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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein die Strömungsführung gasförmiger Brennstoffe, welche
in Brennstoffzellen verwendet werden, und betrifft insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Rückführung nicht verbrauchter Brennstoffe mittels
einer elektromagnetisch angetriebenen Pumpe.
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Brennstoffzellen
sind elektrochemische Energieumwandlungsvorrichtungen, welche elektrische Energie
und Wärme
durch Umwandlung der chemischen Energie von Brennstoffen erzeugen.
Eine einzelne Brennstoffzelle besteht im Allgemeinen aus einem Elektrolyten,
welcher zwischen zwei Elektroden, einer porösen Anode und einer Kathode,
eingelegt ist. Wenn auch eine große Vielfalt unterschiedlicher Brennstoffzellentypen
entwickelt worden ist, so arbeiten doch sämtliche im Wesentlichen nach
dem gleichen Prinzip. Bei einer PEM-Brennstoffzelle wird Wasserstoff
oder ein wasserstoffreicher Brennstoff der Anode zugeführt, wo
ein Katalysator die negativ geladenen Elektronen des Wasserstoffs
von den positiv geladenen Ionen (Protonen) trennt. Die Elektronen
von der Anodenseite der Zelle können
nicht durch die Membran zu der positiv geladenen Kathode wandern;
sie müssen
um diese herum über
einen elektrischen Schaltkreis wandern, um die andere Seite der
Brennstoffzelle zu erreichen. Diese Elektronenbewegung stellt einen
elektrischen Strom dar, welcher vorzugsweise verwendet wird, um
eine Last, wie beispielsweise einen elektrischen Motor oder ein anderes
elektrisches System, anzutreiben. Sobald sie der Kathode über den
elektrischen Schaltkreis zuge führt
worden sind, verbinden sich die Elektronen mit den Protonen, welche
die Membran durchquert haben, und dem Luftsauerstoff, wodurch Wasser oder
Hydroxid erzeugt wird. Bei einer Protonenaustauschmembran (PEM = "protone exchange
membrane") und Phosphorsäurebrennstoffzellen
bewegen sich die Protonen durch den Elektrolyten zu der Kathode
und verbinden sich mit Sauerstoff und Elektronen, wodurch Wasser
und Wärme
erzeugt werden. Bei anderen Arten von Brennstoffzellen wie beispielsweise
Festoxidbrennstoffzellen (SOFC's
= "solid oxid full
cells") wandern
negativ geladene Ionen durch den Elektrolyten zur Anode, wo sie
sichmit dem Wasserstoff oder anderem oxidierbarem "Brennstoff" verbinden.
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Im
Falle von Wasserstoffbrennstoffzellen kann Wasserstoff als Brennstoff
der Anode zugeführt werden,
was zuweilen als Anoden-Schleife bezeichnet wird. Die Menge an Wasserstoff,
welcher der Anode zugeführt
wird, ist eine Funktion diverser Faktoren, einschließlich der
relativen Reinheit des Wasserstoff-Brennstoffs, des Strömungssollwertes
und anderer variabler Parameter, welche für die jeweilige Brennstoffzellenanwendung
spezifisch sind.
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Für einen
effizienten Betrieb muss die Brennstoffzelle mit mehr Wasserstoff-Brennstoff versorgt werden,
als sie tatsächlich
umwandeln kann. Infolgedessen wird zusätzliches, nicht verbrauchtes
Wasserstoffgas von der Brennstoffzelle abgegeben. Um den Wirkungsgrad
zu erhöhen,
wurde vorgeschlagen, das nicht verbrauchte Wasserstoffgas zurückzuführen und
mit frischem Gas von der Wasserstoffquelle zu kombinieren, bevor
es zurück
an die Anode der Brennstoffzelle geführt wird. Bekannte Wasserstoffrückführungssysteme
basieren auf vergleichsweise komplizierten mechanischen Komponenten oder
elektrischen Steuervorrichtungen, bei deren Einsatz empfindliche
elektronische Bauteile den möglicherweise
rauen Umgebungen, welche in Brennstoffzellen vorzufinden sind, ausgesetzt
werden.
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Zur
Behebung dieses Nachteils ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Vorrichtung zum Rückführen von nicht verbrauchtem Wasserstoff-Brennstoff bereitzustellen,
welche sowohl einen einfachen Aufbau aufweist ist als auch für einen
Betrieb unter den widrigen Umgebungsbedingen von Brennstoffzellen
geeignet ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nicht verbrauchtes Wasserstoffgas an die Anode einer
Brennstoffzelle mittels einer elektromagnetisch angetriebenen Pumpe
zurückführt, welche
von besonders einfachem Aufbau ist, auf relativ wenigen Komponenten
basiert und einfach steuerbar ist, um präzise Flussraten in der Rückführungsschleife
zu erzielen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass
die Rückführungspumpe
unmittelbar innerhalb der Rückführungsleitung
untergebracht werden kann, wodurch Platz gespart und die Installation
vereinfacht wird. Ein weiterer Vorteil einer solchen Pumpe besteht
in ihrer Fähigkeit,
präzise über die
Hauptsteuereinheit der Brennstoffzelle gesteuert werden zu können, welche
eine Vielfalt anderer Funktionen der Zelle steuert. Ein weiterer
Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die beweglichen Teile
der Pumpe vollständig
innerhalb einer Wasserstoffgasumgebung untergebracht sind, während elektrische
Bauteile außerhalb
der brennstoffreichen Umgebung untergebracht sind.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Rückführung eines gasförmigen Brennstoffs
zur Energieversorgung einer Brennstoffzelle bereitgestellt. Die
Vorrichtung weist eine elektromagnetisch angetriebene Pumpe auf,
welche in der Rückführungsleitung
eingebaut ist und den Anodenauslass mit dem Anodeneinlass für gasförmigen Kraftstoff
verbindet. Die Pumpe weist einen Rotor auf, welcher aus magnetischem
Material hergestellt und innerhalb der Rohrleitung drehbar angebracht
ist, sowie einen elektrischen Stator, welcher die Außenwand
der Leitung umgibt bzw. begrenzt. Der Stator weist eine Mehrzahl
von Statorwicklungen auf, welche magnetisch an den Rotor gekoppelt
sind. Ein Controller liefert ein Wechselstromsignal oder ein Impulsfolgesignal
an den Stator, wobei er ein synchron variierendes elektromagnetisches
Feld erzeugt, welches eine Drehung der Blätter des magnetischen Rotors
bewirkt und dazu führt,
dass der Rotor Brennstoff durch die Rückführungsleitung pumpt. Die Statorwicklungen
sind vorzugsweise gleichmäßig rings
um die Außenseite
der Leitung beabstandet. Die Rotorblätter können entweder aus magnetischem
Material ausgebildet sein oder magnetische Elemente in der Nähe der äußeren Spitzen
der Rotorblätter
aufwei sen, um in magnetische Wechselwirkung mit dem durch die Statorwicklungen
erzeugten Feld zu treten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Rückführung von
nicht verbrauchtem gasförmigem
Kraftstoff in die Anodenschleife der Brennstoffzelle bereitgestellt,
welches den Schritt eines Pumpens des nicht verbrauchten Kraftstoffs
durch eine Rückführungsleitung
mittels einer elektromagnetisch angetriebenen Pumpe aufweist. Das
Pumpen weist den Schritt eines Versorgens des Stators mit einem
elektrischen Signal auf, welches eine auf die gewünschte Rotationsgeschwindigkeit
des Rotors bezogene variable Charakteristik aufweist. Das Verfahren
beinhaltet ein Platzieren eines magnetischen Rotors innerhalb der
Leitung und ein Platzieren einer Mehrzahl von Statorelementen rings
um die Außenseite
der Leitung.
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Diese
nicht einschränkenden
Merkmale sowie weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind besser
aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verständlich.
Im Rahmen dieser Beschreibung wird auf die beigefügten Abbildungen Bezug
genommen. Es zeigen:
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1 ein
hochgradig vereinfachtes Blockdiagramm mit einer Wasserstoffgas-Rückführungsschleife,
wobei eine Rückführungspumpe
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung eingesetzt wird;
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2 eine
Kombination aus einem Blockdiagramm und einer Querschnittsansicht
eines Abschnitts der Rückführungsleitung,
in welcher die Montageposition der Pumpe dargestellt ist;
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3 eine
Querschnittsansicht der in 2 gezeigten
Leitung, in welcher die relative Anordnung der Leitung, des Rotors
und der Statorwicklungen dargestellt ist; und
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4 eine
vergrößerte Teilansicht
eines der Rotorblätter,
in welcher die magnetische Spitze dargestellt ist.
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Gemäß 1 weist
ein Brennstoffzellenstapel 10 einen Elektrolyten 16 auf,
welcher zwischen Anoden 12 und Kathoden 14 mehrlagig
angeordnet ist. Ein Oxidationsmittel wie z. B. Luft wird von einer Zuführung 20 über eine
Rohrleitung an eine (nicht gezeigte) Sammelkammer geführt, welche
die Luft auf die Oberfläche
der Kathoden 14 leitet, wo der in der Luft enthaltene Sauerstoff
reduziert wird.
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Ein
gasförmiger
Kraftstoff wie beispielsweise Wasserstoff wird von einer Zuführung 18 in ähnlicher Weise über eine
Rohrleitung an eine (nicht gezeigte) Sammelkammer geführt, welche
den Wasserstoff über
die Oberfläche
der Anoden 12 leitet. Der an den Kathoden 14 reduzierte
Sauerstoff wird in negativ geladene Sauerstoffionen umgewandelt,
welche durch den Elektrolyten 16 zu den Anoden 12 wandern,
wo sie mit dem Wasserstoff-Kraftstoff-Gas reagieren. Der gasförmige Kraftstoff
wird durch die Sauerstoffionen oxidiert und gibt Elektronen an einen
(nicht gezeigten) äußeren Schaltkreis
ab, wo diese eine elektromagnetische Kraft zum Antreiben einer gewünschten
Last erzeugen. Die Sauerstoffionen kombinieren auch mit dem Wasserstoff
an der Oberfläche
der Anoden 12, wobei sie Wasser erzeugen, welches zusammen
mit der überschüssigen,
sauerstoffarmen Luft über
eine Abführleitung 32 abgeführt wird.
Elektronen fließen
weiter zu dem Schaltkreis und zu der Kathode 14, wo sie
Sauerstoff aus der Luft reduzieren und so den Elektrizitätserzeugungszyklus
fortsetzen. Eine Spüleinheit 43 ist
an die Abführleitung 32 angeschlossen,
um ein Spülen
einer weiter unten beschriebenen Rückführungsleitung 22 zu
ermöglichen.
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Um
eine gewünschte
Elektrizitätsmenge
zu erzeugen, sind eine Mehrzahl einzelner Brennstoffzellen übereinander
gestapelt und in Reihe zueinander geschaltet, um den Brennstoffzellenstapel 10 zu bilden.
Die einzelnen Brennstoffzellen, welche den Brennstoffzellenstapel 10 bilden,
können
unterschiedliche Konfigurationen, einschließlich einer monolytischen,
planaren oder rohrförmigen
Konfiguration aufweisen. Unabhängig
von der genauen Zellengeometrie werden die Brennstoffzellen so gestapelt, dass
zwischen ihnen eine Reihe von Gasströmungskanälen ausgebildet wird. In einer
bekannten Anordnung werden die Zellen so angeordnet, dass eine sog.
Querströmung
oder Orthogonalströmung
erzeugt wird, in welcher das Wasserstoff-Kraftstoff-Gas und die
Luftströmung
in zueinander orthogonalen Richtungen und einander abwechselnden
Strömungskanälen zwischen
den Brennstoffzellen strömen.
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Überschüssiges,
nicht verbrauchtes Wasserstoff-Kraftstoff-Gas tritt aus der (nicht
gezeigten) Sammelkammer, welche die Oberfläche der Anoden 12 bedeckt
und wird in eine Rückführungsrohrleitung 22 zurückgeführt, so
dass es mit frischem Wasserstoffgas von der Zuführung 18 (bzw. Wasserstoffzuführung) kombiniert
wird. Die Massenströmung
des Wasserstoffs, welche den Anoden 12 zugeführt wird, wird
mittels eines Massenströmungssensors 26 gemessen,
welcher eine herkömmliche
Vorrichtung oder ein speziell entwickelter Sensor sein kann. Ein herkömmlicher
Luftströmungssensor 47 misst
die Luftströmung
von der Zuführung 20 zu
der Brennstoffzelle 10 und gibt Luftströmungsinformationen an den Controller 30.
Das überschüssige Wasserstoffgas
wird durch die Rückführungsrohrleitung 22 mittels
einer Wasserstoffgasrückführungspumpe 24 geführt, welche
weiter unten detaillierter beschrieben wird. Ein Hauptcontroller 30 empfängt Signale
von dem Massenströmungssensor 26,
welche für
die Massenströmungsrate
des Wasserstoffs zu den Anoden 12 kennzeichnend sind, und
sendet Steuersignale an die Zuführung 18 und
die Pumpe 24, so dass eine gewünschte Strömungsrate des Wasserstoffs
zu den Anoden 12 aufrechterhalten wird. Die Funktionen
des Controllers 30 können
in einem oder mehreren, andere Funktionen des Brennstoffzellenstapels steuernden
Hauptcontroller bzw. Hauptcontrollern enthalten sein und von diesem
bzw. diesen durchgeführt
werden.
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Gemäß 2 bis 4 weist
die Rückführungspumpe 24 einen
Rotor 34 mit einer zentralen Nabe auf, an welcher eine
Mehrzahl von umlaufend mit Abstand voneinander angeordneten Rotorblättern 32 befestigt
sind. Die Rotorblätter 32 erstrecken sich
in radialer Richtung derart, dass sie sich im Wesentlichen über den
gesamten Durchmesser der Rückführungsrohrleitung 22 erstrecken
und folglich über
den gesamten Querschnitt des Wasserstoffgasstroms, welcher in die
mittels der Pfeile 42 bezeichnete Richtung strömt. Die
Rotornabe ist drehbar an einer Strebe 36 gelagert, welche
an der Innenwand der Rückführungsrohrleitung 22 befestigt
ist und zur Abstützung
des gesamten Rotors 34 dient. Obwohl eine einzelne Strebe
in dem Ausführungsbeispiel
gezeigt ist, können
auch je nach Anwendung eine Mehrzahl von Streben 36 oder
eine ähnliche
Tragstruktur vorgesehen sein. Eine derartige Tragstruktur kann so ausgelegt
sein, dass sie einen minimalen Widerstand für das durch die Rückführungsrohrleitung 22 strömende Wasserstoffgas
bildet.
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Die
Rotorblätter 32 sind
vorzugsweise aus magnetischem Material ausgebildet. Alternativ können jedoch
die Rotorblätter 32 aus
einem nicht-magnetischen Material wie beispielsweise Kunststoff
ausgebildet sein, in welchem Falle eines oder mehrere der Rotorblätter 32 mit
einem Einsatz 44 aus magnetischem Material (d.h. aus Permanentmagneten)
in der Nähe
der Blattspitze versehen ist. Ein elektrischer Stator ist aus einer
Mehrzahl von umlaufend mit Abstand voneinander angeordneten elektrischen Statorwicklungen 38 gebildet,
welche rings um die äußere Wand
der Rückführungsrohrleitung 22 angeordnet
sind, so dass sie magnetisch an die Rotorblätter 32 gekoppelt
sind. Die Rückführungsrohrleitung 22 muss
aus einem nicht-magnetischen Material ausgebildet sein, so dass
das zwischen den Statorwicklungen 38 und den Rotorblättern 32 gebildete Magnetfeld
nicht gestört
wird.
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Aus
den vorstehenden Ausführungen
ist ersichtlich, dass die elektrischen Teile der Pumpe 24 vorzugsweise
vollständig
außerhalb
der Wasserstoffgasumgebung der Rückführungsrohrleitung 22 angeordnet
und nur die einfachen mechanischen Bauteile der Pumpe 24 der
Gasumgebung ausgesetzt sind.
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Im
Betrieb sendet der Controller 30 entweder eine Impulsfolge
oder ein Sinussignal (AC-Signal) an die Statorwicklungen 38,
wodurch die Statorwicklungen 38 synchron mit einer Frequenz
angeregt werden, welche durch die Frequenz des angelegten Signals
bestimmt ist. Die angeregten Statorwicklungen 38 erzeugen
ein synchron variierendes elektromagnetisches Feld (und zugehörige Kräfte), welche
die ferromagnetischen Rotorblätter 32 anziehen,
was zu einer Drehung des Rotors 34 um die zentrale Nabe
in Richtung des Pfeils 40 führt. Die Rotorblät ter 32 sind so
konfiguriert, dass sie eine Strömung
des Wasserstoffgases durch die Rückführungsrohrleitung 22 bewirken.
Die exakte Form sowie die Anzahl der Rotorblätter 32 hängen von
der jeweiligen Anwendung und den gewünschten Strömungsraten ab. Je nach den zu
erreichenden Strömungsraten
wird der Rotor 34 mit relativ hoher Geschwindigkeit gedreht,
da Wasserstoff ein relativ leichtes Gas ist. In jedem Falle hängt die
Geschwindigkeit des Rotors 34 und somit auch die Gasströmungsrate
unmittelbar von der Frequenz des Anregungssignals ab, welches von
dem Controller 30 geliefert wird.
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Obwohl
ein Stator mit sechs Polen (38 Wicklungen) dargestellt
ist (der zum Antrieb mittels eines Drehstroms geeignet ist), kann
je nach Anwendung auch eine andere Anzahl von Polen vorgesehen sein. Mittels
Variation des über
die Statorwicklungen zugeführten
Stroms wird das induzierte elektromagnetische Feld dem bestehendem
Magnetfeld der Rotorblätter 32 überlagert,
wodurch eine Kraft erzeugt wird, welche den Rotor 34 dreht.
Die Anzahl der Statorwicklungen 38 bestimmt die exakte
Ausgestaltung der erforderlichen Anregungssignale, welche von dem
Controller 30 erzeugt werden müssen. Die Frequenz des Anregungssignals
ist direkt proportional zur Drehgeschwindigkeit des Rotors 34.
Die Strömungsrate
des rückgeführten Wasserstoffgases hängt von
der gewählten
Frequenz des Anregungssignals ab. Das Anregungssignal kann ein beliebiges periodisches
Signal mit der gewünschten
Frequenz sein, wobei jedoch ein sinusförmiges Signal oder ein Impulsfolgensignal
am geeignetsten sind.
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Der
Massenströmungssensor 26 erfasst
die Massenströmung
des Wasserstoffgases zu den Anoden 12 und gibt ein Signal
an den Controller 30, welches für die Massenströmungsrate
kennzeichnend ist. Der Controller 30 stellt dann die Drehzahl
der Rückführungspumpe 24 und/oder
die Drehzahl einer (nicht dargestellten) Pumpe ein, welche die Zufuhr von
frischem Wasserstoff von der Zuführung 18 steuert,
um sicherzustellen, dass Wasserstoffgas den Anoden 12 mit
der geeigneten Rate zugeführt
wird. In manchen Fällen
kann auch ein (nicht dargestellter) herkömmlicher Gasanalysesensor verwendet
werden, um Informationen an den Controller 30 zu liefern,
welche bei der Einstellung der Drehzahl der Pumpe 24 berücksichtigt
werden. Es kann erforderlich sein, die Rückführungspumpe 24 vor
dem ersten Gebrauch zu kalibrieren.