DE102022206055A1

DE102022206055A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022206055A1
Application number: DE102022206055.5A
Authority: DE
Inventors: Chris Bürger; Max Eschenbach; Marton Szalai
Original assignee: Globe Fuel Cell Systems GmbH
Current assignee: Globe Fuel Cell Systems GmbH
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2023-12-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, umfassend wenigstens eine Brennstoffzelle (2), die ein Elektrolyt (3) mit einer Anodenseite (4) und einer Kathodenseite (5) aufweist, eine Luftzuführung (6) zum Zuführen von Luft zur Kathodenseite (5), eine Abgasabführung (11) zum Abführen von Abgas von der Kathodenseite (5), eine Wasserstoffzuführung (13) zum Zuführen von Wasserstoff zur Anodenseite (4), eine Rezirkulation (17) zum Rückführen von Rezyklat von der Anodenseite (4) zur Wasserstoffzuführung (13), und eine Strahlpumpe (20) zum Antreiben des Rezyklats, die einen Treibmitteleinlass (21), einen Saugmitteleinlass (22) und einen Gemischauslass (23) aufweist, wobei die Wasserstoffzuführung (13) ausgangsseitig an den Treibmitteleinlass (21) angeschlossen ist, wobei die Rezirkulation (17) ausgangsseitig an den Saugmitteleinlass (22) angeschlossen ist, wobei die Anodenseite (4) einlassseitig an den Gemischauslass (23) angeschlossen ist.Die energetische Effizienz lässt sich verbessern, wenn das Brennstoffzellensystem (1) zur bedarfsabhängigen Beaufschlagung der Rezirkulation (17) mit Unterdruck eine Unterdruckeinrichtung (26) aufweist, die zwischen der Brennstoffzelle (2) und der Strahlpumpe (20) an die Rezirkulation (17) angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der DE 102 51 878 A1 bekannt und ist mit wenigstens einer Brennstoffzelle ausgestattet, die ein Elektrolyt mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite aufweist. Ein derartiges Brennstoffzellensystem weist außerdem eine Luftzuführung zum Zuführen von Luft zur Kathodenseite, eine Abgasabführung zum Abführen von Abgas von der Kathodenseite, eine Wasserstoffzuführung zum Zuführen von Wasserstoff zur Anodenseite und eine Rezirkulation zum Rückführen von Rezyklat von der Anodenseite zur Wasserstoffzuführung auf. Des Weiteren ist eine Strahlpumpe zum Antreiben des Rezyklats vorgesehen, die einen Treibmitteleinlass, einen Saugmitteleinlass und einen Gemischauslass aufweist, wobei die Wasserstoffzuführung ausgangsseitig an den Treibmitteleinlass angeschlossen ist, während die Rezirkulation ausgangsseitig an den Saugmitteleinlass angeschlossen ist und die Anodenseite einlassseitig an den Gemischauslass angeschlossen ist. Während Kathodenabgas das Abgas bildet, das mittels der Abgasabführung von der Brennstoffzelle abgeführt und insbesondere in die Umgebung entlassen wird, bildet Anodenabgas das Rezyklat, das über die Rezirkulation der Wasserstoffzuführung und somit zur Anodenseite zurückgeführt wird. Über die Strahlpumpe wird der Wasserstoff der Wasserstoffzuführung zum Antreiben bzw. zum Ansaugen des Rezyklats genutzt, sodass die Rezirkulation ohne elektrische Fremdenergie auskommt. Das Ansaugen des Rezyklats mithilfe der Strahlpumpe funktioniert jedoch nur ab einem Mindestvolumenstrom an Wasserstoff, der in den meisten Betriebszuständen der Brennstoffzelle vorliegt. Bei niedriger Energieanforderung an die Brennstoffzelle sinkt der Volumenstrom an Wasserstoff entsprechend, sodass bei niedriger elektrischer Leistung des Brennstoffzellensystems der Wasserstoffvolumenstrom unter den vorstehend genannten Mindestwert absinken kann, sodass die Ansaugung des Rezyklats über die Strahlpumpe nicht mehr oder nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.
Bei dem aus der vorstehend genannten DE 102 51 878 A1 bekannten Brennstoffzellensystem ist für den Fall einer geringen Energieanforderung an die Brennstoffzelle eine Wasserstoffpumpe vorgesehen, die in der Rezirkulation zwischen der Brennstoffzelle und der Strahlpumpe angeordnet ist, um bedarfsabhängig das Rezyklat in der Rezirkulation anzutreiben. Hierzu erzeugt die Wasserstoffpumpe saugseitig einen Unterdruck bis zur Anodenseite, um das Rezyklat anzusaugen, während sie druckseitig einen Überdruck bis zur Strahlpumpe erzeugt, um das Rezyklat zur Strahlpumpe hin anzutreiben. Die Wasserstoffpumpe ist dabei elektrisch angetrieben. Hierdurch reduziert sich der energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Außerdem ist für die Integration einer derartigen Wasserstoffpumpe ein hoher Aufwand erforderlich.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennstoffzellensystem der vorstehend genannten Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen kostengünstigen Aufbau und/oder hohen energetischen Wirkungsgrad auch bei geringer Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Brennstoffzellensystem mit einer Unterdruckeinrichtung auszustatten, mit deren Hilfe bei Bedarf im Rezyklat ein Unterdruck erzeugt werden kann. Es hat sich gezeigt, dass eine solche Beaufschlagung des Rezyklats mit Unterdruck das Rezirkulieren des Anodenabgases bzw. des Rezyklats verbessert, sodass es insbesondere nicht zu einem unerwünschten Aufstau von Wasserstoff an der Anodenseite kommt. Das verbesserte Rezirkulieren des Rezyklats wird einerseits damit erklärt, dass die Saugwirkung der Strahlpumpe unter anderem durch die Druckdifferenz zwischen Treibmitteleinlass und Saugmitteleinlass angetrieben ist. Durch Reduzieren des Wasserstoffvolumenstroms kann der Druck am Treibmitteleinlass abfallen. In der Folge reduziert sich die Druckdifferenz zwischen Treibmitteleinlass und Saugmitteleinlass. Senkt man nun den Druck im Rezyklat mithilfe der Unterdruckeinrichtung, lässt sich die Druckdifferenz zwischen Treibmitteleinlass und Saugmitteleinlass wieder vergrößern, sodass die Strahlpumpe wieder besser arbeitet. Zusätzlich oder alternativ wird die unterstützende Wirkung des Unterdrucks andererseits auch damit erklärt, dass die Saugwirkung der Strahlpumpe auch von der Druckdifferenz zwischen dem Treibmitteleinlass und dem Gemischauslass abhängt. Sinkt der Volumenstrom im Treibmittel, nimmt diese Druckdifferenz ab. Da sich der Unterdruck im Rezyklat über die Anodenseite, also durch die Brennstoffzelle hindurch bis zum Gemischauslass der Strahlpumpe auswirkt, kann dort die Druckdifferenz zwischen Treibmitteleinlass und Gemischauslass vergrößert werden. Dies kann die Strömungsgeschwindigkeit im Wasserstoff erhöhen, was die Saugwirkung der Strahlpumpe verbessert.
Im Einzelnen schlägt die Erfindung vor, das Brennstoffzellensystem zur bedarfsabhängigen Beaufschlagung der Rezirkulation mit Unterdruck mit einer Unterdruckeinrichtung auszustatten, die zwischen der Brennstoffzelle und der Strahlpumpe an die Rezirkulation angeschlossen ist. Die Unterdruckeinrichtung kann mit einer Unterdruckquelle oder Drucksenke verbunden sein, die den Unterdruck bereitstellt, mit dem die Unterdruckeinrichtung bedarfsabhängig die Rezirkulation beaufschlagen kann. Durch die Beaufschlagung der Rezirkulation mit Unterdruck kann sich der Druck im Rezyklat von der Strahlpumpe bis zur Anodenseite absenken. Insbesondere weist das Brennstoffzellensystem somit zur bedarfsabhängigen Beaufschlagung der Rezirkulation mit Unterdruck eine Unterdruckeinrichtung auf, die mit einer Unterdruckquelle verbunden ist und die zwischen der Brennstoffzelle und der Strahlpumpe an die Rezirkulation angeschlossen ist, sodass sich der Druck im Rezyklat von der Strahlpumpe bis zur Anodenseite absenken kann.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Unterdruckeinrichtung eine Unterdruckleitung aufweisen, die einenends, also mit einem ersten Ende an die Rezirkulation und anderenends, also mit einem zweiten Ende an eine Unterdruckquelle angeschlossen ist, die den Unterdruck bereitstellt. Insbesondere kann dabei auf eine innerhalb des Brennstoffzellensystems ohnehin vorhandene Unterdruckquelle zurückgegriffen werden, was die Kosten zur Realisierung der Unterdruckeinrichtung reduziert.
Zweckmäßig kann die Unterdruckeinrichtung ein in der Unterdruckleitung angeordnetes Steuerglied zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung aufweisen. Hierdurch kann der von der jeweiligen Unterdruckquelle bereitgestellte und über die Unterdruckleitung herangeführte Unterdruck besonders einfach auf die Rezirkulation übertragen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Steuerglied als Sperrventil zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung ausgestaltet sein, das mit einer Vorspannfeder in seine Sperrstellung vorgespannt ist. Die Vorspannfeder kann nun zweckmäßig so eingestellt bzw. dimensioniert und/oder ausgelegt sein, dass sie das Sperrventil öffnet, wenn der Druck im Rezyklat den vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet. Diese Ausführungsform arbeitet vollständig frei von elektrischer Energie. Die Funktionsweise wird dadurch erklärt, dass das Reduzieren des Wasserstoffvolumenstroms unter den unteren Schwellwerts dazu führt, dass die Saugwirkung der Strahlpumpe am Saugmitteleinlass deutlich abnimmt. Dies hat zur Folge, dass in der Rezirkulation der Druck im Rezyklat ansteigt. Wird nun der vorbestimmte obere Schwellwert für den Druckanstieg im Rezyklat erreicht, öffnet das Sperrventil gegen die Federkraft der Vorspannfeder und kann den in der Unterdruckleitung bereitgestellten Unterdruck in die Rezirkulation einleiten, sodass dort im Rezyklat der Druck abfällt. In der Folge schließt das Sperrventil wieder, worauf der Druck im Rezyklat wieder ansteigen kann. Für den Betrieb mit reduziertem Wasserstoffvolumenstrom kann sich am Sperrventil ein ständiges Öffnen und Schließen mit einer durch die Vorspannfeder vorgegebenen Frequenz einstellen, die insbesondere so gewählt sein kann, dass eine durch das Rezyklat gebildete Gassäule in der Rezirkulation zu schwingen anfängt. Dabei können im Rezyklat gezielt Druckschwingungen erzeugt werden, die das Rezyklat in Richtung Strahlpumpe antreiben.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Steuerglied als Kolben-Zylinder-Aggregat ausgestaltet sein, das einen in einem Zylinder verstellbaren Steuerkolben aufweist, wobei der Zylinder in der Unterdruckleitung angeordnet ist, und zwar derart, dass der Steuerkolben einerseits dem Druck des Rezyklats und andererseits dem in der Unterdruckleitung herrschenden Unterdruck ausgesetzt ist. Am Zylinder und/oder am Steuerkolben kann zumindest ein vom Steuerkolben gesteuerter Überströmkanal ausgebildet sein, der den Steuerkolben umgeht. Der Steuerkolben verstellt sich innerhalb des Zylinders in Abhängigkeit einer Druckdifferenz zwischen den daran an gegenüberliegenden Seiten anliegenden Drücken, nämlich einerseits dem Druck im Rezyklat und andererseits dem Unterdruck in der Unterdruckleitung. Der Steuerkolben ist dabei in eine Schließstellung vorgespannt, insbesondere durch eine Vorspannfeder und/oder durch seine Gewichtskraft, in welcher der jeweilige Überströmkanal geschlossen ist. Erst wenn der Druck im Rezyklat den vorbestimmten oberen Schwellwert erreicht, verstellt sich der Steuerkolben so weit, dass er den jeweiligen Überströmkanal öffnet. In der Folge sind die Unterdruckleitung und die Rezirkulation fluidisch miteinander verbunden, was zu einer Druckabsenkung im Rezyklat führt. Dadurch schließt der Steuerkolben wieder. In der Folge arbeitet dieser Steuerkolben bzw. das Kolben-Zylinder-Aggregat ähnlich wie das weiter oben beschriebene federbelastete Sperrventil. Insbesondere können Steuerkolben, Zylinder und Überströmkanal sowie insbesondere die zuvor genannte Vorspannfeder so aufeinander abgestimmt sein, dass der Steuerkolben mit einer vorbestimmten Frequenz den jeweiligen Überströmkanal öffnet und sperrt, wodurch in der Rezirkulation Druckschwingungen im Rezyklat erzeugt werden können, die das Rezyklat in Richtung Strahlpumpe antreiben.
Bei einer anderen Ausführungsform kann das Steuerglied als elektromechanisches Steuerventil ausgestaltet sein, das zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung elektrisch und/oder elektronisch ansteuerbar ist. Hierdurch lässt sich die bedarfsabhängige Beaufschlagung mit Unterdruck besonders genau steuern. Insbesondere ist auch eine getaktete Ansteuerung denkbar, um die zuvor beschriebenen Druckschwingungen im Rezyklat zu erzeugen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Luftzuführung ein Gebläse zum Antreiben der Luft aufweisen. Die Unterdruckeinrichtung kann nun eine Unterdruckleitung aufweisen, die einenends an die Rezirkulation und anderenends bezüglich der Luftströmung stromauf des Gebläses an die Luftzuführung angeschlossen ist. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems bzw. im Betrieb des Gebläses entsteht stromauf des Gebläses ein Unterdruck, der von der Unterdruckeinrichtung bei dieser Ausführungsform als Unterdruckquelle genutzt wird. Über die Unterdruckleitung lässt sich dieser Unterdruck bis zur Rezirkulation übertragen, um dort bedarfsabhängig die Beaufschlagung mit Unterdruck durchzuführen. Günstig ist dabei, dass hier eine im Brennstoffzellensystem ohnehin vorhandene Unterdruckquelle genutzt werden kann.
Zweckmäßig kann die Luftzuführung bezüglich des Luftstroms stromauf des Gebläses ein Luftfilter aufweisen, wobei die Unterdruckleitung bezüglich des Luftstroms stromab des Luftfilters an die Luftzuführung angeschlossen ist. Durch den Druckabfall am Luftfilter ergibt sich in der Luftzuführung zwischen Luftfilter und Gebläse ein signifikanter Unterdruck, der als Unterdruckquelle genutzt werden kann. Außerdem ist durch diese Positionierung der Unterdruckleitung sichergestellt, dass nur gereinigte Luft von der Luftzuführung in die Unterdruckleitung gelangt.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Unterdruckeinrichtung eine Unterdruckleitung aufweisen, die einenends an die Rezirkulation und anderenends an die Abgasabführung angeschlossen ist. Stromab der Kathodenseite herrscht ebenfalls ein reduzierter Druck, der als Unterdruckquelle genutzt werden kann. Auch in diesem Fall wird eine Unterdruckquelle innerhalb dies Brennstoffzellensystems bereitgestellt, was eine preiswerte Realisierung unterstützt.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Brennstoffzellensystem eine Steuereinrichtung zum Betätigen und/oder zum Ansteuern der Unterdruckeinrichtung aufweist, die so konfiguriert ist, dass die Steuereinrichtung für den Fall, dass der Druck im Rezyklat stromauf der Strahlpumpe einen vorbestimmten oberen Schwellwert überschreitet und/oder ein zur Strahlpumpe geführter Volumenstrom des Wasserstoffs einen vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet, die Unterdruckeinrichtung zum Beaufschlagen der Rezirkulation mit Unterdruck betätigt und/oder ansteuert, um den Druck im Rezyklat stromauf der Strahlpumpe abzusenken. Eine derartige Steuereinrichtung kann rein passiv, also insbesondere ohne elektrische Zusatzenergie arbeiten. Ebenso ist eine elektrische und/oder elektronische Steuereinrichtung einsetzbar, die jedoch deutlich weniger elektrische Energie verbraucht als beispielsweise eine zusätzliche Förderrichtung, insbesondere in Form einer Wasserstoffpumpe.
Im vorliegenden Zusammenhang wird unter einer Konfiguration eine Ausgestaltung und/oder Programmierung verstanden, sodass die Steuereinrichtung, wenn sie für eine bestimmte Funktionalität konfiguriert ist, für diese Funktionalität entsprechend ausgestaltet und/oder programmiert ist.
Bei einer anderen Ausführungsform, bei der die Unterdruckeinrichtung ebenfalls eine Unterdruckleitung aufweist, die an die Rezirkulation angeschlossen ist und in der ihn Betrieb des Brennstoffzellensystems ein Unterdruck herrscht, kann die Steuereinrichtung ein Steuergerät und ein mit dem Steuergerät gekoppeltes elektromagnetisches Steuerventil aufweisen, dass in der Unterdruckleitung angeordnet ist und zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung dient. Dieses Steuergerät kann nun so konfiguriert sein, dass das Steuergerät zum Beaufschlagen der Rezirkulation mit Unterdruck das Steuerventil zum Öffnen ansteuert. Bei dieser Ausführungsform wird Fremdenergie zum Betreiben des Steuergeräts und des Steuerventils eingesetzt, jedoch vergleichsweise wenig.
Vorteilhaft ist auch hier eine Ausführungsform, bei der das Steuergerät so konfiguriert ist, dass das Steuergerät zum Beaufschlagen der Rezirkulation mit Unterdruck das Steuerventil getaktet zum Öffnen und Sperren ansteuert, derart, dass innerhalb der Rezirkulation Druckschwingungen im Rezyklat erzeugt werden, die das Rezyklat in Richtung Strahlpumpe antreiben. Diese Druckschwingungen im Rezyklat wirken ähnlich wie Druckschwingungen in einer Sauganlage einer Brennkraftmaschine, die durch Gaswechselventile gesteuert bzw. angeregt werden und zur verbesserten Aufladung der Brennkraftmaschine genutzt werden.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Steuergerät zum Betreiben des Brennstoffzellensystems dient und den aktuellen Volumenstrom an der Strahlpumpe zugeführtem Wasserstoff kennt. Somit kann das Steuergerät in Abhängigkeit des Wasserstoffvolumenstroms das Steuerventil ansteuern. Insbesondere kann das Steuergerät somit durch rechtzeitiges Ansteuern des Steuerventils die Förderung des Rezyklats unterstützen, noch bevor dort ein übermäßiger Druckanstieg entsteht.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems bei einer ersten Ausführungsform,
2 eine Ansicht wie in 1, jedoch bei einer zweiten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems,
3 eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines Steuerglieds bei einer ersten Ausführungsform,
4 eine Ansicht wie in 3, jedoch bei einer zweiten Ausführungsform des Steuerglieds,
5 eine Ansicht wie in den 1 und 2, jedoch bei einer dritten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems,
6 eine Ansicht wie in 5, jedoch bei einer vierten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems.

Entsprechend den 1, 2, 5 und 6 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1, dass zur Erzeugung elektrischer Energie dient, zumindest eine Brennstoffzelle 2, die ein Elektrolyt 3 aufweist, dass eine Anodenseite 4 und eine Kathodenseite 5 besitzt. Mit anderen Worten, das jeweilige Elektrolyt 3 trennt in der Brennstoffzelle 2 die Anodenseite 4 von der Kathodenseite 5. Es ist klar, dass die Brennstoffzelle 2 üblicherweise durch einen Stapel einzelner Brennstoffzellenelemente gebildet ist, die jeweils ein Elektrolyt mit Anodenseite und Kathodenseite aufweisen. Innerhalb dieses Brennstoffzellenstapels bilden die einzelnen Brennstoffzellenelemente die hier vereinfacht dargestellte Brennstoffzelle 2, wobei die Elektrolyte dieser Brennstoffzellenelemente das hier gezeigte Elektrolyt 3 bilden, während alle Anodenseiten der Brennstoffzellenelemente die Anodenseite 4 der Brennstoffzelle 2 bzw. des Elektrolyts 3 bilden und die Kathodenseiten aller Brennstoffzellenelemente die Kathodenseite 5 der Brennstoffzelle 2 bzw. des Elektrolyts 3 bilden.
Das Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem mit einer Luftzuführung 6 zum Zuführen von Luft zur Kathodenseite 5 ausgestattet. Die Luftzuführung 6 kann hierzu ein Gebläse 7 aufweisen, dass insbesondere elektromotorisch angetrieben sein kann. Die Luftzuführung 6 kann außerdem ein Luftfilter 8 aufweisen, dass zweckmäßig stromauf bzw. auf der Saugseite des Gebläses 7 angeordnet ist. Die Luftzuführung 6 saugt die Luft zweckmäßig aus der Umgebung 9 des Brennstoffzellensystems 1 an. Die Luftzuführung 6 weist außerdem eine entsprechende, nicht näher bezeichnete Luft führend Leitung auf, die an einen Kathodeneinlass 10 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem mit einer Abgasabführung 11 ausgestattet, die Abgas von der Kathodenseite 5 abführt und hierzu über eine entsprechende, hier nicht näher bezeichnete Leitung an einen Kathodenauslass 12 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen ist. Das Brennstoffzellensystem 1 ist ferner mit einer Wasserstoffzuführung 13 zum Zuführen von Wasserstoff zur Anodenseite 4 ausgestattet. Insbesondere kann die Wasserstoffzuführung 13 über eine nicht näher bezeichnete Leitung an einen Wasserstoffspeicher 14 angeschlossen sein, in dem der Wasserstoff unter einem vergleichsweise hohen Druck gespeichert wird. Über ein Druckregelventil 15 lässt sich bedarfsabhängig ein Wasserstoffvolumenstrom einstellen, der über die Wasserstoffzuführung 13 der Anodenseite 4 zugeführt wird. Hierzu ist die Wasserstoffzuführung 13 mittelbar an einen Anodeneinlass 16 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen.
Des Weiteren ist eine Rezirkulation 17 vorgesehen, die Rezyklat von der Anodenseite 4 zur Wasserstoffzuführung 13 zurückführt. Hierzu ist eine Rezirkulationsleitung 18 an einen Anodenauslass 19 der Brennstoffzelle 2 angeschlossen. Zum Antreiben des Rezyklats in der Rezirkulation 17 ist das Brennstoffzellensystem 1 mit einer Strahlpumpe 20 ausgestattet, die einen Treibmitteleinlass 21, einen Saugmitteleinlass 22 und einen Gemischauslass 23 aufweist. Die Strahlpumpe 20 ist so in die Wasserstoffzuführung 13 eingebunden, dass die Wasserstoffzuführung 13 durch die Strahlpumpe 20 hindurch zur Anodenseite 4 führt und über die Strahlpumpe 20 an die Anodenseite 4 bzw. an den Anodeneinlass 16 angeschlossen ist. Hierzu ist die Wasserstoffzuführung 13 ausgangsseitig an den Treibmitteleinlass 21 angeschlossen, während die Anodenseite 4 einlassseitig an den Gemischauslass 23 angeschlossen ist. Die Rezirkulation 17 bzw. die Rezirkulationsleitung 18 ist an den Saugmitteleinlass 22 angeschlossen.
Zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 kann zweckmäßig ein Steuergerät 24 vorgesehen sein, das beispielsweise mit dem Druckregelventil 15 und mit dem Gebläse 7 über entsprechende Steuerleitungen 25 verbunden ist. In einem Normalbetrieb, in dem das Brennstoffzellensystem 1 eine Mindestmenge an elektrische Energie erzeugen soll, wird über die Wasserstoffzuführung 14 ein hierfür geeigneter Volumenstrom an Wasserstoff der Anodenseite 4 zugeführt. Im Normalbetrieb liegt dieser Volumenstrom oberhalb eines unteren Schwellwerts. Die Strahlpumpe 20 arbeitet dann ordnungsgemäß und kann über den Saugmitteleinlass 22 das Rezyklat ansaugen. Somit kann vom Anodenauslass 19 kommender, unverbrauchter Wasserstoff wieder der Wasserstoffzuführung 13 rückgeführt und erneut der Anodenseite 4 zugeführt werden. Wird dagegen von Brennstoffzellensystem 1 nur vergleichsweise wenig elektrische Energie benötigt, kann der hierfür erforderliche Volumenstrom an Wasserstoff den vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreiten. In der Folge kann die Strahlpumpe 20 nicht mehr ordnungsgemäß arbeiten. Insbesondere kann dann am Saugmitteleinlass 22 nicht mehr ausreichend Unterdruck zum Ansaugen des Rezyklats bereitgestellt werden. Für diesen Fall ist das Brennstoffzellensystem 1 mit einer Unterdruckeinrichtung 26 ausgestattet, mit deren Hilfe bedarfsabhängig die Rezirkulation 17 mit Unterdruck beaufschlagbar ist. Hierzu ist die Unterdruckeinrichtung 26 an die Rezirkulation 17 angeschlossen. Eine entsprechende Anschlussstelle ist dabei mit 27 bezeichnet. Die Unterdruckeinrichtung 26 ist außerdem mit einer Unterdruckquelle 28 verbunden. Eine entsprechende Verbindungsstelle ist dabei mit 29 bezeichnet. Zweckmäßig weist die Unterdruckeinrichtung 26 eine Unterdruckleitung 30 auf, die von der Rezirkulation 17 bis zur Unterdruckquelle 28 führt. Die Unterdruckleitung 30 ist über die Anschlussstelle 27 an die Rezirkulation 17 bzw. an die Rezirkulationsleitung 18 angeschlossen und über die Verbindungsstelle 29 mit der Unterdruckquelle 28 verbunden. Mithilfe der Unterdruckeinrichtung 26 lässt sich bedarfsabhängig die Rezirkulation 17 mit einem Unterdruck beaufschlagen, sodass sich der Druck im Rezyklat von der Strahlpumpe 20 bis zur Anodenseite 4 absenkt.
Bei den Ausführungsformen der 1 und 5 ist die Unterdruckleitungen 30 an die Luftzuführung 6 angeschlossen, und zwar bezüglich der Luftströmung stromauf des Gebläses 7 und insbesondere stromab des Luftfilters 8. Erkennbar befindet sich die Verbindungsstelle 29 bezüglich der Luftströmung zwischen dem Luftfilter 8 und dem Gebläse 7. Bei diesen Ausführungsformen wird der Bereich zwischen Gebläse 7 und Luftfilter 8 der Luftzuführung 6 als Unterdruckquelle 28 genutzt. Während des Betriebs des Gebläses 7 entsteht dort ein relativer Unterdruck, der für die Beaufschlagung der Rezirkulation 17 ausreicht.
Bei den Ausführungsformen der 2 und 6 ist die Unterdruckleitung 30 dagegen an die Abgasabführung 11 angeschlossen. Rein exemplarisch ist hierzu die Verbindungsstelle 29 an der nicht näher bezeichneten Leitung der Abgasabführung 11 stromab des Kathodenauslasses 12 angeordnet. In diesem Fall bildet die Abgasabführung 11 die Unterdruckquelle 28.
Bei allen hier gezeigten Ausführungsformen weist die Unterdruckeinrichtung 26 ein Steuerglied 31 auf, das in der Unterdruckleitungen 30 angeordnet ist und das zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitungen 30 dient. Das Brennstoffzellensystem 1 kann außerdem mit einer Steuereinrichtung 32 zum Betätigen und/oder zum Ansteuern der Unterdruckeinrichtung 26 ausgestattet sein. Diese Steuereinrichtung 32 ist dabei so konfiguriert, dass sie für den Fall, dass der Druck im Rezyklat stromauf der Strahlpumpe 20 einen vorbestimmten oberen Schwellwert übersteigt und/oder ein zur Strahlpumpe 20 geführter Volumenstrom des Wasserstoffs den vorbestimmten unteren Schwellwert unterschreitet, die Unterdruckeinrichtung 26 zum Beaufschlagen der Rezirkulation 17 mit Unterdruck betätigt und/oder ansteuert, um den Druck im Rezyklat stromauf der Strahlpumpe 20 abzusenken. Hierzu bewirkt die Steuereinrichtung 32 ein Öffnen des Steuerglieds 31 bzw. ein Öffnen der Unterdruckleitung 30, sodass der an der Unterdruckquelle 28 abgegriffene Unterdruck über die Unterdruckleitung 30 auf die Rezirkulationsleitung 18 übertragbar ist.
Bei den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist die Steuereinrichtung 32 im Wesentlichen durch das Steuerglied 31 gebildet, sodass die Steuereinrichtung 32 ohne elektrische Energie betrieben werden kann. Das Steuerglied 31 kann dabei grundsätzlich beliebig konfiguriert sein. Rein exemplarisch werden in den 3 und 4 zwei mögliche Ausführungsformen für ein derartiges Steuerglied 31 näher beschrieben.
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das Steuerglied 31 als Sperrventil 33 ausgestaltet, das zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung 30 dient. Das Sperrventil 33 ist in die Unterdruckleitung 30 eingebunden und besitzt ein Sperrglied 34, dass mittels einer Vorspannfeder 35 in die Sperrstellung vorgespannt ist. Hierbei sitzt das als Kugel symbolisierte Sperrglied 34 in einem Ventilsitz 36 und versperrt den Durchgang durch das Sperrventil 33 und sperrt somit die Unterdruckleitung 30. Die Vorspannfeder 35 ist hier so ausgestaltet bzw. dimensioniert und eingestellt, dass sie das Sperrventil 33 öffnet, sobald der Druck im Rezyklat den vorbestimmten oberen Schwellwert übersteigt.
Im Beispiel der 4 ist das Steuerglied 31 als Kolben-Zylinder-Aggregat 37 ausgestaltet, das einen Steuerkolben 38 aufweist, der in einem Zylinder 39 hubverstellbar angeordnet ist. Der Zylinder 39 ist dabei so in die Unterdruckleitung 30 eingebunden, dass der Kolben 38 einerseits dem Druck des Rezyklats und andererseits dem Unterdruck der Unterdruckquelle 28 ausgesetzt ist. Am Zylinder 39 und/oder am Steuerkolben 38 ist wenigstens ein Überströmkanal 40 zur Umgehung des Steuerkolbens 38 ausgebildet. Im Beispiel der 4 ist rein exemplarisch ein solcher Überströmkanal 40 dargestellt, der im Zylinder 39 ausgebildet ist. Der jeweilige Überströmkanal 40 ist dabei vom Steuerkolben 38 gesteuert, sodass der Überströmkanal 40 in Abhängigkeit von der Stellung des Steuerkolbens 38 im Zylinder 39 geöffnet und gesperrt wird. In 4 ist dabei eine Sperrstellung für den Steuerkolben 38 gezeigt. Insbesondere kann der Steuerkolben 38 mittels einer Vorspannfeder 41 in diese Sperrstellung vorgespannt sein. Übersteigt nun der Druck im Rezyklat den vorbestimmten oberen Schwellwert, verstellt sich der Steuerkolben 38 soweit, dass dadurch der jeweilige Überströmkanal 40 geöffnet wird. Hierdurch kann der Unterdruck der Unterdruckleitungen 30 zur Rezirkulation 17 gelangen und dort den Druck im Rezyklat absenken. Die Verstellbarkeit des Steuerkolbens 38 im Zylinder 39 kann durch nicht näher bezeichnete Stufen, insbesondere Ringstufen, begrenzt sein, die dann Endanschläge für den Steuerkolben 38 bilden und die Schließstellung und die Offenstellung definieren.
In den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 umfasst die Steuereinrichtung 32 zusätzlich zum Steuerglied 31 außerdem ein Steuergerät, bei dem es sich insbesondere um das bereits zuvor genannte Steuergerät 24 handeln kann. Hierzu ist das Steuergerät 24 mit dem Steuerglied 31 über eine Steuerleitung 42 gekoppelt. Bei diesen Ausführungsformen ist das Steuerglied 31 als elektromagnetisches Steuerventil 43 ausgestaltet, dass das vom Steuergerät 24 zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung 30 angesteuert werden kann. Insbesondere ist das Steuergerät 24 dann so konfiguriert, dass es das Steuerventil 43 zum Öffnen der Unterdruckleitung 30 ansteuert, um die Rezirkulation 17 mit dem Unterdruck zu Beaufschlagen. Dabei ist insbesondere denkbar, das Steuerventil 43 getaktet zum Öffnen und Sperren anzusteuern, sodass sich innerhalb der Rezirkulation 17 Druckschwingungen im Rezyklat ausbilden, die das Rezyklat in Richtung Strahlpumpe 20 antreiben.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann für stationäre Anwendungen, z.B. in einem Gebäude, oder für mobile Anwendungen, z.B. in einem Fahrzeug, vorgesehen und entsprechend adaptiert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10251878 A1 [0002, 0003]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) zur Erzeugung elektrischer Energie, - mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), die ein Elektrolyt (3) mit einer Anodenseite (4) und einer Kathodenseite (5) aufweist, - mit einer Luftzuführung (6) zum Zuführen von Luft zur Kathodenseite (5), - mit einer Abgasabführung (11) zum Abführen von Abgas von der Kathodenseite (5), - mit einer Wasserstoffzuführung (13) zum Zuführen von Wasserstoff zur Anodenseite (4), - mit einer Rezirkulation (17) zum Rückführen von Rezyklat von der Anodenseite (4) zur Wasserstoffzuführung (13), - mit einer Strahlpumpe (20) zum Antreiben des Rezyklats, die einen Treibmitteleinlass (21), einen Saugmitteleinlass (22) und einen Gemischauslass (23) aufweist, - wobei die Wasserstoffzuführung (13) ausgangsseitig an den Treibmitteleinlass (21) angeschlossen ist, - wobei die Rezirkulation (17) ausgangsseitig an den Saugmitteleinlass (22) angeschlossen ist, - wobei die Anodenseite (4) einlassseitig an den Gemischauslass (23) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, - dass das Brennstoffzellensystem (1) zur bedarfsabhängigen Beaufschlagung der Rezirkulation (17) mit Unterdruck eine Unterdruckeinrichtung (26) aufweist, die zwischen der Brennstoffzelle (2) und der Strahlpumpe (20) an die Rezirkulation (17) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die Unterdruckeinrichtung (26) eine Unterdruckleitung (30) aufweist, die einenends an die Rezirkulation (17) und anderenends an eine Unterdruckquelle (28) angeschlossen ist, die den Unterdruck bereitstellt.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass die Unterdruckeinrichtung (26) ein in der Unterdruckleitung (30) angeordnetes Steuerglied (31) zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung (30) aufweist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, - dass das Steuerglied (31) als Sperrventil (33) zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung (30) ausgestaltet ist, das mit einer Vorspannfeder (35) in seine Sperrstellung vorgespannt ist, - dass die Vorspannfeder (35) so eingestellt ist, dass sie das Sperrventil (33) öffnet, wenn der Druck im Rezyklat den vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, - dass das Steuerglied (31) als in einem Zylinder (39) verstellbarer Steuerkolben (38) ausgestaltet ist, - dass der Zylinder (38) so in der Unterdruckleitung (30) angeordnet ist, dass der Steuerkolben (38) einerseits dem Druck des Rezyklats und andererseits dem in der Unterdruckleitung (30) an der von der Rezirkulation (17) abgewandten Seite des Steuerkolbens (38) herrschenden Unterdruck ausgesetzt ist, - dass am Zylinder (39) und/oder am Steuerkolben (38) wenigstens ein vom Steuerkolben (38) gesteuerter Überströmkanal (40) ausgebildet ist, der den Steuerkolben (38) umgeht, sodass bei geöffnetem Überströmkanal die Unterdruckleitung (30) und die Rezirkulation (17) fluidisch miteinander verbunden sind.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, - dass das Steuerglied (31) als elektromechanisches Steuerventil (43) ausgestaltet ist, das zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung (30) elektrisch und/oder elektronisch ansteuerbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die Luftzuführung (6) ein Gebläse (7) zum Antreiben der Luft aufweist, - dass die Unterdruckleitung (30) anderenends stromauf des Gebläses (7) an die Luftzuführung (6) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, - dass die Luftzuführung (6) stromauf des Gebläses (7) ein Luftfilter (8) aufweist, - dass die Unterdruckleitung (30) stromab des Luftfilters (8) an die Luftzuführung (6) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, - dass die Unterdruckleitung (30) anderenends an die Abgasabführung (11) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, - dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Steuereinrichtung (32) zum Betätigen und/oder Ansteuern der Unterdruckeinrichtung (26) aufweist, die so konfiguriert ist, dass die Steuereinrichtung (32) für den Fall, dass der Druck im Rezyklat stromauf der Strahlpumpe (20) einen vorbestimmten Schwellwert übersteigt und/oder ein zur Strahlpumpe (20) geführter Volumenstrom des Wasserstoffs einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet, die Unterdruckeinrichtung (26) zum Beaufschlagen der Rezirkulation (17) mit Unterdruck betätigt und/oder ansteuert, um den Druck im Rezyklat stromauf der Strahlpumpe (20) abzusenken.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, - dass die Steuereinrichtung (32) ein Steuergerät (24) und ein mit dem Steuergerät (24) gekoppeltes elektromagnetisches Steuerventil (43) aufweist, dass in der Unterdruckleitung (30) angeordnet ist und zum Öffnen und Sperren der Unterdruckleitung (30) dient, - dass das Steuergerät (24) so konfiguriert ist, dass das Steuergerät (24) zur Beaufschlagung der Rezirkulation (17) mit Unterdruck das Steuerventil (43) zum Öffnen ansteuert.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, - dass das Steuergerät (24) so konfiguriert ist, dass das Steuergerät (24) zur Beaufschlagung der Rezirkulation (17) mit Unterdruck das Steuerventil (43) getaktet zum Öffnen und Sperren ansteuert, derart, dass innerhalb der Rezirkulation (17) Druckschwingungen im Rezyklat erzeugt werden, die das Rezyklat in Richtung Strahlpumpe (20) antreiben.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, - dass das Steuergerät (24) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (1) dient und den aktuellen Volumenstrom des der Strahlpumpe (20) zugeführten Wasserstoffs kennt.