Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf für eine Brennstoffzelle mit mehreren Gasstrahlpumpen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Die Rezirkulation von Anodenabgas in Brennstoffzellensystemen ist allgemein bekannt und üblich. Dafür wird das Anodenabgas, meist über einen Wasserabscheider, mittels einer Rezirkulationsleitung zum Anodeneingang zurückgeleitet und wird diesem vermischt mit frischem Brenngas erneut zugeführt, um so ohne nennenswerte Wasserstoffverluste immer mit einem Wasserstoffüberschuss in die aktive Fläche der Anode dosieren zu können. Für die Rezirkulation des Anodenabgases sind dabei einerseits Rezirkulationsgebläse und alternativ oder ergänzend hierzu Gasstrahlpumpen bekannt.

Dabei ist es so, dass die Effizienz von Gasstrahlpumpen typischerweise mit dem zudosierten Volumenstrom, dem sogenannten Treibgasstrom, variiert. Im Idealfall ist die Geometrie der Gasstrahlpumpe passend zum jeweiligen Treibgasstrom ausgebildet, um so auch bei verschiedenen Volumenströmen an dosiertem Wasserstoff eine ideale Rezirkulation zu erhalten. Um dies in der Praxis zu realisieren, sind dabei häufig bewegliche Düsennadeln im Einsatz, welche im Inneren einer Düse der Gasstrahlpumpe sitzen und durch eine Bewegung in Strömungsrichtung und entgegen der Strömungsrichtung unterschiedliche Strömungsquerschnitte in der Düse freigeben. Dies ist relativ aufwändig und durch die direkt in der Düse angeordneten beweglichen Teile relativ anfällig gegen Einfrieren.

Aus der allgemeinen Praxis ist es außerdem bekannt, mehrere Gasstrahlpumpen parallel anzuordnen. Über aufwendige Ventile und Leitungen lassen sich diese dann in der Art verschalten, dass entweder die eine oder die andere oder mehrere der Gasstrahlpumpen gemeinsam genutzt werden können. Dies ist ebenfalls relativ aufwändig und durch die Vielzahl von Leitungen und Ventilen relativ teuer.

Die KR 2012 0057996 A übernimmt einen derartigen Aufbau mit mehreren Düsenkörpern in einer einzigen Gasstrahlpumpe und schafft über ein Drehventil eine den beschriebenen Aufbau optimierende Vorrichtung. Über das Drehventil lässt sich ein drehbarer Ventilkörper so verschwenken, dass eine oder mehrere der Düsen wahlweise zum Einsatz kommen. Das Prinzip ist auch aus dem Bereich von Kühlkreisläufen prinzipiell bekannt und in der JP 2005-155571 A1 entsprechend vorbeschrieben. Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Anodenkreislauf gemäß dem Oberbergriff des Anspruchs 1 dahingehend weiterzubilden, dass dieser bei einem effizienten und kompakten Aufbau hinsichtlich des Rezirkulationswirkungsgrads situationsabhängig optimiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Anodenkreislauf mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.

Der erfindungsgemäße Anodenkreislauf für eine Brennstoffzelle umfasst also wenigstens eine Gasstrahlpumpe zur Rezirkulation von Anodenabgas, wie der im eingangs genannten Stand der Technik beschriebene Aufbau. Dabei dient, wie dort auch, das Brenngas als Treibgasstrom, welches die Düse der wenigstens einen Gasstrahlpumpe durchströmt und dabei aus einer Rezirkulationsleitung Anodenabgas ansaugt. Das entstandene Gemisch strömt dann über eine Abströmleitung aus der Gasstrahlpumpe ab und typischerweise zum Anodenraum der Brennstoffzelle, insbesondere eines Stapels bzw. Stacks von Einzelzellen.

Erfindungsgemäß sind dabei mehrere Düsen mit unterschiedlicher Geometrie in einem Düsenkörper angeordnet. Dieser ist relativ zur T reibgasleitung in der Art beweglich, dass jeweils eine der Düsen wahlweise nutzbar ist. Anders als im oben genannten Stand der Technik werden hier also nicht alle Düsen vorgehalten und bei Bedarf einzeln oder parallel angeströmt, sondern die einzelnen Düsen in einem gemeinsamen Düsenkörper werden durch einen Aktuator in den Bereich der Treibgasleitung gebracht, beispielsweise durch eine lineare Bewegung oder indem diese in den Bereich verschwenkt werden. Je nach aktuell anstehendem Treibgasstrom, welcher von der aktuellen Wasserstoffdosierung in die Brennstoffzelle abhängt, kann so die geeignete Düse aus dem gemeinsamen Düsenkörper ausgewählt und in die Nutzposition verbracht werden.

Der Düsenkörper selbst kann dabei beispielsweise streifenförmig ausgebildet sein und muss dann über einen linear wirkenden Aktuator quer zur T reibgasleitung, welche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung idealerweise mit der Abströmleitung fluchtet, verschoben werden. Besonders effizient und günstig bezüglich des benötigten Bauraums ist es, wenn der Düsenkörper drehbeweglich ausgebildet ist, und zwar mit einer außermittig zur Treibgasleitung angeordneten Drehachse. Er lässt sich dann sehr platzsparend realisieren und kann bei Bedarf durch ein Verdrehen, vergleichbar wie die Trommel eines Revolvers, in die gewünschte Position gedreht werden, sodass die aktuell benötigte Düse mit der Treibgasleitung und insbesondere der Abströmleitung fluchtet und bei der Durchströmung der Gasstrahlpumpe kann dann, passend zum jeweiligen Volumenstrom des dosierten Wasserstoffs, eine für die Ansaugung des Anodenabgases aus der Rezirkulationsleitung ideale Durchströmung, typischerweise mit Strömungsgeschwindigkeiten von mehr als Mach 1, erreicht werden.

Die Mittelachsen der einzelnen Düsen sind dabei idealerweise auf einem konstanten Radius um die Drehachse des Düsenkörpers angeordnet. So können beispielsweise, je nach Durchmesser des Düsenkörpers, vier bis sechs einzelne Düsen vorgehalten und bei Bedarf in den Treibgasleitung der Gasstrahlpumpe gedreht werden.

Idealerweise verjüngt sich der Düsenkörper dabei in Strömungsrichtung des Treibgasstroms, sodass sich der Strömungswiderstand für den angesaugten Abgasstrom entsprechend reduziert und dieser mit idealer Strömungsgeometrie in die Gasstrahlpumpe geleitet wird.

Die Rezirkulationsleitung kann dabei in beliebiger Art und Weise in die Gasstrahlpumpe münden. So können beispielsweise der rezirkulierte Gasstrom und der Treibgasstrom parallel zueinander in die Gasstrahlpumpe einströmen. Auch eine antiparallele Ausrichtung mit einer Umlenkung innerhalb der Gasstrahlpumpe ist prinzipiell denkbar. Vom besonderen Vorteil kann es jedoch sein, wenn die Rezirkulationsleitung in einem Winkel zur Treibgasleitung und/oder der Abströmleitung angeordnet sein, insbesondere steht sie senkrecht auf der Flucht dieser beiden Leitungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs und seiner Gasstrahlpumpe ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.

Dabei zeigen: Fig. 1 ein prinzipmäßig dargestelltes Brennstoffzellensystem in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug;

Fig. 2 eine Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung in einer Schnittdarstellung in einem ersten Betriebszustand;

Fig. 3 die Gasstrahlpumpe gemäß Fig. 2 in einem zweiten Betriebszustand; und Fig. 4 eine Draufsicht auf den in der Gasstrahlpumpe gemäß den Figuren 2 und 3 eingesetzten Düsenkörper.

In der Darstellung der Figur 1 ist schematisch angedeutet ein Fahrzeug 1, beispielsweise ein Personenfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug, zu erkennen, welches zumindest einen Teil seiner elektrischen Antriebsleistung aus einem mit 2 bezeichneten Brennstoffzellensystem bezieht. Den Kern dieses Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3. Die Brennstoffzelle 3 ist dabei als Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen in an sich bekannter Art und Weise ausgebildet. Rein beispielhaft ist hier ein gemeinsamer Anodenraum 4 und ein gemeinsamer Kathodenraum 5 angedeutet. Die Brennstoffzelle 3 soll beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff H2 aus einem hier nicht dargestellten Speicher für Wasserstoff, beispielsweise einem Druckgasspeichersystem, zugeführt. Der Wasserstoff gelangt als Treibstrahl über eine Gasstrahlpumpe 6 in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Abgas aus dem Anodenraum 4 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück zu der Gasstrahlpumpe 6 und wird von dieser angesaugt und vermischt mit dem frischen Wasserstoff dem Anodenraum 4 erneut zugeführt. Dieser sogenannten Anodenkreislauf 8 ist dem Fachmann für Brennstoffzellensysteme allgemein bekannt.

Der Anodenkreislauf 8 kann außerdem über einen Wasserabscheider und/oder ein Abblasventil 9 verfügen, um Wasser und/oder sich in dem Anodenkreislauf 8 mit der Zeit anreichernde inerte Gase, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration, aus dem Anodenkreislauf 8 abzulassen. Er könnte außerdem als Ergänzung zu der Gasstrahlpumpe 6 ein Rezirkulationsgebläse aufweisen, was hier jedoch, vergleichbar wie der Wasserabscheider, nicht dargestellt ist. Abgelassene Gase gelangen über eine mit 10 bezeichnete Leitung in eine Abluftleitung 11 des Brennstoffzellensystems 2.

Dem Kathodenraum 5 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 12 und einen hier beispielhaft angedeuteten Gas/Gas-Befeuchter 13 zugeführt Die Abluft gelangt dann über die bereits angesprochene Abluftleitung 11 wiederum durch den Gas/Gas-Befeuchter 13 in die Umgebung. All dies ist für einen Fachmann der Brennstoffzellensysteme allgemein bekannt und üblich. Er weiß dabei auch, dass weitere Komponenten wie beispielsweise Ladeluftkühler, Wasserabscheider, Abluftturbinen und dergleichen mit vorgesehen werden können. Für die hier vorliegende Erfindung bezüglich des Anodenkreislaufs 8 spielt dies jedoch alles eine untergeordnete Rolle, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.

Figur 2 zeigt nun die in der Figur 1 schematisch angedeutete Gasstrahlpumpe 6, welche als Jet Pump bezeichnet wird, im Querschnitt. Dabei ist eine Treibgasleitung 14 zu erkennen und fluchtend dazu in einer Ausgestaltung als Venturirohr eine Abströmleitung 15, durch welche das Gemisch aus einem durch die Treibgasleitung 14 einströmenden Treibstahl und über die Rezirkulationsleitung 7 angesaugten Abgas des Anodenraums 4 wieder zu dem Anodenraum 4 strömt. Die Besonderheit bei der Gasstrahlpumpe 6 ist ein mit 16 bezeichneter Düsenkörper, welcher um eine Drehachse 17, welche von der zentralen Achse der Treibgasleitung 14 und der mit ihr fluchtenden Abströmleitung 15 verschieden ist, drehbar ist. In diesem Düsenkörper 16 sind nun mehrere einzelne Düsen 18 ausgebildet. In der Darstellung der Figur 2 befindet sich fluchtend zu der Treibgasleitung 14 und der Abströmleitung 15 eine mit 18.1 bezeichnete Düse, welcher hier beispielhaft für einen mittleren Wasserstoffstrom, welcher zu dem Anodenraum 4 strömt, vorgesehen ist. Sie ist in Ihrer Geometrie so ausgestaltet, dass sie bei diesem Volumenstrom gute Bedingungen für das Ansaugen des Abgasstroms aus der Rezirkulationsleitung 7 schafft, insbesondere dass eine Strömungsgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit auftritt und dadurch das Ansaugverhalten der Gasstrahlpumpe 6 bei diesem Volumenstrom optimiert wird.

Derselbe Aufbau der Gasstrahlpumpe 6 ist in der Darstellung der Figur 3 nochmals dargestellt. Der Düsenkörper 16 ist um die Drehachse 17 entsprechend verdreht, sodass nun die mit 18.1 bezeichnete Düse außerhalb des durchströmten Bereichs angeordnet ist, und dass eine mit 18.2 bezeichnete Düse für einen entsprechend kleineren Volumenstrom des zudosierten Wasserstoffs in die Flucht zwischen der Treibgasleitung 14 und der Abströmleitung 15 verschwenkt worden ist und nun innerhalb der Gasstrahlpumpe 6 aktiv ist. Der Aufbau des Düsenkörpers 16, welcher in Durchströmungsrichtung verjüngend ausgestaltet ist, entspricht dabei in etwa der Trommel eines Trommel revolvers und ist in einer Draufsicht in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen. Er kann um die Drehachse 17 entsprechend gedreht werden, sodass die jeweils mit demselben zu der Treibgasleitung 14 passenden Startdurchmesser gestalteten Düsen 18.1-18.4 die einzelnen Volumenströme in der gewünschten Art und Weise bewältigen. Das bedeutet also, dass für vier verschiedene Größenordnungen von Volumenströmen vier entsprechende Düsen 18.1-18.4 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zur Verfügung stehen. Der Aufbau ließe sich dahingehend erweitern, dass beispielsweise fünf, sechs, sieben oder mehr einzelne Düse 18 in dem hier rotationssymmetrisch ausgebildeten Düsenkörper 16 ausgebildet sind.

Alles in allem entsteht so ein außerordentlich kompakter und effizienter Aufbau der Gasstrahlpumpe 6, welcher eine einfache Anpassung an den zudosierten Wasserstoffstrom als Treibgasstrom erlaubt, indem entsprechend der Größenordnung dieses Volumenstroms die jeweils passende Düse 18.1-18.4 in die Flucht zwischen der Treibgasleitung 14 und der Abströmleitung 15 verschwenkt wird. Damit sind ideale Durchströmungsbedingungen der Gasstrahlpumpe 6, und hier insbesondere des als Venturirohr ausgebildeten Teils der Abströmleitung 15, möglich, sodass durch Unterdruck- und Impulsaustausch-Effekte eine bestmögliche Ansaugung des rezirkulierten Abgases aus der Rezirkulationsleitung 7 des Brennstoffzellensystems 2 bzw. seines Anodenkreislaufs 8 erreicht wird. Dies ist dabei ohne eine aufwändige Mehrfachverrohrung, dem Einsatz von zahlreichen Ventilen und ohne die Verwendung einer Düsennadel möglich.