WO2021063703A1 - Verfahren zur ansteuerung eines dosierventils - Google Patents

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WO2021063703A1
WO2021063703A1 PCT/EP2020/076086 EP2020076086W WO2021063703A1 WO 2021063703 A1 WO2021063703 A1 WO 2021063703A1 EP 2020076086 W EP2020076086 W EP 2020076086W WO 2021063703 A1 WO2021063703 A1 WO 2021063703A1
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jet pump
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fuel cell
cell system
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Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a metering valve as part of a jet pump in a fuel cell system and to the metering valve as part of a jet pump.
  • DE 102011 114797 A1 relates to a method for operating a fuel cell system.
  • At least one fuel cell is provided which has an anode compartment and a cathode compartment, fuel (h) being supplied to the anode compartment from a fuel source and unused exhaust gas from the anode compartment being recirculated into the fuel flowing to the anode compartment via a gas jet pump and the gas jet pump being a heatable nozzle includes.
  • the nozzle of the gas jet pump is only heated when no fuel is flowing through the gas jet pump.
  • WO 2013 045 048 A1 relates to a method for switching off a fuel cell system.
  • An anode recirculation comprises a gas jet pump for sucking in an anode exhaust gas, the gas jet pump being driven by a fuel gas flow which flows into the gas jet pump via a valve and a nozzle.
  • the same or a higher pressure is maintained compared to the pressure present in the area of the anode recirculation.
  • gas valves with magnetic actuators are known.
  • such gas valves are designed as proportional valves.
  • a jet pump is used within the anode circuit to support the necessary recirculation of the anode gas.
  • a jet pump contains a driving nozzle through which the hydrogen flow from the gas metering valve flows.
  • the drive nozzle of the jet pump is part of the gas metering valve.
  • the gas metering valve is positioned in the jet pump in such a way that the outlet of the drive nozzle of the valve is located axially in front of the mixing tube of the jet pump and a space for suction is created around the drive nozzle.
  • the jet pump drives the moist anode gas. Therefore, in the event of unfavorable cooling situations after the fuel cell has been switched off, moisture can condense in the nozzle bore of the propellant nozzle. In the worst case, the nozzle can freeze up at correspondingly low ambient temperatures. In this case, it is no longer possible to meter in hydrogen and the fuel cell can no longer be started.
  • a method for switching off a fuel cell system with a jet pump for conveying a gas flow on the anode side in a recirculation path with an integrated metering valve for metering F is proposed.
  • a propellant nozzle is flowed through at least once in a pulsed manner in order to discharge condensed water.
  • this moisture can be discharged from the propellant nozzle.
  • a vehicle that is driven by means of a fuel cell system can also be parked outdoors if, for example, low outside temperatures occur during the cold season.
  • a further pulse-like flow through the propellant nozzle can be triggered shortly before the freezing point is reached.
  • the propellant nozzle is once again pulsed through shortly before the freezing point is reached, so that all possibly deposited water is safely removed from the propellant nozzle.
  • fuel in particular H2
  • H2 is applied to the propellant nozzle.
  • the impulse-like flow through the propellant nozzle occurs while the fuel cell system is cooling to a temperature between 20 ° C and 30 ° C. In this way it can be ensured in an advantageous manner that a large part of the moisture contained in the anode gas has already condensed out and thus condensed water is removed by a first pulse-like flow through the propellant nozzle.
  • the pulsed flow is carried out at a sufficient inlet pressure in the range from 3 bar to 16 bar.
  • At least the pulsed flow is carried out during a period of time from 0.01 s to 0.1 s.
  • the invention relates to a jet pump with an integrated metering valve for conveying an anode-side gas flow according to the above method with a suction area of the jet pump projecting propellant nozzle, the fuel inlet of which, in particular an hh inlet, is opened or closed by the metering valve, the propellant nozzle having a minimal dead volume between the nozzle outlet and the valve seat.
  • the minimum dead volume is, for example, on the order of between 70 mm 3 and 200 mm 3 .
  • the jet pump with integrated metering valve is constructed in such a way that the nozzle outlet of the driving nozzle is located axially in front of a mixing tube of the jet pump and a suction area of the recirculation path extends around the driving nozzle.
  • the invention also relates to the use of the method for switching off a fuel cell system which is used to drive a vehicle.
  • the solution proposed according to the invention advantageously allows a trouble-free start of a fuel cell system after it has been switched off, in particular when the outside temperatures are low during the cold season.
  • unfavorable cooling-down situations can be taken into account after the fuel cell has been switched off.
  • a first cooling phase after which the fuel cell system has a temperature of 20 ° C to 30 ° C, to name an exemplary temperature range, a first discharge of anode gas from condensed water takes place through a pulsed flow through the propellant nozzle.
  • the method proposed according to the invention can trigger a new pulse-like flow through the propellant nozzle shortly before the freezing point is reached, so that any water that may have accumulated can be removed from the propellant nozzle and at outside temperatures below freezing point there is no blockage of the propellant nozzle by ice. This would prevent the fuel cell system from restarting.
  • the solution proposed according to the invention can provide a remedy.
  • the method is advantageously used on a jet pump with an integrated metering valve, the jet pump with an integrated metering valve serving to transport a gas flow on the anode side.
  • the method proposed according to the invention takes into account the fact that the drive nozzle of the jet pump is located in the region of the anode gas containing moisture.
  • the method is advantageously used in a jet pump with an integrated metering valve, with the integration of the propellant nozzle in the jet pump only leaving a minimal dead volume between the nozzle outlet of the propellant nozzle and the valve seat and thus a very short activation of the metering valve is sufficient for a pulsed flow to reach the propellant nozzle and blow out the water contained there. Due to the very short flow times, which are in the range from 0.01 s to 0.1 s, an excessive pressure increase in the anode system of the fuel cell can be avoided.
  • the method proposed according to the invention ensures that, while the fuel cell is cooling, the metering valve integrated in the jet pump is activated until condensation water located in the propellant nozzle can be discharged.
  • the control of the metering valve can take place one or more times. Since the activation is carried out after a first cooling phase, when the fuel cell system reaches a temperature of 20 ° C. to 30 ° C., there is still sufficient gas pressure, i.e. H. Fh pressure is available in the fuel-side inlet upstream of the metering valve.
  • a further pulsed flow through the propellant nozzle can be triggered shortly before the temperature of the valve or the ambient temperature reaches the freezing point.
  • the method proposed according to the invention also ensures that there is a higher pressure at the control point in the fuel-side inflow, ie the Fh inflow to the metering valve, compared to that prevailing on the outlet side of the jet pump with integrated metering module. This ensures that no medium containing moisture flows from the recirculation path back into the propellant nozzle and that undesired accumulations of water occur in it.
  • Figure 1 is a schematic representation of components of a
  • FIG. 2 shows a section through a jet pump for transporting an anode-side gas flow with an integrated metering valve for H2 metering.
  • Figure 1 shows the representation of the components of a fuel cell system with metering valve, jet pump, fuel cell and control unit.
  • FIG. 1 shows that a fuel cell system 10, of which a fuel cell is shown here by way of example, comprises a path 12 on the anode side and a path 14 on the cathode side.
  • an INh diffusion 16 occurs from the cathode-side path 14 from the ambient air into the anode-side path 12.
  • a water exchange 18 Between the anode-side path 12 and cathode-side path 14 a water exchange 18, furthermore an F diffusion 20 from the anode-side path 12 into the cathode-side path 14.
  • liquid water i.e. water
  • H Hydrogen
  • FIG. 1 also shows that the recirculation path 26 runs from the separator 22 to a jet pump 28.
  • the jet pump 28 is one in which a metering valve 36 is integrated (cf. in particular the illustration according to FIG. 2).
  • the jet pump 28 comprises a recirculation inlet 32 of the recirculation path 26 and a fuel inlet (not shown in FIG. 1).
  • a recirculation fan (not shown in greater detail here) can be contained in the recirculation path 26 in order to support the conveyance of the fluid flow in the recirculation path 26.
  • a first pressure sensor 38 is located upstream of the metering valve 36; Downstream of the metering valve 36 there is a second pressure sensor 40, which is connected downstream of the jet pump 28 in the direction of flow. Both the metering valve 36 and the second pressure sensor 40 are connected to a control unit 34.
  • FIG. 2 shows the illustration of a jet pump 28 with an integrated metering valve 36 in section.
  • FIG. 2 shows that the jet pump 28 comprises an integrated, laterally flanged metering valve 36.
  • the jet pump 28 comprises a pump body 42. This is traversed by a mixing tube 64, the mixing tube axis of which is denoted by reference numeral 44.
  • a driving nozzle 46 is arranged in the pump body 42 coaxially to the mixing tube axis 44.
  • a nozzle outlet of the propulsion nozzle 46 is denoted by reference numeral 62 and is also aligned with the mixing tube axis 44.
  • the propulsion nozzle 46 is part of the metering valve 36 and has a valve seat 50 on the side opposite the nozzle outlet 62, which is released or actuated by a valve tappet 48 .
  • FIG. 2 further shows that the metering valve 36 or its valve tappet 48 can be actuated via a solenoid 54, the actuation of the solenoid 54 taking place via the control device 34 shown in FIG.
  • the valve tappet 48 works against a valve spring 56 which is received in the body of the metering valve 36 coaxially to the valve tappet 48, the valve spring 56 being supported on a cover part of the metering valve 36.
  • the illustration according to FIG. 2 shows that the driving nozzle 46 has a nozzle channel 58.
  • the nozzle channel 58 is delimited on the one hand by the nozzle outlet 62 and on the other hand by the valve seat 50.
  • the drive nozzle 46 is enclosed by a suction region 66 in the pump body 42.
  • a recirculation inlet 32 opens out in the suction area 66.
  • a fuel inlet opens, i. H. the Fh inlet 30.
  • Both inlets, the recirculation inlet 32 and the Fh inlet 30 are sealed off from one another in the pump body 42 of the jet pump 28.
  • the mixing tube 64 which merges into a diffuser part 68, extends from the suction area 66. This also runs symmetrically to the mixing tube axis 44.
  • the diffuser part 68 of the mixing tube 64 merges into an outflow area 70 which is closed on the one hand by a cover 74 and on the other hand has an outlet 72 which again opens into the recirculation path 26.
  • the method proposed according to the invention for switching off a fuel cell system is preferably carried out with the jet pump 28, shown in section in FIG. 2, with an integrated metering valve 36 for metering the fuel, in particular FF.
  • the fuel cell system 10 After the fuel cell system 10 has been switched off according to FIG. 1, its cooling phase takes place until the fuel cell system has reached a temperature between 20 ° C. and 30 ° C. At this temperature, a large part of the moisture contained in the anode gas, ie the gas transported in the recirculation path 26, has condensed out, in particular in the area of the passage through the nozzle channel 58 of the driving nozzle 46.
  • the control unit 34 activates the in a pulse-like manner Dosing valve 36, so that there is a pulsed flow through the drive nozzle 46, whereby condensed water is safely discharged from it.
  • control unit 34 can initiate renewed activation of the metering valve 36 for a very short period of time shortly before the freezing point is reached. This ensures that shortly before the freezing point is reached, the nozzle channel 58 of the propellant nozzle 46 is again flowed through, so that any condensate that may be present in it before the freezing point is reached, ie. H. before the onset of ice formation, is reliably removed from the nozzle channel 58 of the propellant nozzle 46.
  • a further decrease in the ambient temperature is then insignificant, since ice flowing through the nozzle channel 58 cannot be formed in the presence of water and thus restarting the fuel cell system 10, for example after a parking phase outdoors at low outside temperatures, is possible without any problems, since the nozzle channel 58 is not clogged but is free of ice.
  • the method proposed according to the invention can be implemented in particular on the jet pump 28 with an integrated metering valve 36, since in this design variant there is a minimal dead volume between the valve seat 50 and the nozzle outlet 62, and a very short activation of the metering valve 36 by means of the control unit 34 is sufficient in order to flow impulsively through the nozzle channel 58 in the manner peculiar to the method proposed according to the invention and to blow out condensation water.
  • the method proposed according to the invention also ensures that, at the time at which the metering valve 36 is activated by the control unit 34, before the impulse-like flow through the propellant nozzle on the fuel-side inlet side, i. H. at the F inlet 30, there is a higher pressure. This can prevent anode gas containing moisture from flowing back into the propellant nozzle 46 from the outlet side of the jet pump 28 and this remains free from water entry.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10) mit einer Strahlpumpe (28) zur Förderung eines anodenseitigen Gasstroms in einem Rezirkulationspfad (26), wobei die Strahlpumpe (28) ein Dosierventil (36) zur Dosierung von H2 umfasst. Während des Abkühlens des Brennstoffzellensystems (10) wird eine Treibdüse (46) mindestens einmal durchströmt, um kondensiertes Wasser auszutragen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Strahlpumpe (28) mit einem Dosierventil (36) sowie auf die Verwendung des Verfahrens zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10).

Description

Verfahren zur Ansteuerung eines Dosierventils
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Dosierventils als Teil einer Strahlpumpe in einem Brennstoffzellensystem sowie auf das Dosierventil als Teil einer Strahlpumpe.
Stand der Technik
DE 102011 114797 Al bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Es ist wenigstens eine Brennstoffzelle vorgesehen, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist, wobei dem Anodenraum Brennstoff (h ) aus einer Brennstoffquelle zugeführt wird und unverbrauchtes Abgas aus dem Anodenraum über eine Gasstrahlpumpe in den zum Anodenraum strömenden Brennstoff rezirkuliert wird und die Gasstrahlpumpe eine beheizbare Düse umfasst. Die Beheizung der Düse der Gasstrahlpumpe erfolgt nur dann, wenn kein Brennstoff durch die Gasstrahlpumpe strömt.
WO 2013 045 048 Al bezieht sich auf ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems. Eine Anodenrezirkulation umfasst eine Gasstrahlpumpe zum Ansaugen eines Anodenabgases, wobei die Gasstrahlpumpe von einem Brennstoffgasstrom angetrieben wird, welcher über ein Ventil und eine Düse in die Gasstrahlpumpe strömt. Während des Abkühlens des Brennstoffzellensystems im Bereich zwischen dem Ventil und der Düse wird ein gleicher oder ein höherer Druck aufrechterhalten, im Vergleich zu dem im Bereich der Anodenrezirkulation vorliegenden Druck. Um Wasserstoff beispielsweise in einer Brennstoffzelle zu dosieren, sind Gasventile mit Magnetaktor bekannt. Beispielsweise sind derartige Gasventile als Proportionalventile ausgestaltet. In einem Brennstoffzellensystem wird innerhalb des Anodenkreises eine Strahlpumpe verwendet, um die notwendige Rezirkulation des Anodengases zu unterstützen. Eine derartige Strahlpumpe enthält eine Treibdüse, die vom Wasserstoffstrom des Gasdosierventils durchströmt wird. Die Treibdüse der Strahlpumpe ist Teil des Gasdosierventils. Das Gasdosierventil ist derart in der Strahlpumpe positioniert, dass der Austritt der Treibdüse des Ventils axial vor dem Mischrohr der Strahlpumpe liegt und um die Treibdüse ein Raum für die Ansaugung entsteht.
Bei der obenstehend erwähnten Anordnung, der Integration von Strahlpumpe und Gasdosierventil treibt die Strahlpumpe das feuchte Anodengas. Daher kann im Falle des Auftretens ungünstiger Abkühlungssituationen nach dem Abstellen der Brennstoffzelle Feuchtigkeit in der Düsenbohrung der Treibdüse kondensieren. Bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen kann im ungünstigsten Fall die Düse zufrieren. In diesem Fall ist keine Zudosierung von Wasserstoff mehr möglich und die Brennstoffzelle kann nicht mehr gestartet werden.
Darstellung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems mit einer Strahlpumpe zur Förderung eines anodenseitigen Gasstroms in einem Rezirkulationspfad mit integriertem Dosierventil zur Dosierung von F vorgeschlagen. Während des Abkühlens des Brennstoffzellensystems wird eine Treibdüse mindestens einmal impulsartig durchströmt, um kondensiertes Wasser auszutragen.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kann nach einer ersten Abkühlphase nach der Kondensation des Großteils von im anodengasseitigen Gasstrom enthaltener Feuchtigkeit diese aus der Treibdüse ausgetragen werden. So kann beispielsweise ein Fahrzeug, welches mittels eines Brennstoffzellensystems angetrieben wird, auch im Freien geparkt werden, wenn beispielsweise in der kalten Jahreszeit niedrige Außentemperaturen auftreten. In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann kurz vor Erreichen des Gefrierpunktes eine weitere impulsartige Durchströmung der Treibdüse ausgelöst werden. Um sicherzustellen, dass ein Neustart des Brennstoffzellensystems bei niedrigen Außentemperaturen gewährleistet ist, wird kurz vor Erreichen des Gefrierpunktes die Treibdüse nochmals impulsartig durchströmt, so dass sämtliches sich möglicherweise abgelagerte Wasser sicher aus der Treibdüse entfernt ist.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird die Treibdüse mit Brennstoff, insbesondere mit H2, beaufschlagt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens erfolgt das impulsartige Durchströmen der Treibdüse während des Abkühlens des Brennstoffzellensystems auf eine Temperatur zwischen 20°C bis 30°C. Dadurch kann in vorteilhafter Weise gewährleistet werden, dass bereits ein Großteil der im Anodengas enthaltenen Feuchtigkeit auskondensiert ist und so durch eine erste impulsartige Durchströmung der Treibdüse auskondensiertes Wasser entfernt wird.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren wird die impulsartige Durchströmung bei einem ausreichenden Zulaufdruck im Bereich von 3 bar bis 16 bar durchgeführt.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird zumindest die impulsartige Durchströmung während einer Zeitspanne von 0,01 s bis 0,1 s durchgeführt.
Beim erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren herrscht zu den Ansteuerzeitpunkten des Dosierventils zur Durchführung der impulsartigen Durchströmung im Brennstoffzulauf, d. h. im F -Zulauf, kurzzeitig ein höherer Druck, verglichen mit dem Druck, der im Ansaugbereich um die Treibdüse herum herrscht. Somit ist gewährleistet, dass kein Medium von der Anode, insbesondere kein Medium, welches Feuchtigkeit enthält, in die Treibdüse beziehungsweise das Dosierventil zurückströmen kann.
Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf eine Strahlpumpe mit integriertem Dosierventil zur Förderung eines anodenseitigen Gasstroms gemäß dem vorstehenden Verfahren mit einer in einen Ansaugbereich der Strahlpumpe hineinragenden Treibdüse, deren Brennstoffzulauf, insbesondere ein hh-Zulauf, durch das Dosierventil geöffnet oder verschlossen wird, wobei die Treibdüse zwischen dem Düsenaustritt und dem Ventilsitz ein minimales Totvolumen aufweist. Das minimale Totvolumen liegt beispielsweise in einer Größenordnung zwischen 70 mm3 und 200 mm3.
Die Strahlpumpe mit integriertem Dosierventil ist so aufgebaut, dass der Düsenaustritt der Treibdüse axial vor einem Mischrohr der Strahlpumpe liegt und sich ein Ansaugbereich des Rezirkulationspfades um die Treibdüse erstreckt.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung des Verfahrens zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, welches dem Antrieb eines Fahrzeugs dient.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung erlaubt in vorteilhafter Weise den störungsfreien Start eines Brennstoffzellensystems nach dessen Abschalten, insbesondere bei in der kalten Jahreszeit auftretenden niedrigen Außentemperaturen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann ungünstigen Abkühlungssituationen nach dem Abstellen der Brennstoffzelle Rechnung getragen werden. Nach Ablauf einer ersten Abkühlungsphase, nach der das Brennstoffzellensystem beispielsweise eine Temperatur von 20° C bis 30° C, um einen beispielhaften Temperaturbereich zu nennen, aufweist, erfolgt ein erster Austrag aus Anodengas aus kondensiertem Wasser durch eine impulsartige Durchströmung der Treibdüse.
Um einen sicheren Wiederstart des Brennstoffzellensystems auch bei niedrigen Außentemperaturen zu gewährleisten, kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren kurz vor Erreichen des Gefrierpunktes eine erneute impulsartige Durchströmung der Treibdüse ausgelöst werden, so dass sich möglicherweise angesammeltes Wasser aus der Treibdüse entfernen lässt und bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunktes keine Verstopfung der Treibdüse durch Eis entsteht. Dieses würde einen Neustart des Brennstoffzellensystems verhindern. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung kann Abhilfe geschaffen werden. In vorteilhafter Weise wird das Verfahren an einer Strahlpumpe mit integriertem Dosierventil angewandt, wobei die Strahlpumpe mit integriertem Dosierventil dem Transport eines anodenseitigen Gasstromes dient. Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Treibdüse der Strahlpumpe im Bereich Feuchtigkeit enthaltenden Anodengases liegt. Nach dem Ablauf der ersten Abkühlphase kann durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren bereits ein Großteil der im Anodengas auskondensierten Feuchtigkeit, also Wasser, aus der Treibdüse ausgetragen werden. In vorteilhafter Weise wird das Verfahren bei einer Strahlpumpe mit integriertem Dosierventil eingesetzt, wobei durch die Integration der Treibdüse in die Strahlpumpe nur ein minimales Totvolumen zwischen dem Düsenaustritt der Treibdüse und dem Ventilsitz vorliegt und somit eine sehr kurze Ansteuerung des Dosierventils ausreicht, um eine impulsartige Durchströmung der Treibdüse zu erreichen und dort enthaltenes Wasser auszublasen. Aufgrund der sehr kurzen Durchströmungszeiten, die im Bereich von 0,01 s bis 0,1 s liegen, kann ein zu starker Druckanstieg im Anodensystem der Brennstoffzelle vermieden werden.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist sichergestellt, dass während der Abkühlung der Brennstoffzelle das in die Strahlpumpe integrierte Dosierventil solange angesteuert wird, bis sich in der Treibdüse befindliches Kondenswasser austragen lässt. Die Ansteuerung des Dosierventils kann ein- oder mehrmals erfolgen. Da die Ansteuerung bereits nach Ablauf einer ersten Abkühlphase, bei Erreichen einer Temperatur von 20° C bis 30° C des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird, steht noch ausreichend Gasdruck, d. h. Fh-Druck in dem brennstoffseitigen Zulauf vor dem Dosierventil zur Verfügung. Zur Sicherstellung des Wiederstartes des Brennstoffzellensystems und zur Sicherstellung der Verhinderung des Zufrierens der Treibdüse kann eine weitere impulsartige Durchströmung der Treibdüse ausgelöst werden, kurz bevor die Temperatur des Ventils beziehungsweise die Umgebungstemperatur den Gefrierpunkt erreicht.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren wird des Weiteren sichergestellt, dass zum Ansteuerpunkt im brennstoffseitigen Zulauf, d. h. dem Fh-Zulauf zum Dosierventil ein höherer Druck herrscht, verglichen mit dem, der auf der Ablaufseite der Strahlpumpe mit integriertem Dosiermodul herrscht. Damit ist sichergestellt, dass kein Feuchtigkeit enthaltendes Medium vom Rezirkulationspfad aus zurück in die Treibdüse strömt und es zu unerwünschten Wasseransammlungen in dieser kommt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung von Komponenten eines
Brennstoffzellensystems mit Rezirkulationspfad, Strahlpumpe und Dosierventil und
Figur 2 einen Schnitt durch eine Strahlpumpe zum Transport eines anodenseitigen Gasstroms mit integriertem Dosierventil zur H2- Dosierung.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 zeigt die Darstellung der Komponenten eines Brennstoffzellensystems mit Dosierventil, Strahlpumpe, Brennstoffzelle sowie Steuergerät.
Aus der Darstellung gemäß Figur 1 geht hervor, dass ein Brennstoffzellensystem 10, von dem hier beispielhaft eine Brennstoffzelle dargestellt ist, einen anodenseitigen Pfad 12 sowie einen kathodenseitigen Pfad 14 umfasst.
Innerhalb des Brennstoffzellensystems 10 kommt es zu einer INh-Diffusion 16 vom kathodenseitigen Pfad 14 aus der Umgebungsluft in den anodenseitigen Pfad 12. Zwischen anodenseitigem Pfad 12 und kathodenseitigem Pfad 14 tritt ein Wasseraustausch 18 auf, ferner eine F -Diffusion 20 vom anodenseitigen Pfad 12 in den kathodenseitigen Pfad 14.
Ausgangsseitig des Brennstoffzellensystems 10 befindet sich ein Abscheider 22, an dessen Unterseite ein Ablassventil 24 angeordnet ist. Über den Abscheider 22 kann aus dem anodenseitigen Gasstrom, der in einem Rezirkulationspfad 26 umgewälzt wird, flüssiges Wasser, d. h. Wasserstoff abgeschieden werden.
Aus Figur 1 geht des Weiteren hervor, dass der Rezirkulationspfad 26 vom Abscheider 22 zu einer Strahlpumpe 28 verläuft. Bei der Strahlpumpe 28 handelt es sich um eine solche, in die ein Dosierventil 36 integriert ist (vgl. insbesondere Darstellung gemäß Figur 2). Die Strahlpumpe 28 umfasst einen Rezirkulations- Zulauf 32 des Rezirkulationspfades 26 sowie einen in Figur 1 nicht dargestellten Brennstoffzulauf. Im Rezirkulationspfad 26 kann ein hier nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse enthalten sein, um die Förderung des Fluidstroms im Rekirkulationspfad 26 zu unterstützen. Vor dem Dosierventil 36 befindet sich ein erster Drucksensor 38; stromab des Dosierventils 36 befindet sich ein zweiter Drucksensor 40, der Strahlpumpe 28 in Strömungsrichtung nachgeschaltet. Sowohl das Dosierventil 36 als auch der zweite Drucksensor 40 sind mit einem Steuergerät 34 verbunden.
Aus Figur 2 geht die Darstellung einer Strahlpumpe 28 mit integriertem Dosierventil 36 im Schnitt hervor.
Figur 2 zeigt, dass die Strahlpumpe 28 ein integriertes, seitlich angeflanschtes Dosierventil 36 umfasst. Die Strahlpumpe 28 umfasst einen Pumpenkörper 42. Dieser ist von einem Mischrohr 64 durchzogen, dessen Mischrohrachse mit Bezugszeichen 44 bezeichnet ist. Koaxial zur Mischrohrachse 44 ist im Pumpenkörper 42 eine Treibdüse 46 angeordnet. Ein Düsenaustritt der Treibdüse 46 ist durch Bezugszeichen 62 bezeichnet und fluchtet ebenfalls mit der Mischrohrachse 44. Die Treibdüse 46 ist dabei Teil des Dosierventils 36 und weist auf der dem Düsenaustritt 62 gegenüberliegenden Seite einen Ventilsitz 50 auf, der durch ein Ventilstößel 48 freigegeben oder betätigbar ist. Sowohl die Treibdüse 46 beziehungsweise deren separater Einsatz als auch ein Flansch des Dosierventils 36 sind über Dichtungen 52 im Pumpenkörper 42 aufgenommen und gegen diesen abgedichtet. Figur 2 zeigt des Weiteren, dass das Dosierventil 36 beziehungsweise dessen Ventilstößel 48 über eine Magnetspule 54 betätigbar sind, wobei die Betätigung der Magnetspule 54 über das in Figur 1 dargestellte Steuergerät 34 erfolgt. Der Ventilstößel 48 arbeitet gegen eine Ventilfeder 56, die im Körper des Dosierventils 36 koaxial zum Ventilstößel 48 aufgenommen ist, wobei sich die Ventilfeder 56 an einem Deckelteil des Dosierventils 36 abstützt.
Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass die Treibdüse 46 einen Düsenkanal 58 aufweist. Der Düsenkanal 58 wird einerseits durch den Düsenaustritt 62 und andererseits durch den Ventilsitz 50 begrenzt. Wie aus Figur 2 des Weiteren hervorgeht, ist die Treibdüse 46 von einem Ansaugbereich 66 im Pumpenkörper 42 umschlossen. Im Ansaugbereich 66 mündet ein Rezirkulationszulauf 32. Oberhalb des Ventilsitzes 50 der Treibdüse 46 mündet ein Brennstoffzulauf, d. h. der Fh-Zulauf 30.
Beide Zuläufe, der Rezirkulationszulauf 32 sowie der Fh-Zulauf 30 sind im Pumpenkörper 42 der Strahlpumpe 28 gegeneinander abgedichtet. Vom Ansaugbereich 66 aus erstreckt sich das Mischrohr 64, welches in einen Diffusorteil 68 übergeht. Dieser verläuft ebenfalls symmetrisch zur Mischrohrachse 44. Der Diffusorteil 68 des Mischrohrs 64 geht in einen Abströmbereich 70 über, der einerseits durch einen Deckel 74 verschlossen ist, und andererseits einen Ablauf 72 aufweist, der wieder in den Rezirkulationspfad 26 mündet.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems wird bevorzugt mit der in Figur 2 im Schnitt dargestellten Strahlpumpe 28 mit integriertem Dosierventil 36 zur Dosierung des Brennstoffes, insbesondere von FF durchgeführt. Nachdem das Brennstoffzellensystem 10 gemäß Figur 1 abgeschaltet ist, erfolgt dessen Abkühlphase, bis das Brennstoffzellensystem eine Temperatur zwischen 20° C und 30° C erreicht hat. Bei dieser Temperatur ist ein Großteil der im Anodengas, d. h. des im Rezirkulationspfad 26 transportierten Gases enthaltenen Feuchtigkeit, insbesondere im Bereich des Durchgangs des Düsenkanals 58 der Treibdüse 46 auskondensiert. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne beziehungsweise nach Erreichen dieses Temperaturbereiches, d. h. 20° C bis 30° C, erfolgt durch das Steuergerät 34 eine impulsartige Ansteuerung des Dosierventils 36, so dass eine impulsartige Durchströmung der Treibdüse 46 erfolgt, wodurch kondensiertes Wasser sicher aus dieser ausgetragen wird.
Wird durch das Steuergerät 34 beziehungsweise durch den diesem zugeordneten Temperaturfühler erkannt, dass sich die Umgebungstemperatur dem Gefrierpunkt nähert, so kann kurz vor Erreichen des Gefrierpunktes durch das Steuergerät 34 eine erneute Ansteuerung des Dosierventils 36 für eine sehr kurze Zeitspanne initiiert werden. Somit ist sichergestellt, dass kurz vor Erreichen des Gefrierpunktes erneut eine Durchströmung des Düsenkanals 58 der Treibdüse 46 erfolgt, so dass eventuell in dieser vorliegendes Kondensat noch vor Erreichen des Gefrierpunktes, d. h. vor dem Einsetzen der Eisbildung, zuverlässig aus dem Düsenkanal 58 der Treibdüse 46 entfernt wird. Ein weiteres Absinken der Umgebungstemperaturen ist danach unerheblich, da den Düsenkanal 58 durchfließendes Eis als Anwesenheit von Wasser nicht gebildet werden kann und somit ein Neustart des Brennstoffzellensystems 10, beispielsweise nach einer Parkphase im Freien bei niedrigen Außentemperaturen problemlos möglich ist, da der Düsenkanal 58 nicht verstopft, sondern frei von Eis ist.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren lässt sich insbesondere an der Strahlpumpe 28 mit integriertem Dosierventil 36 verwirklichen, da in dieser Konstruktionsvariante ein minimales Totvolumen zwischen dem Ventilsitz 50 und dem Düsenaustritt 62 vorhanden ist, und eine sehr kurze Ansteuerung des Dosierventils 36 mittels des Steuergerätes 34 ausreichend ist, um den Düsenkanal 58 in der dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren eigenen Weise impulsartig zu durchströmen und Kondenswasser auszublasen.
Durch das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren ist weiterhin sichergestellt, dass zum Ansteuerzeitpunkt des Dosierventils 36 durch das Steuergerät 34, vor der impulsartigen Durchströmung der Treibdüse auf der brennstoffseitigen Zulaufseite, d. h. am F -Zulauf 30, ein höherer Druck herrscht. Dadurch kann vermieden werden, dass von der Ablaufseite der Strahlpumpe 28 her Feuchtigkeit enthaltendes Anodengas zurück in die Treibdüse 46 strömt und diese frei von Wassereintrag bleibt.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10) mit einer Strahlpumpe (28) zur Förderung eines anodenseitigen Gasstroms in einem Rezirkulationspfad (26), wobei die Strahlpumpe (28) ein Dosierventil (36) zur Dosierung von h umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abkühlens des Brennstoffzellensystems (10) eine Treibdüse (46) mindestens einmal impulsartig durchströmt wird, um kondensiertes Wasser auszutragen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kurz vor Erreichen des Gefrierpunktes eine weitere impulsartige Durchströmung der Treibdüse (46) erfolgt.
3. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibdüse (46) mit Brennstoff, insbesondere gasförmigem h beaufschlagt wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die impulsartige Durchströmung der Treibdüse (46) während des Abkühlens des Brennstoffzellensystems (10) auf eine Temperatur von 20°C bis 30° C durchgeführt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die impulsartige Durchströmung bei einem Zulaufdruck im Bereich von 3 bar bis 16 bar durchgeführt wird
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die impulsartige Durchströmung während einer Zeitspanne von 0,01 s bis 0,1 s durchgeführt wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu Ansteuerzeitpunkten des Dosierventils (36) im h - Zulauf (30) ein höherer Druck herrscht als im Ansaugbereich (66) um die Treibdüse (46).
8. Strahlpumpe (28) mit Dosierventil (36) zur Förderung eines anodenseitigen Gasstromes gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer in einem Ansaugbereich (66) der Strahlpumpe (28) hineinragenden Treibdüse (46), deren Brennstoffzulauf, insbesondere ein H2-Zulauf (30), durch das Dosierventil (36) geöffnet oder verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibdüse (46) zwischen einem Düsenaustritt (62) und einem Ventilsitz (50) ein minimales Totvolumen aufweist, welches in einer Größenordnung zwischen 70 mm3 und 200 mm3 liegt.
9. Strahlpumpe (28) mit integriertem Dosierventil (36) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaustritt (62) der Treibdüse (46) axial vor einem Mischrohr (64) liegt und sich ein Ansaugbereich (66) des Rezirkulationspfades (26) um die Treibdüse (46) erstreckt.
10. Verwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10) zum Antrieb eines Fahrzeugs.
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