DE102022102996A1 - Recirculation device for a fuel cell system and method for recirculating hydrogen in a fuel cell system - Google Patents

Recirculation device for a fuel cell system and method for recirculating hydrogen in a fuel cell system Download PDF

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Abstract

Im Rahmen eines Verfahrens zur Rezirkulation von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem (1) ist eine übergeordnete logische Ebene (EH) mit einer maschinennahen logischen Ebene (EL) verknüpft, wobei die Funktionen der verschiedenen Ebenen (EH, EL) folgendermaßen verteilt sind:- Auf der übergeordneten Ebene (EH) werden Anforderungen unabhängig von jeglichen fluidführenden, die Rezirkulation von Wasserstoff bewirkenden Komponenten formuliert,- auf der hierarchisch niedrigeren, maschinennahen Ebene (EL) wird die von der übergeordneten Ebene (EH) stammende Anforderung in die Ansteuerung von Komponenten, welche die Rezirkulation des Wasserstoffs bewerkstelligen, mittels eines Steuergerätes (26), welches mit den genannten Komponenten in einer Baugruppe zusammengefasst ist, umgesetzt.As part of a method for recirculating hydrogen in a fuel cell system (1), a superordinate logical level (EH) is linked to a machine-level logical level (EL), the functions of the various levels (EH, EL) being distributed as follows: - On the higher level (EH), requirements are formulated independently of any fluid-carrying components that cause the recirculation of hydrogen, - at the hierarchically lower, machine-related level (EL), the requirement originating from the higher level (EH) is incorporated into the control of components that Bring about recirculation of the hydrogen, implemented by means of a control device (26), which is combined with the components mentioned in an assembly.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Rezirkulation von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a device and a method for recirculating hydrogen in a fuel cell system.

Die DE 10 2011 105 710 B4 offenbart eine Rezirkulationsanordnung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle. Diese Rezirkulationsanordnung umfasst eine Strahlvorrichtung, welche über ein Drückminderventil an einen Wasserstofftank angeschlossen ist und einen Treibstrahl mit einem Druck von circa 3 bar liefert. Durch den Treibstrahl wird eine Freistrahlturbine angetrieben, die wiederum über eine mechanische Kupplung ein Rezirkulationsgebläse antreibt. Mittels des Rezirkulationsgebläses wird wasserstoffhaltiges Gas, welches von einem Anodenausgang der Brennstoffzelle stammt, zurück zu einem Anodeneingang gefördert, das heißt rezirkuliert, wobei das rezirkulierende Gas mit dem frischen Wasserstoff, welcher zuvor zum Antrieb der Freistrahlturbine genutzt wurde, gemischt wird. Die Strahlvorrichtung, welche in Strömungsrichtung des Wasserstoffs vor der Freistrahlturbine angeordnet ist, ist im Fall der DE 10 2011 105 710 B4 als variables Nadelventil ausgeführt. Hierbei soll eine Fail-Safe-Position der Nadel des Ventils existieren.The DE 10 2011 105 710 B4 discloses a recirculation arrangement for recirculating anode off-gases from a fuel cell. This recirculation arrangement comprises a jet device which is connected to a hydrogen tank via a pressure-reducing valve and supplies a propellant jet at a pressure of around 3 bar. The propulsion jet drives a free-jet turbine, which in turn drives a recirculation fan via a mechanical clutch. The recirculation blower is used to convey hydrogen-containing gas, which originates from an anode outlet of the fuel cell, back to an anode inlet, ie recirculates, with the recirculating gas being mixed with the fresh hydrogen which was previously used to drive the free-jet turbine. The jet device, which is arranged in the flow direction of the hydrogen in front of the free jet turbine, is in the case of the DE 10 2011 105 710 B4 designed as a variable needle valve. A fail-safe position of the needle of the valve should exist here.

Aus der DE 10 2015 000 264 A1 ist ein Gebläse zur Förderung von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs bekannt. In diesem Fall sind Vorkehrungen getroffen, die das Fließen von Wasser in ein Wasserreservoir ermöglichen. Auf diese Weise soll eine Eisbrückenbildung zwischen einem Laufrad und einem Gehäuse des Gebläses vermieden werden.From the DE 10 2015 000 264 A1 a blower for pumping hydrogen in a fuel cell system of a motor vehicle is known. In this case, provisions are made to allow water to flow into a water reservoir. In this way, the formation of ice bridges between an impeller and a housing of the fan is to be avoided.

Eine mögliche Ausgestaltung eines Anodenkreislaufs einer Brennstoffzelle ist auch in der DE 10 2012 007 384 A1 beschrieben. In diesem Fall befindet sich in einer Rezirkulationsleitung eine Ventileinrichtung, mit welcher eine Strömung durch die Rezirkulationsleitung absperrbar ist.A possible embodiment of an anode circuit of a fuel cell is also in DE 10 2012 007 384 A1 described. In this case, a valve device is located in a recirculation line, with which a flow through the recirculation line can be shut off.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Brennstoffzellensysteme mit Wasserstoffrezirkulation gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein kompakter, fertigungsfreundlicher Aufbau sowie eine hohe Betriebssicherheit, insbesondere bei mobilen Anwendungen, angestrebt wird.The invention is based on the object of further developing fuel cell systems with hydrogen recirculation compared to the prior art mentioned, the aim being a compact, production-friendly design and high operational reliability, particularly in mobile applications.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Rezirkulationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Rezirkulation von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Rezirkulationsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, welche eine Wasserstoffrezirkulation ermöglicht, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a recirculation device having the features of claim 1. The object is also achieved by a method for recirculating hydrogen in a fuel cell system according to claim 8. The configurations and advantages of the invention explained below in connection with the recirculation method also apply accordingly for the device allowing hydrogen recirculation, and vice versa.

Die für ein stationäres oder mobiles Brennstoffzellensystem geeignete Rezirkulationsvorrichtung umfasst ein Gehäuse, an welchem sich mindestens fünf Anschlüsse für flüssige und/oder gasförmige Fluide befinden. Im Einzelnen sind dies

  • - eine Wasserstoff-Zuführung, über welche frischer, typischerweise unter Druck gespeicherter Wasserstoff der Rezirkulationsvorrichtung und damit letztlich auch den Brennstoffzellen zuführbar ist,
  • - ein Leitungsanschluss, welcher zur Zuleitung eines frischen und optional auch rezirkulierten Wasserstoff enthaltenden Fluids zur Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels vorgesehen ist,
  • - ein Rezirkulationsanschluss, in welchen rezirkulierendes, vom Brennstoffzellenstapel stammendes Fluid einleitbar ist,
  • - eine Stickstoff-Ableitung,
  • - eine Wasser-Ableitung.
The recirculation device suitable for a stationary or mobile fuel cell system comprises a housing on which there are at least five connections for liquid and/or gaseous fluids. In detail these are
  • - a hydrogen supply, via which fresh hydrogen, typically stored under pressure, can be supplied to the recirculation device and thus ultimately also to the fuel cells,
  • - a line connection, which is provided for supplying a fresh and optionally also recirculated hydrogen-containing fluid to the anode side of a fuel cell stack,
  • - a recirculation connection into which recirculating fluid originating from the fuel cell stack can be introduced,
  • - a nitrogen discharge,
  • - a water drainage.

In dem Gehäuse, welches die mindestens fünf Anschlüsse aufweist, befindet sich eine Rezirkulationseinheit, an welcher fluidtechnisch drei Zweige angeschlossen sind, welche ebenfalls innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. Bei den genannten, flüssige und/oder gasförmige Stoffe in verschiedenen Zusammensetzungen führenden Zweigen handelt es sich um

  • - einen Versorgungszweig, welcher mit der Wasserstoff-Zuführung verbunden ist und in welchem sich mindestens eine Versorgungs-Armatur befindet,
  • - einen Stack-Zuleitungszweig, welcher mit dem genannten Leitungsanschluss verbunden ist,
  • - ein Rezirkulationszweig, welcher mit dem Rezirkulationsanschluss verbunden ist und in welchem sich mindestens zwei Armaturen, nämlich eine mit der Stickstoff-Ableitung verbundene Stickstoff-Armatur und eine mit der Wasser-Ableitung verbundene Ausleitungs-Armatur, befinden.
In the housing, which has the at least five connections, there is a recirculation unit to which three branches are fluidically connected, which are also arranged inside the housing. The branches mentioned, which carry liquid and/or gaseous substances in different compositions, are
  • - a supply branch, which is connected to the hydrogen supply and in which at least one supply fitting is located,
  • - a stack feeder branch, which is connected to said line connection,
  • - A recirculation branch, which is connected to the recirculation connection and in which at least two fittings, namely a nitrogen fitting connected to the nitrogen discharge line and a discharge fitting connected to the water discharge line, are located.

Der Begriff „Rezirkulationseinheit“ wird somit für eine Baugruppe innerhalb der kompletten Rezirkulationsvorrichtung verwendet. Bei einer sogenannten Versorgungs-Armatur kann es sich insbesondere um ein Absperrventil oder ein Druckreduzierventil im Versorgungszweig handeln. Die mittels der sogenannten Stickstoff-Armatur erfolgende Ableitung von Stickstoff wird auch als Purgen bezeichnet. Die Stickstoff-Armatur wird dementsprechend auch als Purge-Ventil bezeichnet. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente DE 10 2020 209 740 A1 und DE 10 2020 209 727 A1 hingewiesen.The term "recirculation unit" is thus used for an assembly within the complete recirculation device. A so-called supply fitting can in particular be a shut-off valve or a pressure-reducing valve in the supply branch. The removal of nitrogen by means of the so-called nitrogen fitting is also referred to as purging. The nitrogen fitting is accordingly also called called purge valve. In this context, reference is made to the documents as an example DE 10 2020 209 740 A1 and DE 10 2020 209 727 A1 pointed out.

Die als Versorgungs-Armatur, Stickstoff-Armatur und Ausleitungs-Armatur bezeichneten Armaturen sind datentechnisch mit einem im Gehäuse angeordneten Steuergerät verknüpft, welches zur Ansteuerung der genannten Armaturen auf Basis einer externen, Armaturen-unspezifischen Anforderung ausgebildet ist. Der Begriff „Armaturenunspezifisch“ impliziert, dass die an das Steuergerät von außen, das heißt von einer Stelle außerhalb der Rezirkulationsvorrichtung, übermittelte Anforderung keine explizite Angabe zu Einstellungen der einzelnen Armaturen enthält. Vielmehr ist das Steuergerät dazu eingerichtet, die Armaturen, welche zu diesem Zweck eine fernbedienbare Aktuatorik umfassen, selbsttätig auf Basis allgemeinerer, sich nicht direkt auf die Armaturen beziehender Informationen einzustellen.The fittings referred to as the supply fitting, nitrogen fitting and discharge fitting are linked in terms of data technology to a control device arranged in the housing, which is designed to activate the fittings mentioned on the basis of an external, fitting-unspecific requirement. The term "non-specific to fittings" implies that the request transmitted to the control unit from the outside, i.e. from a point outside the recirculation device, does not contain any explicit information about the settings of the individual fittings. Rather, the control unit is set up to automatically set the fittings, which for this purpose comprise a remote-controlled actuator system, on the basis of more general information that does not directly relate to the fittings.

Insgesamt ist die Rezirkulationsvorrichtung damit als smartes Wasserstoffmodul ausgebildet, welches verschiedene für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems relevante Parameter wie Gasdruck, Lambda-Wert und Stickstoffgehalt autonom einregeln kann. Damit ist ein übergeordnetes System von den entsprechenden Regelaufgaben entlastet, wobei zugleich ein kompakter, optional an die Geometrie eines Brennstoffzellenstapels angepasster Aufbau der Rezirkulationsvorrichtung realisierbar ist.Overall, the recirculation device is thus designed as a smart hydrogen module, which can autonomously regulate various parameters relevant to the operation of a fuel cell system, such as gas pressure, lambda value and nitrogen content. A higher-level system is thus relieved of the corresponding control tasks, while at the same time a compact structure of the recirculation device, optionally adapted to the geometry of a fuel cell stack, can be implemented.

Das anmeldungsgemäße Rezirkulationsverfahren zur Wasserstoffrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem geht allgemein davon aus, dass zur Ansteuerung der Wasserstoffrezirkulation eine übergeordnete logische Ebene mit einer maschinennahen logischen Ebene verknüpft ist und die Funktionen der verschiedenen Ebenen folgendermaßen verteilt sind:

  • - Auf der übergeordneten logischen Ebene werden Anforderungen formal unabhängig von jeglichen fluidführenden, die Rezirkulation von Wasserstoff bewirkenden Komponenten des Brennstoffzellensystems formuliert,
  • - auf der hierarchisch niedrigeren, maschinennahen Ebene wird die von der übergeordneten Ebene stammende Anforderung in die Ansteuerung von Komponenten, welche die Rezirkulation des Wasserstoffs bewerkstelligen, mittels eines Steuergerätes, welches mit den genannten Komponenten in einer Baugruppe zusammengefasst ist, umgesetzt.
The recirculation method according to the application for hydrogen recirculation in a fuel cell system is generally based on the assumption that a superordinate logical level is linked to a machine-level logical level to control the hydrogen recirculation and that the functions of the various levels are distributed as follows:
  • - On the higher logical level, requirements are formally formulated independently of any fluid-carrying components of the fuel cell system that cause the recirculation of hydrogen,
  • - On the hierarchically lower, machine-related level, the requirement originating from the higher level is implemented in the control of components that bring about the recirculation of the hydrogen by means of a control device, which is combined with the components mentioned in one assembly.

Der Begriff „maschinennah“ bezieht sich in diesem Fall auf einen unter anderem mit Wasserstoff zu versorgenden Brennstoffzellenstapel, das heißt Stack.In this case, the term "close to the machine" refers to a fuel cell stack that is to be supplied with hydrogen, among other things, i.e. stack.

Um die Steuer- und Regelungsaufgaben innerhalb der maschinennahen Ebene bewerkstelligen zu können, kann unter anderem sowohl im Stack-Zuleitungszweig als auch im Rezirkulationszweig jeweils mindestens ein Sensor angeordnet sein. Insbesondere kann sich im Stack-Zuleitungszweig sowie im Rezirkulationszweig jeweils ein Drucksensor und ein Temperatursensor befinden.In order to be able to carry out the control and regulation tasks within the level close to the machine, at least one sensor can be arranged in each case both in the stack feed line branch and in the recirculation branch. In particular, a pressure sensor and a temperature sensor can be located in the stack feed line branch and in the recirculation branch.

Was die in den verschiedenen Zweigen befindlichen Armaturen betrifft, existieren verschiedenste Erweiterungsmöglichkeiten. So kann beispielsweise im Stack-Zuleitungszweig ein Überdruckventil angeordnet sein. Gegebenenfalls durch dieses Überdruckventil ausströmendes Gas wird aus der Rezirkulationseinheit ausgeleitet. Ferner kann sich insbesondere im Stack-Zuleitungszweig eine Heizvorrichtung befinden. Zweckmäßigerweise ist das Überdruckventil der Heizvorrichtung nachgeschaltet.As far as the fittings in the various branches are concerned, there are a wide variety of expansion options. For example, a pressure relief valve can be arranged in the stack feed line branch. Any gas escaping through this pressure relief valve is discharged from the recirculation unit. Furthermore, a heating device can be located in particular in the stack feed line branch. The pressure relief valve is expediently connected downstream of the heating device.

Die Rezirkulationseinheit kann Mittel zur aktiven oder passiven Förderung und Mischung der verschiedenen Gasströme, das heißt des Frischgases einerseits und des rezirkulierenden Gases andererseits, umfassen. Von einer aktiven Förderung spricht man bei Pumpen oder Gebläsen mit einer externen, in der Regel elektrischen Energiezufuhr. Eine passive Mischvorrichtung, mit welcher zugleich das rezirkulierende Medium gefördert wird, kann beispielsweise als Venturi-Mischdüse, optional mit verstellbarer Düsennadel, ausgebildet sein. Die für den Förder- und Mischvorgang erforderliche Energie wird in diesem Fall durch das komprimierte Frischgas, das heißt den unter Druck stehenden Wasserstoff, bereitgestellt. Beispielsweise existiert eine Wasserstoffversorgung mit Mitteldruck, das heißt auf einem Druckniveau von ca. 20 bar. Auch die Förderung und Mischung der teilweise rezirkulierenden Medien mit einer Kombination aus passiven und aktiven Komponenten ist möglich. Einer Pumpe kann ein Partikelfilter vorgeschaltet sein.The recirculation unit can include means for actively or passively conveying and mixing the different gas flows, ie the fresh gas on the one hand and the recirculating gas on the other hand. Pumps or blowers with an external, usually electrical energy supply are referred to as active conveying. A passive mixing device, with which the recirculating medium is conveyed at the same time, can be designed, for example, as a Venturi mixing nozzle, optionally with an adjustable nozzle needle. In this case, the energy required for the conveying and mixing process is provided by the compressed fresh gas, i.e. the pressurized hydrogen. For example, there is a medium-pressure hydrogen supply, ie at a pressure level of approx. 20 bar. It is also possible to convey and mix the partially recirculating media with a combination of passive and active components. A particle filter can be connected upstream of a pump.

Was die Abscheidung von Wasser aus dem rezirkulierenden, Wasserstoff enthaltenden Fluid betrifft, kann auf prinzipiell bekannte Lösungen zurückgegriffen werden. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die DE 10 2018 222 096 A1 hingewiesen.As far as the separation of water from the recirculating fluid containing hydrogen is concerned, it is possible to fall back on solutions that are known in principle. In this context, the DE 10 2018 222 096 A1 pointed out.

An die Rezirkulationsvorrichtung sind Leitungen zur Signalüberragung und Energieversorgung anschließbar, wobei elektrische Signalleitungen und Leitungen zur Übertragung elektrischer Energie zusammengefasst sein können. Insbesondere ist die Rezirkulationsvorrichtung über einen Datenbus, beispielsweise CAN-Bus, an die übergeordnete Ebene angebunden.Lines for signal transmission and energy supply can be connected to the recirculation device, it being possible for electrical signal lines and lines for transmitting electrical energy to be combined. In particular, the recirculation device is connected via a data bus, for example CAN bus, connected to the higher level.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:

  • 1 ein Brennstoffzellensystem in einer schematischen Darstellung.
An exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. Herein shows:
  • 1 a fuel cell system in a schematic representation.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnetes Brennstoffzellensystem umfasst einen kurz als Stack bezeichneten Brennstoffzellenstapel 2. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und der Funktion des Brennstoffzellensystem1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.A fuel cell system identified overall by the reference numeral 1 comprises a fuel cell stack 2, referred to for short as a stack. With regard to the basic structure and the function of the fuel cell system 1, reference is made to the prior art cited at the outset.

Zusätzlich zum Stack 2 umfasst das Brennstoffzellensystem1 eine Rezirkulationsvorrichtung 3, die zur Rezirkulation von Wasserstoff ausgebildet ist. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Brennstoffzellen, welche den Stack 2 bilden, überstöchiometrisch betrieben werden. Ein Gehäuse der Rezirkulationsvorrichtung 3 ist mit 4 bezeichnet und kann in nicht näher dargestellter Weise mechanisch mit dem Brennstoffzellenstapel 2 verbunden oder in diesen integriert sein.In addition to the stack 2, the fuel cell system 1 includes a recirculation device 3, which is designed for the recirculation of hydrogen. It is assumed here that the fuel cells, which form the stack 2, are operated over-stoichiometrically. A housing of the recirculation device 3 is denoted by 4 and can be mechanically connected to the fuel cell stack 2 or integrated into it in a manner that is not shown in detail.

Kernkomponente der Rezirkulationsvorrichtung 3 ist eine Rezirkulationseinheit 5, die innerhalb des Gehäuses 4 angeordnet ist. Von der Rezirkulationseinheit 5 gehen drei jeweils zur Fluidführung ausgebildete Zweige 6, 7, 8 aus, nämlich ein Versorgungszweig 6, ein Stack-Zuleitungszweig 7 und ein Rezirkulationszweig 8. Jeder dieser Zweige 6, 7, 8 reicht bis zu einem am Gehäuse 4 befindlichen Anschluss 9, 10, 11. Im Einzelnen handelt es sich hierbei um eine Wasserstoff-Zuführung 9, die an einen nicht dargestellten Wasserstofftank angeschlossen ist, um einen Leitungsanschluss 10, welcher die Zuleitung von wasserstoffhaltigem Gas zur Anodenseite des Stacks 2 ermöglicht, sowie um einen Rezirkulationsanschluss 11, durch welchen Gas oder eine Gas-Flüssigkeits-Mischung vom Stack 2 zur Rezirkulationseinheit 5 strömen kann.The core component of the recirculation device 3 is a recirculation unit 5 which is arranged within the housing 4 . Three branches 6, 7, 8, each designed for fluid guidance, emanate from the recirculation unit 5, namely a supply branch 6, a stack feed line branch 7 and a recirculation branch 8. Each of these branches 6, 7, 8 extends to a connection located on the housing 4 9, 10, 11. Specifically, this involves a hydrogen feed 9, which is connected to a hydrogen tank (not shown), a line connection 10, which enables the supply of hydrogen-containing gas to the anode side of the stack 2, and a recirculation connection 11, through which gas or a gas-liquid mixture can flow from the stack 2 to the recirculation unit 5.

Zwei weitere Anschlüsse 12, 13, welche sich am Gehäuse 4 befinden und damit von außen zugänglich sind, gehen vom Rezirkulationszweig 8 aus, nämlich eine Stickstoff-Ableitung 12 und eine Wasser-Ableitung 13. Die Stickstoff-Ableitung 12 ist an ein Purge-Ventil 14 angeschlossen, welches allgemein als Stickstoff-Armatur bezeichnet wird und sich im Rezirkulationszweig 8 befindet. Die Wasser-Ableitung 13 ist an einen Wasserabscheider 15 angeschlossen, der sich ebenfalls im Rezirkulationszweig 8 befindet. Der Wasserabscheider 15 wird allgemein auch als Ausleitungs-Armatur bezeichnet. Optional sind die Anschlüsse 12, 13 in einem Bauteil zusammengefasst.Two further connections 12, 13, which are located on the housing 4 and are therefore accessible from the outside, proceed from the recirculation branch 8, namely a nitrogen discharge line 12 and a water discharge line 13. The nitrogen discharge line 12 is connected to a purge valve 14 connected, which is commonly referred to as a nitrogen fitting and is located in the recirculation branch 8. The water discharge line 13 is connected to a water separator 15 which is also located in the recirculation branch 8 . The water separator 15 is also generally referred to as a discharge fitting. Optionally, the connections 12, 13 are combined in one component.

Ferner existiert im Stack-Zuleitungszweig 7 ein Überdruckventil 16, welches fluidtechnisch mit einer Gas-Ableitung 17 verbunden ist, die aus dem Gehäuse 4 herausführt. Insgesamt befinden sich damit am Gehäuse 4 der Rezirkulationsvorrichtung 3 sechs Anschlüsse 9, 10, 11, 12, 13, 17, die die Ein- oder Ausleitung von flüssigen und/oder gasförmigen Fluiden in die Rezirkulationsvorrichtung 3 beziehungsweise aus der Rezirkulationsvorrichtung 3 ermöglichen. Das Gehäuse 4 bildet zusammen mit die Rezirkulation von Wasserstoff ermöglichenden, im Folgenden noch näher beschriebenen Komponenten, welche im Gehäuse 4 angeordnet sind, eine kompakte Baugruppe.Furthermore, there is a pressure relief valve 16 in the stack feed line branch 7 which is fluidically connected to a gas discharge line 17 which leads out of the housing 4 . There are therefore a total of six connections 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 17 on the housing 4 of the recirculation device 3 , which allow liquid and/or gaseous fluids to be fed into or out of the recirculation device 3 or out of the recirculation device 3 . The housing 4 forms a compact assembly together with the components which enable the recirculation of hydrogen and which are described in more detail below and which are arranged in the housing 4 .

Der frische, als Brennstoff des Brennstoffzellensystems 1 vorgesehene Wasserstoff, welcher durch die Wasserstoff-Zuführung 9 in die Rezirkulationsvorrichtung 3 strömt, fließt beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 innerhalb des Versorgungszweigs 6 zunächst durch ein Absperrventil 18 und anschließend durch ein Druckreduzierventil 19, bevor er die Rezirkulationseinheit 5 erreicht. Der Rezirkulationseinheit 5 ist eine nicht dargestellte Mischdüse zuzurechnen, die rezirkulierendes, durch den Rezirkulationszweig 8 geleitetes Gas mit dem frischen Wasserstoff vermischt, wobei die Förderung des rezirkulierenden Gases mit Hilfe des unter Druck stehenden frischen Gases, das heißt reinen Wasserstoffes, erfolgt.The fresh hydrogen provided as the fuel of the fuel cell system 1, which flows through the hydrogen supply line 9 into the recirculation device 3, flows during the operation of the fuel cell system 1 within the supply branch 6, first through a shut-off valve 18 and then through a pressure-reducing valve 19 before it enters the recirculation unit 5 reached. The recirculation unit 5 includes a mixing nozzle, not shown, which mixes the recirculating gas conducted through the recirculation branch 8 with the fresh hydrogen, the recirculating gas being conveyed with the aid of the pressurized fresh gas, i.e. pure hydrogen.

Sofern eine Beheizung des dem Stack 2 zuzuleitenden gemischten Gases erforderlich ist, kann dies mittels einer Heizvorrichtung 20 erfolgen, welche im vorliegenden Fall im Stack-Zuleitungszweig 7 zwischen der Rezirkulationseinheit 5 und dem Überdruckventil 16 installiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann eine Heizvorrichtung vor oder direkt nach dem Absperrventil 18 oder Druckreduzierventil 19 angeordnet sein, womit insbesondere Vereisungen in der Mischdüse der Rezirkulationseinheit 5 verhindert werden können. Der Druck des optional aufgeheizten Gasstroms ist mittels eines in Strömungsrichtung nach dem Überdruckventil 16 im Stack-Zuleitungszweig 7 befindlichen Drucksensors 21 erfassbar. Nach dem Drucksensor 21 befindet sich, ebenfalls im Stack-Zuleitungszweig 7, ein Temperatursensor 22.If the mixed gas to be fed to the stack 2 needs to be heated, this can be done by means of a heating device 20 which, in the present case, is installed in the stack feed line branch 7 between the recirculation unit 5 and the pressure relief valve 16 . Alternatively or additionally, a heating device can be arranged before or directly after the shut-off valve 18 or the pressure-reducing valve 19, with which in particular icing in the mixing nozzle of the recirculation unit 5 can be prevented. The pressure of the optionally heated gas stream can be detected by means of a pressure sensor 21 located in the direction of flow after the pressure relief valve 16 in the stack feed line branch 7 . A temperature sensor 22 is located after the pressure sensor 21, also in the stack feed line branch 7.

Auch im Rezirkulationszweig 8 sind verschiedene Sensoren 23, 24, 25 installiert. Hierbei handelt es sich um einen Stickstoffsensor 23, einen Drucksensor 24 und einen Temperatursensor 25. Sämtliche Sensoren 21, 22, 23, 24, 25 sind datentechnisch mit einem Steuergerät 26 verbunden, welches ebenfalls eine Komponente der Rezirkulationsvorrichtung 3 darstellt und im Gehäuse 4 angeordnet ist. Das Steuergerät 26 ist darüber hinaus mit den fluidführenden Komponenten 5, 14, 15, 16, 18, 19, 20 gekoppelt. Die Kopplung bedeutet in jedem dieser Fälle, dass zumindest in einer Richtung Signale zwischen der betreffenden Komponente 5, 14, 15, 16, 18, 19, 20 und dem Steuergerät 26 übertragbar sind. Im Fall des Überdruckventils 16 genügt beispielsweise eine unidirektionale Datenverbindung, um gegebenenfalls ein Ansprechen des Überdruckventils 16 an das Steuergerät 26 zu melden. Dagegen ist im Fall des Absperrventils 18, welches fernbetätigbar ist, eine bidirektionale Datenverbindung gegeben. Dies bedeutet, dass zum einen eine Soll-Stellung des Absperrventils 18 von dem Steuergerät 26 an die Aktorik des Absperrventils 18 übermittelbar ist, und zum anderen die Ist-Stellung des Absperrventils 18, welches eine zu diesem Zweck ausgebildete Sensorik, beispielsweise in Form von Endschaltern, aufweist, vom Absperrventil 18 an das Steuergerät 26 übermittelbar ist.Various sensors 23 , 24 , 25 are also installed in the recirculation branch 8 . These are a nitrogen sensor 23, a pressure sensor 24 and a temperature sensor 25. All sensors 21, 22, 23, 24, 25 are connected in terms of data to a control unit 26, which is also a component of the recirculation device 3 and is arranged in the housing 4 . The control unit 26 is also coupled to the fluid-carrying components 5, 14, 15, 16, 18, 19, 20. In each of these cases, coupling means that signals can be transmitted between the relevant component 5, 14, 15, 16, 18, 19, 20 and the control unit 26 at least in one direction. In the case of the pressure relief valve 16, for example, a unidirectional data connection is sufficient to report a response of the pressure relief valve 16 to the control unit 26, if necessary. In contrast, in the case of the shut-off valve 18, which can be operated remotely, there is a bidirectional data connection. This means that, on the one hand, a target position of the shut-off valve 18 can be transmitted from the control unit 26 to the actuators of the shut-off valve 18, and on the other hand, the actual position of the shut-off valve 18, which has a sensor system designed for this purpose, for example in the form of limit switches , Has, can be transmitted from the shut-off valve 18 to the control device 26 .

Das Steuergerät 26 ist über einen Datenanschluss 27, über welchen eingehende sowie ausgehende Signale übertragbar sind, mit nicht dargestellten, dem Brennstoffzellensystem 1, nicht jedoch der Rezirkulationsvorrichtung 3 zuzurechnenden Datenverarbeitungskomponenten gekoppelt. Die genannten Datenverarbeitungskomponenten sind einer in hierarchischer Hinsicht übergeordneten Ebene EH des Brennstoffzellensystems 1 zuzurechnen. Dagegen sind sämtliche Elemente der Rezirkulationsvorrichtung 3 einschließlich des Steuergerätes 26 einer hierarchisch niedrigeren, maschinennahen Ebene EL zuzurechnen. Der Begriff „maschinennah“ bezieht sich hierbei auf die in funktioneller Hinsicht nähere Anordnung am Brennstoffzellenstapel 2 und an den durch den Brennstoffzellenstapel 2 strömenden Medien.The control unit 26 is coupled via a data connection 27, via which incoming and outgoing signals can be transmitted, to data processing components (not shown) which are attributable to the fuel cell system 1 but not to the recirculation device 3. The data processing components mentioned are to be assigned to a hierarchically higher level EH of the fuel cell system 1 . In contrast, all elements of the recirculation device 3, including the control device 26, are to be assigned to a hierarchically lower level EL close to the machine. The term “close to the machine” here refers to the functionally closer arrangement on the fuel cell stack 2 and on the media flowing through the fuel cell stack 2 .

Die übergeordnete Ebene EH kann Komponenten eines Systems, zu dessen Energieversorgung der Brennstoffzellenstapel 2 betrieben wird, umfassen. Insbesondere handelt es sich bei diesem System um ein Kraftfahrzeug. Von der übergeordneten Ebene EH werden Daten, die sich beispielsweise auf eine Leistungsanforderung beziehen, an die niedrigere Ebene EL und damit an das Steuergerät 26 übermittelt. Detailinformationen über Betriebszustände der Rezirkulationsvorrichtung 3 werden auf der übergeordneten Ebene EH nicht benötigt. Vielmehr werden an die Rezirkulationsvorrichtung 3 über den Datenanschluss 27 lediglich minimale Datenmengen übertragen, mit welchen das Steuergerät 26 in die Lage versetzt wird, die für den gewünschten Zweck erforderlichen Einstellungen innerhalb der Rezirkulationsvorrichtung 3 vorzunehmen.The superordinate level EH can include components of a system for whose energy supply the fuel cell stack 2 is operated. In particular, this system is a motor vehicle. Data relating, for example, to a performance requirement are transmitted from the higher level EH to the lower level EL and thus to control unit 26 . Detailed information about operating states of the recirculation device 3 is not required at the higher level EH. Rather, only minimal amounts of data are transmitted to the recirculation device 3 via the data connection 27, with which the control unit 26 is able to make the settings within the recirculation device 3 required for the desired purpose.

Das Zusammenspiel zwischen dem Steuergerät und den Komponente 5, 14, 15, 16, 18, 19, 20 erfolgt dann autonom auf der niedrigeren Ebene EL. Die Rezirkulationsvorrichtung 3 stellt in diesem Sinne eine in sich geschlossene, funktionsfähige Baugruppe innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 dar. Soweit Informationen über den Zustand der Rezirkulationsvorrichtung 3 an die übergeordnete Ebene EH zu übergeben sind, ist zu diesem Zweck ebenfalls der Datenanschluss 27 nutzbar. Strenge Echtzeitanforderungen, was die Datenübermittlung zwischen den Ebenen EL und EH betrifft, sind in typischen, mobilen oder stationären Anwendungen des Brennstoffzellensystems 1 in der Regel nicht gegeben. Dies bedeutet zusammen mit dem weitestgehend selbständigen Betrieb der Rezirkulationsvorrichtung 3 insbesondere, dass in einem Datenüberragungsnetzwerk, in welches der Datenanschluss 27 integriert ist, keine größeren Datenübertragungs- oder Datenverarbeitungskapazitäten für die Funktionalität der Wasserstoffrezirkulation bereitzuhalten sind.The interaction between the control device and the components 5, 14, 15, 16, 18, 19, 20 then takes place autonomously at the lower level EL. In this sense, the recirculation device 3 represents a self-contained, functional assembly within the fuel cell system 1. If information about the status of the recirculation device 3 is to be transferred to the higher level EH, the data connection 27 can also be used for this purpose. In typical, mobile or stationary applications of the fuel cell system 1, there are generally no strict real-time requirements with regard to data transmission between the levels EL and EH. Together with the largely independent operation of the recirculation device 3, this means in particular that no larger data transmission or data processing capacities for the functionality of the hydrogen recirculation need to be kept available in a data transmission network in which the data connection 27 is integrated.

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellensystemfuel cell system
22
Brennstoffzellenstapel, Stackfuel cell stack, stack
33
Rezirkulationsvorrichtungrecirculation device
44
GehäuseHousing
55
Rezirkulationseinheitrecirculation unit
66
Versorgungszweigsupply branch
77
Stack-ZuleitungszweigStack Feeder Branch
88th
Rezirkulationszweigrecirculation branch
99
Wasserstoff-Zuführunghydrogen feed
1010
Leitungsanschlussline connection
1111
Rezirkulationsanschlussrecirculation port
1212
Stickstoff-Ableitungnitrogen discharge
1313
Wasser-Ableitungwater drainage
1414
Purge-Ventilpurge valve
1515
Wasserabscheiderwater separator
1616
Überdruckventilpressure relief valve
1717
Gas-Ableitunggas discharge
1818
Absperrventilshut-off valve
1919
Druckreduzierventilpressure reducing valve
2020
Heizvorrichtungheating device
2121
Drucksensorpressure sensor
2222
Temperatursensortemperature sensor
2323
Stickstoffsensornitrogen sensor
2424
Drucksensorpressure sensor
2525
Temperatursensortemperature sensor
2626
Steuergerätcontrol unit
2727
Datenanschluss data port
EHeh
übergeordnete Ebeneparent level
ELel
hierarchisch niedrigere Ebenehierarchically lower level

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Claims (9)

Rezirkulationsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Gehäuse (4), an welchem sich mindestens fünf Anschlüsse (9, 10, 11, 12, 13) für Fluide befinden, nämlich - eine Wasserstoff-Zuführung (9), - ein Leitungsanschluss (10), welcher zur Zuleitung eines Fluids zur Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels (2) vorgesehen ist, - ein Rezirkulationsanschluss (11), in welchen rezirkulierendes, vom Brennstoffzellenstapel (2) stammendes Fluid einleitbar ist, - eine Stickstoff-Ableitung (12), - eine Wasser-Ableitung (13), wobei sich in dem Gehäuse (4) eine Rezirkulationseinheit (5) befindet, an welcher drei innerhalb des Gehäuses (4) befindliche Zweige (6, 7, 8) angeschlossen sind, nämlich - ein Versorgungszweig (6), welcher mit der Wasserstoff-Zuführung (9) verbunden ist und in welchem sich mindestens eine Versorgungs-Armatur (18, 19) befindet, - ein Stack-Zuleitungszweig (7), welcher mit dem genannten Leitungsanschluss (10) verbunden ist, - ein Rezirkulationszweig (8), welcher mit dem Rezirkulationsanschluss (11) verbunden ist und in welchem sich mindestens zwei Armaturen (14, 15), nämlich eine mit der Stickstoff-Ableitung (12) verbundene Stickstoff-Armatur (14) und eine mit der Wasser-Ableitung (13) verbundene Ausleitungs-Armatur (15), befinden und wobei die mindestens drei genannten Armaturen (14, 15, 18, 19) datentechnisch mit einem im Gehäuse (4) angeordneten Steuergerät (26) verknüpft sind, welches zur Ansteuerung der genannten Armaturen (14, 15, 18, 19) auf Basis einer externen, Armaturen-unspezifischen Anforderung ausgebildet ist.Recirculation device for a fuel cell system, with a housing (4) on which there are at least five connections (9, 10, 11, 12, 13) for fluids, viz - a hydrogen feed (9), - a line connection (10) which is provided for supplying a fluid to the anode side of a fuel cell stack (2), - a recirculation connection (11) into which recirculating fluid originating from the fuel cell stack (2) can be introduced, - a nitrogen discharge (12), - a water discharge line (13), wherein in the housing (4) there is a recirculation unit (5) to which three branches (6, 7, 8) located inside the housing (4) are connected, viz - a supply branch (6), which is connected to the hydrogen supply (9) and in which at least one supply fitting (18, 19) is located, - a stack supply line branch (7), which is connected to said line connection (10), - A recirculation branch (8), which is connected to the recirculation connection (11) and in which at least two fittings (14, 15), namely one with the nitrogen discharge line (12) connected nitrogen fitting (14) and one with the The at least three mentioned fittings (14, 15, 18, 19) are linked in terms of data technology to a control unit (26) arranged in the housing (4), which is used for controlling of said fittings (14, 15, 18, 19) is designed on the basis of an external, fitting-unspecific requirement. Rezirkulationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl im Stack-Zuleitungszweig (7) als auch im Rezirkulationszweig (8) jeweils mindestens ein Sensor (21, 22, 23, 24, 25) angeordnet ist.recirculation device claim 1 , characterized in that at least one sensor (21, 22, 23, 24, 25) is arranged both in the stack feed line branch (7) and in the recirculation branch (8). Rezirkulationsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Stack-Zuleitungszweig (7) ebenso wie im Rezirkulationszweig (8) jeweils ein Drucksensor (21, 24) und ein Temperatursensor (22, 25) angeordnet ist.recirculation device claim 2 , characterized in that a pressure sensor (21, 24) and a temperature sensor (22, 25) are arranged in the stack feed line branch (7) as well as in the recirculation branch (8). Rezirkulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Stack-Zuleitungszweig (7) ein Überdruckventil (16) angeordnet ist.Recirculation device according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that a pressure relief valve (16) is arranged in the stack feed line branch (7). Rezirkulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungszweig (6) ein Absperrventil (18) sowie ein Druckreduzierventil (19) umfasst.Recirculation device according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that the supply branch (6) comprises a shut-off valve (18) and a pressure-reducing valve (19). Rezirkulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationseinheit (5) eine Mischdüse als passive Fördereinrichtung umfasst.Recirculation device according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the recirculation unit (5) comprises a mixing nozzle as a passive conveying device. Rezirkulationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationseinheit (5) eine Pumpe als aktive Fördereinrichtung umfasst.Recirculation device according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the recirculation unit (5) comprises a pump as an active conveyor. Verfahren zur Rezirkulation von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem (1), wobei zur Ansteuerung der Wasserstoffrezirkulation eine übergeordnete logische Ebene (EH) mit einer maschinennahen logischen Ebene (EL) verknüpft ist und die Funktionen der verschiedenen Ebenen (EH, EL) folgendermaßen verteilt sind: - Auf der übergeordneten Ebene (EH) werden Anforderungen unabhängig von jeglichen fluidführenden, die Rezirkulation von Wasserstoff bewirkenden Komponenten formuliert, - auf der hierarchisch niedrigeren, maschinennahen Ebene (EL) wird die von der übergeordneten Ebene (EH) stammende Anforderung in die Ansteuerung von Komponenten, welche die Rezirkulation des Wasserstoffs bewerkstelligen, mittels eines Steuergerätes (26), welches mit den genannten Komponenten in einer Baugruppe zusammengefasst ist, umgesetzt.Method for the recirculation of hydrogen in a fuel cell system (1), with a higher logical level (EH) being linked to a machine-level logical level (EL) to control the hydrogen recirculation, and the functions of the various levels (EH, EL) being distributed as follows: - At the higher level (EH), requirements are formulated independently of any fluid-carrying components that cause the recirculation of hydrogen, - On the hierarchically lower, machine-related level (EL), the requirement originating from the higher level (EH) in the control of components that accomplish the recirculation of the hydrogen, by means of a control device (26), which with the components mentioned in an assembly is summarized, implemented. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der hierarchisch höheren, übergeordneten Ebene (EH) auf Basis einer das Brennstoffzellensystem (1) insgesamt betreffenden Leistungsanforderung eine an die hierarchisch niedrigeren Ebene (EL) zu übertragende Anforderung formuliert wird.procedure after claim 8 , characterized in that on the hierarchically higher, superordinate level (EH) on the basis of the fuel cell system (1) overall performance requirement relating to the hierarchically lower level (EL) to be transmitted requirement is formulated.
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