使气体在阳极回路中再循环的装置、方法和燃料电池系统与流程

1.本发明涉及一种用于使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环的装置和方法。此外，提出一种具有根据本发明的装置的燃料电池系统。


背景技术：

2.燃料电池将燃料、例如氢气和氧气转化成电能。为此，将燃料供应至燃料电池的阳极并且将氧气供应至所述燃料电池的阴极。因为从燃料电池出来的燃料通常还包含燃料的剩余量，所以将所述燃料再循环并且重新供应至阳极。这节省燃料。在此，所述再循环可以借助于再循环风扇主动地产生和/或借助于喷射泵被动地产生。
3.在使用喷射泵以用于再循环时的问题是在低负载区域中的减弱的再循环功率。为了在这里完成补偿，可以使用较小的第二喷射泵，所述第二喷射泵设置在低负载区域上并且与第一喷射泵并联地布置。然而，另外的喷射泵提高设计花费，因为两个并联布置的喷射泵的射流喷嘴必须分别通过计量阀供应以氢气。同时提高了组件的结构空间需求。


技术实现要素：

4.在这里，本发明努力完成补偿。尤其应说明一种用于使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环的装置，所述装置能够在所有的负载区域上实现足够高的再循环功率以及简单地和紧凑地构造。
5.为了解决所述任务，提出根据本发明的装置。本发明的有利的扩展方案在下面说明。此外说明一种具有根据本发明的装置的燃料电池系统以及用于使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环的方法。
6.为了使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环而提出的装置包括喷射泵，所述喷射泵具有两个共轴布置的射流喷嘴，一个共同的压力室关于所述射流喷嘴前置，其中，压力室与第一射流喷嘴直接连接并且可以与第二射流喷嘴间接地通过受压力控制的阀连接，使得可以根据压力室中的压力接通第二射流喷嘴。
7.所提出的装置具有仅一个喷射泵，但所述喷射泵包括两个共轴布置的射流喷嘴。所述射流喷嘴共轴地布置、尤其彼此嵌入，从而实现紧凑的布置。此外，通过取消第二喷射泵明显减小结构空间需要。
8.因为所述两个射流喷嘴的仅一个射流喷嘴直接与前置的压力室连接，喷射泵可以在低负载区域通过仅一个射流喷嘴运行。在需要更高的再循环功率的更高的负载区域中，可以接通第二射流喷嘴。所述接通借助于受压力控制的阀实现，当前置的压力室中的压力升高时，所述阀打开。当氢气到压力室中的流入量大于通过第一射流喷嘴的流出量时是这种情况。因为在压力室中建立滞止压力，所述滞止压力最后导致受压力控制的阀打开。
9.以该方式可以针对所有负载区域产生相应需要的再循环功率。
10.优选地，计量阀关于压力室前置，借助于所述计量阀可以将氢气配量到压力室中。因此，氢气到压力室中的流入量可以借助于计量阀有针对性地控制。
11.优选地，计量阀实施为比例阀，使得计量阀的开口横截面是可变的。
12.以该方式可以更有针对性地控制氢气到压力室中的流入量。
13.此外优选地，受压力控制的阀包括能运动的阀元件，所述能运动的阀元件具有：
[0014]-第一压力面，存在于压力室中的压力施加在第一压力面上并且引起沿打开方向作用到阀元件上的力，以及
[0015]-第二压力面，存在于阳极回路中的压力施加在第二压力面上并且引起沿关闭方向作用到阀元件上的力。
[0016]
因为在阳极回路中的压力在燃料电池系统的运行中仅微小地改变，所以可以借助于压力室中的可变的压力限定地打开所述阀，以便接通第二射流喷嘴。
[0017]
为了支持受压力控制的阀的限定的打开和关闭，还提出，受压力控制的阀的阀元件沿关闭方向被弹簧的弹簧力加载。弹簧确保所述阀的闭锁。优选地，受压力控制的阀完全布置在阳极回路中，使得不能出现向外的泄露。因此，受压力控制的阀不必昂贵地优化成绝对密封。
[0018]
在所提出的装置的运行中，在激活计量阀时首先仅给第一射流喷嘴供应以氢气。弹簧以及阳极回路中的压力首先保持受压力控制的阀关闭。因此，第二射流喷嘴是关断的。当在压力室中建立足够高的滞止压力时，受压力控制的阀才打开并且借助于计量阀给两个射流喷嘴供应以氢气。所提出的装置允许两个射流喷嘴的准确的供应并且由此允许简单的和成本有利的具有双喷嘴的喷射泵。
[0019]
以有利的方式，两个射流喷嘴不同大小地设计并且较大的射流喷嘴可以借助于受压力控制的阀接通。这意味着，与压力室直接连接的第一射流喷嘴小于第二射流喷嘴并且由此尤其涉及用于低负载区域。因此，第一射流喷嘴也可以被称为低负载射流喷嘴，第二射流喷嘴被称为高负载射流喷嘴。通过接通高负载射流喷嘴可以覆盖在较高负载区域中对再循环的阳极气体的较大需求。
[0020]
根据本发明的优选实施方式，两个射流喷嘴具有同心布置的排出开口。这意味着，至少一个排出开口环形地构造并且围绕另一个排出开口。在这里，这优选涉及第二射流喷嘴或者说高负载射流喷嘴的排出开口，因为在此能够实现较大的开口横截面。优选地，两个排出开口具有不同大小的开口横截面，使得形成低负载射流喷嘴和高负载射流喷嘴。
[0021]
另外优选地，两个射流喷嘴具有共轴布置的空心柱形区段，所述空心柱形区段共同限界环形空间。通过环形空间可以给第二射流喷嘴供应氢气。因此，环形空间可以通过该受压力控制的阀与前置于射流喷嘴的压力室连接。为了实现两个排出开口的好的同心性，还提出，两个空心柱形区段通过至少一个接片连接，所述接片在部分周向区域上延伸。例如可以设置多个圆形或星形布置的接片，所述接片沿径向方向延伸并且两个射流喷嘴的两个空心柱形区段连接。通过在接片之间的中间空间确保将氢气供应给第二射流喷嘴。替代于多个接片，也可以设置单个接片，该接片在整个周向区域上延伸。为了在该情况下确保给第二射流喷嘴供应以氢气，在该接片中设置有至少一个开口。在此，所述至少一个开口的开口横截面或者整个开口横截面选择得大于第二射流喷嘴的排出开口的开口横截面，以便给第二射流喷嘴供应足够的氢气。
[0022]
所述装置的两个射流喷嘴优选朝着抽吸室敞开，用于再循环的阳极气体的进口汇入到该抽吸室中。因此，在激活至少一个射流喷嘴时可以产生驱动力，所述驱动力从进口或
阳极回路抽吸阳极气体并且引起期望的阳极气体再循环。为此，进口与阳极回路的再循环路径连接。
[0023]
因为所提出的装置优选使用在燃料电池系统中，还提出一种具有根据本发明的装置的燃料电池系统。在此，所述装置集成到燃料电池系统的阳极回路中。通过喷射泵的可分开控制的射流喷嘴还可以实现分配量的连续适配以进行阳极回路中的压力调节。此外，可以实现紧凑构造的、简单的喷射泵，因为两个射流喷嘴通过仅一个计量阀供应以氢气。
[0024]
此外，提出一种在使用装置的情况下用于使阳极气体在燃料电池系统的阳极回路中再循环的方法，所述装置包括具有两个共轴布置的射流喷嘴的喷射泵以及用于控制两个射流喷嘴的计量阀。在此，仅第一射流喷嘴通过计量阀直接供应以氢气并且第二射流喷嘴在需要时通过受压力控制的阀接通，从而该第二射流喷嘴也通过相同的计量阀供应以氢气。
[0025]
所提出的方法能够实现喷射泵的两个射流喷嘴通过共同的计量阀的控制。这意味着，需要仅一个计量阀和仅一个喷射泵，然而其中，喷射泵构型有双喷嘴。因此，在执行时所使用的装置可以相对简单地构造。同时可以降低结构空间需要。优选地，在执行所述方法时使用前面描述的根据本发明的装置。
附图说明
[0026]
下面参照附图详细阐释本发明的优选实施方式。附图示出：
[0027]
图1根据本发明的用于阳极气体再循环的装置的示意性纵剖面，和
[0028]
图2图1在所述装置的两个射流喷嘴的区域中的放大局部。
具体实施方式
[0029]
在图1中示出的根据本发明的装置1用于阳极气体在燃料电池系统(未示出)的阳极回路2中的再循环。通过阳极回路2将阳极气体、尤其是氢气供应给燃料电池系统的至少一个燃料电池(未示出)。因为从燃料电池出来的阳极气体还包含剩余燃料，所以将阳极气体再循环。为了再循环使用在图1中示出的装置1。
[0030]
示出的装置1包括喷射泵3，所述喷射泵具有两个共轴布置的射流喷嘴(treibd
ü
sen)4、5，压力室6关于所述射流喷嘴前置。在此，第一射流喷嘴4直接与压力室6连接，第二射流喷嘴5通过受压力控制的阀7间接地与所述压力室连接。两个射流喷嘴4、5分别具有空心柱形区段14、15，其中，第一射流喷嘴4的空心柱形区段14接收在第二射流喷嘴5的空心柱形区段15中。在这些空心柱形区段之间保留有环形空间13，通过所述环形空间可以在阀7打开的情况下将压力室6中的燃料供应至第二射流喷嘴5的排出开口12。与排出开口12同心地布置有第一射流喷嘴4的排出开口11，压力室6中的燃料通过空心柱形区段14直接供应至所述排出开口。
[0031]
燃料通过计量阀8达到压力室6中，所述计量阀关于压力室6前置。计量阀8优选实施为比例阀，使得能够有针对性地控制配量到压力室6中的量。如果大于能通过射流喷嘴4排出的量的燃料达到压力室6中，在压力室6中建立滞止压力，所述滞止压力最终打开受压力控制的阀7，从而接通第二射流喷嘴5。喷射泵3的再循环功率相应地提高。因此，两个射流喷嘴4、5优选仅在高负载阶段激活。在低负载阶段中，第二射流喷嘴5可以保持关闭，使得所
需要的再循环功率仅通过第一射流喷嘴4产生。
[0032]
配量的燃料通过射流喷嘴4、5达到喷射泵3的抽吸室17中，用于再循环的阳极气体的进口20通到所述抽吸室中。紧接着抽吸室17是混合管18以及扩散器19，以便实现新鲜的和再循环的阳极气体的优化的充分混合。扩散器19同时形成喷射泵3的出口21，阳极气体通过所述出口达到阳极回路2中。通过阳极回路2将燃料供应给燃料电池系统的所述至少一个燃料电池。
[0033]
下面参照图2详细描述图1中示出的装置1的受压力控制的阀7，所述阀用于接通第二射流喷嘴5。
[0034]
受压力控制的阀7具有能运动的阀元件9，所述阀元件沿关闭方向受弹簧10的弹簧力的加载。阀元件9具有面向压力室6的第一压力面a1以及背离压力室6的第二压力面a2。存在于压力室6中的压力施加在压力面a1上，存在于阳极回路2中的压力施加在压力面a2上。为了打开阀7，必须增大在压力室6中的压力。为此，打开或者说进一步打开计量阀8，使得在压力室6中建立滞止压力，所述滞止压力引起沿打开方向作用到阀元件9上的合力。
[0035]
如在图2中示出，两个射流喷嘴4、5的两个空心柱形区段14、15通过至少一个接片16连接。以该方式可以确保两个排出开口11、12的好的同心性。在这里，接片16环绕地、即盘形地实施并且设有至少一个开口22，以便能够将燃料继续供应至第二射流喷嘴5的排出开口12。