung und/oder des gesamten Brennstoffzellensystems reduzieren lassen.
Die Strahlpumpe ist dabei für einen Teillastbetrieb optimiert, indem die Düse der Strahlpumpe so ausgelegt ist, dass sie nicht die von der Brennstoffzelle benötigte Menge des Treibmediums, insbesondere als Förderleistung und/oder Durchflussmenge in Form eine Volumenstroms, während des Hochlastbetriebs bereitstellen kann. Im Hochlastbetrrieb und/oder bei einem hohen Lastbereich der Brennstoffzelle wird diese zusätzlich benötigte Menge des Treibmediums zusätzlich durch das Bypassventil Brennstoff zudosiert.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung kann dem By-Pass mittels des zweiten Dosierventils das Treibmedium aus dem Tank zudosiert werden. Auf diese Weise lässt sich der By-Pass zum einen zumindest nahezu vollständig fluidisch unterbrechen, beispielsweise im Betrieb der Strahlpumpe, bei dem eine direkte Zudosierung des Treibmediums zur Brennstoffzelle mittels des By-Pass nicht erfolgen soll. Zudem kann aber auch mittels des zweiten Dosierventils eine getaktete Öffnung des By-Pass derart durchgeführt werden kann, sodass eine optimierte stoßweise Zudosierung des Treibmediums zur Brennstoffzelle erfolgen kann. Somit lässt sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung und/oder der Brennstoffzelle und/oder des Brennstoffzellensystems erhöhen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung befinden sich der By-Pass und die Strahlpumpe in einem gemeinsamen Grundkörper der Vorrichtung. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Vorrichtung geschaffen werden. Zudem kann die Anzahl der Anschlüsse reduziert werden, so dass beispielsweise nur ein erster Zulauf, der zweite Zulauf und ein Ablauf als Anschlüsse vorliegen müssen. Des Weiteren kann die Kaltstartfähigkeit der Vorrichtung verbessert werden, da mittels der baulichen Kopplung der Strahlpumpe und/oder des By-Pass beispielsweise in dem Grundkörper die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen der Vorrichtung reduziert werden kann, wodurch der Prozess des Abkühlens der Vorrichtung bei niedrigen Umgebungstemperaturen und langen Standzeiten weitaus länger benötigt. Auf diese Weise kann eine Beschädigung der inneren Strömungskonturen und beweglichen Bauteile der Vorrichtung durch Eisbrücken verhindert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist die Strahlpumpe für einen Teillastbetrieb ausgelegt. Dabei erfolgt eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, ausschließlich durch das erste Dosierventil. Auf diese Weise kann beim Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems nur die Strahlpumpe betrieben werden. Zudem treten keine Reibungsverluste aufgrund eines Durchströmens des Anodengases durch die Strahlpumpe auf. Somit kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung und/oder ein hoher Wirkungsgrad bereitgestellt werden. Des Weiteren kann die Strahlpumpe kleiner dimensioniert werden, da diese nur eine geringe Förderleistung und/oder Durchflussmenge in Form eine Volumenstroms fördern muss. Auf diese Weise kann der benötigte Bauraum in der Vorrichtung und im Gesamtfahrzeug reduziert werden und/oder die Herstellkosten der Strahlpumpe lassen sich reduzieren.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist die Strahlpumpe eine Düse auf, wobei die Düse der Strahlpumpe derart ausgelegt, dass diese nicht die von der Brennstoffzelle benötigte Menge des Treibmediums, insbesondere als Förderleistung und/oder Durchflussmenge in Form eine Volumenstroms, während des Hochlastbetriebs B bereitstellen kann. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine kompakte Bauform der Strahlpumpe und/oder des Förderaggregats herbeigeführt werden kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Vorrichtung ist das zweite Dosierventil zumindest nahezu baugleich zum ersten Dosierventil ausgebildet. Auf diese Weise lassen sich die Kosten der Vorrichtung und/oder des gesamten Brennstoffzellensystems reduzieren, da aufgrund von Stückzahleffekten und/oder Mitnahmeeffekten zumindest nahezu baugleiche Dosierventile eingesetzt werden können, jeweils eines für jede Strahlpumpe und ein weiteres für den By-Pass. Somit lassen sich Einkaufskosten aufgrund der höheren Stückzahlen reduzieren, aber auch Logistikkosten und Lagerkosten aufgrund der geringeren Bauteilvarianz der Vorrichtung, wodurch sich eine Gesamtkostenreduzierung erzielen lässt. Zudem müssen im Falle einer Reparatur oder Wartung der Vorrichtung weniger Ersatzteile vorgehalten werden.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist demnach insbesondere zur Durchführung des im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Betriebsverfahren geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung lassen sich somit die gleichen Vorteile erzielen das der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden kann.
Somit betrifft die vorgestellte Erfindung in einem zweiten Aspekt das Betriebsverfahren zum Betreiben einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Vorrichtung.
Das Betriebsverfahren, welches zum Betreiben der Vorrichtung in dem Brennstoffzellensystem geeignet ist, umfasst einen ersten Betriebsschritt, bei dem in einem inaktiven Zustand des By-Pass und/oder dem geschlossenen zweiten Dosierventil ausschließlich die Strahlpumpe mittels des ersten Dosierventils und/oder des zweiten Zulaufs mit Wasserstoff, insbesondere dem Treibmedium, versorgt wird. Des Weiteren umfasst das Betriebsverfahren einen zweiten Betriebsschritt, bei dem die Strahlpumpe und der By-Pass gleichzeitig betrieben werden, bei dem die Strahlpumpe mittels des ersten Dosierventils und/oder des zweiten Zulaufs und der By-Pass mittels des zweiten Dosierventils und/oder des zweiten Zulaufs mit Wasserstoff, insbesondere dem Treibmedium, versorgt wird, Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb der vorgestellten Vorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems. Bei einem optionalen dritten Betriebsschritt, der auf den zweiten Betriebsschritt folgt, wird das zweite Dosierventil geschlossen und somit der By-Pass deaktiviert. Somit wird ausschließlich die Strahlpumpe mittels des ersten Dosierventils und/oder des zweiten Zulaufs mit Wasserstoff, insbesondere dem Treibmedium, versorgt.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das vorgestellte Betriebsverfahren automatisch durchgeführt wird, indem das jeweilige Dosierventil abhängig vom Betriebszustand und/oder Betriebspunkt der Brennstoffzelle aktiviert bzw. deaktiviert wird.
Die Aktivierung des By-Pass beim zweiten Betriebsschritt bei gleichzeitigen Betrieben der Strahlpumpe kann dazu dienen die Brennstoffzelle in dem Hochlastbetrieb zu betreiben, ohne das eine zweite, insbesondere für den Hochlastbetrieb ausgelegte zweite Strahlpumpe eingesetzt und/oder vorgesehen werden muss. Eine von der Brennstoffzelle benötigte Volllastmenge an Wasserstoff wird somit durch die Strahlpumpe und den By-Pass gemeinsam zu Brennstoffzelle gefördert. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und/oder der Vorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems verbessern, während zugleich die Kosten der Vorrichtung durch die eingesparte zweite Strahlpumpe reduziert werden können. Sobald der Betriebszustand und ein Bedarf der Brennstoffzelle wieder abnimmt wechselt die Vorrichtung derart in den dritten Betriebsschritt indem das zweite Dosierventilgeschlossen wird und somit der By-Pass deaktiviert wird. Es wird somit ausschließlich die Strahlpumpe mittels des ersten Dosierventils und/oder des zweiten Zulaufs mit dem Treibmedium versorgt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung des Betriebsverfahrens liegt der erste Betriebsschritt und/oder der dritte Betriebsschritt im Bereich eines Niedriglastbetriebsbereichs, insbesondere der Brennstoffzelle. Dabei erfolgt eine Zudosierung und Druckregelung des Treibmediums zur Brennstoffzelle ausschließlich durch das erste Dosierventil erfolgt. Auf diese Weise kann die Strahlpumpe kleiner und kompakter ausgeführt werden, da diese nur für eine niedrige Fördermenge des gasförmigen Mediums ausgelegt ist, wodurch sich die Kosten der Vorrichtung reduzieren lassen. Zudem kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert werden, da mittels des ersten Dosierventils eine effektive Zudosierung des Treibmediums erzielen lässt, so dass das über den ersten Zulauf zugeführte Rezirkulat effizient mittels des Treibmediums gefördert und/oder rezirkuliert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Betriebsverfahrens liegt der zweite Betriebsschritt im Bereich eines Hochlastbetriebs, insbesondere der Brennstoffzelle, liegt, wobei hierbei einen Zudosierung des Treibmediums zur Brennstoffzelle durch das erste und zweite Dosierventil erfolgt, wobei die Druckregelung ausschließlich durch das zweite Dosierventil erfolgt. Dabei kann das erste Dosierventil vollständig geöffnet bleiben, während das zweite Dosierventil zu Druckregelung getaktet, insbesondere öffnend und schließend, angesteuert wird. Auf diese Weise kann eine Mengenregelung und/oder Druckregelung von der Vorrichtung zur Brennstoffzelle hin ausschließlich mittels des zweiten Dosierventils erfolgen, wobei somit eine effizientere Mengenregelung des Wasserstoffs zur Brennstoffzelle erfolgen kann und gleichzeitig Aktivierungsenergie zum Ansteuern des ersten Dosierventils eingespart werden kann. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung erhöht werden.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Vorrichtung.
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 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
3 eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens,
4 eine Gegenüberstellung der Betriebsschritte und der Betriebsbereiche der Vorrichtung und/oder der Brennstoffzelle in Form eines Funktionsgraphen

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Darstellung gemäß 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 31 mit einer Brennstoffzelle 32 und eine erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
In 1 ist dabei eine beispielhafte Ausführungsform des BrennstoffzellenSystems 31 dargestellt, insbesondere eines Anodenkreislaufs. Dabei ist gezeigt, dass das Förderaggregat 1 über eine Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden, die einen Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung 23 vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 mit einem ersten Zulauf 28, und somit insbesondere mit einem Ansaugbereich 7 (gezeigt in 2), des Förderaggregats 1 verbindet. Mittels der Rückführleitung 23 kann das im Anodenbereich 38 beim Betrieb der Brennstoffzelle 32 nicht verwertete erste gasförmige Medium zum ersten Zulauf 28 zurückgeführt werden. Bei diesem ersten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das Rezirkulationsmedium.
Wie aus 1 weiter ersichtlich, wird das in einem Tank 34 gespeicherte zweite gasförmige Medium über eine Tankleitung 27 einem zweite Zulauf 36 des Förderaggregats 1 zugeführt. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um ein Treibmedium.
2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Dabei ist die Vorrichtung 1 zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems 31 geeignet. Die Vorrichtung 1 umfasst dabei eine Strahlpumpe 4, der zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus dem Tank 34 über die Tankleitung 27 und/oder den zweiten Zulauf 36 zugeführt wird, wobei die Strahlpumpe 4 einlaßseitig ein erstes Dosierventil 10 aufweist und wobei die 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. Zudem weist die Vorrichtung 1 einen By-Pass 15 auf, der fluidisch parallel zur Strahlpumpe 4 angeordnet und/oder betreibbar ist, wobei der By-Pass 15 einlaßseitig ein zweites Dosierventil 16 aufweist. Dabei kann der By-Pass 15 über mindestens eine Verbindungsleitung 29 und/oder den zweiten Zulauf 36 mit dem Tank 34 verbunden sein. Dabei ist der By-Pass derart bei einem Hochlastbetrieb (B) zuschaltbar, dass die benötigte Menge des Treibmediums beim Hochlastpunkt der Brennstoffzelle dieser zugeführt wird. Dem By-Pass 15 wird dabei mittels des zweiten Dosierventils 16 das Treibmedium aus dem Tank 34 zudosiert.
Weiterhin zeigt 2, dass die Strahlpumpe 4 in einer ersten Strömungsrichtung III den Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 9 und einen Diffusorbereich 11 aufweist. Das Anodengas strömt dabei zumindest teilweise in der ersten Strömungsrichtung III durch die Strahlpumpe 4, wobei die erste Strömungsrichtung III parallel zu einer Längsachse der Strahlpumpe 4 verläuft. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Strahlpumpe 4 ist dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebildet und dient zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um Wasserstoff handelt, das Anteile an H₂O und N₂ aufweisen kann. Das vom Tank 34 kommende Treibmedium strömt über das erste Dosierventil 10 in einen optionalen Druckraum 5 der Strahlpumpe 4. Vom Druckraum 5 strömt das Treibmedium durch eine Düse 12, insbesondere eine Treibdüse 12, insbesondere durch einen innenliegenden Kanal der Treibdüse 12, in den Ansaugbereich 7 der Strahlpumpe 4 ein.
Dabei wird mittels des ersten Zulaufs 28 von der Brennstoffzelle 32 kommendes und über die Rückführleitung 23 strömende Rezirkulat, zum Ansaugbereich 7 der Strahlpumpe 4 zugeführt. Dabei kann es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H₂ aus dem Anodenbereich 38 (gezeigt in 1), der Brennstoffzelle 32, insbesondere einem Stack, handeln, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Dabei weist der durch die Düse 12 einströmende und als Treibmedium dienende Wasserstoff eine Druckdifferenz und/oder Geschwindigkeitsdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in die Strahlpumpe 4 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 Strahlpumpe 4 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 Mischrohr 9 ein. Die jeweilige Düse 12 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsöffnung auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im Ansaugbereich 7 und/oder im jeweiligen 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 ersten 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 ZuDosierung des Treibmediums mittels des ersten Dosierventils 10 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf einen jeweiligen Bedarf 41 der Brennstoffzelle 32 und/oder eines gesamten BrennstoffzellenSystems 31 (nicht gezeigt in 1) je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden.
Nach dem Passieren des Mischrohrs 9b strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibmedium besteht, in der ersten 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 über eine Ablaufleitung 37 und von dort über die Verbindungsleitung 29 in den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32.
In 2 ist zudem gezeigt, dass das vom Tank 34 kommende Anodengas, bei dem es sich um das Treibmedium handelt, über die Tankleitung 27 in den zweiten Zulauf 36 strömt. Der zweite Zulauf 36 verzweigt sich dabei strömungstechnisch in Durchströmungsrichtung im Bereich eines ersten Knotenpunktes 46 in einen zweiten Zulauf 36a, der weiter zum ersten Dosierventil 10 und/oder zur Strahlpumpe 4 führt, und einen zweiten Zulauf 36b, der weiter zum zweiten Dosierventil 16 und/oder zum By-Pass 15 führt. Des Weiteren zeigt 2, dass sich die jeweilige Ablaufleitung 37a, b stromabwärts der Strahlpumpe 4 und des By-Pass 15 befindet. Die Ablaufleitungen 37a, b laufen im Bereich eines zweiten Knotenpunktes 48 zusammen und/oder sind fluidisch miteinander und mit einem weiteren Bereich der Ablaufleitung 37 verbunden.
2 zeigt, dass die Strahlpumpe 4 und der By-Pass 15 baulich gekoppelt sind, vorzugsweise eine Baueinheit ausbilden und/oder in einem gemeinsamen Grundkörper 8 angeordnet sind. Die Strahlpumpe 4 kann dabei für einen Niedriglastbetrieb A (gezeigt in 4) ausgelegt sein und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, kann durch das erste Dosierventil 10 erfolgen. Zudem kann der By-Pass 15 für einen Hochlastbetrieb B (gezeigt in 4) ausgelegt sein, insbesondere wenn dieser gemeinsam mit der Strahlpumpe 4 betrieben wird und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das zweite Dosierventil 16 erfolgt. Dabei durchströmt das vom zweiten Dosierventil 16 kommende Treibmedium zumindest teilweise in einer zweiten Strömungsrichtung IV durch den By-Pass 15. Der By-Pass 15 weist dabei eine zumindest annährend rotationssymmetrisch zur Längsachse verlaufende Bohrung 19 auf, wobei die Bohrung 19 zumindest annähernde parallel zur zweiten Strömungsrichtung IV verläuft. Die zweite Strömungsrichtung IV kann dabei zumindest annähernd parallel zur ersten Strömungsrichtung III der Strahlpumpe 4 verlaufen. Zudem können das erste Dosierventil 10 und das zweite Dosierventil 16 zumindest nahezu baugleich ausgebildet sein.
In 3 ist eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens 300 zum Betreiben der Vorrichtung 1 in dem Brennstoffzellensystems 31 gezeigt. Das Betriebsverfahren 300 umfasst dabei einen ersten Betriebsschritt 301, bei dem in einem inaktiven Zustand des By-Pass 15 und/oder einem geschlossenen zweiten Dosierventil 16 ausschließlich die Strahlpumpe 4 mittels des ersten Dosierventils 10 und/oder des zweiten Zulaufs 36 mit Wasserstoff, insbesondere dem Treibmedium, versorgt wird. Dieses Treibmedium wird dann mit dem Rezirkulationsmedium innerhalb der Strahlpumpe 4 vermischt und beides von der Strahlpumpe 4 zur Brennstoffzelle 32 gefördert. In einem zweiten Betriebsschritt 303 werden die Strahlpumpe 4 und der By-Pass 15 gleichzeitig betrieben, insbesondere indem das zweite Dosierventil 16 geöffnet wird und somit das Treibmedium über den zweiten Zulauf 36b in die Bohrung 19 des By-Pass 15 einströmt. Beim zweiten Arbeitsschritt 303 werden somit der Strahlpumpe 4 mittels des ersten Dosierventils 10 und/oder des zweiten Zulaufs 36a und dem By-Pass 15 mittels des zweiten Dosierventils 16 und/oder des zweiten Zulaufs 36b mit Wasserstoff, insbesondere dem Treibmedium, versorgt. In einem optionalen dritten Betriebsschritt 305, der auf den zweiten Betriebsschritt 303 folgt, wird das zweite Dosierventil 16 geschlossen und somit der By-Pass 15 deaktiviert. Somit wird wieder ausschließlich die Strahlpumpe 4 mittels des ersten Dosierventils 10 und/oder des zweiten Zulaufs 36 mit dem Treibmedium versorgt.
In 4 ist eine Gegenüberstellung der Betriebsschritte 301, 302, 303 und der Betriebsbereiche A, B der Vorrichtung 1 und/oder der Brennstoffzelle 32 in Form eines Funktionsgraphen. Dabei ist auf der X-Achse des Graphen die Zeit t und/oder die zeitliche Abfolge des Betriebsverfahrens 300 aufgetragen. Auf der Y-Achse hingehen ist der mittels der Vorrichtung 1 zur Brennstoffzelle 32 geförderte Volumenstrom Q und somit die Betriebszustände aufgetragen.
Dabei ist in 4 gezeigt, dass der erste Betriebsschritt 301 und/oder der dritte Betriebsschritt 305 im Bereich des Niedriglastbetriebsbereichs A der Vorrichtung 1 und/oder der Brennstoffzelle 32 liegen. Hierbei erfolgt eine Zudosierung und Druckregelung des Treibmediums zur Brennstoffzelle 32 ausschließlich durch das erste Dosierventil 10. Des Weiteren ist gezeigt, dass der zweite Betriebsschritt 303 im Bereich eines Hochlastbetriebs B, insbesondere der Brennstoffzelle 32, liegt, wobei hierbei einen Zudosierung des Treibmediums zur Brennstoffzelle 32 durch das erste und zweite Dosierventil 10, 16 erfolgt und wobei die Druckregelung ausschließlich durch das zweite Dosierventil 16 erfolgt. Die dargestellte Kurve zeigt den Bedarf 41 an Wasserstoff und/oder Brennstoff der Brennstoffzelle 32. Während des ersten Betriebsschritt 301 wird die Brennstoffzelle 32 im Niedriglastbetrieb A betrieben und hat einen niedrigen Bedarf 41 an Wasserstoff. Dabei zeigt 4, dass eine maximale Fördermenge 43 der Strahlpumpe 4, dem höchsten Wert des Volumenstrom Q des Niedriglastbetriebs A entspricht. Zudem ist gezeigt, dass eine Vollastmenge 44, welche sich aus der maximal möglichen Fördermenge jeweils der Strahlpumpe 4 und des By-Pass 15 zusammensetzt, und dem höchsten Wert des Volumenstrom Q des Hochlastbetriebs B entspricht.
Um die Rezirkulationsleistung im Niedriglastbetrieb A zu verbessern wird hier vorgeschlagen den By-Pass 15 parallel zur Strahlpumpe 4 zu verwenden und die Treibdüse 12 und/oder die Strahlpumpe 4 zu verkleinern. Die Treibdüse 12 kann dabei kleiner ausgelegt werden als zur Dosierung der Vollastmenge 44 im Hochlastbetrieb B der Brennstoffzelle 32 notwendig wäre, da die Vollastmenge 44 durch ein zusätzliches Dosieren mit dem zweiten Dosierventil 16 erreicht wird. Durch die kleinere Treibdüse 12 der Strahlpumpe 4 verbessert sich die Rezirkulationsleistung der Strahlpumpe 4 im Niedriglastbereich A, da hier nun mehr Strahlimpuls zur Verfügung steht. Die dadurch entstehende geringe Verschlechterung im Hochlastbereich B kann üblicherweise in Kauf genommen werden, da die Leistung der Strahlpumpe 4 im Vollastbereich die Anforderungen übererfüllt. Dabei werden 2 Dosierventile 10, 16 eingesetzt, um die Treibdüse 12 der Strahlpumpe 4 und den By-Pass 15 getrennt mit Wasserstoff zu versorgen und das Brennstoffzellensystem 31 optimal regeln zu können. Vorteilhafterweise wird in einem Hochlastbetrieb B das Ventil der Strahlpumpe 4 vollständig offen betrieben, um die maximale Rezirkulationsleistung zu erreichen. Das zweite Dosierventil 16 dosiert nur die zusätzlich benötigte Treibstoffmenge zu. Zur Druckregelung wird in diesem Bereich das zweite Ventil 16 verwendet. In niederen Betriebsbereich wird das erste Dosierventil 10 der Strahlpumpe 4 zur Druckregelung verwendet.
Gemäß dem in 4 gezeigten Gegenüberstellung ist beim zweiten Betriebsschritt 303 das erste Dosierventil 10 vollständig geöffnet bleibt, während das zweite Dosierventil 16 zu Druckregelung getaktet, insbesondere öffnend und schließend, angesteuert wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), umfassend mindestens eine Strahlpumpe (4), der mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus einem Tank (34) über eine Tankleitung (27) und/oder einen zweiten Zulauf (36) zugeführt wird, wobei die mindestens eine Strahlpumpe (4) einlaßseitig ein erstes Dosierventil (10) aufweist und wobei die mindestens eine Strahlpumpe (4) 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 die Vorrichtung (1) einen By-Pass (15) aufweist, der fluidisch parallel zur Strahlpumpe (4) angeordnet und/oder betreibbar ist, wobei der By-Pass (15) einlaßseitig ein zweites Dosierventil (16) aufweist, wobei der By-Pass (15) über mindestens eine Verbindungsleitung (29) und/oder den zweiten Zulauf (36) mit dem Tank (34) verbunden ist, wobei insbesondere der By-Pass derart bei einem Hochlastbetrieb (B) zuschaltbar ist, dass die benötigte Menge des Treibmediums beim Hochlastpunkt der Brennstoffzelle (32) dieser zugeführt wird.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem By-Pass (15) mittels des zweiten Dosierventils (16) das Treibmedium aus dem Tank (34) zudosiert wird.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der By-Pass (15) und die Strahlpumpe (4) in einem gemeinsamen Grundkörper (8) der Vorrichtung (1) befinden.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (4) für einen Teillastbetrieb (A) ausgelegt ist und im Teillastbereich (A) eine Mengensteuerung des Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das erste Dosierventil (10) erfolgt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpe (4) eine Düse (12) aufweist, wobei die Düse (12) derart ausgelegt ist, dass diese nicht die von der Brennstoffzelle (32) benötigte Menge des Treibmediums, insbesondere als Förderleistung und/oder Durchflussmenge in Form eine Volumenstroms, während des Hochlastbetriebs (B) bereitstellen kann.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Dosierventil (16) zumindest nahezu baugleich zum ersten Dosierventil (10) ausgebildet ist
Betriebsverfahren (300) zum Betreiben einer Vorrichtung (1) in einem Brennstoffzellensystems (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Betriebsverfahren umfasst: - einen ersten Betriebsschritt (301), bei dem in einem inaktiven Zustand des By-Pass (15) und/oder einem geschlossenen zweiten Dosierventil (16) ausschließlich die Strahlpumpe (4) mittels des ersten Dosierventils (10) und/oder des zweiten Zulaufs (36a) mit Wasserstoff, insbesondere dem Treibmedium, versorgt wird, - einen zweiten Betriebsschritt (303), bei dem die Strahlpumpe (4) und der By-Pass (15) gleichzeitig betrieben werden, bei dem die Strahlpumpe (4) mittels des ersten Dosierventils (10) und/oder des zweiten Zulaufs (36a) und der By-Pass (15) mittels des zweiten Dosierventils (16) und/oder des zweiten Zulaufs (36b) mit Wasserstoff, insbesondere dem Treibmedium, versorgt wird, - einem optionalen dritten Betriebsschritt (305), der auf den zweiten Betriebsschritt (303) folgt, bei dem das zweite Dosierventil (16) geschlossen wird und somit der By-Pass (15) deaktiviert wird, und somit ausschließlich die Strahlpumpe (4) mittels des ersten Dosierventils (10) und/oder des zweiten Zulaufs (36a) mit dem Treibmedium versorgt wird.
Betriebsverfahren (300) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Betriebsschritt (301) und/oder der dritte Betriebsschritt (305) im Bereich des Niedriglastbetriebsbereichs (A), insbesondere der Brennstoffzelle (32), liegt, wobei hierbei einen Zudosierung und Druckregelung des Treibmediums zur Brennstoffzelle (32) ausschließlich durch das erste Dosierventil (10) erfolgt.
Betriebsverfahren (300) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebsschritt (303) im Bereich eines Hochlastbetriebs (B), insbesondere der Brennstoffzelle (32), liegt, wobei hierbei einen Zudosierung des Treibmediums zur Brennstoffzelle (32) durch das erste und zweite Dosierventil (10, 16) erfolgt, wobei die Druckregelung ausschließlich durch das zweite Dosierventil (16) erfolgt.
Betriebsverfahren (300) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim zweiten Betriebsschritt (303) das erste Dosierventil (10) vollständig geöffnet bleibt, während das zweite Dosierventil (16) zu Druckregelung getaktet, insbesondere öffnend und schließend, angesteuert wird.
Brennstoffzellensystem (31) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei die Vorrichtung (1) in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems (31) angeordnet ist.