EP3912214A1 - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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Publication number
EP3912214A1
EP3912214A1 EP19812946.2A EP19812946A EP3912214A1 EP 3912214 A1 EP3912214 A1 EP 3912214A1 EP 19812946 A EP19812946 A EP 19812946A EP 3912214 A1 EP3912214 A1 EP 3912214A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
cell system
gas
gas bearing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19812946.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Mark Hellmann
Helerson Kemmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3912214A1 publication Critical patent/EP3912214A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system.
  • the invention relates to a recirculation fan for such
  • PEM-BZ polymer electrolyte membrane fuel cells
  • This type of fuel cell is operated in excess of stoichiometry with an excess of hydrogen.
  • the unused hydrogen is recirculated and returned to the reaction together with fresh hydrogen.
  • a hydrogen tank typically 350 or 700 bar nominal pressure
  • the hydrogen pressure is reduced in several stages to the operating pressure of ⁇ 10 bar.
  • a recirculation blower is often used to overcome the pressure drop from the anode outlet to the anode inlet.
  • a fuel cell system with a recirculation fan arranged in a fuel circuit is known from DE 10 2007 037 096 A1.
  • the recirculation fan is operated via a drive turbine which is pressurized with compressed air.
  • Turbomachines cannot fully exploit their advantages under the boundary conditions of the hydrogen system.
  • the small pressure difference between In principle, anode outlet and anode inlet could be overcome with a compact radial compressor.
  • the demanding requirements for storage stand in the way of this.
  • the machines are limited due to the limited speed in terms of pressure ratio and power density.
  • the operation of the recirculation fan under the humid conditions leads to a high material load.
  • Recirculation blower is extended.
  • the object of the invention is to provide a recirculation blower which is in such a
  • the object is achieved by a fuel cell system with the features of claim 1 and a recirculation blower for such a fuel cell system with the features of claim 8.
  • the invention provides a method for operating such a recirculation fan with the
  • the invention provides a fuel cell system, with at least one
  • Fuel cell a hydrogen storage device in which hydrogen is stored under excess pressure.
  • the hydrogen storage is by means of a
  • Hydrogen supply line connected to an anode compartment of the fuel cell.
  • the fuel cell system additionally comprises an anode circuit, by means of which unused hydrogen at an outlet of the anode compartment can be returned to an inlet of the anode compartment, between which
  • At least one electrically driven recirculation blower is arranged at the outlet and the entrance of the anode compartment, via which the unused hydrogen can be fed to the entrance of the anode compartment. At least part of the hydrogen supplied to the anode compartment from the hydrogen store can be introduced into at least one gas bearing of the electrically driven recirculation blower, so that the gas bearing can be statically stored.
  • the hydrogen storage is preferably a hydrogen tank.
  • the electrically driven recirculation blower is preferably a radial compressor.
  • a gas bearing is understood to mean a bearing in which a gas pressure is built up in a bearing gap between a shaft and a bearing shell, via which the shaft is supported. With a dynamic gas bearing, this gas pressure is built up from a certain speed of the shaft. In the case of a static gas bearing, the gas pressure is built up by an externally supplied gas, so that the shaft is already supported from the start.
  • the invention has the advantage that wear and tear in the gas bearing can be avoided precisely when the electric recirculation blower starts up or runs down. This will increase the durability of the
  • Recirculation blower extended.
  • the hydrogen which usually has a medium or low pressure level
  • no additional pump has to be provided in order to make a gas with pressure available to the gas store.
  • Such a fuel cell system can be provided economically.
  • Such a gas storage facility also often has a leak.
  • By feeding the hydrogen into the gas store no expensive seals of the store are necessary in order to prevent the hydrogen from escaping from the gas store to the unused hydrogen. This allows such a
  • Fuel cell system in turn can be provided economically.
  • the fuel cell system has a line section which is connected to the hydrogen supply line and the recirculation blower, so that at least part of the
  • Hydrogen can be supplied to the gas store.
  • the line section provides a simple connection between the recirculation fan and the
  • the line section between a low-pressure shut-off valve and a hydrogen metering valve is connected to the hydrogen supply line.
  • the hydrogen metering valve doses the hydrogen for the fuel cell.
  • Hydrogen metering valve is opened. Static mounting is thus ensured before the recirculation fan starts up, so that wear can be reduced.
  • the line section preferably has an additional hydrogen metering valve for metering the hydrogen supplied to the gas bearing of the recirculation blower.
  • the additional hydrogen metering valve like the hydrogen metering valve, can meter a quantity of hydrogen so that the quantity of hydrogen supplied to the gas bearing can be regulated.
  • the additional hydrogen metering valve in the line section has the additional advantage that it switches from a static to a dynamic one
  • the auxiliary hydrogen metering valve is closed during dynamic gas storage operation. This allows the
  • Anode compartment are supplied.
  • the line section is connected to the hydrogen supply line via an additional output of a hydrogen metering valve.
  • a hydrogen metering valve With this hydrogen metering valve, two outputs are switched with a sealing kit of the hydrogen metering valve. This is no
  • Fuel cell system can be provided economically.
  • the line section between a pressure reducer and a low-pressure shut-off valve is advantageously connected to the hydrogen supply line. This can also build up a pressure in the gas storage for static storage before the low pressure shut-off valve or Hydrogen metering valve is opened. As a result, a sufficient pressure can be built up in the gas bearing before the recirculation fan starts up. As a result, wear in the gas bearing is reduced, in particular during start-up or run-down.
  • a shut-off valve is preferably arranged in the line section, so that the hydrogen supply is stopped at a sufficient speed in the gas store at which dynamic storage is ensured.
  • the hydrogen supply line is connected to the anode compartment via the recirculation fan.
  • all of the hydrogen supplied to the anode compartment is first introduced into the gas store.
  • the hydrogen is first in contact with the gas bearing, so that there is a static bearing when the recirculation fan starts up.
  • This static storage is implemented during the entire operation of the fuel cell. This minimizes wear on the gas bearing, so that the durability of the recirculation blower is extended.
  • only a single hydrogen metering valve is required. This enables the fuel cell system to be implemented economically.
  • the invention is additionally achieved by a recirculation blower for use in the fuel cell system according to the invention.
  • Recirculation blowers include at least one compressor group, via which hydrogen can be compressed, an electric motor, via which the compressor group can be driven electrically, a gas bearing, via which the compressor group can be stored, and a supply means, via which a gas for static storage can be supplied to the gas bearing. wherein the gas is part of the from a hydrogen storage of a fuel cell
  • Fuel cell system is supplied hydrogen, and wherein the gas storage has a storage leak, via which the supplied hydrogen into the
  • Compressor group can be derived.
  • a storage leak is a gas flow that leaves this gas storage due to a leaky gas storage. Therefore, this bearing leakage must be compensated for by the additional Gas storage supplied gas are balanced.
  • the recirculation blower is structurally adapted in such a way that the bearing leakage can be discharged into the compressor group. This means that there is no seal between the gas bearing and the compressor group.
  • the invention provides a method for operating the
  • Recirculation blower with hydrogen being supplied to the gas bearing in a speed range below a limit speed, so that static storage of the gas bearing is made possible, and the supplied hydrogen being at least partially reduced in a speed range above the limit speed.
  • the limit speed is understood to be a predetermined or calculated speed of the recirculation fan. This speed can be a speed at which a dynamic operation of the
  • the limit speed can also be a speed at which the transition between static and dynamic bearings begins.
  • the method has the advantage that hydrogen does not have to be added to the gas store unnecessarily. This enables the fuel cell system to be operated economically. In addition, the wear of the recirculation blower can be reduced.
  • a supply of the hydrogen into the gas store above the limit speed is preferably stopped.
  • the limit speed is preferably the speed at which ensures dynamic operation of the gas warehouse. This has the advantage that no metering valve is necessary.
  • the supply of hydrogen to the gas bearing is linearly reduced with an increase in speed after the limit speed has been reached.
  • the limit speed is preferably a speed at which a transition range between the static and dynamic operation of the gas bearing begins.
  • Figure 6 First embodiment of a method for operating a
  • Figure 7 Second embodiment of a method for operating a
  • Figure 1 is a first embodiment of an inventive
  • the fuel cell system 10 comprises a fuel cell 14, in which only an anode space 18 is shown here.
  • This anode space 18 is fluidly connected via a hydrogen supply line 22 to a hydrogen storage 26, which is designed here as a hydrogen tank.
  • a tank shut-off valve 30 is arranged in the hydrogen supply line 22 downstream of the hydrogen store 26 in order to shut off a hydrogen supply from the hydrogen store 26.
  • a pressure reducer 34 is arranged in the hydrogen supply line 22 downstream of the tank shut-off valve 30 in order to compensate for the high pressure of the
  • Hydrogen supply line 22 arranged to interrupt a hydrogen supply in the low pressure region.
  • a hydrogen metering valve 46 is arranged between the low-pressure shut-off valve 38 and an inlet 42 of the anode chamber 18, via which the amount of hydrogen that is fed into the anode chamber 18 can be metered. The amount of hydrogen is metered in such a way that the fuel cell 14 is operated in a stoichiometric manner.
  • a condensate separator 54 is arranged after an outlet 50 of the anode compartment 18.
  • the condensate which has accumulated in the unused hydrogen leaving the anode space 18, can be dispensed via the condensate separator 54.
  • the unused hydrogen can then be returned in an anode circuit 58 to the inlet 42 of the anode compartment 18.
  • an electrically driven recirculation blower 62 is necessary.
  • This recirculation fan 62 is arranged in the anode circuit 58 between the outlet 50 and the inlet 42 of the anode compartment 18. This allows the output 50 of the
  • Anode space 18 leaving unused hydrogen are fed to the anode space 18.
  • a purge valve 64 is arranged downstream of the anode circuit and can be used to remove the impurities that accumulate in the anode circuit 58.
  • the fuel cell system 10 additionally has a line section 66, via which hydrogen can be fed to a gas bearing 70 (see FIG. 5) of the recirculation blower 62.
  • the gas bearing 70 can in particular be in a start-up or run-down phase
  • Hydrogen are supplied so that a static gas bearing 70 is formed.
  • the line section 66 is connected between the low-pressure shut-off valve 38 and the hydrogen metering valve 46 to the hydrogen supply line 22. A portion of the hydrogen can thereby be supplied to the gas store 70, so that additionally an accumulation of water in the recirculation blower 62 by the dry hydrogen from the
  • Recirculation blower 62 can be removed.
  • an additional hydrogen metering valve 74 is arranged in the line section 66.
  • Figure 2 shows a second embodiment of the invention
  • Fuel cell system 10 This second exemplary embodiment essentially differs from the first exemplary embodiment shown in FIG. 1 in that the line section 66 has an additional output 78 of the
  • Hydrogen metering valve 46 goes off. As a result, an additional metering valve 74 in the line section 66, as shown in FIG. 1, is not necessary.
  • the recirculation blower 62 The recirculation blower 62.
  • Hydrogen supply line 22 is thus connected directly to the recirculation blower 62.
  • a line section 66 as shown in FIGS. 1 and 2, is not required.
  • An additional hydrogen metering valve 74 as shown in FIG. 1, is also not necessary.
  • the arrangement shown in FIG. 3 allows a large amount of water to be discharged within the recirculation blower 62.
  • Figure 4 shows a fourth embodiment of the invention
  • Fuel cell system 10 differs of the first embodiment of Figure 1 in that the
  • Low pressure shut-off valve 38 is connected to the hydrogen supply line 22.
  • an additional shut-off valve 82 is arranged in the line section 66 instead of an additional hydrogen metering valve 74, with which a hydrogen supply to the recirculation blower 62 can be shut off.
  • Figure 5 shows an embodiment of the electrically driven
  • Recirculation blower 62 comprises a compressor group 86, which in this exemplary embodiment is designed as a compressor wheel.
  • Compressor group 86 is the unused hydrogen, which here as
  • Hydrogen recirculation stream 88 is shown, conveyable from the output 50 to the input 42 of the anode compartment 18.
  • the compressor group 86 is connected to a shaft 90 which, via two gas bearings 70 in the
  • Recirculation fan 62 is mounted.
  • the recirculation blower 62 additionally has supply means 94, which in this exemplary embodiment is designed in the form of a plurality of radially running channels, via which fresh hydrogen, which is shown here as a hydrogen supply stream 96, can be introduced into the gas bearing 70.
  • supply means 94 which in this exemplary embodiment is designed in the form of a plurality of radially running channels, via which fresh hydrogen, which is shown here as a hydrogen supply stream 96, can be introduced into the gas bearing 70.
  • a radial gas cushion 98 is formed in the gas bearing 70, via which the shaft 90 can be statically supported.
  • an axial gas cushion 102 forms to the gas bearing 70.
  • the gas bearing 70 has a bearing leakage 106, via which the hydrogen fed into the gas bearing 70 can be discharged into the compressor group 86.
  • the hydrogen fed to the gas store 70 and the unused hydrogen are conveyed to the inlet 42 of the anode compartment 18.
  • the gas bearing 70 is constantly flushed with the hydrogen supplied, so that moisture can be removed from the gas bearing 70.
  • the recirculation blower 62 additionally has an electric motor 110, via which the compressor group 86 can be driven.
  • the electric motor 110 has a rotor 114 which is between the two Gas bearings 70 is connected to the shaft 90.
  • the rotor 114 is radially surrounded by a stator 118 of the electric motor 110, via which the rotor 114 can be driven.
  • On the stator 118 radially outer cooling fins 122 are arranged, via which the stator 118 can be cooled.
  • the recirculation blower 62 additionally has a housing 126 in which the compressor group 86, the gas bearings 70 and the electric motor 110 are accommodated. This housing 126 is encapsulated so that the hydrogen supplied to the gas bearing 70 is not released into the environment, but rather can be directed to the inlet 42 of the anode compartment 18.
  • FIG. 6 shows a first exemplary embodiment of a method for operating the recirculation blower 62.
  • a graph is shown in this figure, the speed N of the recirculation blower 62 being plotted on an X axis and a quantity of the hydrogen fed to the gas bearing 70 being plotted on the Y axis is.
  • the hydrogen fed into the gas bearing 70 can be controlled, for example, via the additional shut-off valve 82.
  • a limit speed N G the supply of the supplied hydrogen into the gas store 70 is stopped.
  • the limit speed N G can be a speed N of the recirculation blower 62 at which dynamic storage of the gas bearing 70 is possible.
  • the supplied hydrogen can be supplied again when the speed N falls below the limit speed N G.
  • adequate storage in the gas bearings 70 can be ensured even when the recirculation blower 62 runs out.
  • FIG. 7 shows a second exemplary embodiment of a method for operating the recirculation fan 62. This embodiment
  • the supply is reduced linearly with increasing speed N.
  • This reduction in the supplied hydrogen can be controlled, for example, via the additional hydrogen metering valve 74.
  • the slope of the linear reduction is additionally increased from a second limit speed N2 G , so that the supply of the supplied hydrogen is stopped at a predetermined speed Nx.
  • the speed range between the limit speed NG and the predetermined speed Nx can be a speed range in which there is a transition between a static and a dynamic mounting of the gas bearing 70.
  • the predetermined speed Nx approaches, the dynamic portion of the bearing predominates, so that the hydrogen supply for the static bearing of the gas bearing 70 can be reduced accordingly.
  • Hydrogen are supplied again when the speed N falls below the predetermined limit speed Nx. As a result, adequate storage in the gas bearings 70 can be ensured even when the recirculation blower 62 runs out.

Landscapes

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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system (10), comprising at least one fuel cell (14), a hydrogen store (26), in which hydrogen is stored under positive pressure, and which is connected to an anode compartment (18) of the fuel cell (14) via a hydrogen feed line (22), and an anode circuit (58), by means of which unused hydrogen at an outlet (50) of the anode compartment (18) can be recirculated into an inlet (42) of the anode compartment (18). At least one electrically driven recirculation blower (62) is provided between the outlet (50) and the inlet (42) of the anode compartment (18), by means of which blower the unused hydrogen can be fed to the inlet (42) of the anode compartment (18), and at least some of the hydrogen fed to the anode compartment (18) from the hydrogen store (26) can be introduced into at least one gas bearing (70) of the electrically driven recirculation blower (62), and the gas bearing (70) can thus be statically supportive.

Description

Beschreibung description
Titel: Title:
Brennstoffzellensystem Fuel cell system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Rezirkulationsgebläse für ein solches The present invention relates to a fuel cell system. In addition, the invention relates to a recirculation fan for such
Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Fuel cell system and a method for operating such a system
Rezirkulationsgebläses. Recirculation blower.
In mobilen Anwendungen werden aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus im Betrieb vorzugsweise Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (PEM-BZ) verwendet. Dieser Brennstoffzellentyp wird mit einem Wasserstoffüberschuss überstöchiometrisch betrieben. Der nichtverbrauchte Wasserstoff wird rezirkuliert und gemeinsam mit Frischwasserstoff wieder der Reaktion zugeführt. Ausgehend von einem Wasserstofftank (typisch 350 oder 700 bar Nominaldruck) wird der Wasserstoffdruck in mehreren Stufen auf den Betriebsdruck von <10 bar reduziert. Um das Druckgefälle vom Anodenaustritt zum Anodeneintritt zu überwinden wird häufig ein Rezirkulationsgebläse verwendet. In mobile applications, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEM-BZ) are preferably used due to the low temperature level during operation. This type of fuel cell is operated in excess of stoichiometry with an excess of hydrogen. The unused hydrogen is recirculated and returned to the reaction together with fresh hydrogen. Starting from a hydrogen tank (typically 350 or 700 bar nominal pressure), the hydrogen pressure is reduced in several stages to the operating pressure of <10 bar. A recirculation blower is often used to overcome the pressure drop from the anode outlet to the anode inlet.
Stand der Technik State of the art
Aus der DE 10 2007 037 096 Al ist ein Brennstoffzellensystem mit einem in einen Brennstoffkreislauf angeordneten Rezirkulationsgebläse bekannt. Das Rezirkulationsgebläse wird dabei über eine Antriebsturbine betrieben, welche mit verdichteter Luft beaufschlagt ist. A fuel cell system with a recirculation fan arranged in a fuel circuit is known from DE 10 2007 037 096 A1. The recirculation fan is operated via a drive turbine which is pressurized with compressed air.
Der Hintergrund der Erfindung ist, dass noch immer viele verschiedene Ansätze zur Rezirkulation des Wasserstoffgasgemischs existieren. Klassische The background of the invention is that there are still many different approaches to recirculating the hydrogen gas mixture. Classic
Strömungsmaschinen können ihre Vorteile unter den Randbedingungen des Wasserstoffsystems nicht voll ausspielen. Die geringe Druckdifferenz zwischen Anodenaustritt und Anodeneintritt könnte prinzipiell mit einem kompakten Radialverdichter überwunden werden. Die anspruchsvollen Anforderungen an Lagerung (Ölfreiheit, hohe Drehzahl) stehen dem heute jedoch entgegen. Die Maschinen sind aufgrund der begrenzten Drehzahl hinsichtlich Druckverhältnis und Leistungsdichte begrenzt. Der Betrieb des Rezirkulationsgebläses unter den feuchten Bedingungen führt zu einer hohen Materialbelastung. Turbomachines cannot fully exploit their advantages under the boundary conditions of the hydrogen system. The small pressure difference between In principle, anode outlet and anode inlet could be overcome with a compact radial compressor. However, the demanding requirements for storage (oil-free, high speed) stand in the way of this. The machines are limited due to the limited speed in terms of pressure ratio and power density. The operation of the recirculation fan under the humid conditions leads to a high material load.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mit welchem auf wirtschaftliche Weise eine Rezirkulation des Wasserstoffs möglich ist und bei welchem die Haltbarkeit des It is therefore the object of the present invention to provide a fuel cell system with which the hydrogen can be recirculated economically and with which the durability of the
Rezirkulationsgebläses verlängert wird. Zusätzlich ist die Aufgabe der Erfindung ein Rezirkulationsgebläse anzugeben, welches in einem solchen Recirculation blower is extended. In addition, the object of the invention is to provide a recirculation blower which is in such a
Brennstoffzellensystem betreibbar ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Rezirkulationsgebläses anzugeben. Fuel cell system is operable. Another object of the invention is to provide a method for operating such a recirculation fan.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und ein Rezirkulationsgebläse für ein solches Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst. Zusätzlich gibt die Erfindung eine Verfahren zum Betreiben eines solchen Rezirkulationsgebläses mit den The object is achieved by a fuel cell system with the features of claim 1 and a recirculation blower for such a fuel cell system with the features of claim 8. In addition, the invention provides a method for operating such a recirculation fan with the
Merkmalen nach Anspruch 9 an. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Features according to claim 9. The dependent back dependent
Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder. Claims reflect advantageous developments of the invention.
Die Erfindung gibt ein Brennstoffzellensystem an, mit wenigstens einer The invention provides a fuel cell system, with at least one
Brennstoffzelle, einem Wasserstoffspeicher, in welchem Wasserstoff unter Überdruck bevorratet ist. Der Wasserstoffspeicher ist dabei mittels einer Fuel cell, a hydrogen storage device in which hydrogen is stored under excess pressure. The hydrogen storage is by means of a
Wasserstoffzufuhrleitung mit einem Anodenraum der Brennstoffzelle verbunden. Das Brennstoffzellensystem umfasst zusätzlich einen Anodenkreislauf, mittels welchem unverbrauchter Wasserstoff an einem Ausgang des Anodenraums in einen Eingang des Anodenraums zurückführbar ist, wobei zwischen dem Hydrogen supply line connected to an anode compartment of the fuel cell. The fuel cell system additionally comprises an anode circuit, by means of which unused hydrogen at an outlet of the anode compartment can be returned to an inlet of the anode compartment, between which
Ausgang und dem Eingang des Anodenraums wenigstens ein elektrisch angetriebenes Rezirkulationsgebläse angeordnet ist, über welches der unverbrauchte Wasserstoff dem Eingang des Anodenraums zuführbar ist. Wenigstens ein Teil des vom Wasserstoffspeicher dem Anodenraum zugeführten Wasserstoffes ist in wenigstens ein Gaslager des elektrisch angetriebenen Rezirkulationsgebläses einleitbar, so dass das Gaslager statisch lagerbar ist. At least one electrically driven recirculation blower is arranged at the outlet and the entrance of the anode compartment, via which the unused hydrogen can be fed to the entrance of the anode compartment. At least part of the hydrogen supplied to the anode compartment from the hydrogen store can be introduced into at least one gas bearing of the electrically driven recirculation blower, so that the gas bearing can be statically stored.
Der Wasserstoffspeicher ist dabei vorzugsweise ein Wasserstofftank. Das elektrisch angetriebene Rezirkulationsgebläse ist dabei vorzugsweise ein Radialverdichter. Als Gaslager wird dabei ein Lager verstanden, bei welchem in einem Lagerspalt zwischen einer Welle und einer Lagerschale ein Gasdruck aufgebaut wird, über welchen die Welle gelagert ist. Bei einem dynamischen Gaslager wird dieser Gasdruck ab einer bestimmten Drehzahl der Welle aufgebaut. Bei einem statischen Gaslager wird der Gasdruck durch ein von außen zugeführtes Gas aufgebaut, so dass die Welle bereits ab einem Start gelagert ist. The hydrogen storage is preferably a hydrogen tank. The electrically driven recirculation blower is preferably a radial compressor. A gas bearing is understood to mean a bearing in which a gas pressure is built up in a bearing gap between a shaft and a bearing shell, via which the shaft is supported. With a dynamic gas bearing, this gas pressure is built up from a certain speed of the shaft. In the case of a static gas bearing, the gas pressure is built up by an externally supplied gas, so that the shaft is already supported from the start.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass gerade bei einem Anlaufen oder bei einem Auslaufen des elektrischen Rezirkulationsgebläses ein Verschleiß in dem Gaslager vermieden werden kann. Dadurch wird die Haltbarkeit des The invention has the advantage that wear and tear in the gas bearing can be avoided precisely when the electric recirculation blower starts up or runs down. This will increase the durability of the
Rezirkulationsgebläses verlängert. Durch das Zuführen des Wasserstoffs, welches meist einen Mittel- oder Niederdruckniveau aufweist, muss keine zusätzliche Pumpe bereitgestellt werden, um ein Gas mit Druck dem Gaslager zur Verfügung zu stellen. Dadurch kann ein solches Brennstoffzellensystem wirtschaftlich bereitgestellt werden. Recirculation blower extended. By supplying the hydrogen, which usually has a medium or low pressure level, no additional pump has to be provided in order to make a gas with pressure available to the gas store. Such a fuel cell system can be provided economically.
Ein solches Gaslager hat zudem vielfach eine Leckage. Durch ein Zuführen des Wasserstoffs in das Gaslager sind keine aufwendigen Abdichtungen des Lagers notwendig, um einen Austritt des Wasserstoffs aus dem Gaslager zu dem unverbrauchten Wasserstoff zu vermeiden. Dadurch kann ein solches Such a gas storage facility also often has a leak. By feeding the hydrogen into the gas store, no expensive seals of the store are necessary in order to prevent the hydrogen from escaping from the gas store to the unused hydrogen. This allows such a
Brennstoffzellensystem wiederum wirtschaftlich bereitgestellt werden. Fuel cell system in turn can be provided economically.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem einen Leitungsabschnitt auf, welcher mit der Wasserstoffzufuhrleitung und dem Rezirkulationsgebläse verbunden ist, so dass wenigstens ein Teil des In a preferred embodiment of the invention, the fuel cell system has a line section which is connected to the hydrogen supply line and the recirculation blower, so that at least part of the
Wasserstoffs dem Gaslager zuführbar ist. Durch den Leitungsabschnitt wird eine einfach Verbindung zwischen dem Rezirkulationsgebläse und der Hydrogen can be supplied to the gas store. The line section provides a simple connection between the recirculation fan and the
Wasserstoffzufuhrleitung geschaffen. Dieser Leitungsabschnitt ist dadurch unabhängig von der Wasserstoffzufuhrleitung und kann somit über ein Ventil separat geschaltet werden. Hydrogen supply line created. This line section is thereby independent of the hydrogen supply line and can therefore be switched separately via a valve.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Leitungsabschnitt zwischen einem Niederdruckabsperrventil und einem Wasserstoffdosierventil mit der Wasserstoffzufuhrleitung verbunden. Das Wasserstoffdosierventil dosiert dabei den Wasserstoff für die Brennstoffzelle. Dadurch kann ein Druck in dem Gaslager zur statischen Lagerung aufgebaut werden, bevor das In a further preferred embodiment of the invention, the line section between a low-pressure shut-off valve and a hydrogen metering valve is connected to the hydrogen supply line. The hydrogen metering valve doses the hydrogen for the fuel cell. As a result, a pressure can be built up in the gas storage for static storage before the
Wasserstoffdosierventil geöffnet wird. Es wird somit eine statische Lagerung bereits vor einem Anlaufen des Rezirkulationsgebläses gewährleistet, so dass der Verschleiß verringert werden kann. Hydrogen metering valve is opened. Static mounting is thus ensured before the recirculation fan starts up, so that wear can be reduced.
Vorzugsweise weist der Leitungsabschnitt ein Zusatz-Wasserstoffdosierventil zum Dosieren des dem Gaslager des Rezirkulationsgebläses zugeführten Wasserstoffs, auf. Das Zusatz-Wasserstoffdosierventil kann dabei ebenso wie das Wasserstoffdosierventil eine Wasserstoffmenge dosieren, so dass die dem Gaslager zugeführte Wasserstoffmenge regelbar ist. Das Zusatz- Wasserstoffdosierventil in dem Leitungsabschnitt hat zusätzlich den Vorteil, dass dadurch ein Umschalten von einem statischen in einen dynamischen The line section preferably has an additional hydrogen metering valve for metering the hydrogen supplied to the gas bearing of the recirculation blower. The additional hydrogen metering valve, like the hydrogen metering valve, can meter a quantity of hydrogen so that the quantity of hydrogen supplied to the gas bearing can be regulated. The additional hydrogen metering valve in the line section has the additional advantage that it switches from a static to a dynamic one
Gaslagerbetrieb möglich ist. Bei dem dynamischen Gaslagerbetrieb ist das Zusatz-Wasserstoffdosierventil dabei geschlossen. Dadurch kann der Gas storage operation is possible. The auxiliary hydrogen metering valve is closed during dynamic gas storage operation. This allows the
Wasserstoff aus der Wasserstoffzufuhrleitung ausschließlich direkt dem Hydrogen from the hydrogen supply line only directly to the
Anodenraum zugeführt werden. Anode compartment are supplied.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Leitungsabschnitt über einen Zusatz- Ausgang eines Wasserstoffdosierventils mit der Wasserstoffzufuhrleitung verbunden. Bei diesem Wasserstoffdosierventil werden mit einem Dichtsatz des Wasserstoffdosierventils zwei Ausgänge geschaltet. Dadurch ist kein In an advantageous development, the line section is connected to the hydrogen supply line via an additional output of a hydrogen metering valve. With this hydrogen metering valve, two outputs are switched with a sealing kit of the hydrogen metering valve. This is no
zusätzliches Wasserstoffdosierventil erforderlich, wodurch ein solches additional hydrogen metering valve required, making such
Brennstoffzellensystem wirtschaftlich bereitgestellt werden kann. Fuel cell system can be provided economically.
Vorteilhafterweise ist der Leitungsabschnitt zwischen einem Druckminderer und einem Niederdruckabsperrventil mit der Wasserstoffzufuhrleitung verbunden. Dadurch kann ebenfalls ein Druck in dem Gaslager zur statischen Lagerung aufgebaut werden, bevor das Niederdruckabsperrventil oder das Wasserstoffdosierventil geöffnet wird. Dadurch kann somit vor einem Anlaufen des Rezirkulationsgebläses ein ausreichender Druck in dem Gaslager aufgebaut werden. Dadurch wird der Verschleiß in dem Gaslager insbesondere während eines Anlaufens oder eines Auslaufens vermindert. Vorzugsweise ist in dem Leitungsabschnitt ein Absperrventil angeordnet, so dass bei einer ausreichenden Drehzahl im Gaslager, bei welcher eine dynamische Lagerung sichergestellt ist, die Wasserstoffzufuhr gestoppt wird. The line section between a pressure reducer and a low-pressure shut-off valve is advantageously connected to the hydrogen supply line. This can also build up a pressure in the gas storage for static storage before the low pressure shut-off valve or Hydrogen metering valve is opened. As a result, a sufficient pressure can be built up in the gas bearing before the recirculation fan starts up. As a result, wear in the gas bearing is reduced, in particular during start-up or run-down. A shut-off valve is preferably arranged in the line section, so that the hydrogen supply is stopped at a sufficient speed in the gas store at which dynamic storage is ensured.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Wasserstoffzufuhrleitung über das Rezirkulationsgebläse mit dem Anodenraum verbunden. Dadurch wird der gesamte dem Anodenraum zugeführte Wasserstoff zuerst in das Gaslager eingebracht. Der Wasserstoff liegt dadurch zuerst an dem Gaslager an, so dass bei einem Anlaufen des Rezirkulationsgebläses eine statische Lagerung vorliegt. Diese statische Lagerung wird dabei während des gesamten Betriebs der Brennstoffzelle realisiert. Dadurch wird ein Verschleiß des Gaslagers minimiert, so dass die Haltbarkeit des Rezirkulationsgebläses verlängert wird. Zusätzlich ist lediglich ein einziges Wasserstoffdosierventil notwendig. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem wirtschaftlich realisiert werden. In a further advantageous embodiment, the hydrogen supply line is connected to the anode compartment via the recirculation fan. As a result, all of the hydrogen supplied to the anode compartment is first introduced into the gas store. As a result, the hydrogen is first in contact with the gas bearing, so that there is a static bearing when the recirculation fan starts up. This static storage is implemented during the entire operation of the fuel cell. This minimizes wear on the gas bearing, so that the durability of the recirculation blower is extended. In addition, only a single hydrogen metering valve is required. This enables the fuel cell system to be implemented economically.
Die Erfindung wird zusätzlich durch ein Rezirkulationsgebläse zum Einsatz in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gelöst. Das The invention is additionally achieved by a recirculation blower for use in the fuel cell system according to the invention. The
Rezirkulationsgebläse umfasst dabei wenigstens eine Verdichtergruppe, über welche Wasserstoff verdichtbar ist, einen Elektromotor, über welchen die Verdichtergruppe elektrisch antreibbar ist, ein Gaslager, über welches die Verdichtergruppe lagerbar ist, und ein Zuleitungsmittel, über welches dem Gaslager ein Gas zur statischen Lagerung zuleitbar ist, wobei das Gas ein Teil des von einem Wasserstoffspeicher einer Brennstoffzelle des Recirculation blowers include at least one compressor group, via which hydrogen can be compressed, an electric motor, via which the compressor group can be driven electrically, a gas bearing, via which the compressor group can be stored, and a supply means, via which a gas for static storage can be supplied to the gas bearing. wherein the gas is part of the from a hydrogen storage of a fuel cell
Brennstoffzellensystems zugeleiteten Wasserstoffs ist, und wobei das Gaslager eine Lagerleckage aufweist, über die der zugeleitete Wasserstoff in die Fuel cell system is supplied hydrogen, and wherein the gas storage has a storage leak, via which the supplied hydrogen into the
Verdichtergruppe ableitbar ist. Compressor group can be derived.
Als Zuleitungsmittel im Sinne der Erfindung wird jedes bauliche Anordnung verstanden, über welche Gas dem Gaslager zuführbar ist. Eine Lagerleckage ist dabei ein Gasstrom, welcher aufgrund eines undichten Gaslagers, dieses Gaslager verlässt. Folglich muss diese Lagerleckage durch zusätzliches dem Gaslager zugeführten Gas ausgeglichen werden. Das Rezirkulationsgebläse ist dabei baulich derart angepasst, dass die Lagerleckage in die Verdichtergruppe ableitbar ist. Dies bedeutet, dass keine Abdichtung zwischen dem Gaslager und der Verdichtergruppe vorhanden ist. Any structural arrangement via which gas can be supplied to the gas store is understood as a supply means in the sense of the invention. A storage leak is a gas flow that leaves this gas storage due to a leaky gas storage. Therefore, this bearing leakage must be compensated for by the additional Gas storage supplied gas are balanced. The recirculation blower is structurally adapted in such a way that the bearing leakage can be discharged into the compressor group. This means that there is no seal between the gas bearing and the compressor group.
Durch den ständigen Austausch des dem Gaslager zugeführten trockenen Wasserstoffs wird das sich in dem Gaslager und im Rezirkulationsgebläse ansammelnde Wasser abgeführt, so dass das Gaslager und der Rest des Rezirkulationsgebläses getrocknet wird. Dadurch kann eine Korrosion an den Bauteilen des Rezirkulationsgebläses durch das korrosive Wasser vermindert werden. Eine Haltbarkeit des Rezirkulationsgebläses wird dadurch verlängert. Auch können dadurch weniger korrosionsbeständige Materialien gewählt werden, welche preiswerter sind. Due to the constant exchange of the dry hydrogen supplied to the gas store, the water that accumulates in the gas store and in the recirculation blower is removed, so that the gas store and the rest of the recirculation blower are dried. Corrosion on the components of the recirculation blower by the corrosive water can thereby be reduced. This extends the life of the recirculation blower. This also means that less corrosion-resistant materials can be selected, which are cheaper.
Darüber hinaus gibt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des In addition, the invention provides a method for operating the
Rezirkulationsgebläses an, wobei in einem Drehzahlbereich unterhalb einer Grenzdrehzahl dem Gaslager Wasserstoff zugeführt wird, so dass eine statische Lagerung des Gaslagers ermöglicht wird, und in einem Drehzahlbereich oberhalb der Grenzdrehzahl der zugeführte Wasserstoff wenigstens teilweise reduziert wird. Recirculation blower, with hydrogen being supplied to the gas bearing in a speed range below a limit speed, so that static storage of the gas bearing is made possible, and the supplied hydrogen being at least partially reduced in a speed range above the limit speed.
Als Grenzdrehzahl im Sinne der Erfindung wird dabei eine vorgegebene oder berechnete Drehzahl des Rezirkulationsgebläses verstanden. Diese Drehzahl kann dabei eine Drehzahl sein, bei welcher ein dynamischer Betrieb des In the context of the invention, the limit speed is understood to be a predetermined or calculated speed of the recirculation fan. This speed can be a speed at which a dynamic operation of the
Gaslagers gewährleistet ist. Ebenso kann die Grenzdrehzahl auch eine Drehzahl sein, bei welcher der Übergang zwischen statischer und dynamischer Lagerung beginnt. Gas storage is guaranteed. The limit speed can also be a speed at which the transition between static and dynamic bearings begins.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass nicht unnötig dem Gaslager Wasserstoff zugeführt werden muss. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem wirtschaftlich betrieben werden. Zusätzlich kann der Verschleiß des Rezirkulationsgebläses verringert werden. The method has the advantage that hydrogen does not have to be added to the gas store unnecessarily. This enables the fuel cell system to be operated economically. In addition, the wear of the recirculation blower can be reduced.
Vorzugsweise wird eine Zufuhr des Wasserstoffs in das Gaslager oberhalb der Grenzdrehzahl gestoppt. Bevorzugt ist die Grenzdrehzahl dabei die Drehzahl, bei welcher ein dynamischer Betrieb des Gaslagers gewährleistet ist. Dies hat den Vorteil, dass kein Dosierventil notwendig ist. A supply of the hydrogen into the gas store above the limit speed is preferably stopped. The limit speed is preferably the speed at which ensures dynamic operation of the gas warehouse. This has the advantage that no metering valve is necessary.
Bei einer vorteilhaften Ausführung wird eine Zufuhr des Wasserstoffs in das Gaslager nach Erreichen der Grenzdrehzahl linear mit einer Erhöhung der Drehzahl reduziert. Die Grenzdrehzahl ist dabei vorzugsweise eine Drehzahl, bei welcher ein Übergangsbereich, zwischen dem statischen und dynamischen Betrieb des Gaslagers, beginnt. Dadurch kann bereits mit zunehmenden Anteil an dynamischer Lagerung die Wasserstoffzufuhr entsprechend reduziert werden. In an advantageous embodiment, the supply of hydrogen to the gas bearing is linearly reduced with an increase in speed after the limit speed has been reached. The limit speed is preferably a speed at which a transition range between the static and dynamic operation of the gas bearing begins. As a result, the hydrogen supply can be reduced accordingly with an increasing proportion of dynamic storage.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt: Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. It shows:
Figur 1 Erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Figure 1 First embodiment of an inventive
B ren nstoff ze 11 e nsyste ms , B ren nstoff ze 11 e nsyste ms,
Figur 2 Zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Figure 2 Second embodiment of an inventive
Brennstoffzellensystems, Fuel cell system,
Figur 3 Drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Figure 3 Third embodiment of an inventive
Brennstoffzellensystems, Fuel cell system,
Figur 4 Viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Figure 4 Fourth embodiment of an inventive
Brennstoffzellensystems, Fuel cell system,
Figur 5 Ausführungsbeispiel eines elektrisch angetriebenen Figure 5 embodiment of an electrically driven
Rezirkulationsgebläses für das Brennstoffzellensystem, Recirculation blower for the fuel cell system,
Figur 6 Erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines Figure 6 First embodiment of a method for operating a
Rezirkulationsgebläses, und Recirculation blower, and
Figur 7 Zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben eines Figure 7 Second embodiment of a method for operating a
Rezirkulationsgebläses. In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Recirculation blower. In Figure 1 is a first embodiment of an inventive
Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst dabei eine Brennstoffzelle 14, bei welcher hier lediglich ein Anodenraum 18 gezeigt ist. Dieser Anodenraum 18 ist über eine Wasserstoffzufuhrleitung 22 mit einem Wasserstoffspeicher 26, welcher hier als Wasserstofftank ausgebildet ist, fluidisch verbunden. In der Wasserstoffzufuhrleitung 22 ist stromabwärts des Wasserstoffspeichers 26 ein Tank- Absperrventil 30 angeordnet, um eine Wasserstoffversorgung aus dem Wasserstoffspeicher 26 abzusperren. Fuel cell system 10 shown. The fuel cell system 10 comprises a fuel cell 14, in which only an anode space 18 is shown here. This anode space 18 is fluidly connected via a hydrogen supply line 22 to a hydrogen storage 26, which is designed here as a hydrogen tank. A tank shut-off valve 30 is arranged in the hydrogen supply line 22 downstream of the hydrogen store 26 in order to shut off a hydrogen supply from the hydrogen store 26.
Stromabwärts des Tank- Absperrventils 30 ist ein Druckminderer 34 in der Wasserstoffzufuhrleitung 22 angeordnet, um den hohen Druck des A pressure reducer 34 is arranged in the hydrogen supply line 22 downstream of the tank shut-off valve 30 in order to compensate for the high pressure of the
Wasserstoffspeichers 26 auf ein Niederdruckniveau zu bringen. Stromabwärts zu diesem Druckminderer 34 ist ein Niederdruckabsperrventil 38 in der Bring hydrogen storage 26 to a low pressure level. Downstream of this pressure reducer 34 is a low pressure shut-off valve 38 in the
Wasserstoffzufuhrleitung 22 angeordnet, um eine Wasserstoffversorgung im Niederdruckbereich zu unterbrechen. Zwischen dem Niederdruckabsperrventil 38 und einem Eingang 42 des Anodenraums 18 ist ein Wasserstoffdosierventil 46 angeordnet, über welches die Wasserstoffmenge, die in den Anodenraum 18 geleitet wird, dosiert werden kann. Die Wasserstoffmenge wird dabei derart dosiert, dass die Brennstoffzelle 14 überstöchiometrisch betrieben wird. Hydrogen supply line 22 arranged to interrupt a hydrogen supply in the low pressure region. A hydrogen metering valve 46 is arranged between the low-pressure shut-off valve 38 and an inlet 42 of the anode chamber 18, via which the amount of hydrogen that is fed into the anode chamber 18 can be metered. The amount of hydrogen is metered in such a way that the fuel cell 14 is operated in a stoichiometric manner.
Nach einem Ausgang 50 des Anodenraumes 18 ist ein Kondensatabscheider 54 angeordnet. Über den Kondensatabscheider 54 ist das Kondensat, welches sich in dem den Anodenraum 18 verlassenden unverbrauchten Wasserstoff angesammelt hat, abgebbar. Der unverbrauchte Wasserstoff kann anschließend in einem Anodenkreislauf 58 zu dem Eingang 42 des Anodenraumes 18 zurückgeführt werden. Aufgrund der Druckdifferenz Dr zwischen dem Eingang 42 und dem Ausgang 50 des Anodenraumes 18 ist ein elektrisch angetriebenes Rezirkulationsgebläse 62 notwendig. Dieses Rezirkulationsgebläse 62 ist in dem Anodenkreislauf 58 zwischen dem Ausgang 50 und dem Eingang 42 des Anodenraumes 18 angeordnet. Dadurch kann der den Ausgang 50 des A condensate separator 54 is arranged after an outlet 50 of the anode compartment 18. The condensate, which has accumulated in the unused hydrogen leaving the anode space 18, can be dispensed via the condensate separator 54. The unused hydrogen can then be returned in an anode circuit 58 to the inlet 42 of the anode compartment 18. Because of the pressure difference Dr between the inlet 42 and the outlet 50 of the anode compartment 18, an electrically driven recirculation blower 62 is necessary. This recirculation fan 62 is arranged in the anode circuit 58 between the outlet 50 and the inlet 42 of the anode compartment 18. This allows the output 50 of the
Anodenraumes 18 verlassende unverbrauchte Wasserstoff dem Anodenraum 18 zugeführt werden. In Strömungsrichtung nach dem Anodenkreislauf ist eine Purge-Ventil 64 angeordnet, über welches die sich im Anodenkreislauf 58 ansammelnden Verunreinigungen entfernt werden können. In dem ersten Ausführungsbeispiel weist das Brennstoffzellensystems 10 zusätzlich einen Leitungsabschnitt 66 auf, über welchen einem Gaslager 70 (siehe Figur 5) des Rezirkulationsgebläses 62 Wasserstoff zuführbar ist. Dadurch kann dem Gaslager 70 insbesondere in einer Anlauf- oder Auslaufphase Anode space 18 leaving unused hydrogen are fed to the anode space 18. A purge valve 64 is arranged downstream of the anode circuit and can be used to remove the impurities that accumulate in the anode circuit 58. In the first exemplary embodiment, the fuel cell system 10 additionally has a line section 66, via which hydrogen can be fed to a gas bearing 70 (see FIG. 5) of the recirculation blower 62. As a result, the gas bearing 70 can in particular be in a start-up or run-down phase
Wasserstoff zugeführt werden, so dass ein statisches Gaslager 70 gebildet wird. Der Leitungsabschnitt 66 ist dabei zwischen dem Niederdruckabsperrventil 38 und dem Wasserstoffdosierventil 46 mit der Wasserstoffzufuhrleitung 22 verbunden. Es kann dadurch ein Teil des Wasserstoffs dem Gaslager 70 zugeführt werden, so dass zusätzlich eine Ansammlung von Wasser in dem Rezirkulationsgebläse 62 durch den trockenen Wasserstoff aus dem Hydrogen are supplied so that a static gas bearing 70 is formed. The line section 66 is connected between the low-pressure shut-off valve 38 and the hydrogen metering valve 46 to the hydrogen supply line 22. A portion of the hydrogen can thereby be supplied to the gas store 70, so that additionally an accumulation of water in the recirculation blower 62 by the dry hydrogen from the
Rezirkulationsgebläse 62 abführbar ist. Um den dem Rezirkulationsgebläse 62 zugeführten Wasserstoff zu kontrollieren, ist in dem Leitungsabschnitt 66 ein Zusatz-Wasserstoffdosierventil 74 angeordnet. Recirculation blower 62 can be removed. In order to control the hydrogen supplied to the recirculation blower 62, an additional hydrogen metering valve 74 is arranged in the line section 66.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Figure 2 shows a second embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems 10. Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich im Wesentlichen von dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel darin, dass der Leitungsabschnitt 66 von einem Zusatz-Ausgang 78 des Fuel cell system 10. This second exemplary embodiment essentially differs from the first exemplary embodiment shown in FIG. 1 in that the line section 66 has an additional output 78 of the
Wasserstoffdosierventils 46 abgeht. Dadurch ist ein Zusatz- Dosierventil 74 im Leitungsabschnitt 66, wie in Figur 1 gezeigt, nicht notwendig. Hydrogen metering valve 46 goes off. As a result, an additional metering valve 74 in the line section 66, as shown in FIG. 1, is not necessary.
In Figur 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen In Figure 3 is a third embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen darin, dass der gesamte Wasserstoff, der dem Anodenraum 18 vom Wasserstoffspeicher 26 zugeführt wird, über das Rezirkulationsgebläse 62 geleitet wird. Die Fuel cell system 10 shown. This exemplary embodiment differs from the previously described exemplary embodiments in that all of the hydrogen which is fed to the anode space 18 from the hydrogen store 26 is conducted via the recirculation blower 62. The
Wasserstoffzufuhrleitung 22 ist somit direkt mit dem Rezirkulationsgebläse 62 verbunden. Dadurch ist ein Leitungsabschnitt 66, wie er in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist, nicht erforderlich. Auch ist ein Zusatz-Wasserstoffdosierventil 74, wie in Figur 1 gezeigt, nicht notwendig. Durch die in Figur 3 gezeigt Anordnung kann eine hohe Menge an Wasser innerhalb des Rezirkulationsgebläses 62 ausgefördert werden. Hydrogen supply line 22 is thus connected directly to the recirculation blower 62. As a result, a line section 66, as shown in FIGS. 1 and 2, is not required. An additional hydrogen metering valve 74, as shown in FIG. 1, is also not necessary. The arrangement shown in FIG. 3 allows a large amount of water to be discharged within the recirculation blower 62.
Figur 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Figure 4 shows a fourth embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems 10. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 darin, dass der Fuel cell system 10. The fourth embodiment differs of the first embodiment of Figure 1 in that the
Leitungsabschnitt 66 zwischen dem Druckminderer 34 und dem Line section 66 between the pressure reducer 34 and the
Niederdruckabsperrventil 38 mit der Wasserstoffzufuhrleitung 22 verbunden ist. Dadurch ist in dem Leitungsabschnitt 66 anstelle eines Zusatz- Wasserstoffdosierventils 74 ein Zusatz-Absperrventil 82 angeordnet, mit welchem eine Wasserstoffversorgung des Rezirkulationsgebläses 62 absperrbar ist. Low pressure shut-off valve 38 is connected to the hydrogen supply line 22. As a result, an additional shut-off valve 82 is arranged in the line section 66 instead of an additional hydrogen metering valve 74, with which a hydrogen supply to the recirculation blower 62 can be shut off.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des elektrisch angetriebenen Figure 5 shows an embodiment of the electrically driven
Rezirkulationsgebläses 62 für das Brennstoffzellensystem 10. Das Recirculation blower 62 for the fuel cell system 10. Das
Rezirkulationsgebläse 62 umfasst dabei eine Verdichtergruppe 86, welche in diesem Ausführungsbeispiel als Verdichterrad ausgebildet ist. Über die Recirculation blower 62 comprises a compressor group 86, which in this exemplary embodiment is designed as a compressor wheel. About the
Verdichtergruppe 86 ist der unverbrauchte Wasserstoff, welcher hier als Compressor group 86 is the unused hydrogen, which here as
Wasserstoffrezirkulationsstrom 88 gezeigt ist, von dem Ausgang 50 zu dem Eingang 42 des Anodenraums 18 förderbar. Die Verdichtergruppe 86 ist mit einer Welle 90 verbunden, welche über zwei Gaslager 70 in dem Hydrogen recirculation stream 88 is shown, conveyable from the output 50 to the input 42 of the anode compartment 18. The compressor group 86 is connected to a shaft 90 which, via two gas bearings 70 in the
Rezirkulationsgebläse 62 gelagert ist. Das Rezirkulationsgebläse 62 weist zusätzlich Zuleitungsmittel 94 auf, welches in diesem Ausführungsbeispiel in Form von mehreren radial verlaufenden Kanälen ausgebildet ist, über welches frischer Wasserstoff, welcher hier als Wasserstoffzuleitungsstrom 96 gezeigt ist, in das Gaslager 70 eingeleitet werden kann. Dadurch bildet sich ein radiales Gaspolster 98 in dem Gaslager 70 aus, über welches die Welle 90 statisch lagerbar ist. Zusätzlich bildet sich ein axiales Gaspolster 102 zu dem Gaslager 70 aus. Recirculation fan 62 is mounted. The recirculation blower 62 additionally has supply means 94, which in this exemplary embodiment is designed in the form of a plurality of radially running channels, via which fresh hydrogen, which is shown here as a hydrogen supply stream 96, can be introduced into the gas bearing 70. As a result, a radial gas cushion 98 is formed in the gas bearing 70, via which the shaft 90 can be statically supported. In addition, an axial gas cushion 102 forms to the gas bearing 70.
Das Gaslager 70 weist eine Lagerleckage 106 auf, über die der in das Gaslager 70 zugeleitete Wasserstoff in die Verdichtergruppe 86 ableitbar ist. Dadurch wird der dem Gaslager 70 zugeleitete Wasserstoff ebenso wie der unverbrauchte Wasserstoff zu dem Eingang 42 des Anodenraumes 18 befördert. Das Gaslager 70 wird dadurch ständig mit dem zugeleiteten Wasserstoff gespült, so dass Feuchtigkeit aus dem Gaslager 70 ausgefördert werden kann. The gas bearing 70 has a bearing leakage 106, via which the hydrogen fed into the gas bearing 70 can be discharged into the compressor group 86. As a result, the hydrogen fed to the gas store 70 and the unused hydrogen are conveyed to the inlet 42 of the anode compartment 18. As a result, the gas bearing 70 is constantly flushed with the hydrogen supplied, so that moisture can be removed from the gas bearing 70.
Das Rezirkulationsgebläse 62 weist zusätzlich einen Elektromotor 110 auf, über den die Verdichtergruppe 86 antreibbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Elektromotor 110 einen Rotor 114 auf, welcher zwischen den beiden Gaslagern 70 mit der Welle 90 verbunden ist. Der Rotor 114 ist radial von einem Stator 118 des Elektromotors 110 umgeben, über den der Rotor 114 antreibbar ist. An dem Stator 118 sind radial außenliegend Kühlrippen 122 angeordnet, über die der Stator 118 kühlbar ist. Das Rezirkualtionsgebläse 62 weist zusätzlich ein Gehäuse 126 auf, in welchem die Verdichtergruppe 86, die Gaslager 70 und der Elektromotor 110 aufgenommen sind. Dieses Gehäuse 126 ist dabei gekapselt ausgebildet, so dass der dem Gaslager 70 zugeleitete Wasserstoff nicht an die Umgebung abgegeben wird, sondern zu dem Eingang 42 des Anodenraumes 18 geleitet werden kann. The recirculation blower 62 additionally has an electric motor 110, via which the compressor group 86 can be driven. In this exemplary embodiment, the electric motor 110 has a rotor 114 which is between the two Gas bearings 70 is connected to the shaft 90. The rotor 114 is radially surrounded by a stator 118 of the electric motor 110, via which the rotor 114 can be driven. On the stator 118, radially outer cooling fins 122 are arranged, via which the stator 118 can be cooled. The recirculation blower 62 additionally has a housing 126 in which the compressor group 86, the gas bearings 70 and the electric motor 110 are accommodated. This housing 126 is encapsulated so that the hydrogen supplied to the gas bearing 70 is not released into the environment, but rather can be directed to the inlet 42 of the anode compartment 18.
Figur 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben des Rezirkulationsgebläses 62. In dieser Figur ist ein Graph dargestellt, wobei hier auf einer X-Achse die Drehzahl N des Rezirkulationsgebläses 62 und auf der Y- Achse eine Menge des dem Gaslager 70 zugeleiteten Wasserstoffs aufgetragen ist. Der in das Gaslager 70 zugeleitete Wasserstoff kann dabei beispielweise über das Zusatz-Absperrventil 82 gesteuert werden. Ab einer Grenzdrehzahl NG wird die Zufuhr des zugeleiteten Wasserstoffs in das Gaslager 70 gestoppt. Die Grenzdrehzahl NG kann dabei eine Drehzahl N des Rezirkulationsgebläses 62 sein, bei welcher eine dynamische Lagerung des Gaslagers 70 möglich ist. FIG. 6 shows a first exemplary embodiment of a method for operating the recirculation blower 62. A graph is shown in this figure, the speed N of the recirculation blower 62 being plotted on an X axis and a quantity of the hydrogen fed to the gas bearing 70 being plotted on the Y axis is. The hydrogen fed into the gas bearing 70 can be controlled, for example, via the additional shut-off valve 82. Above a limit speed N G , the supply of the supplied hydrogen into the gas store 70 is stopped. The limit speed N G can be a speed N of the recirculation blower 62 at which dynamic storage of the gas bearing 70 is possible.
Ebenso kann der zugeleitete Wasserstoff erneut zugeführt werden, wenn die Drehzahl N die Grenzdrehzahl NG unterschreitet. Dadurch kann auch bei einem Auslaufen des Rezirkulationsgebläses 62 eine ausreichende Lagerung in den Gaslagern 70 sichergestellt werden. Likewise, the supplied hydrogen can be supplied again when the speed N falls below the limit speed N G. As a result, adequate storage in the gas bearings 70 can be ensured even when the recirculation blower 62 runs out.
In Figur 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Betreiben des Rezirkulationsgebläses 62 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel FIG. 7 shows a second exemplary embodiment of a method for operating the recirculation fan 62. This embodiment
unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel in Figur 6 dadurch, dass ab der Grenzdrehzahl NG die Zufuhr linear mit zunehmender Drehzahl N verringert wird. Diese Verringerung des zugeleiteten Wasserstoffs kann beispielweise über das Zusatz-Wasserstoffdosierventil 74 gesteuert werden. In diesem Beispiel wird ab einer zweiten Grenzdrehzahl N2G die Steigung der linearen Reduzierung zusätzlich erhöht, so dass die Zufuhr des zugeleiteten Wasserstoffs bei einer vorbestimmten Drehzahl Nx gestoppt wird. Der Drehzahlbereich zwischen der Grenzdrehzahl NG und der vorbestimmten Drehzahl Nx kann dabei ein Drehzahlbereich sein, bei welchem ein Übergang zwischen einer statischen zu einer dynamischen Lagerung des Gaslagers 70 vorliegt. Mit einem Annähern an die vorbestimmte Drehzahl Nx überwiegt dabei der dynamische Anteil der Lagerung, so dass die Wasserstoffzufuhr zur statischen Lagerung des Gaslagers 70 dementsprechend reduziert werden kann. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 6 kann der zugeleitete differs from the exemplary embodiment in FIG. 6 in that, starting from the limit speed N G, the supply is reduced linearly with increasing speed N. This reduction in the supplied hydrogen can be controlled, for example, via the additional hydrogen metering valve 74. In this example, the slope of the linear reduction is additionally increased from a second limit speed N2 G , so that the supply of the supplied hydrogen is stopped at a predetermined speed Nx. The speed range between the limit speed NG and the predetermined speed Nx can be a speed range in which there is a transition between a static and a dynamic mounting of the gas bearing 70. As the predetermined speed Nx approaches, the dynamic portion of the bearing predominates, so that the hydrogen supply for the static bearing of the gas bearing 70 can be reduced accordingly. Just as in the exemplary embodiment in FIG. 6, the incoming one
Wasserstoff erneut zugeführt werden, wenn die Drehzahl N die vorbestimmte Grenzdrehzahl Nx unterschreitet. Dadurch kann auch bei einem Auslaufen des Rezirkulationsgebläses 62 eine ausreichende Lagerung in den Gaslagern 70 sichergestellt werden. Hydrogen are supplied again when the speed N falls below the predetermined limit speed Nx. As a result, adequate storage in the gas bearings 70 can be ensured even when the recirculation blower 62 runs out.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Brennstoffzellensystem (10) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (14), einem Wasserstoffspeicher (26), in welchem Wasserstoff unter Überdruck bevorratet ist, und welcher mittels einer Wasserstoffzufuhrleitung (22) mit einem Anodenraum (18) der Brennstoffzelle (14) verbunden ist, sowie mit einem Anodenkreislauf (58), mittels welchem unverbrauchter Wasserstoff an einem Ausgang (50) des Anodenraums (18) in einen Eingang (42) des Anodenraums (18) zurückführbar ist, wobei zwischen dem Ausgang (50) und dem Eingang (42) des Anodenraums (18) wenigstens ein elektrisch angetriebenes Rezirkulationsgebläse (62) angeordnet ist, über welches der unverbrauchte Wasserstoff dem Eingang (42) des Anodenraums (18) zuführbar ist, 1. fuel cell system (10) with at least one fuel cell (14), a hydrogen storage (26), in which hydrogen is stored under excess pressure, and which is connected to an anode space (18) of the fuel cell (14) by means of a hydrogen supply line (22), and with an anode circuit (58), by means of which unused hydrogen at an outlet (50) of the anode compartment (18) can be returned to an inlet (42) of the anode compartment (18), between the outlet (50) and the inlet (42) at least one electrically driven recirculation blower (62) is arranged in the anode compartment (18), via which the unused hydrogen can be fed to the inlet (42) of the anode compartment (18),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
wenigstens ein Teil des vom Wasserstoffspeicher (26) dem Anodenraum (18) zugeführten Wasserstoffes in wenigstens ein Gaslager (70) des elektrisch angetriebenen Rezirkulationsgebläses (62) einleitbar und das Gaslager (70) somit statisch lagerbar ist. at least a portion of the hydrogen supplied from the hydrogen store (26) to the anode compartment (18) can be introduced into at least one gas bearing (70) of the electrically driven recirculation blower (62) and the gas bearing (70) can thus be statically supported.
2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (10) einen Leitungsabschnitt (66) aufweist, welcher mit der Wasserstoffzufuhrleitung (22) und dem Rezirkulationsgebläse (62) verbunden ist, so dass wenigstens ein Teil des Wasserstoffs dem Gaslager (70) zuführbar ist. 2. Fuel cell system (10) according to claim 1, characterized in that the fuel cell system (10) has a line section (66) which is connected to the hydrogen supply line (22) and the recirculation blower (62), so that at least part of the hydrogen Gas storage (70) can be supplied.
3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (66) zwischen einem Niederdruckabsperrventil (38) und einem Wasserstoffdosierventil (46) mit der Wasserstoffzufuhrleitung (22) verbunden ist. 3. Fuel cell system (10) according to claim 2, characterized in that the line section (66) between a low pressure shut-off valve (38) and a hydrogen metering valve (46) is connected to the hydrogen supply line (22).
4. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (66) ein Zusatz-Wasserstoffdosierventil (74) zum Dosieren des dem Gaslager (70) des Rezirkulationsgebläses (62) 4. Fuel cell system (10) according to claim 3, characterized in that the line section (66) an additional hydrogen metering valve (74) for Dosing the gas bearing (70) of the recirculation blower (62)
zugeführten Wasserstoffs, aufweist. supplied hydrogen.
5. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (66) über einen Zusatz-Ausgang (78) eines Wasserstoffdosierventils (46) mit der Wasserstoffzufuhrleitung (22) verbunden ist 5. Fuel cell system (10) according to claim 2, characterized in that the line section (66) via an additional output (78) of a hydrogen metering valve (46) is connected to the hydrogen supply line (22)
6. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsabschnitt (66) zwischen einem Druckminderer (34) und einem Niederdruckabsperrventil (38) mit der Wasserstoffzufuhrleitung (22) verbunden ist. 6. The fuel cell system (10) according to claim 2, characterized in that the line section (66) between a pressure reducer (34) and a low pressure shut-off valve (38) is connected to the hydrogen supply line (22).
7. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffzufuhrleitung (22) über das Rezirkulationsgebläse (62) mit dem Anodenraum (18) verbunden ist. 7. The fuel cell system (10) according to claim 1, characterized in that the hydrogen supply line (22) via the recirculation blower (62) is connected to the anode compartment (18).
8. Rezirkulationsgebläse (62) zum Einsatz in einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüchen, wobei das Rezirkulationsgebläse (62) wenigstens umfasst: 8. recirculation blower (62) for use in a fuel cell system (10) according to any one of the preceding claims, wherein the recirculation blower (62) comprises at least:
eine Verdichtergruppe (86), über welche Wasserstoff verdichtbar ist, einen Elektromotor (110), über welchen die Verdichtergruppe (86) elektrisch antreibbar ist, a compressor group (86), via which hydrogen can be compressed, an electric motor (110), via which the compressor group (86) can be driven electrically,
ein Gaslager (70), über welches die Verdichtergruppe (86) lagerbar ist, und a gas bearing (70), via which the compressor group (86) can be stored, and
ein Zuleitungsmittel (94), über welches dem Gaslager (70) ein Gas zur statischen Lagerung zuleitbar ist, a supply means (94) via which a gas for static storage can be supplied to the gas bearing (70),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das Gas ein Teil des von einem Wasserstoffspeicher (26) einer the gas is part of a hydrogen storage (26)
Brennstoffzelle (14) des Brennstoffzellensystems (10) zugeleiteten Fuel cell (14) of the fuel cell system (10) fed
Wasserstoffs ist, und wobei das Gaslager (70) eine Lagerleckage (106) aufweist, über die der zugeleitete Wasserstoff in die Verdichtergruppe (86) ableitbar ist. Is hydrogen, and wherein the gas bearing (70) has a bearing leak (106) via which the supplied hydrogen can be discharged into the compressor group (86).
9. Verfahren zum Betreiben eines Rezirkulationsgebläses (62) nach Anspruch 8, wobei in einem Drehzahlbereich unterhalb einer Grenzdrehzahl (NG) dem Gaslager (70) Wasserstoff zugeführt wird, so dass eine statische Lagerung des Gaslagers (70) ermöglicht wird, und in einem Drehzahlbereich oberhalb der Grenzdrehzahl (NG) der zugeführte Wasserstoff wenigstens teilweise reduziert wird. 9. The method for operating a recirculation blower (62) according to claim 8, wherein hydrogen is supplied to the gas bearing (70) in a speed range below a limit speed (N G ), so that a static bearing of the gas bearing (70) is made possible, and the supplied hydrogen is at least partially reduced in a speed range above the limit speed (NG).
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr des Wasserstoffs in das Gaslager (70) oberhalb der Grenzdrehzahl (NG) gestoppt wird. 10. The method according to claim 9, characterized in that a supply of the hydrogen in the gas bearing (70) above the limit speed (NG) is stopped.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr des Wasserstoffs in das Gaslager (70) nach Erreichen der 11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that a supply of the hydrogen in the gas bearing (70) after reaching the
Grenzdrehzahl (NG) linear mit einer Erhöhung der Drehzahl (N) reduziert wird. Limit speed (N G ) is reduced linearly with an increase in speed (N).
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