WO2023025446A1 - Vorrichtung und betriebsverfahren zur rezirkulation von anodengas in einem anodenkreis eines brennstoffzellensystems, fahrzeug - Google Patents

Vorrichtung und betriebsverfahren zur rezirkulation von anodengas in einem anodenkreis eines brennstoffzellensystems, fahrzeug Download PDF

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WO2023025446A1
WO2023025446A1 PCT/EP2022/068697 EP2022068697W WO2023025446A1 WO 2023025446 A1 WO2023025446 A1 WO 2023025446A1 EP 2022068697 W EP2022068697 W EP 2022068697W WO 2023025446 A1 WO2023025446 A1 WO 2023025446A1
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jet pump
fuel cell
cell system
jet
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Andreas Gruenberger
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants

Definitions

  • the invention relates to a device and an operating method for the recirculation of anode gas in an anode circuit of a fuel cell system and a vehicle.
  • 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.
  • a fuel cell has an anode and a cathode.
  • the anode is supplied with the fuel and the cathode is supplied with the oxidizing agent.
  • the fuel is therefore the anode gas.
  • a jet pump is often used in combination with another jet pump as a gas delivery unit in order to cover a recirculation capacity in different operating states, in particular high-load operation and low-load operation.
  • the jet pumps can each be operated individually or together.
  • DE 10 2007 004590 A1 discloses a device which has at least two jet pumps connected in parallel.
  • the jet pumps are supplied with hydrogen by a separate dosing valve for each jet pump, in order to ensure flexible, needs-based dosing of the anode gas, which is in particular a propellant to ensure.
  • the problem here is the high cost of two separate metering valves, which increase the overall cost of the device.
  • the present invention is concerned with solving this problem.
  • the device with the features of claim 1 and the method with the features of claim 8 are proposed for the solution.
  • Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims.
  • Furthermore, a fuel cell system with a device according to the invention is specified.
  • the device comprises at least two jet pumps connected in parallel, which can each be operated individually or together depending on the load, with the jet pumps being supplied at least indirectly with a driving medium, in particular from a tank via an inflow line.
  • the device according to the invention is designed in such a way that the jet pumps have a common metering valve, by means of which the propellant medium is metered into the two jet pumps.
  • the advantage can be achieved that a cost-effective design of the device can be brought about, since an additional dosing valve can be saved.
  • the space requirement is significantly reduced by eliminating the second separate metering valve.
  • the device there is a pressure chamber between the metering valve and the two jet pumps, with the pressure chamber being located in particular downstream of the metering valve and upstream of the jet pumps.
  • the driving medium can be metered into the pressure chamber by means of the metering valve, and from there into the respective flow jet pump.
  • a flow branching into two flow paths can thus be realized by means of the pressure chamber.
  • the pressure chamber can be used as a collection container for the propellant medium in such a way that a pressure level can build up in the pressure chamber, in particular by means of increased dosing by means of the metering valve. In this way, a compact design of the conveying device can also be achieved.
  • the first jet pump is preceded by a non-return valve, the non-return valve only opening when a pressure level is exceeded, in particular in the pressure chamber, and the first jet pump is thus fluidically connected to the pressure chamber and/or a second inlet and/or thus the first jet pump is operable.
  • a non-return valve only opening when a pressure level is exceeded, in particular in the pressure chamber, and the first jet pump is thus fluidically connected to the pressure chamber and/or a second inlet and/or thus the first jet pump is operable.
  • recirculated material coming from a fuel cell is fed to an intake area of the respective jet pump by means of a first inlet.
  • a first intake area of the first jet pump is fluidly connected to a second intake area of the second jet pump by means of a connection opening, with the respective intake area being at least indirectly fluidly connected to the first inlet.
  • the jet pumps connected in parallel are structurally coupled, preferably form a structural unit and/or are arranged in a common base body.
  • a particularly compact device can be created in this way.
  • the number of connections can be reduced so that, for example, only the first inlet, the second inlet and one outlet have to be present as connections.
  • the cold start capability of the device can be improved, since by means of the structural coupling of the jet pumps, for example As in the base body, the surface can be reduced in relation to the volume of the device, whereby the process of cooling the device at low ambient temperatures and long downtimes requires much longer. In this way, damage to the inner flow contours and moving components of the device due to ice bridges can be prevented.
  • the second jet pump is off for low-load operation.
  • the quantity of a propellant medium is controlled, in particular as part of metering, by the metering valve.
  • only the second jet pump can thus be operated in that the first jet pump is fluidically separated from the inflow line, in particular when the check valve is closed.
  • a better efficiency of the delivery device can be brought about even with a low delivery rate and/or low-load operation of the fuel cell in such a way that only the first jet pump is in operation, which, due to its size and/or the design of the flow contours, has a better efficiency than the has the first jet pump in a low-load operation of the fuel cell system.
  • there are no friction losses due to the anode gas flowing through the first jet pump there are no friction losses due to the anode gas flowing through the first jet pump. A consistently high recirculation capacity and/or a high degree of efficiency can thus be provided.
  • the first jet pump is designed for high-load operation and the quantity of a propellant medium is controlled, in particular as part of metering, by the metering valve and/or the check valve.
  • the first jet pump is switched on, for example automatically, when a certain load point is exceeded, and the efficiency of the device for high-load operation can thus be improved, since the fuel cell can be optimally charged using both jet pumps and thus increases the possible delivery rate of the gaseous medium by means of the device.
  • the presented invention relates to an operating method for operating a possible embodiment of the presented device.
  • the operating method comprises a first operating step in which, when the check valve is in an inactive state, only the second jet pump is supplied with hydrogen by the metering valve at a first operating point of the fuel cell system and a second operating step, in which the check valve is activated at a second operating point of the fuel cell system, to jointly supply the first jet pump and the further jet pump with hydrogen.
  • the presented operating method serves in particular to operate the presented device and/or the fuel cell system.
  • a quantity of hydrogen supplied to the fuel cell stack can be provided dynamically and with a disproportionate characteristic curve, so that, for example, at a low load, only the second jet pump can produce a low quantity of hydrogen is provided, which would not be provided by means of the large first jet pump and at a high load a large amount of hydrogen is provided, which would not be provided by the second jet pump.
  • the presented invention relates to a vehicle with a possible configuration of the presented device.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention with a fuel cell and a device according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through the device according to the invention
  • FIG. 3 shows a possible embodiment of the operating method according to the invention
  • FIG. 4 shows a possible embodiment of the vehicle according to the invention.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 31 according to the invention with a fuel cell 32 and a device 1 according to the invention.
  • the delivery unit 1 is connected to the fuel cell 32 via a connecting line 29 , which fuel cell includes an anode area 38 and a cathode area 40 .
  • a return line 23 is provided, which connects the anode area 38 of the fuel cell 32 to a first inlet 28, and thus in particular to an intake area 7 (shown in FIG. 2) of the delivery unit 1.
  • Fuel cell 32 not utilized first gaseous medium to the first inlet 28 are returned. This first gaseous medium is in particular a recirculation medium.
  • the second gaseous medium stored in a tank 34 is supplied to a second inlet 36 of the delivery unit 1 via a tank line 27 .
  • This second gaseous medium is in particular a propellant medium.
  • the device 1 is suitable for the recirculation of anode gas in an anode circuit of the fuel cell system 31 .
  • the device 1 comprises at least two jet pumps 4, 6 connected in parallel, which can each be operated individually or together depending on the load, with the jet pumps 4, 6 being supplied at least indirectly with a propellant medium, in particular from the tank 34 via the tank line 27.
  • the parallel-connected jet pumps 4, 6 have a common metering valve 10, by means of which the two jet pumps 4, 6, the propellant medium is metered.
  • FIG. 2 shows that there is a pressure chamber 5 between the metering valve 10 and the two jet pumps 4 , 6 , the pressure chamber 5 being located in particular downstream of the metering valve 10 and upstream of the jet pumps 4 , 6 .
  • a non-return valve 18 is connected upstream of the first jet pump 4, with the non-return valve 18 only opening when a pressure level, in particular a pressure level in the pressure chamber 5, is exceeded and the first jet pump 4 is thus fluidically connected to the pressure chamber 5 and/or the second inlet 36 connects and / or thus the first jet pump 4 is operable and flows through.
  • the check valve 18 can have a check plate 20 which is in contact with at least one shoulder of a base body 8 and is pressed into this closed position in particular by means of a spring 17 .
  • FIG. 2 shows that the jet pumps 4 , 6 connected in parallel are structurally coupled, preferably form a structural unit and/or are arranged in the common base body 8 .
  • the second jet pump 6 can be designed for low-load operation and the quantity of a propellant can be controlled by the metering valve 10 , in particular as part of metering.
  • the first jet pump 4 can be designed for high-load operation and the quantity of a propellant medium can be controlled, in particular as part of metering, by the metering valve 10 and/or the check valve 18 .
  • each of the two jet pumps 4, 6 has an intake area 7a, b, a mixing tube 9a, b and a diffuser area 11a, b in the direction of flow III.
  • the anode gas flows at least partially in the flow direction III through the jet pump 4, 6, with the flow direction III running parallel to a longitudinal axis of the jet pump 4, 6.
  • the majority of the flow-through areas of the jet pump 4, 6 are at least approximately tubular and are used to convey and/or conduct the gaseous medium, which is in particular H2 with portions of H2O and N2.
  • the propellant medium coming from the tank 34 flows via the metering valve 10 into the pressure chamber 5 .
  • the motive medium flows from the pressure chamber 5 via a first motive nozzle 12, in particular through an inner channel of the first motive nozzle 12, into the first jet pump 4.
  • the motive medium can flow from the pressure chamber 5 into the second jet pump 4 via a second motive nozzle 14 , in particular through an inner channel of the second motive nozzle 14 .
  • the recirculated material is supplied to the intake area 7 of the respective jet pump 4, 6.
  • the recirculated material can in particular be the unused H2 from the anode region 38 (shown in FIG. 1), the fuel cell 32, in particular a stack, with the recirculated material also being able to contain water and nitrogen.
  • 2 also shows that a first intake area 7a of the first jet pump 4 is connected to a second intake area 7b of the second jet pump by means of a connecting opening 30.
  • Pump 6 is fluidly connected, wherein the respective intake area 7a, b is fluidly connected at least indirectly to the first inlet 28.
  • the hydrogen flowing in through the respective nozzle 12, 14 and serving as the propellant medium has a pressure difference and/or speed difference to the recirculation medium that flows from the first inlet 28 into the respective jet pump 4, 6, with the propellant medium in particular having a higher pressure of at least 5 cash. If a so-called jet pump effect occurs, the recirculation medium is conveyed at low pressure into the central flow area of the respective jet pump 4, 6.
  • the propellant medium flows through the respective nozzle 12, 14 into the respective intake area 7a, b and/or the respective mixing tube 9a, b with the described pressure difference and a high speed, which can in particular be close to the speed of sound.
  • the respective nozzle 12, 14 has an inner recess in the form of a flow opening through which the gaseous medium can flow, particularly in the case of the first jet pump 4 coming from a metering valve 10 and/or the pressure chamber 5 via the check valve 18 and into inflowing into the intake area 7a and/or the mixing tube 9a.
  • the driving medium hits the recirculation medium, which is already in the respective intake area 7a, b and/or in the respective mixing tube 9a, b. Due to the high speed and/or pressure difference between the motive medium and the recirculation medium, internal friction and turbulence is created between the media. This creates a shear stress in the boundary layer between the fast propellant medium and the much slower recirculation medium.
  • This tension causes momentum transfer, accelerating and entraining the recirculation medium.
  • Mixing takes place according to the principle of conservation of momentum.
  • the recirculation medium is accelerated in the direction of flow III and a pressure drop occurs for the recirculation medium, as a result of which a suction effect sets in and thus further recirculation medium is subsequently conveyed from the area of the first inlet 28 .
  • This effect can be referred to as the jet pump effect.
  • the mixed medium to be conveyed which consists in particular of the recirculation medium and the propellant medium, flows in the direction of flow III into the respective diffuser area 11, with the flow velocity being reduced in the diffuser area 11a, b can. From there, the medium flows further, for example, via an outlet 37 located in the base body 8 and from there via the connecting line 29 into the anode region 38 of the fuel cell 32.
  • FIG. 3 shows an operating method 300 for operating a possible configuration of the fuel cell system 31 presented.
  • the operating method 300 comprises a first operating step 301 in which, when the check valve 18 is in an inactive state, only the second jet pump 6 is supplied with hydrogen by the metering valve 10 at a first operating point of the fuel cell system 31 .
  • a second operating step 303 in which the check valve 18 is activated at a second operating point of the fuel cell system 31 in order to jointly supply the first jet pump 4 and the further jet pump 6 with hydrogen.
  • a vehicle 400 is illustrated in FIG. 4 .
  • the vehicle 400 includes the fuel cell system 31 according to FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) und ein Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug. Die Vorrichtung (1) dient dabei zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31) sowie ein Brennstoffzellensystem (31) mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1). Die Erfindung betrifft ferner ein Betriebsverfahren (300) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), wobei das Betriebsverfahren umfasst: - einen ersten Betriebsschritt (301), bei dem in einem inaktiven Zustand eines Rückschlagventils (18) lediglich die zweite Strahlpumpe (6) bei einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems (31) von dem Dosierventil (10) mit Wasserstoff versorgt wird, - einen zweiten Betriebsschritt (303), bei dem das Rückschlagventil (18) bei einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems (31) aktiviert wird, um die erste Strahlpumpe (4) und die weitere Strahlpumpe (6) gemeinsam mit Wasserstoff zu versorgen.

Description

Vorrichtung und Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Fahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Betriebsverfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug.
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. Eine Brennstoffzelle weist hierzu eine Anode und eine Kathode auf. Die Anode wird im Betrieb der Vorrichtung und/oder 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 in Kombination mit einer weiteren Strahlpumpe als Gasfördereinheit zum Einsatz um eine Rezirkulationsleistung bei verschiedenen Betriebszuständen, insbesondere einen Hochlastbetrieb und einen Niedriglastbetrieb, abzudecken. Die Strahlpumpen die können dabei lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sein.
Aus der DE 10 2007 004590 Al ist eine Vorrichtung bekannt, die mindestens zwei parallel verschaltete Strahlpumpen aufweist. Typischerweise werden die Strahlpumpen werden dabei durch jeweils ein separates Dosierventil pro Strahlpumpe mit Wasserstoff versorgt, um eine flexible, bedarfsgerechte Zudosierung des Anodengases, bei dem es sich insbesondere um ein Treibmedium handelt, zu gewährleisten. Problematisch sind dabei die hohen Kosten für zwei separate Dosierventile, die die Gesamtkosten der Vorrichtung erhöhen.
Mit der Lösung dieses Problems ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung werden die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung und ein Betriebsverfahren zur Rezirkula- tion von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei den Strahlpumpen zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus einem Tank über eine Zuströmleitung zugeführt wird.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgeführt, dass die Strahlpumpen dabei ein gemeinsames Dosierventil aufweisen, mittels dem den beiden Strahlpumpen das Treibmedium zudosiert wird. Dabei wird Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine kostengünstige Ausführung der Vorrichtung herbeigeführt werden kann, da ein zusätzliches Dosierventil eingespart werden kann. Zudem wird der Bauraumbedarf durch den Wegfall des zweiten separaten Dosierventils deutlich gesenkt.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung befindet sich ein Druckraum zwischen dem Dosierventil und den beiden Strahlpumpen, wobei sich der Druckraum insbesondere stromabwärts des Dosierventils und stromaufwärts der Strahlpumpen befindet. Auf diese Weise kann das Treibmedium mittels des Dosierventils in den Druckraum zudosiert werden, und von dort in die jeweilige Strahlpumpe strömen. Somit lässt sich mittels des Druckraums eine Strömungsverzweigung in zwei Strömungspfade realisieren. Zudem kann der Druckraum als Sammelbehälter für das Treibmedium derart verwendet werden, dass sich im Druckraum ein Druckniveau aufbauen kann, insbesondere mittels einer erhöhten Zudosierung mittels des Dosierventils. Somit lässt sich zudem eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung herbeiführen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist der ersten Strahlpumpe ein Rückschlagventil stromaufwärts vorgeschaltet, wobei sich das Rückschlagventil erst bei einem Überschreiten eines Druckniveaus, insbesondere im Druckraum, öffnet und somit die erste Strahlpumpe fluidisch mit dem Druckraum und/oder einem zweiten Zulauf verbindet und/oder somit die erste Strahlpumpe betreibbar ist. Auf diese Weise kann auf eine kostengünstige Art und Weise ein druckabhängiges und zuverlässiges Zuschalten der ersten Strahlpumpe in der Vorrichtung herbeigeführt werden. Zudem lässt sich auf diese Weise die Ausfallwahrscheinlichkeit der Vorrichtung und somit des Brennstoffzellensystems reduzieren.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird mittels eines ersten Zulaufs von einer Brennstoffzelle kommendes Rezirkulat zu einem Ansaugbereich der jeweiligen Strahlpumpe zugeführt. Dabei ist ein erster Ansaugbereich der ersten Strahlpumpe mittels einer Verbindungsöffnung mit einem zweiten Ansaugbereich der zweiten Strahlpumpe fluidisch verbunden ist, wobei der jeweilige Ansaugbereich mit dem ersten Zulauf zumindest mittelbar fluidisch verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich mittels einer kompakten Bauform und/oder auf kostengünstige Weise eine Beschickung beider Strahlpumpen mit dem von der Brennstoffzelle kommenden Rezirkulat herbeiführen, so dass jeweils jede Strahlpumpe eine Förderleistung des Rezirkulats mittels des Treibmediums herbeiführen kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung sind die parallel geschalteten Strahlpumpen baulich gekoppelt sind, vorzugsweise eine Baueinheit ausbilden und/oder in einem gemeinsamen Grundkörper angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Vorrichtung geschaffen werden. Zudem kann die Anzahl der Anschlüsse reduziert werden, so dass beispielsweise nur der erste Zulauf, der zweite Zulauf und ein Ablauf als Anschlüsse vorliegen müssen. Des Weiteren kann die Kaltstartfähigkeit der Vorrichtung verbessert werden, da mittels der baulichen Kopplung der Strahlpumpen beispiels- weise in dem Grundkörper die Oberfläche im Verhältnis zum Volumen der Vorrichtung reduziert werden kann, wodurch der Prozess des Abkühlens der Vorrichtung bei niedrigen Umgebungstemperaturen und langen Standzeiten weitaus länger benötigt. Auf diese Weise kann eine Beschädigung der inneren Strömungskonturen und beweglichen Bauteile der Vorrichtung durch Eisbrücken verhindert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die zweite Strahlpumpe für einen Niedriglastbetrieb aus. Dabei erfolgt eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil. Im Falle des Niedriglastbetriebs kann somit ausschließlich die zweite Strahlpumpe betrieben werden, indem die erste Strahlpumpe insbesondere bei einem geschlossenen Rückschlagventil fluidisch von der Zuströhmleitung getrennt wird. Auf diese Weise kann ein besserer Wirkungsgrad der Fördereinrichtung auch bei einer geringen Fördermenge und/oder einem Niedriglastbetrieb der Brennstoffzelle derart herbeigeführt werden, dass nur die erste Strahlpumpe im Betrieb ist, die aufgrund Ihrer Größe und/oder der Ausführung der Strömungskonturen einen besseren Wirkungsgrad als die erste Strahlpumpe bei einem Niederlastbetrieb des Brennstoffzellensystems hat. Zudem treten keine Reibungsverluste aufgrund eines Durchströmens des Anodengases durch die erste Strahlpumpe auf. Somit kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung und/oder ein hoher Wirkungsgrad bereitgestellt werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Strahlpumpe für einen Hochlastbetrieb ausgelegt und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, erfolgt durch das Dosierventil und/oder das Rückschlagventil. Auf diese Weise kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung bereitgestellt werden, da die erste Strahlpumpe ab einem überschreiten eines bestimmten Lastpunkt, beispielsweise automatisch, zugeschaltet wird und somit der Wirkungsgrad der Vorrichtung für einen Hochlastbetrieb verbessert werden kann da eine optimale Beschickung der Brennstoffzelle mittels beider Strahlpumpe erfolgen kann und sich somit die mögliche Fördermenge des gasförmigen Mediums mittels der Vorrichtung erhöht.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist demnach insbesondere zur Durchführung des im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Betriebsverfahren geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung lassen sich somit die gleichen Vorteile erzielen das der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden kann. Somit betrifft die vorgestellte Erfindung in einem zweiten Aspekt ein Betriebsverfahren zum Betreiben einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Vorrichtung.
Das Betriebsverfahren umfasst einen ersten Betriebsschritt, bei dem in einem inaktiven Zustand des Rückschlagventils lediglich die zweite Strahlpumpe bei einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems von dem Dosierventil mit Wasserstoff versorgt wird und einem zweiten Betriebsschritt, bei dem das Rückschlagventil bei einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems aktiviert wird, um die erste Strahlpumpe und die weitere Strahlpumpe gemeinsam mit Wasserstoff zu versorgen.
Das vorgestellte Betriebsverfahren dient insbesondere zum Betrieb der vorgestellten Vorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass das vorgestellte Betriebsverfahren automatisch durchgeführt wird, indem das Rückschlagventil druckabhängig aktiviert bzw. deaktiviert wird.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Strahlpumpe und die zweite Strahlpumpe gemeinsam verwendet werden, um eine Menge an einem Brennstoffzellenstapel zugeführtem Wasserstoff einzustellen.
Durch eine gemeinsame Verwendung bzw. einen parallelen Betrieb von der ersten Strahlpumpe und der zweiten Strahlpumpe kann eine dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Menge an Wasserstoff dynamisch und mit einer unproportionalen Kennlinie bereitgestellt werden, sodass bspw. bei einer niedrigen Last mittels lediglich der zweiten Strahlpumpe eine niedrige Menge Wasserstoff bereitgestellt wird, die mittels der großen ersten Strahlpumpe nicht bereitzustellen wäre und bei einer hohen Last eine hohe Menge an Wasserstoff bereitgestellt wird, die mittels der zweiten Strahlpumpe nicht bereitzustellen wäre.
In einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung der vorgestellten Vorrichtung.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 2 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
Figur 3 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens,
Figur 4 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Darstellung gemäß Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 31 mit einer Brennstoffzelle 32 und eine erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
In Fig. 1 ist dabei eine beispielhafte Ausführungsform des Brennstoffzellen- Systems 31 dargestellt, insbesondere eines Anodenkreislaufs. Dabei ist gezeigt, dass das Förderaggregat 1 über eine Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden, die einen Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung 23 vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 mit einem ersten Zulauf 28, und somit insbesondere mit einem Ansaugbereich 7 (gezeigt in Fig. 2), des Förderaggregats 1 verbindet. Mittels der Rückführleitung 23 kann das im Anodenbereich 38 beim Betrieb der Brennstoffzelle 32 nicht verwertete erste gasförmige Medium zum ersten Zulauf 28 zurückgeführt werden. Bei diesem ersten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um das ein Rezirkulationsmedium.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich, wird das in einem Tank 34 gespeicherte zweite gasförmige Medium über eine Tankleitung 27 einem zweite Zulauf 36 des Förderaggregats 1 zugeführt. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um ein Treibmedium.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Dabei ist die Vorrichtung 1 zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems 31 geeignet. Die Vorrichtung 1 umfasst mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen 4, 6, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei den Strahlpumpen 4, 6 zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus dem Tank 34 über die Tankleitung 27 zugeführt wird. Die parallel geschalteten Strahlpumpen 4, 6 weisen ein gemeinsames Dosierventil 10 auf, mittels dem den beiden Strahlpumpen 4, 6 das Treibmedium zudosiert wird.
Dabei ist in Fig. 2 gezeigt, dass sich ein Druckraum 5 zwischen dem Dosierventil 10 und den beiden Strahlpumpen 4, 6 befindet, wobei sich der Druckraum 5 insbesondere stromabwärts des Dosierventils 10 und stromaufwärts der Strahlpumpen 4, 6 befindet. Dabei ist der ersten Strahlpumpe 4 ein Rückschlagventil 18 stromaufwärts vorgeschaltet, wobei sich das Rückschlagventil 18 erst bei einem Überschreiten eines Druckniveaus, insbesondere eines Druckniveaus im Druckraum 5, öffnet und somit die erste Strahlpumpe 4 fluidisch mit dem Druckraum 5 und/oder dem zweiten Zulauf 36 verbindet und/oder somit die erste Strahlpumpe 4 betreibbar ist und durchströmt. Das Rückschlagventil 18 kann dabei eine Rückschlagplatte 20 aufweist, die mit mindestens einem Absatz eines Grundkörpers 8 in Anlage steht, und insbesondere mittels einer Feder 17, in diese geschlossen Position gedrückt wird. Sobald der Druck im Druckraum 5 einen gewissen Wert überschreitet wird die Rückschlagplatte 20 von dem Absatz gegen die Federkraft der Feder 17 weggedrückt und das Rückschlagventil 18 öffnet sich, so dass die erste Strahlpumpe 4 mit dem Treibmedium aus dem Druckraum 5 versorgt werden kann und somit das Treibmedium zumindest teilweise in einer Strömungsrichtung III die erste Strahlpumpe 4 durchströmt. Weiterhin zeigt Fig. 2 dass die parallel geschalteten Strahlpumpen 4, 6 baulich gekoppelt sind, vorzugsweise eine Baueinheit ausbilden und/oder in dem gemeinsamen Grundkörper 8 angeordnet sind. Die zweite Strahlpumpe 6 kann dabei für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil 10 erfolgt. Zudem kann die erste Strahlpumpe 4 für einen Hochlastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil 10 und/oder das Rückschlagventil 18 erfolgt.
In Fig. 2 ist gezeigt, dass jeder der beiden Strahlpumpen 4, 6 jeweils in der Strömungsrichtung III jeweils einen Ansaugbereich 7a, b, ein Mischrohr 9a, b und einen Diffusorbereich 11a, b aufweist. Das Anodengas strömt dabei zumindest teilweise in der Strömungsrichtung III durch die Strahlpumpe 4, 6, wobei die Strömungsrichtung III parallel zu einer Längsachse der Strahlpumpe 4, 6 verlaufen. Der Großteil der durchströmten Bereiche der Strahlpumpe 4, 6 sind dabei zumindest annährend rohrförmig ausgebildet und dienen zum Fördern und/oder Leiten des gasförmigen Mediums, bei dem es sich insbesondere um H2 mit Anteilen an H2O und N2 handelt. Das vom Tank 34 kommende Treibmedium strömt über das Dosierventil 10 in den Druckraum 5. Vom Druckraum 5 erfolgt eine Strömungsverzweigung des Treibmediums und es strömt in die erste Strahlpumpe 4 und die zweite Strahlpumpe 6 ein. Das Treibmedium strömt dabei, abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzelle 32 und einem geöffneten Rückschlagventil 18 vom Druckraum 5 über eine erste Treibdüse 12, insbesondere durch einen innenliegenden Kanal der ersten Treibdüse 12, in die erste Strahlpumpe 4 ein. Zudem kann das Treibmedium vom Druckraum 5 über eine zweite Treibdüse 14, insbesondere durch einen innenliegenden Kanal der zweiten Treibdüse 14, in die zweite Strahlpumpe 4 einströmen.
Dabei wird mittels des ersten Zulaufs 28 von der Brennstoffzelle 32 kommendes und über die Rückführleitung 23 strömende Rezirkulat, zum Ansaugbereich 7 der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 zugeführt wird. Dabei kann es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H2 aus dem Anodenbereich 38 (gezeigt in Fig. 1), der Brennstoffzelle 32, insbesondere einem Stack, handeln, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Des Weiteren ist in Fig. 2 gezeigt, dass ein erster Ansaugbereich 7a der ersten Strahlpumpe 4 mittels einer Verbindungsöffnung 30 mit einem zweiten Ansaugbereich 7b der zweiten Strahl- pumpe 6 fluidisch verbunden ist, wobei der jeweilige Ansaugbereich 7a, b fluidisch mit dem ersten Zulauf 28 zumindest mittelbar fluidisch verbunden ist.
Der durch die jeweilige Düse 12, 14 einströmende und als Treibmedium dienende Wasserstoff weist eine Druckdifferenz und/oder Geschwindigkeitsdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf, das aus dem ersten Zulauf 28 in die jeweilige Strahlpumpe 4, 6 einströmt, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 5 bar aufweist. Wenn sich ein sogenannter Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck in den zentralen Strömungsbereich der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere nahe der Schallgeschwindigkeit liegen kann, durch die jeweilige Düse 12, 14 in den jeweiligen Ansaugbereich 7a, b und/oder das jeweilige Mischrohr 9a, b ein. Die jeweilige Düse 12, 14 weist dabei eine innere Ausnehmung in Form eines Strömungsöffnung auf, durch die das gasförmige Medium strömen kann, insbesondere im Falle der ersten Strahlpumpe 4 von ein dem Dosierventil 10 und/oder dem Druckraum 5 über das Rückschlagventil 18 kommend und in den Ansaugbereich 7a und/oder das Mischrohr 9a einströmend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im jeweiligen Ansaugbereich 7a, b und/oder im jeweiligen Mischrohr 9a, b befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder Druck- Differenz zwischen dem Treibmedium und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenz zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Strömungsrichtung III beschleunigt und es entsteht für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des ersten Zulaufs 28 nachgefördert wird. Dieser Effekt kann als Strahlpumpeneffekt bezeichnet werden. Durch das Ansteuern der Zu-Dosierung des Treibmediums mittels des Dosierventils 10 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmedi- ums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesamten Brennstoff- zellen-Systems 31 (nicht gezeigt in Fig. 1) je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden. In einem beispielhaften Betriebszustand der Vorrichtung 1 und/oder der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 bei dem sich das Dosierventil 10 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung III zum Rezirkulationsmedium in den jeweiligen Ansaugbereich 7a, b und/oder das jeweilige Mischrohr 9a, b einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt.
Nach dem Passieren des jeweiligen Mischrohrs 9a, b strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibmedium besteht, in der Strömungsrichtung III in den jeweiligen Diffusorbereich 11, wobei es im Diffusorbereich 11a, b zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium beispielsweise weiter über einen sich im Grundkörper 8 befindlichen Ablauf 37 und von dort über die Verbindungsleitung 29 in den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32.
In Fig. 3 ist ein Betriebsverfahren 300 zum Betreiben einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems 31 dargestellt.
Das Betriebsverfahren 300 umfasst einen ersten Betriebsschritt 301, bei dem in einem inaktiven Zustand des Rückschlagventils 18 lediglich die zweite Strahlpumpe 6 bei einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems 31 von dem Dosierventil 10 mit Wasserstoff versorgt wird. In einem zweiten Betriebsschritt 303, bei dem das Rückschlagventil 18 bei einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems 31 aktiviert wird, um die erste Strahlpumpe 4 und die weitere Strahlpumpe 6 gemeinsam mit Wasserstoff zu versorgen.
In Fig. 4 ist ein Fahrzeug 400 dargestellt. Das Fahrzeug 400 umfasst das Brennstoffzellensystem 31 gemäß Fig. 1.
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. Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), umfassend mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen (4, 6), die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betreibbar sind, wobei den Strahlpumpen (4, 6) zumindest mittelbar ein Treibmedium, insbesondere aus einem Tank (34) über eine Tankleitung (27) und/oder einen zweiten Zulauf (36) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Strahlpumpen (4, 6) ein gemeinsames Dosierventil (10) aufweisen, mittels dem den beiden Strahlpumpen (4, 6) das Treibmedium zudosiert wird.
2. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Druckraum (5) zwischen dem Dosierventil (10) und den beiden Strahlpumpen (4, 6) befindet, wobei sich der Druckraum (5) insbesondere stromabwärts des Dosierventils (10) und stromaufwärts der Strahlpumpen (4, 6) befindet.
3. Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Strahlpumpe (4) ein Rückschlagventil (18) stromaufwärts vorgeschaltet ist, wobei sich das Rückschlagventil (18) erst bei einem Überschreiten eines Druckniveaus, insbesondere eines Druckniveaus im Druckraum (5), öffnet und somit die erste Strahlpumpe (4) fluidisch mit dem Druckraum (5) und/oder einem zweiten Zulauf (36) verbindet und/oder somit die erste Strahlpumpe (4) betreibbar ist.
4. Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines ersten Zulaufs (28) von der Brennstoffzelle (32) kommendes Rezirkulat zu einem Ansaugbereich (7) der jeweiligen Strahlpumpe (4, 6) zugeführt wird, wobei ein erster Ansaugbereich (7a) der ersten Strahlpumpe (4) mittels einer Verbindungsöffnung (30) mit einem zweiten Ansaugbereich (7b) der zweiten Strahlpumpe (6) fluidisch verbunden ist, wobei der jeweilige Ansaugbereich (7a, b) mit dem ersten Zulauf (28) zumindest mittelbar fluidisch verbunden ist.
5. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die parallel geschalteten Strahlpumpen (4, 6) baulich gekoppelt sind, vorzugsweise eine Baueinheit ausbilden und/oder in einem gemeinsamen Grundkörper (8) angeordnet sind. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlpumpe (6) für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil (10) erfolgt. Vorrichtung (1) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlpumpe (4) für einen Hochlastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das Dosierventil (10) und/oder das Rückschlagventil (18) erfolgt. Betriebsverfahren (300) zum Betreiben einer Vorrichtung (1) in einem Brennstoffzellensystems (31) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Betriebsverfahren umfasst:
- einen ersten Betriebsschritt (301), bei dem in einem inaktiven Zustand des Rückschlagventils (18) lediglich die zweite Strahlpumpe (6) bei einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems (31) von dem Dosierventil (10) mit Wasserstoff versorgt wird,
- einen zweiten Betriebsschritt (303), bei dem das Rückschlagventil (18) bei einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems (31) aktiviert wird, um die erste Strahlpumpe (4) und die weitere Strahlpumpe (6) gemeinsam mit Wasserstoff zu versorgen. Betriebsverfahren (300) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlpumpe und die zweite Strahlpumpe gemeinsam verwendet werden, um eine Menge an dem Brennstoffzellenstapel (101) zugeführtem Wasserstoff einzustellen. Fahrzeug (400) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
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