Eine Stahlpumpe/Ejektordüse sorgt im wesentlichen dafür, nicht abreagierten Wasserstoff zu rezirkulieren. Dies wird gemacht, um die Wasserstoffverluste zu verringern und somit den Wasserstoffverbrauch zu senken. Weitere positive Effekte sind die Erhöhung der Stapeldurchflussgeschwindigkeit und Vorbeugung einer Flutung einzelner Zellen mit Reaktionswasser durch eine gleichmäßige Strömungsverteilung im Stapel sowie die Arbeitsweise nach dem Venturi-Prinzip wodurch keine weitere Antriebsleistung benötigt wird [1].
Arten von Ejektordüsen/Strahlpumpen
Die Herausforderung bei Strahlpumpen ist, diese auf einen großen Arbeitsbereich zu optimieren. Eine einzelne Strahlpumpe liefert nur im Auslegungspunkt eine ausreichende Rezirkulationsleistung. Um einen größeren Arbeitsbereich des Brennstoffzellenstapels abdecken zu können, werden aktuell mehrere Technologiekonzepte diskutiert. Dazu gehören:
- Parallele Strahlpumpen [2]
- Variable Düsendurchmesser [3]
- Mehrfachdüsen mit gemeinsamer Mischkammer [3]
- Gepulste Strahlpumpen [3]
- Kombination aus Strahlpumpe und Rezirkulationsgebläse [2, 4]
Herausforderungen
Strahlpumpen zeichnen sich vorrangig durch den passiven und wartungsarmen Betrieb und die kostengünstige Herstellbarkeit aus. Die primäre Herausforderung liegt in der Erweiterung des Arbeitsbereiches. Nach dem aktuellen Stand der Technik zeichnen sich sowohl gepulste Strahlpumpen als auch eine Kombination aus Strahlpumpen und Rezirkulationsgebläse zur Minimierung der parasitären Verluste als vielversprechend aus. [1–3]
Materialanforderungen
Eine Strahlpumpe kommt in Kontakt mit einem Gasgemisch aus Wasserstoff, sowie von der Kathodenseite diffundierten Stickstoff und Produktwasser in Gas- und Tropfenform. Es ist darauf zu achten, dass keine Reaktionen zwischen den Komponentenmaterialien und dem Gasgemisch auftreten, welche die Eigenschaften der Materialien nachteilig verändern (z.B. Wasserstoffversprödung), oder zu einem Eintrag von Fremdstoffen in das Gasgemisch in Form von z.B. Ionenaustrag oder Additivauswaschungen führen, welche eine Degradation des Brennstoffzellenstapels begünstigen. Die Eignung von Werkstoffen ist im Einzelfall zu prüfen und Gegenstand der aktuellen Forschung.
Literatur
[1] J. Han, J. Feng, P. Chen, Y. Liu und X. Peng, „A review of key components of hydrogen recirculation subsystem for fuel cell vehicles,“ Energy Conversion and Management: X, Jg. 15, S. 100265, 2022, doi: 10.1016/j.ecmx.2022.100265.
[2] D. Führen et al. „Wertschöpfungskette Brennstoffzelle: Metastudie.“
[3] G. Singer, G. Gappmayer, M. Macherhammer, P. Pertl und A. Trattner, „A development toolchain for a pulsed injector-ejector unit for PEM fuel cell applications,“ International Journal of Hydrogen Energy, Jg. 47, Nr. 56, S. 23818–23832, 2022, doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.05.177.
[4] J. He, S.-Y. Choe und C.-O. Hong, „Analysis and control of a hybrid fuel delivery system for a polymer electrolyte membrane fuel cell,“ Journal of Power Sources, Jg. 185, Nr. 2, S. 973–984, 2008, doi: 10.1016/j.jpowsour.2008.09.011.
