DE102007031569A1 - Compressor operating device for oxidant supply unit, has mechanism for recycling oxidant diverging from supply line and flowing into suction line before compressor, where mechanism is opened only in preset operating condition of compressor - Google Patents

Compressor operating device for oxidant supply unit, has mechanism for recycling oxidant diverging from supply line and flowing into suction line before compressor, where mechanism is opened only in preset operating condition of compressor Download PDF

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Abstract

The device has a mechanism for recycling an oxidant (14), which diverges from a supply line (8) in a flow direction of the oxidant after a compressor (3) and flows into a suction line (7) before the compressor. The mechanism is opened only in a preset operating condition of the compressor for recycling the oxidant. A return line (15) of the mechanism is arranged at a lateral edge of the suction line and flows at an angle larger than zero degree to a longitudinal axis of the suction line in the suction line. An independent claim is also included for a method for operating a compressor provided for an oxidant supply unit of a fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines für eine Oxidationsmittelversorgung vorgesehenen Verdichters.The The invention relates to an apparatus and a method of operation one intended for an oxidant supply Compressor.

Aus der DE 103 06 234 A1 ist eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzelle bekannt.From the DE 103 06 234 A1 An apparatus for operating a fuel cell is known.

Die Luft zur Versorgung von Brennstoffzellen wird bei bekannten Anordnungen unter anderem durch elektrisch betriebene Radialverdichter gefördert und auf das nötige Druckniveau verdichtet. Die in mobilen Brennstoffzellensystemen eingesetzten Verdichter müssen über einen weiten Betriebsbereich die für die Brennstoffzelle geeigneten Luftparameter bei vertretbaren Wirkungsgraden bereitstellen können. Bei geringen Brennstoffzellenleistungen, also geringen geforderten Luftmengen, besteht das Problem, dass die eingesetzten Verdichter in den Betriebszustand des Verdichterpumpens geraten können. Eine Möglichkeit das Pumpen zu vermeiden, ist die Förderung einer höheren als für die Reaktion benötigten Luftmenge und das Abblasen der überschüssigen Luft vor der Brennstoffzelle.The Air for the supply of fuel cells is in known arrangements promoted inter alia by electrically operated centrifugal compressor and compressed to the required pressure level. The in mobile Fuel cell systems used compressors must over a wide operating range for the fuel cell provide suitable air parameters at reasonable efficiencies can. At low fuel cell powers, so low required air volumes, there is the problem that the used Compressor in the operating state of the compressor pumping advised can. One way to avoid pumping is promoting a higher than for the reaction required amount of air and blowing off the excess Air in front of the fuel cell.

Gerade im Bereich geringer elektrischer Leistungsanforderungen der Brennstoffzelle wird ein niedriger Luftmassenstrom bei einem verhältnismäßig hohem Luftdruck benötigt, um den Wasserdampfhaushalt der Brennstoffzelle aufrecht erhalten zu können. Die bekannten Verdichter müssen einen weiteren Lastbereich abdecken und können den erforderlichen Druck im niedrigen Lastbereich nur bei höheren Luftvolumenströmen bereitstellen, sonst geraten sie in den Bereich des Verdichterpumpens. Aus diesem Grund wird bei bekannten Anordnungen bei geringer Luftmassenanforderung eine höhere Menge gefördert und nach dem Verdichten über ein Ventil wieder abgeblasen. Nachteilig dabei ist der dann sinkende Systemwirkungsgrad.Just in the range of low electrical power requirements of the fuel cell is a low mass air flow at a relative high air pressure needed to control the water vapor balance of the To be able to maintain fuel cell. The well-known Compressors must cover another load range and can provide the required pressure in the low load range only at higher air flow rates, otherwise they get into the area of compressor pumping. For this Reason is in known arrangements at low air mass requirement promoted a higher amount and after compacting over a valve blown off again. The disadvantage here is the then sinking System efficiency.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, bei der bzw. bei dem der Systemwirkungsgrad bei geringer elektrischer Leistungsanforderung der Brennstoffzelle verbessert werden kann.It Object of the present invention, a device and a To provide a method in which or at the system efficiency at low electrical power requirement of the fuel cell can be improved.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 8 aufweist, gelöst.These The object is achieved by a device having the features as claimed 1, and a method comprising the features of claim 8 has dissolved.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betreiben eins für eine Oxidationsmittelversorgung einer Brennstoffzelle vorgesehenen Verdichters umfasst den Verdichter, welcher zur Zuführung des Oxidationsmittels über eine zur Brennstoffzelle führende Zuführleitung ausgebildet ist. Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung zum Rückführen eines Oxidationsmittels, welche in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach dem Verdichter von der Zuführleitung abzweigt und vor dem Verdichter in eine Ansaugleitung mündet. Durch diese Ausgestaltung ist es nicht mehr erforderlich, bei geringer elektrischer Leistungsanforderung der Brennstoffzelle die nicht mehr erforderliche Menge des Oxidationsmittels, welches von dem Verdichter gefördert wird, über ein Abblasventil abzublasen.A Inventive device for operating one for an oxidant supply of a fuel cell provided compressor includes the compressor, which for feeding of the oxidant via a feed line leading to the fuel cell is trained. The device comprises a device for recycling an oxidizing agent, which in the flow direction of the Oxidizing agent after the compressor from the supply line branches off and opens in front of the compressor in a suction line. By this configuration, it is no longer necessary at less electrical power requirement of the fuel cell no longer required amount of the oxidizing agent, which from the compressor is encouraged to blow off via a blow-off valve.

Vorzugsweise ist die Einrichtung zum Rückführen von Oxidationsmittel nur in einem spezifischen Betriebszustand des Verdichters zur Rückführung geöffnet. Dadurch kann situationsabhängig der von dem Verdichter erzeugte Massenstrom individuell geleitet werden, wodurch auch hier der Systemwirkungsgrad positiv beeinflusst wird.Preferably is the means for recycling oxidant only in a specific operating condition of the compressor for recirculation open. As a result, depending on the situation of the mass flow generated by the compressor can be individually directed, which also has a positive influence on the system efficiency.

Besonders bevorzugt erweist es sich, wenn die Einrichtung zum Rückführen von Oxidationsmitteln im Betriebszustand und/oder nahe des Betriebszustands des Verdichterpumpens geöffnet ist. Indem gerade in diesem spezifischen kritischen Betriebsbereich, in dem unter herkömmlicher Prozessführung das Verdichterpumpen auftritt, ein Teil des Oxidationsmittelstroms nach dem Verdichter abgeführt und in den Ansaugbereich vor dem Verdichter zugeführt wird, lässt sich das Kennfeld des Verdichters und die Pumpgrenze in der Art verändern, dass das Verdichterpumpen bei vergleichbarem Druck des Oxidationsmittels erst mit niedrigeren Massenströmen einsetzt. Dadurch kann das Verdichterpumpen im Teillastbereich bei niedrigem Massenstrom und hohem Druckbedarf ohne mechanische Verstellung einer Leiteinrichtung des Verdichters erreicht werden. Der Systemwirkungsgrad kann dadurch wesentlich verbessert werden.Especially it is preferred that the means for recycling of oxidants in the operating state and / or near the operating state of the compressor pump is open. Just in this specific critical operating range in which under conventional Process control the compressor pumps occurs, a part the oxidant stream is discharged to the compressor and is fed into the intake area in front of the compressor, can be the map of the compressor and the surge line change in the way that the compressor pumps at comparable Pressure of the oxidizing agent only with lower mass flows starts. This allows the compressor pumps in the partial load range at low mass flow and high pressure requirement without mechanical adjustment a guide of the compressor can be achieved. The system efficiency This can be significantly improved.

Vorzugsweise mündet eine Rückführleitung der Einrichtung zum Rückführen von Oxidationsmittel so in die Ansaugleitung, dass durch das über die Rückführleitung in die Ansaugleitung einströmende Oxidationsmittel ein Drall des in der Ansaugleitung strömenden Mediums in Richtung um die Längsachse der Ansaugleitung erzeugbar ist. Das in der Ansaugleitung durch den Verdichter angesaugte Medium erfährt somit durch die Zuführung des rückgeführten Oxidationsmittels eine Richtungsaufprägung derart, dass eine Spiralbahn des in der Ansaugleitung strömenden Mediums um die Längsachse der Ansaugleitung erzeugbar ist. Dadurch lassen sich das Verdichterkennfeld und die Pumpgrenze so beeinflussen, dass das Verdichterpumpen im Vergleich zu einer Vorrichtung ohne die Einrichtung zum Rückführen von Oxidationsmittel und ohne die Drallbeaufschlagung bei einem zu dieser Prozessführung vergleichbarem Druck erst mit niedrigeren Massenströmen einsetzt.Preferably opens a return line of the device for recycling oxidant so in the Suction line that through the via the return line an oxidant entering the suction line Swirl of the medium flowing in the suction line in the direction can be generated about the longitudinal axis of the suction line. The in the intake line through the compressor sucked medium experiences thus by the supply of the recirculated Oxidizing agent a direction impact such that a spiral path of the flowing in the suction medium can be generated about the longitudinal axis of the suction line. Thereby can the compressor map and the surge line be influenced that the compressor pumps compared to a device without the means for recycling oxidant and without the swirling at a to this litigation comparable pressure only with lower mass flows starts.

Vorzugsweise mündet eine Rückführleitung der Einrichtung zum Rückführen von Oxidationsmittel in einem Winkel größer 0° zur Längsachse der Ansaugleitung in die Ansaugleitung. Vorzugsweise ist die Einmündung der Rückführleitung in die Ansaugleitung so ausgebildet, dass die Längsachse der Rückführleitung parallel zu einer senkrecht auf der Längsachse stehenden Achse der Ansaugleitung angeordnet ist. Vorzugsweise mündet somit die Rückführleitung senkrecht in die Ansaugleitung. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rückführleitung gegenüber der senkrechten Einmündung geneigt ist. Insbesondere kann eine Neigung derart vorgesehen sein, dass das rückgeführte Oxidationsmittel schräg in Richtung zum Verdichtereingang hin in die Ansaugleitung strömt. Dadurch kann der Drall im Hinblick auf die Ausbildung einer Spiralbahn um die Längsachse der Ansaugleitung verbessert werden.Preferably, a return line opens the means for returning oxidant at an angle greater than 0 ° to the longitudinal axis of the intake into the intake passage. Preferably, the junction of the return line is formed in the suction line so that the longitudinal axis of the return line is arranged parallel to an axis perpendicular to the longitudinal axis of the suction line. Thus, preferably, the return line opens vertically into the suction line. It can also be provided that the return line is inclined with respect to the vertical junction. In particular, an inclination may be provided such that the recycled oxidant flows obliquely toward the compressor inlet into the intake line. As a result, the swirl can be improved with respect to the formation of a spiral path about the longitudinal axis of the suction line.

Vorzugsweise mündet die Rückführleitung von oben in die Ansaugleitung. Es kann jedoch auch eine anderweitige Einmündung der Rückführleitung in die Ansaugleitung vorgesehen sein.Preferably opens the return line from above in the suction line. However, it can also be another confluence the return line provided in the suction line be.

Bevorzugst ist es, wenn die Einmündung der Rückführleitung in die Ansaugleitung an einem seitlichen Rand der Ansaugleitung ausgebildet ist. Diese asymmetrische Anordnung der Rückführleitung ermöglicht eine besonders vorteilhafte Drallerzeugung des in der Ansaugleitung strömenden Mediums. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Rückführleitung am äußersten seitlichen Rand in die Ansaugleitung einmündet, so dass die Innenwand der Rückführleitung bevorzugt stufenlos in die Innenwand der Ansaugleitung übergeht. Dadurch kann das Strömungsverhalten des rückgeführten Oxidationsmittels beim Einströmen in die Ansaugleitung besonders vorteilhaft im Hinblick auf die Drallbeaufschlagung des in der Ansaugleitung strömenden Mediums erfolgen.prefer it is when the confluence of the return line into the suction pipe at a lateral edge of the suction pipe is trained. This asymmetric arrangement of the return line allows a particularly advantageous swirl generation of in the suction line flowing medium. In particular provided that the return line outermost lateral edge opens into the suction line, so that the inner wall of the return line preferably continuously merges into the inner wall of the suction line. This can the flow behavior of the recycled Oxidizing agent when flowing into the intake pipe particularly advantageous with regard to the swirling of the take place in the intake line flowing medium.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines zur Oxidationsmittelversorgung für eine Brennstoffzelle vorgesehenen Verdichters, wird Oxidationsmittel von dem Verdichter angesaugt und über eine Zuführleitung an die Brennstoffzelle geleitet. Abhängig von einem spezifischen Betriebszustand des Verdichters wird eine in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach dem Verdichter von der Zuführleitung abzweigende Oxidationsmittel-Rückführeinrichtung geöffnet und rückgeführtes Oxidationsmittel in eine zum Verdichter führende Ansaugleitung geleitet. Dadurch kann das Betriebsverhalten des Verdichters im Teillastbereich verbessert werden und der Systemwirkungsgrad erhöht werden.at a method according to the invention for operating one to the oxidant supply for a fuel cell provided compressor, is oxidant from the compressor aspirated and passed through a supply line to the fuel cell. Depending on a specific operating condition of the compressor becomes after in the flow direction of the oxidizing agent the oxidant returning means branching from the feed line to the compressor opened and recycled oxidizer directed into a suction line leading to the compressor. As a result, the operating behavior of the compressor in the partial load range be improved and the system efficiency can be increased.

Vorzugsweise wird die Einrichtung zum Rückführen von Oxidationsmittel im Betriebszustand und/oder nahe des kritischen Betriebszustands des Verdichterpumpens geöffnet.Preferably becomes the means for recycling oxidant in the operating state and / or near the critical operating state of the compressor pumping open.

Vorzugsweise wird das rückgeführte Oxidationsmittel so in die Ansaugleitung geleitet, dass das in der Ansaugleitung strömende Medium mit einem Drall um die Längsachse der Ansaugleitung beaufschlagt wird. Vorzugsweise wird somit das rückgeführte Oxidationsmittel so in die Ansaugleitung geleitet, dass das darin strömende Medium im weiteren Fortströmen eine Spiralbahn um die Längsachse der Ansaugleitung aufweist.Preferably the recycled oxidant is so in the Passed suction that the flowing in the intake pipe Medium with a twist around the longitudinal axis of the intake pipe is charged. Preferably, thus, the recycled Oxidant so passed into the suction line that is in it flowing medium in further flowing out a Spiral track around the longitudinal axis of the suction line has.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren kann eine Betriebsweise zur Regelung des Luftmassenstroms und des Verdichtungsenddruckes des Verdichters gewährleistet werden. Die Regelung erfolgt dabei vorzugsweise durch einen in die Ansaugleitung des Verdichters eingedüsten Nebenluftstrom, wodurch dem in der Ansaugleitung strömenden Hauptluftstrom ähnlich der Wirkung eines Leitgitters Geschwindigkeitskomponenten in der das Verdichterkennfeld beeinflussenden gewünschten Form aufgeprägt werden. Der zur Beeinflussung des Verdichterkennfelds in den Ansaugstrom eingedüste Nebenluftstrom wird vorzugsweise vom Verdichter selbst gefördert, indem Oxidationsmittel rückgeführt wird.By the device according to the invention and the inventive Method can be a mode of operation for controlling the air mass flow and the compression pressure of the compressor ensures become. The regulation is preferably carried out by a in the Discharge air intake line of the compressor which is similar to the main airflow flowing in the intake manifold the effect of a Leitgitters speed components in the the compressor map influencing desired shape be imprinted. The influencing the compressor map in The intake stream injected secondary air flow is preferably promoted by the compressor itself, by oxidizing agents is returned.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:One Embodiment of the invention will be described below schematic drawing explained in more detail. there demonstrate:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oxidationsmittelversorgung; und 1 a schematic representation of a fuel cell system with an inventive device for supplying oxidant; and

2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Teilbereich der Darstellung in 1. 2 a schematic sectional view through a portion of the illustration in 1 ,

In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In The figures are the same or functionally identical elements with the provided the same reference numerals.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, welches lediglich die für das Verständnis der Erfindung ausreichenden Komponenten darstellt.In 1 is a fuel cell system 1 which merely represents the components sufficient for the understanding of the invention.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, welche auch als Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen ausgebildet sein kann. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine Vorrichtung zur Oxidationsmittelversorgung der Brennstoffzelle 2. Diese Vorrichtung weist einen Verdichter 3 auf, welcher zur Zuführung des Oxidationsmittels Luft ausgebildet ist.The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 which may also be formed as a fuel cell stack with a plurality of fuel cells. Furthermore, the fuel cell system includes 1 a device for supplying oxidant to the fuel cell 2 , This device has a compressor 3 which is designed to supply the oxidant air.

Der Verdichter 3 wird über einen Motor 4 angetrieben, welcher über eine Welle 5 mit dem Verdichter 3 verbunden ist. Eine Turbine 6 ist ebenfalls mit der gemeinsamen Welle 5 verbunden und wird über den Motor 4 angetrieben.The compressor 3 is about a motor 4 driven, which has a shaft 5 with the compressor 3 connected is. A turbine 6 is also with the common wave 5 Connected and is about the engine 4 driven.

Eine Ansaugleitung 7 ist mit dem Eingang des Verdichters 3 verbunden. Des Weiteren ist der Verdichter 3 an seinem Ausgang mit einer Zuführleitung 8 verbunden, welche zur Brennstoffzelle 2 führt. In der Zuführleitung 8 ist ein Ladeluftkühler 9 und diesem in Strömungsrichtung nachgeordnet ein Ventil 10 angeordnet. In Strömungsrichtung nach dem Ventil 10 ist ein Befeuchter 11 vorgesehen. Von dem Ventil 10 zweigt eine Bypassleitung 12 ab, über welche der Befeuchter 11 umgangen werden kann. Die Bypassleitung 12 mündet zwischen dem Befeuchter 11 und der Brennstoffzelle 2 in die Zuführleitung 8.A suction line 7 is with the entrance of the compressor 3 connected. Furthermore, the compressor 3 at its exit with a supply line 8th connected, which to the fuel cell 2 leads. In the supply line 8th is a charge air cooler 9 and this downstream in the flow direction, a valve 10 arranged. In the direction of flow after the valve 10 is a humidifier 11 intended. From the valve 10 branches a bypass line 12 over which of the humidifiers 11 can be bypassed. The bypass line 12 flows between the humidifier 11 and the fuel cell 2 in the supply line 8th ,

Von der Brennstoffzelle 2 führt eine Abgasleitung 13 zum Befeuchter 11, wobei diese Abgasleitung 13 vom Ausgang des Befeuchters 11 im weiteren zur Turbine 6 führt.From the fuel cell 2 leads an exhaust pipe 13 to the humidifier 11 , this exhaust pipe 13 from the outlet of the humidifier 11 in the further to the turbine 6 leads.

Die Vorrichtung zum Betreiben des Verdichters 3 zur Oxidationsmittelversorgung der Brennstoffzelle 2 umfasst eine Einrichtung 14 zum Rückführen von Oxidationsmittel, wobei die Einrichtung 14 eine Rückführleitung 15 aufweist. Die Rückführleitung 15 zweigt zwischen dem Verdichter 3 und dem Ladeluftkühler 9 von der Zuführleitung 8 an der Abzweigung 16 ab, und mündet an der Einmündung 17 stromauf des Verdichters 3 in die Ansaugleitung 7. In der Rückführleitung 15 ist ein Ventil 18 angeordnet.The device for operating the compressor 3 for the oxidant supply of the fuel cell 2 includes a device 14 for recycling oxidant, the device 14 a return line 15 having. The return line 15 branches between the compressor 3 and the intercooler 9 from the supply line 8th at the junction 16 and ends at the confluence 17 upstream of the compressor 3 in the intake pipe 7 , In the return line 15 is a valve 18 arranged.

Die über die Ansaugleitung 7 angesaugte Frischluft, welche das Oxidationsmittel darstellt, wird zunächst im Verdichter 3 komprimiert und dann im Ladeluftkühler 9 mittels Kühlwasser rückgekühlt. Im Weiteren strömt sie in den Befeuchter 11, indem sie Wasserdampf aus dem Abgas der Brennstoffzelle 2 aufnimmt. Mit der Bypassleitung 12 um den Befeuchter 11 kann die Feuchte geregelt werden. Danach wird die befeuchtete Frischlust in die Brennstoffzelle 2 geleitet und nimmt dort an der elektrochemischen Reaktion teil. Im Ausführungsbeispiel ist die Brennstoffzelle 2 als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet. Der Brennstoff ist somit Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas. Durch die Spezifizierung der Brennstoffzelle 2 als PEM-Brennstoffzelle soll jedoch keine Einschränkung der Erfindung auf diesen spezifischen Brennstoffzellentyp gegeben sein.The over the suction line 7 sucked fresh air, which is the oxidant, is first in the compressor 3 compressed and then in the intercooler 9 recooled by means of cooling water. Furthermore, it flows into the humidifier 11 by removing water vapor from the exhaust gas of the fuel cell 2 receives. With the bypass line 12 around the humidifier 11 the humidity can be regulated. After that, the moistened desire for freshness in the fuel cell 2 and participates there in the electrochemical reaction. In the exemplary embodiment, the fuel cell 2 designed as a PEM fuel cell. The fuel is thus hydrogen or hydrogen-containing gas. By specifying the fuel cell 2 however, as a PEM fuel cell, there is no intention to limit the invention to this specific type of fuel cell.

Nach der Brennstoffzelle 2 gibt der Abgasstrom im Befeuchter 11 Wasserdampf an das Frischgas ab und strömt der Turbine 6 zu.After the fuel cell 2 gives the exhaust gas flow in the humidifier 11 Water vapor to the fresh gas and flows from the turbine 6 to.

Im Bereich geringer elektrischer Leistungsanforderung der Brennstoffzelle 2 wird ein niedriger Luftmassenstrom bei noch verhältnismäßig hohem Druck benötigt, um den Wasserdampfhaushalt der Brennstoffzelle 2 aufrecht zu erhalten. Der Verdichter 3 muss dabei einen großen Lastbereich abdecken und kann den erforderlichen Druck im niedrigen Lastbereich nur bei höheren Luftvolumenströmen bereitstellen. Um den Systemwirkungsgrad zu verbessern wird vorgesehen, dass somit im spezifischen Betriebszustand, in dem unter bisheriger Prozessführung (entsprechender Druck des Oxidationsmittels bei einer Vorrichtung ohne der Einrichtung 14) Verdichterpumpen auftritt, ein Teil des aus dem Verdichter 3 ausströmenden Oxidationsmittelstroms nach dem Verdichter 3 über die Einrichtung 14 abgeführt wird und in die Ansaugleitung 7 vor dem Verdichter 3 eingeleitet wird. Durch die Einrichtung 14 ist somit ein Verdichter-Loop realisiert.In the area of low electrical power requirement of the fuel cell 2 a low air mass flow at still relatively high pressure is needed to control the water vapor balance of the fuel cell 2 to maintain. The compressor 3 must cover a large load range and can provide the required pressure in the low load range only at higher air flow rates. In order to improve the system efficiency is provided that thus in the specific operating state, in which under previous litigation (corresponding pressure of the oxidant in a device without the device 14 ) Compressor pumps occurs, part of the out of the compressor 3 effluent oxidant stream after the compressor 3 about the device 14 is discharged and into the intake pipe 7 in front of the compressor 3 is initiated. By the device 14 Thus, a compressor loop is realized.

Das rückgeführte Oxidationsmittel wird dabei so in die Ansaugleitung 7 eingeblasen, dass dem in der Ansaugleitung 7 strömenden Hauptstrom ein Drall aufgeprägt wird.The recycled oxidant is doing so in the intake 7 blown that in the intake pipe 7 flowing main stream is imparted a twist.

Dies ist in 2 schematisch dargestellt. In 2 ist eine Schnittdarstellung an der Einmündung 17 gezeigt. Die Ansaugleitung 7 ist dabei im Querschnitt als kreisförmiges Rohr ausgebildet. Die Längsachse L verläuft senkrecht zur Figurenebene. Wie zu erkennen ist, mündet die Rückführleitung 15 von oben in die Ansaugleitung 7. Des Weiteren ist die Rückführleitung 15 so angeordnet, dass sie an einem seitlichen Rand 71 in die Ansaugleitung 7 einmündet. Die Anordnung der Rückführleitung 15 ist somit asymmetrisch zur Symmetrieachse A der Ansaugleitung 7 angeordnet. Die Symmetrieachse A ist senkrecht zur Längsachse L angeordnet. Gemäß der Anordnung der Rückführleitung 15, welche eine Längsachse B aufweist, ist diese parallel zur Längsachse A angeordnet. Bei der in 2 gezeigten Ausführung mündet die Rückführleitung 15 somit senkrecht in die Ansaugleitung 7. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rückführleitung 15 in einem Winkel größer 0° und kleiner 90° gegenüber der Figurenebene nach hinten geneigt in die Ansaugleitung 7 an entsprechender Stelle gemäß der Darstellung in 2 einmündet. Wesentlich ist ganz allgemein, dass die Längsachse B nicht koaxial zur Längsachse L orientiert ist und somit immer ein Winkel größer 0° in zumindest einer Raumrichtung zwischen den Längsachsen B und L ausgebildet ist.This is in 2 shown schematically. In 2 is a sectional view at the junction 17 shown. The suction line 7 is formed in cross-section as a circular tube. The longitudinal axis L is perpendicular to the plane of the figure. As can be seen, the return line opens 15 from above into the suction line 7 , Furthermore, the return line 15 arranged so that they are on a lateral edge 71 in the intake pipe 7 opens. The arrangement of the return line 15 is thus asymmetrical to the axis of symmetry A of the intake pipe 7 arranged. The axis of symmetry A is arranged perpendicular to the longitudinal axis L. According to the arrangement of the return line 15 which has a longitudinal axis B, this is arranged parallel to the longitudinal axis A. At the in 2 As shown embodiment, the return line opens 15 thus perpendicular to the suction line 7 , It can also be provided that the return line 15 at an angle greater than 0 ° and less than 90 ° with respect to the plane of the figure inclined backwards into the suction line 7 in the appropriate place as shown in 2 opens. It is essential in a very general way that the longitudinal axis B is not oriented coaxially to the longitudinal axis L and thus always an angle greater than 0 ° is formed in at least one spatial direction between the longitudinal axes B and L.

Vorzugsweise ist gemäß der Darstellung in 2 vorgesehen, dass die Einmündung 17 der Rückführleitung 15 so ausgebildet ist, dass eine Innenwand 15a im Übergangsbereich im Wesentlichen stufenlos und bündig in die Innenwand 7a der Ansaugleitung 7 übergeht.Preferably, as shown in FIG 2 provided that the confluence 17 the return line 15 is designed so that an inner wall 15a In the transition area substantially stepless and flush in the inner wall 7a the suction line 7 passes.

Dadurch kann die Aufprägung eines Dralls auf das in der Ansaugleitung 7 strömende Medium, dem Hauptstrom, besonders effektiv erfolgen. In der Ansaugleitung 7 ist die Drehrichtung des strömenden Mediums M mit den Pfeilen dargestellt. Das strömende Medium M strömt somit im Wesentlichen in einer Spiralbahn um die Längsachse L zum Verdichter 3.This can be the impact of a twist on that in the intake 7 flowing medium, the main stream, particularly effective. In the intake pipe 7 the direction of rotation of the flowing medium M is shown with the arrows. The flowing medium M thus flows substantially in a spiral path about the longitudinal axis L to the compressor 3 ,

Durch diese Vorgehensweise kann das Verdichterkennfeld und die Pumpgrenze in der Art beeinflusst werden, dass das Verdichterpumpen bei einem im Vergleich zu einem herkömmlichen Abblasevorgang vergleichbaren Druck erst mit niedrigeren Massenströmen einsetzt.By this procedure, the compressor map and the surge limit in the way impress be flowed that the compressor pumps used in comparison to a conventional blow-off comparable pressure only with lower mass flows.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Oxidationsmittelversorgung der Brennstoffzelle 2 sowie das Brennstoffzellensystem 1 sind vorzugsweise als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und insbesondere in einem Fahrzeug angeordnet.The device according to the invention for supplying oxidant to the fuel cell 2 as well as the fuel cell system 1 are preferably designed as a mobile fuel cell system and arranged in particular in a vehicle.

11
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
22
Brennstoffzellefuel cell
33
Verdichtercompressor
44
Motorengine
55
Wellewave
66
Turbineturbine
77
Ansaugleitungsuction
7a, 15a7a, 15a
Innenwändeinterior walls
88th
Zuführleitungfeed
99
LadeluftkühlerIntercooler
10, 1810 18
Ventilevalves
1111
Befeuchterhumidifier
1212
Bypassleitungbypass line
1313
Abgasleitungexhaust pipe
1414
EinrichtungFacility
1515
RückführeinrichtungReturn means
1616
Abzweigungdiversion
1717
Einmündungjunction
7171
seitlicher Randlateral edge
AA
Symmetrieachseaxis of symmetry
B, LB L
Längsachsenlongitudinal axes
MM
Mediummedium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 10306234 A1 [0002] - DE 10306234 A1 [0002]

Claims (10)

Vorrichtung zum Betreiben eines für eine Oxidationsmittelversorgung einer Brennstoffzelle (2) vorgesehenen Verdichters (3), welcher zur Zuführung des Oxidationsmittels über eine zur Brennstoffzelle (2) führende Zuführleitung (8) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (14) zum Rückführen von Oxidationsmittel, welche in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach dem Verdichter (3) von der Zuführleitung (8) abzweigt und vor dem Verdichter (3) in eine Ansaugleitung (7) mündet.Apparatus for operating an oxidant supply to a fuel cell ( 2 ) compressor ( 3 ), which for supplying the oxidizing agent via a fuel cell ( 2 ) leading supply line ( 8th ), characterized by a device ( 14 ) for the return of oxidizing agent, which in the flow direction of the oxidizing agent after the compressor ( 3 ) from the supply line ( 8th ) branches off and before the compressor ( 3 ) into a suction line ( 7 ) opens. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (14) zum Rückführen von Oxidationsmittel nur in einem spezifischen Betriebszustand des Verdichters (3) zur Rückführung geöffnet ist.Device according to claim 1, characterized in that the device ( 14 ) for returning oxidant only in a specific operating state of the compressor ( 3 ) is open for recycling. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (14) zum Rückführen von Oxidationsmittel im Betriebszustand und/oder nahe des Betriebszustands des Verdichterpumpens geöffnet ist.Device according to claim 2, characterized in that the device ( 14 ) is open for recycling oxidant in the operating state and / or near the operating state of the compressor pumping. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung (15) der Einrichtung (14) so in die Ansaugleitung (7) mündet, dass durch das rückgeführte Oxidationsmittel ein Drall des in der Ansaugleitung (7) strömenden Mediums in Richtung um die Längsachse (L) der Ansaugleitung (7) erzeugbar ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a return line ( 15 ) of the institution ( 14 ) into the suction line ( 7 ), that due to the recirculated oxidizing agent, a swirl in the intake line ( 7 ) flowing medium in the direction of the longitudinal axis (L) of the suction line ( 7 ) is producible. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführleitung (15) der Einrichtung (15) in einem Winkel größer 0° zur Längsachse (L) der Ansaugleitung (7) in die Ansaugleitung (7) mündet.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a return line ( 15 ) of the institution ( 15 ) at an angle greater than 0 ° to the longitudinal axis (L) of the suction line ( 7 ) into the suction line ( 7 ) opens. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (15) von oben in die Ansaugleitung (7) mündet.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the return line ( 15 ) from above into the suction line ( 7 ) opens. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmündung (17) der Rückführleitung (15) in die Ansaugleitung (7) an einem seitlichen Rand (71) der Ansaugleitung (7) ausgebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the junction ( 17 ) of the return line ( 15 ) into the suction line ( 7 ) on a lateral edge ( 71 ) of the suction line ( 7 ) is trained. Verfahren zum Betreiben eines für eine Oxidationsmittelversorgung einer Brennstoffzelle (2) vorgesehenen Verdichters (3), bei dem das Oxidationsmittel von dem Verdichter (3) angesaugt wird und über eine Zuführleitung (8) an die Brennstoffzelle (2) geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von einem spezifischen Betriebszustand des Verdichters (3) eine in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels nach dem Verdichter (3) von der Zuführleitung (8) abzweigende Einrichtung (14) zur Rückführung des Oxidationsmittels geöffnet wird, und rückgeführtes Oxidationsmittel in eine zum Verdichter (3) führende Ansaugleitung (7) geleitet wird.Method for operating an oxidant supply to a fuel cell ( 2 ) compressor ( 3 ), wherein the oxidant from the compressor ( 3 ) is sucked in and via a feed line ( 8th ) to the fuel cell ( 2 ), characterized in that depending on a specific operating condition of the compressor ( 3 ) one in the flow direction of the oxidizing agent after the compressor ( 3 ) from the supply line ( 8th ) branching device ( 14 ) is opened to return the oxidant, and recycled oxidant in a to the compressor ( 3 ) leading suction line ( 7 ). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (14) zum Rückführen von Oxidationsmittel im Betriebszustand und/oder nahe des Betriebszustands des Verdichterpumpens geöffnet wird.Method according to claim 8, characterized in that the device ( 14 ) is opened for recycling oxidant in the operating state and / or near the operating state of the compressor pumping. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das rückgeführte Oxidationsmittel so in die Ansaugleitung (7) geleitet wird, dass das in der Ansaugleitung (7) strömende Medium mit einem Drall um die Längsachse (L) der Ansaugleitung (7) beaufschlagt wird.A method according to claim 8 or 9, characterized in that the recycled oxidant so in the intake ( 7 ), that in the suction line ( 7 ) flowing medium with a twist about the longitudinal axis (L) of the suction line ( 7 ) is applied.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10306234A1 (en) 2003-02-04 2004-08-12 Daimlerchrysler Ag Arrangement for supplying air to fuel cell passes at least some of the thermal energy of exhaust gases remaining after passing through expander to at least one of flows of material fed to combustion

Patent Citations (1)

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