WO2022214243A1 - Vorrichtung zur rezirkulation von anodengas in einem anodenkreis eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Vorrichtung zur rezirkulation von anodengas in einem anodenkreis eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem sowie verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems Download PDF

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WO2022214243A1
WO2022214243A1 PCT/EP2022/055164 EP2022055164W WO2022214243A1 WO 2022214243 A1 WO2022214243 A1 WO 2022214243A1 EP 2022055164 W EP2022055164 W EP 2022055164W WO 2022214243 A1 WO2022214243 A1 WO 2022214243A1
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jet pump
anode gas
fuel cell
cell system
pressure
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PCT/EP2022/055164
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Inventor
Hans-Christoph Magel
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Robert Bosch Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/14—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid
    • F04F5/16—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/48—Control
    • H—ELECTRICITY
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system. Furthermore, a fuel cell system is proposed with a device according to the invention. In addition, the invention relates to a method for operating a fuel cell system.
  • a fuel cell converts a fuel, such as hydrogen, and oxygen into electrical energy.
  • the fuel is fed to an anode and the oxygen to a cathode of the fuel cell. Since fuel escaping from the fuel cell usually still contains residual amounts of fuel, it is recirculated and fed back to the anode as recirculated anode gas. This saves fuel.
  • the recirculation can be effected actively with the aid of a recirculation fan and/or passively with the aid of a jet pump.
  • a smaller second jet pump can be used, which is designed for the partial load range and is arranged parallel to the first jet pump.
  • the jet pumps can each be operated individually or together. If only one jet pump is activated, the flow rate of the active jet pump flows back through the inactive jet pump. This can be counteracted by integrating a non-return valve. However, this results in a loss of pressure, which reduces the recirculation performance of the active jet pump.
  • a bypass metering valve for introducing fresh anode gas or fuel can also be provided parallel to the jet pump, so that fresh anode gas can also be introduced when the jet pump is inactive. In this case too, undesired backflow through the inactive jet pump can occur.
  • the present invention is concerned with the task of effectively preventing the backflow of anode gas through an inactive jet pump in the anode circuit of a fuel cell system, with as little loss as possible.
  • the device proposed for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system comprises at least one jet pump with a driving nozzle for introducing fresh anode gas, preferably hydrogen, an inlet for recirculated anode gas and an outlet for fresh and/or recirculated anode gas.
  • a pressure-controlled slide valve with a reciprocating piston is integrated in the area of the inlet or outlet.
  • the inlet or outlet can be blocked with the aid of the pressure-controlled slide valve, so that it is no longer possible for anode gas to flow through, in particular backflow.
  • an opening cross section can be made available that is sufficiently large so that no significant loss of pressure occurs.
  • the pressure-controlled slide valve is controlled via the pressure difference before and after the jet pump. For this purpose, the pressure p1 on the inlet side and the pressure p2 on the outlet side are applied to the piston of the slide valve. An actuator for operating the slide valve is therefore not necessary.
  • the pressure preferably directly at the inlet of the jet pump is referred to as the inlet-side pressure p1. If the spool valve is integrated into the inlet, pl designates the pressure downstream of the spool valve. The pressure directly at the outlet of the jet pump is preferably referred to as pressure p2 on the running side. If the spool valve is integrated into the drain, p2 denotes the pressure upstream of the spool valve.
  • the pressure p1 in the inlet and the pressure p2 in the outlet are identical or at least almost identical, so that the slide valve is closed. There is no flow through the jet pump. If the jet pump is activated, the pressure p2 in the outlet rises above the pressure pl in the inlet and a pressure difference arises. This leads to a compressive force acting on the piston, which moves the piston from the closed position into an open position. Since a comparatively large opening cross-section can be generated with the aid of the slide valve, there is no, or at least almost no, pressure loss when the recirculated anode gas flows in. The jet pump thus fulfills its normal recirculation function.
  • the piston on the one hand delimits a first pressure chamber in which the pressure p1 on the inlet side prevails and on the other hand delimits a second pressure chamber in which the pressure p2 on the outlet side prevails. If there is a pressure difference between the pressure p1 and the pressure p2, a compressive force is generated which acts directly on the piston.
  • the first pressure chamber is connected to the inlet and the second pressure chamber is closed to the outlet.
  • the spring force of the spring acts in the closing direction of the slide valve. Accordingly, the spring force of the spring must be overcome in order to open the slide valve.
  • the opening force of the slide valve can be adjusted via the spring force of the spring.
  • the driving nozzle is preceded by a control valve for metering in fresh anode gas. With the help of the control valve, fresh anode gas, which also acts as a motive medium, is metered into the anode circuit.
  • the inlet for recirculated anode gas opens into an intake chamber which is connected to the outlet via a mixing tube and a diffuser.
  • the suction chamber is characterized by the fact that the driving nozzle is accommodated in it.
  • the driving force required for the passive recirculation of anode gas is achieved with the aid of the driving nozzle.
  • Recirculated and fresh anode gas thus meet in the intake chamber.
  • the mixing of recirculated and fresh anode gas takes place in the downstream mixing tube.
  • the inlet for recirculated anode gas preferably opens laterally into the intake space, so that the driving nozzle can be arranged coaxially to the mixing tube and to the diffuser.
  • the device advantageously comprises at least two jet pumps which are connected in parallel and can be activated as a function of the load. In this way, sufficient recirculation performance can be ensured even in the partial load range.
  • the integrated slide valve can be used to prevent the flow rate of the active jet pump from flowing back through the inactive jet pump.
  • At least one jet pump and one bypass metering valve are connected in parallel.
  • fresh anode gas can be metered into the anode circuit when the jet pump is inactive.
  • the pressure-controlled slide valve integrated into the jet pump prevents the quantity brought in with the help of the bypass metering valve from flowing back through the inactive jet pump.
  • the device for recirculating anode gas comprises a plurality of jet pumps connected in parallel and/or a bypass metering valve connected in parallel with the jet pump. This is because they can then be operated independently of the jet pump that has the slide valve, without the risk of anode gas flowing back through it.
  • anode gas is recirculated using at least one jet pump integrated into an anode circuit.
  • a pressure-controlled slide valve integrated into the jet pump prevents anode gas that has already been recirculated from flowing back through the inactive jet pump.
  • a pressure difference before and after the jet pump is used to control the pressure of the slide valve.
  • a piston of the slide valve that can be moved back and forth is acted upon on the one hand by an inlet-side pressure p1 and on the other hand by an outlet-side pressure p2.
  • the piston is additionally preloaded in the direction of flow by means of the spring force of a spring. Since the pressure p1 in the inlet and the pressure p2 in the outlet are identical or almost identical when the jet pump is inactive, the slide valve is closed. In this way, the slide valve prevents anode gas from flowing back through the jet pump.
  • the device according to the invention for the recirculation of anode gas described above can be used in particular, since it comprises at least one jet pump with an integrated pressure-controlled slide valve. Furthermore, it is proposed that when the jet pump is inactive, a second jet pump connected in parallel is activated. This presupposes that the device for recirculating anode gas comprises at least two jet pumps connected in parallel.
  • the activation of the further jet pump when the first jet pump is inactive proves to be an advantage in particular in partial-load operation of the fuel cell system, since a high recirculation capacity can still be guaranteed.
  • the slide valve integrated into the inactive first jet pump prevents anode gas from flowing back through it, since the slide valve is closed when the jet pump is inactive.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a first device according to the invention for the recirculation of anode gas with a jet pump, the jet pump being shown inactive,
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through the device of FIG. 1 with an active jet pump
  • FIG. 3 shows a schematic longitudinal section through a second device according to the invention for the recirculation of anode gas with a jet pump, the jet pump being shown active, and
  • FIG. 4 shows a schematic longitudinal section through the device of FIG. 3 with the jet pump inactive.
  • the device 1 serves to recirculate anode gas in an anode circuit of a fuel cell system (not shown).
  • the device 1 comprises a jet pump 2 which is integrated or can be integrated into the anode circuit via an inlet 4 and an outlet 5 .
  • the jet pump 2 has a driving nozzle 3 with an upstream control valve 11, by means of which fresh anode gas can be introduced into the anode circuit.
  • the fresh anode gas also serves as a propellant.
  • the fresh anode gas is introduced into a suction chamber 12 via the driving nozzle 3 , which is connected to the outlet 5 via a mixing tube 13 and a diffuser 14 .
  • the inlet 4 opens into the intake chamber 12 at the side.
  • a slide valve 6 which includes a reciprocating piston 7, by means of which the inlet 4 can be released or closed.
  • the movements of the piston 7 are controlled via the Druckdif difference between an inlet-side pressure pl and an outlet-side pressure p2.
  • the piston 7 delimits on the one hand a pressure chamber 9 in which the pressure p1 prevails and on the other hand a pressure chamber 10 in which the pressure p2 prevails.
  • a spring 8 is accommodated in the pressure chamber 9, the spring force of which acts on the piston 7 in the closing direction.
  • the slide valve 6 When the jet pump 2 is inactive, the slide valve 6 is closed since the pressure p1 is identical or at least almost identical to the pressure p2. This situation is shown in FIG. The slide valve 6 thus prevents the anode gas from entering the intake chamber 12 via the inlet 4 . At the same time, slide valve 6 prevents anode gas from flowing back through jet pump 2 from the anode circuit.
  • the device 1 comprises, in addition to the jet pump 2 shown, a further jet pump (not shown) connected in parallel and/or a bypass metering valve (not shown) connected in parallel. This is because they can then be operated independently of the first jet pump 2 without the risk of anode gas flowing back through the inactive jet pump 2 .
  • FIGS. A further preferred embodiment of a device 1 according to the invention for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system is shown in FIGS. This differs from the embodiment of FIG. 1 in particular in that the slide valve 6 is not integrated in the inlet 4 but in the outlet 5 . Otherwise, the same
  • the slide valve 6 is also constructed the same. Accordingly, the mode of operation corresponds to that of the device in FIG. 1, so that reference can be made to the description of FIG.
  • slide valve 6 When the jet pump 2 is active (see FIG. 3), the slide valve 6 is open because the pressure p2 on the outlet side is greater than the pressure p1 on the inlet side. The comparatively large opening cross section of slide valve 6 ensures the recirculation function of jet pump 2. When jet pump 2 is inactive, slide valve 6 is closed (see FIG. 4), so that no anode gas can flow back through inactive jet pump 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens eine Strahlpumpe (2) mit einer Treibdüse (3) zum Einbringen von frischem Anodengas, vorzugsweise Wasserstoff, einen Zulauf (4) für rezirkuliertes Anodengas und einen Ablauf (5) für frisches und/oder rezirkuliertes Anodengas, wobei im Bereich des Zulaufs (4) oder Ablaufs (5) ein druckgesteuertes Schieberventil (6) mit einem hin und her beweglichen Kolben (7) integriert ist, der von der Federkraft einer Feder (8) beaufschlagt ist und an dem einerseits ein zulaufseitiger Druck (p1), andererseits ein ablaufseitiger Druck (p2) anliegen. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1) sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.

Description

Beschreibung
Titel:
Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines
Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird ein Brennstoffzellensys tem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Eine Brennstoffzelle wandelt einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie. Der Brennstoff wird hierzu einer Anode und der Sauerstoff einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt. Da aus der Brennstoffzel le austretender Brennstoff in der Regel noch Restmengen an Brennstoff enthält, wird er rezirkuliert und der Anode als rezirkuliertes Anodengas erneut zugeführt. Dies spart Brennstoff. Die Rezirkulation kann dabei aktiv mit Hilfe eines Rezirku- lationsgebläses und/oder passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe bewirkt werden.
Aufgrund nachlassender Rezirkulationsleistung im Teillastbereich erweist sich der Einsatz der Strahlpumpe als problematisch. Zur Abhilfe kann eine kleinere zweite Strahlpumpe eingesetzt werden, die auf den Teillastbereich ausgelegt und parallel zur ersten Strahlpumpe angeordnet ist. Die Strahlpumpen können jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden. Wird nur eine Strahlpumpe aktiviert, kommt es zu einem Rückströmen der Fördermenge der aktiven Strahlpumpe durch die die inaktive Strahlpumpe. Dem kann dadurch entgegengewirkt werden, dass ein Rückschlagventil integriert wird. Dadurch entsteht jedoch ein Druckver lust, der die Rezirkulationsleistung der aktiven Strahlpumpe verringert. Parallel zur Strahlpumpe kann ferner ein Bypass-Dosierventil zum Einbringen von frischem Anodengas bzw. Brennstoff vorgesehen sein, um auch bei inaktiver Strahlpumpe frisches Anodengas einbringen zu können. Auch in diesem Fall kann es zu einem unerwünschten Rückströmen durch die inaktive Strahlpumpe kommen.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, das Rückströmen von Anodengas durch eine inaktive Strahlpumpe im Anodenkreis eines Brennstoffzel lensystems wirksam zu verhindern, und zwar möglichst verlustarm.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran sprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Brennstoffzellensystem mit einer er findungsgemäßen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brenn stoffzellensystems angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Die zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzel lensystems vorgeschlagene Vorrichtung umfasst mindestens eine Strahlpumpe mit einer Treibdüse zum Einbringen von frischem Anodengas, vorzugsweise Wasserstoff, einen Zulauf für rezirkuliertes Anodengas und einen Ablauf für fri sches und/oder rezirkuliertes Anodengas. Im Bereich des Zulaufs oder Ablaufs ist dabei druckgesteuertes Schieberventil mit einem hin und her beweglichen Kolben integriert, der von der Federkraft einer Feder beaufschlagt ist und an dem einerseits ein zulaufseitiger Druck pl, andererseits ein ablaufseitiger Druck p2 anliegen.
Mit Hilfe des druckgesteuerten Schieberventils kann der Zulauf bzw. der Ablauf gesperrt werden, so dass ein Durchströmen, insbesondere Rückströmen, von Anodengas nicht mehr möglich ist. Zugleich kann mit Hilfe des druckgesteuerten Schieberventils bei aktiver Strahlpumpe ein Öffnungsquerschnitt zur Verfügung gestellt werden, der ausreichend groß ist, so dass kein nennenswerter Druckver lust entsteht. Das druckgesteuerte Schieberventil wird über die Druckdifferenz vor und nach der Strahlpumpe gesteuert. Am Kolben des Schieberventils liegen hierzu einer seits der zulaufseitige Druck pl, andererseits der ablaufseitige Druck p2 an. Eine Aktorik zur Betätigung des Schieberventils ist somit entbehrlich.
Als zulaufseitiger Druck pl wird dabei der Druck vorzugsweise unmittelbar am Einlass der Strahlpumpe bezeichnet. Sofern das Schieberventil in den Zulauf in tegriert ist, bezeichnet pl den druck stromabwärts des Schieberventils. Als ab laufseitiger Druck p2 wird vorzugsweise der Druck unmittelbar am Auslass der Strahlpumpe bezeichnet. Sofern das Schieberventil in den Ablauf integriert ist, bezeichnet p2 den Druck stromaufwärts des Schieberventils.
Bei inaktiver Strahlpumpe sind der Druck pl im Zulauf und der Druck p2 im Ab lauf identisch oder zumindest nahezu identisch, so dass das Schieberventil ge schlossen ist. Es findet keine Strömung durch die Strahlpumpe statt. Wird die Strahlpumpe aktiviert, steigt der Druck p2 im Ablauf über den Druck pl im Zulauf und es entsteht eine Druckdifferenz. Diese führt zu einer auf den Kolben wirken den Druckkraft, die den Kolben aus der Schließstellung in eine Öffnungsstellung bewegt. Da mit Hilfe des Schieberventils ein vergleichsweise großer Öffnungs querschnitt generierbar ist, entsteht bei der Zuströmung von rezirkuliertem Ano dengas kein oder zumindest annähernd kein Druckverlust. Die Strahlpumpe er füllt somit ihre normale Rezirkulationsfunktion.
Zur Steuerung des Schieberventils über die anliegende Druckdifferenz wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass der Kolben einerseits einen ersten Druckraum begrenzt, in dem der zulaufseitige Druck pl herrscht, anderer seits einen zweiten Druckraum begrenzt, in dem der ablaufseitige Druck p2 herrscht. Bei einer Druckdifferenz zwischen dem Druck pl und dem Druck p2 wird somit eine Druckkraft erzeugt, die unmittelbar auf den Kolben wirkt. Der ers te Druckraum ist hierzu an den Zulauf, der zweite Druckraum an den Ablauf an geschlossen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Federkraft der Feder in Schließrich tung des Schieberventils wirkt. Zum Öffnen des Schieberventils muss demnach die Federkraft der Feder überwunden werden. Über die Federkraft der Feder kann die Öffnungskraft des Schieberventils eingestellt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Treibdüse ein Regelventil zum Eindosieren von frischem Anodengas vorgeschaltet. Mit Hilfe des Regelventils wird frisches Anodengas, das zugleich als Treibmedium fun giert, in den Anodenkreis eindosiert.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der Zulauf für rezirkuliertes Anodengas in einen Ansaugraum mündet, der über ein Mischrohr und einen Diffusor mit dem Ablauf verbunden ist. Der Ansaugraum zeichnet sich dadurch aus, dass in diesem die Treibdüse aufgenommen ist. Mit Hilfe der Treibdüse wird die zur passiven Rezir- kulation von Anodengas erforderliche Treibkraft erzielt. Im Ansaugraum treffen somit rezirkuliertes und frisches Anodengas aufeinander. Im anschließenden Mischrohr findet die Durchmischung von rezirkuliertem und frischem Anodengas statt. Der Zulauf für rezirkuliertes Anodengas mündet vorzugsweise seitlich in den Ansaugraum, so dass die Treibdüse koaxial zum Mischrohr und zum Diffusor angeordnet werden kann.
Vorteilhafterweise umfasst die Vorrichtung mindestens zwei Strahlpumpen, die parallel geschaltet und lastabhängig aktivierbar sind. Auf diese Weise kann auch im Teillastbereich eine ausreichende Rezirkulationsleistung sichergestellt wer den. Zugleich kann im Betrieb von nur einer Strahlpumpe mit Hilfe des integrier ten Schieberventils ein Rückströmen der Fördermenge der aktiven Strahlpumpe durch die inaktive Strahlpumpe verhindert werden.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Strahlpum pe und ein Bypass- Dosierventil parallel geschaltet sind. Mit Hilfe des Bypass- Dosierventils kann bei inaktiver Strahlpumpe frisches Anodengas in den Anoden kreis eindosiert werden. Das in die Strahlpumpe integrierte druckgesteuerte Schieberventil verhindert dabei, dass die mit Hilfe des Bypass- Dosierventils ein- gebrachte Menge durch die inaktive Strahlpumpe rückströmt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können somit die eingangs genann ten Nachteile des Stands der Technik behoben werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn mehrere Strahlpumpen und/oder zumindest eine Strahlpumpe und ein Bypass- Dosierventil parallel geschaltet sind. Da der bevorzugte Anwendungsbereich ein Brennstoffzellensystem ist, wird fer ner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorge schlagen. Die Vorrichtung ist dabei in einen Anodenkreis des Brennstoffzellen systems integriert. Mit Hilfe der Vorrichtung kann aus mindestens einer Brenn stoffzelle austretendes Anodengas rezirkuliert werden, so dass der Brennstoffbe darf sinkt. Mit Hilfe des in die Strahlpumpe integrierten Schieberventils kann zu dem der Zulauf bzw. der Ablauf gesperrt werden, so dass bei inaktiver Strahl pumpe kein Anodengas durch die Strahlpumpe rückströmen kann. Dies ist ins besondere von Vorteil, wenn die Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas mehrere parallel geschaltete Strahlpumpen und/oder ein zur Strahlpumpe paral lel geschaltetes Bypass- Dosierventil umfasst. Denn dann können diese unab hängig von der das Schieberventil aufweisenden Strahlpumpe betrieben werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass Anodengas durch diese rückströmt.
Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird unter Verwendung mindestens einer in einen Anodenkreis integrierten Strahlpumpe Anodengas rezirkuliert. Bei inaktiver Strahlpumpe wird mit Hilfe eines in die Strahlpumpe integrierten druckgesteuer ten Schieberventils ein Rückströmen von bereits rezirkuliertem Anodengas durch die inaktive Strahlpumpe verhindert.
Zur Drucksteuerung des Schieberventils wird eine Druckdifferenz vor und nach der Strahlpumpe genutzt. Ein hin und her beweglicher Kolben des Schieberven tils wird hierzu einerseits mit einem zulaufseitigen Druck pl, andererseits mit ei nem ablaufseitigen Druck p2 beaufschlagt. Mittels der Federkraft einer Feder wird der Kolben zusätzlich in Fließrichtung vorgespannt. Da bei inaktiver Strahl pumpe der Druck pl im Zulauf und der der Druck p2 im Ablauf identisch oder na hezu identisch sind, ist das Schieberventil geschlossen. Das Schieberventil ver hindert auf diese Weise, dass Anodengas durch die Strahlpumpe rückströmt.
Bei der Durchführung des Verfahrens kann insbesondere die zuvor beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas verwendet wer den, da diese mindestens eine Strahlpumpe mit einem integrierten druckgesteu erten Schieberventil umfasst. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass bei inaktiver Strahlpumpe eine parallel geschaltete zweite Strahlpumpe aktiviert wird. Dies setzt voraus, dass die Vor richtung zur Rezirkulation von Anodengas mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen umfasst. Die Aktivierung der weiteren Strahlpumpe bei inaktiver erster Strahlpumpe erweist sich insbesondere im Teillastbetrieb des Brennstoff zellensystems als Vorteil, da weiterhin eine hohe Rezirkulationsleistung gewähr leistet werden kann. Zugleich wird mit Hilfe des in die inaktive erste Strahlpumpe integrierten Schieberventils ein Rückströmen von Anodengas durch diese ver hindert, da das Schieberventil bei inaktiver Strahlpumpe geschlossen ist.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass bei inaktiver Strahlpumpe frisches Anodengas über ein parallel geschaltetes Bypass- Dosierventil in den Anodenkreis eindosiert wird. Dies wiederum setzt voraus, dass die Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas ein parallel geschaltetes Bypass- Dosierventil umfasst. Mit Hilfe des in die Strahlpumpe integrierten Schieberventils kann auch in diesem Fall ein Rückströmen von Anodengas durch die inaktive Strahlpumpe verhindert werden.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas mit einer Strahlpumpe, wobei die Strahlpumpe inaktiv dargestellt ist,
Figur 2 einen schematischen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Figur 1 bei aktiver Strahlpumpe,
Figur 3 einen schematischen Längsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas mit einer Strahlpumpe, wobei die Strahlpumpe aktiv dargestellt ist, und
Figur 4 einen schematischen Längsschnitt durch die Vorrichtung der Figur 3 bei inaktiver Strahlpumpe. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die in der Figur 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 dient der Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoff zellensystems (nicht dargestellt). Die Vorrichtung 1 umfasst hierzu eine Strahl pumpe 2, die übereinen Zulauf 4 sowie einen Ablauf 5 in den Anodenkreis inte griert bzw. integrierbar ist. Ferner weist die Strahlpumpe 2 eine Treibdüse 3 mit einem vorgeschalteten Regelventil 11 auf, mittels dessen frisches Anodengas in den Anodenkreis einbringen bar ist. Das frische Anodengas dient zugleich als Treibmedium. Über die Treibdüse 3 wird das frische Anodengas in einen An saugraum 12 eingebracht, der über ein Mischrohr 13 und einen Diffusor 14 mit dem Ablauf 5 verbunden ist. Der Zulauf 4 mündet seitlich in den Ansaugraum 12 ein. Im Bereich des Zulaufs 4 ist ein Schieberventil 6 angeordnet, dass einen hin und her beweglichen Kolben 7 umfasst, mittels dessen der Zulauf 4 freigebbar oder verschließbar ist. Die Bewegungen des Kolben 7 werden über die Druckdif ferenz zwischen einem zulaufseitigen Druck pl und einem ablaufseitigen Druck p2 gesteuert. Der Kolben 7 begrenzt hierzu einerseits einen Druckraum 9, in dem der Druck pl herrscht, andererseits einen Druckraum 10, in dem der Druck p2 herrscht. Im Druckraum 9 ist zudem eine Feder 8 aufgenommen, deren Feder kraft den Kolben 7 in Schließrichtung beaufschlagt.
Bei inaktiver Strahlpumpe 2 ist das Schieberventil 6 geschlossen, da der Druck pl unter Druck p2 identisch oder zumindest nahezu identisch sind. Dieser Zu stand ist in der Figur 1 dargestellt. Das Schieberventil 6 verhindert somit, dass Anodengas über den Zulauf 4 in den Ansaugraum 12 gelangt. Zugleich verhin dert das Schieberventil 6, dass Anodengas aus dem Anodenkreis durch die Strahlpumpe 2 rückströmt. Dies erweist sich insbesondere als Vorteil, wenn die Vorrichtung 1 zusätzlich zu der dargestellten Strahlpumpe 2 eine weitere, paral lelgeschaltete Strahlpumpe (nicht dargestellt) und/oder ein parallel geschaltetes Bypass- Dosierventil (nicht dargestellt) umfasst. Denn dann können diese unab hängig von der ersten Strahlpumpe 2 betrieben werden, und zwar ohne die Ge fahr, dass Anodengas durch die inaktive Strahlpumpe 2 rückströmt.
Wird die Strahlpumpe 2 wieder aktiviert, steigt der ablaufseitige Druck p2, so dass eine Druckdifferenz entsteht, die eine Druckkraft erzeugt, welche den Kol- ben 7 entgegen der Federkraft der Feder 8 in eine Offenstellung bewegt. Dieser Zustand ist in der Figur 2 dargestellt. Dank des vergleichsweise großen Öff nungsquerschnitts des Schieberventils 6 in Offenstellung, ist der durch das Schieberventil 6 bewirkte Druckverlust minimal.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellen systems ist in den Figuren 3 und 4 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform der Figur 1 insbesondere dadurch, dass das Schieberventil 6 nicht in den Zulauf 4, sondern in den Ablauf 5 integriert ist. Im Übrigen gleicht die
Vorrichtung 1 der Figuren 3 und 4 der Vorrichtung 1 der Figur 1. Auch das Schieberventil 6 ist gleich aufgebaut. Die Funktionsweise entspricht demnach der der Vorrichtung der Figur 1, so dass auf die Beschreibung der Figur 1 verwiesen werden kann.
Bei aktiver Strahlpumpe 2 (siehe Figur 3) ist der Schieberventil 6 geöffnet, da der ablaufseitige Druck p2 größer als der zulaufseitige Druck pl ist. Der vergleichs weise große Öffnungsquerschnitt des Schieberventils 6 gewährleistet die Rezir- kulationsfunktion der Strahlpumpe 2. Bei inaktiver Strahlpumpe 2 ist das Schie- berventil 6 geschlossen (siehe Figur 4), so dass kein Anodengas durch die inak tive Strahlpumpe 2 rückströmen kann.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis ei nes Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens eine Strahlpumpe (2) mit einer Treibdüse (3) zum Einbringen von frischem Anodengas, vorzugsweise Wasserstoff, einen Zulauf (4) für rezirkuliertes Anodengas und einen Ablauf (5) für frisches und/oder rezirkuliertes Anodengas, wobei im Bereich des Zulaufs (4) oder Ablaufs (5) ein druckgesteuertes Schieberventil (6) mit einem hin und her beweglichen Kolben (7) integriert ist, der von der Federkraft einer Feder (8) be aufschlagt ist und an dem einerseits ein zulaufseitiger Druck (pl), andererseits ein ablaufseitiger Druck (p2) anliegen.
2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7) einerseits einen ersten Druck raum (9) begrenzt, in dem der zulaufseitige Druck (pl) herrscht, sowie einen zweiten Druckraum (10) begrenzt, in dem der ablaufseitige Druck (p2) herrscht.
3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft der Feder (8) in Schließrichtung des Schieberventils (6) wirkt.
4. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Treibdüse (3) ein Regelventil (11) zum Ein dosieren von frischem Anodengas vorgeschaltet ist oder die Treibdüse (3) in ein Dosierventil für frisches Anodengas integriert ist.
5. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zulauf (4) in einen Ansaugraum (12) mün det, der über ein Mischrohr (13) und einen Diffusor (14) mit dem Ablauf (5) ver bunden ist.
6. Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Strahlpumpen (2) parallel ge schaltet sind, die lastabhängig aktivierbar sind, und/oder mindestens eine Strahl pumpe (2) und ein Bypass- Dosierventil parallel geschaltet sind.
7. Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorherge henden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) in einen Anodenkreis des Brenn stoffzellensystems integriert ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei dem unter Verwendung mindestens einer in einen Anodenkreis integrierten Strahlpumpe (2) Anodengas rezirkuliert wird und bei inaktiver Strahlpumpe (2) mit Hilfe eines in die Strahlpumpe (2) integrierten druckgesteuerten Schieberventils (6) ein Rück strömen von bereits rezirkuliertem Anodengas durch die inaktive Strahlpumpe (2) verhindert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei inaktiver Strahlpumpe (2) eine parallel ge schaltete zweite Strahlpumpe (2) aktiviert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei inaktiver Strahlpumpe (2) frisches Anoden gas über ein parallel geschaltetes Bypass- Dosierventil in den Anodenkreis ein dosiert wird.
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