DE102021208283A1 - Fuel cell system and recirculation device for recirculating anode exhaust gas in a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Eine Rezirkulationsvorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem umfasst ein Gebläse mit einem Sauganschluss zur Verbindung mit einem Brennstoffauslass einer Brennstoffzellenanordnung des Brennstoffzellensystems, einem Druckanschluss zur Verbindung mit einem Brennstoffeinlass der Brennstoffzellenanordnung und einem Laufrad zum Fördern des Anodenabgases vom Sauganschluss zum Druckanschluss. Ferner weist die Rezirkulationsvorrichtung eine Turbine mit einem Einlass zur Verbindung mit einem Brennstofftank des Brennstoffzellensystems, einem Auslass zur Verbindung mit dem Brennstoffeinlass der Brennstoffzellenanordnung und einem kinematisch an das Laufrad des Gebläses gekoppelten Turbinenrad, welches durch den Einlass mit gasförmigem Brennstoff aus dem Brennstofftank anströmbar und rotierbar ist, um das Laufrad des Gebläses anzutreiben. A recirculation device for recirculating anode exhaust gas in a fuel cell system comprises a fan with a suction port for connection to a fuel outlet of a fuel cell arrangement of the fuel cell system, a pressure port for connection to a fuel inlet of the fuel cell arrangement and an impeller for conveying the anode exhaust gas from the suction port to the pressure port. Furthermore, the recirculation device has a turbine with an inlet for connection to a fuel tank of the fuel cell system, an outlet for connection to the fuel inlet of the fuel cell arrangement and a turbine wheel which is kinematically coupled to the impeller of the fan and which can be flown through the inlet with gaseous fuel from the fuel tank and can be rotated is to drive the impeller of the fan.
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und eine Rezirkulationsvorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem.The present invention relates to a fuel cell system and a recirculation device for recirculating anode exhaust gas in a fuel cell system.
Stand der TechnikState of the art
Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs. Dabei entsteht auf der Kathodenseite Wasser.Fuel cells are increasingly used as energy converters, including in vehicles, to convert chemical energy stored in a fuel, such as hydrogen, directly into electrical energy together with oxygen. Fuel cells typically have an anode, a cathode, and an electrolytic membrane positioned between the anode and the cathode. The fuel is oxidized at the anode and the oxygen is reduced at the cathode. This creates water on the cathode side.
Typischerweise wird der Anode von Brennstoffzellen kontinuierlich gasförmiger Brennstoff im Überschuss zugeführt, das heißt, mehr Brennstoff, als bei einer gegebenen Zufuhrmenge an Sauerstoff an die Kathode stöchiometrisch notwendig wäre. Der Brennstoffüberschuss bzw. der Anodenausstoß wird in der Regel rezirkuliert bzw. der Anode erneut zugeführt. Dies erfolgt üblicherweise mithilfe eines Rezirkulationsgebläses, welches den Anodenausstoß von einem Auslass der Anode zurück zum Einlass der Anode fördert.Typically, the anode of fuel cells is continuously supplied with excess gaseous fuel, that is, more fuel than would be stoichiometrically necessary for a given amount of oxygen supplied to the cathode. The excess fuel or the anode output is usually recirculated or fed back to the anode. This is typically done using a recirculation fan that circulates the anode exhaust from an outlet of the anode back to the inlet of the anode.
Das Rezirkulationsgebläse wird in der Regel mittels eines elektrischen Motors betrieben. Zur Verbesserung der Energieeffizienz eines Brennstoffzellensystems wird in der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Erfindungsgemäß ist eine Rezirkulationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgesehen.According to the invention, a recirculation device having the features of claim 1 and a fuel cell system having the features of claim 9 are provided.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Rezirkulationsvorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgas in einem Brennstoffzellensystem ein Gebläse mit einem Sauganschluss zur Verbindung mit einem Brennstoffauslass einer Brennstoffzellenanordnung des Brennstoffzellensystems, einem Druckanschluss zur Verbindung mit einem Brennstoffeinlass der Brennstoffzellenanordnung und einem Laufrad zum Fördern des Anodenabgases vom Sauganschluss zum Druckanschluss sowie eine Turbine mit einem Einlass zur Verbindung mit einem Brennstofftank des Brennstoffzellensystems, einem Auslass zur Verbindung mit dem Brennstoffeinlass der Brennstoffzellenanordnung und einem kinematisch an das Laufrad des Gebläses gekoppelten Turbinenrad, welches durch den Einlass mit gasförmigem Brennstoff aus dem Brennstofftank anströmbar und rotierbar ist, um das Laufrad des Gebläses anzutreiben.According to a first aspect of the invention, a recirculation device for recirculating anode exhaust gas in a fuel cell system comprises a fan with a suction port for connection to a fuel outlet of a fuel cell arrangement of the fuel cell system, a pressure port for connection to a fuel inlet of the fuel cell arrangement and an impeller for conveying the anode exhaust gas from the suction port to the Pressure connection and a turbine with an inlet for connection to a fuel tank of the fuel cell system, an outlet for connection to the fuel inlet of the fuel cell arrangement and a kinematically coupled to the impeller of the fan turbine wheel, which can flow through the inlet with gaseous fuel from the fuel tank and is rotatable, to drive the fan impeller.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzellenanordnung mit zumindest einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffeinlass und einem Brennstoffauslass sowie eine Rezirkulationsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wobei der Druckanschluss des Gebläses und der Auslass der Turbine mit dem Brennstoffeinlass verbunden sind, und wobei der Sauganschluss des Gebläses mit dem Brennstoffauslass verbunden ist.According to a second aspect of the invention, a fuel cell system comprises a fuel cell arrangement having at least one fuel cell, a fuel inlet and a fuel outlet, and a recirculation device according to the first aspect of the invention, wherein the pressure port of the fan and the outlet of the turbine are connected to the fuel inlet, and wherein the The suction port of the blower is connected to the fuel outlet.
Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die kinetische Energie eines Brennstoffstroms, der dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, z.B. aus einem Tank, in einer Turbine teilweise abzubauen und mit der Turbine ein Gebläse anzutreiben, um Anodenabgas zu rezirkulieren. Hierzu sind erfindungsgemäß ein Laufrad der Turbine, das durch den Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, angetrieben wird, und ein Laufrad des Gebläses, welches das Anodenabgas fördert, kinematisch aneinander gekoppelt, z.B. über eine Welle, einen Flansch oder indem das Turbinenrad und das Laufrad einteilig ausgebildet sind. Typischerweise liegt der Brennstoff im Tank bei einem Druck in einem Bereich zwischen 8 bar und 20 bar vor und wird einer Anode der Brennstoffzellenanordnung bei einem Druck in einem Bereich zwischen 1,5 bar und 3,5 bar zugeführt. Die Druckdifferenz kann vorteilhaft in der Turbine abgebaut und zum Antrieb des Gebläses genutzt werden.One idea on which the invention is based is to partially break down the kinetic energy of a fuel flow that is supplied to the fuel cell system, e.g. from a tank, in a turbine and to use the turbine to drive a blower in order to recirculate anode waste gas. For this purpose, according to the invention, an impeller of the turbine, which is driven by the fuel, such as hydrogen, and an impeller of the fan, which conveys the anode exhaust gas, are kinematically coupled to one another, e.g. via a shaft, a flange or by the turbine wheel and the impeller being in one piece are trained. Typically, the fuel is present in the tank at a pressure in a range between 8 bar and 20 bar and is supplied to an anode of the fuel cell assembly at a pressure in a range between 1.5 bar and 3.5 bar. The pressure difference can advantageously be reduced in the turbine and used to drive the fan.
Durch die Nutzung der kinetischen Energie eines Brennstoffstroms, der dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird, in einer Turbine zum Antrieb des Gebläses, welches das Anodenabgas rezirkuliert, wird die Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems vorteilhaft verbessert.By using the kinetic energy of a fuel flow that is supplied to the fuel cell system in a turbine to drive the fan that recirculates the anode exhaust gas, the energy efficiency of the fuel cell system is advantageously improved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.Advantageous refinements and developments result from the further dependent claims and from the description with reference to the figures of the drawing.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Turbinenrad einen kreisförmigen Außenumfang aufweist, an welchem eine Vielzahl an im wesentlichen halbkugelförmigen Strömungsflächen ausgebildet sind, wobei entlang des Außenumfangs mehrere Düsen angeordnet sind, die tangential zu dem Außenumfang ausgerichtet und jeweils mit dem Einlass verbunden sind. Die Strömungsflächen können somit konkav gekrümmte Flächen sein, welche sich halbkugelförmig bzw. im Wesentlichen halbkugelförmig erstrecken. Die Düsen derart ausgerichtet, dass der gasförmige Brennstoff auf die Strömungsflächen geleitet wird, wodurch er Brennstoff umgelenkt und das Turbinenrad in Bewegung versetzt wird. Demnach kann die Turbine als eine Art Freistrahlturbine gestaltet sein. Somit ergibt sich vorteilhaft ein einfacher konstruktiver Aufbau der Strömungsflächen und eine unkomplizierte Strömungsführung.According to some embodiments, it can be provided that the turbine wheel has a circular outer circumference, on which a multiplicity of essentially hemispherical streams tion surfaces are formed, with a plurality of nozzles being arranged along the outer circumference, which are oriented tangentially to the outer circumference and are each connected to the inlet. The flow surfaces can thus be concavely curved surfaces which extend hemispherically or essentially hemispherically. The nozzles are aligned so that the gaseous fuel is directed onto the airfoils, turning the fuel and causing the turbine wheel to move. Accordingly, the turbine can be designed as a type of free jet turbine. This advantageously results in a simple structural design of the flow surfaces and uncomplicated flow guidance.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Strömungsflächen durch in dem Außenumfang ausgebildete Vertiefungen definiert sind. Somit stehen die Strömungsflächen nicht oder nur unwesentlich radial von dem Außenumfang vor und es wird vorteilhaft ein kompakter Aufbau der Turbine realisiert.According to some embodiments, it can be provided that the flow surfaces are defined by indentations formed in the outer circumference. The flow surfaces therefore do not protrude radially from the outer circumference, or only insignificantly, and a compact construction of the turbine is advantageously achieved.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Turbinenrad an einem Außenumfang des Laufrads des Gebläses angebracht ist. Beispielsweise können das Turbinenrad und das Laufrad des Gebläses als ein Teil ausgebildet sein, wobei ein Außenumfang des Laufrads des Gebläses dem Außenumfang des Turbinenrads entspricht. Damit wird ein noch kompakterer Aufbau der Rezirkulationsvorrichtung realisiert.According to some embodiments, it can be provided that the turbine wheel is attached to an outer circumference of the impeller of the fan. For example, the turbine wheel and the impeller of the fan can be formed as one piece, with an outer circumference of the impeller of the fan corresponding to the outer circumference of the turbine wheel. An even more compact construction of the recirculation device is thus realized.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Gebläse und die Turbine ein gemeinsames Gehäuse aufweisen, wobei das Gebläse als Seitenkanalverdichter ausgebildet ist, bei welchem das Laufrad des Gebläses an einer Stirnseite Schaufeln aufweist, die einem im Gehäuse ausgebildeten, ringsegmentförmigem Seitenkanal zugewandt sind, wobei der Sauganschluss und der Druckanschluss in entgegengesetzten Endbereichen des Seitenkanals ausgebildet sind, und wobei das Gehäuse einen mit einem Ausgangsanschluss verbundenen Mischkanal aufweist, mit welchem der Auslass der Turbine und der Druckanschluss des Gebläses verbunden sind. Somit sind der Seitenkanal, in welchem das Anodenabgas gefördert wird, und ein Raum, in dem frischer Brennstoff der Turbine zugeführt wird, in Bezug auf die radiale Richtung unmittelbar benachbart und der frische Brennstoff und das Anodenabgas werden direkt innerhalb des gemeinsamen Gehäuses gemischt. Dadurch wird ein noch kompakterer Aufbau erzielt. Der Außenumfang des Laufrads bzw. der Turbine kann beispielsweise von einem ringsegmentförmigen Frischgaskanal umgeben sein, in welchen in vorbestimmten Abständen zueinander die Düsen hineinragen. Der Frischgaskanal kann in den Mischkanal münden.According to some embodiments, it can be provided that the blower and the turbine have a common housing, with the blower being designed as a side channel compressor, with which the impeller of the blower has blades on one end face, which face a ring-segment-shaped side channel formed in the housing, wherein the suction port and the pressure port are formed in opposite end portions of the side duct, and wherein the housing has a mixing duct connected to an outlet port to which the outlet of the turbine and the pressure port of the fan are connected. Thus, the side passage in which the anode off-gas is conveyed and a space in which fresh fuel is supplied to the turbine are immediately adjacent with respect to the radial direction, and the fresh fuel and the anode off-gas are mixed directly within the common casing. This achieves an even more compact structure. The outer circumference of the impeller or of the turbine can be surrounded, for example, by a fresh gas channel in the form of a ring segment, into which the nozzles project at predetermined distances from one another. The fresh gas channel can open into the mixing channel.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass zwischen der Stirnseite des Laufrads des Gebläses und einem den Seitenkanal radial umgrenzenden Bereich des Gehäuses ein Spalt ausgebildet ist, welcher den Seitenkanal mit einer im Gehäuse ausgebildeten Rinne verbindet, so dass flüssiges Wasser aus dem Seitenkanal in radialer Richtung durch den Spalt abführbar ist. Die Rinne kann z.B. in Bezug auf eine axiale Richtung von dem Frischgaskanal getrennt sein. Optional umschließt die Rinne das Laufrad bzw. das Turbinenrad zumindest teilweise und ist vorzugsweise ringsegmentförmig ausgebildet. Durch die Rotation des Laufrads um eine Drehachse wird das Anodenabgas erfährt das Anodenabgas eine Beschleunigung in radialer Richtung, so dass in dem Anodenabgas enthaltenes Wasser radial nach außen transportiert wird. Durch den Spalt kann auf einfache Weise eine Abfuhr des Wassers aus dem Seitenkanal erfolgen.According to some embodiments, it can be provided that a gap is formed between the end face of the impeller of the fan and a region of the housing radially delimiting the side channel, which gap connects the side channel to a channel formed in the housing, so that liquid water can flow out of the side channel in the radial direction can be removed through the gap. For example, the trough may be separated from the fresh gas channel with respect to an axial direction. Optionally, the channel encloses the impeller or the turbine wheel at least partially and is preferably designed in the form of a ring segment. Due to the rotation of the impeller about an axis of rotation, the anode exhaust gas is accelerated in the radial direction, so that the water contained in the anode exhaust gas is transported radially outwards. The water can be discharged from the side channel in a simple manner through the gap.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Rezirkulationsvorrichtung eine kinematisch an das Laufrad des Gebläses gekoppelte Antriebsvorrichtung aufweist, insbesondere in Form eines Elektromotors. Somit kann die Flexibilität der Regelung des Massenstroms an Brennstoff, der durch das Gebläse gefördert wird, weiter gesteigert werden.According to some embodiments, it can be provided that the recirculation device has a drive device that is kinematically coupled to the impeller of the fan, in particular in the form of an electric motor. The flexibility of the regulation of the mass flow of fuel that is conveyed by the blower can thus be further increased.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Rezirkulationsvorrichtung einen Sammelbehälter zum Sammeln von flüssigem Wasser, das in dem Gebläse aus dem Anodenabgas abgeschieden wird aufweist.According to some embodiments, it can be provided that the recirculation device has a collection container for collecting liquid water that is separated from the anode waste gas in the blower.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Sammelbehälter mit dem Gebläse durch eine oder mehrere Leitungen verbunden ist, wobei die Leitung(en) und/oder der Sammelbehälter thermisch an die Antriebsvorrichtung gekoppelt ist. Beispielsweise kann der Antrieb in den Sammelbehälter hineinragen oder die Leitungen kann bzw. die Leitungen können entlang der Antriebsvorrichtung verlaufen. Dies verbessert die Kühlung der Antriebsvorrichtung und damit deren Lebensdauer.According to some embodiments, it can be provided that the collection container is connected to the blower by one or more lines, the line(s) and/or the collection container being thermally coupled to the drive device. For example, the drive can protrude into the collection container or the lines can or the lines can run along the drive device. This improves the cooling of the drive device and thus its service life.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Druckanschluss des Gebläses und der Auslass der Turbine ohne zwischengeschaltete Saugstrahlpumpe direkt mit dem Brennstoffeinlass verbunden sind. Durch die Kombination aus Turbine und Gebläse kann vorteilhaft sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Lasten der erforderliche Rezirkulationsmassenstrom sowie der erforderliche Frischgasmassenstrom bereitgestellt werden, was die Regelung des Brennstoffzellensystems vereinfacht. Ferner werden die Strömungsverluste im System verringert.According to some specific embodiments, it can be provided that the pressure connection of the fan and the outlet of the turbine are connected directly to the fuel inlet without an interposed ejector pump. The combination of turbine and fan can advantageously provide the required recirculation mass flow and the required fresh gas mass flow both at high and at low loads, which simplifies the control of the fuel cell system. Furthermore, the flow losses in the system are reduced.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein dem Einlass der Turbine verbundenes Dosierventil, welches mit einem Brennstofftank verbindbar und dazu eingerichtet ist, einen der Turbine aus dem Brennstofftank zugeführten Brennstoffmassenstrom zu variieren.According to some specific embodiments, it can be provided that the fuel cell system has a metering valve connected to the inlet of the turbine, which can be connected to a fuel tank and is set up to vary a fuel mass flow supplied to the turbine from the fuel tank.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem einen Tank aufweist, welcher mit dem Einlass der Turbine verbunden ist.According to some embodiments, it can be provided that the fuel cell system has a tank which is connected to the inlet of the turbine.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbildes eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
2 eine Draufsicht auf eine Rezirkulationsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; -
3 eine vereinfachte, abgebrochene Schnittansicht der in2 gezeigten Rezirkulationsvorrichtung.
-
1 a schematic representation of a hydraulic circuit diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the invention; -
2 a plan view of a recirculation device according to an embodiment of the invention; -
3 a simplified broken sectional view of the in2 shown recirculation device.
In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.In the figures, the same reference symbols designate identical or functionally identical components, unless otherwise stated.
Der Tank 205 ist dazu ausgelegt, gasförmigen Brennstoff wie z.B. Wasserstoff bei hohem Druck, z.B. bei einem Druck von mehr als 10 bar, zu lagern. Der Tank 205 ist in
Die Brennstoffzellenanordnung 210 kann eine Vielzahl von zu einem Stack angeordneten Brennstoffzellen 213 aufweisen. Es ist jedoch grundsätzlich auch denkbar, dass lediglich eine Brennstoffzelle 213 vorgesehen ist. Wie in
Die Brennstoffzellenanordnung 210 weist einen Brennstoffeinlass 211, über welchen der Anode 213A gasförmiger Brennstoff, z.B. Wasserstoff oder Erdgas, zuführbar ist, und einen Brennstoffauslass 212 aufweisen, über welchen unverbrauchter bzw. nicht reagierter Brennstoff von der Anode 213A abführbar ist. Unverbrauchter Brennstoff, welcher an dem Brennstoffauslass 212 abgeführt wird, kann auch als Brennstoffüberschuss oder Anodenabgas bezeichnet werden.The
Wie in
Der Brennstoffzellenanordnung 210 wird über eine Zufuhrleitung 201, die mit dem Brennstoffeinlass 211 verbunden ist, Brennstoff aus dem Tank 205 zugeführt. Das an dem Brennstoffauslass 212 der Brennstoffzellenanordnung 210 austretende Anodenabgas bzw. der Brennstoffüberschuss wird über eine Abfuhrleitung 202 der Rezirkulationsvorrichtung 100 zugeführt mittels der Rezirkulationsvorrichtung 100 rezirkuliert und zusammen mit frischem Brennstoff erneut dem Brennstoffeinlass zugeführt.The
Wie in
Das Gebläse 1 ist in
Die Turbine 2 ist in
Der optionale Motor 4 kann z.B. ein Elektromotor sein und ist kinematisch ebenfalls an das Gebläse 1 gekoppelt, um dieses zumindest unterstützend zu der Turbine 2 anzutreiben.The
Das Durchflussregelventil 220 kann z.B. zwischen dem Tank 205 und dem Einlass 21 der Turbine 2 angeordnet sein, wie dies in
Das Gebläse 1 kann insbesondere als Seitenkanalverdichter ausgebildet sein, wie dies in den
Das Laufrad 10 des Gebläses 1 und das Turbinenrad 20 sind kinematisch aneinander gekoppelt, so dass das Laufrad 10 des Gebläses 1 durch das Turbinenrad 20 antreibbar ist. In den
Wie in
Wie in
Wie in
Wie in
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.Although the present invention has been explained above by way of example using exemplary embodiments, it is not limited thereto but can be modified in many different ways. In particular, combinations of the above exemplary embodiments are also conceivable.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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