WO2008034454A1 - Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige gasversorgung in einer brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen einsatz - Google Patents

Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige gasversorgung in einer brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen einsatz Download PDF

Info

Publication number
WO2008034454A1
WO2008034454A1 PCT/EP2006/009141 EP2006009141W WO2008034454A1 WO 2008034454 A1 WO2008034454 A1 WO 2008034454A1 EP 2006009141 W EP2006009141 W EP 2006009141W WO 2008034454 A1 WO2008034454 A1 WO 2008034454A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
recirculation
arrangement
fuel cell
anode
recirculation arrangement
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/009141
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Cosimo S. Mazzotta
Sven Schmalzriedt
Original Assignee
Daimler Ag
Ford Global Technologies, Llc
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 Daimler Ag, Ford Global Technologies, Llc filed Critical Daimler Ag
Priority to DE112006004018T priority Critical patent/DE112006004018A5/de
Priority to PCT/EP2006/009141 priority patent/WO2008034454A1/de
Publication of WO2008034454A1 publication Critical patent/WO2008034454A1/de

Links

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
    • 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
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • 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
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • 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 invention is based on the consideration that although there are a number of technically feasible options to control the recirculation, so that in the recirculation arrangement of the mass flow can be set and / or regulated to a required setpoint.
  • these alternative possibilities have a number of technical disadvantages.
  • a first possibility would be, for example, to estimate the mass flow based on the capacity of the recirculation machine.
  • maps for all possible operating conditions of the fuel cell device would have to be available, which would then be deposited consuming in a computing unit of the fuel cell device.
  • Another possibility would be to control the speed of the recirculation machine via a mass flow sensor in the recirculation arrangement. Mass flow sensors that meet all fuel cell device requirements, especially for mobile applications, are currently not available.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Brennstoff Zellenvorrichtungen für den mobilen Einsatz, insbesondere für die Verwendung in einem Fahrzeug, dienen zur Erzeugung von elektrischer Energie über einen elektrochemischen Prozess. Bekanntermaßen sind die technologischen Anforderungen an die Gasversorgung zur Versorgung der Brennstoff Zellenvorrichtung mit Brennstoff und Oxidanten sehr hoch. Es wird eine Rezirkulationsanordnung (5) für eine anodenseitige Gasversorgung in einer Brennstoff Zellenvorrichtung (1) vorgeschlagen, wobei die Rezirkulationsanordnung (5) ausgebildet und/oder angeordnet ist, um Austrittsgase aus einem anodenseitigen Auslass (6) der Brennstoff Zellenvorrichtung (1) in einen anodenseitigen Einlass (7) der Brennstoff Zellenvorrichtung zurückzuführen, und wobei die Rezirkulationsanordnung (5) eine Rezirkulationsmaschine (10) zur Erzeugung eines Massenstroms in der Rezirkulationsanordnung (5) sowie eine Anordnung (P1; P2; P3) zur Messung eines Differenzdrucks in der Rezirkulationsanordnung (5) aufweist, und zudem eine Steuereinrichtung (12) aufweist, die ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von dem gemessenen Differenzdruck einen aktuellen Massenstrom in der Rezirkulationsanordnung zu bestimmen und diesen als Istwert in einer Steuerung und/oder Regelung der Förderleistung der Rezirkulationsmaschine (10) zu verwenden.

Description

Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige Gasversorgung in einer BrennstoffZellenvorrichtung sowie BrennstoffZellenvorrichtung für den mobilen Einsatz
Die Erfindung betrifft eine Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige Gasversorgung in einer BrennstoffZellenvorrichtung, wobei die
Rezirkulationsanordnung ausgebildet und/oder angeordnet ist, um Austrittsgase aus einem anodenseitigen Auslass der BrennstoffZellenvorrichtung in einen anodenseitigen Einlass der BrennstoffZeilenvorrichtung zurückzuführen, und eine Rezirkulationsmaschine zur Erzeugung eines Massenstroms in der Rezirkulationsanordnung sowie eine Anordnung zur Messung eines Differenzdrucks in der Rezirkulationsanordnung aufweist. Zudem betrifft die Erfindung eine
BrennstoffZellenvorrichtung für den mobilen Einsatz, die die Rezirkulationsanordnung umfasst.
BrennstoffZellenvorrichtungen für den mobilen Einsatz, insbesondere für die Verwendung in einem Fahrzeug, dienen zur Erzeugung von elektrischer Energie über einen elektrochemischen Prozess. Bei dem elektrochemischen Prozess wird ein Brennstoff, meist Wasserstoff, mit einem Oxidanten, meist Umgebungsluft, umgesetzt und dabei auf elektrochemischen - und nicht physikalischen - Weg die benötigte elektrische Energie erzeugt. Um die benötigte Leistung für den Antrieb eines Fahrzeugs bereitzustellen, weisen derartige BrennstoffZellenvorrichtungen üblicherweise einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel auf, in denen jeweils eine Mehrzahl von Einzelbrennstoffzellen angeordnet sind.
Bekanntermaßen sind die technologischen Anforderungen an die Gasversorgung zur Versorgung der BrennstoffZellenvorrichtung mit Brennstoff und Oxidanten sehr hoch. Insbesondere bei der anodenseitigen Gasversorgung müssen eine Vielzahl von Bedingungen erfüllt sein, so dass zum Beispiel der Massenstrom des Anodengases der momentan benötigten elektrischen Leistung entspricht, dabei zugleich an die Druckverhältnisse des Kathodengases angepasst ist und zudem eine ausreichende Befeuchtung aufweist, so dass ein Austrocknen der in den Einzelbrennstoffzellen zwischen Anodenabschnitt und Kathodenabschnitt angeordneten Membran verhindert wird. Des weiteren wird die Komplexität der anodenseitigen Gasversorgung dadurch erhöht, dass oftmals zur Erhöhung der Effizienz der BrennstoffZellenvorrichtung die anodenseitigen Austrittsgase mittels einer Rezirkulation in die Zuführung des Anodengases zu der
BrennstoffZeilenvorrichtung zurückgeführt werden und dabei durch unverbrauchten Brennstoff aufgefrischt werden.
Eine derartige BrennstoffZellenvorrichtung ist beispielsweise in dem Dokument JP 2005-310653 offenbart. Das darin beschriebene Brennstoffzellensystem weist eine Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen auf, die in einem Brennstoffzellenstapel zusammengeführt sind. Die anodenseitige Gasversorgung ist so ausgebildet, dass anodenseitige Austrittsgase mittels eines Gebläses beschleunigt werden und zu dem anodenseitigen Einlass der Brennstoffzellenvorrichtung zurückgeführt werden. In der dadurch gebildeten Rezirkulationsanordnung ist ein Differenzdrucksensor vorgesehen, wobei über den gemessenen Differenzdruck auf die Konzentration des Wasserstoffs in der Rezirkulationsanordnung zurückgeschlossen wird. Zur Ermittlung des Massenstroms in der Rezirkulationsanordnung wird eine Durchflussmesseinrichtung vorgeschlagen.
Die Offenlegungsschrift DE 103 57 482 Al, die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, offenbart ein Brennstoffzellensystem, bei dem ebenfalls die anodenseitig austretenden Abgase zu einem anodenseitigen Einlass des Brennstoffzellensystems zurückgeführt werden. Die vorgeschlagene Anordnung weist Abgasrezirkulationsmengen- Erfassungsmittel auf, die die Menge des zirkulierenden Abgases aufgrund des Druckunterschieds zwischen der Ansaugseite und der Ablaufseite einer Strahlpumpe in der Rezirkulationsanordnung sowie aufgrund der Wasserstoffmenge im Wasserstoffhauptstrom berechnen. In Abhängigkeit des Massenstroms und der Wasserstoffkonzentration in der Rezirkulationsanordnung wird ein Reinigungsvorgang zum Entfernen von Verunreinigungen initiiert, um Verunreinigungen aus der Rezirkulationsanordnung zu entfernen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige Gasversorgung in einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie eine entsprechende BrennstoffZellenvorrichtung vorzuschlagen, die einen einfachen Aufbau hat und einen zuverlässigen Betrieb erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch eine Rezirkulationsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer
Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen sind durch die abhängigen Ansprüche, die nachfolgende Beschreibung und/oder die beigefügte Zeichnung offenbart.
Erfindungsgemäß wird eine Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige Gasversorgung in einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen. Die BrennstoffZellenvorrichtung weist einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel auf, die ihrerseits eine Vielzahl von Einzelbrennstoffzellen umfassen. Bevorzugt sind die Einzelbrennstoffzellen in PEM-Technologie realisiert und weisen einen Anodenraum und einen Kathodenraum auf, - wobei diese mittels einer PEM-Membran voneinander getrennt sind. Bevorzugt ist die Brennstoffzellenvorrichtung zum Betrieb mit Wasserstoff als Brennstoff und Umgebungsluft als Oxidant ausgebildet.
Die Rezirkulationsanordnung bildet einen Teil der anodenseitigen Gasversorgung, wobei die
Rezirkulationsanordnung ausgebildet und/oder angeordnet ist, um anodenseitige Austrittsgase aus einem Auslass der Brennstoffzellenvorrichtung in den anodenseitigen Einlass der Brennstoffzellenvorrichtung zurückzuführen. Anders ausgedrückt werden mittels der Rezirkulationsanordnung die aus der Brennstoffzellenvorrichtung austretenden Anodengase wieder zu dem Einlass der Brennstoffzellenvorrichtung zurückgeführt. Dabei wird der Umstand berücksichtigt, dass in der Brennstoffzellenvorrichtung der in dem Anodengas enthaltene Brennstoff nur zum Teil elektrochemisch umgesetzt wird und die anodenseitigen Austrittsgase somit eine Restkonzentration an Brennstoff aufweisen, die mittels der Rezirkulationsanordnung wieder in die Brennstoffzellenvorrichtung zurückgeführt werden. Zur Auffrischung der Anodengase weist die
Rezirkulationsanordnung eine Zuführung für unverbrauchten Brennstoff auf, der beispielsweise aus einem insbesondere betankbaren Tank zugeführt wird. Durch die Zuführung des unverbrauchten Brennstoffs wird die Brennstoffkonzentration in den anodenseitigen Austrittsgasen erhöht und diese damit für die Zuführung in den anodenseitigen Einlass der BrennstoffZeilenvorrichtung aufbereitet .
Die Rezirkulationsanordnung weist eine Rezirkulationsmaschine auf, die ausgebildet und/oder angeordnet ist, um einen Massenstrom in der Rezirkulationsanordnung zu erzeugen und somit dazu dient, den Massenstrom des Anodengases in der Rezirkulationsanordnung sicherzustellen .
Ferner weist die Rezirkulationsanordnung eine Messanordnung zur Ermittlung eines Differenzdrucks innerhalb der Rezirkulationsanordnung auf. Der Differenzdruck wird dabei bevorzugt durch Abgreifen des Drucks an zwei verschiedenen Positionen in der Rezirkulationsanordnung gemessen.
Erfindungsgemäß wird eine Steuereinrichtung vorgeschlagen, die insbesondere programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von dem gemessenen Differenzdruck einen aktuellen Massenstrom in der Rezirkulationsanordnung oder einen dazu äquivalenten Wert zu bestimmen und diesen als IST-Wert in einer Steuerung und/oder Regelung der Förderleistung der Rezirkulationsmaschine zu verwenden.
Insbesondere weist die Steuereinrichtung ein erstes Modul auf, welches ausgebildet ist, um von dem gemessenen Differenzdruck auf einen aktuellen Massenstrom und/oder Volumenstrom des Anodengases, insbesondere des Austrittsgases oder des Eintrittsgases zu schließen. In einem zweiten Modul wird der Wert des ermittelten Massenstroms als IST-Wert in einer Steuerung und/oder Regelung verwendet, die die Förderleistung der Rezirkulationsmaschine kontrolliert.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass es zwar eine Reihe von technisch realisierbaren Möglichkeiten gibt, um die Rezirkulationsmaschine zu kontrollieren, so dass in der Rezirkulationsanordnung der Massenstrom auf einen benötigten Sollwert stellbar und/oder regelbar ist. Jedoch weisen diese alternativen Möglichkeiten eine Vielzahl von technischen Nachteile auf. Eine erste Möglichkeit wäre beispielsweise, den Massenstrom anhand der Förderleistung der Rezirkulationsmaschine abzuschätzen. Hier ergibt sich jedoch der Nachteil, dass Kennfelder für alle möglichen Betriebsbedingungen der BrennstoffZellenvorrichtung zur Verfügung stehen müssten, die dann aufwendig in einer Recheneinheit der BrennstoffZellenvorrichtung zu hinterlegen wären. Eine andere Möglichkeit wäre es, die Drehzahl der Rezirkulationsmaschine über einen Massenstromsensor in der Rezirkulationsanordnung zu regeln. Massenstromsensoren, die allen Anforderungen für eine BrennstoffZellenvorrichtung genügen, insbesondere für mobile Anwendungen, sind jedoch aktuell noch nicht verfügbar. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, bei einer Verwendung der BrennstoffZeilenvorrichtung in einem Fahrzeug jeder Fahrpedalanforderung beziehungsweise jedem Lastpunkt der Brennstoffzellenvorrichtung eine feste Förderleistung der Rezirkulationsmaschine zuzuordnen. Auch hier ergibt sich jedoch der Nachteil, dass diese Förderleistung für alle möglichen Parametervariationen in dem aktuellen vorliegenden Lastpunkt funktionieren und vor allem auch robust sein müssten. Dadurch folgt nahezu zwangsläufig, dass die Förderleistung für die meisten Parametervariationen zu hoch ausgelegt werden müssen, was zu einem unnötigen Verbrauch führt, wodurch der Gesamtwirkungsgrad verringert würde. Zudem wird die Belastung der Rezirkulationsmaschine erhöht und folglich deren Lebensdauer verkürzt.
Demgegenüber schlägt die Erfindung vor, über ein sehr robustes Messverfahren eine Relativmessung durchzuführen und den aktuellen Massen-, Molen- oder Volumenstrom oder einen dazu äquivalenten Wert mittels dieser Relativmessung zu bestimmen. Hierbei wird der Druckverlust über eine strömungstechnische Komponente in der Rezirkulationsanordnung bestimmt und als Maß für den Massen-, Molen- oder Volumenstrom o.a. durch die Komponente verwendet.
Bei einer bevorzugten Umsetzung wird jedem Lastpunkt der BrennstoffZellenvorrichtung, also z.B. jeder Fahrpedalanorderung, ein Sollvolumenstrom bzw. Sollmassenstrom zugeordnet und optional jedem Lastpunkt ein entsprechender Solldruckverlust zugeordnet wird. Die Steuereinrichtung setzt bei dieser bevorzugten Ausführungsform eine Gebläsedrehzahlregelung und/oder - Steuerung um, wobei als Soll-Wert der lastpunkt-abhängige Solldruckverlust und/oder lastpunkt-abhängige Sollmassenoder -volumenstrom und als Ist-Wert der gemessene Druckverlust und/oder der ermittelte Ist-Volumen- oder Massenstrom verwendet wird.
Prinzipiell kann die Rezirkulationsmaschine als jede Art von Rezirkulationspumpe, -gebläse, -einheit oder ähnliches ausgebildet sein. Bevorzugt wird die Rezirkulationsmaschine jedoch als Rezirkulationsgebläse mit stellbarer Drehzahl realisiert, so dass die Förderleistung des Rezirkulationsgebläses über dessen Drehzahl einstellbar ist. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Rezirkulationsmaschine stromabwärts zu einer oder der Zuführung von Brennstoff in die Rezirkulationsanordnung angeordnet. Auf diese Weise wird durch die
Rezirkulationsmaschine das bereits aufgefrischte Anodengas beschleunigt. Alternativ dazu kann die Rezirkulationsmaschine auch als Jet-Pumpe realisiert sein, so dass das Austrittsgas unter Zuführung von Brennstoff in einer Düsenanordnung beschleunigt wird. Die Steuerung und/oder Regelung der Förderleistung erfolgt in diesem Fall über die Einstellung der Menge des zugeführten Brennstoffes.
Bei einer möglichen Ausführungsalternative ist die Anordnung zur Messung des Differenzdrucks so angeordnet, dass der Druckverlust über die Rezirkulationsmaschine und/oder der Druckverlust über die gesamte Rezirkulationsanordnung gemessen wird. Diese Ausführungsalternative stellt eine besonders einfach zu realisierende Möglichkeit dar, da die Messstellen der Differenzdruckmessung einerseits an der Saugseite der Rezirkulationsmaschine und andererseits an der Austrittseite der Rezirkulationsmaschine positioniert werden.
Bei einer zweiten Ausführungsalternative erfolgt die Messung des Differenzdrucks, indem der Druckverlust über einen Strömungswiderstand oder eine Blende oder über eine andere Komponente in der Rezirkulationsanordnung gemessen wird. Der Einsatz eines Strömungswiderstands oder einer zusätzlichen Blende erlaubt zwar eine recht genaue Differenzdruckmessung, hat jedoch den Nachteil, dass ein zusätzlicher Druckverlust in der Rezirkulationsanordnung generiert wird. Alternativ kann der Druckverlust technisch vorteilhaft über eine beliebige Komponente in der Rezirkulationsanordnung, die zu einem Druckverlust führt, wie zum Beispiel einem Abscheider, gemessen werden. Besonders bevorzugt ist jedoch die Ausführungsalternative, dass die Anordnung zur Messung des Differenzdrucks angeordnet ist, um den Druckverlust über den Anodenabschnitt der BrennstoffZellenvorrichtung zu messen. Bei einer konstruktiven Realisierung kann dabei ein erster Druckmesspunkt bei dem Einlass der
BrennstoffZellenvorrichtung und ein zweiter Druckmesspunkt bei dem Auslass der BrennstoffZellenvorrichtung positioniert sein. Die Druckverlustmessung über den Anodenabschnitt weist den weiteren Vorteil auf, dass zugleich zusätzliche Informationen über den zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzellen gewonnen werden. Beispielsweise kann für geringere Leistungsanforderungen ein Mindestdruckverlust über den Anodenabschnitt eingestellt bzw. berücksichtigt werden. Ein zusätzlicher praktischer Aspekt ist es, dass der Anodenabschnitt üblicherweise in der Rezirkulationsanordnung die Komponente mit dem größten Druckverlust ist und daher die genaueste Messung des Druckverlustes erlaubt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung weist die Rezirkulationsanordnung einen oder mehrere weitere Sensoreinrichtungen auf, die zur Erfassung von Messwerten bezüglich der Temperatur und/oder des Absolutdrucks in der Rezirkulationsanordnung und/oder in dem Anodenabschnitt der BrennstoffZellenvorrichtung ausgebildet sind. Bevorzugt werden die zusätzlich erfassten Messwerte bei der Bestimmung des aktuellen Massenstroms mitberücksichtigt, zum Beispiel unter Verwendung von insbesondere mehrdimensionalen Kennlinien oder -feidern oder Look-Up-Tables .
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform liegt vor, wenn die Rezirkulationsanordnung, insbesondere ergänzend zu den weiteren Sensoreinrichtungen, eine Gasanalyseeinrichtung aufweist, die zur Messung der Zusammensetzung des Anodengases, insbesondere zur Messung der Wasserstoff- Stöchiometrie, ausgebildet ist. Diese bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Massen-, Volumen- oder Molenstrom insbesondere rechnerisch ermittelt wird, indem bei der Berechnung der gemessene Druck, die gemessene Temperatur und die gemessene Zusammensetzung des Anodengases verwendet werden. Aus den genannten zusätzlichen Messwerten wird zunächst die Dichte des Anodengases berechnet oder abgeschätzt und in einem zweiten Schritt der Massenstromwert auf Basis der Dichte und des gemessenen Druckverlustes bestimmt und auf diese Weise die Abhängigkeit der Dichte auf den Druckverlust, insbesondere auch auf den Druckverlustsollwert in der Regelung bzw. Steuerung berücksichtigt werden. Die Gasanalyseeinrichtung ist vorzugsweise zur Messung einer Wasserstoffkonzentration und/oder zur Messung einer Stickstoffkonzentration ausgebildet.
Die Erfindung betrifft im Weiteren eine
BrennstoffZellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, welche für den mobilen Einsatz, insbesondere für die Verwendung in einem Fahrzeug zum Antrieb desselben, ausgebildet ist und die durch die Rezirkulationsanordnung gekennzeichnet ist, wie sie soeben beschrieben wurde, beziehungsweise wie sie durch die vorhergehenden Ansprüche beansprucht ist.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Figur eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt die einzige Figur: Fig. 1 ein Blockdiagramm einer BrennstoffZellenvorrichtung mit Rezirkulationsanordnung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine BrennstoffZellenvorrichtung 1, die über einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Anodenseite 3 und einer Kathodenseite 4 verfügt, die jeweils abschnittsweise durch eine nicht dargestellte Membran voneinander getrennt sind.
Des Weiteren umfasst die BrennstoffZellenvorrichtung 1 eine Rezirkulationsanordnung 5 welche ausgehend von einem Auslass 6 des Anodenabschnitts 3 der BrennstoffZeilenvorrichtung 1 über eine Leitung zu einem Einlass 7 in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels 2 führt. Funktionell betrachtet wird das verbrauchte oder teilverbrauchte Anodengas über den Auslass 6 aus dem Anodenabschnitt 3 abgeführt und an einer Mischstelle 8 mit frischem Wasserstoff aus einem Wasserstofftank 9 gemischt, wobei das Anodengas aufbereitet wird. Das aufbereitete Anodengas wird dann über ein Gebläse 10 beschleunigt und in den Einlass 7 des Anodenabschnitts 3 des Brennstoffzellenstapels 2 eingeführt. Dabei kann das Gebläse 10 überall in der Rezirkulationsanordnung 5 positioniert sein, z. B. auch zwischen dem Auslass 6 des Anodenabschnitts 3 und der Mischstelle 8. Der Vollständigkeit halber ist zusätzlich ein Ablassventil 11 (PURGE-Ventil) dargestellt, welches einen Ausstoß von verunreinigtem Anodengas ermöglicht.
Die Ansteuerung des Gebläses 10 erfolgt über eine Steuereinrichtung 12. Die Steuereinrichtung 12 weist ein erstes Modul auf, welches zur Aufnahme von mindestens einem Differenzdruckmesswert von verschiedenen möglichen Messpositionen innerhalb der Rezirkulationsanordnung 5 ausgebildet ist. Die Differenzdruckmesswerte entsprechende dem Druckverlust über die gemessene Strecke. Als erste Alternative wird der Differenzdruck mittels eines Differenzdrucksensors Pl über die Anodenseite 3 des Brennstoffzellenstapels 2 gemessen, so dass der Druckverlust innerhalb der Anode erfasst wird. Hierbei ist die eine Messstelle unmittelbar nach dem Auslass 6 und die andere Messstelle unmittelbar vor dem Einlass 7 angeordnet. Bei einer zweiten möglichen Alternative wird der Differenzdruck mittels eines Differenzdrucksensors P2 gemessen, der den Druckverlust über einer Blende B erfasst. Eine dritte Möglichkeit ist über die Messung des Differenzdrucks mittels eines Differenzdrucksensors P3 gegeben, der den Druckverlust der gesamten Rezirkulationsanordnung erfasst und dessen erste Messposition unmittelbar an der Saugseite und dessen zweite Messposition unmittelbar an der Ausstoßseite des Gebläses 10 angeordnet ist.
Optional werden der Steuereinrichtung 12 ergänzend Messwerte von im Bereich des Anodenabschnitts 3 angeordneten Sensoreinrichtungen zugeführt, die als Temperatursensor 13, Absolutdruckmesssensor 14 und Wasserstoffkonzentrationssensor 15 ausgebildet sind.
Auf Basis der vorliegenden Messwerte des Differenzdrucks und optional der Temperatur, des Absolutdrucks und der Wasserstoffkonzentration beziehungsweise der stöchiometrischen Zusammensetzung des Anodengases bestimmt die Steuereinrichtung 12 einen aktuellen Massen-, Molen- oder Volumenstrom des Anodengases.
In einem zweiten Modul der Steuereinrichtung 12 wird der derart ermittelte Massenstrom als Istwert mit einem vorliegenden Sollwert verglichen, um auf Basis einer Steuerung und/oder Regelung das Gebläse 10, insbesondere die Drehzahl des Gebläses 10 anzusteuern. Alternativ dazu wird jedem Lastpunkt der BrennstoffZeilenanordnung 1 ein Solldruckverlust zugeordnet und in der Steuereinrichtung 12 der ermittelte Ist-Druckverlust mittels einer Regelung und/oder Steuerung dem Solldruckverlust nachgeführt.

Claims

Patentansprüche
1. Rezirkulationsanordnung (5) für eine anodenseitige
Gasversorgung in einer BrennstoffZellenvorrichtung (1),
wobei die Rezirkulationsanordnung (5) ausgebildet und/oder angeordnet ist, um Austrittsgase aus einem anodenseitigen Auslass (6) der
BrennstoffZellenvorrichtung (1) in einen anodenseitigen
Einlass (7) der BrennstoffZellenvorrichtung zurückzuführen,
und wobei die Rezirkulationsanordnung (5) eine Rezirkulationsmaschine (10) zur Erzeugung eines Massenstroms in der Rezirkulationsanordnung (5) sowie eine Anordnung (Pl; P2; P3) zur Messung eines Differenzdrucks in der Rezirkulationsanordnung (5) aufweist,
gekennzeichnet durch
eine Steuereinrichtung (12), die ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von dem gemessenen Differenzdruck einen aktuellen Massenstrom oder einen dazu äquivalenten Wert in der Rezirkulationsanordnung zu bestimmen und diesen als Istwert in einer Steuerung und/oder Regelung der Förderleistung der Rezirkulationsmaschine (10) zu verwenden .
2. Rezirkulationsanordnung (5) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsmaschine als Rezirkulationsgebläse (10) mit stellbarer Drehzahl zur Einstellung der Förderleistung ausgebildet ist.
3. Rezirkulationsanordnung (5) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsmaschine (10) einer Zuführung (8) von Brennstoff in die Rezirkulationsanordnung (5) stromabwärts nachgeordnet ist.
4. Rezirkulationsanordnung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung des Differenzdrucks (P3) angeordnet ist, um den Druckverlust über der Rezirkulationsmaschine (10) zu messen.
5. Rezirkulationsanordnung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung des Differenzdrucks (P2) angeordnet ist, um den Druckverlust über eine Blende oder über andere Komponente in der Rezirkulationsanordnung (5) zu messen.
6. Rezirkulationsanordnung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Messung des Differenzdrucks (Pl) angeordnet ist, um den Druckverlust über dem Anodenabschnitt (3) der BrennstoffZeilenvorrichtung (1) zu messen.
7. Rezirkulationsanordnung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch weitere Sensoreinrichtungen (13, 14), die zur Erfassung von Messwerten bezüglich der Temperatur und/oder des Drucks ausgebildet sind.
8. Rezirkulationsanordnung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Gasanalyseeinrichtung (H2), die zur Messung der Gaszusammensetzung ausgebildet ist.
9. BrennstoffZeilenvorrichtung (1) für den mobilen Einsatz, insbesondere für die Verwendung in einem Fahrzeug, gekennzeichnet durch eine Rezirkulationsanordnung (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
PCT/EP2006/009141 2006-09-20 2006-09-20 Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige gasversorgung in einer brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen einsatz WO2008034454A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112006004018T DE112006004018A5 (de) 2006-09-20 2006-09-20 Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige Gasversorgung in einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen Einsatz
PCT/EP2006/009141 WO2008034454A1 (de) 2006-09-20 2006-09-20 Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige gasversorgung in einer brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen einsatz

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2006/009141 WO2008034454A1 (de) 2006-09-20 2006-09-20 Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige gasversorgung in einer brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen einsatz

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2008034454A1 true WO2008034454A1 (de) 2008-03-27

Family

ID=37964773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/009141 WO2008034454A1 (de) 2006-09-20 2006-09-20 Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige gasversorgung in einer brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen einsatz

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE112006004018A5 (de)
WO (1) WO2008034454A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011105054A1 (de) 2011-06-21 2012-12-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle
AT517685B1 (de) * 2015-11-17 2017-04-15 Avl List Gmbh Messverfahren und Messvorrichtung zur Ermittlung der Rezirkulationsrate

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS622461A (ja) * 1985-06-27 1987-01-08 Toshiba Corp 燃料電池発電システム燃料系の再循環装置
DE10251878A1 (de) * 2001-11-09 2003-07-17 Honda Motor Co Ltd Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems
US20040110048A1 (en) * 2002-12-09 2004-06-10 Denso Corporation Fuel cell system
WO2004051780A2 (en) * 2002-12-03 2004-06-17 Nissan Motor Co.,Ltd. Fuel cell system
US20050214603A1 (en) * 2004-03-29 2005-09-29 Barton Russell H Hydrogen concentration sensor for an electrochemical fuel cell
JP2005310653A (ja) * 2004-04-23 2005-11-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US20050249990A1 (en) * 2004-05-04 2005-11-10 Reiser Carl A Fuel cell minimum fuel recycle with maximum fuel utilization

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS622461A (ja) * 1985-06-27 1987-01-08 Toshiba Corp 燃料電池発電システム燃料系の再循環装置
DE10251878A1 (de) * 2001-11-09 2003-07-17 Honda Motor Co Ltd Brennstoffkreis des Brennstoffzellensystems
WO2004051780A2 (en) * 2002-12-03 2004-06-17 Nissan Motor Co.,Ltd. Fuel cell system
US20040110048A1 (en) * 2002-12-09 2004-06-10 Denso Corporation Fuel cell system
DE10357482A1 (de) * 2002-12-09 2004-07-01 Denso Corp., Kariya Brennstoffzellen-System
US20050214603A1 (en) * 2004-03-29 2005-09-29 Barton Russell H Hydrogen concentration sensor for an electrochemical fuel cell
JP2005310653A (ja) * 2004-04-23 2005-11-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
US20050249990A1 (en) * 2004-05-04 2005-11-10 Reiser Carl A Fuel cell minimum fuel recycle with maximum fuel utilization

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011105054A1 (de) 2011-06-21 2012-12-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzelle
AT517685B1 (de) * 2015-11-17 2017-04-15 Avl List Gmbh Messverfahren und Messvorrichtung zur Ermittlung der Rezirkulationsrate
AT517685A4 (de) * 2015-11-17 2017-04-15 Avl List Gmbh Messverfahren und Messvorrichtung zur Ermittlung der Rezirkulationsrate
WO2017085133A1 (de) * 2015-11-17 2017-05-26 Avl List Gmbh Messverfahren und messvorrichtung zur ermittlung der rezirkulationsrate
CN108432019A (zh) * 2015-11-17 2018-08-21 Avl里斯脱有限公司 用于确定再循环率的测量方法和测量装置
US10826089B2 (en) 2015-11-17 2020-11-03 Avl List Gmbh Measuring method and measuring apparatus for determining the recirculation rate
CN108432019B (zh) * 2015-11-17 2021-01-08 Avl里斯脱有限公司 用于确定再循环率的测量方法和测量装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE112006004018A5 (de) 2009-08-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69302902T2 (de) Konstantspannungs-brennstoffzelle mit verbesserter reaktantenversorgung und steuerungssystem
DE4322765C1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur dynamischen Leistungsregelung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle
DE102008038444B4 (de) Diagnose für Brennstoffzellenbefeuchter
DE102008047389B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Online-Bestimmung und Verfahren zum Steuern der relativen Feuchtigkeit eines Reaktandenstroms in einem Brennstoffzellenstapel
DE10331261A1 (de) Brennstoffzellensystem zum akkuraten Steuern des Brennstoffzufuhrdrucks
EP3650832A1 (de) Prüfkammer für brennstoffzellen und verfahren zur steuerung
DE112004000811T5 (de) Betriebssteuerung für ein Brennstoffzellensystem
DE102007004590A1 (de) Gasversorgungsanordnung in einer Brennstoffzellenvorrichtung
DE112007002653B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102008020102A1 (de) Anordnung und Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung der Feuchtigkeit in einem Brennstoffzellenstapel
DE10057804B4 (de) Verfahren zur Steuerung der Befeuchtung einer Brennstoffzelle sowie Steuerungssystem für eine Brennstoffzelle
DE102008055803B4 (de) System und Verfahren zur modellbasierten Abgasmischsteuerung in einer Brennstoffzellenanwendung
DE102015119671B4 (de) Brennstoffzellensystem mit Abgabeventil
DE112004002279T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Starten desselben
EP2127007B1 (de) Versorgungssystem und warnvorrichtung für einen brennstoffzellenstapel sowie verfahren zur kontrolle des versorgungssystems
DE102006003394A1 (de) Brennstoffzellensystem, das die Stabilität seines Betriebs sicherstellt
WO2007110349A1 (de) Brennstoffzellenanlage
WO2022028859A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, auswerteeinheit für ein brennstoffzellensystem
DE112006002627T5 (de) Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE112010003392B4 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
WO2008034454A1 (de) Rezirkulationsanordnung für eine anodenseitige gasversorgung in einer brennstoffzellenvorrichtung sowie brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen einsatz
EP1575113A2 (de) Brennstoffzellenanordnung
DE102011010606A1 (de) Optimalwert-Kraftstoffsteueralgorithmus zur Verringerung der Inbetriebenahmezeit eines Brennstoffzellenfahrzeugs
DE10253281A1 (de) Elektrochemisches Zelldruckregulationssystem und Verfahren zum Einsatz desselben
DE102004034071A1 (de) Abschaltprozedur für Brennstoffzellensysteme

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 06805777

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120060040189

Country of ref document: DE

REF Corresponds to

Ref document number: 112006004018

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20090806

Kind code of ref document: P

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06805777

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1