DE10135625A1

DE10135625A1 - Wasserstoffspeisesystem für eine Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE10135625A1
Application number: DE10135625A
Authority: DE
Inventors: Manfred Herrmann
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2001-07-20
Publication date: 2002-06-20

Abstract

Ein Wasserstoffspeisesystem für eine Brennstoffzellenanordnung, bei dem Wasserstoff aus einem unter Druck stehenden Vorratstank oder unter Druck von einer Reformierungseinrichtung bei einem höheren Druck entnehmbar und nach Entspannung auf einen niedrigeren Druck in die Brennstoffzellenanordnung einspeisbar ist, wobei eine Rückführschleife im Wasserstoffkreislauf vorgesehen ist, damit ein Teil des unverbrauchten aus der Brennstoffzellenanordnung heraustretenden Wasserstoffs in diese wiedereinspeisbar ist, kennzeichnet sich dadurch aus, daß eine Pumpe vorgesehen ist, die die Rezirkulation des Wasserstoffs bewirkt und welche von der Druckenergie des aus dem Tank entnommenen bzw. von einer Reformereinheit kommenden Wasserstoffs antreibbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserstoffspeisesystem für eine Brennstoffzellenanordnung, bei dem Wasserstoff aus einem unter Druck stehenden Vorratstank oder unter Druck von einer Reformierungsein richtung bei einem höheren Druck entnehmbar und nach Entspannung auf einen niedrigeren Druck in die Brennstoffzellenanordnung einspeisbar ist, wobei eine Rückführschleife im Wasserstoffkreislauf vorgesehen ist, damit ein Teil des aus der Brennstoffzellenanordnung heraustretenden unverbrauchten Wasserstoffs in diese wiedereinspeisbar ist.

Brennstoffzellen sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Die vorliegende Erfindung befaßt sich jedoch nur mit solchen Brennstoffzellen, die mit Wasserstoffgas als Brennstoff arbeiten. Solche Brennstoffzellen sind in Form von sogenannten PEM-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Brennstoffzellen) bekannt. Eine Brennstoffzellenanordnung ba sierend auf PEM-Brennstoffzellen kann zwar aus einer einzigen Brenn stoffzelle bestehen, besteht aber üblicherweise aus einem Stapel von über einander oder nebeneinander angeordneten Brennstoffzellen, die zusam men einen sogenannten Stack bilden. Jede Brennstoffzelle weist eine für Protonen durchlässige Membran mit Elektroden auf beiden Seiten auf, und zwar eine Kathode und eine Anode, die beide eine katalytische Be schichtung aufweisen. Dem Stack wird auf der Anodenseite Wasserstoff bei einem gewissen Überdruck zugeführt. Auf der Kathodenseite wird dem Stack Luft ebenfalls mit einem geeigneten Überdruck zugeführt. Im Be trieb der Brennstoffzelle diffundieren Protonen, die vom Wasserstoff gelie fert werden, durch die Membran hindurch und reagieren auf der Katho denseite der Membran mit der zugeführten Luft. Hierdurch wird einerseits Wasserdampf gebildet, der auf der Kathodenseite als Abgas abgeführt wird und andererseits Strom erzeugt, der beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeuges herangezogen werden kann, in dem die Brennstoffzellenan ordnung eingebaut ist.

Auf der Anodenseite der Brennstoffzellenanordnung verläßt überschüssi ger, noch unverbrauchter Wasserstoff den Stack und wird entweder zur Erzeugung von Wärme verbrannt oder wenigstens zum Teil erneut dem Stack über eine Rückführschleife zugeführt, das heißt rezirkuliert. Eine derartige Vorgehensweise hat gewisse Vorteile: Es ist einerseits wirtschaft licher, andererseits sorgt die Rückführung des Wasserstoffes dafür, daß eine ausreichende Feuchtigkeit stets vorhanden ist, so daß die Membrane feucht bleiben. Dies stellt eine wesentliche Voraussetzung für den stö rungsfreien Betrieb einer Brennstoffzelle dar.

Es ist also bekannt, mindestens einen Teil des aus den Brennstoffzellen heraustretenden unverbrauchten Wasserstoffs der Brennstoffzellenanord nung erneut zuzuführen. Um dies zu erreichen, muß aber eine Drucker höhung stattfinden, da der Druck auf der Eingangsseite der Brennstoff zellenanordnung höher ist, als auf der Ausgangsseite.

Diese Druckerhöhung gestaltet sich jedoch als problematisch. Da Wasser stoffmoleküle klein sind, ist das Pumpen von Wasserstoff schwierig und die Gefahr von Leckagen ist sehr groß. Motorbetriebene Pumpen, bei de nen der Motor außerhalb des Wasserkreislaufes angeordnet ist, sind in der Praxis problematisch, da es extrem schwierig ist, die rotierenden An triebswelle der Pumpe ausreichend abzudichten. Wasserstoffleckagen sind jedoch gerade beim Stillstand eines Fahrzeuges äußerst gefährlich, da sie zu heftigen Explosionen führen können.

Um die Verwendung von solchen Pumpen zu vermeiden, ist bereits in der internationalen Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 99/05741 vorgeschlagen worden, sogenannte Eduktoren anzuwen den. Diese bestehen aus einer Düse mit einem konvergierenden Abschnitt und einem divergierenden Abschnitt und es wird Wasserstoff unter einem höheren Druck in die Engstelle zwischen dem konvergierenden Abschnitt und dem divergierenden Abschnitt injiziert, wodurch eine Saugwirkung mit Druckerhöhung erfolgt, so daß Wasserstoff bei einem niedrigeren Druck auf der konvergierenden Seite eingesaugt und mit einer Drucker höhung auf der divergierenden Seite austritt. Ein Eduktor hat den Vorteil, daß er relativ leicht abgedichtet werden kann, da es keine sich bewegen den Teile gibt. Problematisch ist aber, daß er erst bei einem gewissen Durchsatz richtig funktioniert, so daß ein zweiter Eduktor erforderlich ist, um die Wasserstoffzirkulation bei niedrigen Strömungsraten aufrecht zu erhalten. Bei dem zweiten Eduktor wird Wasser in die Engstelle zwischen dem konvergierenden und dem divergierenden Abschnitt eingespritzt, wofür ein Wasservorrat und eine Wasserpumpe erforderlich sind und es leuchtet ein, daß die Dauer der Betriebszeit beschränkt ist, da die verfüg bare Wassermenge beschränkt ist. Durch die verschiedenen erforderlichen Bauteile gestaltet sich auch ein solches System als relativ komplex und es sind auch hier Leckagen zu befürchten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzusehen, die es ermöglicht, die für eine Wasserstoffrezirkulation erforderliche Druc kerhöhung relativ kostengünstig zu erhalten, ohne Leckagen befürchten zu müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Wasserstoffspeisesystem der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine Pumpe vorgesehen ist, die die Rezirkulation des Wasserstoffs bewirkt und welche von der Druckenergie des aus dem Tank entnommenen bzw. von einer Reformereinheit kommenden Wasserstoffs antreibbar ist.

Anders gesehen, besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß eine Pumpe vorgesehen ist, die zur Durchführung der Wasserstoffrezirkulation an der Brennstoffzellenanordnung angeschlossen ist, daß der vom Vorrat stank oder von einer Reformiereinheit kommende Wasserstoff zum Antrei ben der Pumpe dieser zuführbar ist und der durch Antreiben der Pumpe entspannte Wasserstoff zusammen mit dem rezirkulierten Wasserstoff der Brennstoffzellenanordnung zugeführt wird.

Da das Rezirkulieren des Wasserstoffs durch eine vom Wasserstoff selbst betriebene Pumpe, insbesondere in Form einer Verdrängerpumpe erfolgt, kann diese Pumpe vollständig innerhalb des Wasserstoffkreislaufes unter gebracht werden, so daß die Pumpe vollständig im Leitungssystem inte griert ist und keine Welle die Wandung des Leitungssystems durchdringt, so daß Leckagen an Wellendurchführungen nicht auftreten können. Zwar müssen weiterhin alle Leitungsanschlüsse nach wie vor wasserstoffdicht ausgeführt werden, dieses Problem ist aber wesentlich einfacher zu lösen, da es bei den Leitungsanschlüssen im Betrieb keine beweglichen Teile vorliegen. Die Pumpe ist sozusagen hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet.

Da die Antriebsenergie aus dem ohnehin vorhandenen Wasserstoffdruck bei dessen Entspannung entnommen wird, muß keine zusätzliche Energie geliefert werden, so daß die von den Brennstoffzellen abgegebene Leistung durch die für das Antreiben der Pumpe benötigte Energie nicht geschmä lert wird.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung und der beigefügten Zeichnung zu ent nehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wasserstoffspeisesystems mit einer Kolbenpumpe;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Membranpumpe während eines ersten Pump-Halbzyklus; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Membranpumpe aus Fig. 2 während eines zweiten Pump-Halbzyklus.

Fig. 1 zeigt eine doppelt wirkende Kolbenpumpe 10, die Wasserstoff von einem Vorratstank 35 oder von einer Reformiereinheit 37 an die Anoden seite über eine schematisch dargestellte Leitung 13A einer Brennstoffzel lenanordnung 11 liefert und einen Teil des überschüssigen, aus den Brennstoffzellen auf der Anodenseite heraustretenden Wasserstoffs über eine Rückführschleife den Brennstoffzellen erneut zuführt. Die Rückführ schleife umfaßt in diesem Beispiel schematisch angedeutete Leitungen 13B und 13C, die von der Brennstoffzellenanordnung 11 zu Anschlüssen 38 und 42 an den Stirnenden 30 und 32 der Pumpe 10 führen und Lei tungen 13D und 13E, die von den Anschlüssen 40 und 44 an den Stir nenden 30 und 32 der Pumpe 10 zu der Brennstoffzellenanordnung füh ren. In einer praktischen Ausführungsform können die Leitungen 13B und 13C bzw. die Leitungen 13A, 13D und 13E als je eine Leitung reali siert werden, die über interne Kanäle des Pumpengehäuses zu den jeweili gen Anschlüssen bzw. zu entsprechenden Öffnungen der Pumpe führen. Die Pumpe 10 ist also in die Rückführschleife eingebaut. Die Rückführ schleife 13B, 13C, 13D, 13E zusammen mit der Leitung 13A und die Strömungswege innerhalb der Pumpe 10 und auf der Anodenseite der Brennstoffzellenanordnung 11 bilden den Wasserstoffkreislauf.

In an sich bekannter Weise weist die Brennstoffzellenanordnung 11 au ßerdem eine Kathodenseite auf, der Luft über die Leitung 15A zugeführt wird. Protonen, die von dem Wasserstoff auf der Anodenseite geliefert wer den, werden mittels der in den Brennstoffzellen enthaltenen Membrane zur Kathodenseite transportiert und reagieren dort mit Sauerstoff aus der zugeführten Luft zu Wasser, das in Form von Wasserdampf die Kathoden seite der Brennstoffzellen mit überschüssiger Luft bzw. an der Reaktion nicht teilnehmenden Luftbestandteile wie Stickstoff über die Leitung 15B verläßt.

Die Wirkung der Pumpe 10 wird nachfolgend näher erläutert. Sie weist einen Doppelkolben 12 auf, der je nach den herrschenden Druckverhält nissen nach rechts entsprechend dem Pfeil 14 oder nach links entspre chend dem Pfeil 16 innerhalb eines Zylindergehäuses 18 bewegbar ist. Der Doppelkolben 12 weist zwei Kolbenköpfe 20 und 22 auf, die über ein hoh les Verbindungsteil 24 miteinander verbunden sind. Eine Ventilklappe 26 ist über eine Anlenkachse 28 am Zylindergehäuse 18 kippbar gelagert, so daß es zwischen der in durchgehenden Linien gezeigten schrägen Stellung und einer ebenfalls geneigten, in gebrochenen Linien schematisch darge stellten zweiten Stellung 26' kippbar ist. Die Anlenkachse 28 kann so aus geführt werden, daß sie entweder das Zylindergehäuse überhaupt nicht durchdringt oder durch Achsstummel realisiert ist, die im Betrieb festste hen und gegenüber dem Zylindergehäuse vollständig abgedichtet sind.

Die Kippbewegung der Ventilklappe 26 erfolgt hier durch die Hin- und Herbewegung des Doppelkolbens 12. Wenn der Kolben in Pfeilrichtung 14 weiter nach rechts bewegt wird, wird die Ventilklappe 26 durch einen am Verbindungsteil 24 vorhandenen Anschlag 27 in die gestrichelte Position 26' gekippt, während bei einer anschließenden Bewegung des Doppelkol bens 12 nach links entsprechend dem Pfeil 16 die Ventilklappe 26 durch den weiteren, am Verbindungsteil vorhandenen Anschlag 29 in die in durchgehenden Linien gezeigte Stellung in Fig. 1 zurückbewegt wird.

Bei der gezeigten Anordnung sind vier Druckkammern I, II, III und IV vor handen, wobei die Druckkammer I zwischen der Ventilklappe 26 und dem Kolbenkopf 22, die Druckkammer II zwischen der Ventilklappe 26 und dem Kolbenkopf 20, die Druckkammer III zwischen dem Kolbenkopf 20 und dem linken Stirnende 30 des Zylinders 18 und die Druckkammer IV zwischen dem Kolbenkopf 22 und dem rechten Stirnende 32 des Zylinders 18 gebildet ist.

Zwischen der Ventilklappe 26 und dem Verbindungsteil bzw. zwischen der Ventilklappe 26 und dem Zylindergehäuse 18 befinden sich Dichtungen (nicht gezeigt), um die Kammer I gegenüber der Kammer II in beiden Stel lungen der Ventilklappe 26 abzudichten. Zwischen dem Kolbenkopf 20 und dem Zylindergehäuse 18 bzw. zwischen dem Kolbenkopf 22 und dem Zylindergehäuse 18 befinden sich weitere Dichtungen (nicht gezeigt), die die Kammer II gegenüber der Kammer III bzw. Kammer I gegenüber der Kammer IV abdichten.

Die Doppelkolbenpumpe 10 hat in diesem Beispiel sechs Anschlüsse 34, 36, 38, 40, 42 und 44. Der Anschluß 34 ist an einen Vorratstank 35 ange schlossen, der Wasserstoff (H₂) enthält und diesen mit einem konstanten Antriebsdruck an den Anschluß 34 liefert. Um diesen konstanten An triebsdruck zu erreichen, wird ein Druckreglerventil 33 zwischen dem Vor ratstank 35 und dem Anschluß 34 vorgesehen. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung gelangt der Wasserstoff unter dem Lieferdruck P_Liefer in die Druckkammer I und strömt über eine Drosselstelle 46 benachbart zum Kolbenkopf 22 in das hohle Verbindungsteil 24 hinein. Der Wasserstoff verläßt das hohle Verbindungsteil 24 wieder über eine zweite Drosselstelle 48 und befindet sich dann in der Druckkammer II.

Die Drosselstellen 46 und 48 müssen nicht im hohlen Verbindungsteil 24 vorgesehen werden, sie können beispielsweise in der Ventilklappe 26 oder in einer geeigneten Strömungspassage im Zylindergehäuse 18 vorgesehen werden. Im übrigen ist es nicht zwingend erforderlich, zwei Drosselstellen vorzusehen, eine einzige Drosselstelle reicht aus.

In der in Fig. 1 gezeigten Position wird der Wasserstoff jetzt mit vermin dertem Druck entsprechend dem Pfeil 13A zu den Brennstoffzellen 11 ge führt. Dieser Druck ist hier als P_Speise bezeichnet.

Man kann somit eine erste Gleichung schreiben, nämlich:

P_Speise = P_Liefer - ΔP_46,48 (1)

wo ΔP_46,48 den Druckverlust über die Drosselstellen 46 und 48 darstellt.

In den Brennstoffzellen wandert ein Teil des der Anodienseite zugespeisten H₂ in Form von Protonen durch die dort vorhandenen Membrane, so daß am Ausgang der Brennstoffzellen auf der Anodenseite der Rest des zuge führten Wasserstoffs als H₂-haltige Abgase vorliegt (die Abgase umfassen auch Wasserdampf, der von der Anodenseite der Membrane stammt), die einen Druck aufweisen, der niedriger ist, als der Druck P_Speise und ein Teil dieser Abgase wird mit einem Druck, hier als P_Rück bezeichnet, dem An schluß 38 und dem Anschluß 42 zugeführt.

Ein weiterer Teil der H₂-haltigen Abgase wird über ein Druckreglerventil 39 als Abgase aus dem Wasserstoffkreislauf entfernt und in an sich be kannter Weise weiter verwendet bspw. zur Wärmegewinnung oder zwecks Sicherheit verbrannt.

Jetzt wird angenommen, daß der Doppelkolben 12 sich entsprechend dem Pfeil 14 bewegt, durch den entsprechenden Druckaufbau in der Kammer IV wird ein Rückschlagventil 52 benachbart zum Anschluß 42 geschlossen und ein Rückschlagventil 54 benachbart zum Anschluß 44 geöffnet, die in der Kammer IV sich befindlichen Abgase, die vorher den Druck P_Rück auf wiesen, werden nunmehr komprimiert und verlassen den Anschluß 54 mit einem erhöhten Druck P_Speise, so daß sie mit den Gasen vom Anschluß 36 den Brennstoffzellen zugeführt werden können.

Am Ende der Bewegung entsprechend der Pfeilrichtung 14 kippt die Ven tilklappe 26 durch Berührung mit dem Anschlag 27 in die gestrichelte Stellung 26' und die Druckverhältnisse sorgen dafür, wie später näher erläutert wird, daß der Doppelkolben 12 entsprechend dem Pfeil 16 sich nach links bewegt. Dabei werden die in der Kammer III befindlichen Gase mit dem Anfangsdruck P_Rück aufgrund der Bewegung des Doppelkolbens mit einem erhöhten Druck P_Speise aus dem dem Anschluß 40 benachbart angeordneten Rückschlagventil 56 herausgedrückt. Gleichzeitig sperrt das Rückschlagventil 58, das benachbart zum Anschluß 38 angeordnet ist und verhindert, daß weitere H₂-haltige Abgase in die Kammer III strömen und komprimierte H₂-haltige Abgase aus dem Anschluß 38 wieder her ausgedrückt werden. Die Abgase, die Zylinder 18 am Anschluß 40 verlas sen, werden dann wiederum mit dem H₂, der vom Anschluß 36 kommt, den Brennstoffzellen wieder zugeführt.

Bei der Bewegung des Doppelkolbens 12 nach links, entsprechend dem Pfeil 16, entsteht ein Unterdruck in der Kammer IV wodurch das Rück schlagventil 54 schließt und das Rückschlagventil 52 sich öffnet, um er neut H₂-haltige Abgase von den Brennstoffzellen beim Druck P_Rück in die Kammer IV hineinzulassen. Wenn der Doppelkolben 12 seine extreme lin ke Einstellung erreicht hat, kippt die Ventilklappe 26 bei Berührung mit dem Anschlag 29 noch einmal um und der Kolben fängt an, sich unter den herrschenden Druckverhältnissen wieder nach rechts, entsprechend dem Pfeil 14, zu bewegen, wodurch der Arbeitszyklus sich wiederholt. Die Druckverhältnisse sind durch die Auslegung der Rückschlagventile 52, 54, 56 und 58 sowie der Drosselstellen 46, 48 so gewählt, daß diese Wir kungsweise sich ständig wiederholt und Wasserstoffgas mit dem Druck P_Speise stets den Brennstoffzellen 11 zugeführt wird. Ein Teil dieser aus H₂ bestehenden Gase stellt sich sozusagen als frischer Wasserstoff dar, der vom Tank (oder von einer Reformereinheit) kommt, während ein weiterer Teil des den Brennstoffzellen zugeführten Wasserstoffs aus aus H₂ und aus Wasserstoff bestehenden Abgasen der Brennstoffzellen besteht.

Wichtig bei dieser Anordnung ist, daß die Pumpe allein von dem Antriebs druck P_Liefer betrieben wird und vollständig im Wasserstoffkreislauf bzw. in der Rückführschleife enthalten ist. Es gibt keinen außerhalb des Wasser stoffkreislaufs, d. h. außerhalb der Wandung des den. Wasserstoff führen den Leitungssystems positionierten Motor, der über eine Welle irgendet was im H₂-Kreislauf antreiben muß, so daß der gesamte H₂-Kreislauf ge schlossen ausgeführt werden kann. Es besteht daher keine Gefahr, daß H₂ aus undichten Stellen entweichen kann, da, wie gesagt, keine Welle vorhanden ist, die von außen in das Pumpensystem hineinführt, so daß eine Leckage an einer solchen Welle nicht auftreten kann.

Um die Druckkräfte, die zur Bewegung des Doppelkolbens 12 führen und für die Realisierung des Arbeitszyklusses zuständig sind, näher zu erläu tern, wird nunmehr eine mathematische Abhandlung der Bewegungsab läufe gegeben.

Wir nehmen zunächst an, daß der Doppelkolben 12 sich nach rechts ent sprechend dem Pfeil 14 bewegt und die Ventilklappe 26, die in durchge henden Linien gezeigte Stellung in Fig. 1 aufweist. Es wird außerdem angenommen, daß die Kolbenköpfe 20 und 22 auf beiden Seiten eine wirksame Fläche A aufweisen. Danach wirkt in der Kammer I eine nach rechts gerichtete Kraft K_IR auf den Kolben 12, von:

K_IR = P_Liefer × A

In der Kammer II wirkt in der entgegengesetzten Richtung, d. h. nach links, eine Kraft auf den Kolben 12 von:

K_IIL = P_Speise × A.

In Kammer III herrscht ein Druck P_Rück und diese wirkt nach rechts auf den Kolben 12 mit einer Kraft von:

K_IIIR = P_Rück × A

In Kammer IV herrscht wiederum der Speisedruck P_Speise, so daß in Kam mer IV eine nach links gerichtete Kraft auf den Doppelkolben 12 wirkt von:

K_IVL = P_Speise × A

Jetzt werden alle Kräfte, die auf den Doppelkolben 12 in Richtung nach rechts wirken aufaddiert. Das heißt, die Gesamtkraft nach rechts K_GR re sultiert aus der von Kammer I stammenden Kraft K_IR + der von der Kam mer III stammenden Kraft K_IIIR d. h.:

K_GR = K_IR + K_IIIR = P_Liefer × A + PRück × A (2)

Die Gesamtkraft nach links K_GL beträgt:

K_GL = K_IIL + K_IVL = P_Speise × A + P_Speise × A = 2P_Speise × A (3)

Weiterhin gilt

P_RÜCk = P_Speise - ΔP_Br (4)

wo ΔP_Br der Druckverlust des Wasserstoffs auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems ist (zwischen Eingang und Ausgang gemessen), wobei dieser Druck bzw. Druckunterschied auch durch das Druckregler ventil 39 bestimmt wird, das schließlich sicherstellt, daß der Druck am Ausgang der Anodenseite der Brennstoffzellen bei P_Rück liegt.

Folglich ist die Gesamtkraft K_G, die auf den Kolben 12 nach rechts wirkt, durch folgende Gleichung gegeben:

K_G = K_GR - K_GL = (P_Liefer × A + P_Rück × A) - 2P_Speise × A (5)

unter Berücksichtigung der Gleichung (4) kann man schreiben:

K_G = A(P_Liefer + (P_Speise - APBr) - 2P_Speise) = A(P_Liefer - P_Speise -- ΔP_Br) (6)

Unter Berücksichtigung der Gleichung (1) kann man diese Gleichung wie folgt vereinfachen:

K_G = A((P_Speise + ΔP_46,48) - P_Speise - ΔP_Br) = A(ΔP_46,48 - ΔP_Br) (7)

Nachdem A eine Konstante darstellt, sieht man, daß die Bedingung für eine positive nach rechts gerichtete Gesamtkraft auf den Kolben 12 darin besteht, daß

ΔP_46,48 < ΔP_Br

D. h. der gesamte Druckverlust an den Drosselstellen 46, 48 muß größer sein als der Druckverlust zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Wasserstoffkreises in der Brennstoffzellenanordnung.

Zwar ist diese Gleichung nicht ganz richtig, da die wirksame Fläche der Kolbenköpfe 20, 22 in den Kammern I und II etwas kleiner als A ist, da das Verbindungsteil 24 eine endliche Querschnittsfläche hat, dennoch ist die erforderliche Korrektur relativ klein, so daß die aufgeführte Bedingung zumindest in etwa gilt.

Die obige Abhandlung gilt für die nach rechts gerichtete Bewegung des Doppelkolbens 12. Am Ende dieser Bewegung wird die Ventilklappe 26 umgesteuert bzw. umgeschwenkt und es gilt dann die gleiche Beziehung für die Bewegung des Doppelkolbens nach links. Somit wird eine konti nuierliche Hin- und Herbewegung des Doppelkolbens erreicht, die auch von der Strömungsmenge des Wasserstoffs weitestgehend unabhängig ist und daher auch bei niedrigen Lasten bzw. bei niedriger Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems noch funktioniert.

Alternativ zur Kolbenpumpe 10 ist in dem in Fig. 1 gezeigten Wasser stoffspeisesystem erfindungsgemäß auch eine Membranpumpe 100 ein setzbar, wie sie beispielsweise in Fig. 2 und 3 gezeigt ist.

Die Membranpumpe 100 weist eine erste und zweite Membrankammer 102, 104 auf, zwischen denen ein Gaskanal 106 gelegen ist. Die Mem brankammern 102, 104 weisen identische, in zum Gaskanal 106 paralle ler Richtung gestreckte und symmetrische rautenförmige Querschnitte auf.

Durch eine erste Membran 108 ist die erste Membrankammer 102 in ei nen ersten äußeren Kammerraum 110 und einen ersten inneren Kammer raum 112 und durch eine zweite Membran 114 ist die zweite Membran kammer 104 in einen zweiten inneren Kammerraum 116 und einen zwei ten äußeren Kammerraum 118 geteilt. Die Membranen 108, 114 verlaufen im wesentlichen parallel zueinander auf beiden Seiten des Gaskanals 106.

Ein Kopplungselement 166 koppelt die Membrane 108, 114 mechanisch miteinander, wobei die Enden 168, 170 des Kopplungselements 166 im Bereich der Membranmitten an den Membranen 108, 114 angebracht sind. Das Kopplungselement 166 hat zumindest in der zur Ebene der Membrane 108, 114 senkrechten Richtung einen Bewegungsfreiheitsgrad.

Die äußeren Kammerräume 110, 118 sind in einem vorratstankseitigen Endbereich jeweils mit einem Einlaß 120, 122 versehen, wobei jeder Ein laß mit einem Rückschlagventil 124, 126 ausgestattet ist und der Zufüh rung unverbrauchten Wasserstoffs aus der Brennstoffzellenanordnung dient. Weiterhin weisen die äußeren Kammerräume 110, 118 in ihrem brennstoffzellenseitigen Endbereich jeweils einen mit einem entsprechen den Rückschlagventil 128, 130 versehenen Auslaß 132, 134 auf, um druckerhöhten Wasserstoff in einer Sammelleitung 136 wieder der Brenn stoffzellenanordnung zuzuführen.

Weiterhin ist jeweils eine Durchführung 138, 140 vorgesehen, welche die vorratstankseitigen Endbereiche der inneren Kammerräume 112, 116 mit dem Gaskanal 106 verbindet. Die gaskanalseitigen Durchführungsöffnun gen 142, 144 der Durchführungen 138, 140 befinden sich in diesem Bei spiel auf gleicher Höhe und auf gegenüberliegenden Seiten des Gaskanals 106.

Im Bereich der Durchführungsöffnungen 142, 144 ist im Gaskanal 106 ein Kippventil 146 vorgesehen, das den Gaskanal 106 in einen dem Vor ratstank zugewandten Abschnitt 148 und einen der Brennstoffzellenan ordnung zugewandten Abschnitt 150 unterteilt.

Das Kippventil 146 weist zwei Dichtschenkel 152, 154 und einen Kipp schenkel 156 auf, die Y-artig angeordnet und miteinander verbunden sind. An dem Punkt, in dem alle drei Schenkel aneinander grenzen, ist das Kippventil 146 drehbar gelagert. Die Dichtschenkel 152, 154 sind derart ausgebildet, daß sie die Durchführungsöffnungen 142, 144 entwe der gegenüber dem dem Vorratstank zugewandten Abschnitt 148 oder dem der Brennstoffzellenanordnung zugewandten Abschnitt 150 des Gas kanals verschließen können.

Das Kippventil 146 kann lediglich zwei stabile Positionen, d. h. Schaltzu stände einnehmen: In der ersten Position (Fig. 2) ist die erste Durchfüh rungsöffnung 142 gegenüber dem dem Vorratstank zugewandten Ab schnitt 148 des Gaskanals 106 abgedichtet und zu dem der Brennstoff zellenanordnung zugewandten Abschnitt 150 hin offen, während die zweite Durchführungsöffnung 144 zu dem dem Vorratstank zugewandten Abschnitt 148 des Gaskanals 106 hin offen und gegenüber dem der Brennstoffzellenanordnung zugewandten Abschnitt 150 abgedichtet ist. Aus dem Vorratstank in den Gaskanal 106 strömendes Gas kann also nur in den zweiten inneren Kammerraum 116 gelangen, während Gas aus dem ersten inneren Kammerraum 112 in den der Brennstoffzellenanord nung zugewandten Abschnitt 150 des Gaskanals 106 strömen kann.

In der zweiten Position, die in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Strömungsver hältnisse genau umgekehrt, d. h. aus dem Vorratstank in den Gaskanal 106 strömendes Gas kann lediglich in den ersten inneren Kammerraum 112 gelangen, während Gas aus dem zweiten inneren Kammerraum 116 in den der Brennstoffzellenanordnung zugewandten Abschnitt 150 des Gaskanals 106 zu strömen vermag.

Geschaltet wird das Kippventil 146 mit Hilfe seines Kippschenkels 156, der durch ein Antriebselement 158 betätigt wird. Das Antriebselement 158 weist einen durch einen ersten und zweiten Gabelschenkel 160, 162 ge bildeten V-förmigen Gabelabschnitt auf, in den der Kippschenkel 156 ein greift. Nach einer Verschiebung des Gabelabschnitts in einer zum Gaska nal 106 senkrechten Richtung um eine Strecke, die dem Abstand der frei en Enden der Gabelschenkel 160, 162 entspricht, tritt einer der Gabel schenkel 160, 162 mit dem Kippschenkel 156 in Kontakt und beauf schlagt diesen mit einer Kraft, die dazu führt, daß das Kippventil 146 um schlägt und seine andere Position einnimmt.

Der Gabelabschnitt ist mit Hilfe eines Stangenabschnitts 164 starr mit dem stangenähnlichen Kopplungselement 166 verbunden. Durch das Koppelelement 166 resultiert eine synchrone Auslenkung der ersten und zweiten Membran 108, 114. Eine ausreichende Auslenkung der Membrane 108, 114 führt zu einer Betätigung des Kippventils 146.

Die Funktionsweise der Membranpumpe 100 ist wie folgt:
Zu Beginn des in Fig. 2 gezeigten ersten Pump-Halbzyklus weisen die Membrane 108, 114 eine maximale Auslenkung nach links auf, d. h. das Koppelelement 166 und damit auch der Gabelabschnitt und der Kipp schenkel 156 befinden sich in ihrer linken Position. Das Kippventil 146 nimmt eine Position ein, die hiermit als erste Position bezeichnet sei, bei der die Durchführung 138 eine Strömungsverbindung von dem ersten in neren Kammerraum 112 zu dem der Brennstoffzellenanordnung zuge wandten Abschnitt 150 bildet und die Durchführung 140 eine Strö mungsverbindung von dem dem Vorratstank zugewandten Abschnitt 148 des Gaskanals 106 zu dem zweiten inneren Kammerraum 116 bildet.

Wasserstoff aus dem Vorratstank strömt also durch den Gaskanal 106 und die offene zweite Durchführungsöffnung 144 in den zweiten inneren Kammerraum 116 ein. Dies erhöht den Druck in dem zweiten inneren Kammerraum 116 und führt zu einer Auslenkung der Membrane 108, 114 nach rechts. Dadurch wird das Volumen des zweiten äußeren Kammer raums 118 verkleinert und darin vorhandenes Gas komprimiert und durch das Rückschlagventil 130 und den Auslaß 134 in die Sammellei tung 136 verdrängt.

Weiterhin wird durch den erhöhten Druck das Rückschlagventil 126 ge schlossen, so daß kein zusätzlicher, von der Brennstoffzellenanordnung zurückgeführter Wasserstoff in den zweiten äußeren Kammerraum 118 nachströmen kann.

Gleichzeitig verringert sich durch die Auslenkung der Membrane 108, 114 das Volumen des ersten inneren Kammerraums 112. Darin befindliches Gas wird durch die offene Durchführung 138 in den der Brennstoffzellen anordnung zugewandten Abschnitt 150 des Gaskanals 106 verdrängt und gelangt ebenfalls in die Sammelleitung 136.

Außerdem vergrößert sich durch die Bewegung der Membrane 108, 114 das Volumen des ersten äußeren Kammerraums 110, in dem folglich ein Unterdruck erzeugt wird. Durch den Unterdruck wird das Rückschlag ventil 128 am Auslaß 132 verschlossen, so daß kein Wasserstoff aus der Sammelleitung 136 in den ersten äußeren Kammerraum 110 zurückströ men kann. Statt dessen entfaltet der Unterdruck eine Saugwirkung, die zur einer Öffnung des Rückschlagventils 124 am Einlaß 120 des ersten äußeren Kammerraums 110 führt und von der Brennstoffzellenanordnung zurückgeführten Wasserstoff ansaugt.

Mit den Membranen 108, 114 bewegt sich auch das Kopplungselement 166 und mit ihm das Antriebselement 158, d. h. der Gabelabschnitt, nach rechts. Ist die äußerste Auslenkung der Membrane 108, 114 erreicht, so nimmt der linke Gabelschenkel 160 des Antriebselements 158 den Kipp schenkel 156 mit und betätigt auf diese Weise das Kippventil 146.

Das Kippventil 146 kippt daraufhin um und nimmt seine zweite Position ein. Damit beginnt der zweite Pump-Halbzyklus, bei dem der erste innere Kammerraum 112 mit aus dem Vorratstank durch den Gaskanal 106 ein strömenden Wasserstoff gefüllt wird. Der oben beschriebene Prozeß findet in umgekehrter Richtung statt.

Der Druck (P_Liefer), mit dem der vom Vorratstank bzw. von der Reformier einheit kommende Wasserstoff in den Gaskanal 106 eingeleitet wird, liegt bei etwa 300 kPa Überdruck, während der entspannte Wasserstoff mit ei nem Speisedruck (P_Speise) von etwa 220 kPa Überdruck den Brennstoffzel len zugeführt wird. Die H₂-haltigen Abgase, die von den Brennstoffzellen teilweise wieder in die Membranpumpe 100 zurückgeführt werden, liegen mit einem Druck (P_Rück) von etwa 180 kPa Überdruck an den Einlässen 120, 122 an.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann das Antriebselement 158 durch ein mit dem Kippventil 146 und dem Kopplungselement 116 wech selwirkendes Feder- oder Hebelelement gebildet werden, das zwei stabile Stellungen gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 3 annimmt bzw. definiert.

In der Membranpumpe 100 wird eine allein durch den Gasfluß angetrie bene kontinuierliche Hin- und Herbewegung der Membrane 108, 114 er reicht, die von der Strömungsmenge des Wasserstoffs weitestgehend un abhängig ist und daher auch bei niedrigen Lasten bzw. bei niedriger Lei stungsabgabe des Brennstoffzellensystems noch funktioniert.

Claims

1. Wasserstoffspeisesystem für eine Brennstoffzellenanordnung (11), bei dem Wasserstoff (H₂) aus einem unter Druck stehenden Vorrats tank (35) oder unter Druck von einer Reformierungseinrichtung (37) bei einem höheren Druck entnehmbar und nach Entspannung auf einen niedrigeren Druck in die Brennstoffzellenanordnung (11) ein speisbar ist, wobei eine Rückführschleife (13B, 13C, 13D, 13E) im Wasserstoffkreislauf (umfaßt 10, 11, 13A, 13 B, 13C, 13D, 13E) vor gesehen ist, damit ein Teil des unverbrauchten aus der Brennstoff zellenanordnung (11) heraustretenden Wasserstoffs in diese wieder einspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (10) vorgesehen ist, die die Rezirkulation des Was serstoffs bewirkt und welche von der Druckenergie des aus dem Tank (35) entnommenen bzw. von einer Reformereinheit (37) kom menden Wasserstoffs antreibbar ist.

2. Wasserstoffspeisesystem für eine Brennstoffzellenanordnung (11), bei dem Wasserstoff (H₂) aus einem unter Druck stehenden Vorrats tank (35) oder unter Druck von einer Reformierungseinrichtung (37) bei einem höheren Druck entnehmbar und nach Entspannung auf einen niedrigeren Druck in die Brennstoffzellenanordnung (11) einspeisbar ist, wobei eine Rückführschleife (13A, 13B, 13C, 13D, 13E) im Wasserstoffkreislauf (umfaßt 10, 11, 13 A, 13B, 13C, 13D, 13E) vorgesehen ist, damit ein Teil des unverbrauchten, aus der Brennstoffzellenanordnung heraustretenden Wasserstoffs in diese wiedereinspeisbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (10) vorgesehen ist, die zur Durchführung der Was serstoffrezirkulation an der Brennstoffzellenanordnung (11) ange schlossen ist, daß der vom Vorratstank (35) oder von einer Refor miereinheit (37) kommende Wasserstoff zum Antreiben der Pumpe dieser zuführbar ist und der durch Antreiben der Pumpe entspannte Wasserstoff (H₂) zusammen mit dem rezirkulierten Wasserstoff der Brennstoffzellenanordnung (11) zugeführt wird.

3. Wasserstoffspeisesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Pumpe (10) um eine Verdrängerpumpe handelt.

4. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Verdrängerpumpe um eine Kolbenpumpe (10) handelt.

5. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Verdrängungspumpe um eine doppelt wirkende Kolbenpumpe (10) handelt.

6. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12) der doppelt wirkenden Kolbenpumpe zwei an einander gekoppelte, jedoch voneinander beabstandete Kolbenköpfe (20, 22) aufweist, die hin und her in einem Zylinder (18) bewegbar sind, daß ein erster Zylinderraum (III) zwischen dem einen Kolben kopf (20) und einem Stirnende (30) des Zylinders (18) ausgebildet ist, daß ein zweiter Zylinderraum (IV) zwischen dem zweiten Kolben kopf (22) und dem zweiten Stirnende (30) des Zylinders (18) ausge bildet ist, und daß jeder Zylinderraum (III, IV) einen zu den Brenn stoffzellen führenden Auslaß (40, 44) und einem von den Brenn stoffzellen kommenden Einlaß (38, 42) aufweist, wobei jedem Einlaß (38, 42) und Auslaß (40, 44) ein jeweiliges Rückschlagventil (52, 54, 54, 56) zugeordnet ist.

7. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenköpfe (20, 22) aneinander über ein hohles Verbin dungsteil (24) befestigt sind, daß ein umsteuerbares Ventilglied (26) vorgesehen ist, um die Hin- und Herbewegung der Kolbenköpfe (20, 22) unter dem Druck des der Kolbenpumpe (10) zugeführten, vom Vorratstank (35) oder von der Reformereinheit (37) kommenden Wasserstoffs zu bewerkstelligen.

8. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (26) die Form einer Ventilklappe aufweist, die schwenkbar am Zylindergehäuse (18) angeordnet ist und den Zylin derraum zwischen den beiden Kolbenköpfen (20, 22) in zwei weitere Kammern (I, II) unterteilt, die je nach Stellung des Ventilgliedes (26) mit dem Druck des vom Vorratstank (35) oder von der Refor miereinheit (37) kommenden Wasserstoffs (H₂) beaufschlagbar sind.

9. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Verbindungsteil (24) durch die Ventilklappe (26) hin durchgeführt wird und gegenüber dieser abgedichtet ist.

10. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Verbindungsteil (24) einen, mindestens eine Drossel stelle (46, 48) umfassenden, sich zwischen den beiden weiteren Kammern (I, II) erstreckenden Strömungsweg aufweist.

11. Wasserstoffspeisesystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsteuerung der Ventilklappe (26) durch die Hin- und Her bewegung des Kolbens (12) bewirkbar ist.

12. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsteuerung der Ventilklappe (26) durch am Kolben (12) bzw. am Verbindungsglied (24) vorgesehene Anschläge erfolgt.

13. Wasserstoffspeisesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (P_Liefer) des vom Vorratstank (35) bzw. von der Refo rmiereinheit (37) kommenden Wasserstoffes bei etwa 200 kPa Überdruck liegt und der Speisedruck (P_Speise) für die Brennstoffzellen bei etwa 130 kPa Überdruck liegt.

14. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Verdrängungspumpe um eine Membranpumpe t (100) handelt.

15. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranpumpe (100) eine erste und zweite Membrankam mer (102, 104) aufweist, zwischen denen ein Graskanal (106) ange ordnet ist, der einen dem Vorratstank oder der Reformiereinheit zu gewandten Abschnitt (148) und einen der Brennstoffzellenanord nung zugewandten Abschnitt (150) aufweist.

16. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Membrankammer (102, 104) durch eine er ste und zweite gasundurchlässige Membran (108, 114) in einen er sten äußeren und inneren Kammerraum (110, 112) sowie einen zweiten inneren und äußeren Kammerraum (116, 118) geteilt sind.

17. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Kammerräume (110, 118) jeweils einen von den Brennstoffzellen kommenden Einlaß (120, 122) und einen zu den Brennstoffzellen führenden Auslaß (132, 134) aufweisen, wobei je dem Einlaß und Auslaß ein entsprechend ausgebildetes Rück schlagventil (124, 126, 128, 130) zugeordnet ist, und daß die inne ren Kammerräume (112, 116) durch entsprechende erste und zweite Durchführungen (138, 140) mit dem Gaskanal (106) verbunden sind.

18. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (108, 114) durch ein im Bereich der Membran mitten angebrachtes Kopplungselement (166) mechanisch derart miteinander gekoppelt sind, daß sie synchron in einer zum Gaska nal (106) im wesentlichen senkrechten Richtung auslenkbar sind.

19. Wasserstoffspeisesystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Gaskanal (160) ein Kippventil (146) mit ersten und zweiten Stellungen angeordnet ist, durch das je nach seiner Stellung entwe der der erste innere Kammerraum (112) gegenüber dem dem Vorrat stank zugewandten Abschnitt (148) und der zweite innere Kammer raum (116) gegenüber dem der Brennstoffzellenanordnung zuge wandten Abschnitt (150) des Gaskanals (106) oder der zweite innere Kammerraum (116) gegenüber dem dem Vorratstank zugewandten Abschnitt (148) und der erste innere Kammerraum (112) gegenüber dem der Brennstoffzellenanordnung zugewandten Abschnitt (150) des Gaskanals (106) verschließbar ist.

20. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Kippventil (146) zwei Dichtschenkel (160, 162) und einen Kippschenkel (156) aufweist, die Y-artig angeordnet und fest mitein ander verbunden sind und im Bereich ihres Verbindungspunktes drehbar gelagert sind.

21. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Kippventil (146) durch ein mit dem Kopplungselement (166) verbundenes Antriebselement (158) betätigbar ist.

22. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (158) einen im wesentlichen starr mit dem Kopplungselement (166) verbundenen Stangenabschnitt (164) auf weist, an dessen freiem Ende durch zwei Gabelschenkel (160, 162) ein V-förmiger Gabelabschnitt derart gebildet ist, daß durch die frei en Enden der Gabelschenkel (160, 162) der Kippschenkel (156) mit einer Kraft beaufschlagbar ist.

23. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (158) durch ein mit dem Kippventil (146) und dem Kopplungselement (166) wechselwirkendes Feder- oder Hebelelement gebildet ist.

24. Wasserstoffspeisesystem nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Auslässe aus den Membrankammern (102, 104) und aus dem Gaskanal (106) strömende Gas in einer Sammelleitung (136) zusammengeführt und in die Brennstoffzellenanordnung ein speisbar ist.

25. Wasserstoffspeisesystem nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck (P_Liefer) des vom Vorratstank bzw. von der Reformier einheit kommenden Wasserstoffes bei etwa 300 kPa Überdruck liegt, der Speisedruck (P_Speise) für die Brennstoffzellen bei etwa 220 kPa Überdruck und der Druck (P_Rück) der aus den Brennstoffzellen der Membranpumpe zugeführten H₂-haltigen Abgase bei etwa 180 kPa Überdruck liegt.

26. Wasserstoffspeisesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoffkreislauf stromab der Brennstoffzellenanord nung (11) einen Ausgang (17) aufweist, durch den überschüssige H₂-haltige Abgase abführbar sind.

27. Wasserstoffspeisesystem nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckreglerventil (39) am Ausgang (17) vorgesehen ist.

28. Wasserstoffspeisesystem nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (10) gegenüber der Umgebung hermetisch abge dichtet ist.