WO2022144183A1 - Verfahren und vorrichtung zur rezirkulation von anodengas in einem anodenkreis eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur rezirkulation von anodengas in einem anodenkreis eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem Download PDF

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WO2022144183A1
WO2022144183A1 PCT/EP2021/086099 EP2021086099W WO2022144183A1 WO 2022144183 A1 WO2022144183 A1 WO 2022144183A1 EP 2021086099 W EP2021086099 W EP 2021086099W WO 2022144183 A1 WO2022144183 A1 WO 2022144183A1
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WO
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fuel cell
jet pump
anode gas
cell system
jet
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PCT/EP2021/086099
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Inventor
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants

Definitions

  • the invention relates to a method for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system.
  • a device for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system is also proposed.
  • the device enables the method according to the invention to be carried out.
  • the invention relates to a fuel cell system with a device according to the invention.
  • a fuel cell system comprises at least one fuel cell, which can be used to convert a fuel, for example hydrogen, and an oxidizing agent, for example oxygen, into electrical energy, heat and water.
  • the fuel cell has an anode and a cathode.
  • the anode is supplied with the fuel and the cathode with the oxidizing agent.
  • the fuel is therefore the anode gas.
  • both jet pumps can be activated depending on the load.
  • both jet pumps can also be used for the recirculation of anode gas. In this way, a consistently high recirculation performance can be achieved, both at high and at low loads.
  • a high-load jet pump can be provided for high loads, which is then operated instead of or together with the low-load jet pump.
  • a valve is used to control at least one jet pump, via which fresh anode gas is supplied to the jet pump.
  • the jet pump can thus be controlled separately from the at least one other jet pump; in particular, the jet pump can be switched on or off.
  • the valve for controlling the jet pump or supplying fresh anode gas is preferably arranged upstream of a driving nozzle of the jet pump. With the help of the driving nozzle, a fluid jet of fresh anode gas is generated, which generates the pumping effect required for recirculation Accordingly, anode gas serves as the propellant medium. If the supply of fresh anode gas is prevented, the jet pump remains deactivated, which means that no depleted anode gas is drawn in from a recirculation line connected to the jet pump.
  • a metering valve preferably a metering valve with an integrated propulsion nozzle
  • a separate driving nozzle can thus be omitted.
  • the dosing valve can then be integrated into the jet pump instead of the driving nozzle. In this way a compact arrangement is created.
  • the pressure loss can also be reduced and the efficiency of the jet pump increased.
  • the at least one blocking element is preferably arranged on the outlet side. If each jet pump has its own outlet, a blocking element is preferably arranged in the area of each outlet. However, if the flow paths of the jet pumps are combined on the outlet side, only one blocking element is preferably arranged in the area of a common outlet in order to prevent anode gas from flowing back. This one blocking element can preferably not only be opened and closed, but also assume an intermediate position in order to operate several jet pumps at the same time. This means that all flow paths are open in the intermediate position of the blocking element. The flow paths are then combined downstream of the one blocking element.
  • the additionally proposed device for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system comprises at least two jet pumps connected in parallel, which can be operated individually or together depending on the load.
  • the proposed device is therefore particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above.
  • the same advantages can thus be achieved with the aid of the device as with the aid of the method according to the invention described above.
  • a consistently high recirculation capacity can be provided since the jet pumps can be controlled separately from one another.
  • the two jet pumps connected in parallel are structurally coupled. They preferably form a structural unit.
  • a particularly compact device can be created in this way.
  • the number of connections can be reduced.
  • the jet pumps connected in parallel can have a common inlet for fresh anode gas and/or a common inlet for recirculated anode gas.
  • the common inlet and/or the common inlet are/is preferably arranged on the side. If both a common inlet and a common inflow are present, they can be arranged on the same side or on different sides of the device.
  • the jet pumps connected in parallel have a common outlet.
  • the advantages of a common outlet have already been described above; in particular, only one blocking element is required to prevent anode gas from undesirably flowing back through an inactive jet pump.
  • At least one jet pump preferably has a valve on the inlet side.
  • the valve can in particular be a metering valve that enables fresh anode gas to be metered in precisely.
  • the valve is preferably arranged upstream of a propulsion nozzle integrated into the jet pump, with the aid of which the desired pumping effect can be achieved.
  • a propulsion nozzle integrated into the jet pump
  • the A metering valve with an integrated motive nozzle can be used near the inlet, so that a separate motive nozzle is not required. In this way, the device can be made even more compact.
  • the integrated propulsion nozzle is controlled with the help of the dosing valve.
  • At least one jet pump preferably has a blocking element on the outlet side, for example a flap or a valve, in particular a check valve. If the jet pumps are not brought together on the outlet side, each jet pump has its own blocking element to prevent undesired backflow. If the jet pumps are brought together on the outlet side, they can have a common blocking element. In this way, the number of blocking elements can be reduced.
  • the at least one blocking element is preferably actuated in a pressure-controlled manner, so that no additional actuators are required.
  • the jet pumps are brought together on the outlet side and upstream of the meeting point a single blocking element in the form of a flap is arranged, by means of which a flow path through the first or the second jet pump can be shut off, so that backflow through the respective inactive jet pump is prevented .
  • the flap can preferably assume an intermediate position in which the flow paths of both jet pumps are released. In the intermediate position of the blocking element or the flap, all jet pumps can thus be operated simultaneously.
  • the device is arranged in an anode circuit of the fuel cell system.
  • the anode circuit preferably comprises an inflow path, via which a fuel cell stack of the fuel cell system can be supplied with anode gas, and a recirculation path, via which depleted anode gas exiting the fuel cell stack is recirculated.
  • the device according to the invention connects the recirculation path to the inflow path of the anode circuit. This means that the device is connected both to the inflow path and to the recirculation path.
  • At least one connection of the device to a ne storage device provided for fresh anode gas is introduced into a jet pump upstream of a driving nozzle with the aid of a valve, preferably a metering valve, so that a fluid jet is generated which achieves the desired pumping effect.
  • a dosing valve with an integrated motive nozzle can be used.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a device according to the invention according to a first preferred embodiment with a blocking element in a first closed position
  • FIG. 2 shows the device of FIG. 1 with the blocking element in a second closed position
  • FIG. 3 shows the device of FIG. 1 with the blocking element in an intermediate position
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal section through a device according to the invention according to a second preferred embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic longitudinal section through a device according to the invention according to a third preferred embodiment.
  • the device 10 shown in FIG. 1 can be used for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system (not shown).
  • the device 10 has a first jet pump 1 and a second jet pump 2 in order to avoid a decreasing recirculation performance.
  • the two jet pumps 1, 2 are connected in parallel and combined to form a structural unit.
  • Both jet pumps 1 , 2 can be controlled separately via valves 3 , 4 .
  • the valves 3, 4 are each integrated into the jet pumps 1, 2 in the area of an inlet 8, so that the jet pumps 1, 2 can be supplied with fresh anode gas via the valves 3, 4.
  • Downstream of the valves 3, 4 is one each Driving nozzle 7 in a suction chamber 11, 12 of the respective jet pump 1, 2 is arranged.
  • the pumping effect required for recirculation is generated with the aid of the propulsion nozzles 7 .
  • the fresh anode gas supplied via the valves 3, 4 acts as a driving medium.
  • Both jet pumps 1 , 2 each have a mixing tube 13 , 14 adjoining the intake chamber 11 , 12 and a diffuser 15 , 16 following thereon, via which the recirculated anode gas enriched with fresh anode gas is fed to a common outlet 9 .
  • the device 10 can be connected to a fuel cell stack (not shown) via the common outlet 9 .
  • a blocking element 5 in the form of a flap is provided in the area of the common outlet 9.
  • the flap is shown in a first closed position. In this position, the flap prevents anode gas from flowing back via jet pump 1, which is inactive while jet pump 2 is active. If the situation is reversed, so that the jet pump 1 is active and the jet pump 2 is inactive, a backflow of anode gas via the jet pump 2 can be prevented by moving the flap into a second closed position. This is shown as an example in FIG.
  • the flap is actuated under pressure control, so that when both jet pumps 1, 2 are in operation, the flap assumes an intermediate position in which the flow paths of both jet pumps are at least partially released.
  • the volume flows are brought together by both jet pumps 1, 2 downstream of the flap. This position of the flap is shown in FIG. 3 as an example.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of a device 10 according to the invention.
  • the valves 3, 4 are designed here as metering valves with integrated driving nozzles 7, so that separate driving nozzles 7 are not required.
  • the device 10 in FIG. 4 has only one common inlet 8 for fresh anode gas, which is arranged on the side. Inlet 8 is near one common inlet 6 arranged for recirculated anode gas, so that the connection situation is simplified.
  • FIG. 5 is a modification of the device 10 shown in FIG. The two
  • Jet pumps 1, 2 are not brought together here on the outlet side, but each have their own outlet 9 with an integrated blocking element 5, with the blocking elements 5 being designed as non-return valves. Only downstream of the two check valves are the volume flows brought together by the two jet pumps 1, 2.
  • the inlet 8 for fresh anode gas is also arranged on the side of the device 10 facing away from the inlet 6 for the recirculated anode gas. Otherwise, the device 10 shown in Figure 5 corresponds to that of Figure 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen (1, 2) verwendet werden, die lastabhängig jeweils ein zeln oder gemeinsam betrieben werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (10) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (10).

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren und Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, mit deren Hilfe ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden können. Die Brennstoffzelle weist hierzu eine Anode und eine Kathode auf. Die Anode wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoff, die Kathode mit dem Oxidationsmittel versorgt. Bei dem Brennstoff handelt es sich demnach um das Anodengas.
Systemisch hat sich bei der Versorgung der Anode mit Brennstoff bzw. Anodengas der Ansatz etabliert, das noch brennstoffreiche aus der Brennstoffzelle austretende Anodengas zu rezirkulieren und zusammen mit frischem Brennstoff erneut der Anode zuzuführen. Hierbei gelangt oftmals eine Strahlpumpe - allein oder in Kombination mit einem Rezirkulationsgebläse - als Gasfördereinheit zum Einsatz. Problematisch ist dabei eine nachlassende Rezirkulationsleistung der Strahlpumpe im Teillastbereich bzw. im niederen Lastbereich. Mit der Lösung dieses Problems ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems werden mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpe verwendet, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden.
Durch Vorsehen mindestens einer weiteren Strahlpumpe, die vorzugsweise auf einen anderen Lastbereich ausgelegt ist als die erste Strahlpumpe, kann lastabhängig die eine oder die andere Strahlpumpe angesteuert werden. Grundsätzlich können auch beide Strahlpumpen zur Rezirkulation von Anodengas eingesetzt werden. Auf diese Weise kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung erbracht werden, und zwar sowohl bei hoher als auch bei niedriger Last.
Bevorzugt wird bei Niedriglast lediglich eine und/oder eine für Niedriglast ausgelegte Strahlpumpe betrieben. Dies führt zu einer lastangepassten Rezirkulationsleistung. Für Hochlast kann eine Hochlast- Strahlpumpe vorgesehen sein, die dann anstelle oder zusammen mit der Niedriglast- Strahlpumpe betrieben wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zur Ansteuerung mindestens einer Strahlpumpe ein Ventil verwendet wird, über welches der Strahlpumpe frisches Anodengas zugeführt wird. Die Strahlpumpe kann somit getrennt von der mindestens einen weiteren Strahlpumpe angesteuert werden, insbesondere kann die Strahlpumpe zu- oder abgeschaltet werden.
Das Ventil zur Ansteuerung der Strahlpumpe bzw. Zuführung von frischem Anodengas ist vorzugsweise stromaufwärts einer Treibdüse der Strahlpumpe angeordnet. Mit Hilfe der Treibdüse wird ein Fluidstrahl aus frischem Anodengas erzeugt, der die zur Rezirkulation erforderliche Pumpwirkung generiert das frische Anodengas dient demnach als Treibmedium. Wird die Zuführung von frischem Anodengas unterbunden, bleibt die Strahlpumpe deaktiviert, das heißt, dass kein abgereichertes Anodengas aus einer an die Strahlpumpe angeschlossenen Re- zirkulationsleitung angesaugt wird.
In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Dosierventil, vorzugsweise ein Dosierventil mit integrierter Treibdüse, zur Ansteuerung der mindestens einen Strahlpumpe verwendet wird. Eine separate Treibdüse kann somit entfallen. Anstelle der Treibdüse kann dann das Dosierventil in die Strahlpumpe integriert werden. Auf diese Weise wird eine kompakte Anordnung geschaffen. Durch Integration der Treibdüse in das Dosierventil kann zudem der Druckverlust verringert und die Effizienz der Strahlpumpe erhöht werden.
Sofern nur eine Strahlpumpe betrieben wird, besteht die Gefahr, dass Anodengas über eine inaktive Strahlpumpe rückgesaugt wird. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass im Betrieb lediglich einer Strahlpumpe ein Rückströmen von Anodengas durch eine inaktive Strahlpumpe mit Hilfe mindestens eines Sperrelements beispielsweise einer Klappe oder eines Ventils, verhindert wird. Die Verwendung einer Klappe als Sperrelement ist besonders einfach realisierbar, insbesondere, wenn diese druckgesteuert öffnet und schließt. Eine zusätzliche Aktorik ist in diesem Fall verzichtbar. Wird als Sperrelement ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, verwendet, kann auch dieses ein passives bzw. druckgesteuertes Ventil sein, so dass auch hier die Umsetzung vergleichsweise einfach ist.
Das mindestens eine Sperrelement ist vorzugsweise auslassseitig angeordnet. Sofern jede Strahlpumpe einen eigenen Auslass aufweist, ist vorzugsweise im Bereich eines jeden Auslasses ein Sperrelement angeordnet. Sofern die Strömungspfade der Strahlpumpen jedoch auslassseitig zusammengeführt sind, ist vorzugsweise im Bereich eines gemeinsamen Auslasses lediglich ein Sperrelement angeordnet, um ein Rückströmen von Anodengas zu verhindern. Dieses eine Sperrelement kann vorzugsweise nicht nur geöffnet und geschlossen werden, sondern zudem eine Zwischenstellung einnehmen, um mehrere Strahlpumpen gleichzeitig zu betreiben. Das heißt, dass in der Zwischenstellung des Sperrelements alle Strömungspfade geöffnet sind. Stromabwärts des einen Sperrelements werden dann die Strömungswege zusammengeführt. Die darüber hinaus vorgeschlagene Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems umfasst mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpe, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind. Die vorgeschlagene Vorrichtung ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung lassen sich somit die gleichen Vorteile erzielen wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung bereitgestellt werden, da die Strahlpumpen getrennt voneinander ansteuerbar sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung sind die beiden parallel geschalteten Strahlpumpen baulich gekoppelt. Vorzugsweise bilden sie eine Baueinheit aus. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Vorrichtung geschaffen werden. Zudem kann - wie nachfolgend beschrieben - die Anzahl der Anschlüsse reduziert werden.
Beispielsweise können die parallel geschalteten Strahlpumpen einen gemeinsamen Einlass für frisches Anodengas und/oder einen gemeinsamen Zulauf für rezirkuliertes Anodengas aufweisen. Der gemeinsame Einlass und/oder der gemeinsame Zulauf sind in diesem Fall bevorzugt jeweils seitlich angeordnet. Sofern sowohl ein gemeinsamer Einlass als auch ein gemeinsamer Zulauf vorhanden ist, können diese auf der gleichen Seite oder auf unterschiedlichen Seiten der Vorrichtung angeordnet werden.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die parallel geschalteten Strahlpumpen einen gemeinsamen Auslass aufweisen. Die Vorteile eines gemeinsamen Auslasses wurden weiter oben bereits beschrieben, insbesondere wird nur ein Sperrelement benötigt, um ein unerwünschtes Rückströmen von Anodengas durch eine inaktive Strahlpumpe zu verhindern.
Bevorzugt weist mindestens eine Strahlpumpe einlassseitig ein Ventil auf. Bei dem Ventil kann es sich insbesondere um ein Dosierventil handeln, das eine genaue Zudosierung von frischem Anodengas ermöglicht. Das Ventil ist vorzugsweise stromaufwärts einer in die Strahlpumpe integrierten Treibdüse angeordnet, mit deren Hilfe die gewünschte Pumpwirkung erzielbar ist. Alternativ kann im Be- reich des Einlasses ein Dosierventil mit integrierter Treibdüse verwendet werden, so dass eine separate Treibdüse entbehrlich ist. Die Vorrichtung kann auf diese Weise noch kompakter gestaltet werden. Die integrierte Treibdüse wird mit Hilfe des Dosierventils gesteuert.
Des Weiteren bevorzugt weist mindestens eine Strahlpumpe auslassseitig ein Sperrelement, beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, auf. Sofern die Strahlpumpen auslassseitig nicht zusammengeführt sind, weist jede Strahlpumpe ein eigenes Sperrelement auf, um ein unerwünschtes Rückströmen zu verhindern. Sofern die Strahlpumpen auslassseitig zusammengeführt sind, können diese ein gemeinsames Sperrelement aufweisen. Auf diese Weise kann die Anzahl der Sperrelemente reduziert werden. Die Betätigung des mindestens einen Sperrelements erfolgt vorzugsweise druckgesteuert, so dass keine zusätzliche Aktorik erforderlich ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Strahlpumpen auslassseitig zusammengeführt und stromaufwärts der Zusammenführung ist ein einziges Sperrelement in Form einer Klappe angeordnet, mittels welcher ein Strömungspfad durch die erste oder die zweite Strahlpumpe absperrbar ist, so dass ein Rückströmen durch die jeweils inaktive Strahlpumpe verhindert wird. Bevorzugt kann die Klappe zudem eine Zwischenstellung einnehmen, in der die Strömungspfade beider Strahlpumpen freigegeben sind. In der Zwischenstellung des Sperrelements bzw. der Klappe können somit alle Strahlpumpe gleichzeitig betrieben werden.
Da der bevorzugte Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Brennstoffzellensystem ist, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Die Vorrichtung ist dabei in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems angeordnet. Der Anodenkreis umfasst vorzugsweise einen Zulaufpfad, über den ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems mit Anodengas versorgbar ist, sowie einen Rezirkulations- pfad, über den aus dem Brennstoffzellenstapel austretendes abgereichertes Anodengas rezirkuliert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verbindet den Rezirkulationspfad mit dem Zulaufpfad des Anodenkreises. Das heißt, dass die Vorrichtung sowohl an den Zulaufpfad, als auch an den Rezirkulationspfad angeschlossen ist. Darüber hinaus ist zumindest ein Anschluss der Vorrichtung an ei- ne Speichereinrichtung für frisches Anodengas vorgesehen. Das frische Anodengas wird mit Hilfe eines Ventils, vorzugsweise eines Dosierventils, stromaufwärts einer Treibdüse in eine Strahlpumpe eingebracht, so dass ein Fluidstrahl erzeugt wird, der die gewünschte Pumpwirkung erzielt. Anstelle einer separaten Treibdüse kann ein Dosierventil mit integrierter Treibdüse verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform mit einem Sperrelement in einer ersten Schließstellung,
Fig. 2 die Vorrichtung der Fig. 1 mit dem Sperrelement in einer zweiten Schließstellung,
Fig. 3 die Vorrichtung der Fig. 1 mit dem sperre Element in einer Zwischenstellung,
Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform, und
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Figur 1 dargestellte Vorrichtung 10 ist zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (nicht dargestellt) einsetzbar. Zur Vermeidung einer nachlassenden Rezirkulationsleistung weist die Vorrichtung 10 eine erste Strahlpumpe 1 sowie eine zweite Strahlpumpe 2 auf. Die beiden Strahlpumpen 1, 2 sind parallel geschaltet und zu einer Baueinheit zusammengefasst. Über Ventile 3, 4 sind beide Strahlpumpen 1, 2 getrennt ansteuerbar. Die Ventile 3, 4 sind jeweils im Bereich eines Einlasses 8 in die Strahlpumpen 1, 2 integriert, so dass den Strahlpumpen 1, 2 über die Ventile 3, 4 frisches Anodengas zuführbar ist. Stromabwärts der Ventile 3, 4 ist jeweils eine Treibdüse 7 in einem Ansaugraum 11, 12 der jeweiligen Strahlpumpe 1, 2 angeordnet. Mit Hilfe der Treibdüsen 7 wird die zur Rezirkulation benötigte Pumpwirkung erzeugt. Das über die Ventile 3, 4 zugeführte frische Anodengas wirkt dabei als Treibmedium.
Auf Höhe der Treibdüsen 7 befindet sich ein gemeinsamer Zulauf 6, über den das rezirkulierte Anodengas angesaugt wird. Beide Strahlpumpen 1, 2 weisen jeweils ein an den Ansaugraum 11, 12 anschließendes Mischrohr 13, 14 sowie einen hierauf folgenden Diffusor 15, 16 auf, über den das mit frischem Anodengas angereicherte rezirkulierte Anodengas einem gemeinsamen Auslass 9 zugeführt wird. Denn auslassseitig sind die Strömungspfade der beiden Strahlpumpen 1, 2 zusammengeführt. Über den gemeinsamen Auslass 9 ist die Vorrichtung 10 mit einem Brennstoffzellenstapel (nicht dargestellt) verbindbar.
Um im Betrieb von nur einer der beiden Strahlpumpen 1, 2 ein Rückströmen von Anodengas über die jeweils inaktive Strahlpumpe 1, 2 zu vermeiden, ist im Bereich des gemeinsamen Auslasses 9 ein Sperrelement 5 in Form einer Klappe vorgesehen. In der Figur 1 ist die Klappe in einer ersten Schließstellung dargestellt. In dieser Stellung verhindert die Klappe ein Rückströmen von Anodengas über die Strahlpumpe 1, die inaktiv ist, während die Strahlpumpe 2 aktiv ist. Verhält es sich umgekehrt, so dass die Strahlpumpe 1 aktiv ist und die Strahlpumpe 2 inaktiv ist, kann ein Rückströmen von Anodengas über die Strahlpumpe 2 verhindert werden, indem die Klappe in eine zweite Schließstellung überführt wird. Diese ist beispielhaft in der Figur 2 dargestellt. Die Betätigung der Klappe erfolgt druckgesteuert, so dass im Betrieb beider Strahlpumpen 1, 2 die Klappe eine Zwischenstellung einnimmt, in der die Strömungspfade beider Strahlpumpen zumindest teilweise freigegeben sind. Stromabwärts der Klappe werden die Volumenströme durch beide Strahlpumpen 1, 2 zusammengeführt. Diese Stellung der Klappe ist beispielhaft in der Figur 3 dargestellt.
Der Figur 4 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zu entnehmen. Die Ventile 3, 4 sind hier als Dosierventile mit integrierten Treibdüsen 7 ausgeführt, so dass separate Treibdüsen 7 entfallen. Zudem weist die Vorrichtung 10 der Figur 4 lediglich einen gemeinsamen Einlass 8 für frisches Anodengas auf, der seitlich angeordnet ist. Der Einlass 8 ist in der Nähe eines gemeinsamen Zulaufs 6 für rezirkuliertes Anodengas angeordnet, so dass die Anschlusssituation vereinfacht wird.
Der Figur 5 ist eine dritte Ausführungsform zu entnehmen, wobei es sich um eine Abwandlung der in der Figur 4 dargestellten Vorrichtung 10 handelt. Die beiden
Strahlpumpen 1, 2 sind hier auslassseitig nicht zusammengeführt, sondern weisen jeweils einen eigenen Auslass 9 mit integriertem Sperrelement 5 auf, wobei die Sperrelemente 5 als Rückschlagventile ausgebildet sind. Erst stromabwärts der beiden Rückschlagventile werden die Volumenströme durch die beiden Strahlpumpen 1, 2 zusammengeführt. Der Einlass 8 für frisches Anodengas ist zudem auf der dem Zulauf 6 für das rezirkulierte Anodengas abgewandten Seite der Vorrichtung 10 angeordnet. Im Übrigen entspricht die in der Figur 5 dargestellte Vorrichtung 10 der der Figur 4.

Claims

- 9 - Ansprüche
1. Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen (1, 2) verwendet werden, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Niedriglast lediglich eine und/oder eine für Niedriglast ausgelegte Strahlpumpe (1) betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung mindestens einer Strahlpumpe (1, 2) ein Ventil (3, 4), vorzugsweise ein Dosierventil, weiterhin vorzugsweise ein Dosierventil mit integrierter Treibdüse (7), verwendet wird, über welches der Strahlpumpe (1, 2) frisches Anodengas zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb lediglich einer Strahlpumpe (1, 2) ein Rückströmen von Anodengas durch die jeweils andere Strahlpumpe (2, 1) mit Hilfe mindestens eines Sperrelements (5), beispielsweise einer Klappe oder eines Ventils, insbesondere eines Rückschlagventils, verhindert wird.
5. Vorrichtung (10) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen (1, 2), die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind.
6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Strahlpumpen (1, 2) baulich gekoppelt sind, vorzugsweise eine Baueinheit ausbilden.
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Strahlpumpen (1, 2) einen gemeinsamen Einlass (8) für frisches Anodengas und/oder einen gemeinsamen Zulauf (6) für rezirkuliertes Anodengas und/oder einen gemeinsamen Auslass (9) aufweisen.
8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strahlpumpe (1, 2) einlassseitig ein Ventil (3, 4), vorzugsweise ein Dosierventil, weiterhin vorzugsweise ein Dosierventil mit integrierter Treibdüse (7), aufweist.
9. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Strahlpumpe (1, 2) auslassseitig ein Sperrelement (5), beispielsweise eine Klappe oder ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, aufweist.
10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlpumpen (1, 2) auslassseitig zusammengeführt sind und stromaufwärts der Zusammenführung ein einziges Sperrelement (5) in Form einer Klappe angeordnet ist, mittels welcher ein Strömungspfad durch die erste oder die zweite Strahlpumpe (1, 2) absperrbar ist oder die Strömungspfade beider Strahlpumpen (1, 2) freigebbar sind.
11. Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 10, wobei die Vorrichtung (10) in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
PCT/EP2021/086099 2021-01-04 2021-12-16 Verfahren und vorrichtung zur rezirkulation von anodengas in einem anodenkreis eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem WO2022144183A1 (de)

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