DE102022201020A1

DE102022201020A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102022201020A1
Application number: DE102022201020.5A
Authority: DE
Inventors: Hans-Christoph Magel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-13
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31) sowie ein Brennstoffzellensystem (31) mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (1).
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems (31)a, bei dem mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen (4, 6) verwendet werden, die lastabhängig jeweils einzeln oder gemeinsam betrieben werden

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems. Ferner wird ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, mit deren Hilfe ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden können. Eine Brennstoffzelle weist hierzu eine Anode und eine Kathode auf. Die Anode wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit dem Brennstoff, die Kathode mit dem Oxidationsmittel versorgt. Bei dem Brennstoff handelt es sich demnach um das Anodengas.
Systemisch hat sich bei der Versorgung der Anode mit Brennstoff bzw. Anodengas der Ansatz etabliert, das noch brennstoffreiche aus der Brennstoffzelle austretende Anodengas zu rezirkulieren und zusammen mit frischem Brennstoff erneut der Anode zuzuführen. Hierbei gelangt oftmals eine Strahlpumpe 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. 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.
Aus der DE 10 2007 004 590 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die mindestens zwei parallel verschaltete Strahlpumpen aufweist. Typischerweise wird aus Sicherheitsgründen zusätzlich an jeder der beiden Strahlpumpen jeweils ein Rückschlagventil verwendet, um eine Rückströmung der Fördermenge durch die jeweilige Strahlpumpe zu verhindern. Problematisch sind dabei die hohen Kosten für zwei separate Rückschlagventile, 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 das Brennstoffzellensystem mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung_und ein Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst 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 ein jeweiliges Dosierventil und eine Zuströmleitung zugeführt wird.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgeführt, dass eine erste Strahlpumpe fluidisch zuströmseitig oder abströmseitig über mindestens ein Rückschlagventil mit einer Brennstoffzelle, insbesondere einem Anodenbereich, verbunden ist, wobei eine zweite Strahlpumpe ohne ein derartiges Rückschlagventil, insbesondere im Strömungspfad, fluidisch zuströmseitig oder abströmseitig mit der Brennstoffzelle, insbesondere dem Anodenbereich, verbunden ist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine kostengünstige Ausführung der Vorrichtung herbeigeführt werden kann, da ein zusätzliches zweites Rückschlagventil für die zweite Strahlpumpe eingespart werden kann. Zudem wird der Bauraumbedarf durch den Wegfall des zusätzlichen zweiten Rückschlagventils deutlich gesenkt. Somit kann eine kompaktere Bauweise der Vorrichtung herbeigeführt werden, wodurch weniger Bauraum im Gesamtfahrzeug benötigt wird. Weiterhin kann die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht werden, da die Gefahr eines defekten zweiten Rückschlagventils aufgrund der Einsparung dieses vollständig vermieden wird. Des Weiteren kann durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung die Kaltstartfähigkeit der Vorrichtung und somit des gesamten Brennstoffzellensystems verbessern, insbesondere bei Temperaturen unter 0°C, bei der eine hohe Feuchtigkeit im Anodenkreis vorliegt. Ein Festfrieren des zweiten Rückschlagventil im Bereich der zweiten Strahlpumpe wird somit dadurch verhindert, dass die zweite Strahlpumpe ohne ein derartiges zweites Rückschlagventil ausgeführt und/oder mit einer Brennstoffzelle verbunden ist. Dadurch kann die zweite Strahlpumpe auch bei tiefen Temperaturen zuverlässig betrieben werden und ein Start der Brennstoffzelle ist jederzeit möglich.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Fördereinrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung befindet sich das Rückschlagventil der ersten Strahlpumpe abströmseitig im Bereich einer Verbindungsleitung oder zwischen der Verbindungsleitung und der ersten Strahlpumpe. Zudem oder alternativ kann sich das oder ein zusätzliches Rückschlagventil zuströmseitig über einen ersten Zulauf im Bereich einer Rückführleitung oder zwischen der Rückführleitung und der ersten Strahlpumpe befinden. Auf diese Weise kann in zuverlässiger Weise eine Rückströmung der Fördermenge durch die erste Strahlpumpe verhindert werden, insbesondere während die erste Strahlpumpe keine Mengensteuerung des Treibmediums durchführt. Zudem kann durch diese erfinderische Ausführungsform der Vorrichtung eine kompakte Bauform der Vorrichtung herbeigeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung ist die zweite Strahlpumpe für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt. Dabei erfolgt eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, ausschließlich durch ein zweite Dosierventil. In Falle des Niedriglastbetriebs kann somit ausschließlich die zweite Strahlpumpe betrieben werden, indem die erste Strahlpumpe mittels des Dosierventils fluidisch von der Zuströmleitung getrennt wird und auch eine Rückströmung der Fördermenge durch die erste Strahlpumpe mittels des Rückschlagventils verhindert werden. Dabei hat die zweite Strahlpumpe aufgrund Ihrer Größe und/oder der Ausführung der Strömungskonturen einen besseren Wirkungsgrad als die erste Strahlpumpe bei einem Niederlastbetrieb des Brennstoffzellensystems. 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 ein erste Dosierventil. Auf diese Weise kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung bereitgestellt werden, da die Strahlpumpen getrennt voneinander ansteuerbar sind. Zudem kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden, da eine optimale Beschickung der Brennstoffzelle mittels der ersten Strahlpumpe erfolgen kann.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung weist die zweite Strahlpumpe auch bei einer geringen Fördermenge, die zumindest nahezu gegen null geht, ein zumindest annähernd identisches Druckaufbaupotential auf, wie die erste Strahlpumpe, insbesondere aufgrund der geometrischen Ausführung der zweiten Strahlpumpe. Auf diese Weise kann mittels dieses Druckaufbaupotential eine Rückströmung der Fördermenge des Anodengases durch die zweite Strahlpumpe verhindert werden. Somit kann der Wirkungsgrad der Vorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung verzweigt sich die Zuströmleitung von dem ersten Absperrventil kommend im Bereich eines ersten Knotenpunktes in eine erste Zuströmleitung und eine zweite Zuströmleitung verzweigt. Auf diese Weise kann eine parallele Verschaltung der ersten und zweiten Strahlpumpe erfolgen. Dabei kann eine Beschickung ausschließlich der zweiten Strahlpumpe erfolgen, indem das zweite Dosierventil geöffnet wird, während das erste Dosierventil der ersten Strahlpumpe geschlossen bleibt. Darüber hinaus sind die zwei parallel geschalteten Strahlpumpen gemeinsam betreibbar. Dabei lässt sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems verbessern und eine effiziente Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff gewährleisten über zumindest nahezu alle Betriebszustände.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist demnach insbesondere zur Durchführung des im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung lassen sich somit die gleichen Vorteile erzielen das der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems werden mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen verwendet, bei der permanent die zweite Strahlpumpe betrieben wird und lastabhängig die erste Strahlpumpe zugeschaltet werden kann, insbesondere mittels des ersten Dosierventils, wobei nur die erste Strahlpumpe ein Rückschlagventil aufweist. Auf diese Weise kann das Verfahren derart betrieben werden, dass der Strömungswiderstand der Strömungsleitungen aufgrund des nicht vorhandenen zweiten Rückschlagventils im Bereich der zweiten Strahlpumpe reduziert werden kann. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mittels des Verfahrens verbessert werden. Zudem können grundsätzlich auch beide Strahlpumpen zur Rezirkulation von Anodengas eingesetzt werden. Auf diese Weise kann eine gleichbleibend hohe Rezirkulationsleistung erbracht werden, und zwar sowohl bei hoher als auch bei niedriger Last.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird vorgeschlagen, dass bei Niedriglast lediglich eine für Niedriglast ausgelegte zweite Strahlpumpe betrieben wird. Dies führt zu einer lastangepassten Rezirkulationsleistung. Für Hochlast kann eine Hochlast-Strahlpumpe, bei der es sich um die erste Strahlpumpe, vorgesehen sein, die dann zusammen mit der Niedriglast-Strahlpumpe, bei der es sich um die zweite Strahlpumpe handelt, betrieben wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausbildung des Verfahrens wird im Betrieb lediglich der zweiten Strahlpumpe ein Rückströmen von Anodengas durch die jeweils erste Strahlpumpe mit Hilfe mindestens Ventils, insbesondere des Rückschlagventils, verhindert. Sofern nur eine Strahlpumpe betrieben wird, besteht die Gefahr, dass Anodengas über eine inaktive Strahlpumpe rückgesaugt wird. Bei der Verwendung des Sperrelements als das Rückschlagventil, kann auch dieses ein passives bzw. druckgesteuertes Ventil sein, so dass auch hier die Umsetzung vergleichsweise einfach ist. Das mindestens eine Sperrelement ist vorzugsweise im Bereich der Verbindungsleitung angeordnet.
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.
Figurenliste
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Strahlpumpe
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit der Brennstoffzelle und der Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Darstellung gemäß 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer ersten Strahlpumpe 4 oder einer zweiten Strahlpumpe 6.
Dabei weist die Strahlpumpe 4, 6 einen ersten Zulauf 28, einen zweiten Zulauf 36 einen Ansaugbereich 7, ein Mischrohr 9 und einen Diffusorbereich 11 auf. Das Anodengas strömt dabei zumindest teilweise in einer Strömungsrichtung III durch die Strahlpumpe 4, 6, wobei die Strömungsrichtung III parallel zu einer Längsachse 52 der Strahlpumpe 4, 6 verläuft. 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, in der Strahlpumpe 4, 6 Dabei wird der Strahlpumpe 4, 6 mittels des zweiten Zulaufs 36 ein Treibmedium zugeführt, welches durch einen Kanal einer Düse 12 in den Ansaugbereich 7 oder das Mischrohr 9 einströmt. Zudem wird der Strahlpumpe 4, 6 ein Rezirkulat durch den ersten Zulauf 28 zugeführt, wobei es sich bei dem Rezirkulat insbesondere um das unverbrauchte H₂ aus einem Anodenbereich 38 (gezeigt in 2) einer Brennstoffzelle 32, insbesondere einem Stack, handelt, wobei das Rezirkulat auch Wasser und Stickstoff aufweisen kann. Das Treibmedium kann dabei von einem Tank 34 kommen und unter hohen Druck, insbesondere von mehr als 5 bar, stehen.
Von der Düse 12 wird das Treibmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 abgelassen. Der durch die Düse 12 strömende 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 Düse 12 in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohrs 9 ein.
Die Düse 12 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 einem ersten Dosierventil 10 kommend und in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 einströmend. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im Ansaugbereich 7 und/oder im Mischrohr 9 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeits- und/oder Druck-Differenz zwischen dem Treibmediums 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 ersten Dosierventils 10 und/oder eines ersten Absperrventils 15 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf eines gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 (nicht gezeigt in 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 erste Dosierventil 10 in geschlossenem Zustand befindet, kann verhindert werden, dass das Treibmedium aus dem zweiten Zulauf 36 in den zentralen Strömungsbereich der ersten Strahlpumpe 4 nachströmt, so dass das Treibmedium nicht weiter in Strömungsrichtung III zum Rezirkulationsmedium in den Ansaugbereich 7 und/oder das Mischrohr 9 einströmen kann und somit der Strahlpumpeneffekt aussetzt. Nach dem Passieren des Mischrohrs 9 strömt das vermischte und zu fördernde Medium, das insbesondere aus dem Rezirkulationsmedium und dem Treibmedium besteht, in der Strömungsrichtung III in den Diffusorbereich 11, wobei es im Diffusorbereich 11 zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit kommen kann. Von dort strömt das Medium beispielsweise weiter in den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32.
Wie in 1 gezeigt kann sich das jeweilige Dosierventil 10, 14 direkt an der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 befinden, und insbesondere eine gemeinsame Baugruppe mit diesem ausbilden, wobei das jeweilige Dosierventil 10, 14 eine jeweilige integrierte Treibdüse 12a, b aufweisen kann. Der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 wird dabei frisches Anodengas über das jeweilige Dosierventil 10, 14 und/oder die jeweilige integrierte Treibdüse 12a, b zugeführt wird.
2 zeigte eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen des Brennstoffzellen-Systems 31 mit der Brennstoffzelle 32 und der Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1 dient dabei 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 dem Tank 34 über das erste Absperrventil 15 und/oder eine Zuströmleitung 21 zugeführt wird. In einer beispielshaften Ausführungsform strömt dabei frisches Anodengas, bei dem es sich insbesondere um ein Treibmedium handelt, vom Tank 34 über eine Tankleitung 27 zu einem zweiten Absperrventil 17. Das zweite Absperrventil 17 kann dabei zum fluidischen Trennen des Tanks 34 vom Brennstoffzellensystem 31 und/oder der Brennstoffzelle 32 dienen. Vom zweiten Absperrventil 17 strömt das Treibmedium zu einem Druckregelventil 19, bei dem es sich insbesondere um einen Druckminderer 19 handelt, mittels dessen das Druckniveau des vom Tank 34 kommenden Anodengases reduziert wird, bevor es weiter in eine Mitteldruckleitung strömt. Das zweite Absperrventil 17 wird dabei typischerweise aus Sicherheitsgründen verwendet, wobei das zweite Absperrventil 17 optional verwendet wird. Die Druckreduzierung kann dabei bei einer möglichen beispielhaften Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 31 von einem Druckniveau im Bereich von 700 bar, welches beispielsweise im Tank 34 vorherrscht, auf ein Druckniveau im Bereich von 10 bis 15 bar im Bereich der Mitteldruckleitung heruntergeregelt werden. Von der Mitteldruckleitung strömt das Treibmedium über das erste Absperrventil 15 und die stromabwärtige Zuströmleitung 21 zu der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6. Die Zuströmleitung 21 von dem ersten Absperrventil 15 kommend im Bereich eines ersten Knotenpunktes 46 in eine erste Zuströmleitung 21a und eine zweite Zuströmleitung 21b verzweigt.
Dabei ist gezeigt, dass die Vorrichtung 1 und/oder die jeweilige Strahlpumpe 4, 6 über eine Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden sind, die den Anodenbereich 38 und einen Kathodenbereich 40 umfasst. Zudem ist eine Rückführleitung 23 vorgesehen, die den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 zumindest mittelbar mit dem jeweiligen ersten Zulauf 28, und somit insbesondere mit dem Ansaugbereich 7, des der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 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 vorangegangen beschriebene Rezirkulationsmedium. Es kann sich zudem in einer beispielhaften Ausführungsform im Bereich der Rückführleitung 23 ein Wasserabscheider 8 und/oder ein Ablassventil 30 befinden. Somit strömt das unverbrauchte gasförmige Medium aus der Brennstoffzelle 32 in den Wasserabscheider 8, in dem das Wasser vom Wasserstoff getrennt wird und in dem dann das Wasser beispielsweise mittels eines Ventils 8 in eine Umgebung 26 abgelassen wird. Von dort kann das Anodengas über die Verbindungsleitung 29 zurück zur jeweiligen Strahlpumpe 4, 6 oder zum Ablassventil 30 strömen. Im Bereich des Ablassventils 30, bei dem es sich insbesondere um ein Purge-Ventil 30 handelt, Wasser und/oder Wasserstoff und/oder Stickstoff an die Umgebung 26 abgegeben werden.
Wie in 2 gezeigt ist die erste Strahlpumpe 4 fluidisch zuströmseitig oder abströmseitig über mindestens ein Rückschlagventil 18 mit der Brennstoffzelle 32, insbesondere dem Anodenbereich 38, verbunden ist, wobei die zweite Strahlpumpe 6 ohne ein derartiges Rückschlagventil, insbesondere im Strömungspfad, fluidisch zuströmseitig oder abströmseitig mit der Brennstoffzelle 32, insbesondere dem Anodenbereich 38, verbunden ist. Die zweite Strahlpumpe 6 weist somit kein separates zweites Rückschlagventil auf. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die zweite Strahlpumpe 6 für den kleinsten auftretenden Betriebspunkt der Brennstoffzelle 32 ausgelegt ist und damit keine Mengenregelung erfordert. Die erste Strahlpumpe 4 hingegen ist für einen Hochlastbetrieb ausgelegt und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, erfolgt durch das erste Dosierventil 10. Die zweite Strahlpumpe 6 ist somit für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das zweite Dosierventil 14 erfolgt. Dagegen ist die erste Strahlpumpe 4 für einen Hochlastbetrieb ausgelegt und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, erfolgt durch das erste Dosierventil 10.
Wie in 2 gezeigt befindet sich die jeweilige Verbindungsleitung 29a, b stromabwärts der jeweiligen Strahlpumpe 4, 6. Die Verbindungsleitungen 29a, b laufen im Bereich eines zweiten Knotenpunktes 48 zusammen und/oder sind fluidisch miteinander und mit einem weiteren Bereich der Verbindungsleitung 29 verbunden. Dabei ist die jeweilige Strahlpumpe 4, 6 mittels der Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32 verbunden. In dem in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel befindet sich das Rückschlagventil 18 der ersten Strahlpumpe 4 zuströmseitig vor dem ersten Zulauf 28 im Bereich der Rückführleitung 23b oder zwischen der Rückführleitung 23b und der ersten Strahlpumpe 4 befindet.
Bei der in 2 gezeigten Vorrichtung 1 kann die zweite Strahlpumpe 6 auch bei einer geringen Fördermenge, die zumindest nahezu gegen null geht, ein zumindest annähernd identisches Druckaufbaupotential aufweisen, wie die erste Strahlpumpe 4, insbesondere aufgrund der geometrischen Ausführung der zweiten Strahlpumpe 6. Bei dem gezeigten Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas, bei dem mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen 4, 6 verwendet werden, bei der permanent die zweite Strahlpumpe 6 betrieben wird und lastabhängig die erste Strahlpumpe 4 zugeschaltet werden kann. Die Zuschaltung kann dabei mittels des ersten Dosierventils 10, wobei nur die erste Strahlpumpe 4 ein Rückschlagventil 18 aufweist. Dabei können unterschiedlichste Bauformen eines Rückschlagventils 18 verwendet werden, beispielsweise ein federbelastetes oder federloses Rückschlagventil 18 oder ein Kugelventil 18, Plattenventil 18, Klappenventil 18. Bei dem Verfahren für den Betrieb der Vorrichtung 1 wird bei der zweiten Strahlpumpe 6 ein Rückströmen von Anodengas durch die erste Strahlpumpe 4 mit Hilfe mindestens eines Rückschlagventils 18 verhindert. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Strahlpumpen 4, 6 in effizienter Weise parallel verschaltet werden können. Zudem können die erste Strahlpumpe 4 und die zweite Strahlpumpe 6 somit effizient parallel geschaltet werden und bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 31 kann eine effiziente Versorgung der Brennstoffzelle 32 mit Anodengas sichergestellt werden. Zudem lässt sich eine kompakte Bauform der Vorrichtung 1 und der Verbindungsleitungen 29a, 29b bei einer fluidischen Verbindung dieser mittels des zweiten Knotenpunktes 48 erzielen.
In 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Brennstoffsystems 31 mit der Brennstoffzelle 32 und der Vorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei befindet sich das Rückschlagventil 18 der ersten Strahlpumpe 4 zuströmseitig vor dem ersten Zulauf 28 im Bereich der Rückführleitung 23b oder zwischen der Rückführleitung 23b und der ersten Strahlpumpe 4, entweder abströmseitig im Bereich der Verbindungsleitung 29b oder zwischen der Verbindungsleitung 29b und der ersten Strahlpumpe 4.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007004590 A1 [0004]

Claims

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 Zuströmleitung (21) zugeführt wird, wobei eine erste Strahlpumpe (4) einlassseitig ein erstes Ventil (10), vorzugsweise ein erstes Dosierventil (10), aufweist und eine zweite Strahlpumpe (6) einlassseitig ein zweites Ventil (14), vorzugsweise ein zweites Dosierventil (14), aufweist, wobei die Strahlpumpen (4, 6) über mindestens eine Verbindungsleitung (29) und mindestens eine Rückführleitung (23) zumindest mittelbar fluidisch mit einer Brennstoffzelle (32) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlpumpe (4) fluidisch zuströmseitig oder abströmseitig über mindestens ein Rückschlagventil (18) mit der Brennstoffzelle (32), insbesondere einem Anodenbereich (38), verbunden ist, wobei die zweite Strahlpumpe (6) ohne ein derartiges Rückschlagventil, insbesondere im Strömungspfad, fluidisch zuströmseitig oder abströmseitig mit der Brennstoffzelle (32), insbesondere dem Anodenbereich (38), verbunden ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Rückschlagventil (18) der ersten Strahlpumpe (4) abströmseitig im Bereich der Verbindungsleitung (29b) oder zwischen der Verbindungsleitung (29b) und der ersten Strahlpumpe (4) befindet und/oder zuströmseitig über den ersten Zulauf (28) im Bereich der Rückführleitung (23b) oder zwischen der Rückführleitung (23b) und der ersten Strahlpumpe (4) befindet
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlpumpe (6) für einen Niedriglastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das zweite Dosierventil (14) erfolgt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlpumpe (4) für einen Hochlastbetrieb ausgelegt ist und eine Mengensteuerung eines Treibmediums, insbesondere im Rahmen einer Zudosierung, durch das erste Dosierventil (10) erfolgt.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Strahlpumpe (6) auch bei einer geringen Fördermenge, die zumindest nahezu gegen null geht, ein zumindest annähernd identisches Druckaufbaupotential aufweist, wie die erste Strahlpumpe (4), insbesondere aufgrund der geometrischen Ausführung der zweiten Strahlpumpe (6).
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zuströmleitung (21) von einem ersten Absperrventil (15) kommend im Bereich eines ersten Knotenpunktes (46) in eine erste Zuströmleitung (21a) und eine zweite Zuströmleitung (21b) verzweigt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung der jeweiligen Strahlpumpe (4, 6) dass jeweilige Dosierventil (10, 14) weiterhin vorzugsweise das jeweilige Dosierventil (10, 14) mit integrierter Treibdüse (12a, b), verwendet wird, über welches der jeweiligen Strahlpumpe (10, 14) frisches Anodengas zugeführt wird.
Verfahren zur Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems (31), bei dem mindestens zwei parallel geschaltete Strahlpumpen (4, 6) verwendet werden, bei der permanent die zweite Strahlpumpe (6) betrieben wird und lastabhängig die erste Strahlpumpe (4) zugeschaltet werden kann, insbesondere mittels eines ersten Dosierventils (10), wobei nur die erste Strahlpumpe (4) ein Rückschlagventil (18) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Niedriglast lediglich die für Niedriglast ausgelegte zweite Strahlpumpe (6) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb lediglich der zweiten Strahlpumpe (6) ein Rückströmen von Anodengas durch die erste Strahlpumpe (4) mit Hilfe mindestens eines Rückschlagventils (18) verhindert wird.
Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorrichtung (1) in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems (31) angeordnet ist.