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Die
Erfindung betrifft 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.
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Brennstoffzellenvorrichtungen
sind Vorrichtungen, die der Erzeugung elektrischer Energie über einen
elektrochemischen Prozess dienen. Besonders attraktiv ist die Verwendung
solcher Brennstoffzellenvorrichtungen in der Fahrzeugtechnik als
alternative Energie- und Antriebsquelle gegenüber dem herkömmlichen
Verbrennungsmotor.
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Eine
Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus einer Anode mit einem
Anodenraum auf einer Anodenseite und aus einer Kathode mit Kathodenraum
auf einer Kathodenseite, wobei Anoden- und Kathodenseite voneinander
durch einen Elektrolyten getrennt sind. Bei dem elektrochemischen
Prozess in der Brennstoffzelle reagiert ein auf der Anodenseite
aufgenommener Brennstoff, z. B. gasförmiger Wasserstoff,
mit einem auf der Kathodenseite aufgenommenen gasförmigen
Sauerstoff, der meist aus der Umgebungsluft stammt. Der Brennstoff
wird an der Anode zu Protonen und Elektronen aufgespaltet, wobei
die Elektronen unter Bereitstellung ihrer elektrischer Energie zur
Verrichtung elektrischer oder mechanischer Arbeit an die Kathode
geleitet werden, während die Protonen vom Anodenraum durch
den Elektrolyt in den Kathodenraum gelangen, wo sie sich mit den
auf der Kathodenseite gebildeten Sauerstoffanionen zu Wasser verbinden.
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Eine
für den Einsatz in der Fahrzeugstechnik besonders geeignete
Brennstoffzelle ist die PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell),
bei der der Elektrolyt von einer Protonenleitenden Polymermembran
gebildet wird. Die Kombination aus Anodenraum, Katodenraum und Polymermembran
(Membranelektrodenanordnung-MEA) erfordert für einen effektiven
Betrieb der Brennstoffzelle ein besonderes Gasversorgungs- und Wassermanagement
und eine ausreichende Befeuchtung der Membran.
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Hieraus
und aus nachfolgend erläuterten Bedingungen sind an die
Gasversorgung der Brennstoffzellenanordnung mit Brennstoff und Sauerstoff, insbesondere
an die anodenseitige Gasversorgung, hohe Anforderungen gestellt.
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Typischerweise
werden in einer Brennstoffzellenvorrichtung eine Veilzahl von Brennstoffzellen zu
einem oder mehrere Brennstoffzellenstapel vereinigt, um die erforderliche
Leistung, zum Beispiel zum Antrieb eines Fahrzeuges, bereitstellen
zu können. Durch die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels wird
meist Umgebungsluft, die den notwendigen Sauerstoffanteil enthält,
als Kathodengas gefördert, wobei das Kathodengas mittels
einer Pumpenanordnung (Verdichter, Kompressor) komprimiert, beschleunigt
und über eine Zuleitung der Kathodenseite zugeführt
wird. Nach der Durchleitung durch die Kathodenseite wird die Luft
mit dem nur teilweise verbrauchten Sauerstoff entweder in dem geschlossenen
Kreislauf einer Rezirkulationsanordnung unter Beimischung von Frischluft
erneut der Kathodenseite zugeführt oder über eine
Abgasleitung an die Umgebung abgegeben.
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Durch
die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels strömt unter
dem Förderdruck einer Pumpenanordnung das Anodengas, welches
den gasförmigen Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, enthält, wobei
sich der Brennstoff bei der Durchleitung durch die Anodenseite des
Brennstoffzellenstapels ebenfalls nicht vollständig verbraucht.
Zur Erhöhung der Effizienz der Gasversorgung in der Brennstoffzellenvorrichtung
wird das Anodengas in dem geschlossenen Kreislauf einer Rezirkulationsanordnung
gefördert, wobei das nur teilweise verbrauchte Anodengas dem
Brennstoffzellenstapel erneut zugeführt und unverbrauchtes
Brennstoffgas beigemischt wird.
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Insbesondere
der Druck des Anodengases im Brennstoffzellenstapel wird in Abhängigkeit
der Temperatur des Brennstoffzellenstapels geregelt, um die erforderliche
relative Feuchte der Membran beizubehalten. Außerdem erfordert
eine unterschiedliche elektrische Leistungsabnahme eine Anpassung des
Anodengasdruckes im Brennstoffzellenstapel an die entsprechende
Laststufe. Die erforderliche Druckänderung im Brennstoffzellenstapel
wird durch eine Erhöhung oder Verringerung des Volumenstroms
des durchströmenden Anodengases erzeugt. Die Betriebszustände
des Brennstoffzellenstapels, hervorgerufen durch die verschiedenen
Lastanforderungen und die einzuhaltenden Parameter, erfordern dabei
eine große Bandbreite der Durchflussmenge des Anodengases.
Zur Durchflussmengensteuerung des Anodengases sind im Stand der
Technik verschiedene Vorrichtungen bekannt, wie zum Beispiel elektromagnetisch
gesteuerte Proportional- oder Injektorventile, drehzahlgeregelte
Kreiselpumpen oder treibmittelgesteuerte Strahlpumpen. Die letztgenannte
Pumpen, auch als Ejektor oder Injektorpumpe bezeichnet, basieren
auf einem Prinzip, bei dem die Pumpwirkung durch einen sehr schnell
bewegten Flüssigkeits-, Gas- oder Dampfstrahl als Treibmittel erzeugt
wird. Bezogen auf eine Anodengas-Rezirkulationsanordnung beschleunigt
die Strahlpumpe das Anodengas in einer verengenden Düsenanordnung mittels
des unter einem Vordruck mit hoher Geschwindigkeit hinzu geführten
Treibstrahls aus Brennstoffgas. Mit ausreichender Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit in der Düsenanordnung
entsteht eine Druckabsenkung und Saugwirkung, die das Anodengas
aus der Rezirkulationsleitung ansaugt und mit dem Brennstoffgas
mitreißt. Die Steuerung der Durchflussmenge des Anodengases
erfolgt in diesem Fall über die Mengendosierung des zugeführten
Brennstoffgases.
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Eine
Gasversorgungsanordnung mit einer derartigen Strahlpumpenanordnung
wird beispielsweise in der Offenlegungsschrift
DE 10 2004 007 104 A1 offenbart.
In einer Anodengasrückführleitung ist ein so genannter
Coanda-Strömungsverstärker angeordnet, der einen
längserstreckten Fluidkanal mit einem Saueinlass und einem
Auslass aufweist, durch den das Anodengas gefördert wird. Über
einen seitlichen Antriebsströmungseinlass mit einem variabel einstellbaren
Antriebsströmungsspalt wird unter hoher Geschwindigkeit
ein Brennstoffgas aus einem Druckspeicher als Antriebsfluid in den
Fluidkanal zugeführt. Der sich infolge des Coanda-Effektes
an den Kanalwandungen des Fluidkanals anlegende Brennstoffgasstrahl
bewirkt einen Unterdruck im Fluidkanal zur Ansaugung des Anodengases
und somit einen Strömungsantrieb für das in die
Brennstoffzelle zurückzuführende Anodengas. Abhängig
vom Lastzustand der Brennstoffzelle wird der Anodengasvolumenstrom
durch Einstellen des Strömungsquerschnittes des Antriebsströmungsspaltes
und damit über die Menge des zugeführten Brennstoffgases aus
dem Druckspeicher gesteuert. Die Anordnung eines Coanda-Strömungsverstärkers
wird in der genannten Offenlegungsschrift außerdem auch
bei einer Rezirkulationsanordnung des Kathodengases sowie für
eine Kathodengaszuführung aus der Umgebungsluft beschrieben,
bei der jeweils Druckluft als Antriebsgas aus einem Druckluftspeicher
zur Verfügung gestellt wird.
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Die
Offenlegungsschrift
DE
10 2006 019 077 A1 , die wohl den nächstliegenden
Stand der Technik bildet, offenbart eine Brennstoffzellensystem,
bei dem ein Anodengas ebenfalls in einer Rezirkulationsanordnung
zirkulierend gefördert und hierbei mittels eines so genannten
Ejektors oder Ejektorpumpe im Strahlpumpenprinzip angetrieben wird.
Die Ejektorpumpe ist an einem Knotenpunkt zwischen der Zirkulationsleitung
und der Brennstoffversorgungsleitung installiert und stößt
das von einer Brennstoffversorgungsvorrichtung aus einem Hochdrucktank
gelieferte Brennstoffgas mit hoher Geschwindigkeit aus einer Treibdüse
in einen Gaskanal, der als Venturi-Druckdüse ausgebildet
ist. Dieser Treibstrahl aus Brennstoffgas erzeugt in dem Gaskanal
einen Unterdruck, mit dessen Wirkung das Anodengas aus der in den Gaskanal
seitlich einmündenden Zirkulationsleitung angesaugt wird.
Die Ejektorpumpe mischt das Brennstoffgas mit dem angesaugten Anodengas
und fördert das Gemisch in der weiterführenden
Zirkulationsleitung wieder dem Brennstoffzellenstapel zu. Entsprechend
der Steuersignale der Steuervorrichtung wird die Anodengasdurchflussmenge
durch Änderung der Menge des in den Gaskanal einströmenden
Brennstoffgases gesteuert. Diese Mengenänderung wird durch
Einstellung der Düsenöffnung der Treibdüse
oder auch durch Änderung des an der Ejektorpumpe anliegenden
Versorgungsdruckes des Brennstoffgases (Primärdruck der
Ejektorpumpe) mittels eines Druckregulierungsmechanismus bewirkt.
Die Einstellung der Düsenöffnung kann mittels eines
elektrischen Stellantriebes (Aktuator) erfolgen. Der Druckregulierungsmechanismus
umfasst ein einstellbares Ventil, mit dem die Strömungsöffnung
der Brennstoffversorgungsleitung veränderbar ist.
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Bei
den auf den Strahlpumpenprinzip basierenden Lösungen nach
dem Stand der Technik muss die Förderleistung der Strahlpumpe
jeweils für die maximal erforderliche Anodengasdurchflussmenge konzipiert
sein, um bei höchster Leistungsanforderung an die Brennstoffzellenvorrichtung
den entsprechenden Volumenstrom des Anodengases bereitstellen zu
können. Wie bereits vorbeschrieben, ist die Durchflussmenge
des Anodengases in einer großen Bandbreite zu steuern,
um alle möglichen Laststufen und Betriebsparameter abzudecken.
Die für die Maximalleistung konzipierte Strahlpumpe sind
jedoch in den erforderlichen Niedriglast-Betriebszuständen
nur eingeschränkt funktionsfähig. Wird der Brennstoffgasbedarf
und damit der Durchfluss des durch die Steuereinrichtung angeforderten
Brennstoffgases durch die Treibdüse besonders gering, kann
der Unterdruck und mithin die Saugwirkung für die Förderung
des Anodengases in der Gasversorgungsanordnung nicht ausreichend
aufgebaut werden. Somit ergibt sich eine ungenügende Zirkulation
des Anodengases in der Niedriglast-Betriebszuständen und
zugleich eine ungenügende Regelbarkeit den Anodengasvolumenstromes
in diesen Lastbereichen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Gasversorgungsanordnung
für eine Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, bei
der eine funktionssichere Förderung des Versorgungsgases über
den gesamten Betriebsbereich der Brennstoffzellenvorrichtung gewährleistet
wird. Die Aufgabe wird durch eine Gasversorgungsanordnung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen
Unteransprüche, die nachfolgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen
offenbart.
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Erfindungsgemäß wird
eine Gasversorgungsanordnung für eine Brennstoffzellenvorrichtung
vorgeschlagen, deren Strahlpumpenanordnung zur Förderung
eines Versorgungsgases in einer Gasversorgungsleitung mindestens
zwei Strahlpumpen aufweist, die in einer Parallelschaltung zur parallelen Förderung
des Versorgungsgases angeordnet und mittels der Steuereinheit selektiv
steuerbar sind. Dabei stehen zwei oder mehrere in die Gasversorgungsleitung
eingebundene und parallel schaltbare Strahlpumpen zur Verfügung,
wobei die Strahlpumpen in beliebiger Kombination einzeln, gemeinsam oder
wechselseitig betrieben werden können. Dies impliziert
somit eine Zwei- oder Mehrstufigkeit der Strahlpumpenanordnung,
die eine differenzierte Bereitstellung des Versorgungsgasvolumenstromes
in Anpassung an den jeweiligen angeforderten Leistungsbedarf der
Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht.
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Die
Erfindung geht weiter von der Überlegung aus, dass zwei
oder mehr parallel geschaltete Pumpen Volumenstrom summierend wirken.
In Folge dessen kann bei einem parallelen Betrieb der Strahlpumpen
jede einzelne Strahlpumpe eine Baugröße aufweisen,
die im Verhältnis zur erforderlichen Maximal-Förderleistung
für eine geringere Teilförderleistung ausgelegt
ist. Während in einer Einzelzuschaltung einer Strahlpumpe
mit Teilförderleistung die Strahlpumpenanordnung für
die Bereitstellung des niedrigen Versorgungsgasvolumenstromes zur
Abdeckung des Niedriglastbereiches angepasst ist, decken mehrere
parallel arbeitende Strahlpumpen gemeinsam zugeschaltet den hochlastigen
Bereich der Betriebszustände mit hohem Versorgungsgasvolumenstrom
ab. Insbesondere ergibt sich aber, dass die für eine Teilleistung
ausgelegte Strahlpumpe bei einem von der Steuereinheit angeforderten
besonders niedrigen Versorgungsgasbedarf dennoch einen genügend
energiereichen Treibstahl erzeugt, der die Saugwirkung für
einen niedrigen Gasvolumenstrom nicht abreisen lässt. Somit
kann auch in den Niedriglast-Betriebszuständen ein Versorgungsgasvolumenstrom
funktionssicher und mit hoher Regelgenauigkeit aufrechterhalten
werden.
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Eine
noch höhere Schaltvariabilität für den bereitzustellenden
Volumenstrombereich des Versorgungsgases ergibt sich, wenn jede
der Strahlpumpen eine entsprechend einer Förderleistung
ausgebildete Baugröße aufweist, die sich von einander
unterscheiden.
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Vorzugsweise
ist die Gasversorgungsanordnung mit einer Rezirkulationsleitung
zwischen einem anodenseitigen Auslass und einem anodenseitigen Einlass
der Brennstoffzellenvorrichtung ausgebildet, um die aus dem Auslass
aus der Anodenseite einer Brennstoffzelle, vorzugsweise eines Brennstoffzellenstapels,
austretenden Anodengase zum Einlass in die Anodenseite zurückzuführen.
Diese Anordnung ergibt sich unter anderem aus dem Umstand, dass der
in dem Anodengas enthaltene Brennstoff nur zum Teil im Brennstoffstapel
elektrochemisch umgesetzt wird und das austretenden Anodengas eine
Restkonzentration an Brennstoffgas aufweist, so dass zur Erhöhung
der Effizienz des Brennstoffzellenanordnung das Anodengas mit dem
Restgehalt an Brennstoffgas mittels dieser Rezirkulationsanordnung
wieder dem Brennstoffzellestapel zugeführt wird. Dabei
erzeugt die Strahlpumpenanordnung mittels eines Treibstrahles aus
Brennstoffgas die erforderliche Antriebsleistung zur Umtrieb des
Anodengases in der jeweiligen von einer Steuereinheit angeforderten
Volumenstrommenge. Das Brennstoffgas, vorzugsweise Wasserstoff,
wird hierzu aus einem Hochdruck-Brennstofftank mit einem bestimmten
Vordruck in die Strahlpumpenanordnung eingespeist. Gleichzeitig dient
der Treibstrahl der Auffrischung des Anodengases mit unverbrauchtem
Brennstoff.
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Durch
die Zuführung des Brennstoffgases in das Anodengas wird
die Brennstoffkonzentration im Anodengas gegenüber dem
austrittsseitigen Anodengas erhöht und so dem anodenseitigen
Einlass als aufbereitetes Anodengas zugeführt. Die erfindungsgemäße
parallele Schaltbarkeit von mindestens zwei Strahlpumpen in der
Gasversorgungsanordnung überwindet das begrenzte Rückführungsverhältnis
des Rezirkulationsstromes der herkömmlichen Strahlpumpenanordnung
im Niedriglast-Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung und damit
im unteren Betriebsbereich der Strahlpumpenanordnung. Die Strahlpumpe
mit kleinster Teilförderleistung erzeugt im Einzelbetrieb
bei einem von der Steuereinheit angeforderten niedrigen Brennstoffgasbedarf
einen ausreichenden Treibstahl, der die Saugwirkung für einen
niedrigen Zirkulationsstrom des Anodengases funktionssicher gewährleistet.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist eine
erste Strahlpumpe eine geeignete Baugröße für
die Förderung eines maximalen Versorgungsgasvolumenstromes
und eine zweite Strahlpumpe eine geeignete Baugröße
für die Förderung eines Mindest-Versorgungsgasvolumenstromes auf.
Hierbei kann in einer alternierenden Zu- und Abschaltung beider
Strahlpumpen die erste Strahlpumpe als Hauptpumpe für die
Bereitstellung eines oberen Volumenstrombereiches des Versorgungsgases im
Hochlastbereich der Betriebszustände dienen, wogegen die
zweite Strahlpumpe als Nebenpumpe den unteren Volumenstrombereich
für den Niedriglastbereich liefert. Auch diese Ausführung
der Strahlpumpenanordnung führt zu einer betriebsicheren
Förderung des Versorgungsgases über eine hohe Volumenstrom-Bandbreite
entsprechend der Betriebsanforderungen der Brennstoffzellenvorrichtung.
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Bevorzugt
findet eine Ausführungsform der Strahlpumpen Anwendung,
bei der die Strahlpumpen je eine Treibdüse mit einer Austrittsöffnung
und je eine zugeordnete längserstreckte Druckdüse
mit einer Ein- und einer Austrittsöffnung aufweist. Der Treibstrahl
strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Austrittsöffnung
der Treibdüse in die Eintrittsöffnung der Druckdüse,
wobei er in der längserstreckten Druckdüse den
erforderlichen Unterdruck zum Ansaugen des Versorgungsgases aus
der in die Strahlpumpe einmündenden Versorgungsgasleitung
erzeugt. Innerhalb der Druckdüse mischt sich das Treibmittelgas
mit dem angesaugten Versorgungsgas. Das so aufbereitete Versorgungsgas
wird nachfolgend durch die Austrittsöffnung der Druckdüse
in die weiterführende Versorgungsgasleitung gefördert. Derartige
Strahlpumpen weisen bei einer einfachen konstruktiven Gestaltung
eine sehr zuverlässige Funktionsweise auf. Die Wirkungsweise
derartiger Strahlpumpen verbessert sich zudem dadurch, dass die
Druckdüse eine venturirohrartige Verjüngung des Strömungsquerschnittes
zwischen einem Eintrittsströmungsquerschnitt und einem
Austrittsströmungsquerschnitt aufweist.
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Der
vorteilhafte Einsatz von Strahlpumpen mit unterschiedlichen Baugrößen
bildet sich bei einer speziellen Strahlpumpengestaltung in der Weise
ab, dass die Austrittsöffnung der Treibdüse der
ersten Strahlpumpe größer ist, als die Austrittsöffnung
der Treibdüse der zweiten Strahlpumpe. In konsequenter Weiterbildung
der verschiedenen Baugrößen mit differenzierteren
Förderleistungen ist auch der Eintrittsströmungsquerschnitt
der Druckdüse der ersten Strahlpumpe größer,
als der Eintrittsströmungsquerschnitt der Druckdüse
der zweiten Strahlpumpe gestaltet, wobei jede der Druckdüsen
in einem festen Größenverhältnis zu ihrem
Eintrittsströmungsquerschnitt ausgebildet ist.
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In
einer günstigen Weiterbildung der Strahlpumpenanordnung
ist die Größe der Austrittsöffnung der
Treibdüse einstellbar. Somit kann die über die Treibdüse
stattfindende Mengenzufuhr an Treibgas, insbesondere Brennstoffgas,
mit höherer Variabilität gesteuert werden und
damit der einstellbare Volumenstrombereich für die Förderung
des Versorgungsgases erweitert werden. Die Einstellung der Austrittsöffnung
der Treibdüse kann zum Beispiel durch mechanische Geometrieveränderung
der Treibdüse mittels eines elektrischen Stellantriebes erfolgen,
welcher von der Steuereinheit angesteuert wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlpumpen
in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, womit die Strahlpumpenanordnung
zu einer platzsparenden und kompakten Einheit ausbildet wird. Eine
gehäuseseitig ausgebildete Saugkammer und Druckkammer führt
zu weiterer konstruktiver Vereinfachung der erfindungsgemäßen
Strahlpumpenanordnung ohne Einschränkungen der Betriebssicherheit
hervorzurufen. Zur individuellen Ansteuerung der Strahlpumpen durch
die Steuereinheit ist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Gasversorgungsanordnung
den Strahlpumpen je eine Treibgaszuleitung mit einem Magnetventil
zugeordnet, das von der Steuereinheit ansteuerbar ist. Das Treibgas
steht unter einem vom Treibgastank vorgegebenen Vordruck in der
jeweiligen Treibgaszuleitung zur den Strahlpumpen an. Das in der
Treibgaszuleitung angeordnete Magnetventil kann mittels der empfangenen
Steuersignale der Steuereinheit die Durchflussmenge an Treibgas
steuern und damit über den Treibstrahl den Betrieb der
jeweiligen Strahlpumpe direkt beeinflussen. Mit Öffnen
oder Schließen der Treibgaszuleitung durch das Magnetventil
wird die jeweilige Strahlpumpe zu- oder abschalten, wogegen in einem
stetigen Stellbetrieb des Magnetventils die Treibgasmenge und damit
die Förderleistung der Strahlpumpe gesteuert wird. Diese
Steuerung der Strahlpumpen gewährleistet eine hohe Funktionssicherheit
der Volumenstromsteuerung des Versorgungsgases.
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In
einer alternativen Ausführungsform ist der ersten und zweiten
Strahlpumpe je eine Treibgaszuleitung zugeordnet, wobei die Treibgaszuleitung
der ersten Strahlpumpe ein Magnetventil aufweist, das von der Steuereinheit
ansteuerbar ist. In dieser Ausführungsform wird nur die
Strahlpumpe mit der Maximal-Förderleistung durch ein von
der Steuereinheit angesteuertes Magnetventil kontrolliert, wogegen
die Strahlpumpe mit der Minimal-Förderleistung in einem ungesteuerten
Dauerbetrieb arbeitet. Damit wird auch bei Abschaltung oder Störung
der Haupt-Strahlpumpe bzw. bei einer Störung der Steuereinheit
ein Mindestvolumenstrom an Versorgungsgas in der Gasversorgungsleitung
gewährleistet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und
den beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigen die einzelnen
Figuren:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer Gasversorgungsanordnung für
eine anodenseitige Gasversorgung in einer Brennstoffzellenvorrichtung
mit einer Rezirkulationsleitung und einer erfindungsgemäßen
Strahlpumpenanordnung mit zwei Strahlpumpen,
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2 eine
Seitenansicht der Strahlpumpenanordnung mit Gehäuse nach
dem Ausführungsbeispiel,
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3 eine
Schnittdarstellung der Strahlpumpenanordnung im Schnitt A-A nach 2.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen Ausschnitt einer Brennstoffzellenvorrichtung 1,
die über einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer
Anodenseite 3 und einer Kathodenseite 4 verfügt, welche
jeweils abschnittsweise durch eine nicht dargestellte Membran voneinander
getrennt sind.
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Des
Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine
Gasversorgungsanordnung 5 mit einer Rezirkulationsleitung 6,
die einen Auslass 7 und einen Einlass 8 der Anodenseite 3 des
Brennstoffzellenstapels 2 miteinander verbindet und in
der zur Förderung eines Anodengases eine Strahlpumpenanordnung 9 eingebunden
ist, die zwei Strahlpumpen 10, 11 aufweist. Die
Strahlpumpen 10, 11 sind in einer Parallelschaltung
zur Rezirkulationsleitung 6 angeordnet, was eine parallele
Förderung des Anodengases mittels der Strahlpumpen 10, 11 ermöglicht. Die
Strahlpumpen 10, 11 weisen entsprechend ihrer Förderleistung
verschieden ausgebildete Baugrößen auf. Eine erste
Strahlpumpe 10, als Hauptpumpe bezeichnet, ist für
eine Förderleistung zur Förderung eines maximalen
Anodengasvolumenstromes ausgebildet. Die zweite Strahlpumpe 11,
als Nebenpumpe bezeichnet, ist für eine Förderleistung
zur Förderung eines Mindest-Anodengasvolumenstromes ausgelegt.
In die Haupt- und Nebenpumpe 10, 11 mündet je
eine Treibgaszuleitung 12, 13, durch die Brennstoffgas,
beispielsweise Wasserstoffgas, aus einem Hochdruck-Brennstofftank 14 mit
einem bestimmten Vordruck in die Strahlpumpen 10, 11 eingespeist
und damit dem Anodengas beigemischt wird. Die Treibgaszuleitungen 12, 13 weisen
jeweils ein Magnetventil 15, 16 auf, welche von
einer Steuereinheit 17 ansteuerbar sind.
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Die
Gasversorgungsanordnung 5 realisiert eine permanente Zirkulation
des Anodengases durch die Anodenseite 3 des Brennstoffzellenstapels 2,
wobei das aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende,
teilweise verbrauchte Anodengas vom Auslass 7 der Anodenseite 3 über
die Strahlpumpenanordnung 9 gefördert wird und
unter Beimischung des Wasserstoffgases aufgefrischt zum Einlass 8 der
Anodenseite 3 zurückgeführt wird. Die
Strahlpumpen 10, 11 erzeugen die erforderliche
Förderleistung des Anodengases mittels dem als Treibstrahl
in die Strahlpumpen 10, 11 injizierten Wasserstoffgas,
das über die Magnetventile 15, 16 dosiert
aus dem Hochdruck-Brennstofftank 14 bereitgestellt wird.
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Entsprechend
der Leistungsanforderung des Brennstoffzellestapels 2,
bestimmbar beispielsweise auf der Basis des absoluten Brennstoffzellendrucks auf
der Anodenseite 3, welcher mit einem Drucksensor 18 erfassbar
ist, ermittelt die Steuereinheit 17 ein Stellsignal zur
Ansteuerung der Magnetventile 15, 16 und im weiteren
Sinne zur Steuerung des Anodengasvolumenstromes.
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In 2 und 3 ist
die erfindungsgemäße Strahlpumpenanordnung 9 in
einer detaillierten Bauausführung getrennt von der Rezirkulationsleitung 6 dargestellt.
Beide Strahlpumpen 10, 11 sind gemeinsamen in
einem kompakten zylindrischen Gehäuse 19 angeordnet. Über
einen Eintrittsstutzen 20 des Gehäuses 19 tritt
das Anodengas aus der Rezirkulationsleitung 6 in die Strahlpumpenanordnung 9 ein und über
einen Austrittsstutzen 21 des Gehäuses 19 wieder
in die Zirkulationsleitung 6 aus. Eintrittsstutzen 20 und
Austrittsstutzen 21 sind im komplettierten Zustand der
Gasversorgungsanordnung 5 mit der Rezirkulationsleitung 6 verbunden.
Des Weiteren ist in 2 einer der beiden Treibgaszuleitungen 12, 13 sichtbar,
die stirnseitig in das zylindrische Gehäuse 19 münden
und mittels Schraubverbindung mit dem Gehäuse 19 verbunden
sind. An der den Treibgaszuleitungen 12, 13 gegenüberliegenden
Stirnseite ist das zylindrische Gehäuses 19 mit
einem Blindflansch 22 verschlossen.
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Wie
aus 3 ersichtlich, weisen die in dem Gehäuse 19 integrierten
Strahlpumpen 10, 11 je eine Treibdüse 23, 24 mit
einer Austrittsöffnung 25, 26 und eine
zugeordnete längserstreckte Druckdüse 27, 28 mit
je einer Eintrittsöffnung 29, 30 und
je einer Austrittsöffnung 31, 32 auf.
Die Austrittsöffnungen 25, 26 der Treibdüsen 23, 24 und
die Eintrittsöffnungen 29, 30 der Druckdüsen 27, 28 stehen
mit einer gehäuseseitig ausgebildeten Saugkammer 33 in
Verbindung, in die auch der Eintrittstutzen 20 des Gehäuses 19 mündet
(in 3 nicht sichtbar). Analog stehen die Austrittsöffnungen 31, 32 der
Druckdüsen 27, 28 mit einer gehäuseseitig
ausgebildeten Druckkammer 34 in Verbindung, in die der
Austrittstutzen 21 des Gehäuses 19 mündet
(ebenfalls in 3 nicht sichtbar). Damit ist
die Verbindung beider Strahlpumpen 10, 11 mit
der Rezirkulationsleitung 6 in einfacher funktionaler Bauweise
verwirklicht.
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Zusammengesetzt
aus Einströmkonus 35, 36, einer Mischstrecke 37, 38 und
einem Ausströmkonus 39, 40 ist jede der
Druckdüsen 27, 28 als Venturirohr realisiert,
bei dem eine Verjüngung des Strömungsquerschnittes
der Druckdüse 27, 28 zwischen einem Eintrittsströmungsquerschnitt 41, 42 und
einem Austrittsströmungsquerschnitt 43, 44 ausgebildet
ist. Mit dem Einströmen des Wasserstoff-Treibstrahles aus
den Treibdüsen 23, 24 in die Druckdüsen 27, 28 wird
das Unterdruckprinzip der Strahlpumpen 10, 11 realisiert,
bei dem das Anodengas aus der Rezirkulationsleitung 6 über
die Saugkammer 33 angesaugt wird und in der Mischstrecke 37, 38 mit
dem Wasserstoffgas gemischt wird.
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Die
auf die bestimmten Förderleistung ausgebildeten unterschiedlichen
Baugrößen der Haupt- und Nebenpumpe 10, 11 ergeben
sich aus den verschiedenen Größen der integralen
Bestandteile der Strahlpumpen 10, 11. So ist die
Austrittsöffnung 25 der Treibdüse 23 der
Hauptpumpe 10 größer ausgebildet, als
die Austrittsöffnung 26 der Treibdüse 24 der
Nebenpumpe 11. Ebenso ist der Eintrittsströmungsquerschnitt 41 der
Druckdüse 27 der Hauptpumpe 10 größer,
als der Eintrittsströmungsquerschnitt 42 der Druckdüse 28 der
Nebenpumpe 11. Dabei setzt sich das Größenverhältnis
der Druckdüsen 27, 28 entsprechend dem
zugehörigen Eintrittsströmungsquerschnitt 41, 42 auch
in ihren Bestandteilen Einströmkonus 35, 36,
Mischstrecke 37, 38 und Ausströmkonus 39, 40,
fort.
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Ausgehend
von einem Messwert des Drucksensors 18, der den entsprechenden
Bedarf an Anodengasvolumenstrom im Brennstoffzellenstapel 2 repräsentiert,
kann mittels der Steuereinheit 17 über die Auswahl
der Magnetventile 15, 16 (AUF/ZU-Funktion) die
Hauptpumpe 10 mit der großen Förderleistung
oder die Nebenpumpe 11 mit der kleinen Förderleistung
selektiv angesteuert werden und innerhalb der Betriebskennlinie
der jeweiligen Strahlpumpe 10, 11 unter Verstellen
des zugehörigen Magnetventils 15, 16 (stetige
Stellfunktion) die Förderleistung der entsprechenden Strahlpumpe 10, 11 variiert
werden.
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In
einem Umschaltmodus sichert so wechselweise die Hauptpumpe 10 die
Bereitstellung eines oberen Volumenstrombereiches im Hochlastbereich des
Brennstoffzellenstapels 2 und die Nebenpumpe 11 deckt
den unteren Volumenstrombereich für den Niedriglastbereich
des Brennstoffzellenstapels 2 ab. Die Strahlpumpen 10, 11 sind
sodann in im Leistungsbereich ihrer speziellen Betriebskennlinie
optimal regelbar. Mithin kann im alternierenden Einsatz beider Strahlpumpen 10, 11 ein
sehr großer Volumenstrombereich des Anodengases bei hoher
Regelbarkeit zu Verfügung gestellt werden. Die Nebenpumpe 11 mit
der niedrigen Förderleistung erzeugt auf Grund ihrer minimierten
Baugröße auch bei einer von der Steuereinheit 17 angeforderten
geringen Wasserstoffmenge einen ausreichenden Treibstahl, der die
Saugwirkung in der Saugkammer 33 nicht abreisen lässt.
Somit ist auch in den Niedriglast-Betriebszuständen des
Brennstoffzellenstapels 2 ein stabiler Zirkulationsstrom
des Anodengases in der Gasversorgungsanordnung 5 gewährleistet.
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In
weiteren nicht näher beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispielen
ist die vorbeschriebene erfindungsgemäße Gasversorgungsanordnung 5 analog
auch für den Einsatz bei einer kathodenseitige Gasversorgung
der Brennstoffzellenvorrichtung 1 anwendbar, bei der in
einer Rezirkulationsleitung zwischen einem Auslass und einem Einlass
der Kathodenseite 4 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ein
Kathodengas rückgeführt wird. Die erfindungsgemäße
Strahlpumpenanordnung dient hierbei der Förderung des Kathodengases
in der Rezirkulationsleitung unter Beimischung von Druckluft aus
einem Druckluftbehälter zur Auffrischung und zum Antrieb
des Kathodengases, wobei die Steuereinheit in vorbeschriebener,
analog vorteilhafter Weise über die Ansteuerung der parallel
geschalteten Strahlpumpen den zirkulierenden Kathodengasvolumenstrom
steuert.
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Ebenso
ist die erfindungsgemäßen Strahlpumpenanordnung
mit den vorbeschriebenen Vorteilen analog in einer kathodenseitigen
Gasversorgung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ausführbar,
bei der lediglich eine zirkulationslose Kathodengaszu- und abführung
an der Kathodenseite 4 vorgesehen ist. Dabei dient die erfindungsgemäße
Strahlpumpenanordnung der Förderung des Kathodengases,
beispielsweise Umgebungsluft, aus der Umgebung der Brennstoffzellenanordnung 1 über
eine Gaszuleitung zur Kathodenseite 4 des Brennstoffzellenstapels 2 unter
Beimischung von Druckluft aus einem Druckluftbehälter,
wobei die Steuereinheit in vorbeschriebener vorteilhafter Weise
durch Ansteuerung der parallel geschalteten Strahlpumpen den Kathodengasvolumenstrom
steuert.
-
- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Anodenseite
- 4
- Kathodenseite
- 5
- Gasversorgungsanordnung
- 6
- Rezirkulationsleitung
- 7
- Auslass
der Anodenseite
- 8
- Einlass
der Anodenseite
- 9
- Strahlpumpenanordnung
- 10
- Erste
Strahlpumpe, Hauptpumpe
- 11
- Zweite
Strahlpumpe, Nebenpumpe
- 12
- Treibgaszuleitung
- 13
- Treibgaszuleitung
- 14
- Hochdruck-Brennstofftank
- 15
- Magnetventil
der Hauptpumpe
- 16
- Magnetventil
der Nebenpumpe
- 17
- Steuereinheit
- 18
- Drucksensor
- 19
- zylindrischen
Gehäuse
- 20
- Eintrittsstutzen
des Gehäuses
- 21
- Austrittsstutzen
des Gehäuses
- 22
- Blindflansch
- 23
- Treibdüse
der Hauptpumpe
- 24
- Treibdüse
der Nebenpumpe
- 25
- Austrittsöffnung
der Treibdüse
- 26
- Austrittsöffnung
der Treibdüse
- 27
- Druckdüse
der Hauptpumpe
- 28
- Druckdüse
der Nebenpumpe
- 29
- Eintrittsöffnung
der Druckdüse
- 30
- Eintrittsöffnung
der Druckdüse
- 31
- Austrittsöffnung
der Druckdüse
- 32
- Austrittsöffnung
der Druckdüse
- 33
- Saugkammer
- 34
- Druckkammer
- 35
- Einströmkonus
- 36
- Einströmkonus
- 37
- Mischstrecke
- 38
- Mischstrecke
- 39
- Ausströmkonus
- 40
- Ausströmkonus
- 41
- Eintrittsströmungsquerschnitt
der Druckdüse
- 42
- Eintrittsströmungsquerschnitt
der Druckdüse
- 43
- Austrittsströmungsquerschnitt
der Druckdüse
- 44
- Austrittsströmungsquerschnitt
der Druckdüse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004007104
A1 [0009]
- - DE 102006019077 A1 [0010]