WO2008019771A1 - Vorrichtung zur rezirkulation von anodenabgasen einer brennstoffzelle - Google Patents

Vorrichtung zur rezirkulation von anodenabgasen einer brennstoffzelle Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device for the recirculation of anode exhaust gases of a fuel cell with a recirculation fan and at least one jet pump.
  • the structure allows the use of a very small, compact, comparatively low-performance recirculation blower. This can thus be used e.g. be designed as a cost-effective 12-volt fan.
  • the structure according to claim 1 already allows a targeted use of a cost-effective and space-saving active recirculation.
  • a further advantageous embodiment of the invention according to claim 3 makes it possible to connect the output of the recirculation fan, if necessary, with an additional exhaust gas space.
  • Such an exhaust space can be, for example, the environment of the fuel cell system, or even a suitable space in which any residual gases can be converted, for example, by catalysts into harmless components.
  • the interconnection according to the invention makes it possible to do so very well rapid release of the undesired gas, for example during purge, or even the entire contents of the anode circuit, eg in the event of damage, since the recirculation fan actively promotes the gases in the region of such an exhaust gas space.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a possible embodiment of the device according to the invention.
  • a fuel cell 1 is indicated schematically.
  • the fuel cell 1 consists of a cathode compartment 2 and an anode compartment 3, which are separated from each other for example by a proton-conducting membrane.
  • anode space 3 is of interest, so that the cathode space 2 will not be discussed here.
  • an oxygen-containing Medium for example, humidified air
  • all the usual structures for supplying the cathode space 2 with an oxygen-containing Medium, for example, humidified air, as well as for the discharge of an exhaust gas from the cathode compartment 2 may be provided.
  • the fuel used for the fuel cell 1 fuel for example hydrogen
  • Unused fuel then passes through the anode output 5 of the anode chamber 3 in the range of two jet pumps 6a, 6b.
  • the two jet pumps 6a, 6b which are typically also referred to as jet pump, ejector or the like, work according to the principle of a Venturi tube, in which a propulsion jet increases its flow velocity due to a cross-sectional constriction and thus sucks a second Stoffström in the region of the cross-sectional constriction.
  • the two jet pumps 6a, 6b are driven by a propulsion jet which originates from a storage device 8. In the preferred operation of the fuel cell 1 with hydrogen, this can
  • Storage device 8 may be in particular a pressure tank, in which the hydrogen is stored as fuel under high pressure. Typically, pressures of the order of 200 to 800 bar are common here.
  • the hydrogen under pressure is conducted from the storage device 8 through a supply line 9 typically by switchable valves or the like, not shown here, to a pressure regulator 10. After the pressure regulator 10, the flow guidance for the propulsion jet in the illustrated here Embodiment over two branches IIa, IIb to the respective jet pumps 6a, 6b.
  • metering devices 12a, 12b are further arranged, which meter the guided by means of the propulsion jet to the respective jet pump 6a, 6b amount of fuel accordingly.
  • both the one and the other of the two jet pumps 6a, 6b can thus be operated with the required volume flow.
  • the exhaust gas originating from the anode chamber 3 can be mixed with new fuel and returned to the anode inlet 4.
  • both the amount of fuel supplied and the amount of recirculated exhaust gas can be adjusted in accordance with the fuel cell 1's requirements, which are typically dictated by the load requirements.
  • the construction shown here also has a branching of the combined recirculation volume.
  • the merged outputs 13a, 13b of the two jet pumps 6a, 6b are connected to the anode inlet 4 on the one hand and to the suction port 14 of a recirculation fan 15 on the other hand.
  • the recirculation fan 15 may be driven as needed, typically by electric motor.
  • Whose output 16 is connected via a connection 17 with a suction port 7b 1 one of the jet pumps 6b.
  • the Connection 17 also has a solenoid valve 18, by means of which the cross-section of the connection can be released or closed. Via the solenoid valve 18, the output 16 of the recirculation fan 15 can thus be connected to the suction port 7b 1 of a jet pump 6b, if required.
  • respiration of the recirculation fan 15 at the point shown above makes it possible to switch it on for active recirculation of the anode exhaust gas only when needed immediately.
  • suitable recirculation volumes for the respective load conditions of the fuel cell via the two jet pumps 6a, 6b can initially be set passively and if required by active support by means of a recirculation blower. This can be done with a small compact - for example, as a low-cost 12-volt blower executable - Rezirkulationsgebläse 15 an active and very good adaptation to the particular load requirements of the fuel cell 1.
  • the structure of the invention in Fig. 1 also has some possibilities in which the recirculation fan can be used to discharge operations of the anode compartment, for example, when switching off the fuel cell or in the event of an emergency, which requires removal of the hydrogen in the system required support.
  • the recirculation fan can be used to discharge operations of the anode compartment, for example, when switching off the fuel cell or in the event of an emergency, which requires removal of the hydrogen in the system required support.
  • an active emptying via the Rezirkulationsgebläse 15 can be carried out with open solenoid valve 21 into the exhaust chamber 20 here.
  • the described structure thus allows, both during operation and in emergencies and when starting or stopping the operation by a suitable combination of actuated or non-actuated recirculation fan 15 and / or each switched jet pumps 6a, 6b and correspondingly open solenoid valves 18, 21 a very flexible usage.
  • actuated or non-actuated recirculation fan 15 and / or each switched jet pumps 6a, 6b and correspondingly open solenoid valves 18, 21 a very flexible usage.
  • the structure according to the invention decisive advantages.

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Abstract

Eine Vorrichtung dient zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle, mit einem Rezirkulationsgebläse und wenigstens einer von einem Treibstrahl Strahlpumpe. Das treibende Medium ist dabei ein unter Druck stehender Brennstoff, z.B. Wasserstoff. Der Anodenausgang der Brennstoffzelle ist mit dem Sauganschluss der wenigstens einen Strahlpumpe verbunden. Der Ausgang der wenigstens einen Strahlpumpe ist dann mit dem Anodeneingang und dem Sauganschluss des Rezirkulationsgebläses parallel verbunden. Der Ausgang des Rezirkulationsgebläses ist mit dem Sauganschluss der wenigstens einen Strahlpumpe verbindbar.

Description

Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer
Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse und wenigstens einer Strahlpumpe.
Der Stand der Technik kennt derartige Anordnungen beispielsweise aus der DE 102 51 878 Al oder der im Wesentlichen inhaltsgleichen US 6,800,390. In beiden Fällen erfolgt die Kombination einer Strahlpumpe (Jet pump, Ejektor) mit einem im Strömungsrichtung des Abgases davor geschalteten Rezirkulationsgebläse. Diese Gebläse bewegt dabei einen vergleichsweise großen Volumenstrom, nämlich das gesamt rezirkulierte Abgas. Damit benötigt das Gebläse vergleichsweise viel Bauraum. Ferner hat es eine hohe elektrische Leistungsaufnahme, welche als parasitäre Leistung den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems schmälert .
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und eine energiesparende, hochflexible Vorrichtung zur Anodenrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Der Aufbau erlaubt den Einsatz eines sehr kleinen, kompakten, vergleichsweise leistungsschwachen Rezirkulationsgebläses . Dieses kann damit z.B. auch als kostengünstiges 12-Volt- Gebläse ausgebildet sein. Damit ermöglicht der Aufbau gemäß Anspruch 1 bereits eine gezielte Nutzung einer kostengünstigen und Bauraum sparenden aktiven Rezirkulation .
Besonders vorteilhaft ist dabei die Weiterbildung der Erfindung mit wenigstens zwei parallelen Strahlpumpen gemäß Anspruch 2.
Hierdurch werden ideale Verschaltungsvarianten mit einer oder zwei Strahlpumpen und/oder dem Gebläse für verschiedene Lastfälle möglich. Somit kann für alle denkbaren Lastanforderungen eine geeignete Verschaltungskombination ausgewählt werden, um die gezielte Nutzung der kostengünstigen und Bauraum sparenden aktiven Rezirkulation in verschiedenen Lastzuständen zu ermöglichen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung gemäß Anspruch 3 ermöglicht es, den Ausgang des Rezirkulationsgebläses bei Bedarf mit einem zusätzlichen Abgasraum zu verbinden.
Eine derartiger Abgasraum kann z.B. die Umgebung des Brennstoffzellensystems sein, oder auch ein geeigneter Raum, in welchem evtl. Restgase z.B. durch Katalysatoren in unschädliche Bestandteile umgesetzt werden können. Die erfindungsgemäße Verschaltung ermöglicht dabei die sehr schnelle Abgabe des unerwünschten Gases, z.B. beim Purgen, oder auch des gesamten Inhalts des Anodenkreislaufs, z.B. im Schadensfall, da das Rezirkulationsgebläse die Gase aktiv in den Bereich eines solchen Abgasraum fördert.
Insbesondere bei der bevorzugten Anwendung der Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem für Kraftfahrzeuge sind alle oben genannten Vorteile von entscheidender Bedeutung. Energieeffizienz und kompakte Bauart sind dabei ebenso wichtig, wie eine möglichst ideale Anpassung an die bei Fahrzeugen typischerweise sehr hohen und sehr dynamischen Lastwechsel. Auch die Sicherheitsaspekte spielen natürlich in Fahrzeugen eine besonders wichtige Rolle, da Personen und System auf engsten Raum vereint sind, und da bei Fahrzeugen ein erhöhtes Unfallrisiko durch Außeneinwirkungen zu erwarten ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung nachfolgend dargelegt.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1 ist eine Brennstoffzelle 1 schematisch angedeutet. Die Brennstoffzelle 1 besteht dabei aus einem Kathodenraum 2 und einem Anodenraum 3, welche beispielsweise durch eine Protonen leitende Membran voneinander getrennt werden. Für die weitere Erläuterung der Erfindung ist dabei lediglich der Bereich des Anodenraums 3 von Interesse, so dass hier auf den Kathodenraum 2 nicht näher eingegangen wird. Im Bereich des Kathodenraums 2 können aber sämtliche üblichen Aufbauten zur Versorgung des Kathodenraums 2 mit einem sauerstoffhaltigen Medium, beispielsweise befeuchteter Luft, sowie zur Abführung eines Abgases aus dem Kathodenraum 2 vorgesehen sein.
Die Zufuhr des für die Brennstoffzelle 1 genutzten Brennmittels, beispielsweise Wasserstoff, erfolgt über den Anodeneingang 4 in den Bereich des Anodenraums 3. Unverbrauchtes Brennmittel gelangt dann über den Anodenausgang 5 von dem Anodenraum 3 in den Bereich von zwei Strahlpumpen 6a, 6b. Diese beiden Strahlpumpen 6a, 6b - grundsätzlich wäre hier auch nur eine Strahlpumpe denkbar - sind so mit dem Anodenausgang 5 verbunden, dass das aus dem Anodenraum 3 stammende Gas jeweils zu den Sauganschlüssen 7a, 7b der beiden Strahlpumpen 6a, 6b gelangt.
Die beiden Strahlpumpen 6a, 6b, welche typischerweise auch als Jetpump, Ejektor oder dergleichen bezeichnet werden, arbeiten dabei nach dem Prinzip eines Venturi-Rohrs, bei dem ein Treibstrahl aufgrund einer Querschnittsverengung seine Strömungsgeschwindigkeit erhöht und somit im Bereich der Querschnittsverengung einen zweiten Stoffström ansaugt. In dem hier dargestellten Aufbau sind die beiden Strahlpumpen 6a, 6b von einem Treibstrahl angetrieben, welcher aus einer Speichereinrichtung 8 stammt. Beim bevorzugten Betrieb der Brennstoffzelle 1 mit Wasserstoff kann diese
Speichereinrichtung 8 insbesondere ein Drucktank sein, in dem der Wasserstoff als Brennmittel unter hohem Druck gespeichert wird. Typischerweise sind hier Drücke in der Größenordnung von 200 bis 800 Bar üblich. Der unter Druck stehende Wasserstoff wird aus der Speichereinrichtung 8 durch eine Zuleitung 9 typischerweise durch hier nicht dargestellte schaltbare Ventile oder dergleichen zu einem Druckregler 10 geführt. Nach dem Druckregler 10 erfolgt die Strömungsführung für den Treibstrahl in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über zwei Zweige IIa, IIb zu den jeweiligen Strahlpumpen 6a, 6b.
Im oben bereits angedeuteten Fall einer einzigen Strahlpumpe würde selbstverständlich diese Verzweigung entfallen.
In den beiden Zweigen IIa, IIb sind ferner Dosiereinrichtungen 12a, 12b angeordnet, welche die mittels des Treibstrahls zu der jeweiligen Strahlpumpe 6a, 6b geführte Menge an Brennmittel entsprechend dosieren. Über diese Dosierung kann somit sowohl die eine als auch die andere der beiden Strahlpumpen 6a, 6b mit dem benötigten Volumenstrom betrieben werden. Durch diese Parallelverschaltung der beiden Strahlpumpen 6a, 6b und der zusammengeführten Ausgänge 13a, 13b der beiden Strahlpumpen 6a, 6b kann das aus dem Anodenraum 3 stammende Abgas mit neuem Brennmittel vermischt und zum Anodeneingang 4 zurückgefördert werden. Aufgrund der beiden parallel geschalteten Strahlpumpen 6a, 6b und den über die Dosiereinrichtungen 12a, 12b zugeführte Treibstrahl kann sowohl die zugeführte Menge an Brennmittel als auch die Menge an rezirkuliertem Abgas entsprechend der typischerweise von den Lastanforderungen vorgegebenen Bedürfnissen der Brennstoffzelle 1 eingestellt werden.
Der hier dargestellte Aufbau weist neben dieser Parallelschaltung von zwei Strahlpumpen 6a, 6b außerdem eine Verzweigung des zusammengeführten Rezirkulationsvolumens auf. So sind die zusammengeführten Ausgänge 13a, 13b der beiden Strahlpumpen 6a, 6b mit dem Anodeneingang 4 einerseits und dem Sauganschluss 14 eines Rezirkulationsgebläses 15 andererseits verbunden. Das Rezirkulationsgebläse 15 kann bei Bedarf, typischerweise elektromotorisch, angetrieben werden. Dessen Ausgang 16 ist dabei über eine Verbindung 17 mit einem Sauganschluss 7b1 einer der Strahlpumpen 6b verbunden. Die Verbindung 17 weist ferner ein Magnetventil 18 auf, mittels welchem der Querschnitt der Verbindung freigegeben oder verschlossen werden kann. Über das Magnetventil 18 kann der Ausgang 16 des Rezirkulationsgebläses 15 also bei Bedarf mit dem Sauganschluss 7b1 der einen Strahlpumpe 6b verbunden werden. Zusätzlich kann der Ausgang 16 des
Rezirkulationsgebläses 15 über eine weitere Verbindung 19 mit einem Abgasraum 20 verbunden werden. Auch diese Verbindung 19 kann mittels eines Magnetventils 21 in ihrem durchströmbaren Querschnitt freigegeben oder verschlossen werden. Neben Magnetventilen sind dabei auch andere geeignete Absperrventile, welche eine automatische Betätigung zulassen denkbar. Unter dem Abgasraum 20 ist, wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, entweder die Umgebung des Brennstoffzellensystems direkt zu verstehen oder ein Raum, in welchem beispielsweise durch Katalysatoren die evtl. in dem Abgas enthaltenen Gase oder Gasgemische abgebaut und/oder auf ein ungefährliches Maß verdünnt werden.
Die Atmung des Rezirkulationsgebläses 15 an der oben dargestellten Stelle ermöglicht es, dieses zur aktiven Rezirkulation des Anodenabgases nur bei unmittelbarem Bedarf zuzuschalten. Zusammen mit den beiden parallel geschalteten und über ihre Dosiereinrichtungen 12a, 12b getrennt ansprechbaren Strahlpumpen 6a, 6b lassen sich so geeignete Rezirkulationsvolumina für die jeweiligen Lastbedingungen der Brennstoffzelle über die beiden Strahlpumpen 6a, 6b zunächst passiv und bei Bedarf durch aktive Unterstützung mittels Rezirkulationsgebläses einstellen. Damit kann bei einem kleinen kompakten - beispielsweise als kostengünstiges 12- Volt-Gebläse ausführbaren - Rezirkulationsgebläse 15 eine aktive und sehr gute Anpassung an die jeweils vorliegenden Lastanforderungen der Brennstoffzelle 1 erfolgen. Entgegen dem Stand der Technik wird dabei für den "primären" Antrieb der Anodenrezirkulation der in der Speichereinrichtung 8 ohnehin vorhandene Druck des Brennmittels durch die. beiden Strahlpumpen genutzt. Das Rezirkulationsgebläse 15 greift nur bei Bedarf gezielt ein. Die zu seinem Antrieb benötigte elektrische Leistung kann somit minimiert werden.
Der erfindungsgemäße Aufbau in Fig. 1 weist darüber hinaus einige Möglichkeiten auf, bei denen das Rezirkulationsgebläse genutzt werden kann, um Entleerungsvorgänge des Anodenraums, beispielsweise beim Abschalten der Brennstoffzelle oder beim Auftreten eines Notfalls, welcher ein Entfernen des im System befindlichen Wasserstoffs erforderlich macht, zu unterstützen. Anders als bei herkömmlichen Systemen, bei denen der Austrag lediglich über den Druck innerhalb des Anodenkreislaufs und des Anodenraums 3 erfolgt, kann hier eine aktive Entleerung über das Rezirkulationsgebläse 15 bei geöffneten Magnetventil 21 in den Abgasraum 20 erfolgen.
Eine solche Entleerung kann neben der geschilderten Notfallproblematik auch beim Abschalten des Systems sinnvoll sein, da hier durch die Entlüftung/Entgasung mittels des Rezirkulationsgebläses 15 ein leeres und insbesondere trockenes Brennstoffzellensystem begünstigt wird, welches beim erneuten Starten bekanntermaßen entsprechende Vorteile hat, und welches bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts typischerweise nicht mehr einfriert.
Der geschilderte Aufbau ermöglicht also, sowohl während des Betriebs als auch in Notfällen sowie beim Starten bzw. Abschalten des Betriebs durch eine geeignete Kombination von betätigtem oder nicht betätigtem Rezirkulationsgebläse 15 und/oder jeweils zugeschalteten Strahlpumpen 6a, 6b sowie entsprechend geöffneten Magnetventilen 18, 21 eine sehr flexible Nutzung. Insbesondere bei den hochdynamischen, von Temperatur- und Lastsprüngen geprägten Anforderungen, welche an ein Brennstoffzellensystem in Kraftfahrzeugen zu stellen sind, können durch den Aufbau gemäß der Erfindung entscheidende Vorteile ermöglicht werden.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle mit einem Rezirkulationsgebläse und wenigstens einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden Brennmittels angetrieben Strahlpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenausgang (5) mit dem Sauganschluss (7a, 7b) der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) verbunden ist, und dass der Ausgang (13a, 13b) der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) mit dem Anodeneingang (4) und dem Sauganschluss (14) des Rezirkulationsgebläses (15) verbunden ist, wobei der Ausgang (16) des Rezirkulationsgebläses (15) mit dem Sauganschluss (7b1) der wenigstens einen Strahlpumpe (6b) verbindbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens zwei parallele Strahlpumpen (6a, 6b) mit zusammengeführten Ausgängen (13a, 13b) anstelle der wenigstens einen Strahlpumpe, wobei der Anodenausgang (5) mit dem Sauganschluss (7a, 7b) beider Strahlpumpen (6a, 6b) verbunden ist, und wobei der Ausgang (16) des Rezirkulationsgebläses (15) mit dem Sauganschluss (7b1) einer der Strahlpumpen (6b) verbindbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (16) des Rezirkulationsgebläses (15) mit einem zusätzlichen Abgasraum (20) verbindbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verbindbaren Verbindungen (17, 19) als Leitungselemente ausgeführt sind, welche jeweils ein Magnetventil (18, 21) zum Freigeben und/oder Verschließen eines Öffnungsquerschnitts derselben aufweist .
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung für den Treibstrahl der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) in Strömungsrichtung vor der Strahlpumpe (6a, 6b) eine Dossiereinrichtung (12, 12b) aufweist .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung für den Treibstrahl sich im Falle von wenigstens zwei Strahlpumpen (6a, 6b) in Strömungsrichtung vor diesen verzweigt, wobei jeder der Zweige (IIa, IIb) eine Dossiereinrichtung (12a, 12b) aufweist .
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennmittel unter hohem Druck gespeicherter Wasserstoff dient, wobei die Zuleitung (9) des Wasserstoffs zu der wenigstens einen Strahlpumpe (6a, 6b) einen Druckregler (10) aufweist.
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