DE102004044068B4

DE102004044068B4 - Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system

Info

Publication number: DE102004044068B4
Application number: DE102004044068A
Authority: DE
Inventors: Sven Nigrin; Michael Benra; Rolf Lappan; Martin Nowak
Original assignee: Pierburg GmbH
Current assignee: Pierburg GmbH
Priority date: 2004-09-11
Filing date: 2004-09-11
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2024-09-12
Also published as: DE102004044068A1

Abstract

Vorrichtung zur Sauerstoffversorgung und Anodengasrezirkulation eines Brennstoffzellensystems mit einem ersten Pumpenkopf mit zumindest einem ersten Laufrad, welches von einer Antriebseinheit mit einem Elektromotor angetrieben ist und Luft oder Sauerstoff zu einem Brennstoffzellenstapel pumpt und mit einem zweiten Pumpenkopf mit zumindest einem zweiten Laufrad, welches von einer Antriebseinheit mit einem Elektromotor angetrieben ist und Anodengas rezirkuliert, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufräder (16, 28) der zwei Pumpenköpfe (2, 3) von einer gemeinsamen Antriebseinheit (1) angetrieben sind und die Verbindung der Antriebseinheit (1) zum zweiten Pumpenkopf (3) über eine Magnetkupplung (23) hergestellt ist, wobei der zweite Pumpenkopf (3) durch einen Spalttopf (20) fluiddicht von der übrigen Vorrichtung abgetrennt ist.contraption for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system with a first pump head with at least one first impeller, which is driven by a drive unit with an electric motor is and pumps air or oxygen to a fuel cell stack and a second pump head having at least one second impeller, which is driven by a drive unit with an electric motor is and recirculated anode gas, characterized in that the impellers (16, 28) of the two pump heads (2, 3) are driven by a common drive unit (1) and the connection of the drive unit (1) to the second pump head (3) about a magnetic coupling (23) is produced, wherein the second pump head (3) through a split pot (20) fluid-tight from the rest of the device is separated.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sauerstoffversorgung und Anodengasrezirkulation eines Brennstoffzellensystems mit einem ersten Pumpenkopf mit zumindest einem ersten Laufrad, welches von einer Antriebseinheit mit einem Elektromotor angetrieben ist und Luft oder Sauerstoff zu einem Brennstoffzellenstapel pumpt und mit einem zweiten Pumpenkopf mit zumindest einem zweiten Laufrad, welches von einer Antriebseinheit mit einem Elektromotor angetrieben ist und Anodengas rezirkuliert.The The invention relates to a device for oxygen supply and Anodic gas recirculation of a fuel cell system with a first pump head with at least a first impeller, which of a drive unit is powered by an electric motor and air or oxygen pump to a fuel cell stack and with a second pump head with at least a second impeller, which of a drive unit is driven by an electric motor and recirculates anode gas.

Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. In einem Brennstoffzellenstapel werden dabei Wasserstoff und Sauerstoff unter Erzeugung elektrischer Energie in Wasser umgesetzt. Dazu wird anodenseitig dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas und kathodenseitig Sauerstoff oder Luft zugeführt. Da die zugeführten Gasmengen nicht vollständig umgesetzt werden, bilden sich Abgase auf Seiten der Anode und der Kathode. Das Anodenabgas enthält u.a. Wasserstoff und Kohlendioxid. Diese Komponenten werden aus dem Abgasstrom abgetrennt, was durch Wäsche, Absorbtionsverfahren oder Reformierung erfolgen kann und der enthaltene Wasserstoff zur Anode rezirkuliert, wodurch Brennstoff eingespart wird.Fuel cell systems are well known and described in a variety of applications. In a fuel cell stack become hydrogen and oxygen converted into water while generating electrical energy. This is done on the anode side the fuel cell stack hydrogen or a hydrogen-containing Gas and cathode side oxygen or air supplied. There the supplied Gas quantities are not complete be reacted, forming offgases on the part of the anode and the Cathode. The anode exhaust gas contains et al Hydrogen and carbon dioxide. These components are off the exhaust stream separated, which by washing Absorbtionsverfahren or reforming can take place and the hydrogen contained to Anode recirculated, whereby fuel is saved.

Zur Versorgung der Anode mit Wasserstoff bzw. der Kathode mit Sauerstoff werden Verdichter oder Pumpen eingesetzt, welche häufig als Seitenkanalpumpen ausgeführt werden. Diese werden unabhängig voneinander von je einem Elektromotor angetrieben.to Supply of the anode with hydrogen or the cathode with oxygen are used compressors or pumps, which often as Side channel pumps executed become. These become independent each driven by an electric motor.

Es sind ebenfalls Motor-/Pumpeneinheiten für andere Anwendungen als Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen die Antriebseinheit mit dem Elektromotor durch einen Spalttopf vom Pumpenkopf getrennt ist. Die kraftschlüssige Verbindung zur Drehung des Laufrades der Pumpe erfolgt dabei über eine Magnetkupplung, deren Magnetringe durch den Spalttopf getrennt sind, wodurch eine Dichtheit zwischen Antrieb und Pumpenkopf gewährleistet ist. Eine derartige Vorrichtung wird beispielsweise durch die DE 203 15 241 U1 offenbart.Motor / pump units are also known for applications other than fuel cell systems in which the drive unit with the electric motor is separated from the pump head by a split pot. The non-positive connection for rotation of the impeller of the pump takes place via a magnetic coupling whose magnetic rings are separated by the containment shell, whereby a tightness between the drive and pump head is ensured. Such a device is for example by the DE 203 15 241 U1 disclosed.

Nachteilig an diesen bekannten Ausführungen ist der hohe Bauraumbedarf sowie die großen Massen und Kosten bestehender Systeme.adversely on these known designs is the high space requirement as well as the large masses and costs of existing ones Systems.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Sauerstoffversorgung und Anodengasrezirkulation eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, bei dem benötigter Bauraum, Gewicht und Kosten gegenüber bekannten Vorrichtungen reduziert werden. Gleichzeitig soll eine technisch einwandfreie Funktion sichergestellt und Leckagen vermieden werden.task The invention therefore relates to a device for oxygen supply and provide anode gas recirculation of a fuel cell system, at the required Space, weight and cost over known devices be reduced. At the same time a technically perfect Function ensured and leaks are avoided.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Laufräder der zwei Pumpenköpfe von einer gemeinsamen Antriebseinheit angetrieben sind und die Verbindung der Antriebseinheit zum zweiten Pumpenkopf über eine Magnetkupplung hergestellt ist, wobei der zweite Pumpenkopf durch einen Spalttopf fluiddicht von der übrigen Vorrichtung abgetrennt ist. Hierdurch werden Bauraum-, Gewichts- und Kostenvorteile im Vergleich zu den bekannten Ausführungen erzielt, da eine komplette Antriebseinheit entfällt. Bei entsprechender Auslegung der beiden Pumpeneinheiten können diese mit einer synchronen Drehzahl betrieben werden, da die Massenströme der Kathoden- und Anodenseite einer Brennstoffzelle im Betrieb zumindest annähernd proportional sind. Des weiteren entfällt auch die elektrische Kontaktierung zu einer zweiten Antriebseinheit. Durch eine derartige Anordnung wird das Leckagerisiko auf der Anodenseite minimiert, da eine statische hermetische Trennung der beiden Pumpeneinheiten durch den Spalttopf besteht, wodurch eine hohe Lebensdauer gewährleistet ist. Gleichzeitig wird durch Kraftschluss über die Magnetkupplung ein Antrieb über nur eine Antriebseinheit erreicht.These Task is solved by that the wheels the two pump heads are driven by a common drive unit and the connection the drive unit to the second pump head via a magnetic coupling is, wherein the second pump head fluid-tight by a split pot from the rest Device is separated. As a result, space, weight and achieves cost advantages compared to the known designs, because a complete drive unit is eliminated. With appropriate design the two pump units can These are operated at a synchronous speed, since the mass flows of the cathode and anode side of a fuel cell during operation at least approximately proportional are. Furthermore, deleted also the electrical contacting to a second drive unit. By such an arrangement, the risk of leakage on the anode side minimized, as a static hermetic separation of the two pump units through the containment shell, ensuring a long service life is. At the same time is a positive connection via the magnetic coupling Drive over only one drive unit reached.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Spalttopf zwischen den Laufrädern der beiden Pumpenköpfe und zwischen zwei Magnetringen der Magnetkupplung angeordnet. Dies bedeutet, dass die beiden Laufräder der beiden Pumpeneinheiten auf der gleichen Seite des Elektromotors angeordnet sind, so dass auf der gegenüberliegenden Seite der Antriebseinheit eine Elektronik integriert werden kann.In a preferred embodiment is the containment shell between the impellers of the two pump heads and arranged between two magnetic rings of the magnetic coupling. This means, that the two wheels the two pump units on the same side of the electric motor are arranged so that on the opposite side of the drive unit an electronics can be integrated.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein äußerer Magnetring der Magnetkupplung an einem der Laufräder befestigt und ein innerer Magnetring der Magnetkupplung auf einer Welle angeordnet, auf der das andere Laufrad angeordnet ist. Hierdurch werden zusätzliche Bauteile zur Kraftübertragung zwischen den beiden Pumpeneinheiten vermieden, so dass eine zusätzliche Bauteilereduzierung folgt.In a preferred embodiment is an outer magnetic ring The magnetic coupling attached to one of the wheels and an inner Magnetic ring of magnetic coupling arranged on a shaft on the the other impeller is arranged. This will add extra Components for power transmission between avoided the two pump units, so that an additional Component reduction follows.

In einer weiterführenden Ausführungsform ist der Elektromotor in einem ersten Gehäuseteil angeordnet, dessen erstes axiales Ende durch ein zweites Gehäuseteil verschlossen ist und welches gleichzeitig einen ersten Teil des Pumpenkopfes bildet, in dem das erste Laufrad angeordnet ist und welches durch ein drittes Gehäuseteil im wesentlichen verschlossen ist, wobei das dritte Gehäuseteil einen zweiten Teil des ersten Pumpenkopfes bildet und einen ersten Teil des zweiten Pumpenkopfes bildet, in dem das zweite Laufrad angeordnet ist, und der durch ein viertes Gehäuseteil verschlossen ist, wobei der Spalttopf am dritten Gehäuseteil befestigt ist. Durch eine derartige Anordnung und Ausgestaltung der einzelnen Gehäuseteile zueinander wird die Montage vereinfacht und somit der Herstellungsaufwand verringert und die Bauteileanzahl weiter minimiert.In a further embodiment, the electric motor is arranged in a first housing part, whose first axial end is closed by a second housing part and which simultaneously forms a first part of the pump head, in which the first impeller is arranged and which is substantially closed by a third housing part wherein the third housing part forms a second part of the first pump head and forms a first part of the second pump head, in which the second impeller is arranged, and which is closed by a fourth housing part, wherein the containment shell is attached to the third housing part. By such an arrangement and design of the individual housing parts to each other, the assembly is simplified and thus reduces the manufacturing cost and further minimizes the number of components.

In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform sind die beiden Pumpenköpfe als Seitenkanalpumpen ausgebildet, wobei dem ersten Laufrad ein erster Seitenkanal zugeordnet ist, der im ersten Gehäuseteil ausgebildet ist, ein zweiter Seitenkanal zugeordnet ist, der im dritten Gehäuseteil ausgebildet ist und dem zweiten Laufrad ein dritter Seitenkanal zugeordnet ist, der an der gegenüberliegenden Seite des dritten Gehäuseteils ausgebildet ist und ein vierter Seitenkanal zugeordnet ist, der im vierten Gehäuseteil ausgebildet ist. Durch die Ausbildung der Seitenkanäle direkt mit den Gehäuseteilen entfallen wiederum zusätzliche Bauteile.In a related to this embodiment are the two pump heads designed as side channel pumps, wherein the first impeller a first side channel is assigned, in the first housing part is formed, a second side channel is assigned, in the third housing part is formed and the second impeller, a third side channel is assigned to the opposite side of the third housing part is formed and a fourth side channel is assigned, the in the fourth housing part is trained. By training the side channels directly with the housing parts In turn, additional account Components.

In einer bevorzugten Ausführung sind die beiden Laufräder mit gleicher Drehzahl betreibbar, wobei eine entsprechende Auslegung der beiden Gebläse notwendig ist, aber durch die Proportionalität der Massenströme auf der Kathoden- und der Anodenseite möglich ist.In a preferred embodiment are the two wheels operable at the same speed, with a corresponding design the two fans is necessary, but by the proportionality of the mass flows on the Cathode and the anode side possible is.

In einer hierzu alternativen Ausführungsform ist das zweite Laufrad schalt- oder regelbar an den Elektromotor gekoppelt, was beispielsweise durch eine entsprechende Regelung und Ausführung der Magnetkupplung erfolgen kann.In an alternative embodiment for this purpose the second impeller is switchably or controllably coupled to the electric motor, which, for example, by a corresponding control and execution of the magnetic coupling can be done.

Es ist vorteilhaft, in Strömungsrichtung vor der Saugseite des Pumpenkopfes, der zur Anodengasrezirkulation dient, ein On-/Off-Ventil oder ein Regelventil anzuordnen, um für Betriebspunkte, in denen keine Rezirkulierung erfolgen soll, insbesondere beim Startvorgang, den Massenstrom durch das Ventil schließen oder regeln zu können. Dies erfolgt insbesondere bei reduziertem Energiebedarf.It is advantageous in the flow direction before the suction side of the pump head, the anode gas recirculation serves to arrange an on / off valve or a control valve to be used for operating points, in which no recirculation is to take place, in particular during the starting process, close or regulate the mass flow through the valve. This takes place especially at reduced energy consumption.

Optional wird eine Reduzierung des Energiebedarfs, insbesondere während des Startvorgangs, dadurch erreicht, dass die Druckseite des zur Anodengasrezirkulation dienenden Pumpenkopfes mit der Saugseite dieses Pumpenkopfes über eine Bypassleitung verbunden ist, wobei eine fluidische Verbindung zum Brennstoffzellenstapel oder zur Bypassleitung über ein in Strömungsrichtung hinter der Druckseite angeordnetes 3-/2-Wegeventil steuerbar ist.optional will reduce energy consumption, especially during the Start process, achieved by the fact that the pressure side of the anode gas recirculation serving pump head with the suction side of this pump head via a Bypass line is connected, wherein a fluidic connection to Fuel cell stack or to the bypass line via a flow direction arranged behind the pressure side 3- / 2-way valve is controllable.

Mit einer derartigen Vorrichtung wird somit eine Sauerstoffversorgung und Anodengasrezirkulation sichergestellt, welche bauraum-, gewichts- und kostenreduziert arbeitet, eine hohe Lebensdauer aufweist, Leckagen vermeidet und gleichzeitig eine deutliche Reduzierung des Energiebedarfs eines Brennstoffzellensystems mit sich bringt.With Such a device thus becomes an oxygen supply and anode gas recirculation ensured which space, weight and cost-reduced, has a long service life, leaks avoids and at the same time a significant reduction in energy requirements a fuel cell system brings with it.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.A advantageous embodiment of the invention is shown in the figures and will be described below.

1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sauerstoffversorgung und Anodengasrezirkulation eines Brennstoffzellensystems mit zwei Pumpenköpfen in geschnittener Darstellung. 1 shows a side view of an inventive device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system with two pump heads in a sectional view.

2 zeigt in schematischer Darstellung die Verschaltung der erfindungswesentlichen Teile eines Brennstoffzellensystems. 2 shows a schematic representation of the interconnection of the invention essential parts of a fuel cell system.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung zur Sauerstoffversorgung und Anodengasrezirkulation für ein Brennstoffzellensystem besteht aus einer Antriebseinheit 1 sowie einem ersten Pumpenkopf 2, der als Luftpumpe dient, sowie einem zweiten Pumpenkopf 3, der zur Rezirkulation des Anodengases dient.In the 1 illustrated apparatus for oxygen supply and anode gas recirculation for a fuel cell system consists of a drive unit 1 and a first pump head 2 , which serves as an air pump, and a second pump head 3 , which serves for the recirculation of the anode gas.

Die Antriebseinheit 1 besteht aus einem in seiner Drehzahl regelbaren Elektromotor 4, der in einem ersten Gehäuseteil 5 angeordnet ist, so dass der geförderte Rezirkulationsstrom und der geförderte Luftstrom abhängig voneinander steuerbar sind. Das erste Gehäuseteil 5 ist an seiner von den Pumpenköpfen 2, 3 abgewandten Seite offen ausgebildet und wird durch ein zweites Gehäuseteil 6 in Form eines Deckels verschlossen. In diesem Deckel 6 ist eine topfförmige Ausnehmung 7 ausgebildet, in der ein Lager 8 angeordnet ist, in welchem ein erstes Ende einer Antriebswelle 9 gelagert ist. Der Elektromotor 4 besteht in bekannter Weise aus einem auf der Antriebswelle 9 angeordneten Rotor 10 sowie einem feststehend im ersten Gehäuseteil 5 angeordneten mit dem Rotor 10 korrespondierenden Stator 11. Das erste Gehäuseteil 5 weist ebenfalls eine topfförmige Aufnahme 12 für ein zweites Lager 13 auf, über welches die andere Seite der Antriebswelle 9 gelagert wird. Diese topfförmige Aufnahme 12 weist des weiteren eine zentrale Bohrung 14 auf, durch die die Antriebswelle 9 hindurch reicht. Auf der dem Deckel 6 abgewandten Seite des Elektromotors 4 ist über eine Nabe 15 ein erstes Laufrad 16 zumindest drehfest angeordnet. Dieses Pumpenlaufrad 16 gehört zum ersten Pumpenkopf 2 und wird an den radialen Enden vom Gehäuseteil 5 umschlossen. In dem Gehäuseteil 5 ist des weiteren korrespondierend zu dem als Seitenkanalrad ausgeführten ersten Laufrad 16 ein erster Seitenkanal 17 ausgebildet. Auf der axial gegenüberliegenden Seite des Laufrades 16 ist in einem dritten Gehäuseteil 18 ein zweiter Seitenkanal 19 ausgebildet.The drive unit 1 consists of a variable in its speed electric motor 4 in a first housing part 5 is arranged, so that the funded recirculation flow and the delivered air flow are controllable depending on each other. The first housing part 5 is at his from the pumpheads 2 . 3 opposite side formed open and is a second housing part 6 closed in the form of a lid. In this lid 6 is a cup-shaped recess 7 trained in a warehouse 8th is arranged, in which a first end of a drive shaft 9 is stored. The electric motor 4 consists in a known manner from one on the drive shaft 9 arranged rotor 10 and a fixed in the first housing part 5 arranged with the rotor 10 corresponding stator 11 , The first housing part 5 also has a cup-shaped receptacle 12 for a second camp 13 on, over which the other side of the drive shaft 9 is stored. This pot-shaped recording 12 further has a central bore 14 on, through which the drive shaft 9 passes through. On the lid 6 opposite side of the electric motor 4 is over a hub 15 a first impeller 16 arranged at least rotatably. This pump impeller 16 belongs to the first pump head 2 and is at the radial ends of the housing part 5 enclosed. In the housing part 5 is further corresponding to the first impeller designed as Seitenkanalrad 16 a first side channel 17 educated. On the axially opposite side of the impeller 16 is in a third housing part 18 a second side channel 19 educated.

Durch dieses dritte Gehäuseteil 18 wird der erste Pumpenkopf 2 vom zweiten Pumpenkopf 3 im wesentlichen getrennt, wobei an dem Gehäuseteil 18 ein Spalttopf 20 befestigt ist, welcher einen äußeren Magnetring 21 von einem inneren Magnetring 22 trennt. Die beiden Magnetringe 21 und 22 bilden gemeinsam eine Magnetkupplung 23, über die eine zweite Welle 24 angetrieben wird. Durch den Spalttopf 20 erfolgt die vollständige statische und fluiddichte Trennung des ersten Pumpenkopfes 2 vom zweiten Pumpenkopf 3. Der äußere Magnetring 21 ist in eine entsprechende Aufnahmeöffnung 25 des ersten Laufrades 15 eingelassen, während der mit dem äußeren Magnetring 21 korrespondierende innere Magnetring 22 fest mit der zweiten Welle 24 verbunden ist.Through this third housing part 18 becomes the first pump head 2 from the second pump head 3 essentially separated, wherein on the housing part 18 a containment shell 20 is fixed, which is an outer magnetic ring 21 from an inner magnetic ring 22 separates. The two magnet rings 21 and 22 together form a magnetic coupling 23 , about which a second wave 24 is driven. Through the containment shell 20 the complete static and fluid-tight separation of the first pump head takes place 2 from the second pump head 3 , The outer magnetic ring 21 is in a corresponding receiving opening 25 of the first impeller 15 let in while with the outer magnetic ring 21 corresponding inner magnetic ring 22 stuck with the second shaft 24 connected is.

Diese Welle 24 wird über ein doppelreihiges Rillenkugellager in O-Anordnung 26, welches in einer Bohrung 27 des dritten Gehäuseteils 18 angeordnet ist, gelagert. Das Rillenkugellager 26 befindet sich dabei axial zwischen dem inneren Magnetring 22 und einem zweiten Laufrad 28, welches dem zweiten Pumpenkopf 3 zugeordnet ist. Das dritte Gehäuseteil 18 weist an seiner axial zum zweiten Seitenkanal 19 gegenüberliegenden Seite einen dritten Seitenkanal 29 auf, der mit dem zweiten Laufrad 28 korrespondiert. Das zweite Laufrad 28 ist wie das erste Laufrad 16 ebenfalls über eine Nabe 30 mit der zweiten Welle 24 fest verbunden. Dieser zweite Pumpenkopf 3 wird durch ein viertes Gehäuseteil 31 geschlossen, in dem ein vierter Seitenkanal 32 ausgebildet ist, der wiederum mit dem zweiten Laufrad 28 korrespondiert. Dieses vierte Gehäuseteil 31 dient dabei gleichzeitig als Deckel und sorgt für einen vollständigen Verschluss der gesamten Vorrichtung.This wave 24 is a double row deep groove ball bearing in O arrangement 26 which is in a hole 27 of the third housing part 18 is arranged, stored. The deep groove ball bearing 26 is located axially between the inner magnetic ring 22 and a second impeller 28 which is the second pump head 3 assigned. The third housing part 18 has at its axial to the second side channel 19 opposite side a third side channel 29 up, with the second impeller 28 corresponds. The second wheel 28 is like the first wheel 16 also via a hub 30 with the second wave 24 firmly connected. This second pump head 3 is through a fourth housing part 31 closed, in which a fourth side channel 32 is formed, in turn, with the second impeller 28 corresponds. This fourth housing part 31 At the same time serves as a lid and ensures a complete closure of the entire device.

Beide Pumpenköpfe 2, 3 weisen jeweils einen Ein- und einen Auslass 33, 34, 35, 36 auf, wobei der Einlass 33 des ersten Pumpenkopfes 2 mit einer Luft- oder Sauerstoffquelle verbunden ist und der Einlass 34 des zweiten Pumpenkopfes 3 mit einem Abgasauslass 37 einer Anodenseite 38 eines Brennstoffzellenstapels 39 zumindest indirekt fluidisch verbunden ist. Der Auslass 35 des ersten Pumpenkopfes 2 ist zumindest indirekt mit einer Kathodenseite 40 des Brennstoffzellenstapels 39 verbunden, während der Auslass 36 des zweiten Pumpenkopfes 3 eine fluidische Verbindung zur Anodenseite 38 des Brennstoffzellenstapels 39 aufweist.Both pump heads 2 . 3 each have an inlet and an outlet 33 . 34 . 35 . 36 on, with the inlet 33 of the first pump head 2 connected to an air or oxygen source and the inlet 34 of the second pump head 3 with an exhaust outlet 37 an anode side 38 a fuel cell stack 39 at least indirectly fluidly connected. The outlet 35 of the first pump head 2 is at least indirectly with a cathode side 40 of the fuel cell stack 39 connected while the outlet 36 of the second pump head 3 a fluidic connection to the anode side 38 of the fuel cell stack 39 having.

Diese Verbindungen sind in 2 zu erkennen, wobei eine strichpunktierte Linie zwischen dem schematisch dargestellten Brennstoffzellenstapel 39 und der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt ist, da es je nach Ausführung des gesamten Brennstoffzellensystems möglich ist, in diesem Bereich unterschiedliche nicht dargestellte Aggregate zwischenzuschalten.These compounds are in 2 to recognize, with a dot-dash line between the fuel cell stack shown schematically 39 and the device according to the invention is shown, since it is possible, depending on the design of the entire fuel cell system, to interpose different units, not shown, in this area.

Der Brennstoffzellenstapel 39 weist somit an seiner Kathodenseite 40 eine direkte oder indirekte fluidische Verbindung zum ersten Pumpenkopf 2 auf, während die Anodenseite 38 eine fluidische indirekte oder direkte Verbindung zum zweiten Pumpenkopf 3 aufweist. Das Anodengas wird dabei in der Regel über einen hier nicht dargestellten Reformer von der Anodegasseite 38 über eine Rückführungsleitung 41 zum zweiten Pumpenkopf 3 rezirkuliert.The fuel cell stack 39 thus has on its cathode side 40 a direct or indirect fluidic connection to the first pump head 2 on while the anode side 38 a fluidic indirect or direct connection to the second pump head 3 having. The anode gas is usually a reformer from the anodase site, not shown here 38 via a return line 41 to the second pump head 3 recirculated.

In der Rückführungsleitung 41 ist ein On-/Off- oder ein Regelventil 42 angeordnet, über welches der Anodenrezirkulationsstrom durch Schalten des Ventils 42 bei bestimmten Betriebspunkten gestoppt beziehungsweise geregelt werden kann. Insbesondere beim Startvorgang ermöglicht ein Abschalten des Ventils 42 eine Reduzierung des Energiebedarfs.In the return line 41 is an on / off or control valve 42 arranged over which the anode recirculation flow by switching the valve 42 can be stopped or regulated at certain operating points. In particular, during the startup allows switching off the valve 42 a reduction of the energy requirement.

Optional kann statt des Ventils 42, wie in 2 im gestrichelten Rahmen dargestellt, zwischen der Druckseite, also der Auslassleitung 36 und der Saugseite, also der Einlassleitung 34, eine Bypassleitung 43 angeordnet wird, über die der von dem zweiten Laufrad 28 geförderte Anodengasmassenstrom von der Druckseite 36 direkt zur Saugseite 34 zurückgeführt werden kann. Zur Steuerung, ob eine Anodengasrezirkulation zum Brennstoffzellenstapel stattfindet oder die Rezirkulation unterbrochen wird und der Strom über die Bypassleitung 43 geleitet wird, wird in dieser Ausführung im Bereich der Leitungsverzweigung ein 3-/2-Wegeventil 44 angeordnet.Optionally, instead of the valve 42 , as in 2 shown in the dashed frame, between the pressure side, so the outlet 36 and the suction side, so the inlet pipe 34 , a bypass line 43 is arranged, over that of the second impeller 28 promoted anode gas mass flow from the pressure side 36 directly to the suction side 34 can be returned. To control whether an anode gas recirculation takes place to the fuel cell stack or the recirculation is interrupted and the flow through the bypass line 43 In this embodiment, in the area of the branch line, a 3/2-way valve is routed 44 arranged.

Die Auslassleitung 35 des Luftversorgungskreises weist eine Verzweigung in drei Kanäle 45, 46, 47 auf, deren Massendurchfluss jeweils über ein Ventil 48, 49, 50 geregelt wird. Während der Kanal 45 mit dem Regelventil 48 mit dem Brennstoffzellenstapel 39 in fluidischer Verbindung steht, führt der Kanal 46 beispielsweise zu einem nicht dargestellten Reformer und der Kanal 47 zu einem ebenfalls nicht dargestellten Nachbrenner, wobei die weitere Verschaltung des Systems nicht erfindungsrelevant ist und unterschiedlich ausgeführt werden kann.The outlet pipe 35 the air supply circuit has a branch into three channels 45 . 46 . 47 on whose mass flow in each case via a valve 48 . 49 . 50 is regulated. While the channel 45 with the control valve 48 with the fuel cell stack 39 is in fluid communication, the channel leads 46 For example, to a reformer, not shown, and the channel 47 to an afterburner, also not shown, wherein the further interconnection of the system is not relevant to the invention and can be performed differently.

Es wird deutlich, dass eine derartige Vorrichtung zur Sauerstoffversorgung und Anodengasrezirkulation einfach herstellbar und montierbar ist und insbesondere aufgrund der geringen Bauteileanzahl kostengünstig herstellbar ist. Auch sind weitere Aggregate zur Reduzierung des Energiebedarfs einfach integrierbar. Ein derartiges System arbeitet durch die hermetische Abtrennung der beiden Verdichterstufen zuverlässig und weist eine hohe Lebensdauer auf.It It becomes clear that such a device for oxygen supply and anode gas recirculation is easy to manufacture and assemble and in particular due to the low number of components inexpensive to produce is. Also are other aggregates to reduce energy consumption easy to integrate. Such a system works through the hermetic Separation of the two compressor stages reliable and has a long life on.

Änderungen, insbesondere bezüglich der Anordnung der beiden Laufräder bzw. Pumpenköpfe, sind möglich, so dass beispielsweise die beiden Pumpenköpfe auf den gegenüberliegenden Seiten des Elektromotor angeordnet werden können, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Auch können gegebenenfalls andere Pumpenköpfe verwendet werden. Eine derartige Vorrichtung eignet sich für verschiedenartige Brennstoffzellensysteme.Changes, in particular with regard to the arrangement of the two wheels or pump heads, are possible, so that, for example, the two pump heads can be arranged on the opposite sides of the electric motor without departing from the scope of the main claim. Also, if necessary, other pump heads can be used. Such a device suitable for various fuel cell systems.

Claims

Apparatus for supplying oxygen and anode gas recirculation of a fuel cell system having a first pump head with at least a first impeller, which is driven by a drive unit with an electric motor and air or oxygen pumping to a fuel cell stack and with a second pump head with at least one second impeller, which by a drive unit is driven by an electric motor and recirculates anode gas, characterized in that the wheels ( 16 . 28 ) of the two pump heads ( 2 . 3 ) from a common drive unit ( 1 ) and the connection of the drive unit ( 1 ) to the second pump head ( 3 ) via a magnetic coupling ( 23 ), wherein the second pump head ( 3 ) through a split pot ( 20 ) is separated fluid-tight from the rest of the device.

Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system according to claim 1, characterized in that the containment shell ( 20 ) between the wheels ( 16 . 28 ) of the two pump heads ( 2 . 3 ) and between two magnetic rings ( 21 . 22 ) of the magnetic coupling ( 23 ) is arranged.

Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system according to one of claims 1 or 2, characterized in that an outer magnetic ring ( 21 ) of the magnetic coupling ( 23 ) on one of the wheels ( 16 ) and an inner magnetic ring ( 22 ) of the magnetic coupling ( 23 ) on a wave ( 24 ) is arranged, on which the other impeller ( 28 ) is arranged.

Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the electric motor ( 4 ) in a first housing part ( 5 ) is arranged, whose first axial end by a second housing part ( 6 ) and which at the same time a first part of the pump head ( 2 ), in which the first impeller ( 16 ) and which by a third housing part ( 18 ) is substantially closed, wherein the third housing part ( 18 ) a second part of the first pump head ( 2 ) and a first part of the second pump head ( 3 ), in which the second impeller ( 28 ) is arranged, and by a fourth housing part ( 31 ), wherein the containment shell ( 20 ) on the third housing part ( 18 ) is attached.

Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system according to claim 4, characterized in that the two pump heads ( 2 . 3 ) are designed as side channel pumps, wherein the first impeller ( 16 ) a first side channel ( 17 ) associated with the first housing part ( 5 ), a second side channel ( 19 ) assigned in the third housing part ( 18 ) is formed and the second impeller ( 28 ) a third side channel ( 29 ) is assigned, which on the opposite side of the third housing part ( 18 ) and a fourth side channel ( 32 ), which in the fourth housing part ( 31 ) is trained.

Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the two wheels ( 16 . 28 ) are operable at the same speed.

Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second impeller ( 28 ) switchable or controllable to the electric motor ( 4 ) is coupled.

Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that in the flow direction in front of the suction side ( 34 ) of the pump head ( 3 ), which serves for anode gas recirculation, an on / off valve or a control valve ( 42 ) is arranged.

Device for oxygen supply and anode gas recirculation of a fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the pressure side ( 36 ) of the anode gas recirculation pump head ( 3 ) with the suction side ( 34 ) of the pump head ( 3 ) via a bypass line ( 43 ), wherein a fluidic connection to the fuel cell stack ( 39 ) or to the bypass line ( 43 ) via a flow direction behind the pressure side ( 36 ) arranged 3/2-way valve ( 44 ) is controllable.