WO2013045051A1 - Gasstrahlpumpe zur förderung eines hauptgasstroms - Google Patents

Gasstrahlpumpe zur förderung eines hauptgasstroms Download PDF

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WO2013045051A1
WO2013045051A1 PCT/EP2012/003936 EP2012003936W WO2013045051A1 WO 2013045051 A1 WO2013045051 A1 WO 2013045051A1 EP 2012003936 W EP2012003936 W EP 2012003936W WO 2013045051 A1 WO2013045051 A1 WO 2013045051A1
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fuel cell
jet pump
valve
gas stream
gas
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PCT/EP2012/003936
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Cosimo Mazzotta
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Daimler Ag
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/14—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid
    • F04F5/16—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/54—Installations characterised by use of jet pumps, e.g. combinations of two or more jet pumps of different type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a gas jet pump for promoting a main gas flow through a propellant gas stream according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a fuel cell system with such
  • Gas jet pumps are known from the general state of the art.
  • the most widespread design of gas jet pumps uses a propellant jet, which flows into a so-called Venturi tube, which has a cross-sectional constriction.
  • the main gas stream to be conveyed is supplied to the venturi, in such a way that it comes into contact with the propellant gas stream in the flow device before or at the latest in the region of the cross-sectional constriction. Due to the cross-sectional constriction and a before and after further developed cross-section, there is an increase in the flow velocity of the propellant gas stream in the region of this cross-sectional constriction due to
  • gas jet pumps in fuel cell systems are used, for example, to reclaim exhaust gas from the anode region to the anode region region within the scope of so-called anode recirculation.
  • the fresh metered fuel typically hydrogen
  • This is advantageous in terms of the energy expenditure for the recirculation of the anode exhaust gas.
  • these are comparatively energy-intensive and expensive.
  • Fuel cell system is counteracted here by the additional hydrogen pump in the form of a hydrogen circulation fan.
  • This structure is very complex and expensive because it also requires the hydrogen recirculation fan in addition to the gas jet pump.
  • Propellant gas streams are divided accordingly and switchable via valve devices. They can be switched so that either one or the other or both propellant gas streams flow into the respective Venturi tube. As a result, one or the other gas jet pump or both gas jet pumps can be operated together.
  • the structure is relatively complex, large and heavy due to the double existing gas jet pump, which must each have a venturi and the corresponding gas connections, despite the integration into a housing.
  • DE 2006 019 077 A1 describes a structure in which a
  • Nozzle opening for the propulsion jet can be changed. This is mechanical
  • the object of the present invention is now to provide a gas jet pump or a fuel cell system with such a gas jet pump, which avoids these disadvantages and offers a simple and compact design, which is sufficiently flexible in terms of the required delivery capacity.
  • the gas jet pump according to the invention utilizes a common Venturi tube, to which a propellant gas stream divided into at least two separate partial propellant gas streams can be fed. At least one of the two separate Operatreibgasströme is via a
  • Valve device influenced in its flow.
  • the structure can therefore be similar to a structure with two own gas jet pumps on the division of the
  • Propellant gas stream can be used in two sectiontreibgasströme either only with one or the other or both of the Operatreibgasströme. This results in a simple and very compact construction of a gas jet pump which can be switched in its performance, at least in two stages, which manages with a single Venturi tube.
  • this venturi tube must then be designed so that it is designed to be optimized for an average volume flow of the propellant gas stream, so that the functionality is given both with one and also with a plurality of the partial propellant gas streams.
  • the fineness in the regulation of the delivery rate of the gas jet pump can be easily influenced by the number of individual Parttreibgasströme. In practice, certainly two to three partial propellant gas flows will result in a meaningful variation in performance. In principle, however, any number of individual partial gas streams are possible, so that a quasi-continuous power adjustment is possible.
  • the at least one valve device is designed as a 2/2-way valve, in particular as a solenoid valve.
  • a design of the at least one valve device as a 2/2-way valve is correspondingly simple and efficient.
  • This can be realized in particular in the form of a solenoid valve, which is easily controllable and inexpensive available on the market.
  • the disadvantage of such a solenoid valve lies in the fact that the flow cross-section is typically released comparatively abruptly. Thus, the flow rate breaks down briefly, since the Operatreibgasströme split when opening one of the solenoid valves differently and a reduced flow of the already open
  • the at least one valve device is designed as a proportional valve.
  • a proportional valve allows a continuous increase in the flow-through cross-section, so that a collapse of the pressure and the flow rate can be avoided.
  • the structure thus allows a better control of the required delivery rate of the gas jet pump, since when opening the valve means the delivery rate does not collapse for a short time, but by the continuous opening of the valve device accordingly
  • the above object is also achieved by a fuel cell system with an exhaust gas recirculation, wherein the exhaust gas recirculation at least one flowing from a fuel cell exhaust gas stream together with a dosed
  • Eduktgasstrom recirculates to the fuel cell, wherein in the anode recirculation, a gas jet pump is provided according to the invention with the exhaust stream as the main gas stream and the Eduktgasstrom as a propellant gas stream.
  • the gas jet pump according to the invention which with a simple, small, compact and lightweight construction yet a high variability in terms of
  • Capacity allows, in particular for the exhaust gas recirculation in one
  • Fuel cell system of particular advantage In such an exhaust gas recirculation, the recirculation rate must be adjusted accordingly as a function of the electric power delivered by the fuel cell. This results in a structure in which a high variability in the flow rate of the gas jet pump is needed.
  • a pressurized or compressed educt gas is supplied to the fuel cell anyway, so that a sufficiently pressurized
  • Propellant gas flow is available.
  • the use of a gas jet pump compared to a recirculation fan therefore also has decisive advantages in terms of the energy efficiency of the overall system.
  • the exhaust gas recirculation is designed as an anode exhaust gas recirculation.
  • a gas jet pump according to the invention is of particular advantage.
  • hydrogen is typically available as the reactant gas stream for the anode compartment of the fuel cell. Since this hydrogen is generally stored under high pressure in a compressed gas storage, the energy required for the hydrogen as propellant gas flow is available anyway, so that here particularly energy efficient with the
  • the anode recirculation can be operated.
  • the propellant gas stream is branched in the direction of flow after a metering valve into the at least two partial propellant gas streams.
  • the metering valve which is often designed in combination with a pressure regulating valve, is comparatively complex and expensive, since it must realize an exact metering of the hydrogen under very high pressure and, if appropriate, the relaxation of this hydrogen to a lower pressure level. This component is in the
  • the structure according to the invention therefore exists only once, after which the branching of the propellant gas stream takes place into the at least two partial propellant gas streams.
  • the metering valve can be designed both as a proportional valve, which has advantages in terms of noise emissions, as well as a clock valve, which by a
  • Pulse width modulation is operated so that the desired gas flow
  • At least one of the separate Operatreibgasströme between the metering valve and the Venturi tube is formed free of a valve device.
  • This one Operatreibgasstrom without valve device is of particular advantage to a continuous with open metering valve
  • This basic flow can be designed in a particularly favorable and advantageous development in particular so that it is designed in its amount to the idling operation of the fuel cell system.- idle operation can therefore without the
  • FIG. 1 shows an exemplary fuel cell system in a vehicle.
  • Fig. 2 is a schematic diagram of a gas jet pump according to the invention in a first embodiment
  • FIG. 3 shows a diagram of the pressure buildup over the load achieved with the gas jet pump according to FIG. 2;
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a gas jet pump according to the invention in a
  • FIG. 5 shows a diagram of the pressure build-up over the load achieved with the gas jet pump according to FIG. 4.
  • a fuel cell system 1 in an indicated vehicle 2 can be seen purely by way of example and in a very highly schematic manner.
  • Fuel cell system 1 essentially has a fuel cell 3, which in turn has an anode compartment 4 and a cathode compartment 5.
  • the fuel cell 3 should be designed as a stack of PEM fuel cells.
  • the cathode compartment 5 of the fuel cell 3 is supplied via an air conveyor 6 with air as an oxygen supplier. The exhaust air from the cathode chamber 5 passes in the illustrated here
  • Embodiment to the environment in principle, a post-processing, for example, an afterburner, a turbine or the like could be arranged.
  • a post-processing for example, an afterburner, a turbine or the like could be arranged.
  • this is for the present invention is not of interest, so on a
  • the anode chamber 4 of the fuel cell 3 is supplied with hydrogen H 2 , which originates from a compressed gas reservoir 7. It passes via a pressure control device 8 and a later explained in more detail gas jet pump 9 in the anode compartment 4. From the region of the anode compartment 4 exhaust gas A passes from the anode compartment 4 via a
  • Recirculation line 10 back into the region of the gas jet pump 9, and is sucked from this as a secondary gas stream and fed back into the anode chamber 4.
  • This principle of an anode recirculation is from the general state of Technique known. It serves to the anode chamber 4 with an excess
  • Hydrogen H 2 supply in order to make the best possible use of its active area.
  • the remaining in the exhaust gas from the anode chamber 4 residual hydrogen is then together with inert gases, which through the membranes from the cathode compartment 5 in the
  • Anode space 4 are diffused and a small part of the product water, which is formed in the anode chamber 4, fed back via the recirculation line 10 and the anode chamber 4 mixed with the fresh hydrogen H 2 supplied again. Since in such an anode recirculation over time, inert gases and water accumulate and thereby the hydrogen concentration decreases, it is necessary, for example from time to time, to discharge water and gas from the anode recirculation.
  • a drain valve 11 is indicated in principle in the illustration of FIG.
  • recirculation conveyor for the recirculated exhaust gas from the anode compartment 4.
  • a recirculation conveyor is shown in the here
  • the gas jet pump 9 is again shown in detail in the illustration of FIG. It consists essentially of a principle indicated Venturi tube 12, which the exhaust gas A is supplied. In addition, the hydrogen flows H 2 as
  • the metering valve 15 may be formed, for example, as a clock valve or preferably as a proportional valve to minimize noise emissions.
  • the propellant gas stream 14 branches off into two partial propellant gas streams 14.1 and 14.2, which are fed separately to the venturi tube 12. This setup with the two
  • Propellant gas streams 14.1, 14.2 is to be understood as an example. It would be
  • the first of the partial propellant gas streams 14.1 does not have any valve device.
  • the second partial gas stream 14.2, which is guided parallel thereto, has a valve device 16, which in the embodiment illustrated here should be designed as a comparatively simple, economical and efficient 2/2 way valve. This is indicated in the illustration of the valve device 16 by the symbolized opening characteristic.
  • the valve device 16 should be designed as a solenoid valve, which can be easily and efficiently switched between an open position and a closed position.
  • the partial propellant gas stream 14.1 is provided, which flows continuously into the venturi tube 12 and provides a certain delivery rate.
  • the valve device 16 in the second Operatreibgasstrom 14.2 is closed. It is achieved at relatively low load, a comparatively low pressure build-up by the gas jet pump 9. With higher load, the valve 16 is opened. Since this is designed as a 2/2-way valve, the opening is released suddenly. As a result, the delivery pressure built up via the first partial propellant gas stream 14.1 is first lost once before the delivery pressure at the common flow of the two partial propellant gas streams 14.1 and 14.2 adjusts accordingly in the diagram of FIG.
  • Valve device 16 This is in the embodiment of Figure 4 of
  • Gas jet pump 9 designed as a proportional valve. This is in turn indicated by the opening characteristic in the representation of the valve device 16. Thus, it releases a continuously increasing flow-through cross-section when opening. This has the consequence that the delivery between the designated I and II Regions of the diagram of the pressure build dp over the load L no longer breaks, but the applied from the first part of the propellant gas flow 14.1 delivery pressure remains. This is shown by way of example on the diagram to be understood in analogy to the diagram in FIG. 3 in FIG. Again, the corresponding areas are again denoted by I and II.
  • a timing valve offers corresponding advantages in terms of cost and controllability, while a proportional valve allows for a more continuous flow and has advantages over the timing valve in terms of noise emissions caused.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasstrahlpumpe (9) zur Förderung eines Hauptgasstroms (A) durch einen Treibgasstrom (14), wobei der Treibgasstrom (14) in axialer Richtung in ein Venturirohr (12) mit einer Querschnittsverengung einströmt, welchem außerdem der Hauptgasstrom (A) zuströmt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Treibgasstrom (14) in Form von wenigstens zwei getrennten Teiltreibgasströmen (14.1, 14.2) ausgebildet ist, welche gemeinsam in das eine Venturirohr (12) einströmen, wobei wenigstens einer der zwei getrennten Teiltreibgasströme (14.1, 14.2) über eine Ventileinrichtung (16) in seinem Volumenstrom beeinflussbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1) mit einer solchen Gasstrahlpumpe (9) für eine Abgasrezirkulation.

Description

Gasstrahlpumpe zur Förderung eines Hauptgasstroms
Die Erfindung betrifft eine Gasstrahlpumpe zur Förderung eines Hauptgasstroms durch einen Treibgasstrom nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen
Gasstrahlpumpe.
Gasstrahlpumpen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die am weitesten verbreitete Bauform von Gasstrahlpumpen nutzt dabei einen Treibgasstrahl, welcher in ein sogenanntes Venturirohr einströmt, welches eine Querschnittsverengung aufweist. Zusätzlich zu dem Treibgasstrom wird dem Venturirohr der zu fördernde Hauptgasstrom zugeführt, und zwar so, dass dieser in Strömungsvorrichtung vor oder spätestens im Bereich der Querschnittsverengung in Kontakt zu dem Treibgasstrom kommt. Durch die Querschnittsverengung und einem davor und danach weiter ausgebildeten Querschnitt kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Treibgasstroms im Bereich dieser Querschnittsverengung aufgrund des
Kontinuitätsgesetzes. Dadurch entsteht ein Unterdruck im Bereich der
Querschnittsverengung, welcher den Hauptgasstrom ansaugt und vermischt mit dem Treibgasstrom fördert.
Dieser Aufbau ist so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Er kann vielfältig eingesetzt werden. So finden Gasstrahlpumpen in Brennstoffzellensystemen ihren Einsatz, um beispielsweise im Rahmen einer sogenannten Anodenrezirkulation Abgas aus dem Anodenbereich zum Eingang des Anodenbereichs zurückzufordern. Der frische zudosierte Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, dient dann als Treibgasstrom, um das Anodenabgas entsprechend anzusaugen. Dies ist hinsichtlich des Energieaufwands zur Rezirkulation des Anodenabgases von Vorteil. Ergänzend oder alternativ dazu lassen sich Wasserstoffrezirkulationsgebläse einsetzen. Diese sind jedoch vergleichsweise energieintensiv und aufwändig. Beispielhaft wird für einen solchen Aufbau auf die DE 102 51 878 C5 hingewiesen. Die Problematik der vergleichsweise schwierigen Auslegung einer Gasstrahlpumpe über den gesamten auftretenden Lastbereich des
Brennstoffzellensystems wird hier durch die zusätzliche Wasserstoffpumpe in Form eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses entgegengewirkt. Dieser Aufbau ist sehr aufwändig und teuer, da er neben der Gasstrahlpumpe auch das Wasserstoffrezirkulationsgebläse benötigt.
Ein alternativer Aufbau ist aus der DE 10 2007 004 590 A1 bekannt. Um eine Anpassung der Förderleistung der Gasstrahlpumpe zu erzielen, werden hier zwei Gasstrahlpumpen, integriert in ein Gehäuse, miteinander kombiniert. Jede der Gasstrahlpumpen weist das für sie typische Venturirohr und die Zuleitung eines Treibgasstroms auf. Die
Treibgasströme sind entsprechend aufgeteilt und über Ventileinrichtungen schaltbar. Sie können so geschaltet werden, dass entweder der eine oder der andere oder beide Treibgasströme in das jeweilige Venturirohr einströmen. Dadurch lässt sich die eine oder die andere Gasstrahlpumpe oder beide Gasstrahlpumpen zusammen betreiben. Der Aufbau ist aufgrund der doppelt vorhandenen Gasstrahlpumpe, welche jeweils ein Venturirohr und die entsprechenden Gasanschlüsse aufweisen muss, trotz der Integration in ein Gehäuse vergleichsweise aufwändig, groß und schwer.
Ferner beschreibt die DE 2006 019 077 A1 einen Aufbau, bei welchem eine
Düsenöffnung für den Treibstrahl verändert werden kann. Dies ist mechanisch
außerordentlich komplex. Der Aufbau wird damit sehr teuer und störanfällig.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Gasstrahlpumpe beziehungsweise ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Gasstrahlpumpe anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet und einen einfachen und kompakten Aufbau bietet, welcher hinsichtlich der benötigten Förderleistung ausreichend flexibel verwendbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Gasstrahlpumpe sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Außerdem löst ein
Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 die Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe nutzt ein gemeinsames Venturirohr, welchem ein in wenigstens zwei getrennte Teiltreibgasströme aufgeteilter Treibgasstrom zuführbar ist. Dabei ist wenigstens einer der zwei getrennten Teiltreibgasströme über eine
Ventileinrichtung in seinem Volumenstrom beeinflussbar. Der Aufbau kann also ähnlich wie ein Aufbau mit zwei eigenen Gasstrahlpumpen über die Aufteilung des
Treibgasstroms in zwei Teiltreibgasströme entweder nur mit dem einen oder dem anderen oder beiden der Teiltreibgasströme verwendet werden. Damit entsteht ein einfacher und sehr kompakter Aufbau einer in ihrer Leistung zumindest in zwei Stufen schaltbaren Gasstrahlpumpe, welcher mit einem einzigen Venturirohr auskommt. Dieses Venturirohr muss dann selbstverständlich so ausgelegt sein, dass es auf einen mittleren Volumenstrom des Treibgasstroms hin optimiert ausgebildet ist, sodass die Funktionalität sowohl mit einem als auch mit mehreren der Teiltreibgasströme gegeben ist.
Die Feinheit in der Regulierung der Förderleistung der Gasstrahlpumpe lässt sich dabei durch die Anzahl der einzelnen Teiltreibgasströme leicht beeinflussen. In der Praxis werden sicher zwei bis drei Teiltreibgasströme eine sinnvolle Variation in der Leistung ergeben. Prinzipiell sind jedoch auch beliebig viele einzelne Teiltreibgasströme möglich, sodass eine quasi kontinuierliche Leistungsanpassung möglich ist.
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es dabei vorgesehen, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung als 2/2-Wegeventil, insbesondere als Magnetventil, ausgebildet ist. Eine solche Ausbildung der wenigstens einen Ventileinrichtung als 2/2-Wegeventil ist entsprechend einfach und effizient. Diese kann insbesondere in Form eines Magnetventils realisiert werden, welches einfach ansteuerbar und kostengünstig am Markt verfügbar ist. Der Nachteil bei einem solchen Magnetventil liegt jedoch darin, dass der Strömungsquerschnitt typischerweise vergleichsweise schlagartig freigegeben wird. Damit bricht die Förderleistung kurzzeitig zusammen, da sich die Teiltreibgasströme beim Öffnen eines der Magnetventile anders aufteilen und eine verminderte Durchströmung der bereits offenen
Strömungsquerschnitte auftritt. Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe ist es daher vorgesehen, dass die wenigstens eine Ventileinrichtung als Proportionalventil ausgebildet ist. Ein solches Proportionalventil erlaubt eine kontinuierliche Erhöhung des durchströmbaren Querschnitts, sodass ein Einbruch des Drucks und der Förderleistung vermieden werden kann. Der Aufbau erlaubt so eine bessere Ansteuerung der benötigten Förderleistung der Gasstrahlpumpe, da beim Öffnen der Ventileinrichtung die Förderleistung nicht kurzzeitig zusammenbricht, sondern durch die kontinuierliche Öffnung der Ventileinrichtung entsprechend
aufrechterhalten werden kann.
Die oben genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Brennstoffzellensystem mit einer Abgasrezirkulation gelöst, wobei die Abgasrezirkulation wenigstens einen aus einer Brennstoffzelle strömenden Abgasstrom zusammen mit einem zudosierten
Eduktgasstrom zur Brennstoffzelle zurückführt, wobei in der Anodenrezirkulation eine Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung mit dem Abgasstrom als Hauptgasstrom und dem Eduktgasstrom als Treibgasstrom vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Gasstrahlpumpe, welche mit einem einfachen, kleinen, kompakten und leichten Aufbau dennoch eine hohe Variabilität hinsichtlich der
Förderleistung ermöglicht, ist insbesondere für die Abgasrezirkulation in einem
Brennstoffzellensystem von besonderem Vorteil. In einer solchen Abgasrezirkulation muss in Abhängigkeit der von der Brennstoffzelle geförderten elektrischen Leistung die Rezirkulationsrate entsprechend eingestellt werden. Damit ergibt sich ein Aufbau, bei welchem eine hohe Variabilität in der Förderleistung der Gasstrahlpumpe benötigt wird. Andererseits wird ohnehin ein unter Druck gespeichertes oder verdichtetes Eduktgas der Brennstoffzelle zugeführt, sodass ein unter ausreichendem Druck stehender
Treibgasstrom zur Verfügung steht. Die Verwendung einer Gasstrahlpumpe hat gegenüber einem Rezirkulationsgebläse also auch entscheidende Vorteile hinsichtlich der Energieeffizienz des Gesamtsystems.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass die Abgasrezirkulation als Anodenabgasrezirkulation ausgebildet ist. Insbesondere im Bereich des Anodenabgases ist die Verwendung einer Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung von besonderem Vorteil. Hier steht typischerweise Wasserstoff als Eduktgasstrom für den Anodenraum der Brennstoffzelle zur Verfügung. Da dieser Wasserstoff im Allgemeinen unter hohem Druck in einem Druckgasspeicher gespeichert ist, steht die für den Wasserstoff als Treibgasstrom benötigte Energie ohnehin zur Verfügung, sodass hier besonders energieeffizient mit der
erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe die Anodenrezirkulation betrieben werden kann.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass der Treibgasstrom in Strömungsrichtung nach einem Dosierventil in die wenigstens zwei Teiltreibgasströme verzweigt ist. Das Dosierventil, welches oft in Kombination mit einem Druckregelventil ausgebildet ist, ist dabei vergleichsweise komplex und aufwändig, da es eine exakte Dosierung des unter sehr hohem Druck stehenden Wasserstoffs und gegebenenfalls auch die Entspannung dieses Wasserstoffs auf ein niedrigeres Druckniveau realisieren muss. Dieses Bauteil ist bei dem
erfindungsgemäßen Aufbau daher nur einmal vorhanden, danach erfolgt die Aufzweigung des Treibgasstroms in die wenigstens zwei Teiltreibgasströme. Das Dosierventil kann dabei sowohl als Proportionalventil ausgebildet sein, was Vorteile hinsichtlich der Geräuschemissionen hat, als auch als Taktventil, welches durch eine
Pulsweitenmodulation so betrieben wird, dass sich der gewünschte Gasstrom
beziehungsweise die gewünschte Dosiermenge an Wasserstoff entsprechend einstellen lässt.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass wenigstens einer der getrennten Teiltreibgasströme zwischen dem Dosierventil und dem Venturirohr frei von einer Ventileinrichtung ausgebildet ist. Dieser eine Teiltreibgasstrom ohne Ventileinrichtung ist dabei von besonderem Vorteil, um bei geöffnetem Dosierventil eine andauernde
Grundströmung von Wasserstoff in den Bereich der Brennstoffzelle zu realisieren. Diese Grundströmung kann dabei in einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung insbesondere so ausgelegt sein, dass diese in ihrer Menge auf den Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems ausgelegt ist.- Im Leerlaufbetrieb kann also ohne die
Ansteuerung von Ventileinrichtungen in den getrennten Teiltreibgasströmen der Betrieb der Brennstoffzelle sehr energieeffizient und mit minimalem Steuerungsaufwand realisiert werden. Mit steigender Last wird dann einer oder mehrere zusätzliche Teiltreibgasströme durch ein Öffnen der entsprechenden Ventileinrichtung hinzugeschaltet, sodass sich im Bereich der Gasstrahlpumpe die benötigte Förderleistung entsprechend einstellt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gasstrahlpumpe, des Brennstoffzellensystems sowie des Betriebsverfahrens hierfür ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 3 ein Diagramm des mit der Gasstrahlpumpe gemäß Figur 2 erzielten Druckaufbaus über der Last;
Fig. 4 eine Prinzipdarstellung einer Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung in einer
zweiten Ausführungsform; und
Fig. 5 ein Diagramm der mit der Gasstrahlpumpe gemäß Figur 4 erzielten Druckaufbaus über der Last.
In der Darstellung der Figur 1 ist rein beispielhaft und sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das
Brennstoffzellensystem 1 weist im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 3 auf, welche ihrerseits einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 zeigt. Die Brennstoffzelle 3 soll als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel an die Umgebung. Hier könnte prinzipiell auch eine Nachbereitung, beispielsweise eine Nachverbrennung, eine Turbine oder dergleichen angeordnet sein. Dies ist für die vorliegende Erfindung jedoch nicht von Interesse, sodass auf eine
Darstellung verzichtet worden ist.
Der Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird mit Wasserstoff H2 versorgt, welcher aus einem Druckgasspeicher 7 stammt. Er gelangt über eine Druckregeleinrichtung 8 und eine später noch näher erläuterte Gasstrahlpumpe 9 in den Anodenraum 4. Aus dem Bereich des Anodenraums 4 gelangt Abgas A aus dem Anodenraum 4 über eine
Rezirkulationsleitung 10 zurück in den Bereich der Gasstrahlpumpe 9, und wird von dieser als sekundärer Gasstrom angesaugt und zurück in den Anodenraum 4 gefördert. Dieses Prinzip einer Anodenrezirkulation ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es dient dazu, den Anodenraum 4 mit einem Überschuss an
Wasserstoff H2 zu versorgen, um seine aktive Fläche bestmöglichst auszunutzen. Der im Abgas aus dem Anodenraum 4 verbleibende Restwasserstoff wird dann zusammen mit inerten Gasen, welche durch die Membranen aus dem Kathodenraum 5 in den
Anodenraum 4 diffundiert sind und einem kleinen Teil des Produktwasser, welcher im Anodenraum 4 entsteht, über die Rezirkulationsleitung 10 zurückgefördert und dem Anodenraum 4 vermischt mit dem frischen Wasserstoff H2 erneut zugeführt. Da sich in einer solchen Anodenrezirkulation mit der Zeit inerte Gase und Wasser anreichern und dadurch die Wasserstoffkonzentration sinkt, muss, beispielsweise von Zeit zu Zeit, Wasser und Gas aus der Anodenrezirkulation abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der Figur 1 ein Ablassventil 11 prinzipmäßig angedeutet.
Um nun die Druckverluste im Bereich des Anodenraums 4 und im Bereich der
Rezirkulationsleitung 10 ausgleichen zu können, ist es notwendig, eine
Rezirkulationsfördereinrichtung für das rezirkulierte Abgas aus dem Anodenraum 4 vorzusehen. Als Rezirkulationsfördereinrichtung ist in dem hier dargestellten
Ausführungsbeispiel der Figur 1 die bereits erwähnte Gasstrahlpumpe 9 vorgesehen.
Die Gasstrahlpumpe 9 ist in der Darstellung der Figur 2 nochmals im Detail dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem prinzipmäßig angedeuteten Venturirohr 12, welchem das Abgas A zugeführt wird. Außerdem strömt der Wasserstoff H2 als
Treibgasstrom 14 über ein Dosierventil 15, welches beispielsweise in den Bereich der Druckregeleinrichtung 8 integriert ausgebildet sein kann, zu dem Venturirohr 12. Das Dosierventil 15 kann beispielsweise als Taktventil oder bevorzugt als Proportionalventil, um Geräuschemissionen zu minimieren, ausgebildet sein. Nach dem Dosierventil 15 verzweigt sich der Treibgasstrom 14 in zwei Teiltreibgasströme 14.1 und 14.2, welche dem Venturirohr 12 getrennt zugeführt werden. Dieser Aufbau mit den beiden
Treibgasströmen 14.1 , 14.2 ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Es wäre
selbstverständlich auch denkbar, mehrere einzelne Teiltreibgasströme 14.1 bis 14. n entsprechend auszubilden. Die nachfolgenden Erläuterungen werden jedoch jeweils am Beispiel von zwei derartigen Teilgasströmen 14.1 , 14.2 beschrieben. Selbstverständlich kann der Fachmann die Erläuterungen und Aufbauten auf mehr als zwei
Teiltreibgasströme 14.1 bis 14.n ausdehnen. In der Darstellung der Figur 2 weist der erste der Teiltreibgasströme 14.1 dabei keine Ventileinrichtung auf. Der parallel dazu geführte zweite Teilgasstrom 14.2 weist eine Ventileinrichtung 16 auf, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als vergleichsweise einfaches, kostengünstiges und effizientes 2/2-Wegeventil ausgebildet sein soll. Dies ist in der Darstellung der Ventileinrichtung 16 durch die symbolisierte Öffnungscharakteristik angedeutet. Insbesondere soll die Ventileinrichtung 16 als Magnetventil ausgebildet werden, welches einfach und effizient zwischen einer geöffneten Stellung und einer geschlossenen Stellung geschaltet werden kann.
Die Situation im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 ist nun die, dass im
Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 ein gewisser Volumenstrom an
Wasserstoff benötigt wird. Dementsprechend muss ein geringer Volumenstrom an Anodenabgas A rezirkuliert werden. Für diesen Fall ist der Teiltreibgasstrom 14.1 vorgesehen, welcher stetig in das Venturirohr 12 strömt und eine gewisse Förderleistung bereitstellt. In dem Diagramm des möglichen Druckaufbaus dp über der Last L in Figur 3 ist dieses in dem mit I bezeichneten Abschnitt dargestellt. Die Ventileinrichtung 16 in dem zweiten Teiltreibgasstrom 14.2 ist dabei geschlossen. Es wird bei vergleichsweise geringer Last ein vergleichsweise geringer Druckaufbau durch die Gasstrahlpumpe 9 erzielt. Mit höherer Last wird das Ventil 16 geöffnet. Da dieses als 2/2-Wegeventil ausgebildet ist, wird die Öffnung schlagartig freigegeben. Dadurch geht der über den ersten Teiltreibgasstrom 14.1 aufgebaute Förderdruck zuerst einmal verloren, bevor sich in dem Diagramm der Figur 3 in dem mit II bezeichneten Bereich der Förderdruck bei gemeinsamer Strömung der beiden Teiltreibgasströme 14.1 und 14.2 entsprechend einstellt.
Sind noch weitere Teiltreibgasströme neben den beiden genannten vorhanden, so kann eine weitere und feinere Leistungsanpassung erfolgen.
In der Darstellung der Figur 4 ist ein vergleichbarer Aufbau der Gasstrahlpumpe 9 nochmals dargestellt. Der einzige Unterschied dabei ist die Ausbildung der
Ventileinrichtung 16. Diese ist in der Ausführungsform gemäß Figur 4 der
Gasstrahlpumpe 9 als Proportionalventil ausgebildet. Dies ist wiederum durch die Öffnungscharakteristik in der Darstellung der Ventileinrichtung 16 angedeutet. Sie gibt beim Öffnen also einen kontinuierlich größer werdenden durchströmbaren Querschnitt frei. Dies hat zur Folge, dass die Förderleistung zwischen den mit I und II bezeichneten Bereichen des Diagramms des Druckaufbaus dp über der Last L nicht mehr einbricht, sondern der von dem ersten Teiltreibgasstrom 14.1 aufgebrachte Förderdruck bestehen bleibt. Dies ist an dem analog zum Diagramm in Figur 3 zu verstehenden Diagramm in Figur 5 beispielhaft dargestellt. Auch hier sind die entsprechenden Bereiche wieder mit I und II bezeichnet.
Dabei hat sich herausgestellt, dass die Ausbildung des Dosierventils 15 keinen nennenswerten Einfluss auf den Druckaufbau hat, sondern dass dieser primär von der Ausbildung der Ventileinrichtung 16 abhängt. Damit kann im Bereich des Dosierventils 8 auch weiterhin vergleichsweise unabhängig von der Ausbildung der Gasstrahlpumpe 9 die gewünschte Ventiltechnik eingesetzt werden. Beispielsweise bietet ein Taktventil entsprechende Vorteile hinsichtlich der Kosten und der Ansteuerbarkeit, während ein Proportionalventil einen kontinuierlicheren Volumenstrom ermöglicht und hinsichtlich der verursachten Geräuschemissionen Vorteile gegenüber dem Taktventil hat.

Claims

Patentansprüche
1. Gasstrahlpumpe (9) zur Förderung eines Hauptgasstroms (A) durch einen
Treibgasstrom (14), wobei der Treibgasstrom (14) in axialer Richtung in ein
Venturirohr (12) mit einer Querschnittsverengung einströmt, welchem außerdem der Hauptgasstrom (A) zuströmt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Treibgasstrom (14) in Form von wenigstens zwei getrennten
Teiltreibgasströmen (14.1 , 14.2) ausgebildet ist, welche gemeinsam in das eine Venturirohr (12) einströmen, wobei wenigstens einer der zwei getrennten
Teiltreibgasströme (14.1 , 14.2) über eine Ventileinrichtung (16) in seinem
Volumenstrom beeinflussbar ist.
2. Gasstrahlpumpe (9) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Ventileinrichtung (16) als 2/2-Wegeventil, insbesondere als Magnetventil, ausgebildet ist.
3. Gasstrahlpumpe (9) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Ventileinrichtung (16) als Proportionalventil ausgebildet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Abgasrezirkulation, welche einen aus einer Brennstoffzelle (3) stammenden Abgasstrom zusammen mit einem zudosierten Eduktgasstrom zur Brennstoffzelle (3) zuführt, wobei in der Abgasrezirkulation eine Gasstrahlpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit dem Abgasstrom (A) als Hauptgasstrom und dem Eduktgasstrom als Treibgasstrom (14) vorgesehen ist.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abgasrezirkulation als Anodenabgasrezirkulation ausgebildet ist.
6. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Treibgasstrom (14) der Gasstrahlpumpe (9) in Strömungsrichtung nach einem Dosierventil (15) in die wenigstens zwei Teiltreibgasströme (14.1 , 14.2) verzweigt ist.
7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Dosierventil (15) als Proportionalventil ausgebildet ist.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Dosierventil (15) als Taktventil ausgebildet ist.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens einer der getrennten Teiltreibgasströme (1 .1 , 14.2) zwischen dem Dosierventil (15) und dem Venturirohr (12) frei von einer Ventileinrichtung ausgebildet ist.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der frei von einer Ventileinrichtung ausgebildete Teiltreibgasstrom (14.1) in seinem Volumenstrom so ausgelegt ist, dass er für den Leerlaufbetrieb der Brennstoffzelle (3) optimiert ist.
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