WO2022100978A1 - Treibstofffördereinrichtung zum fördern eines treibstoffs für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben einer treibstofffördereinrichtung zum fördern eines treibstoffs für ein brennstoffzellensystem - Google Patents

Treibstofffördereinrichtung zum fördern eines treibstoffs für ein brennstoffzellensystem, brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben einer treibstofffördereinrichtung zum fördern eines treibstoffs für ein brennstoffzellensystem Download PDF

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delivery device
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path
conveying
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Benedikt Leibssle
Jochen Wessner
Martin Katz
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel delivery device for delivering fuel for a fuel cell system, a fuel cell system and a method for operating a fuel delivery device for delivering fuel for a fuel cell system.
  • the fuel for example hydrogen
  • the fuel cell can usually be provided for an anode circuit of the fuel cell.
  • the anode circuit is designed to supply the anode side of the fuel cell or the fuel cell stack with a first gas, which can then cause a reaction in the fuel cell.
  • the hydrogen can also be circulated via an ejector pump and/or a recirculation fan.
  • the ejector pump can cover an upper load range and the recirculation fan a lower load range.
  • a combination of circular circulation and fresh feed may be possible, but the two conveying methods also influence each other, since they are usually operated in series with one another (connected).
  • DE 112006003013 B4 describes a tank with a fitting and a valve, the valve being fixed in the fitting.
  • the present invention provides a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to claim 1, a fuel cell system according to claim 10, and a method for operating a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to claim 11.
  • the idea on which the present invention is based is to specify a fuel delivery device for delivering fuel for a fuel cell system, a fuel cell system and a method for operating a fuel delivery device for delivering fuel for a fuel cell system, with parallel operation of a circulation delivery of the fuel and a delivery of the fuel can be operated from one tank and mutual influencing of direct funding and circulation funding can be reduced by parallel operation.
  • the fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system comprises a first delivery path for the fuel with a first delivery device; a second conveying path for the fuel with a second conveying device; an opening area in which the first conveying path and the second conveying path open into one another; and a common outlet opening for the fuel, which connects to the mouth area and through which the fuel can be delivered to a fuel cell.
  • the fuel can be gaseous, for example, although it is also possible to pump a liquid fuel.
  • the first conveying path and/or the second conveying path can each or both comprise a pipe or a hose which can end in an end piece which can comprise the mouth region and the outlet opening.
  • the word “fuel” can be understood broadly as an agent or component of a substance for powering a fuel cell, such as an anode side of a fuel cell. However, it is also possible to align the same system with a cathode side of the fuel cell.
  • the fuel cell can be an individual fuel cell or a fuel cell stack.
  • the conveying action can include different methods, for example pumping or suction jet conveying.
  • Two conveying paths running in parallel can be operated by the respective conveying devices and depending on the specification in different operating modes, for example depending on the performance of the fuel cell and the necessary conveyance of fresh and/or recirculated fuel, advantageously controlled in parallel and only brought together in the mouth area .
  • the mouth area can be located directly in front of the exit opening.
  • the first conveying path and/or the second conveying path and their components can each be formed as modules.
  • the fuel delivery device can be used, for example, for all fuel cell systems with a hydrogen metering valve and recirculation or also for other types of fuel for fuel cell systems.
  • the first delivery device comprises a metering valve and/or a suction jet pump.
  • the fuel advantageously hydrogen
  • the fuel can be supplied to the fuel cell in a high load and/or power range via the metering valve and the ejector pump, since a sufficiently high volume flow of the fuel can be achieved through the first delivery path with the ejector pump.
  • the first delivery path can be connected to an external fuel tank.
  • the first conveying path can thus convey the fuel from the external fuel tank to the fuel cell and thus to the fuel cell system.
  • the second delivery device comprises a recirculation pump.
  • the second delivery path can circulate the fuel from the fuel cell and back to it, advantageously in a low load and/or power range alone or in support of the first delivery path.
  • the recirculation pump may include a recirculation fan.
  • the second delivery path can be connected to a fuel cell as a circuit for the fuel. According to a preferred embodiment of the fuel delivery device, it is set up to deliver liquid or gaseous hydrogen as fuel.
  • the pumps, lines, seals and valves on the conveying paths can be designed accordingly.
  • the mouth area includes a reed valve with which the first delivery path and/or the second delivery path can be at least partially closed in the mouth area by a pressure applied in the corresponding other delivery path.
  • the reed valve can include a flap which can at least partially or completely close an outlet of the first conveying path and/or the second conveying path in the mouth area and can interrupt the exit of the fuel from this conveying path.
  • the reed valve comprises a spring with which the reed valve can be prestressed in a rest position, below which the first delivery path or the second delivery path is closed.
  • the resting position can be chosen such that in the resting position no opposing force acts on the reed valve and the reed valve can be held by the spring in such a way that the reed valve either completely or only partially closes one of the conveying paths.
  • the first delivery path is set up to be operated in an upper load range of the fuel cell system and the second delivery path is set up to be operated in a lower load range of the fuel cell system, the lower load range and the upper load range being completely different or an overlapping range of values have, wherein the first conveying path and / or the second conveying path are operable parallel to each other.
  • the first conveying path can be operated in an upper load range and the second conveying path can be operated in a lower load range.
  • the load ranges can be separated at 50% of the load (power operation) on the fuel cell, in other words below 50% can mean a lower load range and from/over 50% an upper load range.
  • the two delivery units can be connected in series, in which case a transition between the load ranges (operation under the respective load range) can be smooth.
  • the overlapping value range can exist when the fuel cell and the fuel delivery device are operated at part load.
  • the fuel cell system comprises a fuel cell and a fuel delivery device according to the invention.
  • a fuel delivery device for delivering a fuel and connecting the fuel delivery device to a fuel cell is provided; detecting a need to deliver the fuel from a fuel tank and/or from the fuel cell and then delivering the fuel to the fuel cell by means of the first delivery path with a first delivery device; and/or recognizing a need for conveying the fuel from the fuel cell in a circuit and then conveying the fuel in the circuit by means of the second conveying path with a second conveying device; and releasing the fuel via a common outlet opening for the fuel, which connects to the orifice area and through which the fuel is released to the fuel cell.
  • the necessity can be detected via sensors or knowledge of the operating mode of the fuel cell, for example from a conclusion about the currently operated power range/load range of the fuel cell.
  • the first conveying path can thus convey the fuel externally from a tank and/or from an inlet of a recirculation of the fuel cell itself.
  • the method can advantageously also be characterized by the already mentioned features of the fuel delivery device and/or the fuel cell system and vice versa.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 4 is a block diagram of method steps of a method for operating a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the fuel delivery device 10 for delivering a fuel for a fuel cell system comprises a first delivery path F1 for the fuel with a first delivery device FEI; a second delivery path F2 for the fuel with a second delivery device FE2; an opening area MB, in which the first conveying path F1 and the second conveying path F2 open into one another; and a common outlet opening AO for the fuel, which connects to the mouth area MB and through which the fuel can be delivered to a fuel cell.
  • the first delivery device FEI can include a metering valve DV and/or an ejector pump SP.
  • the first conveying path Fl can be connected to an external fuel tank.
  • the second delivery device FE2 can include a recirculation pump RP and the second delivery path F2 can be connected to a fuel cell as a circuit for the fuel.
  • the fuel delivery device 10 with its components can be designed to deliver liquid or gaseous hydrogen as fuel.
  • the mouth area MB can include a reed valve FV, with which the first conveying path F1 and/or the second conveying path F2 can be at least partially closed in the mouth area MB by a pressure present in the corresponding other conveying path.
  • the reed valve FV can include a spring F, with which the reed valve FV can be pretensioned in a rest position, under which the first delivery path F1 or the second delivery path F2 can be closed.
  • the fuel delivery device 10 can be included in a fuel cell system with a fuel cell, for example in the form of an anode module of the fuel cell system.
  • FIG. 1 shows a case in which only the second delivery path F2 is active and the fuel (arrow representation) is delivered by the recirculation pump RP, in particular in a circular circulation back to the fuel cell (anode).
  • the reed valve FV is opened in such a way that the second conveying path F2 is completely open at the mouth area MB and the first conveying path F1 is completely closed.
  • the first delivery device FEI can be switched off and not deliver any fuel from a tank.
  • the reed valve can be in an upper stop and close the first delivery path Fl and can thus cause a pneumatic short circuit (delivered Prevent or at least reduce anode gas flows through the fuel cell (stack) and not backwards through the ejector pump (or through the first conveying path). In this case, the lowest load can therefore be applied to the fuel cell.
  • the reed valve can be biased for this purpose or not, wherein a bias can apply a lower force than the pressure from the second conveying path and thus the reed valve can be pressed onto the opening of the first conveying path, or can be biased in such a way as to reach this position when the pressure from the first conveying path is removed.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows the fuel delivery device 10 from FIG. 1, although the first delivery path F1 can also be active, with the fuel delivery device 10 and the fuel cell being able to be operated under partial load, i.e. under a load that can be less than full load and can therefore also be partially operated with the first conveying path.
  • the metering valve DV can admit a specific quantity of fuel per unit of time into the first delivery path Fl and the ejector pump SP can generate this volume flow of the fuel, with the fuel being admitted externally from a fuel tank and/or also from the recirculation path of the fuel cell can, i.e. gas already in the system.
  • the supply via the circulation path can take place via a hole to the first conveying path.
  • 2 shows an inlet from the fuel cell, which opens into the second delivery path F2 and can also open into the first delivery path F1 through a hole in the area of the metering valve DV and/or the ejector pump. 1 can also be designed, but the hole can be closed there, for example by an actuator.
  • Both paths can also be operated in parallel in the solution of FIG. 2 described here, i.e. the transition area between the upper and lower load range is fluid. Ultimately, it depends on the design of the components (modular system) and the operating strategy where the limit is drawn.
  • the fuel cell can be operated under partial load, in other words less than under full load.
  • the reed valve FV can then assume an intermediate position between the first and the second conveying path, for example determined by which of the volume flow from the first conveying path and from the second conveying path predominates and in which relation to one another. For example, if both flows are the same, the reed valve FV can be located exactly in the middle position between the outlet of the first conveying path F1 and the outlet of the second conveying path F2, for example at an angle bisector of the movement space of the reed valve FV. In this middle position, the reed valve can also be preloaded.
  • the recirculation pump RP can be connected in parallel with the ejector pump SP.
  • the pressure-side merging can take place in the opening area MB through the reed valve FV.
  • the reed valve can be spring-loaded to define a clear rest position. Under partial load, the reed valve FV flutters in the position that results from the different mass flows. In partial load, when both delivery paths can be in use, the reed valve looks for a position that corresponds to the ratio of the two mass flows. The position and the flutter behavior can be adjusted by the spring.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a fuel delivery device for delivering a fuel for a fuel cell system according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the first delivery path can also use the fuel from the circulation (in addition to fresh fuel from the tank, in this case a feed line from the fuel cell can be connected to the metering valve DV and metered into the first delivery path through the metering valve DV and pumped out by the ejector pump SP in be driven into the first conveying path Fl).
  • a feed line from the fuel cell can be connected to the metering valve DV and metered into the first delivery path through the metering valve DV and pumped out by the ejector pump SP in be driven into the first conveying path Fl).
  • FIG. 4 shows a block diagram of method steps of a method for operating a fuel delivery device for delivering fuel for a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a fuel delivery device In the method for operating a fuel delivery device for delivering fuel for a fuel cell system, a fuel delivery device according to the invention is provided S1 and the fuel delivery device is connected to a fuel cell; a detection S2 of a need to deliver the fuel from a fuel tank and then delivering S3 the fuel from the fuel tank to the fuel cell by means of the first delivery path with a first delivery device; and/or a detection S4 of a need to convey the fuel from the fuel cell in a circuit and then conveying S5 the fuel in the circuit by means of the second conveying path with a second conveying device; and a discharge S6 of the fuel via a common outlet opening for the fuel, which connects to the mouth area and through which the fuel is discharged to the fuel cell.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Treibstofffördereinrichtung (10) zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen ersten Förderpfad (F1) für den Treibstoff mit einer ersten Fördereinrichtung (FE1); einen zweiten Förderpfad (F2) für den Treibstoff mit einer zweiten Fördereinrichtung (FE2); einen Mündungsbereich (MB), in welchem der erste Förderpfad (F1) und der zweite Förderpfad (F2) ineinander münden; und - eine gemeinsame Ausgangsöffnung (AO) für den Treibstoff, welche an den Mündungsbereich (MB) anschließt und durch welche der Treibstoff an eine Brennstoffzelle abgebbar ist.

Description

Beschreibung
Titel
Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Üblicherweise kann bei Brennstoffzellensystemen der Treibstoff, etwa Wasserstoff, für einen Anodenkreis der Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Der Anodenkreis ist dabei dazu ausgelegt, die Anodenseite der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellenstapels mit einem ersten Gas zu versorgen, durch welches dann eine Reaktion an der Brennstoffzelle erfolgen kann.
Es ist dabei möglich, frischen Treibstoff (Wasserstoff) von einem Tank zu beziehen und diesen über ein Dosierventil dem System zuzuführen. Andererseits kann der Wasserstoff auch über eine Saugstrahlpumpe und/oder ein Rezirkulationsgebläse im Kreis gefördert werden. Die Saugstrahlpumpe kann dabei einen oberen Lastbereich abdecken und das Rezirkulationsgebläse einen unteren Lastbereich. Eine Kombination von Kreiszirkulation und frischer Zufuhr kann möglich sein, die beiden Fördermethoden sich jedoch auch beeinflussen, da diese üblicherweise in Reihe zueinander (geschaltet) betrieben werden. In der DE 112006003013 B4 wird ein Tank mit einer Armatur und einem Ventil beschrieben, wobei das Ventil in der Armatur befestigt ist.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft eine Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, und ein Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, wobei ein Parallelbetrieb einer Zirkulationsförderung des Treibstoffs und einer Förderung des Treibstoffs von einem Tank betreibbar ist und ein gegenseitiges Beeinflussen der direkten Förderung und der Zirkulationsförderung durch den Parallelbetrieb verringerbar ist.
Erfindungsgemäß umfasst die Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem einen ersten Förderpfad für den Treibstoff mit einer ersten Fördereinrichtung; einen zweiten Förderpfad für den Treibstoff mit einer zweiten Fördereinrichtung; einen Mündungsbereich, in welchem der erste Förderpfad und der zweite Förderpfad ineinander münden; und eine gemeinsame Ausgangsöffnung für den Treibstoff, welche an den Mündungsbereich anschließt und durch welche der Treibstoff an eine Brennstoffzelle abgebbar ist. Der Treibstoff kann beispielsweise gasförmig sein, wobei auch das Fördern eines flüssigen Treibstoffs möglich ist. Der erste Förderpfad und/oder der zweite Förderpfad können jeweils oder beide ein Rohr oder einen Schlauch umfassen, welcher in ein Endstück münden kann, welches den Mündungsbereich und die Ausgangsöffnung umfassen kann.
Der Wortlaut „Treibstoff“ kann hier allgemein als ein Mittel oder eine Komponente eines Stoffs zum Antreiben einer Brennstoffzelle verstanden werden, etwa für eine Anodenseite einer Brennstoffzelle. Es ist dabei allerdings auch möglich, das gleiche System an eine Kathodenseite der Brennstoffzelle auszurichten. Die Brennstoffzelle kann dabei eine einzelne Brennstoffzelle oder ein Brennstoffzellenstapel sein.
Die Aktion des Förderns kann dabei unterschiedliche Verfahren umfassen, beispielsweise ein Pumpen oder eine Saugstrahlförderung. Zwei parallel geführte Förderpfade können dabei durch die jeweiligen Fördereinrichtungen und je nach Vorgabe in unterschiedlichen Betriebsmodi, etwa abhängig von der Leistung der Brennstoffzelle und der nötigen Förderung von frischen und/oder rezirkulierten Treibstoff, betrieben werden, vorteilhaft parallel angesteuert und erst in dem Mündungsbereich zusammengeführt werden. Der Mündungsbereich kann sich dabei unmittelbar vor der Ausgangsöffnung befinden. Durch eine derartige Anordnung kann eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Fördereinrichtung und Förderpfade verringert oder sogar vermieden werden, was eine Flexibilität und Effektivität der Treibstofffördereinrichtung und letztlich auch der Brennstoffzelle verbessern kann, da der Treibstoff aus dem gerade bevorzugten Förderpfad flexibler angefordert werden kann und zielgerichteter zwischen den Treibstoffen aus den Förderpfaden gewählt werden kann.
Der erste Förderpfad und/oder der zweite Förderpfad und deren Komponenten können jeweils als Module ausgeformt sein.
Die Treibstofffördereinrichtung kann beispielsweise für alle Brennstoffzellensysteme mit Wasserstoffdosierventil und Rezirkulation oder auch für andere Treibstoff arten für Brennstoffzellensysteme zum Einsatz kommen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst die erste Fördereinrichtung ein Dosierventil und/oder eine Saugstrahlpumpe.
Der Treibstoff, vorteilhaft Wasserstoff, kann über das Dosierventil, beispielsweise über ein Wasserstoffdosierventil, zum ersten Förderpfad zugeführt werden, von einem externen Tank und/oder von einer Rezirkulation von der Brennstoffzelle. Über das Dosierventil und die Saugstrahlpumpe kann der Treibstoff in einem hohem Lasten- und/oder Leistungsbereich der Brennstoffzelle dieser zugeführt werden, da durch den ersten Förderpfad mit der Saugstrahlpumpe ein ausreichend hoher Volumensfluss des Treibstoffs erzielt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung ist der erste Förderpfad mit einem externen Treibstofftank verbindbar.
Der erste Förderpfad kann so den Treibstoff von dem externen Treibstofftank an die Brennstoffzelle und somit an das Brennstoffzellensystem fördern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst die zweite Fördereinrichtung eine Rezirkulationspumpe.
Zur Förderung in einem Kreislauf kann von der Brennstoffzelle und zu dieser zurück, der zweite Förderpfad den Treibstoff zirkulieren, vorteilhaft in einem geringen Lasten- und/oder Leistungsbereich allein oder in Unterstützung zum ersten Förderpfad.
Die Rezirkulationspumpe kann ein Rezirkulationsgebläse umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung ist der zweite Förderpfad mit einer Brennstoffzelle als ein Kreislauf für den Treibstoff verbindbar. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung ist diese dazu eingerichtet, flüssigen oder gasförmigen Wasserstoff als Treibstoff zu fördern.
Entsprechend können die Pumpen, Leitungen, Dichtungen und Ventile an den Förderpfaden ausgelegt sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst der Mündungsbereich ein Flatterventil, mit welchem im Mündungsbereich der erste Förderpfad und/oder der zweite Förderpfad durch einen in dem entsprechend anderen Förderpfad anliegenden Druck zumindest teilweise verschließbar ist.
Das Flatterventil kann eine Klappe umfassen, welche einen Ausgang des ersten Förderpfades und/oder des zweiten Förderpfades in den Mündungsbereich zumindest teilweise oder ganz verschließen kann und einen Austritt des Treibstoffs aus diesem Förderpfad unterbrechen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung umfasst das Flatterventil eine Feder, mit welcher das Flatterventil in einer Ruheposition vorspannbar ist, unter welcher der erste Förderpfad oder der zweite Förderpfad geschlossen ist.
Die Ruheposition kann dabei derart gewählt sein, dass in der Ruheposition keine Gegenkraft auf das Flatterventil einwirkt und das Flatterventil durch die Feder derart gehalten werden kann, dass das Flatterventil entweder einen der Förderpfade ganz oder nur teilweise verschließt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Treibstofffördereinrichtung ist der erste Förderpfad dazu eingerichtet, in einem oberen Lastbereich des Brennstoffzellensystems betrieben zu werden und der zweite Förderpfad dazu eingerichtet, in einem unteren Lastbereich des Brennstoffzellensystems betrieben zu werden, wobei der untere Lastbereich und der obere Lastbereich vollständig verschieden sind oder einen Überschneidungswertebereich aufweisen, wobei der erste Förderpfad und/oder der zweite Förderpfad parallel zueinander betreibbar sind.
Der erste Förderpfad kann in einem oberen Lastbereich betrieben werden und der zweite Förderpfad kann in einem unteren Lastbereich betrieben werden.
Die Lastbereiche kann man bei 50% der Last (Leistungsbetrieb) an der Brennstoffzelle trennen, mit anderen Worten kann unterhalb von 50 % ein unterer Lastbereich und ab/über 50 % ein oberer Lastbereich gemeint sein. In bisherigen Treibstofffördereinrichtungen können die beiden Fördereinheiten in Reihe geschaltet sein, wobei dann ein Übergang der Lastenbereiche (Betrieb unter dem jeweiligen Lastbereich) fließend sein kann.
Der Überschneidungswertebereich kann dann vorhanden sein, wenn die Brennstoffzelle und die Treibstofffördereinrichtung in einer Teillast betrieben werden.
Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle und eine erfindungsgemäße Treibstofffördereinrichtung.
Erfindungsgemäß erfolgt bei einem Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem ein Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs und Verbinden der Treibstofffördereinrichtung mit einer Brennstoffzelle; ein Erkennen einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs von einem Treibstofftank und/oder von der Brennstoffzelle und danach Fördern des Treibstoffs zu der Brennstoffzelle mittels des ersten Förderpfads mit einer ersten Fördereinrichtung; und/oder ein Erkennen einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs von der Brennstoffzelle in einem Kreislauf und danach Fördern des Treibstoffs in dem Kreislauf mittels des zweiten Förderpfads mit einer zweiten Fördereinrichtung; und ein Abgeben des Treibstoffs über eine gemeinsame Ausgangsöffnung für den Treibstoff, welche an den Mündungsbereich anschließt und durch welche der Treibstoff an die Brennstoffzelle abgegeben wird. Das Erkennen der Notwendigkeit kann über Sensoren oder Kenntnis über die Betriebsart der Brennstoffzelle erfolgen, etwa aus einem Rückschluss über den gegenwärtig betriebenen Leistungsbereich / Lastenbereich der Brennstoffzelle. Der erste Förderpfad kann so den Treibstoff von extern von einem Tank fördern und/oder von einem Zulauf einer Rezirkulation von der Brennstoffzelle selbst.
Das Verfahren kann sich vorteilhaft auch durch die bereits genannten Merkmale der Treibstofffördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems auszeichnen und umgekehrt.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand des in den schematischen Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 4 eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Treibstofffördereinrichtung 10 zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem, umfasst einen ersten Förderpfad Fl für den Treibstoff mit einer ersten Fördereinrichtung FEI; einen zweiten Förderpfad F2 für den Treibstoff mit einer zweiten Fördereinrichtung FE2; einen Mündungsbereich MB, in welchem der erste Förderpfad Fl und der zweite Förderpfad F2 ineinander münden; und eine gemeinsame Ausgangsöffnung AO für den Treibstoff, welche an den Mündungsbereich MB anschließt und durch welche der Treibstoff an eine Brennstoffzelle abgebbar ist. Dabei kann die erste Fördereinrichtung FEI ein Dosierventil DV und/oder eine Saugstrahlpumpe SP umfassen. Der erste Förderpfad Fl kann mit einem externen Treibstofftank verbindbar sein. Die zweite Fördereinrichtung FE2 kann eine Rezirkulationspumpe RP umfassen und der zweite Förderpfad F2 mit einer Brennstoffzelle als ein Kreislauf für den Treibstoff verbindbar sein.
Allgemein kann die Treibstofffördereinrichtung 10 mit deren Komponenten dazu ausgelegt sein flüssigen oder gasförmigen Wasserstoff als Treibstoff zu fördern.
Der Mündungsbereich MB kann ein Flatterventil FV umfassen, mit welchem im Mündungsbereich MB der erste Förderpfad Fl und/oder der zweite Förderpfad F2 durch einen in dem entsprechend anderen Förderpfad anliegenden Druck zumindest teilweise verschließbar sein kann. Dazu kann das Flatterventil FV eine Feder F umfassen, mit welcher das Flatterventil FV in einer Ruheposition vorspannbar sein kann, unter welcher der erste Förderpfad Fl oder der zweite Förderpfad F2 geschlossen sein kann. Es kann dabei der erste Förderpfad Fl dazu eingerichtet sein, in einem oberen Lastbereich des Brennstoffzellensystems betrieben zu werden und der zweite Förderpfad F2 dazu eingerichtet sein, in einem unteren Lastbereich des Brennstoffzellensystems betrieben zu werden, wobei der untere Lastbereich und der obere Lastbereich vollständig verschieden sein können oder einen Überschneidungswertebereich aufweisen können, wobei der erste Förderpfad Fl und/oder der zweite Förderpfad F2 parallel zueinander betreibbar sein können. Die Treibstofffördereinrichtung 10 kann in einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle umfasst sein, etwa als ein Anodenmodul des Brennstoffzellensystems ausgeformt sein.
Die Fig. 1 zeigt einen Fall, in welchem nur der zweite Förderpfad F2 aktiv ist und der Treibstoff (Pfeildarstellung) von der Rezirkulationspumpe RP gefördert wird, insbesondere in einer Kreiszirkulation wieder zur Brennstoffzelle (Anode). Das Flatterventil FV ist dabei derart aufgeklappt, dass der zweite Förderpfad F2 an dem Mündungsbereich MB vollständig geöffnet ist und der erste Förderpfad Fl vollständig geschlossen ist. In diesem Fall kann die erste Fördereinrichtung FEI ausgeschaltet sein und keinen Treibstoff von einem Tank fördern.
Wird kein Treibstoff (Wasserstoff) aus dem ersten Förderpfad Fl zur Rezirkulation des zweiten Förderpfads hinzu dosiert und wenn die Rezirkulationspumpe RP betrieben wird, so kann sich das Flatterventil in einem oberen Anschlag befinden und den ersten Förderpfad Fl verschließen und kann so einen pneumatischen Kurzschluss (gefördertes Anodengas strömt durch die Brennstoffzelle(stapel) und nicht rückwärts durch die Saugstrahlpumpe (oder durch den ersten Förderpfad) verhindern oder zumindest verringern. In diesem Fall kann also die geringste Last an der Brennstoffzelle anliegen/ erfolgen. Das Flatterventil kann hierzu vorgespannt sein oder nicht, wobei eine Vorspannung eine geringere Kraft aufbringen kann als der Druck aus dem zweiten Förderpfad und somit das Flatterventil auf die Öffnung des ersten Förderpfads gedrückt werden kann, oder derart vorgespannt sein kann um diese Position bei eine Wegfall des Drucks von dem ersten Förderpfad zu erreichen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 2 zeigt die Treibstofffördereinrichtung 10 aus der Fig. 1, wobei jedoch auch der erste Förderpfad Fl aktiv sein kann, wobei die Treibstofffördereinrichtung 10 und die Brennstoffzelle unter Teillast betrieben werden können, also unter einer Last, die geringer sein kann als eine Volllast und daher auch teilweise mit dem ersten Förderpfad betrieben werden kann. Hierbei kann das Dosierventil DV eine bestimmte Menge des Treibstoffs pro Zeiteinheit in den ersten Förderpfad Fl einlassen und die Saugstrahlpumpe SP diesen Volumensfluss des Treibstoffs erzeugen, wobei der Einlass des Treibstoffs extern von einem Treibstofftank erfolgen kann und/oder auch von dem Rezirkulationspfad von der Brennstoffzelle erfolgen kann, also schon im System befindliches Gas. Die Zufuhr über den Zirkulationspfad kann über ein Loch zum ersten Förderpfad hin erfolgen. Die Fig. 2 zeigt einen Zulauf von der Brennstoffzelle, welcher in den zweiten Förderpfad F2 mündet und durch ein Loch im Bereich des Dosierventils DV und/oder der Saugstrahlpumpe auch in den ersten Förderpfad Fl münden kann. Die Fig. 1 kann ebenso ausgebildet sein, jedoch das Loch dort geschlossen werden, etwa durch einen Aktor.
In den unteren Lastpunkten (etwa unter 50 % Last) wird nur sehr wenig frischer Wasserstoff benötigt.
Auch bei der hier beschriebenen Lösung der Fig. 2 können beide Pfade parallel betrieben werden, d.h. der Übergangsbereich zwischen oberem und unterem Lastbereich ist fließend. Letztlich hängt es an der Auslegung der Komponenten (Baukasten) und der Betriebsstrategie, wo man die Grenze zieht.
Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle in einer Teillast betrieben werden, mit anderen Worten geringer als in Volllast. Das Flatterventil FV kann dann eine Zwischenposition zwischen dem ersten und dem zweiten Förderpfad einnehmen, etwa dadurch bestimmt, welcher des Volumensflusses aus dem ersten Förderpfad und aus dem zweiten Förderpfad überwiegt und in welcher Relation zueinander. So kann beispielsweise, wenn beide Flüsse gleich sind, sich das Flatterventil FV genau in der Mittelposition zwischen dem Ausgang des ersten Förderpfades Fl und dem Ausgang des zweiten Förderpfades F2 befinden, etwa an einer Winkelhalbierenden des Bewegungsraumes des Flatterventils FV. In dieser Mittelposition kann das Flatterventil auch vorgespannt sein.
Die Rezirkulationspumpe RP kann parallel zur Saugstrahlpumpe SP geschaltet sein. Die druckseitige Zusammenführung kann im Mündungsbereich MB durch das Flatterventil FV erfolgen. Das Flatterventil kann federbelastet sein um eine eindeutige Ruheposition zu definieren. Unter Teillast flattert das Flatterventil FV auf der Position, die sich auf Grund der unterschiedlichen Massenströme ergibt. In Teillast, wenn beide Förderpfade im Einsatz sein können, sucht sich das Flatterventil demnach eine Position, die dem Verhältnis der beiden Massenströme entspricht. Die Lage und das Flatterverhalten kann durch die Feder angepasst werden.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 3 zeigt die Treibstofffördereinrichtung 10 aus der Fig. 1 bzw. aus der Fig. 2, wobei nur der erste Förderpfad Fl aktiv sein kann und die Brennstoffzelle und damit die Treibstofffördereinrichtung 10 unter Volllast betrieben werden kann, also nur mit Treibstoff von dem Tank betrieben werden kann. Alternativ kann der erste Förderpfad auch den Treibstoff aus der Zirkulation mitverwenden (zusätzlich zum frischen Treibstoff aus dem Tank, dabei kann eine Zuleitung von der Brennstoffzelle an das Dosierventil DV anschließen und durch das Dosierventil DV in den ersten Förderpfad eindosiert werden und von der Saugstrahlpumpe SP in den ersten Förderpfad Fl hineingetrieben werden).
Der frische Treibstoff (Wasserstoff) kann also über das Dosierventil DV (Modul des ersten Förderpfads) von außen vom Tank dem System zugeführt werden. Unter Volllast kann die Rezirkulationspumpe RP abgeschaltet werden und nur die Saugstrahlpumpe SP arbeiten. Durch die Strömungskräfte kann dann das Flatterventil FV in der unteren, geschlossenen Lage für den zweiten Förderpfad F2 gehalten (gedrückt) werden. Fig. 4 zeigt eine Blockdarstellung von Verfahrensschritten eines Verfahrens zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei dem Verfahren zum Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem erfolgt ein Bereitstellen S1 einer erfindungsgemäßen Treibstofffördereinrichtung und ein Verbinden der Treibstofffördereinrichtung mit einer Brennstoffzelle; ein Erkennen S2 einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs von einem Treibstofftank und danach Fördern S3 des Treibstoffs von dem Treibstofftank zu der Brennstoffzelle mittels des ersten Förderpfads mit einer ersten Fördereinrichtung; und/oder ein Erkennen S4 einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs von der Brennstoffzelle in einem Kreislauf und danach Fördern S5 des Treibstoffs in dem Kreislauf mittels des zweiten Förderpfads mit einer zweiten Fördereinrichtung; und ein Abgeben S6 des Treibstoffs über eine gemeinsame Ausgangsöffnung für den Treibstoff, welche an den Mündungsbereich anschließt und durch welche der Treibstoff an die Brennstoffzelle abgegeben wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.

Claims

Ansprüche
1. Treibstofffördereinrichtung (10) zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem, umfassend:
- einen ersten Förderpfad (Fl) für den Treibstoff mit einer ersten Fördereinrichtung (FEI);
- einen zweiten Förderpfad (F2) für den Treibstoff mit einer zweiten Fördereinrichtung (FE2);
- einen Mündungsbereich (MB), in welchem der erste Förderpfad (Fl) und der zweite Förderpfad (F2) ineinander münden; und
- eine gemeinsame Ausgangsöffnung (AO) für den Treibstoff, welche an den Mündungsbereich (MB) anschließt und durch welche der Treibstoff an eine Brennstoffzelle abgebbar ist.
2. Treibstofffördereinrichtung (10) nach Anspruch 1, bei welcher die erste Fördereinrichtung (FEI) ein Dosierventil (DV) und/oder eine Saugstrahlpumpe (SP) umfasst.
3. Treibstofffördereinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der erste Förderpfad (Fl) mit einem externen Treibstofftank verbindbar ist.
4. Treibstofffördereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die zweite Fördereinrichtung (FE2) eine Rezirkulationspumpe (RP) umfasst.
5. Treibstofffördereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der zweite Förderpfad (F2) mit einer Brennstoffzelle als ein Kreislauf für den Treibstoff verbindbar ist.
6. Treibstofffördereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche dazu eingerichtet ist, flüssigen oder gasförmigen Wasserstoff als Treibstoff zu fördern.
7. Treibstofffördereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Mündungsbereich (MB) ein Flatterventil (FV) umfasst, mit welchem im Mündungsbereich (MB) der erste Förderpfad (Fl) und/oder der zweite Förderpfad (F2) durch einen in dem entsprechend anderen Förderpfad anliegenden Druck zumindest teilweise verschließbar ist.
8. Treibstofffördereinrichtung (10) nach Anspruch 7, bei welcher das Flatterventil (FV) eine Feder (F) umfasst, mit welcher das Flatterventil (FV) in einer Ruheposition vorspannbar ist, unter welcher der erste Förderpfad (Fl) oder der zweite Förderpfad (F2) geschlossen ist.
9. Treibstofffördereinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der erste Förderpfad (Fl) dazu eingerichtet ist, in einem oberen Lastbereich des Brennstoffzellensystems betrieben zu werden und der zweite Förderpfad (F2) dazu eingerichtet ist, in einem unteren Lastbereich des Brennstoffzellensystems betrieben zu werden, wobei der untere Lastbereich und der obere Lastbereich vollständig verschieden sind oder einen Überschneidungswertebereich aufweisen, wobei der erste Förderpfad (Fl) und/oder der zweite Förderpfad (F2) parallel zueinander betreibbar sind.
10. Brennstoffzellensystem umfassend eine Brennstoffzelle und eine Treibstofffördereinrichtung (10) zum Fördern eines Treibstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
11. Verfahren zum Betreiben einer Treibstofffördereinrichtung (10) zum Fördern eines Treibstoffs für ein Brennstoffzellensystem, umfassend die Schritte:
- Bereitstellen (Sl) einer Treibstofffördereinrichtung (10) zum Fördern eines Treibstoffs nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und Verbinden der Treibstofffördereinrichtung (10) mit einer Brennstoffzelle;
- Erkennen (S2) einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs von einem Treibstofftank und/oder von der Brennstoffzelle und danach Fördern (S3) des Treibstoffs zu der Brennstoffzelle mittels des ersten Förderpfads (Fl) mit einer ersten Fördereinrichtung (FEI); und/oder
- Erkennen (S4) einer Notwendigkeit zum Fördern des Treibstoffs von der Brennstoffzelle in einem Kreislauf und danach Fördern (S5) des Treibstoffs in dem Kreislauf mittels des zweiten Förderpfads (F2) mit einer zweiten Fördereinrichtung (FE2); und
- Abgeben (S6) des Treibstoffs über eine gemeinsame Ausgangsöffnung (AO) für den - 15 -
Treibstoff, welche an den Mündungsbereich (MB) anschließt und durch welche der Treibstoff an die Brennstoffzelle abgegeben wird.
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