DE102024200241A1

DE102024200241A1 - Jet pump module and anode subsystem with jet pump module

Info

Publication number: DE102024200241A1
Application number: DE102024200241.0A
Authority: DE
Inventors: Silvia Calvo Zueco; Tobias Falkenau
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2024-01-11
Filing date: 2024-01-11
Publication date: 2025-07-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strahlpumpenmodul (11) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis (12) eines Brennstoffzellensystems, aufweisend mindestens zwei ineinanderliegende Strahlpumpen (1, 2) mit jeweils einer Mischkammer (3, 4) und einem Diffusor (5, 6). Die Mischkammer (3) und der Diffusor (5) einer innenliegenden ersten Strahlpumpe (1) sind dabei von der Mischkammer (4) und dem Diffusor (6) einer außenliegenden zweiten Strahlpumpe (2) umgeben.
Ferner betrifft die Erfindung ein Anodensubsystem (19) für ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreis (12), in den ein erfindungsgemäßes Strahlpumpenmodul (11) integriert ist. The invention relates to a jet pump module (11) for recirculating anode gas in an anode circuit (12) of a fuel cell system, comprising at least two nested jet pumps (1, 2), each with a mixing chamber (3, 4) and a diffuser (5, 6). The mixing chamber (3) and the diffuser (5) of an internal first jet pump (1) are surrounded by the mixing chamber (4) and the diffuser (6) of an external second jet pump (2).
Furthermore, the invention relates to an anode subsystem (19) for a fuel cell system having an anode circuit (12) into which a jet pump module (11) according to the invention is integrated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlpumpenmodul zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Strahlpumpenmodul vorgeschlagen.The invention relates to a jet pump module for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system. Furthermore, an anode subsystem for a fuel cell system with a jet pump module according to the invention is proposed.

Stand der TechnikState of the art

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen benötigen Wasserstoff und Sauerstoff, um diese in elektrische Energie, Wärme und Wasser zu wandeln. Der Wasserstoff wird über einen Anodenkreis einer Anode zugeführt. Die Luft, welche als Sauerstofflieferant dient, gelangt über ein Luftsystem zu einer Kathode. Die beiden Gasräume werden innerhalb einer Brennstoffzelle jeweils durch eine für Protonen durchlässige Elektrolyt-Membran voneinander getrennt.Hydrogen-based fuel cells require hydrogen and oxygen to convert them into electrical energy, heat, and water. The hydrogen is fed to an anode via an anode circuit. The air, which serves as an oxygen supplier, is fed to a cathode via an air system. The two gas chambers within a fuel cell are separated from each other by an electrolyte membrane permeable to protons.

Eine Brennstoffzelle wird in der Regel mit einem Wasserstoffüberschuss (Lambda > 1) betrieben. Der überschüssige Wasserstoff wird über einen Rezirkulationspfad des Anodenkreises rezirkuliert und erneut der Brennstoffzelle zugeführt. Die Rezirkulation kann aktiv und/oder passiv bewirkt werden, wobei in der Regel zur aktiven Rezirkulation eine Rezirkulationspumpe und zur passiven Rezirkulation eine Strahlpumpe eingesetzt wird.A fuel cell is typically operated with a hydrogen surplus (lambda > 1). The excess hydrogen is recirculated via a recirculation path in the anode circuit and fed back into the fuel cell. Recirculation can be achieved actively and/or passively, with a recirculation pump typically used for active recirculation and a jet pump for passive recirculation.

Eine Strahlpumpe weist eine Treibdüse auf, aus der ein Treibmassenstrom austritt, dessen Strömungsgeschwindigkeit in einer Mischkammer einen statischen Druckabfall bewirkt. Dieser statische Druckabfall und eine vom Treibmassenstrom ausgehende Impulsübertragung verursachen eine Ansaugung eines Saugmediums aus einem an die Mischkammer angeschlossenen Saugstutzen. Der Kausalzusammenhang zwischen dem Treibmassenstrom und dem angesaugten Massenstrom ist mitunter abhängig vom Strömungsquerschnitt und deswegen in hohem Maße abhängig vom Auslegungsbetriebspunkt der Strahlpumpe. Wird der Treibmassenstrom verringert, wird weniger Saugmedium angesaugt. Sinkt der Treibmassenstrom unter einen vom Auslegungsbetriebspunkt der Strahlpumpe abhängigen Grenzwert, nimmt die Menge geförderten Saugmediums erheblich ab. Bei zu geringem Treibmassenstrom versagt die Pumpwirkung der Strahlpumpe.A jet pump has a motive nozzle from which a motive mass flow emerges, the flow velocity of which causes a static pressure drop in a mixing chamber. This static pressure drop and the momentum transfer emanating from the motive mass flow cause a suction medium to be drawn in from a suction nozzle connected to the mixing chamber. The causal relationship between the motive mass flow and the sucked-in mass flow is sometimes dependent on the flow cross-section and therefore highly dependent on the design operating point of the jet pump. If the motive mass flow is reduced, less suction medium is drawn in. If the motive mass flow falls below a limit value dependent on the design operating point of the jet pump, the quantity of suction medium pumped decreases considerably. If the motive mass flow is too low, the pumping effect of the jet pump fails.

Bei einem Einsatz einer Strahlpumpe im Rezirkulationskreislauf für Anodengas folgt aus diesem Sachverhalt, dass eine hinreichende Rezirkulation über eine Strahlpumpe nur bei hinreichend großer Betriebslast der Brennstoffzelle gewährleistet ist. Im Anoden-Rezirkulationskreislauf einer Brennstoffzelle wird der Treibmassenstrom durch Zuführung neuen Wasserstoffs in den Anodenkreis realisiert. So ist der Treibmassenstrom abhängig vom Wasserstoffbedarf der Brennstoffzelle, was einer Abhängigkeit von ihrem Betriebspunkt gleichkommt. Insbesondere im Teillast- bzw. Niedriglastbetrieb kann die betriebsbedingte Reduktion des Treibmassenstroms eine Rezirkulationsinsuffizienz verursachen. Ausschlaggebend für den Zusammenhang zwischen Pumpwirkung und Treibmassenstrom sind die Strömungsquerschnitte der Düse, der Mischkammer und des Diffusors. Je größer dieser gewählt ist, desto größer ist der Verlust der Pumpwirkung in kleinen Lastbereichen.When using a jet pump in the anode gas recirculation circuit, this means that sufficient recirculation via a jet pump is only guaranteed when the fuel cell's operating load is sufficiently high. In the anode recirculation circuit of a fuel cell, the propellant mass flow is achieved by supplying new hydrogen to the anode circuit. Thus, the propellant mass flow depends on the fuel cell's hydrogen demand, which is equivalent to its operating point. Particularly during partial or low-load operation, the operational reduction in the propellant mass flow can cause recirculation insufficiency. The decisive factors for the relationship between pumping effect and propellant mass flow are the flow cross-sections of the nozzle, the mixing chamber, and the diffuser. The larger this cross-section, the greater the loss of pumping effect in low load ranges.

Zur Lösung dieses Problems sind aus dem Stand der Technik Konzepte bekannt, die zwei für unterschiedliche Lastbereiche ausgelegte Strahlpumpen in Parallelschaltung einsetzen. Diese werden je nach Last unabhängig voneinander oder gleichzeitig betrieben. Wesentliches Problem derartiger Konstellationen ist der deutlich erhöhte Bauraumbedarf, der bei Verwendung von zwei oder mehr Strahlpumpen anfällt, die bereits einzeln regelmäßig eine erheblich größere Baugröße als andere Pumpen gleicher Leistung aufweisen.To solve this problem, state-of-the-art concepts employ two jet pumps designed for different load ranges in parallel. These are operated independently or simultaneously, depending on the load. A key problem with such configurations is the significantly increased installation space required when using two or more jet pumps, which are already individually considerably larger than other pumps of the same power.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, eine bauraumschonende Lösung zur Vermeidung einer unzureichenden Rezirkulation bei niedrigen Lasten bereitzustellen bei gleichzeitiger Abdeckung der Maximallast. Die Aufgabe wird gelöst durch das Strahlpumpenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Strahlpumpenmodul angegeben.The present invention is concerned with the object of providing a space-saving solution for avoiding insufficient recirculation at low loads while simultaneously covering the maximum load. This object is achieved by the jet pump module having the features of claim 1. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims. Furthermore, an anode subsystem for a fuel cell system with a jet pump module according to the invention is specified.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorgeschlagen wird ein Strahlpumpenmodul zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, aufweisend mindestens zwei ineinanderliegende Strahlpumpen mit jeweils einer Mischkammer und einem Diffusor, wobei die Mischkammer und der Diffusor einer innenliegenden ersten Strahlpumpe von der Mischkammer und dem Diffusor einer außenliegenden zweiten Strahlpumpe umgeben sind. Die ineinanderliegende Anordnung der Strahlpumpen des vorgeschlagenen Strahlpumpenmoduls erlaubt eine Parallelschaltung mehrerer Strahlpumpen bei zugleich minimalem Bauraumbedarf.A jet pump module for recirculating anode gas in an anode circuit of a fuel cell system is proposed, comprising at least two nested jet pumps, each with a mixing chamber and a diffuser. The mixing chamber and diffuser of an internal first jet pump are surrounded by the mixing chamber and diffuser of an external second jet pump. The nested arrangement of the jet pumps of the proposed jet pump module allows for parallel connection of several jet pumps while simultaneously requiring minimal space.

Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Mischkammern der beiden Strahlpumpen konzentrisch zueinander angeordnet sind. Der Vorzug dieser Ausführungsform ist strömungsmechanischer Natur: der effektive Strömungsquerschnitt der ersten Strahlpumpe ist kreisförmig, der Strömungsquerschnitt der zweiten Strahlpumpe ist ringförmig. Eine konzentrische Anordnung stellt sicher, dass die Breite dieses Ringes über den Umfang betrachtet einheitlich ist, sodass lokale Druckunterschiede und damit Rückströmungen von Gas Stromauf der Pumpern vermieden werden.Furthermore, it is proposed that the mixing chambers of the two jet pumps be arranged concentrically to each other. The advantage of this embodiment is of a fluid-mechanical nature: the effective flow cross-section of the first jet pump is circular, the flow cross-section of the The second jet pump is annular. A concentric arrangement ensures that the width of this ring is uniform across the circumference, thus avoiding local pressure differences and thus backflow of gas upstream of the pumps.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Mischkammer der ersten Strahlpumpe einen Saugstutzen aufweist, der durch die Mischkammer der zweiten Strahlpumpe geführt ist. Diese Ausführungsform gewährt der ersten und allen innenliegenden Strahlpumpen jeweils einen eigenen Saugstutzen. Andernfalls müsste die erste Strahlpumpe das rezirkulierte Anodengas aus der Mischkammer der sie umgebenden Strahlpumpe beziehen, was ihre Pumpwirkung erheblich beeinträchtigen würde. Über diese Ausführungsform wird somit die Wirksamkeit der ersten Stahlpumpe erhöht.It is further proposed that the mixing chamber of the first jet pump have a suction port that extends through the mixing chamber of the second jet pump. This embodiment provides the first and all internal jet pumps with their own suction port. Otherwise, the first jet pump would have to draw the recirculated anode gas from the mixing chamber of the surrounding jet pump, which would significantly impair its pumping efficiency. This embodiment thus increases the effectiveness of the first jet pump.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Diffusor der ersten Strahlpumpe kürzer als der Diffusor der zweiten Strahlpumpe ist, so dass der Diffusor der ersten Strahlpumpe in den Diffusor der zweiten Strahlpumpe mündet. Bei einer solchen Anordnung wirkt der aus der ersten Strahlpumpe austretende Massenstrom auf den Diffusor der zweiten Strahlpumpe wie ein Treibmassenstrom. Der so entstehende Druckabfall in der Mischkammer der zweiten Strahlpumpe überlagert deren betriebsbedingten Druckabfall auf verstärkende Weise. Dadurch steigt die Pumpwirkung der zweiten Strahlpumpe.In a further development of the invention, it is proposed that the diffuser of the first jet pump be shorter than the diffuser of the second jet pump, so that the diffuser of the first jet pump flows into the diffuser of the second jet pump. With such an arrangement, the mass flow exiting the first jet pump acts on the diffuser of the second jet pump like a driving mass flow. The resulting pressure drop in the mixing chamber of the second jet pump amplifies the pressure drop due to its operation. This increases the pumping effect of the second jet pump.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die beiden Strahlpumpen, vorzugsweise durch jeweilige Zuordnung zu einem aktiv ansteuerbaren Wasserstoffdosierventil, unabhängig voneinander betreibbar sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform können die erste und zweite Strahlpumpe separat sowie gleichzeitig betrieben werden. In letzterem Fall überlagern sich die Pumpwirkungen der beiden Strahlpumpen, wodurch die Rezirkulationsleistung des Anodenkreises verstärkt wird. Bevorzugt weist jedes Wasserstoffdosierventil eine Düse auf, deren Strömungsquerschnitt für die geforderte Rezirkulationsleistung der jeweiligen Strahlpumpe ausgelegt ist. Je kleiner der Strömungsquerschnitt der Düse, desto höher die Strömungsgeschwindigkeit des Treibmassenstroms in der Mischkammer. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Treibmassenstroms relativ zum Saugmedium führt zu einer ausgeprägteren Impulsübertragung und dadurch zu einer Verstärkung der Pumpwirkung. Gerade bei niedrigen Lastpunkten des Anodenkreises und damit einhergehenden niedrigen Treibmassenströmen wird so mit einem kleineren Strömungsquerschnitt die Pumpwirkung verbessert.It is further proposed that the two jet pumps be operable independently of one another, preferably by being assigned to an actively controllable hydrogen metering valve. In this preferred embodiment, the first and second jet pumps can be operated separately or simultaneously. In the latter case, the pumping effects of the two jet pumps overlap, thereby increasing the recirculation performance of the anode circuit. Each hydrogen metering valve preferably has a nozzle whose flow cross-section is designed for the required recirculation performance of the respective jet pump. The smaller the flow cross-section of the nozzle, the higher the flow velocity of the propellant mass flow in the mixing chamber. A higher flow velocity of the propellant mass flow relative to the suction medium leads to a more pronounced momentum transfer and thus to an increase in the pumping effect. Especially at low load points of the anode circuit and the associated low propellant mass flows, the pumping effect is improved with a smaller flow cross-section.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die einzelnen Strahlpumpen für unterschiedlich hohe Lasten ausgelegt sind. Diese bevorzugte Ausführungsform ermöglicht die Erfüllung verschiedener Betriebspunkte. So kann beispielsweise eine Strahlpumpe so ausgelegt sein, dass sie im Auslegungsbetriebspunkt des Anodenkreislaufs die benötigte Rezirkulationsleistung eigenständig erbringt. Eine weitere Strahlpumpe ist in Weiterführung des Beispiels für einen Teillastbereich ausgelegt. Wird der Anodenkreislauf in diesem Teillastbereich betrieben, wird auf die für diesen Lastbereich ausgelegte Strahlpumpe umgeschaltet. Bewegt sich der Betriebspunkt des Anodenkreislaufs in den Bereich der Überlast, kann ein gleichzeitiger Betrieb der Strahlpumpen die nötige Rezirkulationsleistung bewältigen. Diese beschriebene Form des Betriebs ist beispielhaft. Andere Konstellationen sind möglich.In a further development of the invention, it is proposed that the individual jet pumps be designed for different load levels. This preferred embodiment enables the fulfillment of different operating points. For example, one jet pump can be designed such that it independently provides the required recirculation capacity at the design operating point of the anode circuit. A further jet pump is designed, in continuation of the example, for a partial load range. If the anode circuit is operated in this partial load range, the system switches to the jet pump designed for this load range. If the operating point of the anode circuit moves into the overload range, simultaneous operation of the jet pumps can manage the required recirculation capacity. This described form of operation is exemplary. Other constellations are possible.

Weiterhin wird ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreis vorgeschlagen, in den ein erfindungsgemäßes Strahlpumpenmodul integriert ist.Furthermore, an anode subsystem for a fuel cell system with an anode circuit is proposed, into which a jet pump module according to the invention is integrated.

In Weiterbildung des Anodensubsystems wird vorgeschlagen, dass dem Strahlpumpenmodul ein Wasserstoffdosierventil parallelgeschaltet ist. Dieses ermöglicht eine Umgehung des Strahlpumpenmoduls, so dass zusätzlich zum Anodengas, das über das Strahlpumpenmodul gefördert wird, weiterer Wasserstoff zugeführt werden kann. Da das über das Strahlpumpenmodul geförderte Anodengas sowohl Rezirkulat als auch Frischwasserstoff enthält, hängt der maximale Wasserstoffanteil im geförderten Anodengas von der maximalen Pumpleistung des Strahlpumpenmoduls ab. Um bei großer Last auch einen darüberhinausgehenden Wasserstoffbedarf des Brennstoffzellenstapels zu decken, wird mit dem zusätzlichen Wasserstoffdosierventil die nötige zusätzliche Menge Frischwasserstoff zugeführt.In a further development of the anode subsystem, it is proposed that a hydrogen metering valve be connected in parallel to the jet pump module. This allows the jet pump module to be bypassed, allowing additional hydrogen to be supplied in addition to the anode gas delivered via the jet pump module. Since the anode gas delivered via the jet pump module contains both recirculated hydrogen and fresh hydrogen, the maximum hydrogen content in the delivered anode gas depends on the maximum pumping power of the jet pump module. To cover any additional hydrogen demand of the fuel cell stack at high loads, the additional hydrogen metering valve supplies the necessary additional amount of fresh hydrogen.

Weiterhin kann die Wasserstoffkonzentration im Anodengas unabhängig von der Rezirkulationsleistung des Strahlpumpenmoduls eingestellt werden. Je nach im Brennstoffzellenstapel benötigter Wasserstoffkonzentration kann dazu ausschließlich entweder auf das Strahlpumpenmodul oder das parallelgeschaltete Wasserstoffdosierventil zurückgegriffen werden.Furthermore, the hydrogen concentration in the anode gas can be adjusted independently of the recirculation capacity of the jet pump module. Depending on the hydrogen concentration required in the fuel cell stack, either the jet pump module or the parallel-connected hydrogen dosing valve can be used exclusively.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlpumpenmoduls wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Strahlpumpenmodul,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Anodensubsystems und
3 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Anodensubsystems, welches ein dem Strahlpumpenmodul parallelgeschaltetes Wasserstoffdosierventil aufweist.

A preferred embodiment of a jet pump module according to the invention is described below with reference to the accompanying drawings. These show:

1 a schematic longitudinal section through a jet pump module according to the invention,
2 a schematic representation of an anode subsystem according to the invention and
3 a schematic representation of a further anode subsystem according to the invention, which has a hydrogen dosing valve connected in parallel to the jet pump module.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

1 zeigt ein Strahlpumpenmodul 11, das eine erste Strahlpumpe 1 mit einer Mischkammer 3 und einem daran anschließenden Diffusor 5 sowie eine zweite Strahlpumpe 2 mit einer Mischkammer 4 und einem daran anschließenden Diffusor 6 aufweist. Die erste Strahlpumpe 1 ist dabei innerhalb der zweiten Strahlpumpe 2 angeordnet, die vorzugsweise für einen anderen Lastpunkt als die erste Strahlpumpe 1 ausgelegt ist. Die Mischkammern 3, 4 und die Diffusoren 5, 6 der beiden Strahlpumpen 1, 2 sind dabei konzentrisch zueinander angeordnet. Das heißt, dass die Mischkammer 4 und der Diffusor 6 der außenliegenden zweiten Strahlpumpe 2 im Querschnitt jeweils ringförmig ausgebildet sind. 1 shows a jet pump module 11 comprising a first jet pump 1 with a mixing chamber 3 and an adjoining diffuser 5, as well as a second jet pump 2 with a mixing chamber 4 and an adjoining diffuser 6. The first jet pump 1 is arranged within the second jet pump 2, which is preferably designed for a different load point than the first jet pump 1. The mixing chambers 3, 4 and the diffusers 5, 6 of the two jet pumps 1, 2 are arranged concentrically to one another. This means that the mixing chamber 4 and the diffuser 6 of the externally located second jet pump 2 are each annular in cross-section.

Die innenliegende erste Strahlpumpe 1 weist einen Saugstutzen 9 auf, der zur Verbindung mit einem Anodenkreis 12 durch die Mischkammer 4 der zweiten Strahlpumpe 2 geführt ist. Im Betrieb der ersten Strahlpumpe 1 erzeugt ein über ein unabhängig ansteuerbares Wasserstoffdosierventil 7 zugeführter Treibmassenstrom einen Druckabfall in der Mischkammer 3, wodurch über den Saugstutzen 9 zu rezirkulierendes Anodengas aus dem Anodenkreis 12 angesaugt wird. Die außenliegende zweite Strahlpumpe 2 weist einen Saugstutzen 10 auf, der ebenfalls an den Anodenkreis 12 angeschlossen ist. Im Betrieb der zweiten Strahlpumpe 2 erzeugt ein über ein unabhängig ansteuerbares Wasserstoffdosierventil 8 zugeführter Treibmassenstrom einen Druckabfall in der Mischkammer 4, wodurch über den Saugstutzen 10 zu rezirkulierendes Anodengas aus dem Anodenkreis 12 angesaugt wird.The internal first jet pump 1 has a suction port 9, which is guided through the mixing chamber 4 of the second jet pump 2 for connection to an anode circuit 12. During operation of the first jet pump 1, a propellant mass flow supplied via an independently controllable hydrogen metering valve 7 creates a pressure drop in the mixing chamber 3, whereby anode gas to be recirculated is sucked in from the anode circuit 12 via the suction port 9. The external second jet pump 2 has a suction port 10, which is also connected to the anode circuit 12. During operation of the second jet pump 2, a propellant mass flow supplied via an independently controllable hydrogen metering valve 8 creates a pressure drop in the mixing chamber 4, whereby anode gas to be recirculated is sucked in from the anode circuit 12 via the suction port 10.

Da die beiden Wasserstoffdosierventile 7, 8 unabhängig voneinander ansteuerbar sind, können die beiden Strahlpumpen 1, 2 jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden. Sofern beide Strahlpumpen 1,2 zudem für unterschiedliche Lasten ausgelegt sind, kann bei Niedriglast die kleinste Strahlpumpe und bei steigender Last von der kleinesten auf die weitere bzw. auf die nächstgrößere Strahlpumpe geschaltet werden. Denn das Konzept schließt nicht aus, dass das Strahlpumpenmodul 11 mehr als zwei Strahlpumpen 1, 2 umfasst.Since the two hydrogen metering valves 7, 8 can be controlled independently of each other, the two jet pumps 1, 2 can be operated individually or together. If both jet pumps 1, 2 are also designed for different loads, the smallest jet pump can be switched at low loads, and from the smallest to the next or larger jet pump as the load increases. This concept does not preclude the jet pump module 11 from comprising more than two jet pumps 1, 2.

Das Zu- und Abschalten einer Strahlpumpe 1, 2 erfolgt durch Ansteuern des der Strahlpumpe 1, 2 jeweils zugeordneten Wasserstoffdosierventils 7, 8. Bei geöffnetem Wasserstoffdosierventil 7, 8 wird ein Treibmassenstrom erzeugt, der einen Druckabfall in der jeweiligen Mischkammer 3, 4 bewirkt. Dadurch wird über den jeweiligen Saugstutzen 9, 10 zu rezirkulierendes Anodengas aus dem Anodenkreis 12 angesaugt.The switching on and off of a jet pump 1, 2 is achieved by controlling the hydrogen metering valve 7, 8 assigned to the respective jet pump 1, 2. When the hydrogen metering valve 7, 8 is open, a propellant mass flow is generated, which causes a pressure drop in the respective mixing chamber 3, 4. As a result, anode gas to be recirculated is sucked in from the anode circuit 12 via the respective suction nozzle 9, 10.

Bei Volllast können beide Strahlpumpen 1, 2 parallel betrieben werden. Dazu werden beide Wasserstoffdosierventile 7, 8 geöffnet. Im Parallelbetrieb bewirkt der aus dem Diffusor 5 der ersten Strahlpumpe 1 austretende Massenstrom im Diffusor 6 der zweiten Strahlpumpe 2 einen Druckabfall und erhöht so die Strömungsgeschwindigkeit in der zweiten Strahlpumpe 2, wodurch deren Pumpwirkung erhöht wird.At full load, both jet pumps 1, 2 can be operated in parallel. For this purpose, both hydrogen metering valves 7, 8 are opened. In parallel operation, the mass flow exiting the diffuser 5 of the first jet pump 1 causes a pressure drop in the diffuser 6 of the second jet pump 2, thus increasing the flow velocity in the second jet pump 2, thereby enhancing its pumping efficiency.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Anodensubsystems 19 mit einem Anodenkreis 12, über den einem Brennstoffzellenstapel 15 ein Anodengas zugeführt wird. Dieses enthält Fischwasserstoff sowie rezirkuliertes Anodengas, wobei die Rezirkulation passiv mit Hilfe eines in den Anodenkreis 12 integrierten, erfindungsgemäßen Strahlpumpenmoduls 11 bewirkt wird. 2 shows a schematic representation of an anode subsystem 19 according to the invention with an anode circuit 12, via which an anode gas is supplied to a fuel cell stack 15. This contains hydrogen as well as recirculated anode gas, wherein the recirculation is effected passively with the aid of a jet pump module 11 according to the invention integrated into the anode circuit 12.

Da sich das Anodengas im Brennstoffzellenstapel 15 mit Stickstoff und Wasser anreichert, ist stromaufwärts des Strahlpumpenmoduls 11 ein Wasserabscheider 16 in den Anodenkreis integriert. Das abgeschiedene Wasser wird über ein Ventil, dem sogenannten Drainventil 17, aus dem Wasserabscheider 16 entfernt. Zum Abführen von stickstoffhaltigem Anodengas ist ein weiteres Ventil vorgesehen, das sogenannte Purgeventil 18. Gleichzeitig wird Frischwasserstoff zudosiert, um den Druck im Anodenkreis 12 einzustellen.Since the anode gas in the fuel cell stack 15 becomes enriched with nitrogen and water, a water separator 16 is integrated into the anode circuit upstream of the jet pump module 11. The separated water is removed from the water separator 16 via a valve, the so-called drain valve 17. Another valve, the so-called purge valve 18, is provided to remove nitrogen-containing anode gas. At the same time, fresh hydrogen is added to adjust the pressure in the anode circuit 12.

Das Zudosieren von Frischwasserstoff erfolgt über die Wasserstoffdosierventile 7, 8 des Strahlpumpenmoduls 11, die jedes Wasserstoffdosierventil 7, 8 einer Strahlpumpe 1, 2 zugeordnet ist. Das in der 2 dargestellte Strahlpumpenmodul 11 umfasst zwei Strahlpumpen 1, 2, die konzentrisch ineinander angeordnet und für unterschiedliche Lasten ausgelegt sind. Über die Wasserstoffdosierventile 7, 8 wird Frischwasserstoff aus einer Frischwasserstoffzufuhr 13 in die Strahlpumpen 1, 2 eingespeist. Hierüber wird ein Treibmassenstrom bewirkt, über den Anodengas aus dem Anodenkreis 12 ansaugt wird. Der zugeführte Frischwasserstoff bemisst sich dabei anhand der Betriebslast des Brennstoffzellensystems 15 und des daraus resultierenden Wasserstoffbedarfs. Um diesen zu decken, können je nach Lastfall die Strahlpumpen 1, 2 einzeln oder gemeinsam betrieben werden.The dosing of fresh hydrogen takes place via the hydrogen dosing valves 7, 8 of the jet pump module 11, each hydrogen dosing valve 7, 8 is assigned to a jet pump 1, 2. The 2 The jet pump module 11 shown comprises two jet pumps 1, 2, which are arranged concentrically within one another and designed for different loads. Fresh hydrogen is fed from a fresh hydrogen supply 13 into the jet pumps 1, 2 via the hydrogen metering valves 7, 8. This creates a propellant mass flow through which anode gas is drawn from the anode circuit 12. The supplied fresh hydrogen is measured based on the operating load of the fuel cell system 15 and the resulting hydrogen demand. To cover this, the jet pumps 1, 2 can be operated individually or jointly, depending on the load.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Anodensubsystems 19. Dieses unterscheidet sich von dem in der 2 dargestellten System darin, dass dem Strahlpumpenmodul 11 ein Wasserstoffdosierventil 14 parallelgeschaltet ist. Das Wasserstoffdosierventil 14 ermöglicht eine Umgehung des Strahlpumpenmoduls 11, so dass hierüber zusätzlich Frischwasserstoff aus der Frischwasserstoffzufuhr 13 in den Anodenkreis 12 eindosiert werden kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn aufgrund hoher Last der Wasserstoffbedarf so hoch steigt, dass er allein über die Pump- und Rezirkulationsleistung des Strahlpumpenmoduls 11 nicht mehr gedeckt werden kann. 3 shows a schematic representation of another anode subsystem 19 according to the invention. This differs from the one shown in 2 The system shown is that a hydrogen metering valve 14 is connected in parallel to the jet pump module 11. The hydrogen metering valve 14 allows the jet pump module to be bypassed. module 11, so that additional fresh hydrogen from the fresh hydrogen supply 13 can be metered into the anode circuit 12. This is particularly advantageous when, due to high load, the hydrogen demand increases so much that it can no longer be covered by the pumping and recirculation capacity of the jet pump module 11 alone.

Claims

Jet pump module (11) for recirculating anode gas in an anode circuit (12) of a fuel cell system, comprising at least two nested jet pumps (1, 2), each with a mixing chamber (3, 4) and a diffuser (5, 6), wherein the mixing chamber (3) and the diffuser (5) of an internal first jet pump (1) are surrounded by the mixing chamber (4) and the diffuser (6) of an external second jet pump (2).

Jet pump module (11) according to Claim 1 , characterized in that the mixing chambers (3, 4) of the two jet pumps (1, 2) are arranged concentrically to one another.

Jet pump module (11) according to Claim 1 , characterized in that the mixing chamber (3) of the first jet pump (1) has a suction nozzle (9) which is guided through the mixing chamber (4) of the second jet pump (2).

Jet pump module (11) according to one of the preceding claims, characterized in that the diffuser (5) of the first jet pump (1) is shorter than the diffuser (6) of the second jet pump (2), so that the diffuser (5) of the first jet pump (1) opens into the diffuser (6) of the second jet pump (2).

Jet pump module (11) according to one of the preceding claims, characterized in that the two jet pumps (1, 2) can be operated independently of one another, preferably by being assigned to an actively controllable hydrogen metering valve (7, 8).

Jet pump module (11) according to one of the preceding claims, characterized in that the individual jet pumps (1, 2) are designed for different loads.

Anode subsystem (19) for a fuel cell system having an anode circuit (12) into which a jet pump module (11) according to one of the preceding claims is integrated.

Anode subsystem (19) according to Claim 7 , characterized in that a hydrogen metering valve (14) is connected in parallel to the jet pump module (11).