DE202005017574U1 - Fuel cell system, for e.g. canned motor, has handling device formed as pump or blower with conveying and drive areas, where conveying area is hermetically sealed with rotary part of motor opposite to drive area stator - Google Patents

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Abstract

The system has a handling device for anode exhaust gas, which is formed as a pump or blower with a conveying area (10) and a drive area (11). The conveying area is hermetically sealed together with a rotary part of the motor (12) opposite to a stator (13) of the drive area. The drive area is separated from the conveying area over magnetic clutch. Another handling device is provided for recirculation of the anode exhaust gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Anordnung zur Rezirkulation von Anodenabgas nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The The invention relates to a fuel cell system with an arrangement for the recirculation of anode exhaust gas according to the preamble of claim 1 further defined Art.

Aus der gattungsgemäßen DE 102 49 384 A1 sind zwei verschiedene Varianten von Rezirkulationsgebläsen zur Rezirkulation von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem bekannt. Der dort beschriebene Stand der Technik, nämlich einer Einheit aus Rezirkulationsgebläse und Motor beschreibt Problem bei der Abdichtung des Gebläseraums gegenüber dem Motorraum, aufgrund der sehr kleinen Wasserstoffmolekühle im rezirkulierten Anodenabgas der Brennstoffzelle. Neben dem Anodenabgas gelangt so auch die von ihm transportierte Feuchtigkeit in den Motor und führt dort zu ggf. zur Korrosion.From the generic DE 102 49 384 A1 For example, two different variants of recirculation fans are known for recirculating anode exhaust gas in a fuel cell system. The prior art described therein, namely a unit of recirculation fan and motor describes problem with the sealing of the fan chamber relative to the engine compartment, due to the very small hydrogen molecules in the recirculated anode exhaust gas of the fuel cell. As well as the anode exhaust gas, the moisture transported by it also enters the engine and leads to corrosion, if necessary.

Als Lösung für diese Problematik beschreibt die DE 102 49 384 A1 nun einen Aufbau, bei welchen in einem Tank gespeicherten Wasserstoff durch das Motorgehäuse hindurch dem Gebläseraum des Rezirkulationsgebläses zugeführt wird. Durch den ständigen Wasserstoffstrom durch den Motor in den Gebläseraum kann kein Anodenabgas in den Motor eindringen. Die oben genannten Abdichtungsprobleme sind damit gelöst, zusätzlich wird der Motor gekühlt.As a solution to this problem describes the DE 102 49 384 A1 now a structure in which stored in a tank hydrogen through the motor housing through the blower chamber of the recirculation blower is supplied. Due to the constant flow of hydrogen through the motor into the fan room, no anode exhaust gas can enter the motor. The above-mentioned sealing problems are solved, in addition, the engine is cooled.

Nun weist dieser Aufbau jedoch den Nachteil auf, dass sich der über den Motor zudosierte Wasserstoff erwärmt. Diese wärme ist aber typischerweise störend und muss später wider weggekühlt werden. Außerdem muss zusätzlich zu dem rezirkulierten Anodenabgas der neu zudosierte Wasserstoff durch die Pumpe mitgefördert werden. Dies erfordert dementsprechend eine größere Pumpe und einen erhöhten Energiebedarf.Now However, this structure has the disadvantage that the over the Motor dosed hydrogen heated. This heat but is typically disturbing and must later against cooled off become. Furthermore must be additional to the recirculated anode exhaust gas, the newly added hydrogen conveyed by the pump become. This accordingly requires a larger pump and an increased energy requirement.

Ein weiterer gravierender Nachteil muss darin gesehen werden, dass sich in dem Motor im Stillstand ein explosives Gemisch aus Anodenabgas und zugeführtem Wasserstoff bilden kann, welche sich im kompletten Gehäuse von Fördereinrichtung und Motor verteilt. Da dieses Gemisch außerdem die Feuchtigkeit aus dem Anodenabgas mit umfasst, kann es sehr leicht zu einer Korrosion des Motors kommen.One Another serious disadvantage must be seen in the fact that in the engine at standstill an explosive mixture of anode exhaust gas and supplied Hydrogen can form, which is in the complete housing of Conveyor and engine distributed. Since this mixture also moisture out With the anode exhaust gas included, it can very easily lead to corrosion come of the engine.

Letztendlich muss außerdem festgestellt werden, dass die Abdichtung des Motors uns des Gehäuses gegenüber einen so leicht flüchtigen Gas wie Wasserstoff im Allgemeinen sehr viel aufwändiger ist, als die Abdichtung von herkömmlichen Leitungen, Ventilen und dergleichen.At long last must also be determined that the sealing of the motor us of the housing opposite a so volatile Gas is much more expensive than hydrogen in general the sealing of conventional Lines, valves and the like.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer Anordnung zur Rezirkulation von Anodenabgas zu schaffen, bei dem die oben genannten Nachteile vermieden werden, und bei dem eine baulich kleine Ausführung und eine energieeffiziente Betriebsweise gewährleistet ist.It is therefore the object of the invention, a fuel cell system with an arrangement for the recirculation of anode exhaust gas, in which the above-mentioned disadvantages are avoided, and in which a structurally small version and energy-efficient operation is ensured.

Diese Aufgabe wir durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.These We abandon by the features in the characterizing part of the claim 1 solved.

Durch die hermetische Abdichtung des Antriebsbereichs gegenüber dem Förderbereich der Pumpe bzw. des Gebläses kann eine zuverlässige und effiziente Förderung des Anodenabgases erreicht werden. Dabei tritt keine wasserstoffhaltiges Anodenabgas aus der Rezirkulationsschleife aus. Somit kann eine ggf. gefährliche Gemischbildung im Raum um die Rezirkulationsschleife sicher ausgeschlossen werden.By the hermetic sealing of the drive area with respect to Förderbereich the pump or the blower can be a reliable and efficient promotion of the anode exhaust gas can be achieved. There is no hydrogen-containing anode exhaust gas from the recirculation loop. Thus, a possibly dangerous Mixture formation in the space around the recirculation loop safely excluded become.

Außerdem ermöglicht der Aufbau die Zudosierung von frischem Wasserstoff nach der Fördereinrichtung der Rezirkulationsschleife. Der zugeführte Wasserstoff muss somit nicht mitgefördert werden. Dies spart Energie je geförderten Volumenstrom ein und erlaubt eine deutlich kleinere Baugröße der Fördereinrichtung, durch welche somit nur noch der typische Anteil von maximal 20–25% Anodenabgas an dem der Anoden zugeführtem Gas gefördert werden muss.In addition, the Set up the addition of fresh hydrogen to the conveyor the recirculation loop. The supplied hydrogen must therefore not supported become. This saves energy per delivered volume flow and allows a much smaller size of the conveyor through which thus only the typical proportion of a maximum of 20-25% anode exhaust gas supplied to the anodes Gas promoted must become.

Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung wird außerdem eine Jet-Pumpe bzw. Triebstrahlpumpe oder eine vergleichbares Bauteil mit analoger Funktionalität eingesetzt. Unter Ausnutzung des Venturi-Effekts kann somit eingesetzt durch den Ohnehin unter Druck zugeführten frischen Wasserstoff zumindest ein Teil der zur Förderung des Anodenabgases benötigten Energie aufgebracht werden.According to one especially favorable embodiment The invention also becomes a jet pump or jet engine pump or a comparable component with analog functionality used. Utilizing the Venturi effect can thus be used by the already under pressure supplied fresh hydrogen at least part of the promotion of the anode exhaust gas needed Energy to be applied.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen sowie aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert werden.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the further claims as well from the exemplary embodiments, which are explained in more detail below with reference to the drawing.

Dabei zeigt:there shows:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Anordnung zur Rezirkulation von Anodenabgas; und 1 a schematic representation of a fuel cell system with an arrangement for the recirculation of anode exhaust gas; and

2 eine Prinzipskizze einer möglichen Ausführungsform eines Teils einer Fördereinrichtung gemäß der Erfindung. 2 a schematic diagram of a possible embodiment of a part of a conveyor according to the invention.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Anordnung zur Rezirkulation von Anodenabgas bzw. einer Zirkulationsschleife in einer Prinzipskizze dargestellt. Dabei ist eine Brennstoffzelle 2 erkennbar, welche im Wesentlichen einen Kathodenraum 3 und einen Anodenraum 4 umfasst. Diese beiden Räume sind in an sich bekannter Weise, z.B. durch eine Protonen leitende Membran 5, voneinander getrennt. Dem Kathodenraum 3 wird in nicht näher erläuterter Weise ein sauerstoffhaltiges Medium, beispielsweise Luft, zugeführt und ein entsprechendes, an Sauerstoff abgereichertes Restgas wieder abgeführt. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff, z.B. aus einer Speichereinrichtung 6, zugeführt.In 1 is a fuel cell system 1 with an arrangement for the recirculation of anode exhaust gas or a circulation loop shown in a schematic diagram. Here is a fuel cell 2 recognizable, which is essentially a cathode space 3 and an anode room 4 includes. These two spaces are in a conventional manner, for example by a proton-conducting membrane 5 , separated from each other. The cathode compartment 3 In an unspecified manner, an oxygen-containing medium, for example air, is supplied and a corresponding oxygen depleted residual gas is removed again. The anode compartment 4 the fuel cell 2 becomes hydrogen, eg from a storage device 6 , fed.

Aufgrund der üblicherweise vorliegenden internen Ausgestaltung des Anodenraums 4 wird der Brennstoffzelle 2 im Allgemeinen ein höherer Volumenstrom an Wasserstoff angeboten als von dieser umgesetzt werden kann. Dementsprechend verbleibt ein Überschuss an Wasserstoff, welcher über eine Rezirkulationsschleife zurückgeführt und dem Anodenraum 4 erneut zugeführt wird. Diese Rezirkulationsschleife umfasst dazu mindestens eine Fördereinrichtung 7, welche den Druckverlust ausgleicht, welcher beim Durchströmen des Anodenraums 4 in dem Gasstrom entstanden ist.Due to the usually present internal configuration of the anode compartment 4 the fuel cell 2 is generally offered a higher volume flow of hydrogen than can be implemented by this. Accordingly, an excess of hydrogen remains, which is recycled via a recirculation loop and the anode compartment 4 is fed again. This recirculation loop comprises for this purpose at least one conveyor 7 , which compensates for the pressure loss, which when flowing through the anode compartment 4 originated in the gas stream.

Die Fördereinrichtung 7 ist als Wasserstoffgebläse oder Wasserstoffpumpe ausgebildet. Zusätzlich kann diese Fördereinrichtung 7 von einer weiteren Fördereinrichtung 8 unterstützt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist diese weitere Fördereinrichtung 8 eine Triebstrahlpumpe bzw.The conveyor 7 is designed as a hydrogen blower or hydrogen pump. In addition, this conveyor 7 from another conveyor 8th get supported. In a preferred embodiment, this further conveyor 8th a jet engine pump or

Jetpump oder eine andersartige Anordnung, welche unter Ausnutzung des Venturi-Effekts Druckenergie des in dem Wasserstoffspeicher 6 gespeicherten Wasserstoffs nutzt, um das in der Rezirkulationsschleife befindliche Anodenabgas anzusaugen und somit einen Teil der erforderlich Energie zur Rezirkulation bereitzustellen. Da eine derartige Triebstrahlpumpe üblicherweise einen vergleichsweise starren Betriebspunkt aufweist, wird diese hier nicht als alleinige Einrichtung zum Ausgleich des Druckverlusts genutzt, sondern ur zur Unterstützung der Fördereinrichtung 7 durch ohnehin vorhandene Druckenergie genutzt.Jet pump or other arrangement, taking advantage of the Venturi effect of the pressure energy in the hydrogen storage 6 stored hydrogen is used to suck the anode exhaust gas in the recirculation loop and thus provide a portion of the required energy for recirculation. Since such a propulsion jet pump usually has a comparatively rigid operating point, this is not used here as the sole means for compensating the pressure loss, but ur to support the conveyor 7 used by already existing pressure energy.

Aufgrund der hohen Variabilität der Fördereinrichtung 7 kann auf den Einsatz der Triebstrahlpumpe 8 prinzipiell jedoch auch verzichtet werden.Due to the high variability of the conveyor 7 can on the use of the jet engine pump 8th in principle, however, be waived.

Die Fördereinrichtung 7 weist hier nun den Vorteil auf, dass diese so ausgebildet ist, dass der wasserstoffhaltige, rezirkulierte Volumenstrom des Anodenabgases hermetisch von der Antriebseinrichtung der Fördereinrichtung 7 abgetrennt ist. In 2 ist ein möglicher Aufbau einer derartigen Abdichtung prinzipiell dargestellt. Dort ist ein exemplarisch angedeuteter Pumpenkopf 9 als wesentlicher Teil des in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Förderbereichs 10 zu erkennen. Daneben ist außerdem ein exemplarisch angedeuteter Elektromotor als Antriebsbereich 11 der Fördereinrichtung 7 dargestellt. Diese beiden Teile sind hermetisch gegeneinander abgedichtet. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt dies in der Art, dass der Pumpenkopf 7 zusammen mit einem Rotor 12 des Elektromotors als Antriebseinrichtung eine Einheit bildet. Diese Einheit ist hermetisch gegenüber dem Stator 13 des Elektromotors abgedichtet.The conveyor 7 has now the advantage that it is designed so that the hydrogen-containing, recirculated volume flow of the anode exhaust gas hermetically from the drive means of the conveyor 7 is separated. In 2 is a possible structure of such a seal shown in principle. There is an example indicated pump head 9 as an integral part of the funding area not shown in its entirety 10 to recognize. In addition, an exemplary indicated electric motor as a drive range 11 the conveyor 7 shown. These two parts are hermetically sealed against each other. In the embodiment shown here, this is done in the way that the pump head 7 together with a rotor 12 of the electric motor as a drive device forms a unit. This unit is hermetic to the stator 13 sealed by the electric motor.

Die Abdichtung kann beispielsweise durch die Ausführung der Fördereinrichtung in der Art eines Spaltrohrmotors bzw. „Canned-Motors" ausgeführt sein. Derartige Motoren, wie sie beispielsweise in der Chemie-Industrie üblich sind, bieten beim Einsatz im Bereich von Fördereinrichtungen 7 für Anodengasrezirkulation in Brennstoffzellensystemen die Möglichkeit der hermetischen Abdichtung und dadurch die eingangs beschriebenen Vorteile.The sealing can be carried out, for example, by the design of the conveyor in the manner of a canned motor or "canned motor." Such motors, as are customary, for example, in the chemical industry, offer use in the field of conveying devices 7 For anode gas recirculation in fuel cell systems, the possibility of hermetic sealing and thus the benefits described above.

Als denkbare Alternativen für die Abdichtung können selbstverständlich auch Magnetkupplungen zwischen Pumpenkopf und Rotor eines herkömmlichen Elektromotors eingesetzte werden. Auch die Verwendung von prinzipbedingt in der erfindungsgemäßen Art abgedichteten Membranpumpen ist denkbar. Auch hierdurch ist eine hermetische Abdichtung des Förderbereichs vom Antriebsbereich möglich bzw. gegeben, so dass hiermit ebenfalls die erfindungsgemäße Ausgestaltung möglich ist.When possible alternatives for the seal can Of course also magnetic couplings between pump head and rotor of a conventional Electric motors are used. Also, the use of inherent in the inventive way sealed diaphragm pumps is conceivable. Also this is one hermetic sealing of the conveying area from the drive area possible or given, so that hereby also the embodiment of the invention possible is.

In 1 ist ferner ein optionaler Wärmetauscher 14 zu erkennen, welcher eine Abkühlung des Anodenabgases nach dem Verdichten in der Fördereinrichtung 7 ermöglicht. Da insbesondere beim Einsatz von Polymerelektrolytmembranen als Membran 5 in der Brennstoffzelle 2 eine Austrocknung derselben vermieden werden muss, ist in dem Volumenstrom des zur Brennstoffzelle zugeführten Edukts befindliche Wärme ausgesprochen schädlich, da durch diese die empfindlichen Membranen schneller austrocknen. Durch den optionalen Einsatz eines Kühlers nach der Fördereinrichtung 7 kann die Zuführung eines vergleichsweise kühlen und damit die Brennstoffzelle nicht so stark austrocknenden Edukts sichergestellt werden.In 1 is also an optional heat exchanger 14 to recognize which a cooling of the anode exhaust gas after compression in the conveyor 7 allows. In particular, when using polymer electrolyte membranes as a membrane 5 in the fuel cell 2 a dehydration of the same must be avoided, is located in the volume flow of the fuel cell to the feedstock located heat very harmful, because through them the sensitive membranes dry out faster. By the optional use of a cooler after the conveyor 7 it is possible to ensure the supply of a comparatively cool educt, which thus does not dry out the fuel cell as much as possible.

Wird der optionale Wärmetauscher 14 dagegen weggelassen, kann ein ähnlicher Effekt durch den Einsatz der Triebstrahlpumpe 8 ebenfalls erreicht werden, da der bei der Entspannung aus dem Wasserstofftank strömende Wasserstoff sich typischerweise abkühlt und somit zusammen mit dem aus der Fördereinrichtung 7 kommenden vergleichsweise warmen rezirkulierten Anodenabgas ein Mischung bildet. Durch eine entsprechende Variation der Mengenverhältnisse zueinander kann die Temperatur der Mischung, in einem durch die benötigte Leistung vorgegebnen Fenster, so eingestellt werden kann, dass eine Schädigung der Membran ebenfalls ausgeschlossen wird.Will the optional heat exchanger 14 By contrast, a similar effect can be achieved by using the jet engine pump 8th can also be achieved because the flowing from the hydrogen tank during the relaxation of hydrogen typically cools and thus together with the from the conveyor 7 coming comparatively warm recirculated anode exhaust gas forms a mixture. By a corresponding variation of the proportions to each other, the temperature of the mixture, in a predetermined by the required power window, can be adjusted so that damage to the membrane is also excluded.

Der Betriebspunkt der Fördereinrichtung 7 kann dabei in üblicherweise Weise über Differenzdruckerfassung, eine Erfassung der Temperaturdifferenz und/oder eine entsprechende Erfassung der Leistungsaufnahme bzw. der Fördereinrichtung 7 entsprechend gesteuert oder geregelt werden. Zum Ablassen von Brennstoff bzw. Anodenabgas im Falle eines entsprechenden Überdrucks oder im Falle der Anreicherung von Schadstoffen im Anodenabgas kann ferner in der Rezirkulationsschleife ein Magnetventil vorgesehen sein.The operating point of the conveyor 7 can in the usual way via differential pressure detection, a detection of the temperature difference and / or a corresponding detection of the power consumption or the conveyor 7 be controlled or regulated accordingly. For discharging fuel or anode exhaust gas in the case of a corresponding overpressure or in the case of accumulation of pollutants in the anode exhaust gas, a solenoid valve may also be provided in the recirculation loop.

Da das abgeblasene Gas typischerweise entsprechende Anteile von Wasserstoff enthält, ist es sinnvoll, das abgeblasene Gas einer entsprechenden Einheit zuzuführen, in welcher dieses, beispielsweise auf der Basis von katalytischer Umsetzung, so umgesetzt wird, dass keine gefährlichen bzw. explosiven Gemische an die Umgebung gelangen. Die Einrichtung zur katalytischen Umsetzung kann beispielsweise ein entsprechender katalytischer Brenner oder ggf. auch der mit entsprechendem Katalysator typischerweise ohnehin bereits versehene Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle sein.Since the blown off gas typically contains corresponding proportions of hydrogen, it makes sense to supply the blown gas to a corresponding unit in which it is reacted, for example on the basis of catalytic conversion, so that no dangerous or explosive mixtures reach the environment , The device for catalytic conversion can be, for example, a corresponding catalytic burner or, if appropriate, also the cathode compartment, which is already typically provided with the appropriate catalyst 3 be the fuel cell.

Claims (8)

Brennstoffzellensystem mit einer Anordnung zur Rezirkulation von Anodenabgas, mit zumindest einer Fördereinrichtung für das Anodenabgas, wobei diese Fördereinrichtung als Pumpe oder Gebläse mit einem Förderbereich und mit einem Antriebsbereich ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderbereich (10) gegenüber dem Antriebsbereich (11) hermetisch abgedichtet ist.Fuel cell system with an arrangement for the recirculation of anode exhaust gas, with at least one conveyor for the anode exhaust gas, said conveyor being designed as a pump or blower with a conveyor region and with a drive region, characterized in that the conveyor region ( 10 ) in relation to the drive area ( 11 ) is hermetically sealed. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hermetischen Abdichtung in der Art ausgebildet ist, dass der sich drehende Teil des Motors (12) zusammen mit, dem Förderbereich (9, 11) gegenüber dem feststehenden Teil (13) des Antriebsbereichs (11) abgedichtet ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the hermetic seal is formed in such a way that the rotating part of the engine ( 12 ) together with the funding area ( 9 . 11 ) opposite the fixed part ( 13 ) of the drive area ( 11 ) is sealed. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (7) als Spaltrohrmotor ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the conveyor ( 7 ) is designed as a canned motor. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsbereich (11) von dem Förderbereich (10) über eine Magnetkupplung getrennt ist.Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the drive region ( 11 ) of the funding area ( 10 ) is separated by a magnetic coupling. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsbereich (11) von dem Förderbereich (10) über eine Membran getrennt istFuel cell system according to claim 1, characterized in that the drive region ( 11 ) of the funding area ( 10 ) is separated via a membrane Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Anordnung zur Rezirkulation von Anodenabgas eine weitere Fördereinrichtung (8) vorhanden ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the arrangement for the recirculation of anode exhaust gas, a further conveyor ( 8th ) is available. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Fördereinrichtung (8) als Triebstrahlpumpe ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the further conveying device ( 8th ) is designed as a propulsion jet pump. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des rezirkulierten Anodenabgases nach einer der Fördereinrichtungen (7,8) ein Wärmetauscher (14) vorgesehen ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the flow direction of the recirculated anode exhaust gas to one of the conveyors ( 7 . 8th ) a heat exchanger ( 14 ) is provided.
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