DE102017208544A1 - Anode subsystem and method for recirculating fuel - Google Patents

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Abstract

Die offenbarte Technologie betrifft ein Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems. Das Anodensubsystem umfasst:
- einen Anodenzuströmungspfad 215, wobei der Anodenzuströmungspfad 215 mindestens eine Brennstoffquelle H2 mit einer Anode A eines Brennstoffzellenstapels 300 verbindet;
- mindestens einen Rezirkulationsströmungspfad 216, der stromab vom Brennstoffzellenstapel 300 beginnt und stromauf vom Brennstoffzellenstapel 300 an einer Mündung 214 in den Anodenzuströmungspfad 215 mündet;
- mindestens einen Rezirkulationsförderer 236, der im Rezirkulationsströmungspfad 216 angeordnet ist;
- mindestens eine Rezirkulationsstrahlpumpe 234, die im Anodenzuströmungspfad 215 stromab oder stromauf von der Mündung 214 angeordnet ist; und
- mindestens einen Bypassströmungspfad 218, der stromab vom Rezirkulationsförderer 236 abzweigt und in der Rezirkulationsstrahlpumpe 234 mündet.

Figure DE102017208544A1_0000
The disclosed technology relates to an anode subsystem of a fuel cell system. The anode subsystem includes:
an anode inflow path 215, wherein the anode inflow path 215 connects at least one fuel source H2 to an anode A of a fuel cell stack 300;
at least one recirculation flow path 216 starting downstream of the fuel cell stack 300 and leading upstream of the fuel cell stack 300 at an orifice 214 into the anode inflow path 215;
at least one recirculation conveyor 236 disposed in the recirculation flow path 216;
at least one recirculation jet pump 234 disposed in the anode inflow path 215 downstream or upstream of the orifice 214; and
- At least one bypass flow path 218, which branches off downstream of the recirculation conveyor 236 and opens in the recirculation jet pump 234.
Figure DE102017208544A1_0000

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems. Solche Systeme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Aus dem Stand der Technik ist ferner bekannt, zumindest einen Teil des nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmenden Gases zu rezirkulieren. Hierzu werden Rezirkulationsförderer und Ejektoren eingesetzt, die im Rezirkulationströmungspfad hintereinander angeordnet sind. Die Rezirkulation von Brennstoff erfordert elektrische Energie, die den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verringert.The technology disclosed herein relates to an anode subsystem of a fuel cell system. Such systems are known in the art. It is also known from the prior art to recirculate at least part of the gas flowing out of the fuel cell stack after the electrochemical reaction in the fuel cell stack. For this purpose, recirculation conveyors and ejectors are used, which are arranged one behind the other in the recirculation flow path. The recirculation of fuel requires electrical energy that reduces the overall efficiency of the fuel cell system.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mit vergleichsweise einfachen Mitteln zu verbessern, insbesondere durch Verringerung der elektrischen Verlustleistung vom Brennstoffzellensystem. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to suggest an alternative solution. In particular, it is a preferred object of the technology disclosed here to improve the overall efficiency of the fuel cell system with comparatively simple means, in particular by reducing the electrical power loss of the fuel cell system. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Anodensubsystem von einem Brennstoffzellensystem. Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flmion® und Aciplex®.The technology disclosed herein relates to an anode subsystem of a fuel cell system. The technology disclosed herein further relates to a fuel cell system having at least one fuel cell. The fuel cell system is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles (for example passenger cars, motorcycles, commercial vehicles), in particular for providing the energy for at least one drive machine for locomotion of the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. The fuel cell includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is supplied with oxidant. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flmion® and Aciplex®.

Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.A fuel cell system comprises, in addition to the at least one fuel cell, peripheral system components (BOP components) which can be used during operation of the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack or stack.

Das Anodensubsystem wird von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet. Ein Anodensubsystem kann mindestens eine Brennstoffquelle (z.B. ein Druckbehälter), mindestens ein Tankabsperrventil, mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenzuströmungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationsströmungspfad, mindestens einen Wasserabscheider, mindestens ein Anodenspülventil, mindestens einen Brennstoff-Rezirkulationsförderer und/oder mindestens eine Rezirkulationsstrahlpumpe sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.The anode subsystem is formed by the fuel-carrying components of the fuel cell system. An anode subsystem may include at least one fuel source (eg, a pressure vessel), at least one tank shut-off valve, at least one pressure reducer, at least one anode flow path leading to the anode inlet of the fuel cell stack, an anode space in the fuel cell stack, at least one recirculation flow path leading away from the anode outlet of the fuel cell stack, at least one water purge, at least one anode purge valve , at least one fuel recirculation conveyor and / or at least one recirculation jet pump and further elements. The main task of the Anodensubsystems is the introduction and distribution of fuel to the electrochemically active surfaces of the anode compartment and the removal of anode exhaust gas.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.The fuel cell system includes a cathode subsystem. The cathode subsystem is formed from the oxidant-carrying components. A cathode subsystem may comprise at least one oxidant promoter, at least one cathode feed line leading to the cathode inlet, at least one cathode waste gas line leading away from the cathode outlet, a cathode space in the fuel cell stack, and further elements. The main task of the cathode subsystem is the introduction and distribution of oxidant to the electrochemically active surfaces of the cathode compartment and the removal of unconsumed oxidant.

Der Anodenzuströmungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen der mindestens einen Brennstoffquelle und der Anode des Brennstoffzellenstapels her. Der Anodenzuströmungspfad kann durch mehrere Anodenzuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Anodenzuströmungspfad miteinander verbinden.The anode inflow path establishes fluid communication between the at least one fuel source and the anode of the fuel cell stack. The anode feed path may be formed by a plurality of anode feeders interconnecting the various components in the anode feed path.

Der mindestens eine Rezirkulationsströmungspfad wird auch als Rezirkulationskreis des Anodensubsystems bezeichnet und beginnt i.d.R. am Anodenauslass vom Brennstoffzellenstapel. Der Rezirkulationsströmungspfad mündet stromauf vom Brennstoffzellenstapel an einer Mündung in den Anodenzuströmungspfad. Bei vorbekannten Lösungen ist diese Mündung in der Rezirkulationsstrahlpumpe vorgesehen, sofern das System eine Rezirkulationsstrahlpumpe umfasst. Der Rezirkulationsströmungspfad wird in der Regel durch mehrere Rezirkulationsleitungen ausgebildet, die die im Rezirkulationsströmungspfad angeordneten Komponenten miteinander verbinden. Ein solches Rezirkulationssystem stellt sicher, dass der während der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel unverbrauchte Brennstoff zumindest teilweise wiederverwendet wird und nicht unverbraucht in die Atmosphäre abgelassen wird. Überdies kann die Rezirkulation auch eine Gasgleichverteilung im Brennstoffzellenstapel (z.B. von H2/N2) und eine bessere Membranbefeuchtung bewirken.The at least one recirculation flow path is also referred to as the recirculation circuit of the anode subsystem and usually starts at the anode outlet from the fuel cell stack. The recirculation flow path opens upstream of the fuel cell stack at an orifice in the Anodenzuströmungspfad. In prior art solutions, this orifice is provided in the recirculation jet pump, as long as the system comprises a recirculation jet pump. The recirculation flow path is typically formed by a plurality of recirculation conduits interconnecting the components disposed in the recirculation flow path. Such a recirculation system ensures that the fuel not consumed during the electrochemical reaction in the fuel cell stack is at least partially reused and not discharged to the atmosphere unconsumed. Moreover, the recirculation can also cause a gas uniform distribution in the fuel cell stack (eg of H2 / N2) and a better membrane humidification.

Das Anoden-Subsystem umfasst mindestens einen Rezirkulationsförderer zur Förderung von Brennstoff in den Anodenzuströmungspfad. Der Rezirkulationsförderer ist zweckmäßig im Rezirkulationsströmungspfad angeordnet. Der Rezirkulationsförderer wird insbesondere nicht von einer Strahlpumpe ausgebildet. Bevorzugt ist der Rezirkulationsförderer als als aktiver Rezirkulationsförderer ausgebildet. Der Rezirkulationsförderer kann beispielsweise ein(e) elektrisch angetriebene(r) Pumpe oder Lüfter sein.The anode subsystem includes at least one recirculation conveyor for conveying fuel into the anode inflow path. The recirculation conveyor is suitably arranged in the recirculation flow path. In particular, the recirculation conveyor is not formed by a jet pump. Preferably, the recirculation conveyor is designed as an active recirculation conveyor. The recirculation conveyor may be, for example, an electrically driven pump or fans.

Das Anodensubsystem umfasst ferner mindestens eine Rezirkulationsstrahlpumpe. Die Rezirkulationsstrahlpumpe ist im Anodenzuströmungspfad angeordnet. Strahlpumpen bzw. Saugstrahlpumpe als solche sind bekannt. Sie sind als Venturidüse-Düse ausgebildet. Eine Strahlpumpe umfasst generell ein Rohrstück mit einer Querschnittsverengung, bspw. durch zwei gegeneinander gerichtete Konen, die an der Stelle ihres geringsten Durchmessers vereint sind. An dieser verengten Stelle oder benachbart hierzu endet ein Förderkanal (hier der Bypassströmungspfad). Das Ende des Förderkanals wird mit dem durch das Rohrstück strömende Medium (hier Brennstoff) umströmt, das als Treibmittel fungiert. Mit einer solchen Strahlpumpe lässt sich vorteilhaft die im Treibmittel enthaltene Strömungsenergie zum Fördern des Fördermediums (hier zu rezirkulierendes Gas) aus dem Förderkanal nutzen. Eine solche Strahlpumpe ist vergleichsweise günstig, ausfallsicher und benötigt vergleichsweise wenig Platz. Besonders bevorzugt ist die Strahlpumpe ein Ejektor; also eine Strahlpumpe, die einen Unterdruck erzeugt und somit eine absaugende Wirkung hat.The anode subsystem further includes at least one recirculation jet pump. The recirculation jet pump is disposed in the anode inflow path. Jet pumps or suction jet pump as such are known. They are designed as venturi nozzle. A jet pump generally comprises a pipe section with a cross-sectional constriction, for example by two oppositely directed cones, which are united at the point of their smallest diameter. At this constricted point or adjacent thereto ends a delivery channel (here the bypass flow path). The end of the conveying channel is flowed around with the flowing through the pipe section medium (here fuel), which acts as a propellant. With such a jet pump, the flow energy contained in the blowing agent can advantageously be used for conveying the delivery medium (gas to be recirculated here) from the delivery channel. Such a jet pump is comparatively cheap, failsafe and requires comparatively little space. Particularly preferably, the jet pump is an ejector; So a jet pump, which generates a negative pressure and thus has a suction effect.

Die Rezirkulationsstrahlpumpe ist hier stromab oder stromauf von der Mündung des Rezirkulationsströmungspfads angeordnet. Mit anderen Worten unterscheidet sich die hier offenbarte Technologie vom Stand der Technik unter anderem dadurch, dass der Rezirkulationsströmungspfad nicht in der Rezirkulationsstrahlpumpe mündet. Insbesondere mündet nicht der Teil vom Rezirkulationsströmungspfad in der Rezirkulationsstrahlpumpe, der stromab vom Rezirkulationsförderer angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist die Rezirkulationsstrahlpumpe im Anodensubsystem derart angeordnet, dass zu rezirkulierende Gase angesaugt werden können, ohne dass der Rezirkulationsförderer dabei den Strömungswiderstand im Rezirkulationsströmungspfad vergrößert.The recirculation jet pump is located downstream of or upstream of the orifice of the recirculation flow path. In other words, the technology of the prior art disclosed herein differs, inter alia, in that the recirculation flow path does not open in the recirculation jet pump. In particular, the part of the recirculation flow path does not open in the recirculation jet pump located downstream of the recirculation conveyor. Particularly preferably, the recirculation jet pump is arranged in the anode subsystem such that gases to be recirculated can be sucked in without the recirculation conveyor increasing the flow resistance in the recirculation flow path.

Insbesondere kann die Rezirkulationsstrahlpumpe derart ausgebildet sein, dass der von der Brennstoffquelle bereitgestellte Brennstoff als Treibmittel der Strahlpumpe dient.In particular, the recirculation jet pump can be designed such that the fuel provided by the fuel source serves as a propellant of the jet pump.

Gemäß der hier offenbarten Technologie umfasst das Anodensubsystem mindestens einen Bypassströmungspfad. Der Bypassströmungspfad zweigt stromab vom Rezirkulationsförderer vom Rezirkulationsströmungspfad ab. According to the technology disclosed herein, the anode subsystem includes at least one bypass flowpath. The bypass flow path branches off the recirculation flow path downstream of the recirculation conveyor.

Der Bypassströmungspfad mündet gemäß der hier offenbarten Technologie in die Rezirkulationsstrahlpumpe.The bypass flowpath opens into the recirculation jet pump in accordance with the technology disclosed herein.

Bevorzugt kann das Anodensubsystem ferner einen Wasserabscheider umfassen. Der Wasserabscheider kann im Rezirkulationsströmungspfad stromab vom Brennstoffzellensystem und stromauf vom Rezirkulationsförderer angeordnet sein. Wasserabscheider als solche sind bekannt. Ein Wasserabscheider ist eine technische Vorrichtung, um aus Gasgemischen, Aerosolen oder Suspensionen Wasser abzutrennen. Hierbei können unterschiedliche Bauformen und Funktionsprinzipien eingesetzt werden. Bevorzugt kommt ein Flüssigwasserabscheider mit Strömungsumleitung durch Abscheideflächen zum Einsatz. Besonders bevorzugt zweigt der Bypassströmungspfad stromab vom Wasserabscheider und stromauf vom Rezirkulationsförderer vom Rezirkulationsströmungspfad ab.Preferably, the anode subsystem may further comprise a water separator. The water separator may be disposed in the recirculation flow path downstream of the fuel cell system and upstream of the recirculation conveyor. Water separators as such are known. A water separator is a technical device for separating water from gas mixtures, aerosols or suspensions. Here, different designs and operating principles can be used. Preferably, a liquid water separator with flow diversion through separation surfaces is used. More preferably, the bypass flow path branches off the recirculation flow path downstream of the water separator and upstream of the recirculation conveyor.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zur Rezirkulation von Brennstoff in dem hier offenbarten Anodensubsystem. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach durch die Rezirkulationsstrahlpumpe aus dem Bypassströmungspfad Brennstoff zur Rezirkulation angesaugt wird. Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach der Rezirkulationsförderer zur Rezirkulation zumindest einen Teil des im Rezirkulationsströmungspfad vorhandenen Brennstoffs in den Anodenzuströmungspfad fördert. Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach

  • - in einem ersten Betriebspunkt bzw. Lastpunkt des Brennstoffzellensystems zeitgleich der Rezirkulationsförderer und die Rezirkulationsstrahlpumpe zur Rezirkulation Brennstoffs in den Anodenzuströmungspfad fördern; und
  • - wobei in einem zweiten Betriebspunkt bzw. Lastpunkt des Brennstoffzellensystems nur der Rezirkulationsförderer oder nur die Rezirkulationsstrahlpumpe zur Rezirkulation Brennstoffs in den Anodenzuströmungspfad fördern.
The technology disclosed herein further relates to a method of recirculating fuel in the anode subsystem disclosed herein. The method includes the step of drawing fuel for recirculation from the bypass flowpath through the recirculation jet pump. The method disclosed herein may further comprise the step of recirculating the recirculation conveyor to deliver at least a portion of the fuel present in the recirculation flow path to the anode feed path. The method may further comprise the step of:
  • at a first operating point or load point of the fuel cell system at the same time, the recirculation conveyor and the recirculation jet pump promote recirculation of fuel into the anode feed path; and
  • - wherein in a second operating point of the fuel cell system, only the recirculation conveyor or only the recirculation jet pump for recirculating fuel into the anode feed path.

Bevorzugt unterscheiden sich der erste und zweite Betriebspunkt in mindestens einem Wert, der indikativ ist für i) die vom Brennstoffzellensystem bereitzustellen Leistung und/oder ii) von der Brennstoffquelle bereitzustellenden Menge an Brennstoff.Preferably, the first and second operating points differ in at least one value which is indicative of i) the power to be provided by the fuel cell system and / or ii) the amount of fuel to be supplied by the fuel source.

Insbesondere kann das hier offenbarte Verfahren den Schritt umfassen,

  • - wonach im ersten Betriebspunkt eine geringere Leistung vom Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird als im zweiten Betriebspunkt; und/oder
  • - wonach im ersten Betriebspunkt eine geringere Menge an Brennstoff bereitgestellt wird als im zweiten Betriebspunkt
In particular, the method disclosed herein may include the step of
  • - That at the first operating point, a lower power from the fuel cell system is provided than at the second operating point; and or
  • - That at the first operating point, a smaller amount of fuel is provided than at the second operating point

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein System und ein Verfahren zur Verringerung der Verlustleistung während der Rezirkulation. Insbesondere werden zusätzliche Strömungsverluste vermieden, die die Saugpumpe (= Rezirkulationsstrahlpumpe) über die Rezirkulationspumpe (= Rezirkulationsförderer) oder die Rezirkulationspumpe über die Saugpumpe zu den jeweiligen Betriebszuständen zu überwinden haben. Statt einer seriellen Anordnung von Rezirkulationspumpe und Saugpumpe wird gemäß der hier offenbarten Technologie eine parallele Anordnung vorgeschlagen. Eine entsprechende Auslegung des Anodenkreises kann hierbei eine Rezirkulation über die Saugpumpe statt über den BZ-Stack im Niederlastbetrieb bei geringen Versorgungsmassenströmen verhindern. Insbesondere kann bzw. darf der Frischbrennstoffmassenstrom (Treibmedium des Ejektors) nicht über den Rezirkulationspfad in den Stack gelangen.In other words, the technology disclosed herein relates to a system and method for reducing power dissipation during recirculation. In particular, additional flow losses are avoided, which have to overcome the suction pump (= recirculation jet pump) via the recirculation pump (= recirculation conveyor) or the recirculation pump via the suction pump to the respective operating conditions. Instead of a serial arrangement of recirculation pump and suction pump, a parallel arrangement is proposed according to the technology disclosed herein. A corresponding design of the anode circuit can in this case prevent recirculation via the suction pump instead of the BZ stack in low load operation at low supply mass flows. In particular, the fresh fuel mass flow (driving medium of the ejector) can not or may not reach the stack via the recirculation path.

Gemäß der hier offenbarten Technologie können die Strömungsverluste während der Rezirkulation verringert werden. Somit kann ebenfalls die elektrische Verlustleistung während der Rezirkulation verringert werden, wodurch die Energieeffizienz des gesamten Brennstoffzellensystems verbessert werden kann.According to the technology disclosed herein, the flow losses during recirculation can be reduced. Thus, also the electrical power loss during the recirculation can be reduced, whereby the energy efficiency of the entire fuel cell system can be improved.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik; und
  • 2 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß der hier offenbarten Technologie.
The technology disclosed herein will now be explained with reference to the figures. Show it:
  • 1 a schematic view of a fuel cell system according to the prior art; and
  • 2 a schematic view of a fuel cell system according to the technology disclosed herein.

In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Durch einen Oxidationsmittelförderer 410 wird Oxidationsmittel O2 angesaugt, welches anschließend durch den Wärmetauscher 420 gekühlt wird, bevor es in die Kathode K des Brennstoffzellenstapels 300 gelangt. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 gelangt das Abgas durch die Abgasleitung 415 in die Atmosphäre. Stromauf vom ersten kathodenseitigen Brennstoffzellen-Absperrventil 430 zweigt hier der kathodenseitige Bypass 460 ab und mündet stromab vom zweiten kathodenseitigen Brennstoffzellen-Absperrventil 440 in die Abgasleitung 415. In the 1 a fuel cell system according to the prior art is shown. By an oxidizer conveyor 410 is sucked oxidant O2, which is then passed through the heat exchanger 420 is cooled before entering the cathode K of the fuel cell stack 300 arrives. After the electrochemical reaction in the fuel cell stack 300 the exhaust gas passes through the exhaust pipe 415 into the atmosphere. Upstream of the first cathode-side fuel cell shut-off valve 430 branches here the cathode-side bypass 460 from and opens downstream of the second cathode-side fuel cell shut-off valve 440 in the exhaust pipe 415 ,

Eine Brennstoffquelle H2 stellt hier Brennstoff für die elektrochemische Reaktion bereit. Der Brennstoff kann beispielsweise in einem Druckbehälter (nicht gezeigt) gespeichert sein. Nach dem Ausströmen aus dem Druckbehälter wird der Brennstoff durch den Druckminderer 211 auf ein niedrigeres Druckniveau gebracht. Der Brennstoff strömt dann weiter durch den Anodenzuströmungspfad 215 in die Anode A des Brennstoffzellenstapels 300. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 verlässt das Gas den Brennstoffzellenstapel 300 und strömt in den Rezirkulationsströmungspfad 216. Im Anodenabgas enthaltenes Flüssigwasser kann durch den Wasserabscheider 232 abgeschieden werden. Stromab vom Wasserabscheider 232 ist hier das Anodenspülventil 238 angeordnet. Das abgeschiedene Wasser sowie gegebenenfalls abzulassendes Purge-Gas kann durch die Anodenspülleitung 239 abgelassen werden. Stromab vom Wasserabscheider 232 im Rezirkulationsströmungspfad 216 sind hier der Rezirkulationsförderer 236 sowie der Ejektor 234 angeordnet, die hier in Reihe geschaltet sind. Das zu rezirkulieren Gas durchströmt also während der Rezirkulation immer den Rezirkulationsförderer 236 und dem Ejektor 234. Somit kommt es zu vergleichsweise hohen Strömungsverlusten.A fuel source H2 provides fuel for the electrochemical reaction. For example, the fuel may be stored in a pressure vessel (not shown). After flowing out of the pressure vessel, the fuel passes through the pressure reducer 211 brought to a lower pressure level. The fuel then continues to flow through the anode inflow path 215 into the anode A of the fuel cell stack 300 , After the electrochemical reaction in the fuel cell stack 300 the gas leaves the fuel cell stack 300 and flows into the recirculation flow path 216 , Liquid water contained in the anode exhaust gas can pass through the water separator 232 be deposited. Downstream of the water separator 232 Here is the anode purge valve 238 arranged. The separated water and any purge gas to be discharged can through the Anodenspülleitung 239 be drained. Downstream of the water separator 232 in the recirculation flow path 216 Here are the recirculation promoters 236 as well as the ejector 234 arranged, which are connected in series here. The gas to be recirculated therefore always flows through the recirculation conveyor during recirculation 236 and the ejector 234 , Thus, there are comparatively high flow losses.

In der 2 ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der hier offenbarten Technologie dargestellt. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zum Stand der Technik erläutert. Der Bypassströmungspfad 218 zweigt hier stromab vom Wasserabscheider 232 und stromauf vom Rezirkulationsförderer 236 vom Rezirkulationsströmungspfad 216 ab. Der Bypassströmungspfad 218 mündet hier in der Rezirkulationsstrahlpumpe 234. Die Rezirkulationsstrahlpumpe 234 ist hier stromauf von der Mündung 214 angeordnet. Ebenso könnte die Rezirkulationsstrahlpumpe 234 auch stromab von der Mündung 214 angeordnet sein. Der Rezirkulationsströmungspfad 216, insbesondere dessen Rezirkulationsabschnitt 217, der stromab vom Rezirkulationsförderer 236 angeordnet ist, endet in dieser Mündung 214. Mit anderen Worten sind also der Rezirkulationsabschnitt 217 und der Bypassströmungspfad 218 fluidisch parallel zueinander angeordnet. Gemäß der hier offenbarten Technologie sind also der Rezirkulationsförderer 236 und der Ejektor 234 nicht in Reihe angeordnet. Somit müssen also während der Rezirkulation nicht zwangsweise beide Komponenten durchströmt werden, wodurch der Gesamtströmungswiderstand verringert werden kann, insbesondere in den Betriebspunkten, in denen lediglich der Rezirkulationsförderer 236 oder der Ejektor 234 alleine zur Rezirkulation Gas in den Anodenzuströmungspfad fördern.In the 2 a fuel cell system according to the technology disclosed herein is shown. Only the differences from the prior art will be explained below. The bypass flow path 218 branches here downstream of the water separator 232 and upstream of the recirculation conveyor 236 from the recirculation flow path 216 from. The bypass flow path 218 opens here in the recirculation jet pump 234 , The recirculation jet pump 234 is here upstream of the estuary 214 arranged. Likewise, the recirculation jet pump 234 also downstream of the estuary 214 be arranged. The recirculation flow path 216 , in particular its recirculation section 217 , which is downstream from the recirculation conveyor 236 is arranged ends in this mouth 214 , In other words, therefore, the recirculation section 217 and the bypass flow path 218 arranged fluidically parallel to each other. Thus, according to the technology disclosed herein, the recirculation conveyor 236 and the ejector 234 not arranged in series. Thus, during the recirculation, therefore, it is not necessary for both components to be flowed through, as a result of which the total flow resistance can be reduced, in particular in the operating points in which only the recirculation conveyor 236 or the ejector 234 solely for recirculation, promote gas into the anode feed path.

Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Anodenzuströmungspfad, das/ein Rohr, der/ein Rezirkulationsströmungspfad, die/eine Brennstoffquelle, die/eine Rezirkulationsstrahlpumpe, der/ein Rezirkulationsförderer, der/ein Bypassströmungspfad, der/ein Wasserabscheider, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Anodenzuströmungspfad, das mindestens eine Rohr, der mindestens eine Rezirkulationsströmungspfad, die mindestens eine Brennstoffquelle, die mindestens eine Rezirkulationsstrahlpumpe, der mindestens eine Rezirkulationsförderer, der mindestens eine Bypassströmungspfad, der mindestens eine Wasserabscheider etc.).For the sake of legibility, the term "at least one" has been omitted for simplicity. If a feature of the technology disclosed herein is described in singular form (eg, the / an anode inflow path, the / a pipe, the recirculation flow path, the / a fuel source, the recirculation jet pump, the recirculation conveyor, the / Bypass flow path, the / a water separator, etc.) should also at the same time be disclosed with its plurality (eg the at least one anode inflow path, the at least one tube, the at least one recirculation flow path, the at least one fuel source, the at least one recirculation jet pump, the at least one recirculation conveyor , the at least one bypass flow path, the at least one water separator, etc.).

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

Brennstoffzellenstapel AnodensubsystemFuel cell stack anode subsystem
300300
Anodenraumanode chamber
AA
Druckbehälterpressure vessel
100100
Druckmindererpressure reducer
211211
Mündungmuzzle
214214
AnodenzuströmungspfadAnodenzuströmungspfad
215215
Rezirkulationsströmungspfadrecirculation flow
216216
Abschnittsection
217217
BypassströmungspfadBypass flow path
218218
Wasserabscheider (= AWS)Water separator (= AWS)
232232
AnodenspülventilAnodenspülventil
232232
Ejektorejector
234234
RezirkulationsfördererRezirkulationsförderer
236236
AnodenspülventilAnodenspülventil
238238
AnodenspülleitungAnodenspülleitung
239239
Brennstoffquellefuel source
H2 H2
Kathodensubsystem KathodenraumCathode subsystem cathode compartment
KK
OxidationsmittelfördererOxidant conveyor
410410
Kathodenzuleitungcathode lead
415415
Wärmetauscherheat exchangers
420420
Zuleitungs-DruckhalteventilLead line pressure holding valve
430430
Abgas-DruckhalteventilExhaust pressure holding valve
440440
KathodenabgasleitungCathode exhaust gas line
416416
Brennstoffzellen-BypassFuel cell bypass
460460
Oxidationsmitteloxidant
O2O2

Claims (8)

Anodensubsystem eines Brennstoffzellensystems, umfassend: - einen Anodenzuströmungspfad (215), wobei der Anodenzuströmungspfad (215) mindestens eine Brennstoffquelle (H2) mit einer Anode (A) eines Brennstoffzellenstapels (300) verbindet; - mindestens einen Rezirkulationsströmungspfad (216), der stromab vom Brennstoffzellenstapel (300) beginnt und stromauf vom Brennstoffzellenstapel (300) an einer Mündung (214) in den Anodenzuströmungspfad (215) mündet; - mindestens einen Rezirkulationsförderer (236), der im Rezirkulationsströmungspfad (216) angeordnet ist; - mindestens eine Rezirkulationsstrahlpumpe (234), die i) im Anodenzuströmungspfad (215) stromab oder stromauf von der Mündung (214) oder ii) im Anodenzuströmungspfad (215) parallel zur Mündung (214) angeordnet ist; und - mindestens einen Bypassströmungspfad (218), der stromab vom Rezirkulationsförderer (236) abzweigt und in der Rezirkulationsstrahlpumpe (234) mündet.Anode subsystem of a fuel cell system, comprising: an anode inflow path (215), the anode inflow path (215) connecting at least one fuel source (H2) to an anode (A) of a fuel cell stack (300); - at least one recirculation flow path (216) starting downstream of the fuel cell stack (300) and leading upstream of the fuel cell stack (300) at an orifice (214) into the anode inflow path (215); - at least one recirculation conveyor (236) disposed in the recirculation flow path (216); - At least one recirculation jet pump (234), the i) in the anode inflow path (215) downstream or upstream of the orifice (214) or ii) is disposed in the anode inflow path (215) parallel to the mouth (214); and - At least one bypass flow path (218), which branches off downstream of the recirculation conveyor (236) and in the recirculation jet pump (234) opens. Anodensubsystem nach Anspruch 1, wobei die Rezirkulationsstrahlpumpe (234) derart ausgebildet ist, dass der von der Brennstoffquelle bereitgestellte Brennstoff als Treibmittel dient.Anode subsystem after Claim 1 wherein the recirculation jet pump (234) is configured such that the fuel provided by the fuel source serves as a propellant. Anodensubsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Rezirkulationsförderer (236) nicht eine Strahlpumpe ist.Anode subsystem after Claim 1 or 2 wherein the recirculation conveyor (236) is not a jet pump. Verfahren zur Rezirkulation von Brennstoff in einem Anodensubsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, das Verfahren umfasst den Schritt, wonach durch die Rezirkulationsstrahlpumpe (234) aus dem Bypassströmungspfad (218) Brennstoff angesaugt wird.Process for the recirculation of fuel in an anode subsystem according to one of the preceding Claims, the method comprises the step of drawing fuel from the bypass flowpath (218) by the recirculation jet pump (234). Verfahren nach Anspruch 4, ferner umfassend den Schritt, wonach der Rezirkulationsförderer (236) zumindest einen Teil des im Rezirkulationsströmungspfad (216) vorhandenen Brennstoffs in den Anodenzuströmungspfad (215) fördert.Method according to Claim 4 and further comprising the step of the recirculation conveyor (236) delivering at least a portion of the fuel present in the recirculation flow path (216) to the anode recirculation path (215). Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei - in einem ersten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems zeitgleich der Rezirkulationsförderer (236) und die Rezirkulationsstrahlpumpe (234) [zur Rezirkulation] Brennstoffs in den Anodenzuströmungspfad (215) fördern; und - wobei in einem zweiten Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems nur der Rezirkulationsförderer (236) oder nur die Rezirkulationsstrahlpumpe (234) Brennstoff in den Anodenzuströmungspfad (215) fördern.Method according to Claim 4 or 5 in which, at a first operating point of the fuel cell system, at the same time the recirculation conveyor (236) and the recirculation jet pump (234) deliver fuel to the anode feed path (215); and wherein at a second operating point of the fuel cell system, only the recirculation conveyor (236) or only the recirculation jet pump (234) delivers fuel into the anode inflow path (215). Verfahren nach Anspruch 6, wobei sich der erste und zweite Betriebspunkts unterscheiden in mindestens einem Wert, der indikativ ist für i) die vom Brennstoffzellensystem bereitzustellen Leistung und/oder ii) von der Brennstoffquelle (H2) bereitzustellenden Menge an Brennstoff.Method according to Claim 6 wherein the first and second operating points differ in at least one value indicative of i) the power to be provided by the fuel cell system and / or ii) the amount of fuel to be provided by the fuel source (H2). Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, - wobei im ersten Betriebspunkt eine geringere Leistung vom Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird als im zweiten Betriebspunkt; und/oder - wobei im ersten Betriebspunkt eine geringere Menge an Brennstoff bereitgestellt wird als im zweiten Betriebspunkt.Method according to Claim 6 or 7 in which at the first operating point a lower power is provided by the fuel cell system than at the second operating point; and / or - wherein at the first operating point, a smaller amount of fuel is provided than at the second operating point.
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