DE102014225708A1

DE102014225708A1 - Luftzuführvorrichtung und Verfahren für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102014225708A1
Application number: DE102014225708.5A
Authority: DE
Inventors: Hyuck Roul Kwon; Chang Ha Lee; Kyoung Ku HA
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2014-12-12
Publication date: 2015-07-02
Anticipated expiration: 2034-12-13
Also published as: US20150188161A1; DE102014225708B4; US10230116B2; KR101592656B1; KR20150078010A

Abstract

Es werden eine Luftzuführvorrichtung und ein Verfahren für eine Brennstoffzelle bereitgestellt, wobei Hochdruckluft zugeführt wird, wobei ein Pumpphänomen eines Verdichters des Turbotyps in einem Brennstoffzellensystem, in dem der Verdichter des Turbotyps eingesetzt wird, vermieden wird. Insbesondere wird ein Teil der Luft von einem Auslass eines Verdichters zu einem Einlass des Verdichters zu der vom Verdichter zu einem Stapel gelieferten Zufuhrlust rückgeführt. Diese rückgeführte Luft und die von außen eingeleitete Außenluft werden gemischt und mit einem hinreichend hohen Luftdruck zum Einlass des Verdichters geliefert, so dass der Verdichter einen Pumpbereich vermeiden kann und eine Luftzufuhr mit hohem Druck und niedrigem Durchsatz möglich ist.

Description

HINTERGRUND
(a) Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Luftzuführvorrichtung und ein Verfahren für eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Brennstoffzelle, mit denen Hochdruckluft zugeführt wird, während das Pumpphänomen eines Verdichter des Turbotyps in einem Brennstoffzellensystem vermieden wird, in dem der Verdichter des Turbotyps eingesetzt wird.
(b) Hintergrundtechnik
Im Allgemeinen wandeln Brennstoffzellensysteme chemische Energie eines Brennstoffs durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff oder einem anderen Oxyidans in elektrische Energie. Eine Brennstoffzelle besteht normalerweise aus einer Anode, einer Katode und einem Elektrolyten, der das Wandern von Ladungen zwischen den zwei Seiten der Brennstoffzelle ermöglicht. Insbesondere werden durch eine externe Schaltung der Anode Elektronen entzogen, die zur Katode wandern und einen Gleichstrom erzeugen, der zum Antrieb verschiedener Geräte oder Maschinen wie Fahrzeuge verwendet werden kann.
Um ausreichend elektrische Energie bereitstellen zu können, sind Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellensystem häufig zu einem Brennstoffzellenstapel gestapelt. Außerdem enthält das System eine Brennstoffzuführvorrichtung zur Zufuhr von Brennstoff zum Stapel, eine Luftzuführvorrichtung zur Zufuhr von Luft zum Stapel und eine Auslassvorrichtung zum Ausleiten von Feuchtigkeit, Luft und Brennstoff, die bei der Energieerzeugungsreaktion des Stapels entstehen.
Die Luftzuführvorrichtung ist für den allgemeinen Betrieb der Brennstoffzelle von großer Bedeutung. Diese Vorrichtung hat eine Leistungsaufnahme von ca. 5% bis ca. 20% der maximalen Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems. Außerdem reagiert der Betriebswirkungsgrad der Luftzuführvorrichtung aufgrund der Eigenschaften von Vorrichtungen, die mit einem komprimierbaren Fluid arbeiten empfindlich auf den Betriebsdruck.
In den Brennstoffzellensystemen werden verschiedene Typen von Luftzuführvorrichtungen eingesetzt. Einige Beispiele sind in der japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2009-123550 und 2008-103228 und in der koreanischen Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 10-2013-0078697 offenbart.
Um ein typisches Brennstoffzellensystem effizient zu betreiben und gleichzeitig die für das Brennstoffzellensystem entsprechend den Umgebungsbedingungen wie Luftdruck und Luftfeuchte je nach (Meeres)Höhe des Fahrzeugs und einer vom Fahrer gewünschten Leistung bereitzustellen, müssen die Betriebsbedingungen (d. h. die Betriebstemperatur, der Betriebsdruck, das Verbrennungsluftverhältnis bzw. das stöchiometrische Verhältnis (SR) und die relative Feuchte (RH) der zugeführten Luft) optimiert werden.
Wenn z. B. die gewünschte Leistung bei optimalen Auslegungs-Betriebsbedingungen ansteigt (d. h. der Betriebsdruck gemäß der Betriebstemperatur, das SR usw.), nimmt die Wärmeabstrahlung zu, so dass die Betriebstemperatur die Standard-Betriebstemperatur (gewünschte Betriebstemperatur oder optimale Temperatur) überschreitet.
In diesem Fall ist es zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Befeuchtung (Konstanthaltung des Wassergleichgewichts) und der Verbesserung des Systemwirkungsgrades sinnvoll, den Betriebsdruck (Druck der zugeführten Luft) zu erhöhen und das SR (Luftvolumen) zu verringern.
4 ist eine schematische Ansicht einer typischen Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle. Wie in 4 dargestellt ist in der Luftzuführvorrichtung für die Brennstoffzelle ein Verdichter 120 an einer Lufteinlassleitung 110 eines Brennstoffzellenstapels 100 angeordnet, und eine Umgehungsleitung 140 stellt eine Verbindung zwischen der Luftzuführleitung 110 und einer Luftauslassleitung 130 des Brennstoffzellenstapels 100 dar. In diesem Fall ist ein Umgehungsventil 150 an der Umgehungsleitung 140 angeordnet. Die nicht erläuterten Bezugszeichen 160 und 170 kennzeichnen Luftdurchsatzmesser und die Bezugszeichen 180 und 190 kennzeichnen einen Drucksensor und ein Druckregelventil.
Wie in 5 dargestellt ist die vom Stapel geforderte Betriebsbedingung eine Bedingung I und die betriebsfähige Bedingung des Turbo-Verdichters bei Erfüllung des Luftdurchsatzes der Bedingung I ist eine Bedingung J, aber die Bedingung J wird nicht erfüllt. Insbesondere wenn die Betriebsbedingung eine Bedingung K ist, kann zwar der Druck vorschriftsmäßig sein, aber zu viel Luft zugeführt werden.
Um also ein Pumpen zu verhindern und die vom Stapel geforderte Betriebsbedingung I zu erfüllen, arbeitet der Turbo-Verdichter unter der Bedingung K, und die überschüssige Luft (z. B. die Differenz der Luftvolumina zwischen den Punkten I und K) wird durch eine Umgehung ausgeleitet, um einen Luftdruck und eine Durchsatz für den Stapel bereitzustellen, die der Bedingung I entsprechen. Wenn außerdem die Betriebstemperatur die Standardtemperatur (z. B. die gewünschte Betriebstemperatur oder die optimale Temperatur) erreicht und die für den Stapel oder das Brennstoffzellensystem erforderliche Betriebsbedingung in den Betriebsbereich (z. B. die Normalbetriebskurve an der rechten Seite der Pumpkurve) des Turbo-Verdichters fällt, wird das Umgehungsventil geschlossen.
Demnach kann ein stabiler Betrieb erzielt werden, bei dem die Pumpbedingungen der Luftzuführvorrichtung verhindert werden, indem das Umgehungsventil geöffnet und damit die Betriebskurve wie in 5 dargestellt geändert wird. Ferner bei hoher Luftfeuchte (z. B. Auslegungs-Betriebsbedingungen einschließlich Luftfeuchte) oder anderen Bedingungen bleibt das Umgehungsventil geschlossen oder wird geschlossen. Somit wird die Leistungsaufnahme des Verdichters verringert.
Als anderes Beispiel offenbart die japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2004-235076 eine Vorrichtung, bei der ein Auslassteil eines Verdichters, der Luft ansaugt, verdichtet und einem Brennstoffzellenstapel zuführt, einen Teil der Luft in einem Speicher speichert, und wenn der atmosphärische Druck sinkt, wird die gespeicherte Luft aus dem Speicher in einen Ansaugteil des Verdichters geleitet, um den Saugdruck des Verdichters zu erhöhen.
Manche Brennstoffzellensysteme verwenden jedoch einen Verdichter des Turbotyps, um die Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems entsprechend den Umgebungsbedingungen und der vom Fahrer gewünschten Leistung zu optimieren. Bei diesen Systemtypen kann es erforderlich sein, dass das Brennstoffzellensystem bei erheblich höheren Druck- und relativ niedrigen Durchsatzbedingungen arbeitet. In diesem Fall tritt das Pumpphänomen im Verdichter des Turbotyps auf und verursacht die Instabilität des gesamten Systems. Deshalb ist ein Luftzuführsystem erforderlich, das in einem Brennstoffzellensystem mit Turbo-Verdichter effizient und effektiv verwendet werden kann.
Die obigen Ausführungen dieses Hintergrund-Abschnitts dienen nur dem besseren Verständnis des Hintergrunds der Erfindung und können deshalb Informationen enthalten, die nicht Bestandteil des hierzulande dem Durchschnittsfachmann bereits bekannten Standes der Technik bilden.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung stellt ein Luftzuführvorrichtung und ein Verfahren für eine Brennstoffzelle bereit, mit denen der Saugdruck erhöht werden kann, um den Wirkungsgrad und die Leistung der Luftzuführvorrichtung zu verbessern, während das Auftreten eines Pumpens eines Verdichters des Turbotyps selbst bei einer Bedingung, bei der die im Brennstoffzellensystem erforderliche Luft mit hohem Druck und niedrigem Durchsatz zugeführt wird, verhindert wird, indem ein Teil der Hochdruckluft von einem Auslass des Verdichters zu einem Einlass des Verdichters rückgeführt und gleichzeitig Luft mit einem höheren Druck zugeführt wird.
Bei einem Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung eine Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereit, die enthält: einen Verdichter, der zur Zufuhr von Luft zu einem Brennstoffzellenstapel konfiguriert und verbunden ist; eine Umgehungsleitung, die zwischen dem Auslass und dem Einlass des Verdichters angeschlossen ist; ein in der Umgehungsleitung angeordnetes Umgehungsventil; und einen Ejektor, der Umgehungsluft und Außenluft mischt, um den Druck der Luft zu erhöhen und dann die gemischte Luft dem Verdichtereinlass zuzuführen.
Der Ejektor kann sich auf eine Reihe von Vorrichtungen beziehen, die sich den Venturi-Effekt einer konvergenten-divergenten Düse zunutze machen, in der durch Umwandlung der Fließgeschwindigkeit die Druckenergie eines Arbeitsfluids in einen niedrigen Druck gewandelt wird, durch den andere Fluide angezogen werden können.
Die Luftzuführvorrichtung für die Brennstoffzelle kann also Luft aus der Atmosphäre ansaugen und dann dem Verdichtereinlass eine große Luftmenge mit erhöhtem Druck zuführen, während ein Teil der Luft vom Verdichterauslass zum Verdichtereinlass rückgeführt wird.
Der Ejektor kann eine Umgehungslufteinlasssöffnung haben, die die Umgehungsluft aufnimmt und einen Kammereintritt, der die Außenluft aufnimmt, sowie eine Saugkammer, in der die Umgehungsluft und die Außenluft gemischt werden, und eine Hals mit größer werdendem Durchmesser.
Die Luftzuführvorrichtung kann einen (Filter/Durchsatz-)Sensor enthalten, der an einer Seite am Eintritt des Ejektors zum Messen der Durchsatz der von außen eingeleiteten Luft und zum Entfernen von Fremdstoffen angeordnet ist. Außerdem kann das in der Umgehungsleitung angeordnete Umgehungsventil von einer Steuerung gesteuert werden, die so konfiguriert ist, dass sie überwacht, ob die komprimierte Luft an den Verdichter rückzuführen ist oder nicht, und außerdem den Luftdurchsatz steuert.
Bei einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Offenbarung ein Luftzufuhrverfahren für eine Brennstoffzelle bereit, das enthält: Rückführen eines Teils der Luft vom Verdichterauslass zum Verdichtereinlass, der vom Verdichter zum Brennstoffzellenstapel über einen Befeuchter zu liefern ist. Insbesondere werden die rückgeführte Luft und die von außen eingeleitete Außenluft gemischt und dem Verdichtereinlass mit einem höheren (ausreichenden) Luftdruck zugeführt, damit der Verdichter einen Pumpbereich vermeiden und dem Brennstoffzellenstapel Luft mit hohem Druck und niedrigem Durchsatz (z. B. bei Pumpbereichsbedingungen oder drüber) zuführen kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Druck der zum Verdichtereinlass gelieferten Luft in einem Ejektor durch den Venturi-Effekt erhöht werden und diese Luft dann dem Verdichter zugeführt werden.
Andere Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele, die in den beiliegenden Zeichnungen nur beispielhaft dargestellt sind, nachstehend ausführlich beschrieben und schränken somit die vorliegende Erfindung nicht ein; es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
2 eine schematische Ansicht eines Betriebszustandes einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung;
3 einen Graphen, der die Beziehung zwischen dem Luftdurchsatz und dem Kompressionsverhältnis während des Betriebs einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt;
4 eine schematische Ansicht einer typischen Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle; und
5 einen Graphen, der den Effekt eines Umgehungsventils in einer typischen Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle zeigt.
Die in den Zeichnungen enthaltenen Bezugszeichen beziehen sich auf die folgenden Elemente, die nachstehend näher beschrieben werden:
Bezugszeichenliste

10: Stapel
11: Verdichter
12: Umgehungsleitung
13: Umgehungsventil
14: Ejektor
15: Umgehungsluft-Eintrittsöffnung
16: Saugkammer
17: Hals
18: Halsauslass
19: Filter/Durchsatzsensor
20: Kammereintritt
21: Befeuchter
22: Druckregelventil

Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht unbedingt maßstäblich sind, da sie eine etwas vereinfachte Darstellung der verschiedenen bevorzugten Merkmale zeigen, die für die Grundlagen der Erfindung beispielhaft sind. Die hierin offenbarten spezifischen Konstruktionsmerkmale der vorliegenden Offenbarung die z. B. bestimmte Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen umfassen, werden zum Teil durch die besondere vorgesehene Anwendung und die Umgebungsbedingungen am Einsatzort bestimmt.
In den Figuren kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Offenbarung in allen Figuren der Zeichnung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ausführlich erläutert, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind und nachstehend beschrieben werden. Obwohl die Erfindung in Zusammenhang mit Ausführungsbeispielen beschrieben wird, versteht es sich, dass sich die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränken soll. Die Erfindung soll im Gegenteil nicht nur die Ausführungsbeispiele, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und andere Ausführungsbeispiele abdecken, die von Geist und Gültigkeitsbereich der Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, erfasst werden.
Es versteht sich, dass der Begriff ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugtechnisch” oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe allgemein Kraftfahrzeuge betreffen, wie Personenkraftwagen, einschließlich Komfort-Geländewagen (sports utility vehicles; SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wassermotorfahrzeuge einschließlich verschiedene Boote und Schiffe, Luftfahrzeuge und dgl. und auch Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (an der Steckdose aufladbar), Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin verwendet ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug mit zwei oder mehr Antriebsquellen, z. B. Fahrzeuge sowohl mit Benzin- als auch Elektroantrieb.
Außerdem versteht es sich, dass die nachstehenden Verfahren von mindestens einer Steuerung ausgeführt werden. Der Begriff Steuerung bezieht sich auf ein Hardware-Gerät, das einen Speicher und einen Prozessor enthält, der zum Ausführen eines oder mehrerer Schritt konfiguriert ist, die als seine algorithmische Struktur interpretiert werden sollten. Der Speicher ist zum Speichern der algorithmischen Schritte konfiguriert und der Prozessor ist speziell zur Ausführung der algorithmischen Schritte konfiguriert, um einen oder mehrere der nachstehend beschriebenen Prozesse auszuführen.
Die obigen und andere Merkmale der Erfindung werden nachstehend beschrieben.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung anhand der beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben, so dass der der Fachmann die vorliegende Offenbarung auf einfache Weise ausführen kann.
1 ist eine schematische Ansicht einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. Wie in 1 dargestellt kann die Luftzuführvorrichtung für die Brennstoffzelle, bei der es sich um eine Vorrichtung handelt, die in einem Brennstoffzellensystem mit einem Verdichter des Turbotyps angeordnet ist, um einem Stapel komprimierte Luft zuzuführen, eine Struktur und ein Verfahren aufweisen, dass einen hohen Austrittsdruck selbst bei dem für eine Brennstoffzellensystem erforderlichen niedrigen Durchsatz konstant halten kann.
Zu diesem Zweck kann die Luftzuführvorrichtung einen Verdichter 11 enthalten, der einem Stapel 10 Luft zuführt, einen die an den Stapel 10 gelieferte Luft befeuchtenden Befeuchter 21 und ein Druckregelventil 22, das den Druck des Abgases aus dem Befeuchter 21 regelt. Die komprimierte Luft vom Verdichter 11 kann dem Stapel 10 über den Befeuchter 21 zugeführt werden. Feuchtigkeitshaltige Luft aus dem Stapel 10 kann die dem Stapel 10 zugeführte Luft im Befeuchter 21 befeuchten, die über das Druckregelventil 22 in die Atmosphäre ausgeleitet wird.
Außerdem kann eine Umgehungsleitung 12 zwischen dem Auslass und dem Einlass des Verdichters 11, z. B. des Verdichters 11 des Turbotyps, angeschlossen sein. Mit anderen Worten, die Umgehungsleitung 12 kann von einer Leitung zwischen dem Auslass des Verdichters 11 und dem Befeuchter 21 abzweigen und am Einlass des Verdichters 11 angeschlossen sein. Außerdem kann ein Umgehungsventil 13 in der Umgehungsleitung 12 angeordnet sein. Das Umgehungsventil 13 kann von einer Steuerung (nicht dargestellt) des Brennstoffzellensystems gesteuert werden.
Somit kann ein Teil der vom Verdichter 11 dem Stapel 10 geführten Hochdruckluft abgezweigt und durch die Umgehungsleitung 12 je nachdem, ob das Umgehungsventil 13 geöffnet oder geschlossen ist, rückgeführt werden. Dabei kann das Umgehungsventil 13 ein Luftmengenregelventil enthalten, das den Luftdurchsatz durch die Umgehungsleitung 12 regeln kann.
Wie oben erwähnt kann das Umgehungsventil 13 von einer Steuerung des Brennstoffzellensystems so gesteuert werden, dass komprimierte Luft durch die Umgehungsleitung 12 rückgeführt wird. In diesem Fall kann der durch die Umgehungsleitung 12 rückgeführte Durchsatz der komprimierten Luft durch das Umgehungsventil 13 gesteuert werden.
Insbesondere kann ein Ejektor 14 zur Zufuhr einer großen Luftmenge bereitgestellt werden, wobei der Druck der zum Einlass des Verdichters 11 gelieferten Luft erhöht wird. Der Ejektor 14 kann zur Zufuhr einer großen Luftmenge zum Einlass des Verdichters 11 dienen, wobei der Druck der zum Einlass des Verdichters 11 gelieferten Luft durch den Venturi-Effekt erhöht wird. Zu diesem Zweck kann der Ejektor 14 eine Umgehungsluft-Eintrittsöffnung 15 zur Aufnahme der Umgehungsluft und einen Kammereintritt 20 zur Aufnahme der Außenluft, eine Saugkammer 16 zum Mischen der Umgehungsluft und der Außenluft und einen rohrförmigen Hals 17 aufweisen, dessen Durchmesser vom Einlass zum Auslass zunimmt.
Das heißt, die Saugkammer 16 mit dem an einer Seite ausgebildeten Kammereintritt 20 kann so angeordnet sein, dass sie die Außenluft aufnimmt, und die Außenluft kann durch den hinteren Endabschnitt der Saugkammer 16, d. h. den Kammereintritt 20, eingeleitet werden. Außerdem kann der Hals integral am vorderen Endabschnitt der Saugkammer ausgebildet sein und sich in Form eines Rohrs mit kontinuierlich größer werdendem Durchmesser zur Vorderseite (Strömungsrichtung der Luft) zu einem Halsauslass 18 erweitern.
Der Ejektor 14 kann an der Rückseite des Umgehungsventils 13 in der Umgehungsleitung 12 angeordnet sein. Die Umgehungsleitung 12 kann mit der an einer Seitenfläche des Ejektors 14 ausgebildeten Umgehungsluft-Eintrittsöffnung 15 verbunden sein, und der Hals 17 des Ejektors 14 kann mit dem Einlass des Verdichters 11 verbunden sein.
Ein (Filter/Durchsatz-)Sensor 19 kann außerdem in einer Leitung angeordnet sein, die vom Kammereintritt 20 aus verläuft, d. h. in einer Leitung, durch die Außenluft eingeleitet wird. Der Sensor 19 kann zum Messen der von außen eingeleiteten Luftmenge und zum Entfernen von Fremdstoffen dienen, und kann bekannte Filter-Sensoren und/oder Durchsatz-Sensoren enthalten.
Die durch die Umgehungsleitung 12 strömende Luft kann also durch die Umgehungsluft-Eintrittsöffnung 15 in die Saugkammer 16 geleitet und dann mit Außenluft gemischt werden, die durch den Kammereintritt 20 der Saugkammer 16 in die Kammer geleitet wird. Danach kann die Luft dem Verdichter 11 zugeführt werden, wobei ihr Druck durch den Hals 17 erhöht wird.
Ein Teil der Hochdruckluft aus dem Auslass des Verdichters 11 kann z. B. durch die Umgehungsleitung 12 zum Ejektor 14 geliefert und kontinuierlich durch die Umgehungsluft-Eintrittsöffnung 15 an einer Verengung der Saugkammer 16 angesaugt werden. In diesem Fall entsteht um den um die Verengung der Saugkammer 16 aufgrund der mit hoher Geschwindigkeit strömenden Außenluft ein sehr niedriger Druck, und durch den Kammereintritt 20 der Saugkammer 16 eingeleitete Außenluft kann mit der durch die Umgehungsluft-Eintrittsöffnung 15 angesaugten Umgehungsluft gemischt werden. Die gemischte Umgehungsluft und Außenluft können den Hals 17 passieren und dann komprimiert und mittels des Coanda-Effekts dem Verdichter 11 zugeführt werden.
Des Weiteren strömt komprimierte Luft vom Einlass in eine Ringkammer. Die zugeführte Luft kann durch einen Ringspalt gedrosselt werden und die resultierende dünne Luftschicht mit hoher Geschwindigkeit kann am Profil anliegen, das die Strömung um 90° dreht und nach unten durch die Öffnung strömt. Die Wirkung der mit hoher Geschwindigkeit über das Profil strömenden zugeführten Luft kann einen Druckabfall verursachen, der eine beträchtliche Menge Außenluft anzieht. Dieser angezogene Außenluftstrom kann verstärkt werden und durch Kontakt mit der zugeführten Luftströmung durch die Öffnung der Vorrichtung an Geschwindigkeit zunehmen.
2 ist eine schematische Ansicht eines Betriebszustandes einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung. 3 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Luftdurchsatz und dem Kompressionsverhältnis während des Betriebs einer Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Wenn es wie in 2 dargestellt während des Betriebs des Brennstoffzellensystems, z. B. wenn die Außentemperatur hoch ist und eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist, d. h. es ist einer hoher Betriebsdruck bei Betriebsbedingungen mit hoher Temperatur und niedrigem Luftdruck (d. h. in größerer Höhe) für den Betrieb bei relativ hohem Betriebsdruck (Druck der Zufuhrluft) und niedrigem stöchiometrischem Verhältnis (SR) (Luftvolumen) aufrechtzuerhalten, kann ein Teil der Hochdruckluft vom Auslass des Verdichters 11 zum Einlass des Verdichters 11 durch die Umgehungsleitung 12 rückgeführt werden.
Wenn wie in 2 dargestellt während des Betriebs des Brennstoffzellensystems z. B. eine höhere Ausgangsleistung erforderlich ist, steigen die Betriebstemperatur sowie der Betriebsdruck und das stöchiometrische Verhältnis (SR) (Luftvolumen) nimmt mit zunehmender Betriebstemperatur und niedrigem Luftdruck (d. h. in größerer Höhe) ab. Ein Teil der Hochdruckluft kann vom Auslass des Verdichters 11 zum Einlass des Verdichters 11 durch die Umgehungsleitung 12 rückgeführt werden.
In diesem Fall kann rückgeführte Hochdruckluft dem Ejektor 14 zugeführt werden und gleichzeitig kann Umgebungsluft in die Saugkammer 16 angesaugt werden, so dass eine große Luftmenge mit einem um einen bestimmten Grad erhöhten Druck zum Einlass des Verdichters 11 geliefert werden kann. Somit kann das Luftvolumen so erhöht werden, dass der Verdichter bei Vermeidung eines Pumpbereichs arbeiten kann, und die Luft komprimiert und mit rückgeführter Luft zugeführt werden kann, wodurch der Systemwirkungsgrad durch Verringerung der Leistungsaufnahme des Verdichters verbessert wird.
Wenn wie in 3 dargestellt der Systembetrieb von Normalbetrieb in einen Betriebszustand bei hoher Temperatur wechselt, kann das System gemäß dem Pfad a → b → c → d → e arbeiten, wodurch ein Eintreten des Verdichters in den Pumpbereich verhindert wird und das System effizient arbeiten kann.
Im Betrieb bei hoher Temperatur (und damit bei hoher Ausgangsleistung) des Brennstoffzellensystems kann also ein relativ hoher Druck/relativ niedriger Luftdurchsatz ohne ein Pumpen erreicht werden. Da außerdem der Eintrittsdruck des Verdichters aufgrund des Betriebs des Ejektors ansteigt, kann die Leistungsaufnahme des Verdichters gesenkt werden.
Wie die nachstehenden Gleichungen 1 und 2 zeigen, kann bei steigendem P_in (Saugdruck des Verdichters) die Leistungsaufnahme des Verdichters deutlich abnehmen.
Dabei bedeutet air_{_usage} den Luftverbrauch (kg/sec) und SR_{_air} das stöichiometrische Verhältnis. Ferner bedeutet P_e die Stapelleistung (Watt) und V_c die durchschnittliche Spannung der Zelle.
Hier bedeutet P_compressor die Leistungsaufnahme des Verdichters (Watt) und C_{p_air} die spezifische Wärme bei konstantem Luftdruck (1004 j/kgK). T_in bedeutet die Temperatur der angesaugten Luft (K) und η_{c_overall} gibt den Gesamtwirkungsgrad des Verdichters an. Ferner bedeutet k das spezifische Wärmeverhältnis der Luft (Cp/Cv 1,4) und P_out den Austrittsdruck des Verdichters (kPa). P_in bedeutet den Saugdruck des Verdichters (kPa).
Im Folgenden wird ein Verfahren für den allgemeinen Betrieb der Luftzuführvorrichtung für die Brennstoffzelle wie folgt beschrieben.
Bei einer Ausführungsform unter Betriebsbedingungen bei hoher Temperatur, die eine hohe Ausgangsleistung erfordern, kann in einer Situation, in der bei Betrieb des Brennstoffzellensystems Hochdruckluft aus dem Verdichter über den Befeuchter zum Stapel geliefert wird, ein Prozess des Rückführens eines Teils der Luft vom Auslass des Verdichters zum Einlass des Verdichters ausgeführt werden.
In diesem Fall kann ein Prozess ausgeführt werden, bei dem die während des Rückführungsprozesses rückgeführte Luft und die in die Saugkammer eingeleitete Außenluft gemischt werden und gleichzeitig die gemischte Luft mit einem höheren Luftdruck zum Einlass des Verdichters geliefert wird. Dabei kann der Druck der dem Einlass des Verdichters zugeführten Luft im Ejektor mittels des Venturi-Effekts erhöht werden. Somit kann der Verdichter unter Vermeidung eines Pumpbereichs betrieben werden und der Gesamtwirkungsgrad des Systems kann verbessert werden, wobei ein hoher Druck und ein relativ niedriger Durchsatz der für das Brennstoffzellensystem erforderlichen Luft eingehalten werden.
Die Luftzuführvorrichtung und das Verfahren für eine Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung haben die folgenden Vorteile:
Erstens wird ein Teil der Hochdruckluft vom Auslass eines Verdichters zum Einlass des Verdichters rückgeführt und eine große Luftmenge, deren Druck bis zu einem bestimmten Grad durch Mischen der Hochdruckluft mit Umgebungsluft erhöht wird, wird zum Einlass des Verdichters geliefert. Da also der für eine Brennstoffzelle eingesetzte Verdichter des Turbotyps einen hohen Luftdruck selbst bei einem für ein Brennstoffzellensystem erforderlichen niedrigen Durchsatz aufrechterhalten kann, kann der Verdichter unter Vermeidung eines Pumpbereichs arbeiten.
Zweitens wird der Druck der dem Verdichter zugeführten Luft mittels der rückgeführten Luft erhöht. Da also die Leistungsaufnahme des Verdichters verringert wird, kann der Wirkungsgrad des Systems verbessert werden.
Drittens kann ein von einer Steuerung des Brennstoffzellensystems gesteuertes Umgehungsventil entsprechend den Zuständen geeignet betätigt werden. Das Umgehungsventil kann z. B. bestimmen, ob Luft rückzuführen ist oder nicht und den Luftdurchsatz regeln, wenn die Rückführung der komprimierten Luft erforderlich ist.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben worden. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass Änderungen dieser Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Gültigkeitsbereich in den angefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-123550 [0005]
JP 2008-103228 [0005]
KR 10-2013-0078697 [0005]
JP 2004-235076 [0013]

Claims

Luftzuführvorrichtung für eine Brennstoffzelle, aufweisend: einen Verdichter, der zur Zufuhr von Luft zu einem Brennstoffzellenstapel konfiguriert ist; eine Umgehungsleitung, die zwischen einem Auslass und einem Einlass des Verdichters angeschlossen ist; ein Umgehungsventil, das in der Umgehungsleitung angeordnet ist; und einen Ejektor, der Umgehungsluft und Außenluft ansaugt, den Luftdruck im Stapel erhöht und dann die gemischte Luft zum Einlass des Verdichters liefert, wobei der Ejektor Umgebungsluft ansaugt, um Luft mit erhöhtem Druck zum Einlass des Verdichters zu liefern, während er einen Teil der Luft vom Auslass des Verdichters zum Einlass des Verdichters rückführt.
Luftzuführvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Ejektor enthält: eine Umgehungsluft-Eintrittsöffnung, die die Umgehungsluft aufnimmt; einen Kammereintritt, der die Außenluft aufnimmt; eine Saugkammer, in der die Umgehungsluft und die Außenluft gemischt werden; und einen Hals mit größer werdendem Durchmesser.
Luftzuführvorrichtung nach Anspruch 1, die einen Sensor aufweist, der an einer Seite eines Eintritts des Ejektors angeordnet ist, um den Durchsatz der von außen eingeleiteten Luft zu messen und Fremdstoffe auszufiltern.
Luftzuführvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das in der Umgehungsleitung angeordnete Umgehungsventil von einer Steuerung gesteuert wird, die zum Steuern konfiguriert ist, ob komprimierte Luft rückgeführt wird oder nicht und zum Regeln des Luftdurchsatzes.
Luftzuführvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verdichter einen Verdichter des Turbotyps aufweist.
Luftzuführverfahren für eine Brennstoffzelle, aufweisend: Rückführen eines Teils der Luft von einem Auslass eines Verdichters zurück zu einem Einlass des Verdichters, die vom Verdichter an einen Brennstoffzellenstapel zu liefern ist, wobei die rückgeführte Luft und die von außen eingeleitete Außenluft gemischt und mit einem hinreichenden Luftdruck zum Einlass des Verdichters geliefert werden, damit der Verdichter einen Pumpbereich vermeiden kann und dem Brennstoffzellenstapel Luft mit hohem Druck und niedrigem Durchsatz bereitstellen kann.
Luftzuführverfahren nach Anspruch 6, wobei der Druck der zum Einlass des Verdichters gelieferten Luft in einem Ejektor mittels des Venturi-Effektes erhöht wird und die Luft dann dem Einlass des Verdichters zugeführt wird.