DE102012007375A1 - Fuel cell system i.e. proton-conducting membrane fuel cell system, for use in vehicle, has pulsation device comprising movable element, which is automatically moved by variable force caused over flow and reaction force - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreislauf zur Rückführung von Abgasen aus einem Anodenraum in den Eingangsbereich des Anodenraums, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell system with an anode circuit for the return of exhaust gases from an anode compartment in the input region of the anode compartment, according to the closer defined in the preamble of
Brennstoffzellensysteme mit einem Anodenkreislauf sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Beispielhaft wird hierzu auf die
Es ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass durch diesen Anodenkreislauf eine bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden aktiven Fläche der Brennstoffzelle im Anodenraum erzielt wird, da mit einem Überschuss an Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, gearbeitet werden kann. Hierdurch wird die zur Verfügung stehende Fläche ideal ausgenutzt. Der Überschuss von beispielsweise 10 bis mehrere 100 Prozent des benötigten Brennstoffs wird über die Rezirkulationsleitung zurückgeführt, geht also nicht verloren. Der zurückgeführte Brennstoff enthält außerdem Feuchtigkeit, sodass die Membranen in der Brennstoffzelle, welche typischerweise als PEM-Brennstoffzelle aufgebaut ist, ideal befeuchtet werden. Von Zeit zu Zeit reichert sich in dem Anodenkreislauf eine unerwünscht große Menge an Wasser und inerten Gasen, welche wie Stickstoff z. B. durch die Membranen der Brennstoffzelle aus einem Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren, oder als Verunreinigungen im Brennstoff selbst vorliegen. Diese können über einen Wasserabscheider und/oder ein Ventil von Zeit zu Zeit abgelassen werden.It is known from the general state of the art that a better utilization of the available active area of the fuel cell in the anode space is achieved by this anode circuit, since an excess of fuel, for example hydrogen, can be used. As a result, the available area is ideally utilized. The excess of, for example, 10 to several hundred percent of the required fuel is returned via the recirculation line, so it is not lost. The recirculated fuel also contains moisture, so that the membranes in the fuel cell, which is typically constructed as a PEM fuel cell, are ideally humidified. From time to time, in the anode cycle, an undesirably large amount of water and inert gases, which, like nitrogen, z. B. diffuse through the membranes of the fuel cell from a cathode compartment in the anode compartment, or be present as impurities in the fuel itself. These can be drained from time to time via a water separator and / or a valve.
Nun ist es so, dass sich im Bereich der Brennstoffzelle Produktwasser sammelt, welches bei hohen Lasten und einem hohen Volumenstrom an Brennstoff und an rezirkuliertem Abgas aus den vergleichsweise engen Gasverteilungskanälen des Anodenraums problemlos ausgetragen wird. Bei niedrigeren Lasten kann dies unter Umständen jedoch zu Problemen führen, da flüssiges Wasser aufgrund des geringen Volumenstroms des durchströmenden Gases Kanäle und/oder Teile der Membranen beziehungsweise der sogenannten Gasdiffusionselektroden blockieren kann. Hierdurch geht aktive Zellfläche verloren und die Performance der Brennstoffzelle sinkt.Now it is the case that product water collects in the area of the fuel cell, which at high loads and a high volumetric flow of fuel and recirculated exhaust gas is easily discharged from the comparatively narrow gas distribution channels of the anode compartment. At lower loads, however, this can possibly lead to problems, since liquid water can block channels and / or parts of the membranes or the so-called gas diffusion electrodes due to the low volume flow of the gas flowing through. As a result, active cell area is lost and the performance of the fuel cell decreases.
Um den Wasseraustrag zu verbessern ist es in der genannten japanischen Schrift
Eine weitere Problematik legt darin, dass durch ein ständiges Abbremsen und Wiederbeschleunigen des Rezirkulationsgebläses ein erhöhter Energiebedarf im Bereich des Rezirkulationsgebläses auftritt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verschlechtert.Another problem lies in the fact that an increased demand for energy in the region of the recirculation fan occurs due to constant braking and re-acceleration of the recirculation fan, as a result of which the efficiency of the fuel cell system deteriorates.
Ferner ist aus der
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem mit einer Anodenrezirkulation, in welcher eine Pulsationseinrichtung angeordnet ist, anzugeben, welches die oben genannten Nachteile umgeht und ein einfaches, kostengünstiges und energieeffizientes System gewährleistet.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system with an anode recirculation, in which a pulsation device is arranged, which circumvents the disadvantages mentioned above and ensures a simple, inexpensive and energy-efficient system.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of
Die erfindungsgemäße Pulsationseinrichtung ist also so aufgebaut, dass diese ein bewegliches Element aufweist. Das bewegliche Element beeinflusst den durchströmbaren Querschnitt für den Gasstrom mehr oder weniger stark. Durch die Anordnung an beliebiger Stelle in dem Anodenkreislauf kann es sich bei diesem Gasstrom entweder um das zurückgeführte Abgas alleine oder das bereits wieder mit frischem Brennstoff gemischte Abgas handeln. Soweit entspricht die Pulsationseinrichtung einer Ventileinrichtung, welche geöffnet und geschlossen wird, so wie dies im Stand der Technik ausgeführt ist.The pulsation device according to the invention is thus constructed so that it has a movable element. The movable element influences the flow-through cross section for the gas flow more or less strongly. As a result of the arrangement at any point in the anode circuit, this gas stream can either be the recirculated exhaust gas alone or the exhaust gas that has already been mixed again with fresh fuel. As far as the pulsation device corresponds to a valve device which is opened and closed, as is carried out in the prior art.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es nun jedoch vor, dass das bewegliche Element sich selbsttätig durch eine über die Strömung verursachte veränderliche Kraft und eine Gegenkraft pulsierend bewegt. Die Pulsationseinrichtung erlaubt also die Erzeugung eines pulsierenden Gasstroms, ohne dass aktiv durch eine Steuerung beziehungsweise Regelung in die Strömung des Gasstroms eingegriffen werden muss. Der pulsierende Gasstrom wird über ein bewegliches Element, welches sich aufgrund einer durch die Strömung verursachten veränderlichen Kraft und einer Gegenkraft, welche gegeneinander wirken und eine schwankende Kraft beziehungsweise Druckdifferenz einmal in Richtung der einen Kraft und einmal in Richtung der anderen Kraft verursachen, erzeugt.However, the solution according to the invention now provides that the movable element automatically moves in a pulsating manner by means of a variable force and a counterforce caused by the flow. The pulsation device thus allows the generation of a pulsating gas flow without having to actively intervene by a control or regulation in the flow of the gas stream. The pulsating gas flow is generated via a movable element which, due to a variable force caused by the flow and a counterforce acting against each other and causing a fluctuating force or pressure difference once in the direction of a force and once in the direction of the other force.
Die Pulsationseinrichtung mit dem sich selbsttätig bewegenden Element gemäß der Erfindung ist dabei außerordentlich einfach und effizient. Sie benötigt keinerlei zusätzliche Ansteuerung und kann somit als passive Pulsationseinrichtung sehr platzsparend an beliebiger Stelle in den Anodenkreislauf eingebaut werden.The pulsation device with the self-moving element according to the invention is extremely simple and efficient. It requires no additional control and can thus be installed as a passive pulsation device very space-saving at any point in the anode circuit.
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass das bewegliche Element als Klappe ausgebildet ist, welche an einem in Strömungsrichtung des Gasstroms vorderen Ende außerhalb der Mitte der Strömung des Gasstroms drehbeweglich befestigt ist. Eine solche außermittig befestigte Klappe wird immer eine resultierende Kraft aufgrund der An- bzw. Umströmung in eine Richtung erfahren. Dadurch wird die Klappe zunächst in der einen Richtung abgelenkt, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt. Von der Trägheit wird sie etwas über dieses Kräftegleichgewicht hinausbewegt. Dann erfährt sie eine resultierende Kraft in die andere Richtung und bewegt sich wieder zurück. Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung kann dabei zusätzlich die Gewichtskraft der Klappe und/oder die Kraft einer Feder als Gegenkraft ausgebildet sein, um die Klappe in die Strömung zu drücken. In beiden Fällen ergibt sich eine pulsierende Bewegung der Klappe. Sie gibt dadurch den durchströmbaren Querschnitt abwechselnd mehr oder weniger stark frei, sodass dies einen pulsierenden Gasstrom zur Folge hat.According to a particularly favorable and advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it is provided that the movable element is designed as a flap which is rotatably mounted on a front in the flow direction of the gas flow outside the center of the flow of the gas stream. Such an eccentrically mounted flap will always experience a resultant force due to the inflow or flow in one direction. As a result, the flap is first deflected in one direction until an equilibrium of forces sets in. From inertia, it is moved slightly beyond this balance of power. Then she experiences a resultant force in the other direction and moves back again. According to a particularly favorable and advantageous development, the weight of the flap and / or the force of a spring can additionally be designed as a counterforce in order to press the flap into the flow. In both cases results in a pulsating movement of the flap. It thereby alternately releases the flow-through cross-section more or less so that this results in a pulsating gas flow.
In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es vorgesehen sein, dass die Pulsationseinrichtung eine Austrittsdüse und ein Umlenkelement aufweist, welches in seinem Abstand zur Austrittsdüse zumindest zwischen einer die Austrittsdüse verschließenden und einer von der Austrittsdüse beabstandeten Position frei beweglich ist, wobei die Austrittsdüse eine Austrittsöffnung und einen mit dem Umlenkelement korrespondierenden Fortsatz aufweist, sodass sich zwischen dem Umlenkelement und dem Fortsatz der Austrittsdüse in Abhängigkeit der sich selbsttätig verändernden Position des Umlenkelements ein mehr oder weniger großer durchströmter Spalt ausbildet.In an alternative embodiment of the fuel cell system according to the invention, it may be provided that the pulsation device has an outlet nozzle and a deflecting element which is freely movable in its distance from the outlet nozzle at least between a position closing the outlet nozzle and a position spaced from the outlet nozzle, the outlet nozzle being an outlet opening and having a projection corresponding to the deflection element, so that a more or less large flowed-through gap is formed between the deflection element and the projection of the outlet nozzle as a function of the automatically changing position of the deflection element.
Diese Ausgestaltung der passiven Pulsationseinrichtung nutzt dabei das sogenannte hydrodynamische Paradoxon, um eine pulsierende Strömung zu erzielen. Das Umlenkelement ist so vor der Austrittsdüse angeordnet, dass es die Strömung umlenkt, wodurch diese durch einen schmalen Spalt zwischen dem Umlenkelement und der Austrittsdüse strömt. Je schmaler dieser Spalt ist, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch ergibt sich im Bereich zwischen dem Spalt und dem Fortsatz der Austrittsdüse ein geringerer Druck als in der Umgebung. Das Umlenkelement wird dadurch in Richtung der Austrittsöffnung der Austrittsdüse bewegt, wodurch der Spalt noch kleiner und die Wirkung noch weiter verstärkt wird. Irgendwann verschließt das Umlenkelement die Austrittsdüse. Die Strömung bricht dann schlagartig ab, es stellt sich überall der Umgebungsdruck ein, wodurch des Umlenkelement wieder von dem Fortsatz der Austrittsdüse abgehoben wird. Der sich wieder ausbildende Strömungsspalt wird dann wieder von Gas durchströmt, der beschriebene Vorgang beginnt von Neuem. Der Vorgang ruft dadurch eine pulsierende Strömung des Treibgasstroms hervor, die mit steigender Strömungsgeschwindigkeit des Gases hochfrequenter wird.This embodiment of the passive pulsation device uses the so-called hydrodynamic paradox to achieve a pulsating flow. The deflecting element is arranged in front of the outlet nozzle, that it deflects the flow, whereby it flows through a narrow gap between the deflecting element and the outlet nozzle. The narrower this gap is, the higher the flow velocity. This results in the region between the gap and the extension of the outlet nozzle, a lower pressure than in the environment. The deflecting element is thereby moved in the direction of the outlet opening of the outlet nozzle, whereby the gap is even smaller and the effect is further enhanced. At some point, the deflecting element closes the outlet nozzle. The flow then abruptly breaks off, it sets everywhere the ambient pressure, whereby the deflecting element is lifted again from the extension of the outlet nozzle. The re-forming flow gap is then again traversed by gas, the process described begins again. The process thereby causes a pulsating flow of the propellant gas stream, which becomes high-frequency as the flow rate of the gas increases.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, kann es für beide oben beschriebenen Ausführungsformen der Pulsationseinrichtung vorgesehen sein, dass eine Feststelleinrichtung zur Fixierung des beweglichen Elements vorgesehen ist. Über eine solche Feststelleinrichtung, welche insbesondere aktiv schaltbar ausgestattet sein kann, kann das bewegliche Element fixiert werden. Damit ist eine Abschaltung der Pulsation möglich. Dies kann beispielsweise bei höheren Lasten beziehungsweise höheren Volumenströmen in dem Anodenkreislauf sinnvoll sein.In a particularly favorable and advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it can be provided for both embodiments of the pulsation device described above that a locking device is provided for fixing the movable element. About such a locking device, which can be equipped in particular actively switchable, the movable element can be fixed. This is a shutdown of the pulsation possible. This can, for example, at higher loads or higher flow rates in the anode circuit be useful.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung hiervon ist es dementsprechend vorgesehen, dass die Fixierung des beweglichen Elements in einer die Strömung weitgehend freigebenden Position erfolgt. Die Fixierung erfolgt also so, dass das bewegliche Element vorzugsweise in seiner den maximalen Strömungsquerschnitt freigebenden Endposition fixiert wird, umso von einem pulsierenden Gasstrom auf einen kontinuierlichen Gasstrom wechseln zu können.In a very advantageous embodiment thereof, it is accordingly provided that the fixation of the movable element takes place in a position largely releasing the flow. The fixation is thus carried out so that the movable element is preferably fixed in its maximum flow cross-section releasing end position, so as to be able to change from a pulsating gas flow to a continuous gas flow.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention will become apparent from the remaining dependent subclaims and will be apparent from the embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Um die Druckverluste im Anodenraum
In der Darstellung der
Ein weiterer Unterschied des in
Hierdurch werden die Pulsationen im Bereich des Wasserabscheiders
Für die hier vorliegende Erfindung ist nun insbesondere die bereits erwähnte und in den
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Die Funktionalität der Pulsationseinrichtung
in beiden beschriebenen Ausführungsformen der Pulsationseinrichtung
Die Feststelleinrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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