WO2020215113A1 - Brennstoffzellensystem, verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und brennstoffzellenfahrzeug - Google Patents

Brennstoffzellensystem, verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und brennstoffzellenfahrzeug Download PDF

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WO2020215113A1
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fuel cell
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Raphael NEUBAUER
Nikolaus Soukup
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Fuel cell system method for operating a fuel cell system and fuel cell vehicle
  • the present invention relates to a fuel cell system, in particular an SOFC system, having at least one fuel cell stack with an anode section and a cathode section, an ejector, a
  • Fuel mixture line for conducting a fuel mixture that
  • Fuel source and the anode section is conveyed to the anode section.
  • Fuel source and the anode section is conveyed to the anode section.
  • a mass flow of the fuel in the fuel line, in particular in the fan can be measured for the hydrogen output of a reformer of the fuel cell system.
  • a reformer of the fuel cell system can be found in German patent application DE 10 2014 206 836 A1.
  • the problem with this system is that the mass flow measurement in the fan results in a pressure loss in the fuel line or in the entire anode path, which must generally be avoided.
  • Fuel cell systems are currently under development in which an ejector is used to deliver fuel to the anode section. Recirculated fuel or anode exhaust gas can through the ejector through a
  • Anode section are supplied.
  • the pressure loss should be included in the entire anode path
  • Recirculation line can be kept as low as possible. Nevertheless it should Mass flow of both the primary fuel and that of the secondary fuel can be reliably determined. This is particularly the case with higher
  • the determination of the mass flow is important in order, for example, to be able to determine and / or ensure a proportion of oxygen and water in a reformer of the fuel cell system in order to subsequently prevent soot formation in the reformer. To do this, the flows through the ejector and over the
  • the object of the present invention is that described above
  • Fuel cell system is to be obtained, can be determined with the lowest possible pressure loss. Furthermore, it is an object to provide a method for determining a mass flow in such a fuel cell system, a method for setting a mass flow in such a fuel cell system and a fuel cell vehicle with such a fuel cell system.
  • Fuel cell system are described, of course also in
  • Fuel cell system with at least one fuel cell stack having an anode section and a cathode section provided.
  • the fuel cell system can in particular be an SOFC system or a PEM system.
  • the fuel cell system also has an ejector, a
  • Fuel mixture line for conducting a fuel mixture that
  • the fuel cell system has primary fuel and secondary fuel, from the ejector in the direction of the anode section.
  • the fuel cell system has a
  • the ejector has a nozzle, a mixing chamber for mixing the primary fuel fed into the mixing chamber via the primary fuel line and through the nozzle with the secondary fuel returned from the anode section into the mixing chamber via the at least one recirculation line, and a diffuser for the pressurized conveyance of the
  • At least one diffuser measuring unit being designed to determine a mass flow in and / or on the diffuser, at least partially in and / or on the diffuser.
  • Another recirculation line can also be provided.
  • the primary fuel or a corresponding primary mass flow of the primary fuel is accelerated through the nozzle of the ejector, which in turn accelerates the secondary fuel or a corresponding secondary mass flow of the secondary fuel according to the operating principle of a jet pump.
  • the diffuser which is positioned in an end region or fluid outlet section of the ejector, can reduce the pressure that has built up again. This allows the
  • Mass flows are effectively driven through the at least one recirculation line and the fuel mixture line or through corresponding line sections of an anode path.
  • conventional mass flow measuring units could only be implemented with additional pressure loss in the fuel cell system.
  • the arrangement of a mass flow measuring unit in this case the
  • the mass flow can be measured at least at this point without further pressure loss.
  • the diffuser in this case acts as a kind of inverted venturi. Another advantage is that the fuel cell system is integrated into the diffuser
  • the Diffuser measuring unit can be realized particularly compact.
  • the at least one diffuser measuring unit can have at least one mass flow sensor or in Be provided in the form of at least one mass flow sensor or a fuel mixture mass flow sensor.
  • the system described can be easily integrated into a mobile system such as a vehicle.
  • Particle deposits on parts of the measuring units have hitherto been refrained from such measurements in and / or on a diffuser.
  • the fuel cell system is preferably designed in the form of an SOFC system or a flotation temperature fuel cell system. Under the
  • Fuel mixture line can be understood as a fluid line through which the ejector or the mixing chamber is in fluid connection with the anode section, more precisely with an anode inlet of the anode section.
  • the ejector does not have to go through the fuel mixture line directly or not without it
  • Fuel mixture line are integrated. So can in a SOFC system
  • Fuel mixture be integrated in or on the fuel mixture line.
  • the reformed fuel mixture can also be viewed as a fuel mixture.
  • Mixing chamber can contain the primary fuel in the form of a hydrocarbon-containing gas such as methane or, for example, also vaporous methanol or diesel as well as the hydrogen-containing gas recirculated from the anode section
  • the fuel mixture downstream of the reformer can comprise reformed synthesis gas with carbon monoxide and hydrogen.
  • Fuel mixture also have further substances, the fuel mixture preferably consisting essentially of the primary fuel and the
  • the recirculation line is designed for an anode exhaust gas recirculation from an anode outlet of the anode section to the ejector or to the mixing chamber of the ejector.
  • further functional components of the fuel cell system such as
  • the primary fuel line can be understood as a fuel supply line for supplying the primary fuel, for example in the form of a hydrocarbon-containing gas such as methane, or vaporized gas such as methanol, ethanol or the like, to the ejector. Further functional components of the fuel cell system can be arranged in or on the primary fuel line.
  • a position of the at least one diffuser measuring unit in and / or on the diffuser can be understood to mean a position in a fluid guide section which extends from directly upstream of the diffuser on the diffuser through the diffuser to directly downstream of the diffuser on the diffuser.
  • the measuring unit does not have to be arranged completely within the fluid guide section. Rather, it is sufficient if a measuring head or a corresponding sensor element of the diffuser measuring unit is arranged at the desired location in the fluid guide section.
  • Diffuser measuring unit for at least one temperature measuring unit
  • at least one further pressure measuring unit is provided for measuring an ambient pressure. This can in particular be an absolute pressure sensor.
  • determining the mass flow is understood to mean determining the mass flow of the fuel mixture or a fuel mixture mass flow.
  • the diffuser has a diffuser start section with a minimum opening cross section in the diffuser and a diffuser end section with a maximum opening cross section in the diffuser, the
  • Diffuser end section is arranged in a flow direction through the diffuser downstream of the diffuser start section, a first diffuser measuring unit for measuring a first pressure upstream of the diffuser start section is arranged at least partially upstream of the diffuser start section on the diffuser, and a second diffuser measuring unit for measuring a second pressure downstream of the diffuser end section at least partially downstream of the
  • Diffuser end section is arranged on the diffuser. In particular, they are
  • Diffuser measuring units formed and arranged for measuring a static pressure upstream and downstream of the diffuser start section. A volume flow and then a mass flow can subsequently be determined from a difference between these two pressure measurements.
  • the static pressure is measured at each measuring point, according to which a
  • the first diffuser measuring unit is in this case arranged upstream of the diffuser start section at least partially as directly as possible on the diffuser, that is to say in the fluid guide section upstream of the diffuser.
  • the diffuser measuring unit is preferably arranged downstream of the diffuser end section, at least partially downstream of the diffuser end section, as directly as possible on the diffuser, that is to say in the fluid conducting section downstream of the diffuser.
  • the diffuser has a diffuser start section with a minimum opening cross section in the diffuser and a diffuser end section with a has maximum opening cross-section in the diffuser, the diffuser end portion in a flow direction through the diffuser downstream of the
  • Diffuser start section is arranged, a first diffuser measuring unit for measuring a first pressure downstream of the diffuser start section is arranged at least partially downstream of the diffuser start section in the diffuser, and a second diffuser measuring unit for measuring a second pressure downstream of the
  • Diffuser end portion is arranged at least partially downstream of the diffuser end portion on the diffuser. This arrangement takes into account, in particular, the knowledge that the two diffuser measuring units should be located as far as possible downstream from the secondary fuel inlet of the mixing chamber for an accurate measurement result.
  • the mass flow is also determined here as described above. Consequently, this is always the same in particular in the diffuser.
  • the diffuser start section or diffuser end section naturally differ or, as a rule, are of different sizes. In particular, they are
  • Diffuser measuring units designed and arranged for measuring a static pressure. A mass flow can subsequently be determined from a difference between these two pressure measurements.
  • the diffuser in a fuel cell system it is possible for the diffuser in a fuel cell system to have a
  • Diffuser start section with a minimum opening cross section in the diffuser and a diffuser end section with a maximum opening cross section in the diffuser, wherein the diffuser end section is arranged in a flow direction through the diffuser downstream of the diffuser start section, a first
  • Diffuser measuring unit for measuring a first pressure downstream of the
  • Diffuser start section is arranged at least partially downstream of the diffuser start section in the diffuser, and a second diffuser measuring unit for measuring a second pressure is arranged upstream of the diffuser end section at least partially upstream of the diffuser end section in the diffuser.
  • This arrangement takes into account, in particular, the knowledge that the two diffuser measuring units should be located within the diffuser as far as possible for an accurate measuring result.
  • the diffuser measuring units are designed and arranged for measuring a static pressure. A mass flow can subsequently be determined from a difference between these two pressure measurements.
  • Primary fuel line a control valve for controlling and / or regulating the
  • Fuel supply is arranged to the nozzle, wherein in and / or on the control valve at least partially at least one control valve measuring unit for determining a mass flow is arranged in and / or on the control valve.
  • Mass flow measurement is not necessary because the mass flow is in the
  • Recirculation line can be calculated based on the measured values in and / or on the control valve and in and / or on the diffuser.
  • a further mass flow measurement can also be provided.
  • the fuel cell system can have a suitable computing unit for this purpose.
  • the fuel cell system can have a setting unit for setting the control valve for controlling and / or regulating a primary fuel supply to the ejector based on the measured value
  • a method according to the invention thus has the same advantages as those described in detail with reference to the fuel cell system according to the invention
  • the first diffuser measuring unit to measure a first pressure or a first fuel mixture pressure upstream of the diffuser start section on the diffuser and for the second diffuser measuring unit to measure a second pressure or a second fuel mixture pressure downstream of the diffuser end section measured at the diffuser. Also, it is possible that through the first diffuser measuring unit to measure a first pressure or a first fuel mixture pressure upstream of the diffuser start section on the diffuser and for the second diffuser measuring unit to measure a second pressure or a second fuel mixture pressure downstream of the diffuser end section measured at the diffuser. Also, it is possible that through the first diffuser measuring unit to measure a first pressure or a first fuel mixture pressure upstream of the diffuser start section on the diffuser and for the second diffuser measuring unit to measure a second pressure or a second fuel mixture pressure downstream of the diffuser end section measured at the diffuser. Also, it is possible that through the first diffuser measuring unit to measure a first pressure or a first fuel mixture pressure upstream of the diffuser start section on the diffuser and for the second diffuser measuring
  • a first pressure is measured downstream of the diffuser start section in the diffuser and a second pressure is measured downstream of the diffuser end section at the diffuser by the second diffuser measuring unit.
  • a first pressure downstream of the diffuser start section in the diffuser and through the second diffuser measuring unit can be achieved by the first diffuser measuring unit second pressure can be measured upstream of the diffuser end section in the diffuser.
  • Control valve measuring unit a mass flow is determined in and / or on the control valve.
  • the respective diffuser measuring units are designed and arranged for the respective measurement of a corresponding static pressure.
  • a mass flow is subsequently determined from a difference between these two pressure measurements (cross-sectional areas are known).
  • the static pressure is measured at each measuring point, according to which from the
  • the mass flow is then determined from the determined velocities and material values, in particular only once.
  • a method for controlling and / or regulating a primary fuel supply to an ejector in a fuel cell system as described in detail above is proposed, the primary fuel supply to the ejector based on or, inter alia, based on a mass flow that is passed through a fuel cell system as described above described method is determined, controlled and / or regulated. This allows the primary fuel supply and thus also the secondary fuel supply to the ejector and consequently to the
  • Anode section can be controlled and / or regulated with the lowest possible pressure loss in the anode path.
  • a fuel cell vehicle with a fuel cell system as described above for providing electrical energy and at least one electric motor for driving the fuel cell vehicle with at least partial use of the electrical energy generated by the
  • Fuel cell system is provided, made available.
  • a fuel cell vehicle according to the invention thus also has the advantages described above.
  • Fuel cell system for providing electrical energy and at least one Electric motor for driving the corresponding vehicle with at least partial use of the electrical energy generated by the
  • Fuel cell system is provided, is made available.
  • the fuel cell system can also be a stationary fuel cell system.
  • Figure 1 is a block diagram for describing a fuel cell system
  • FIG. 2 shows a detailed section from a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a detailed section from a fuel cell system according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a detailed section from a fuel cell system according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows a flow chart for describing a method in accordance with one embodiment of the present invention
  • FIG. 6 shows a fuel cell vehicle with a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 1 a shown has a fuel cell stack 2 with an anode section 3 and a
  • a reformer 19 is configured for reforming the fuel mixture from the ejector 5 and for providing the reformed fuel mixture for the anode section 3.
  • the fuel cell system 1 a is accordingly provided in the form of an SOFC system.
  • the fuel cell system 1a can also be a PEM system. Further lines can also be provided, for example by mass flows into the primary fuel line 7 and / or
  • a second recirculation line 8 can also be provided in addition or as an alternative.
  • the ejector 5 has a nozzle 9, a mixing chamber 10 and a diffuser 11, which in a flow direction 15 through the ejector 5 in this order
  • the mixing chamber 10 is designed for mixing the primary fuel fed into the mixing chamber 10 via the primary fuel line 7 and through the nozzle 9 with the secondary fuel returned from the anode section 3 into the mixing chamber 10 via the recirculation line 8.
  • the fuel mixture is produced by this mixing process.
  • the diffuser 11 is configured to conduct the fuel mixture from the mixing chamber 10 into the fuel mixture line 6 under pressure.
  • a diffuser measuring unit 12 for determining a mass flow in the diffuser 11 is configured in the diffuser 11.
  • FIG. 2 shows a detailed section from a fuel cell system 1 b according to a second embodiment.
  • the diffuser 11 has a diffuser start section 13 with a minimum
  • Diffuser end section 14 is arranged downstream of diffuser start section 13 in a flow direction 15 through diffuser 11.
  • a first diffuser measuring unit 12a for measuring a first pressure is upstream of the diffuser start portion 13 upstream of the Diffuser start section 13 is arranged on diffuser 11.
  • a second diffuser measuring unit 12b for measuring a second pressure is arranged downstream of the diffuser end section 14 and downstream of the diffuser end section 14 on the diffuser 11.
  • a control valve 16 for controlling and / or regulating the fuel supply to the nozzle 9 is arranged upstream of the nozzle 9 in the primary fuel line 7, with the control valve 16, more precisely downstream of the control valve 16 in the primary fuel line 7 in the vicinity of the control valve 16 for determining a primary mass flow in the
  • control valve measuring unit 17 is arranged. It can also be provided that the control valve measuring unit 17 upstream of the
  • Control valve 16 is arranged.
  • FIG. 3 shows a detailed section from a fuel cell system 1 c according to a third embodiment. The one shown in FIG.
  • Fuel cell system 1c essentially corresponds to fuel cell system 1b shown in FIG. 2. The key difference is that the first
  • Diffuser measuring unit 12a for measuring the first pressure downstream of the
  • Diffuser start section 13 correspondingly downstream of the diffuser start section 13 in the diffuser 11 or in a diffuser guide channel or a corresponding one
  • Fluid conducting section for conducting the fuel mixture through the diffuser 11 is arranged.
  • FIG. 4 shows a detailed section from a fuel cell system 1 d according to a fourth embodiment. The one shown in FIG. 4
  • Fuel cell system 1 d essentially corresponds to fuel cell system 1 b shown in FIG. 3. The main difference is that the second
  • Diffuser measuring unit 12b for measuring a second pressure is arranged upstream of diffuser end section 14 upstream of diffuser end section 14 in diffuser 11.
  • FIGS. 1 to 4 methods for determining mass flows in the fuel cell systems 1a, 1b, 1c, 1d shown there can also be recognized.
  • a fuel mixture mass flow through the diffuser measuring unit 12 in the diffuser 11 is determined.
  • FIG. 2 the
  • the fuel mixture mass flows through the first diffuser measuring unit 12a downstream of the diffuser start section 13 in
  • Diffuser end section 14 on the diffuser 11 is determined. According to FIG. 4, the
  • Control valve measuring unit 17 a primary mass flow at the control valve 16 can be determined.
  • a fuel mixture mass flow is determined by means of the at least one diffuser measuring unit 12, 12a, 12b in and / or on the diffuser 11.
  • a second step S2 the second step S2
  • Control valve measuring unit 17 in and / or on control valve 16 is determined.
  • the secondary fuel mass flow in the recirculation line 8 is calculated on the basis of the determined fuel mixture mass flow and the determined primary fuel mass flow. Then the
  • Fig. 6 shows a fuel cell vehicle 20 with a fuel cell system 1 a as described above for providing electrical energy and a
  • Electric motor 18 for driving the fuel cell vehicle 20 using the electrical energy provided by the fuel cell system 1 a is provided.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1c; 1 d), aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Ejektor (5), eine Brennstoffgemischleitung (6) zum Leiten eines Brennstoffgemisches, das Primärbrennstoff und Sekundärbrennstoff aufweist, vom Ejektor (5) in Richtung des Anodenabschnitts (3), eine Primärbrennstoffleitung (7) zum Zuführen des Primärbrennstoffs zum Ejektor (5), und eine Rezirkulationsleitung (8) zum Rückführen des Sekundärbrennstoffs vom Anodenabschnitt (3) zum Ejektor (5), wobei der Ejektor (5) eine Düse (9), eine Mischkammer (10) zum Mischen des über die Primärbrennstoffleitung (7) und durch die Düse (9) in die Mischkammer (10) geführten Primärbrennstoffs mit dem über die Rezirkulationsleitung (8) vom Anodenabschnitt (3) in die Mischkammer (10) rückgeführten Sekundärbrennstoff, und einen Diffusor (11 ) zum druckbeaufschlagten Leiten des Brennstoffgemisches aus der Mischkammer (10) in die Brennstoffgemischleitung (5), aufweist, wobei wenigstens eine Diffusormesseinheit (12; 12a, 12b) zum Bestimmen eines Massenstroms im und/oder am Diffusor (11 ) zumindest teilweise im und/oder am Diffusor (11) ausgestaltet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1c; 1 d), ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Primärbrennstoffzufuhr zu einem Ejektor (5) in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1c; 1d) sowie ein Fahrzeug (20) mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem (1a; 1 b; 1c; 1d).

Description

Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellenfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einen Ejektor, eine
Brennstoffgemischleitung zum Leiten eines Brennstoffgemisches, das
Primärbrennstoff und Sekundärbrennstoff aufweist, vom Ejektor in Richtung des Anodenabschnitts, eine Primärbrennstoffleitung zum Zuführen des Primärbrennstoffs zum Ejektor, und zumindest eine Rezirkulationsleitung zum Rückführen des
Sekundärbrennstoffs vom Anodenabschnitt zum Ejektor.
Im Stand der Technik sind verschiedene Systeme zum Zuführen von Brennstoff zu einem Anodenabschnitt eines Brennstoffzellenstapels bekannt. Insbesondere ist bekannt, dass der Brennstoff von einer Brennstoffquelle wie einem Brennstofftank mittels eines Gebläses, das sich in einer Brennstoffleitung zwischen der
Brennstoffquelle und dem Anodenabschnitt befindet, zum Anodenabschnitt gefördert wird. Zum Einstellen der Betriebsweise des Gebläses sowie einer
Brennstoffmengenzufuhr zum Gebläse und/oder zur Ermittlung einer
Wasserstoffleistung eines Reformers des Brennstoffzellensystems kann hierzu ein Massenstrom des Brennstoffs in der Brennstoffleitung, insbesondere im Gebläse, gemessen werden. Ein solches System kann der deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 206 836 A1 entnommen werden. Problematisch bei diesem System ist jedoch, dass durch die Massenstrommessung im Gebläse ein Druckverlust in der Brennstoffleitung bzw. im gesamten Anodenpfad entsteht, welchen es grundsätzlich zu vermeiden gilt.
Aktuell befinden sich Brennstoffzellensysteme in der Entwicklung, bei welchen ein Ejektor für das Zuführen von Brennstoff zum Anodenabschnitt verwendet wird. Durch den Ejektor kann rezirkulierter Brennstoff bzw. Anodenabgas durch eine
Rezirkulationsleitung aus dem Anodenabschnitt als Sekundärbrennstoff zusammen mit Primärbrennstoff aus der Brennstoffquelle als Brennstoffgemisch dem
Anodenabschnitt zugeführt werden. Um möglichst hohe Rezirkulationsraten zu erzielen, soll der Druckverlust im gesamten Anodenpfad einschließlich
Rezirkulationsleitung so gering wie möglich gehalten werden. Trotzdem soll der Massenstrom sowohl des Primärbrennstoffs als auch der des Sekundärbrennstoffs zuverlässig ermittelt werden. Dies gestaltet sich insbesondere bei höheren
Temperaturen schwierig.
Die Ermittlung des Massenstroms ist wichtig, um beispielsweise einen Anteil an Sauerstoff und Wasser in einem Reformer des Brennstoffzellensystems bestimmen und/oder sicherstellen zu können, um in weiterer Folge Rußbildung im Reformer zu verhindern. Dazu müssen die Strömungen durch den Ejektor und über die
Rezirkulationsleitung bekannt sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen
Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, in welchem ein Massenstrom im Anodenpfad, dessen Wert zum Einstellen des
Brennstoffzellensystems erlangt werden soll, mit möglichst geringem Druckverlust bestimmt werden kann. Weiterhin ist es eine Aufgabe, ein Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms in einem solchen Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zum Einstellen eines Massenstroms in einem solchen Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 , das Verfahren gemäß Anspruch 6, das Verfahren gemäß Anspruch 11 sowie das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß Anspruch 12 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem
Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im
Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel, der einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt aufweist, zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem kann insbesondere ein SOFC-System oder ein PEM-System sein. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Ejektor, eine
Brennstoffgemischleitung zum Leiten eines Brennstoffgemisches, das
Primärbrennstoff und Sekundärbrennstoff aufweist, vom Ejektor in Richtung des Anodenabschnitts, auf. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem eine
Primärbrennstoffleitung zum Zuführen des Primärbrennstoffs zum Ejektor, und zumindest eine Rezirkulationsleitung zum Rückführen des Sekundärbrennstoffs vom Anodenabschnitt zum Ejektor, auf. Der Ejektor weist erfindungsgemäß eine Düse, eine Mischkammer zum Mischen des über die Primärbrennstoffleitung und durch die Düse in die Mischkammer geführten Primärbrennstoffs mit dem über die zumindest eine Rezirkulationsleitung vom Anodenabschnitt in die Mischkammer rückgeführten Sekundärbrennstoff, und einen Diffusor zum druckbeaufschlagten Leiten des
Brennstoffgemisches aus der Mischkammer in die Brennstoffgemischleitung, auf, wobei wenigstens eine Diffusormesseinheit zum Bestimmen eines Massenstroms im und/oder am Diffusor zumindest teilweise im und/oder am Diffusor ausgestaltet ist.
Es kann auch eine weitere Rezirkulationsleitung vorgesehen sein.
Durch die Düse des Ejektors wird der Primärbrennstoff bzw. ein entsprechender Primärmassenstrom des Primärbrennstoffs beschleunigt, der gemäß dem Wirkprinzip einer Strahlpumpe wiederum den Sekundärbrennstoff bzw. einen entsprechenden Sekundärmassenstrom des Sekundärbrennstoffs beschleunigt. Der Diffusor, der in einem Endbereich bzw. Fluidausgangsabschnitt des Ejektors positioniert ist, kann die aufgebaute Geschwindigkeit wieder in Druck abbauen. Dadurch können die
Massenströme effektiv durch die zumindest eine Rezirkulationsleitung und die Brennstoffgemischleitung bzw. durch entsprechende Leitungsabschnitte eines Anodenpfads getrieben werden. Konventionelle Massenstrommesseinheiten konnten bisher nur mit zusätzlichem Druckverlust im Brennstoffzellensystem implementiert werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde jedoch erkannt, dass sich durch die Anordnung einer Massenstrommesseinheit, vorliegend der
Diffusormesseinheit, am und/oder im Diffusor eines Ejektors der Massenstrom zumindest an dieser Stelle ohne weiteren Druckverlust messen lässt. Der Diffusor wirkt in diesem Fall als eine Art umgekehrtes Venturirohr. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Brennstoffzellensystem mit der im Diffusor integrierten
Diffusormesseinheit besonders kompakt realisiert werden kann. Die wenigstens eine Diffusormesseinheit kann wenigstens einen Massenstromsensor aufweisen oder in Form von wenigstens einem Massenstromsensor bzw. einem Brennstoffgemisch- Massenstromsensor bereitgestellt sein. Darüber hinaus kann das beschriebene System problemlos in ein mobiles System wie ein Fahrzeug integriert werden.
Die vorteilhaften Effekte der erfindungsgemäßen Anordnung sind zudem relativ überraschend. Aufgrund von möglichen Strömungsabrissen und/oder
Partikelablagerungen an Teilen der Messeinheiten wurde bisher Abstand von derartigen Messungen in und/oder an einem Diffusor genommen.
Das Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise in Form eines SOFC-Systems bzw. eines Flochtemperaturbrennstoffzellensystems ausgestaltet. Unter der
Brennstoffgemischleitung kann eine Fluidleitung verstanden werden, durch welche der Ejektor bzw. die Mischkammer mit dem Anodenabschnitt, genauer gesagt mit einem Anodeneingang des Anodenabschnitts, in Fluidverbindung steht. Der Ejektor muss durch die Brennstoffgemischleitung nicht direkt bzw. nicht ohne
Zwischenelemente mit dem Anodenabschnitt verbunden sein. Vielmehr ist es möglich, dass noch weitere Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems in Fluidrichtung zwischen dem Ejektor und dem Anodenabschnitt in der
Brennstoffgemischleitung integriert sind. So kann in einem SOFC-System
stromabwärts des Ejektors und stromaufwärts des Anodenabschnitts bzw. des Anodeneingangs des Anodenabschnitts ein Reformer zum Reformieren des
Brennstoffgemisches in bzw. an der Brennstoffgemischleitung integriert sein.
Das reformierte Brennstoffgemisch kann ebenfalls als Brennstoffgemisch betrachtet werden. Das Brennstoffgemisch stromaufwärts des Reformers bzw. in der
Mischkammer kann den Primärbrennstoff in Form eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases wie Methan oder beispielsweise auch dampfförmiges Methanol oder Diesel sowie den vom Anodenabschnitt rezirkulierten, wasserstoffhaltigen
Sekundärbrennstoff aufweisen. Das Brennstoffgemisch stromabwärts des Reformers kann reformiertes Synthesegas mit Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff aufweisen.
Neben dem Primärbrennstoff und dem Sekundärbrennstoff kann das
Brennstoffgemisch noch weitere Stoffe aufweisen, wobei das Brennstoffgemisch vorzugsweise im Wesentlichen aus dem Primärbrennstoff und dem
Sekundärbrennstoff besteht. Die Rezirkulationsleitung ist für eine Anodenabgasrezirkulation von einem Anodenausgang des Anodenabschnitts zum Ejektor bzw. zur Mischkammer des Ejektors ausgestaltet. In oder an der Rezirkulationsleitung können noch weitere Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems wie beispielsweise
Fluidfördervorrichtungen, Ventile, ein zusätzlicher Gaseinlass und/oder
Wärmetauscher angeordnet sein.
Die Primärbrennstoffleitung kann als Brennstoffzuführleitung zum Zuführen des Primärbrennstoffs, beispielsweise in Form eines kohlenwasserstoffhaltigen Gases wie Methan, oder verdampfter Dieser, Methanol, Ethanol oder dergleichen, zum Ejektor verstanden werden. In bzw. an der Primärbrennstoffleitung können noch weitere Funktionsbauteile des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. So kann in der Primärbrennstoffleitung stromaufwärts der Düse des Ejektors ein Stellventil und bevorzugt ein zusätzlicher Gaseinlass zum kontrollierten Zuführen von
Primärbrennstoff zum Ejektor bzw. in die Düse angeordnet sein.
Unter einer Position der wenigstens einen Diffusormesseinheit im und/oder am Diffusor kann eine Position in einem Fluidleitabschnitt verstanden werden, der sich von direkt stromaufwärts des Diffusors am Diffusor durch den Diffusor bis direkt stromabwärts des Diffusors am Diffusor erstreckt. Die Messeinheit muss hierbei nicht vollständig innerhalb des Fluidleitabschnitts angeordnet sein. Vielmehr reicht es aus, wenn ein Messkopf oder ein entsprechendes Sensorelement der Diffusormesseinheit an der gewünschten Stelle im Fluidleitabschnitt angeordnet ist.
Zum Bestimmen bzw. Ermitteln des Massenstroms kann die wenigstens eine
Diffusormesseinheit wenigstens eine Temperaturmesseinheit zur
Temperaturmessung des Brennstoffgemisches im und/oder am Diffusor und/oder wenigstens eine Druckmesseinheit zur Druckmessung des Brennstoffgemisches im und/oder am Diffusor aufweisen. Darüber hinaus ist es günstig, wenn zumindest eine weitere Druckmesseinheit zur Druckmessung eines Umgebungsdruckes vorgesehen ist. Dies kann insbesondere ein Absolutdrucksensor sein. Durch die
Druckmesseinheit zur Druckmessung des Brennstoffgemisches im und/oder am Diffusor wird insbesondere ein Relativdruck zur Umgebung gemessen. Unter dem Bestimmen des Massenstroms ist diesbezüglich ein Bestimmen des Massenstroms des Brennstoffgemisches bzw. eines Brennstoffgemischmassenstroms zu verstehen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem der Diffusor einen Diffusorstartabschnitt mit einem minimalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor und einen Diffusorendabschnitt mit einem maximalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor aufweist, wobei der
Diffusorendabschnitt in einer Strömungsrichtung durch den Diffusor stromabwärts des Diffusorstartabschnitts angeordnet ist, eine erste Diffusormesseinheit zum Messen eines ersten Drucks stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts zumindest teilweise stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts am Diffusor angeordnet ist, und eine zweite Diffusormesseinheit zum Messen eines zweiten Drucks stromabwärts des Diffusorendabschnitts zumindest teilweise stromabwärts des
Diffusorendabschnitts am Diffusor angeordnet ist. Insbesondere sind die
Diffusormesseinheiten zum Messen eines statischen Drucks stromaufwärts und stromabwärts des Diffusorstartabschnitts ausgebildet und angeordnet. Aus einer Differenz dieser beiden Druckmessungen sind in weiterer Folge ein Volumsstrom und dann ein Massenstrom bestimmbar. Insbesondere wird bei jeder Messstelle der statische Druck gemessen, wonach aus dem entsprechenden Verhältnis eine
Änderung einer Geschwindigkeit ermittelt wird. Anschließend wird aus den
ermittelten Geschwindigkeiten und Stoffwerten der Massenstrom, insbesondere nur einmal, ermittelt. Bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass die besten bzw. genauesten Messergebnisse erzielt werden können, wenn sich die beiden Diffusormesseinheiten möglichst weit stromabwärts von einem Sekundärbrennstoffeintritt der Mischkammer entfernt befinden und möglichst weit voneinander beabstandet sind. Mit der vorgeschlagenen Anordnung der Diffusormesseinheiten wird dem Rechnung getragen. Insbesondere wird dem Wunsch des möglichst weiten Abstands zwischen den beiden Diffusormesseinheiten Rechnung getragen. Die erste Diffusormesseinheit ist hierbei stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts zumindest teilweise möglichst direkt am Diffusor, also im Fluidleitabschnitt stromaufwärts des Diffusors, angeordnet. Die zweite
Diffusormesseinheit ist vorzugsweise stromabwärts des Diffusorendabschnitts zumindest teilweise stromabwärts des Diffusorendabschnitts möglichst direkt am Diffusor, also im Fluidleitabschnitt stromabwärts des Diffusors, angeordnet.
Ferner ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der
vorliegenden Erfindung der Diffusor einen Diffusorstartabschnitt mit einem minimalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor und einen Diffusorendabschnitt mit einem maximalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor aufweist, wobei der Diffusorendabschnitt in einer Strömungsrichtung durch den Diffusor stromabwärts des
Diffusorstartabschnitts angeordnet ist, eine erste Diffusormesseinheit zum Messen eines ersten Drucks stromabwärts des Diffusorstartabschnitts zumindest teilweise stromabwärts des Diffusorstartabschnitts im Diffusor angeordnet ist, und eine zweite Diffusormesseinheit zum Messen eines zweiten Drucks stromabwärts des
Diffusorendabschnitts zumindest teilweise stromabwärts des Diffusorendabschnitts am Diffusor angeordnet ist. Mit dieser Anordnung wird insbesondere der Erkenntnis Rechnung getragen, dass sich die beiden Diffusormesseinheiten für ein genaues Messergebnis möglichst weit stromabwärts vom Sekundärbrennstoffeintritt der Mischkammer entfernt befinden sollen. Der Massenstrom wird auch hier wie oben beschrieben bestimmt. Folglich ist dieser im Diffusor insbesondere immer gleich groß. Die gemessenen Druckwerte stromabwärts und stromaufwärts des
Diffusorstartabschnittes bzw. Diffusorendabschnittes unterscheiden sich natürlich bzw. sind in der Regel unterschiedlich groß. Insbesondere sind die
Diffusormesseinheiten zum Messen eines statischen Drucks ausgebildet und angeordnet. Aus einer Differenz dieser beiden Druckmessungen ist in weiterer Folge ein Massenstrom bestimmbar.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem der Diffusor einen
Diffusorstartabschnitt mit einem minimalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor und einen Diffusorendabschnitt mit einem maximalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor aufweist, wobei der Diffusorendabschnitt in einer Strömungsrichtung durch den Diffusor stromabwärts des Diffusorstartabschnitts angeordnet ist, eine erste
Diffusormesseinheit zum Messen eines ersten Drucks stromabwärts des
Diffusorstartabschnitts zumindest teilweise stromabwärts des Diffusorstartabschnitts im Diffusor angeordnet ist, und eine zweite Diffusormesseinheit zum Messen eines zweiten Drucks stromaufwärts des Diffusorendabschnitts zumindest teilweise stromaufwärts des Diffusorendabschnitts im Diffusor angeordnet ist. Mit dieser Anordnung wird insbesondere der Erkenntnis Rechnung getragen, dass sich die beiden Diffusormesseinheiten für ein genaues Messergebnis möglichst innerhalb des Diffusors befinden sollen. Insbesondere sind die Diffusormesseinheiten zum Messen eines statischen Drucks ausgebildet und angeordnet. Aus einer Differenz dieser beiden Druckmessungen ist in weiterer Folge ein Massenstrom bestimmbar. Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei einem
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem stromaufwärts der Düse in der
Primärbrennstoffleitung ein Stellventil zum Steuern und/oder Regeln der
Brennstoffzufuhr zur Düse angeordnet ist, wobei im und/oder am Stellventil zumindest teilweise wenigstens eine Stellventilmesseinheit zum Bestimmen eines Massenstroms im und/oder am Stellventil angeordnet ist. Eine weitere
Massenstrommessung ist nicht nötig, da der Massenstrom in der
Rezirkulationsleitung anhand der Messwerte im und/oder am Stellventil sowie im und/oder am Diffusor berechnet werden kann. Es kann allerdings auch eine weitere Massenstrommessung vorgesehen sein. Hierfür kann das Brennstoffzellensystem eine geeignete Recheneinheit aufweisen. Ferner kann das Brennstoffzellensystem eine Einstelleinheit zum Einstellen des Stellventils zum Steuern und/oder Regeln einer Primärbrennstoffzufuhr zum Ejektor anhand des gemessenen
Brennstoffgemischmassenstroms, des gemessenen Primärbrennstoffmassenstroms und/oder des berechneten Sekundärmassenstroms aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms in einem wie vorstehend beschriebenen
Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, wobei der Massenstrom durch die wenigstens eine Diffusormesseinheit im und/oder am Diffusor bestimmt wird. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
beschrieben worden sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bei einem Verfahren durch die erste Diffusormesseinheit ein erster Druck bzw. ein erster Brennstoffgemischdruck stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts am Diffusor gemessen wird und durch die zweite Diffusormesseinheit ein zweiter Druck bzw. ein zweiter Brennstoffgemischdruck stromabwärts des Diffusorendabschnitts am Diffusor gemessen wird. Außerdem ist es möglich, dass durch die erste
Diffusormesseinheit ein erster Druck stromabwärts des Diffusorstartabschnitts im Diffusor gemessen wird und durch die zweite Diffusormesseinheit ein zweiter Druck stromabwärts des Diffusorendabschnitts am Diffusor gemessen wird. Darüber hinaus können durch die erste Diffusormesseinheit ein erster Druck stromabwärts des Diffusorstartabschnitts im Diffusor und durch die zweite Diffusormesseinheit ein zweiter Druck stromaufwärts des Diffusorendabschnitts im Diffusor gemessen werden. Weiterhin ist es möglich, dass durch die wenigstens eine
Stellventilmesseinheit ein Massenstrom im und/oder am Stellventil bestimmt wird. Damit können die bereits vorstehend zum Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile erzielt werden. Insbesondere sind die jeweiligen Diffusormesseinheiten zum jeweiligen Messen eines entsprechenden statischen Drucks ausgebildet und angeordnet. Aus einer Differenz dieser beiden Druckmessungen wird in weiterer Folge ein Massenstrom bestimmt (Querschnittsflächen sind bekannt). Insbesondere wird bei jeder Messstelle der statische Druck gemessen, wonach aus dem
entsprechenden Verhältnis eine Änderung einer Geschwindigkeit an
unterschiedlichen Stellen ermittelt wird. Anschließend wird aus den ermittelten Geschwindigkeiten und Stoffwerten der Massenstrom, insbesondere nur einmal, ermittelt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Primärbrennstoffzufuhr zu einem Ejektor in einem wie vorstehend im Detail beschriebenen Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, wobei die Primärbrennstoffzufuhr zum Ejektor anhand bzw. unter anderem anhand eines Massenstroms, der durch ein wie vorstehend beschriebenes Verfahren bestimmt wird, gesteuert und/oder geregelt wird. Damit können die Primärbrennstoffzufuhr und somit auch die Sekundärbrennstoffzufuhr zum Ejektor und folglich zum
Anodenabschnitt bzw. zu einem etwaigen Reformer stromaufwärts des
Anodenabschnitts bei möglichst geringen Druckverlusten im Anodenpfad gesteuert und/oder geregelt werden.
Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das
Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, zur Verfügung gestellt. Damit bringt auch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellenfahrzeug die vorstehend beschriebenen Vorteile mit sich.
Es kann auch günstig sein, wenn beispielsweise ein Flugzeug, eine Drohne oder beliebige andere Anwendung mit einem wie vorstehend beschriebenen
Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor zum Antreiben des entsprechenden Fahrzeugs unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das
Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, zur Verfügung gestellt wird. Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem auch ein stationäres Brennstoffzellensystem sein.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockdiagramm zum Beschreiben eines Brennstoffzellensystems
gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 einen detaillierten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 einen detaillierten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 einen detaillierten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 ein Flussdiagramm zum Beschreiben eines Verfahrens gemäß einer Aus führungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 6 ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß ei ner Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Brennstoffzellensystems 1a gemäß einer ersten Ausführungsform. Das dargestellte Brennstoffzellensystem 1 a weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Anodenabschnitt 3 und einem
Kathodenabschnitt 4, einen Ejektor 5, eine Brennstoffgemischleitung 6 zum Leiten eines Brennstoffgemisches, das Primärbrennstoff und Sekundärbrennstoff aufweist, vom Ejektor 5 in Richtung des Anodenabschnitts 3, eine Primärbrennstoffleitung 7 zum Zuführen des Primärbrennstoffs zum Ejektor 5, und eine Rezirkulationsleitung 8 bzw. Sekundärbrennstoffleitung zum Rückführen des Sekundärbrennstoffs in Form von Anodenabgas vom Anodenabschnitt 3 zum Ejektor 5, auf. Stromaufwärts des Anodenabschnitts 3 ist ein Reformer 19 zum Reformieren des Brennstoffgemisches vom Ejektor 5 und zum Bereitstellen des reformierten Brennstoffgemisches für den Anodenabschnitt 3 ausgestaltet. Das Brennstoffzellensystem 1 a ist entsprechend in Form eines SOFC-Systems bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem 1a kann aber auch ein PEM-System sein. Es können auch weitere Leitungen vorgesehen sein, beispielsweise um Massenströme in die Primärbrennstoffleitung 7 und/oder
Rezirkulationsleitung 8 einzuleiten. Ebenso kann zusätzlich oder alternativ eine zweite Rezirkulationsleitung 8 vorgesehen sein.
Der Ejektor 5 weist eine Düse 9, eine Mischkammer 10 und einen Diffusor 11 auf, die in einer Strömungsrichtung 15 durch den Ejektor 5 in dieser Reihenfolge
hintereinander angeordnet sind. Die Mischkammer 10 ist zum Mischen des über die Primärbrennstoffleitung 7 und durch die Düse 9 in die Mischkammer 10 geführten Primärbrennstoffs mit dem über die Rezirkulationsleitung 8 vom Anodenabschnitt 3 in die Mischkammer 10 rückgeführten Sekundärbrennstoff ausgestaltet. Durch diesen Mischvorgang wird das Brennstoffgemisch hergestellt. Der Diffusor 11 ist zum druckbeaufschlagten Leiten des Brennstoffgemisches aus der Mischkammer 10 in die Brennstoffgemischleitung 6 konfiguriert. Wie in Fig. 1 dargestellt, ist gemäß der ersten Ausführungsform im Diffusor 11 eine Diffusormesseinheit 12 zum Bestimmen eines Massenstroms im Diffusor 11 ausgestaltet. Insbesondere ist im Diffusor 11 ein Sensorkopf der Diffusormesseinheit 12 zum Bestimmen eines
Brennstoffgemischmassenstroms im Diffusor 11 ausgestaltet.
Fig. 2 zeigt einen detaillierten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 1 b gemäß einer zweiten Ausführungsform. Zunächst kann in Fig. 2 erkannt werden, dass der Diffusor 11 einen Diffusorstartabschnitt 13 mit einem minimalen
Öffnungsquerschnitt im Diffusor 11 und einen Diffusorendabschnitt 14 mit einem maximalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor 11 aufweist, wobei der
Diffusorendabschnitt 14 in einer Strömungsrichtung 15 durch den Diffusor 11 stromabwärts des Diffusorstartabschnitts 13 angeordnet ist. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist eine erste Diffusormesseinheit 12a zum Messen eines ersten Drucks stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts 13 stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts 13 am Diffusor 11 angeordnet. Außerdem ist eine zweite Diffusormesseinheit 12b zum Messen eines zweiten Drucks stromabwärts des Diffusorendabschnitts 14 stromabwärts des Diffusorendabschnitts 14 am Diffusor 11 angeordnet. Ferner ist in Fig. 2 gezeigt, dass stromaufwärts der Düse 9 in der Primärbrennstoffleitung 7 ein Stellventil 16 zum Steuern und/oder Regeln der Brennstoffzufuhr zur Düse 9 angeordnet ist, wobei am Stellventil 16, genauer gesagt stromabwärts des Stellventils 16 in der Primärbrennstoffleitung 7 in der Nähe des Stellventils 16 zum Bestimmen eines Primärmassenstroms in der
Primärbrennstoffleitung 7 eine Stellventilmesseinheit 17 angeordnet ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Stellventilmesseinheit 17 stromaufwärts vom
Stellventil 16 angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt einen detaillierten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 1 c gemäß einer dritten Ausführungsform. Das in Fig. 3 dargestellte
Brennstoffzellensystem 1 c entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 2 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 b. Entscheidender Unterschied ist, dass die erste
Diffusormesseinheit 12a zum Messen des ersten Drucks stromabwärts des
Diffusorstartabschnitts 13 entsprechend stromabwärts des Diffusorstartabschnitts 13 im Diffusor 11 bzw. in einem Diffusorleitkanal bzw. einem entsprechenden
Fluidleitabschnitt zum Leiten des Brennstoffgemisches durch den Diffusor 11 angeordnet ist.
Fig. 4 zeigt einen detaillierten Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 1 d gemäß einer vierten Ausführungsform. Das in Fig. 4 dargestellte
Brennstoffzellensystem 1 d entspricht im Wesentlichen dem in Fig. 3 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 b. Entscheidender Unterschied ist, dass die zweite
Diffusormesseinheit 12b zum Messen eines zweiten Drucks stromaufwärts des Diffusorendabschnitts 14 stromaufwärts des Diffusorendabschnitts 14 im Diffusor 11 angeordnet ist.
Mit Blick auf die Figuren 1 bis 4 können ferner Verfahren zum Bestimmen von Massenströmen in den dort gezeigten Brennstoffzellensystemen 1a, 1 b, 1c, 1 d erkannt werden. So wird in Fig. 1 ein Brennstoffgemischmassenstrom durch die eine Diffusormesseinheit 12 im Diffusor 11 bestimmt. Gemäß Fig. 2 werden die
Brennstoffgemischmassenströme durch die erste Diffusormesseinheit 12a
stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts 13 am Diffusor 11 und durch die zweite Diffusormesseinheit 12b stromabwärts des Diffusorendabschnitts 14 am Diffusor 11 bestimmt. Gemäß Fig. 3 werden die Brennstoffgemischmassenströme durch die erste Diffusormesseinheit 12a stromabwärts des Diffusorstartabschnitts 13 im
Diffusor 11 und durch die zweite Diffusormesseinheit 12b stromabwärts des
Diffusorendabschnitts 14 am Diffusor 11 bestimmt. Gemäß Fig. 4 werden die
Brennstoffgemischmassenströme durch die erste Diffusormesseinheit 12a
stromabwärts des Diffusorstartabschnitts 13 im Diffusor 11 und durch die zweite Diffusormesseinheit 12b stromaufwärts des Diffusorendabschnitts 14 im Diffusor 11 bestimmt. Ferner kann gemäß den in Fig. 1 bis Fig. 4 dargestellten
Brennstoffzellensystemen 1a, 1 b, 1 c, 1 d durch die wenigstens eine
Stellventilmesseinheit 17 ein Primärmassenstrom am Stellventil 16 bestimmt werden.
Mit Bezug auf Fig. 5 wird anschließend ein Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Primärbrennstoffzufuhr zu einem Ejektor 5 in einem wie vorstehend
beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 a, 1 b, 1 c, 1 d beschrieben. In einem ersten Schritt S1 wird hierbei zunächst ein Brennstoffgemischmassenstrom, wie vorstehend im Detail beschrieben, mittels der wenigstens einen Diffusormesseinheit 12, 12a, 12b im und/oder am Diffusor 11 bestimmt. In einem zweiten Schritt S2 wird der
Primärbrennstoffmassenstrom in der Primärbrennstoffleitung 7 mittels der
Stellventilmesseinheit 17 im und/oder am Stellventil 16 bestimmt. In einem dritten Schritt S3 wird der Sekundärbrennstoffmassenstrom in der Rezirkulationsleitung 8 anhand des bestimmten Brennstoffgemischmassenstroms sowie des bestimmten Primärbrennstoffmassenstroms berechnet. Anschließend wird die
Primärbrennstoffzufuhr zum Ejektor 5 in einem vierten Schritt S4 anhand der bestimmten sowie berechneten Massenströme durch eine entsprechende
Ansteuerung des Stellventils 16 eingestellt.
Fig. 6 zeigt ein Brennstoffzellenfahrzeug 20 mit einem wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 a zur Bereitstellung elektrischer Energie und einem
Elektromotor 18 zum Antreiben des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 unter Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem 1 a bereitgestellt wird.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere
Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. Bezugszeichenliste
1 a-1 d Brennstoffzellensystem
2 Brennstoffzellenstapel
3 Anodenabschnitt
4 Kathodenabschnitt
5 Ejektor
6 Brennstoffgemischleitung
7 Primärbrennstoffleitung
8 Rezirkulationsleitung
9 Düse
10 Mischkammer
1 1 Diffusor
12 Diffusormesseinheit
12a, 12b Diffusormesseinheit
13 Diffusorstartabschnitt
14 Diffusorendabschnitt
15 Strömungsrichtung
16 Stellventil
17 Stellventilmesseinheit
18 Elektromotor
19 Reformer
20 Brennstoffzellenfahrzeug

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b; 1 c; 1 d), aufweisend wenigstens einen
Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem
Kathodenabschnitt (4), einen Ejektor (5), eine Brennstoffgemischleitung (6) zum Leiten eines Brennstoffgemisches, das Primärbrennstoff und
Sekundärbrennstoff aufweist, vom Ejektor (5) in Richtung des Anodenabschnitts (3), eine Primärbrennstoffleitung (7) zum Zuführen des Primärbrennstoffs zum Ejektor (5), und zumindest eine Rezirkulationsleitung (8) zum Rückführen des Sekundärbrennstoffs vom Anodenabschnitt (3) zum Ejektor (5),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Ejektor (5) eine Düse (9), eine Mischkammer (10) zum Mischen des über die Primärbrennstoffleitung (7) und durch die Düse (9) in die Mischkammer (10) geführten Primärbrennstoffs mit dem über die zumindest eine
Rezirkulationsleitung (8) vom Anodenabschnitt (3) in die Mischkammer (10) rückgeführten Sekundärbrennstoff, und einen Diffusor (11 ) zum
druckbeaufschlagten Leiten des Brennstoffgemisches aus der Mischkammer
(10) in die Brennstoffgemischleitung (5), aufweist, wobei wenigstens eine Diffusormesseinheit (12; 12a, 12b) zum Bestimmen eines Massenstroms im und/oder am Diffusor (11 ) zumindest teilweise im und/oder am Diffusor (11 ) ausgestaltet ist.
2. Brennstoffzellensystem (1 b) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (11 ) einen Diffusorstartabschnitt (13) mit einem minimalen
Öffnungsquerschnitt im Diffusor (11 ) und einen Diffusorendabschnitt (14) mit einem maximalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor (11 ) aufweist, wobei der Diffusorendabschnitt (14) in einer Strömungsrichtung (15) durch den Diffusor
(11 ) stromabwärts des Diffusorstartabschnitts (13) angeordnet ist, und eine erste Diffusormesseinheit (12a) zum Messen eines ersten Drucks
stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts (13) zumindest teilweise
stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts (13) am Diffusor (11 ) angeordnet ist und eine zweite Diffusormesseinheit (12b) zum Messen eines zweiten Drucks stromabwärts des Diffusorendabschnitts (14) zumindest teilweise stromabwärts des Diffusorendabschnitts (14) am Diffusor (11 ) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem (1 c) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (11 ) einen Diffusorstartabschnitt (13) mit einem minimalen
Öffnungsquerschnitt im Diffusor (11 ) und einen Diffusorendabschnitt (14) mit einem maximalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor (11 ) aufweist, wobei der Diffusorendabschnitt (14) in einer Strömungsrichtung (15) durch den Diffusor (11 ) stromabwärts des Diffusorstartabschnitts (13) angeordnet ist, und eine erste Diffusormesseinheit (12a) zum Messen eines ersten Drucks stromabwärts des Diffusorstartabschnitts (13) zumindest teilweise stromabwärts des
Diffusorstartabschnitts (13) im Diffusor (11 ) angeordnet ist und eine zweite Diffusormesseinheit (12b) zum Messen eines zweiten Drucks stromabwärts des Diffusorendabschnitts (14) zumindest teilweise stromabwärts des
Diffusorendabschnitts (14) am Diffusor (11 ) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1 d) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Diffusor (11 ) einen Diffusorstartabschnitt (13) mit einem minimalen
Öffnungsquerschnitt im Diffusor (11 ) und einen Diffusorendabschnitt (14) mit einem maximalen Öffnungsquerschnitt im Diffusor (11 ) aufweist, wobei der Diffusorendabschnitt (14) in einer Strömungsrichtung (15) durch den Diffusor (11 ) stromabwärts des Diffusorstartabschnitts (13) angeordnet ist, und eine erste Diffusormesseinheit (12a) zum Messen eines ersten Drucks stromabwärts des Diffusorstartabschnitts (13) zumindest teilweise stromabwärts des
Diffusorstartabschnitts (13) im Diffusor (11 ) angeordnet ist und eine zweite Diffusormesseinheit (12b) zum Messen eines zweiten Drucks stromaufwärts des Diffusorendabschnitts (14) zumindest teilweise stromaufwärts des
Diffusorendabschnitts (14) im Diffusor (11 ) angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b; 1 c; 1 d) nach einem der voranstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
stromaufwärts der Düse (9) in der Primärbrennstoffleitung (7) ein Stellventil (16) zum Steuern und/oder Regeln der Brennstoffzufuhr zur Düse (9) angeordnet ist, wobei im und/oder am Stellventil (16) zumindest teilweise wenigstens eine Stellventilmesseinheit (17) zum Bestimmen eines Massenstroms im und/oder am Stellventil (16) angeordnet ist.
6. Verfahren zum Bestimmen eines Massenstroms in einem
Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b; 1 c; 1 d) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Massenstrom durch die wenigstens eine
Diffusormesseinheit (12; 12a, 12b) im und/oder am Diffusor (11 ) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die erste Diffusormesseinheit (12a) ein erster Druck stromaufwärts des Diffusorstartabschnitts (13) am Diffusor (11 ) gemessen wird und durch die zweite Diffusormesseinheit (12b) ein zweiter Druck stromabwärts des
Diffusorendabschnitts (14) am Diffusor (11 ) gemessen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die erste Diffusormesseinheit (12a) ein erster Druck stromabwärts des Diffusorstartabschnitts (13) im Diffusor (11 ) gemessen wird und durch die zweite Diffusormesseinheit (12b) ein zweiter Druck stromabwärts des
Diffusorendabschnitts (14) am Diffusor (11 ) gemessen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die erste Diffusormesseinheit (12a) ein erster Druck stromabwärts des Diffusorstartabschnitts (13) im Diffusor (11 ) gemessen wird und durch die zweite Diffusormesseinheit (12b) ein zweiter Druck stromaufwärts des
Diffusorendabschnitts (14) im Diffusor (11 ) gemessen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
durch die wenigstens eine Stellventilmesseinheit (17) ein Massenstrom im und/oder am Stellventil (16) bestimmt wird.
11. Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Primärbrennstoffzufuhr zu einem Ejektor (5) in einem Brennstoffzellensystem (1 a; 1 b; 1 c; 1 d) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Primärbrennstoffzufuhr zum Ejektor (5) anhand eines Massenstroms, der durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10 bestimmt wird, gesteuert und/oder geregelt wird.
12. Brennstoffzellenfahrzeug (20) mit einem Brennstoffzellensystem (1 a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Bereitstellung elektrischer Energie und wenigstens einem Elektromotor (18) zum Antreiben des
Brennstoffzellenfahrzeugs (20) unter zumindest teilweiser Verwendung der elektrischen Energie, die durch das Brennstoffzellensystem (1a) bereitgestellt wird.
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