DE102011107409B4

DE102011107409B4 - Fuel cell system with at least one fuel cell

Info

Publication number: DE102011107409B4
Application number: DE102011107409.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Jesse; Cosimo Mazzotta
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2011-07-15
Filing date: 2011-07-15
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2031-07-16
Also published as: DE102011107409A1; WO2013010637A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche jeweils einen von Gas durchströmten Anodenbereich (4) und Kathodenbereich (5) aufweist, mit einer Kathoden- und/oder Anodenrezirkulation für Abgas der Brennstoffzelle (2), wobei als Rezirkulationsfördereinrichtung jeweils eine Gasstrahlpumpe zur Förderung des Abgases verwendet wird, welche von frischem zu der Brennstoffzelle (2) strömendem Gas angetrieben ist, wobei die Gasstrahlpumpe in einem Volllastpunkt (L_max) auf einen Durchsatz (RR₂) des frischen Gases oder des Abgases ausgelegt ist, welcher größer als ein zu erwartender maximaler Gasdurchsatz (RR₁) bei Volllast (L_max) ist, und die Kathoden- und/oder Anodenrezirkulation jeweils genau eine Gasstrahlpumpe (10) aufweisen.

Fuel cell system (1) with at least one fuel cell (2), each of which has an anode area (4) and a cathode area (5) through which gas flows, with a cathode and/or anode recirculation system for exhaust gas from the fuel cell (2), with one recirculation conveyor device in each case Gas jet pump is used to convey the exhaust gas, which is driven by fresh gas flowing to the fuel cell (2), the gas jet pump being designed for a throughput (RR ₂ ) of the fresh gas or of the exhaust gas at a full load point (L _max ), which is greater than an expected maximum gas throughput (RR ₁ ) at full load (L _max ), and the cathode and/or anode recirculation each have exactly one gas jet pump (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell of the type defined in more detail in the preamble of claim 1.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme mit wenigstens einer Brennstoffzelle bekannt. Diese Brennstoffzelle kann beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein, bei welcher ein Anodenbereich über eine für Protonen durchlässige Polymermembran von einem Kathodenbereich getrennt angeordnet ist. Dem Anodenbereich wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt, während dem Kathodenbereich Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, wie insbesondere Luft, zugeführt wird.Fuel cell systems with at least one fuel cell are known from the general state of the art. This fuel cell can be designed, for example, as a PEM fuel cell, in which an anode area is separated from a cathode area by a polymer membrane that is permeable to protons. Hydrogen or a gas containing hydrogen is fed to the anode area, while oxygen or a gas containing oxygen, such as in particular air, is fed to the cathode area.

Sowohl für den Anodenbereich als auch für den Kathodenbereich sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Abgasrückführungen bekannt. Diese sogenannte Kathoden- beziehungsweise Anodenrezirkulation sieht es vor, dass Abgase aus dem Kathoden- oder Anodenbereich zurück in den Eingangsbereich der Kathode oder der Anode geleitet werden und dort, vermischt mit frisch zugeführtem Gas, erneut der elektrochemischen Umsetzung in der Brennstoffzelle zugeführt werden.Exhaust gas recirculation systems are known from the general state of the art both for the anode area and for the cathode area. This so-called cathode or anode recirculation provides that exhaust gases from the cathode or anode area are fed back into the input area of the cathode or the anode and there, mixed with freshly supplied gas, are fed back to the electrochemical conversion in the fuel cell.

Für die zurückgeführten Abgase muss dabei selbstverständlich der im Anoden- oder Kathodenbereich aufgetretene Druckverlust ebenso wie der durch die Leitungen der Rückführung verursachte Druckverlust ausgeglichen werden. Die Anodenbeziehungsweise Kathodenrezirkulationen weisen daher typischerweise eine Rezirkulationsfördereinrichtung auf. Diese kann beispielsweise ein Rezirkulationsgebläse oder auf der Kathodenseite der ohnehin vorhandene Luftverdichter sein.For the recirculated exhaust gases, of course, the pressure loss that has occurred in the anode or cathode area as well as the pressure loss caused by the recirculation lines must be compensated for. The anode or cathode recirculations therefore typically have a recirculation conveyor device. This can be, for example, a recirculation fan or the air compressor that is already present on the cathode side.

Bei sehr vielen Anwendungen ist die Rezirkulationsfördereinrichtung jedoch in Form von wenigstens einer Gasstrahlpumpe ausgebildet, welche ohne zusätzliche Antriebsenergie über den Venturi-Effekt durch das zugeführte Frischgas das rezirkulierte Abgas fördert.In many applications, however, the recirculation delivery device is designed in the form of at least one gas jet pump, which delivers the recirculated exhaust gas through the supplied fresh gas via the Venturi effect without additional drive energy.

Aus der WO 2007/124006 A2 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Anodenrezirkulation bekannt. Hierbei ist eine Gasstrahlpumpe beziehungsweise eine „Jet-Pump“ als Rezirkulationsfördereinrichtung beschrieben.From the WO 2007/124006 A2 a fuel cell system with an anode recirculation is known. A gas jet pump or a “jet pump” is described here as the recirculation conveying device.

Neben dem unbestrittenen energetischen Vorteil einer Gasstrahlpumpe gegenüber einem Rezirkulationsgebläse weist diese jedoch einen entscheidenden Nachteil auf. Typischerweise ist bei geringerer Last des Brennstoffzellensystems eine höhere Rezirkulationsrate notwendig, welche typischerweise außerdem mit einer geringeren Frischgasversorgung einhergeht. Dies führt bei der typischen Auslegung von Gasstrahlpumpen auf den Volllastpunkt dazu, dass insbesondere im Teillastbereich die Anforderungen durch die Gasstrahlpumpe oft nicht erreicht werden. Die genannte WO-Schrift schlägt daher in einem ihrer Ausführungsbeispiele vor, neben der „Haupt“-Gasstrahlpumpe eine weitere Gasstrahlpumpe für den unteren Lastbereich vorzusehen. Dies ist hinsichtlich des Aufbaus vergleichsweise aufwändig, da zwei Gasstrahlpumpen benötigt werden und da außerdem entsprechende Ventile und Leitungen benötigt werden, um diese zielgerichtet in den entsprechenden Bereichen lastabhängig anzusteuern. All dies stellt einen erheblichen Aufwand dar, welcher das Brennstoffzellensystem unnötig komplex und teuer macht.In addition to the undisputed energetic advantage of a gas jet pump compared to a recirculation fan, however, it has a decisive disadvantage. Typically, when the load on the fuel cell system is lower, a higher recirculation rate is necessary, which is also typically associated with a lower fresh gas supply. In the case of the typical design of gas jet pumps for the full load point, this means that the requirements are often not met by the gas jet pump, particularly in the partial load range. In one of its exemplary embodiments, the cited WO document therefore proposes providing a further gas jet pump for the lower load range in addition to the “main” gas jet pump. This is comparatively complex in terms of construction, since two gas jet pumps are required and since corresponding valves and lines are also required in order to control them in a targeted manner in the corresponding areas as a function of the load. All of this represents a considerable expense, which makes the fuel cell system unnecessarily complex and expensive.

Aus der DE 10 2007 004 590 A1 ist eine Gasversorgungsanordnung in einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Strahlpumpenanordnung zur Förderung eines Versorgungsgases in einer Gasversorgungsleitung unter Einsatz eines Treibgases und mit einer Steuereinheit zur Steuerung eines Versorgungsgasvolumenstromes bekannt, wobei die Strahlpumpenanordnung mindestens zwei Strahlpumpen aufweist, die in einer Parallelschaltung zur parallelen Förderung des Versorgungsgases angeordnet und mittels der Steuereinheit selektiv steuerbar sind.From the DE 10 2007 004 590 A1 discloses a gas supply arrangement in a fuel cell device with a jet pump arrangement for conveying a supply gas in a gas supply line using a propellant gas and with a control unit for controlling a supply gas volume flow, the jet pump arrangement having at least two jet pumps which are arranged in a parallel connection for parallel conveying of the supply gas and by means of the control unit are selectively controllable.

Aus der US 2007/0248858 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einer mit einer Strahlpumpe versehenen Brennstoffrückführleitung und einem Ventil bekannt, das von einer Steuereinheit auf der Grundlage des Anoden-Kathoden-Druckunterschieds so gesteuert wird, dass das Ventil geschlossen wird, um die Brennstoffzufuhr zu verringern oder zu stoppen, wenn der Anoden-Kathoden-Druckunterschied einen vorbestimmten Wert erreicht, und wieder geöffnet wird, um mehr Brennstoff durch die Strahlpumpe zirkulieren zu lassen, wenn der Druckunterschied unter einem vorbestimmten Wert liegt, um eine gepulste Brennstoffzufuhr zu erzeugen, die die Brennstoffrückführung bei niedrigen Lasten verbessert und eine angemessene Wasserentfernung aus den Anodenströmungsfeldkanälen gewährleistet.From the US 2007/0248858 A1 a fuel cell system is known with a fuel cell stack, a fuel return line provided with a jet pump and a valve which is controlled by a control unit on the basis of the anode-cathode pressure difference so that the valve is closed to reduce or stop the fuel supply, when the anode-cathode pressure difference reaches a predetermined value, and reopened to circulate more fuel through the jet pump when the pressure difference is below a predetermined value to produce a pulsed fuel supply that improves fuel return at low loads and ensuring adequate water removal from the anode flow field channels.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches als Rezirkulationsfördereinrichtung eine Gasstrahlpumpe nutzt, und welches in der Lage ist, über einen großen Lastbereich hinweg die Anforderungen hinsichtlich der Rezirkulation damit zu erfüllen.The object of the present invention is to create a fuel cell system which uses a gas jet pump as the recirculation delivery device and which is able to meet the recirculation requirements over a wide load range.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie eine bevorzugte Verwendung hierfür ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1. Further advantageous refinements of the fuel cell system according to the invention and a preferred version Applications for this result from the dependent patent claims.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass die als Rezirkulationsfördereinrichtung genutzte Gasstrahlpumpe im Volllastpunkt auf einen Durchsatz des frischen Gases oder des Abgases ausgelegt ist, welcher größer als der zu erwartende maximale Gasdurchsatz bei Volllast ist. Die Gasstrahlpumpe wird also gegenüber der üblichen Auslegung von Gasstrahlpumpen vergrößert beziehungsweise überdimensioniert. Sie kann damit insgesamt deutlich mehr leisten, als sie eigentlich müsste. Der von den Erfindern erkannte Effekt besteht nun darin, dass eine solche überdimensionierte Gasstrahlpumpe bereits im Teillastbetrieb die Anforderungen an die Rezirkulationsfördereinrichtung sehr gut erfüllen kann. Mit einer einzigen Gasstrahlpumpe, welche über dem geforderten Volllastpunkt ausgelegt ist, lässt sich somit über einen sehr großen Lastbereich des Brennstoffzellensystems hinweg die Anforderungen hinsichtlich der Rezirkulationsrate des Abgases erfüllen. Die Gasstrahlpumpe kann in einem einfachen, effizienten Aufbau, welcher nicht aktiv angesteuert und über Ventile geschaltet werden muss, somit eine sehr gute Funktionalität der Rezirkulation sicherstellen.The solution according to the invention provides that the gas jet pump used as a recirculation conveying device is designed for a throughput of the fresh gas or the exhaust gas at the full load point, which is greater than the expected maximum gas throughput at full load. The gas jet pump is thus enlarged or oversized compared to the usual design of gas jet pumps. Overall, it can achieve significantly more than it actually should. The effect recognized by the inventors consists in the fact that such an oversized gas jet pump can already very well meet the requirements of the recirculation delivery device in partial load operation. With a single gas jet pump, which is designed above the required full load point, the requirements with regard to the recirculation rate of the exhaust gas can be met over a very large load range of the fuel cell system. The gas jet pump can thus ensure very good functionality of the recirculation in a simple, efficient structure, which does not have to be actively controlled and switched via valves.

Dementsprechend ist es vorgesehen, dass die Kathodenrezirkulation und/oder die Anodenrezirkulation jeweils genau eine Gasstrahlpumpe aufweisen. Dieser Aufbau ist besonders einfach und hinsichtlich der Teilezahl auf das notwendige Minimum reduziert. Er lässt sich entsprechend kostengünstig montieren und benötigt vergleichsweise wenig Bauraum.Accordingly, it is provided that the cathode recirculation and/or the anode recirculation each have exactly one gas jet pump. This structure is particularly simple and the number of parts is reduced to the necessary minimum. It can be installed correspondingly inexpensively and requires comparatively little installation space.

Die Auslegung der Gasstrahlpumpe im Volllastpunkt auf einen Durchsatz von mehr Abgas als bei Volllast zu erwarten ist, kann dabei insbesondere so erfolgen, dass die Gasstrahlpumpe auf einen Durchsatz ausgelegt wird, welcher mehr als 50 Prozent über dem bei Volllast zu erwartenden Durchsatz liegt. Eine solche deutliche Überdimensionierung der Gasstrahlpumpe gewährleistet, dass die Anforderungen an die Rezirkulationsfördereinrichtung über einen sehr großen Lastbereich hinweg erzielt werden können.The design of the gas jet pump at the full load point for a throughput of more exhaust gas than is to be expected at full load can in particular be carried out in such a way that the gas jet pump is designed for a throughput which is more than 50 percent above the throughput to be expected at full load. Such a significant oversizing of the gas jet pump ensures that the demands on the recirculation delivery device can be achieved over a very large load range.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass die Zufuhr des frischen Gases über eine Ventileinrichtung erfolgt, welche gepulst betrieben ist. Dieses pulsierte Betreiben der Ventileinrichtung beziehungsweise des Druckregulierventils zur Zufuhr des frischen Gases ermöglicht bei entsprechend überdimensionierter Gasstrahlpumpe einen besonders effizienten Betrieb mit einfachen und kostengünstigen Ventileinrichtungen.In a further advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, provision is made for the fresh gas to be supplied via a valve device which is operated in a pulsed manner. This pulsating operation of the valve device or the pressure regulating valve for supplying the fresh gas enables particularly efficient operation with simple and cost-effective valve devices if the gas jet pump is correspondingly oversized.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass lediglich eine Anodenrezirkulation mit einer Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsfördereinrichtung vorhanden ist. Dieser Aufbau mit einer Anodenrezirkulation, welcher nicht über eine Kathodenrezirkulation verfügt, hat sich in der Praxis als stabil funktionierendes System mit hoher Lebensdauer herausgestellt, sodass dieses mit der erfindungsgemäß ausgelegten Gasstrahlpumpe ideal genutzt werden kann, um ein einfaches kostengünstiges System zu realisieren.In a particularly favorable and advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it is provided that there is only an anode recirculation with a gas jet pump as the recirculation delivery device. This structure with an anode recirculation, which does not have a cathode recirculation, has proven in practice to be a stably functioning system with a long service life, so that it can be ideally used with the gas jet pump designed according to the invention to implement a simple, cost-effective system.

Die besonders bevorzugte Verwendung für ein derartiges Brennstoffzellensystem liegt in der Verwendung in einem zumindest teilweise durch das Brennstoffzellensystem angetriebenen Fahrzeug. Insbesondere bei Fahrzeugsystemen, bei welchen hohe Stückzahlen zu erwarten sind, ist ein einfacher Aufbau, welcher sich kostengünstig realisieren und montieren lässt, von entscheidendem Vorteil. Außerdem ist ein möglichst in seiner Komplexität reduziertes System anzustreben, da ein solches viel einfacher und damit zuverlässiger gesteuert beziehungsweise geregelt werden kann. All dies ist durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem gegeben, sodass eine besondere Eignung zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug gegeben ist.The particularly preferred use for such a fuel cell system is in a vehicle that is at least partially driven by the fuel cell system. In particular in the case of vehicle systems, in which large quantities are to be expected, a simple structure which can be implemented and assembled inexpensively is of decisive advantage. In addition, a system that is as reduced in complexity as possible should be aimed for, since such a system can be controlled or regulated much more easily and thus more reliably. All of this is provided by the fuel cell system according to the invention, so that it is particularly suitable for use in a motor vehicle.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous refinements of the fuel cell system according to the invention result from the exemplary embodiment which is described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines möglichen Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung; und
2 ein Diagramm der Rezirkulationsrate über der Last zur Verdeutlichung der Auslegung der Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung,

show:

1 a schematic representation of a possible fuel cell system according to the invention; and
2 a diagram of the recirculation rate over the load to illustrate the design of the gas jet pump according to the invention,

in der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 prinzipmäßig angedeutet. Das Brennstoffzellensystem 1 ist dabei nur hinsichtlich seiner für die Erfindung relevanten Bauteile dargestellt. Diese Bauteile umfassen im Wesentlichen die Brennstoffzelle 2, welche als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein soll. Bei der PEM-Brennstoffzelle trennt eine für Protonen durchlässige Polymermembran 3 einen Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 von einem Kathodenbereich 5 derselben. Dem Kathodenbereich 5 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 gefilterte Luft als Sauerstofflieferant zugeführt, die Abluft wird aus dem Kathodenbereich 5 als Abgas abgeführt und kann beispielsweise an die Umgebung abgegeben werden. Dem Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll dies Wasserstoff sein, welcher in einem Druckgasbehälter 7 gespeichert ist und über ein Druckregel- und Dosierventil 8 dem Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 zugeleitet wird.in the representation of 1 a fuel cell system 1 is indicated in principle. The fuel cell system 1 is only shown with regard to its components relevant to the invention. These components essentially include the fuel cell 2, which is to be designed as a PEM fuel cell. In the PEM fuel cell, a proton-permeable polymer membrane 3 separates an anode area 4 of the fuel cell 2 from a cathode area 5 of the same. The cathode area 5 is supplied with filtered air as an oxygen supplier via an air conveying device 6, the exhaust air is discharged from the cathode area 5 as exhaust gas and can, for example, be discharged to the environment. The anode area 4 of the fuel cell 2 is hydrogen or a hydrogen-containing gas supplied. In the exemplary embodiment shown here, this should be hydrogen, which is stored in a compressed gas tank 7 and is fed to the anode area 4 of the fuel cell 2 via a pressure control and metering valve 8 .

Typischerweise ist der Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 dabei so ausgelegt, dass dieser den ihm zugeführten Wasserstoff nicht gänzlich umsetzt, um so die im Anodenbereich 4 zur Verfügung stehende elektrochemisch aktive Fläche vollständig ausnützen zu können. Der Überschuss an Wasserstoff, typischerweise wird hier in der Größenordnung von 10 bis 25 Prozent mehr Wasserstoff angeboten als durch den Anodenbereich 4 bei der entsprechenden Last des Brennstoffzellensystems 1 umgesetzt werden kann, wird dann über eine Rezirkulationsleitung 9 im Kreislauf um den Anodenbereich 4 zurückgeführt und wird zusammen mit frischen Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 7 dem Anodenbereich 4 wieder zugeführt. Um die Druckverluste im Anodenbereich 4 und in der Rezirkulationsleitung 9 auszugleichen, ist eine Gasstrahlpumpe 10 als Rezirkulationsfördereinrichtung vorgesehen. Die Gasstrahlpumpe 10, welche häufig auch als Jet-Pump bezeichnet wird, funktioniert dabei nach dem Venturi-Prinzip, sodass das Frischgas aus dem Druckgasbehälter 7 durch einen sich verengenden Querschnitt strömt und durch den dabei entstehenden Unterdruck das Abgas aus der Rezirkulationsfördereinrichtung 9 ansaugt und vermischt mit dem Frischgas wieder in den Anodenbereich 4 fördert. Beim Betrieb einer Brennstoffzelle 2 mit Anodenrezirkulation reichern sich im Bereich der Anodenrezirkulation mit der Zeit unerwünschte Stoffe an, beispielsweise Inertgase, welche durch die Membran 3 hindurchdiffundiert sind, oder auch flüssiges oder gasförmiges Wasser, welches als Produktwasser teilweise auch im Anodenbereich 3 entsteht. Diese unerwünschten Stoffe werden von Zeit zu Zeit in an sich bekannter Art und Weise über wenigstens eine Ventileinrichtung 11, ein sogenanntes Purge- bzw. Drain- und Purgeventil, abgelassen und gelangen an die Umgebung oder in den zur Brennstoffzelle 2 strömenden Gasstrom.Typically, the anode area 4 of the fuel cell 2 is designed in such a way that it does not completely convert the hydrogen supplied to it, so that the electrochemically active area available in the anode area 4 can be fully utilized. The excess hydrogen, typically on the order of 10 to 25 percent more hydrogen is offered here than can be converted by the anode area 4 at the corresponding load of the fuel cell system 1, is then returned to the circuit around the anode area 4 via a recirculation line 9 and is supplied together with fresh hydrogen from the compressed gas reservoir 7 to the anode area 4 again. In order to compensate for the pressure losses in the anode region 4 and in the recirculation line 9, a gas jet pump 10 is provided as a recirculation delivery device. The gas jet pump 10, which is often also referred to as a jet pump, works according to the Venturi principle, so that the fresh gas flows out of the compressed gas tank 7 through a narrowing cross section and the resulting negative pressure draws in and mixes the exhaust gas from the recirculation conveyor device 9 back into the anode area 4 with the fresh gas. During the operation of a fuel cell 2 with anode recirculation, undesirable substances accumulate in the area of the anode recirculation over time, for example inert gases which have diffused through the membrane 3, or also liquid or gaseous water, which sometimes also occurs as product water in the anode area 3. These undesired substances are discharged from time to time in a manner known per se via at least one valve device 11, a so-called purge or drain and purge valve, and reach the environment or the gas stream flowing to the fuel cell 2.

Für die Auslegung der Gasstrahlpumpe 10 wird nun typischerweise die benötigte Rezirkulationsrate, also der benötigte Gasdurchfluss durch die Rezirkulationsleitung 9, bei Volllast des Brennstoffzellensystems 1 als Auslegepunkt AP genommen. In der Darstellung der 2 ist ein entsprechendes Diagramm der Rezirkulationsraten über der Last der Brennstoffzelle dargestellt. Die Rezirkulationsrate (RR) ist dabei auf der Y-Achse aufgetragen, die Last (L) auf der X-Achse. Bei Volllast L_max ergibt sich, wie es durch das Anforderungsprofil, welches strichpunktiert in dem Diagramm dargestellt ist, zu erkennen ist, eine erste benötigte Rezirkulationsrate RR₁. Die gestrichelte Linie zeigt die im Stand der Technik typischerweise gewählte Auslegung der Gasstrahlpumpe, sodass bei Volllast L_max diese benötigte Rezirkulationsrate RR₁ erreicht wird. Dieser Auslegepunkt gemäß dem Stand der Technik ist in dem Diagramm als Punkt AP_ST eingetragen. Es ist zu erkennen, dass eine solche Auslegung der Gasstrahlpumpe 10 die vorgegebenen Anforderungen ab der Last L₁ erreicht. Sie kann also im Lastbereich zwischen L₁ und L_max so betrieben werden, dass die Anforderungen erfüllt werden.For the design of the gas jet pump 10, the required recirculation rate, ie the required gas flow through the recirculation line 9, is now typically taken as the design point AP when the fuel cell system 1 is at full load. In the representation of 2 a corresponding diagram of the recirculation rates versus the load of the fuel cell is shown. The recirculation rate (RR) is plotted on the Y-axis, the load (L) on the X-axis. At full load L _max , a first required recirculation rate RR ₁ results, as can be seen from the requirements profile, which is shown in the diagram with broken lines. The dashed line shows the design of the gas jet pump typically selected in the prior art, so that this required recirculation rate RR ₁ is achieved at full load L _max . This design point according to the prior art is entered in the diagram as point AP _ST . It can be seen that such a design of the gas jet pump 10 achieves the specified requirements from the load L ₁ . It can therefore be operated in the load range between L ₁ and L _max in such a way that the requirements are met.

Bei dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Erfindung ist es nun so, dass die Gasstrahlpumpe 10 hier auf einen Auslegepunkt AP₀ ausgelegt wird. Dieser Punkt liegt ebenfalls bei Volllast und ermöglicht einen Gasdurchsatz, welcher sehr viel höher als der zu erwartende Gasdurchsatz beziehungsweise die zu erwartende Rezirkulationsrate RR₁ bei Volllast ist. Dieser Auslegepunkt AP₀ ermöglicht bei Volllast L_max also eine Rezirkulationsrate RR₂, welche viel größer als die benötigte Rezirkulationsrate RR₁ ist. insbesondere ist sie um mehr als 50 Prozent größer als die bei Volllast L_max benötigte Rezirkulationsrate RR_1. In the case of the fuel cell system 1 according to the invention, the gas jet pump 10 is designed here for a design point AP ₀ . This point is also at full load and enables a gas throughput which is very much higher than the expected gas throughput or the expected recirculation rate RR ₁ at full load. At full load L _max , this design point AP ₀ thus enables a recirculation rate RR ₂ which is much greater than the required recirculation rate RR ₁ . In particular, it is more than 50 percent higher than the recirculation rate RR ₁ required at full load L _max .

Die Gasstrahlpumpe 10 in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Erfindung ist demnach überdimensioniert. Aus der Darstellung der 2, in welchem diese Auslegung mit durchgezogener Linie eingezeichnet ist, lässt sich erkennen, dass die Anforderungen an die Rezirkulationsrate bereits ab der Last L₀ und der Rezirkulationsrate RR₃ erreicht werden. Es lässt sich also im Bereich zwischen L₀ und L_max die Anforderung an die Rezirkulationsrate mit der erfindungsgemäß ausgelegten Gasstrahlpumpe 10 erfüllen. Mit einer einzigen Gasstrahlpumpe 10, und ohne dass zusätzliche Leitungen und Ventile notwendig sind, kann so über den sehr viel größeren Lastbereich zwischen L₀ und L_max hinweg das Brennstoffzellensystem 1 beziehungsweise die Anodenrezirkulation in dem Brennstoffzellensystem 1 sicher und zuverlässig betrieben werden. Dabei werden weniger Bauteile als bei den Varianten gemäß dem Stand der Technik benötigt. Der Aufwand hinsichtlich Montage und Steuerung wird ebenfalls reduziert. Das Brennstoffzellensystem 1 mit der erfindungsgemäß ausgelegten Gasstrahlpumpe lässt sich damit einfach, effizient und kostengünstig realisieren.The gas jet pump 10 in the fuel cell system 1 according to the invention is therefore oversized. From the representation of 2 , in which this design is drawn with a solid line, it can be seen that the requirements for the recirculation rate are already met from the load L ₀ and the recirculation rate RR ₃ . In the range between L ₀ and L _max , the requirement for the recirculation rate can therefore be met with the gas jet pump 10 designed according to the invention. With a single gas jet pump 10 and without the need for additional lines and valves, the fuel cell system 1 or the anode recirculation in the fuel cell system 1 can be operated safely and reliably over the much larger load range between L ₀ and L _max . In this case, fewer components are required than in the variants according to the prior art. The effort in terms of assembly and control is also reduced. The fuel cell system 1 with the gas jet pump designed according to the invention can thus be implemented simply, efficiently and cost-effectively.

Das Druckregel- und Dosierventil 8 als Ventileinrichtung kann dabei vorzugsweise gepulst betrieben werden, um mit einfachen und kostengünstigen Mitteln durch die Möglichkeit einer Modulation der Pulsweite eine einfache und effiziente Dosierung des zugeführten frischen Gases zum Antreiben der überdimensionierten Gasstrahlpumpe 10 zu gewährleisten.The pressure control and metering valve 8 as a valve device can preferably be operated in a pulsed manner in order to ensure simple and efficient metering of the supplied fresh gas for driving the oversized gas jet pump 10 with simple and inexpensive means through the possibility of modulating the pulse width.

Claims

Fuel cell system (1) after claim 1 , characterized in that the gas jet pump (10) at the full load point (L _max ) is designed for a throughput (RR ₂ ) of the fresh gas or the exhaust gas which is more than 50 percent greater than the expected maximum gas throughput (RR ₁ ) at is full load.

Fuel cell system (1) after claim 1 or 2 , characterized in that the fresh gas is supplied via a valve device (8) which is operated in a pulsed manner.

Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that there is an anode recirculation with a gas jet pump (10) as a recirculation conveying device and no cathode recirculation.

Use of a fuel cell system (1) according to one of Claims 1 until 4 in a vehicle that is at least partially driven by electrical power generated by the fuel cell system (1).