DE102013225115A1 - Device with a fuel cell stack and method for operating such a device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) umfassend eine Speichervorrichtung (110) für verdichteten Brennstoff; und einen Brennstoffzellenstapel (100) mit einer Kreislaufvorrichtung (130, 140, 150) für einen Brennstoffkreislauf, einer Leitung (170) zur Luftzuführung und einer weiteren Leitung (190) zur Luftabführung, wobei in der Kreislaufvorrichtung (130, 140, 150) eine Treibdüse (200) angeordnet ist, die so mit der Speichervorrichtung (110) verbunden ist, dass aus der Speichervorrichtung (110) ausströmender Brennstoff den Kreislauf zumindest teilweise antreibt; eine Luftfördervorrichtung (230) zur Bereitstellung eines zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels (100) benötigten verdichteten Luftstroms an der Leitung (170) zur Luftzuführung, und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung Es ist vorgesehen, dass die Kreislaufvorrichtung (130, 140, 150) weiterhin eine Turbine (210) umfasst, die mit einer weiteren Turbine (220) gekoppelt ist, die so mit der Luftfördervorrichtung (230) verbunden ist, dass der Kreislauf mittels eines überschüssigen verdichteten Luftstroms angetrieben werden kann.The invention relates to a device (10) comprising a compressed fuel storage device (110); and a fuel cell stack (100) having a fuel cycle recirculation device (130, 140, 150), an air supply line (170), and another air discharge line (190), wherein in the recycle device (130, 140, 150) is a motive nozzle (200) connected to the storage device (110) such that fuel flowing out of the storage device (110) at least partially drives the circuit; an air conveying device (230) for providing a compressed air stream required for supplying the fuel cell stack (100) to the line (170) for air supply, and a method for operating such a device. It is provided that the circulation device (130, 140, 150) continues a turbine (210) coupled to another turbine (220) connected to the air delivery device (230) such that the circuit can be powered by excess compressed airflow.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.The present invention relates to a device with a fuel cell stack and a method for operating such a device.

Brennstoffzellenstapel produzieren elektrische Energie durch die Reaktion von Brennstoff (beispielsweise Wasserstoff) aus einer Speichervorrichtung oder einem Versorgungsnetz mit Sauerstoff, beispielsweise aus Umgebungsluft. Dabei wird an einer Kathodenseite dem Stapel Sauerstoff und an einer Anodenseite dem Stapel Brennstoff zugeführt.Fuel cell stacks produce electrical energy through the reaction of fuel (eg, hydrogen) from a storage device or supply network with oxygen, such as ambient air. In this case, oxygen is supplied to the stack on one cathode side and fuel is supplied to the stack on an anode side.

Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig in einen Kreislauf geführt (rezirkuliert), so dass vor Wiederzuführung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt und die Reaktion stattfinden kann.Since the anode reaction is usually operated with overstoichiometric design of the fuel, there is no complete reaction of all the fuel supplied in the fuel cell stack. Nor does a complete reaction of the oxygen take place. For efficient use of the fuel, therefore, it is frequently recirculated (recirculated), so that the fuel is enriched again before the fuel is returned to the fuel cell stack, so that the fuel is again superstoichiometric and the reaction can take place.

Liegt der Brennstoff zur Anreicherung unter Druck vor, kann dieser beispielsweise mittels einer Treibdüse zur Anreicherung verwendet werden, so dass die Treibdüse zudem bewirkt, dass der Kreislauf angetrieben und der verbliebene Brennstoff rezirkuliert wird. Ein Beispiel für ein Brennstoffzellensystem mit Treibdüse ist in der Schrift EP 1421639 B1 offenbart.If the fuel for enrichment under pressure, this can be used for example by means of a motive nozzle for enrichment, so that the motive nozzle also causes the circuit is driven and the remaining fuel is recirculated. An example of a fuel cell system with a driving nozzle is in the document EP 1421639 B1 disclosed.

Eine weitere Möglichkeit, den verbliebenen Brennstoff zu rezirkulieren, besteht in der Verwendung elektromotorisch angetriebener Gebläse.Another way to recirculate the remaining fuel is to use electric motor-driven blowers.

Schließlich wird auch die Verwendung von Turbinen beschrieben, die mit unter Druck stehendem Gas beaufschlagt werden. Dabei wird Gas verwendet, welches in dem Brennstoffzellensystem ohnehin anfällt. JP 08 203547 A beaufschlagt die Turbine beispielsweise mit dem unter Druck stehenden Brennstoff. JP 2003 031244 A verwendet Kathodenabgas zum Antrieb einer Turbine. Auch in EP 1 630 180 A1 wird eine mittels Kathodenabgas betriebene Turbine für ein Brennstoffzellensystem beschrieben. EP 2 176 911 B1 beschreibt eine Antriebsturbine, die mit verdichteter Luft einer Luftversorgungseinheit angetrieben wird.Finally, the use of turbines that are pressurized with pressurized gas is also described. In this case, gas is used, which is obtained in the fuel cell system anyway. JP 08 203547 A acts on the turbine, for example, with the pressurized fuel. JP 2003 031244 A uses cathode exhaust to drive a turbine. Also in EP 1 630 180 A1 A description is given of a cathode exhaust gas driven turbine for a fuel cell system. EP 2 176 911 B1 describes a power turbine driven by compressed air from an air supply unit.

Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass die Effizienz von Brennstoffzellenstapeln weiter gesteigert werden kann. The inventors of the present invention have realized that the efficiency of fuel cell stacks can be further increased.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung mit einer Speichervorrichtung für verdichteten Brennstoff und einen Brennstoffzellenstapel anzugeben, die ohne oder mit geringerem Aufwand an parasitärer Energie und in einer Weise betrieben werden kann, dass im Brennstoffzellenstapel eine verbesserte Umsetzung der im zugeführten Brennstoff vorhandenen chemischen Energie in elektrische Energie erfolgen kann.The invention has for its object to provide a device with a storage device for compressed fuel and a fuel cell stack, which can be operated without or with less effort on parasitic energy and in such a way that in the fuel cell stack improved implementation of existing in the supplied fuel chemical energy can be done in electrical energy.

Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 5 vorgeschlagen.According to the invention therefore an apparatus according to claim 1 and a method according to claim 5 is proposed.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass Treibdüse und Turbine zwar jeweils einen Kreislaufantrieb ohne parasitäre, also ohne zusätzliche Energieverbräuche darstellen können, die Brennstoffzellen aber nur in jeweils unterschiedlichen Leistungsbereichen mit Brennstoff optimal versorgen.Although the present invention is based on the finding that the motive nozzle and turbine can each represent a circulatory drive without parasitic, ie without additional energy consumption, the fuel cells can optimally supply fuel only in different power ranges.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung umfasst dabei eine Speichervorrichtung für verdichteten Brennstoff und einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kreislaufvorrichtung für einen Brennstoffkreislauf, einer Luftzuführung und einer Luftabführung. Dabei ist in der Kreislaufvorrichtung eine Treibdüse angeordnet, die so mit der Speichervorrichtung verbunden ist, dass aus der Speichervorrichtung ausströmender Brennstoff den Kreislauf zumindest teilweise antreibt. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Luftfördervorrichtung zur Bereitstellung eines zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels benötigten verdichteten Luftstroms an der Sauerstoffzuführung. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kreislaufvorrichtung weiterhin eine Turbine umfasst, die mit einer weiteren Turbine gekoppelt ist, die so mit der Luftfördervorrichtung verbunden ist, dass der Kreislauf mittels eines überschüssigen verdichteten Luftstroms angetrieben werden kann.The device proposed according to the invention comprises a compressed fuel storage device and a fuel cell stack with a circulation circuit for a fuel circuit, an air supply and an air discharge. In this case, a drive nozzle is arranged in the circulation device, which is connected to the storage device such that fuel flowing out of the storage device at least partially drives the circulation. Furthermore, the device comprises an air delivery device for providing a compressed air flow required for supplying the fuel cell stack to the oxygen supply. The apparatus is characterized in that the circuit device further comprises a turbine coupled to another turbine connected to the air delivery device such that the circuit can be driven by means of excess compressed airflow.

Der Vorteil der hier vorgeschlagenen Erfindung liegt darin, dass der Kreislauf des Brennstoffs in allen Leistungsbereichen ohne oder mit geringerem Aufwand an parasitärer Energie und in einer Weise betrieben werden kann, dass im Brennstoffzellenstapel eine verbesserte Umsetzung der im zugeführten Brennstoffs vorhandenen chemischen Energie in elektrische Energie erfolgen kann. Zudem kann im niedrigen Leistungsbereich nicht nur ein Lambda-Wert von bis 8 anodenseitig sicher eingestellt werden, sondern auch auf spontane Leistungsanforderungen schneller reagiert werden, da die gekoppelten Turbinen auf einer erhöhten Drehzahl laufen und nur Drosselklappen zu stellen sind.The advantage of the invention proposed here is that the circulation of the fuel in all power ranges can be operated without or with less expenditure of parasitic energy and in such a way that improved conversion of the chemical energy present in the fuel cell stack into electrical energy takes place in the fuel cell stack can. In addition, not only a lambda value of up to 8 can be safely set on the anode side in the low power range, but also respond faster to spontaneous power requirements, since the coupled turbines run at an increased speed and throttle only to provide.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird für die Bereitstellung einer jeweiligen angeforderten Leistung durch den Brennstoffzellenstapel ein entsprechender Mengenstrom an Brennstoff, ein entsprechender Mengenstrom an verdichteter Luft und eine entsprechende Verdichtung des Luftstroms benötigt. Dabei wird zur Bereitstellung der benötigten Verdichtung ein entsprechender Mengenstrom an Luft benötigt. Die Treibdüse ist dabei so ausgelegt, dass oberhalb einer Leistungsgrenze der benötigte Mengenstrom an Brennstoff ausreicht, den Kreislauf anzutreiben. Weiterhin sind die weitere Turbine und die Luftfördervorrichtung so ausgelegt, dass unterhalb der Leistungsgrenze der zur Bereitstellung der benötigten Verdichtung zu verdichtende Mengenstrom an Luft soviel größer ist als der benötigte Mengenstrom an verdichteter Luft, dass der überschüssige verdichtete Luftstrom zusammen mit dem benötigten Mengenstrom an Brennstoff ausreicht, den Kreislauf anzutreiben.In a preferred embodiment, provision is made for the provision of a respective requested power by the fuel cell stack corresponding mass flow of fuel, a corresponding flow of compressed air and a corresponding compression of the air flow needed. In this case, a corresponding flow of air is needed to provide the required compression. The motive nozzle is designed so that above a power limit of the required flow rate of fuel is sufficient to drive the circuit. Furthermore, the further turbine and the air delivery device are designed so that below the power limit to be compressed to provide the required compression mass flow is so much larger than the required mass flow of compressed air that the excess compressed air flow is sufficient together with the required flow rate of fuel to drive the cycle.

So kann vorteilhaft der Antrieb des Kreislaufs in einer Weise bewerkstelligt werden, die gleichzeitig stets mit einer optimierten Zuführung von frischem Brennstoff einhergeht.Thus, advantageously, the drive of the circuit can be accomplished in a way that is always accompanied by an optimized supply of fresh fuel at the same time.

Insbesondere kann der Kreislauf unterhalb einer weiteren niedrigeren Leistungsgrenze vollständig von der Turbine angetrieben werden.In particular, the circuit can be completely driven by the turbine below another lower power limit.

Je niedriger nämlich die zu erzeugende Leistung ist, desto höher ist die Differenz zwischen dem zur Verdichtung benötigten Luftmengenstrom und dem zur Erzeugung der Leistung benötigten zu verdichtenden Luftmengenstrom. Namely, the lower the power to be generated, the higher is the difference between the air flow rate required for compression and the air flow rate required to generate the power to be compressed.

Die Vorrichtung kann weiterhin einen zwischen der Luftfördervorrichtung und der Sauerstoffzuführung angeordneten Feuchteüberträger umfassen, der Feuchte zwischen dem benötigten Mengenstrom an verdichteter Luft und einem Abluftstrom des Brennstoffzellenstapels überträgt. Der überschüssige verdichtete Luftstrom wird dann zwischen der Luftfördervorrichtung und dem Feuchteüberträger zur Zuführung zu der weiteren Turbine entnommen.The device may further comprise a moisture carrier arranged between the air delivery device and the oxygen supply, which transfers moisture between the required mass flow of compressed air and an exhaust air flow of the fuel cell stack. The excess compressed air stream is then removed between the air conveyor and the moisture carrier for delivery to the further turbine.

Die Entnahme des überschüssige verdichteten Luftstroms vor dem Feuchteüberträger vermeidet vorteilhaft die nicht notwendige Übertragung von Feuchte zwischen dem überschüssigen verdichteten Luftstrom und dem Abluftstrom.The removal of the excess compressed air flow before the moisture carrier advantageously avoids the unnecessary transfer of moisture between the excess compressed air flow and the exhaust air flow.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Verfahren nach Anspruch 5 zum Betreiben der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung vorgestellt. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb einer Leistungsgrenze ein zur Bereitstellung einer Leistung des Brennstoffzellenstapels benötigter Mengenstrom ausströmenden Brennstoffs nicht ausreicht, den Kreislauf anzutreiben. Daher umfasst das Verfahren Betreiben der Luftfördervorrichtung zumindest unterhalb der Leistungsgrenze, so dass der Mengenstrom verdichteter Luft soviel größer ist, als der vom Brennstoffzellenstapel benötigte Mengenstrom verdichteter Luft, dass der überschüssige verdichtete Luftstrom ausreicht, die weitere Turbine und damit mittels der Turbine den Kreislauf zumindest teilweise so anzutreiben, dass unterhalb der Leistungsgrenze die Turbine zusammen mit der Treibdüse den Kreislauf ausreichend antreibt. According to the invention, a method according to claim 5 for operating the inventively proposed device is further presented. The method is characterized in that, below a power limit, a fuel flowing out to provide a power of the fuel cell stack is not sufficient to drive the circuit. Therefore, the method comprises operating the air conveying device at least below the power limit, so that the flow rate of compressed air is so much greater than the mass flow of compressed air required by the fuel cell stack that the excess compressed air flow sufficient, the other turbine and thus by means of the turbine at least partially to drive so that below the power limit, the turbine together with the motive nozzle sufficiently drives the circuit.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin das Betreiben der Luftfördervorrichtung unterhalb einer weiteren niedrigeren Leistungsgrenze, so dass der Mengenstrom verdichteter Luft soviel größer ist, als der vom Brennstoffzellenstapel benötigte Mengenstrom verdichteter Luft, dass der überschüssige verdichtete Luftstrom ausreicht, den Kreislauf mittels der Turbine vollständig anzutreiben.In an advantageous embodiment, the method further comprises operating the air conveying device below another lower power limit, so that the mass flow of compressed air is so much larger than the mass flow of compressed air required by the fuel cell stack that the excess compressed air flow is sufficient, the circuit by means of the turbine completely drive.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform Übertragen von Feuchte zwischen dem vom Brennstoffzellenstapel benötigten Mengenstrom verdichteter Luft und einem Abluftstrom des Brennstoffzellenstapels mittels eines Feuchteüberträgers sowie Entnehmen des überschüssigen verdichteten Luftstroms zwischen der Luftfördervorrichtung und dem Feuchteüberträger zur Zuführung zu der Turbine umfassen.In a further advantageous embodiment, the method according to the invention can comprise transfer of moisture between the mass flow of compressed air required by the fuel cell stack and an exhaust air flow of the fuel cell stack by means of a moisture transfer device and removal of the excess compressed air flow between the air delivery device and the moisture transfer device for supply to the turbine.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, und 1 an exemplary embodiment of the invention, and

2 schematisch den Verlauf des Sollwertes des Lambdawertes in Abhängigkeit von der angeforderten Leistung sowie des Istwertes eines gattungsgemäßen Systems und der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung. 2 schematically the course of the desired value of the lambda value as a function of the requested power and the actual value of a generic system and the exemplary embodiment of the invention.

1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 10. Ein Brennstoffzellenstapel 100 wird anodenseitig aus einem Brennstoffspeicher 110 mit verdichtetem Brennstoff (Wasserstoff als Reinstoff oder in gebundener Form) über Leitungen 120, 130 überstöchiometrisch versorgt. Weiterhin wird der Brennstoffzellenstapel 100 über Leitungen 170, 180 mit verdichteter Luft versorgt, die von einem beispielsweise elektromotorisch angetriebenen Verdichter 230 bereitgestellt wird. Brennstoff und Luft werden dann im Brennstoffzellenstapel 100 in elektrische Energie umgesetzt. Zwischen den Leitungen 120, 130 ist eine Strahlpumpe mit einer Treibdüse 200 und nachgeordnetem Diffusor 300 angeordnet. Aus dem Brennstoffspeicher 110 ausströmender Brennstoff saugt somit Gas aus einer Leitung 150. Die Leitung 150 ist über eine weitere Leitung 140 kathodenseitig mit dem Brennstoffzellenstapel 100 verbunden. Leitungen 140, 150 und 130 bilden einen Kreislauf, in dem vom Brennstoffzellenstapel 100 nicht umgesetzter Brennstoff in den Brennstoffzellenstapel 100 rezirkuliert wird. 1 shows an exemplary fuel cell system 10 , A fuel cell stack 100 is the anode side of a fuel storage 110 with compressed fuel (hydrogen as pure substance or in bound form) via lines 120 . 130 superstoichiometrically supplied. Furthermore, the fuel cell stack becomes 100 via lines 170 . 180 supplied with compressed air, for example by an electric motor driven compressor 230 provided. Fuel and air are then in the fuel cell stack 100 converted into electrical energy. Between the lines 120 . 130 is a jet pump with a motive nozzle 200 and downstream diffuser 300 arranged. From the fuel storage 110 outflowing Fuel thus sucks gas from a pipe 150 , The administration 150 is over another line 140 on the cathode side with the fuel cell stack 100 connected. cables 140 . 150 and 130 form a cycle in which of the fuel cell stack 100 unreacted fuel into the fuel cell stack 100 is recirculated.

In mittleren und oberen Leistungsbereichen ist dabei der aus dem Brennstoffspeicher 110 ausströmende Mengenfluss so groß, dass die Saugwirkung der Treibdüse 200 ausreicht, den Kreislauf aufrecht zu erhalten.In the middle and upper power ranges is the fuel from the store 110 outflowing flow rate so great that the suction effect of the motive nozzle 200 sufficient to maintain the circulation.

In einem niedrigeren Leistungsbereich unterhalb einer Leistungsgrenze reicht die Saugwirkung jedoch nicht aus. Daher ist in der dargestellten beispielhaften Ausführungsform der Erfindung eine Turbine 210 zwischen den Leitungen 140 und 150 angeordnet. Die Turbine 210 ist im Ausführungsbeispiel magnetisch mit einer Turbine 220 gekoppelt, so dass die Turbinen 210, 220 eine doppelseitige Turbine bilden. Über eine Leitung 160 kann die Turbine 220 mit verdichteter Luft beaufschlagt und somit angetrieben werden. Die Turbine 210 (zum Beispiel magnetisch gekoppelt) dreht sich dann mit und bewirkt so ebenfalls eine Rezirkulierung des nicht umgesetzten Brennstoffs.In a lower power range below a power limit, however, the suction effect is insufficient. Therefore, in the illustrated exemplary embodiment of the invention, a turbine 210 between the lines 140 and 150 arranged. The turbine 210 is magnetic in the embodiment with a turbine 220 coupled, so the turbines 210 . 220 form a double-sided turbine. About a line 160 can the turbine 220 be acted upon with compressed air and thus driven. The turbine 210 (For example, magnetically coupled) then rotates with and thus also causes a recirculation of the unreacted fuel.

Die Leitung 160 zweigt im Ausführungsbeispiel an einer Abzweigung 240 von der Leitung 180 ab und führt so einen Teil der durch den Verdichter 230 verdichteten Luft zur Turbine 220. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da in dem Leistungsbereich unterhalb der Leistungsgrenze der Verdichter 230 einen größeren Mengenstrom Luft verdichten muss, als für die Reaktion im Brennstoffzellenstapel 100 benötigt wird, da sonst nicht die notwendige Verdichtung erzielt werden kann. Es besteht also unterhalb der Leistungsgrenze ein überschüssiger Mengenstrom verdichteter Luft, der vorteilhaft für die Rezirkulierung verwendet werden kann, insbesondere da unterhalb der Leistungsgrenze die rezirkulierende Wirkung der Treibdüse 200 nicht ausreicht.The administration 160 branches in the embodiment at a junction 240 from the line 180 and thus performs a part of the through the compressor 230 compressed air to the turbine 220 , This is particularly advantageous because in the power range below the power limit of the compressor 230 a larger flow of air must compress, as for the reaction in the fuel cell stack 100 is needed, otherwise not the necessary compression can be achieved. Thus, there is below the power limit, an excess flow of compressed air, which can be used advantageously for the recirculation, in particular because below the power limit, the recirculating effect of the motive nozzle 200 not enough.

Zur Regulierung der Anteile des Mengenstroms an verdichteter Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 100 und der Turbine 220 zugeführt werden, sind stromabwärts hinter der Abzweigung 240 in den Leitungen 160 und 180 Ventile 340, 350 angeordnet. To regulate the proportions of the mass flow of compressed air, the fuel cell stack 100 and the turbine 220 are fed downstream are downstream of the junction 240 in the pipes 160 and 180 valves 340 . 350 arranged.

Zwischen den Leitungen 170 und 180 ist im Ausführungsbeispiel zusätzlich ein Feuchteüberträger 250 angeordnet, mit dem Feuchte zwischen dem verdichteten Luftstrom und einem weiteren Luftstrom übertragen werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist dieser weitere Luftstrom der Abluftstrom des Brennstoffzellenstapels 100, der dem Feuchteüberträger 250 über Leitung 190 zugeführt und von dort über Leitung 260 abgeführt wird.Between the lines 170 and 180 is in the embodiment additionally a moisture carrier 250 arranged, with the moisture between the compressed air flow and another air flow can be transmitted. In the exemplary embodiment, this further air flow is the exhaust air flow of the fuel cell stack 100 , the moisture carrier 250 via wire 190 fed and from there via line 260 is dissipated.

Weiterhin führt eine Leitung 270 den Luftstrom ab, mit dem die Turbine 220 angetrieben wird. Schließlich erlaubt noch eine Leitung 280, die über ein Entlüftungsventil 290 (Purgeventil) von Leitung 240 abzweigt, den Kreislauf aus Leitungen 130, 140, 150 zu entlüften.Furthermore leads a line 270 the airflow from which the turbine 220 is driven. Finally, another line allows 280 that has a vent valve 290 (Purge valve) of pipe 240 branches off, the circuit of lines 130 . 140 . 150 to vent.

2 zeigt schematisch, dass sich insbesondere in niedrigen Leistungsbereichen der mit einem gattungsgemäßen, nur mit einer Strahlpumpe ausgestatteten Brennstoffzellsystem gemäß Stand der Technik einstellbare Istwertverlauf 510 des der Brennstoffzelle 100 zugeführten Luft-Brennstoff-Verhältnisses (Lambda) deutlich vom Sollwertverlauf 520 unterscheidet. Während nämlich der Sollwertverlauf 520 für niedrige Leistungen hohe Lambdasollwerte deutlich größer als 1 fordert, kann das gattungsgemäße Brennstoffzellsystem nur einen Istwertverlauf 510 generieren, bei dem die Lambdawerte in diesem Leistungsbereich deutlich niedriger als 1 sind. Der Sollwertverlauf 520 nähert sich für steigende Leistungsanforderungen asymptotisch dem Wert 1 an. Der Istwertverlauf 510 ist für niedrige Leistungsanforderungen deutlich kleiner 1, steigt dann bis zu einem Wert größer 1 an, um sich anschließend wieder dem Wert 1 zu nähern. Der Istwertverlauf 510 und der Sollwertverlauf 520 kreuzen sich bei einer Leistungsgrenze. Für den Leistungsbereich unterhalb der Leistungsgrenze ist der Sollwert stets größer als der Istwert eines gattungsgemäßen Brennstoffzellsystems, das lediglich mit einer Strahlpumpe ausgestattet ist. Erst oberhalb der Leistungsgrenze ist der Istwert stets größer als der Sollwert, jedoch mit vergleichsweise geringer Differenz. 2 shows schematically that, in particular in low power ranges of a generic, equipped only with a jet pump fuel cell system according to the prior art adjustable actual value curve 510 that of the fuel cell 100 supplied air-fuel ratio (lambda) significantly from the setpoint curve 520 different. Namely, while the setpoint course 520 For low power demands high lambda setpoints significantly greater than 1, the generic fuel cell system can only an actual value 510 generate at which the lambda values in this power range are significantly lower than 1. The setpoint course 520 approaches asymptotically the value 1 for increasing performance requirements. The actual value course 510 is significantly less than 1 for low power requirements, then increases to a value greater than 1 and then approaches 1 again. The actual value course 510 and the setpoint course 520 cross at a performance limit. For the power range below the power limit of the setpoint is always greater than the actual value of a generic fuel cell system, which is equipped only with a jet pump. Only above the power limit of the actual value is always greater than the setpoint, but with a relatively small difference.

Ein System mit doppelseitiger Turbine gemäß vorliegender Erfindung vermag hingegen einen günstigeren Istwertverlauf 530 zu generieren (Es ist zu beachten, dass in 2 der besseren Erkennbarkeit wegen der Verlauf 530 mit leichtem Versatz nach oben dargestellt ist). Der Istwertverlauf 530 entspricht unterhalb der Leistungsgrenze dem Sollwertverlauf 520, da in diesem Leistungsbereich die doppelseitige Turbine die Rezirkulierung bewirkt. Im Leistungsbereich oberhalb der Leistungsgrenze entspricht der Istwertverlauf 530 dem vorbekannten Istwertverlauf 520, da in diesem Leistungsbereich die Rezirkulierung von der Treibdüse 200 bewirkt wird.A system with double-sided turbine according to the present invention, however, is capable of a more favorable actual value course 530 to generate (It should be noted that in 2 the better recognizability because of the course 530 is shown with slight misalignment upwards). The actual value course 530 corresponds below the power limit to the setpoint curve 520 because in this power range, the double-sided turbine causes the recirculation. In the power range above the power limit, the actual value curve corresponds 530 the previously known actual value course 520 because in this power range the recirculation of the motive nozzle 200 is effected.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
Vorrichtung contraption
100100
Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
110110
Speichervorrichtung für verdichteten Brennstoff Storage device for compressed fuel
120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 260, 270, 280120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, 260, 270, 280
Leitungen cables
200200
Treibdüse propelling nozzle
210 210
Turbine turbine
220220
weitere Turbine further turbine
230230
Verdichter compressor
240240
Abzweigung diversion
250250
Feuchteüberträger Humidity transmitters
290290
Entlüftungsventil (Purgeventil) Bleed valve (purge valve)
300300
Diffusor diffuser
340, 350340, 350
Ventile valves
510510
Istwertverlauf mit Strahlpumpe Process value with jet pump
520520
Sollwertverlauf Setpoint curve
530530
Istwertverlauf mit Turbine und Strahlpumpe Actual value curve with turbine and jet pump

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Claims (7)

Vorrichtung (10) umfassend: eine Speichervorrichtung (110) für verdichteten Brennstoff; und einen Brennstoffzellenstapel (100) mit einer Kreislaufvorrichtung (130, 140, 150) für einen Brennstoffkreislauf, einer Leitung (170) zur Luftzuführung und einer weiteren Leitung (190) zur Luftabführung, wobei in der Kreislaufvorrichtung (130, 140, 150) eine Treibdüse (200) angeordnet ist, die so mit der Speichervorrichtung (110) verbunden ist, dass aus der Speichervorrichtung (110) ausströmender Brennstoff den Kreislauf zumindest teilweise antreibt; eine Luftfördervorrichtung (230) zur Bereitstellung eines zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels (100) benötigten verdichteten Luftstroms an der Leitung (170) zur Luftzuführung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreislaufvorrichtung (130, 140, 150) weiterhin eine Turbine (210) umfasst, die mit einer weiteren Turbine (220) gekoppelt ist, die so mit der Luftfördervorrichtung (230) verbunden ist, dass der Kreislauf mittels eines überschüssigen verdichteten Luftstroms angetrieben werden kann.Contraption ( 10 ) comprising: a storage device ( 110 ) for compressed fuel; and a fuel cell stack ( 100 ) with a circulation device ( 130 . 140 . 150 ) for a fuel cycle, a pipe ( 170 ) to the air supply and another line ( 190 ) for air removal, wherein in the circulation device ( 130 . 140 . 150 ) a motive nozzle ( 200 ) arranged with the memory device ( 110 ), that from the storage device ( 110 ) flowing fuel at least partially drives the circuit; an air conveying device ( 230 ) for providing a supply for the fuel cell stack ( 100 ) required compressed air flow on the line ( 170 ) for supplying air, characterized in that the circulation device ( 130 . 140 . 150 ) a turbine ( 210 ), which is connected to another turbine ( 220 ) coupled to the air conveying device ( 230 ) is connected, that the circuit can be driven by means of an excess compressed air flow. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bereitstellung einer jeweiligen angeforderten Leistung durch den Brennstoffzellenstapel (100) ein entsprechender Mengenstrom an Brennstoff, ein entsprechender Mengenstrom an verdichteter Luft und eine entsprechende Verdichtung des Luftstroms benötigt wird, wobei zur Bereitstellung der benötigten Verdichtung ein entsprechender Mengenstrom an Luft benötigt wird, wobei die Treibdüse (200) so ausgelegt ist, dass oberhalb einer Leistungsgrenze der benötigte Mengenstrom an Brennstoff ausreicht, den Kreislauf anzutreiben, wobei die weitere Turbine (220) und die Luftfördervorrichtung (230) so ausgelegt sind, dass unterhalb der Leistungsgrenze der zur Bereitstellung der benötigten Verdichtung zu verdichtende Mengenstrom an Luft soviel größer ist, als der benötigte Mengenstrom an verdichteter Luft, dass der überschüssige verdichtete Luftstrom zusammen mit dem benötigten Mengenstrom an Brennstoff ausreicht, den Kreislauf anzutreiben.Apparatus according to claim 1, characterized in that for the provision of a respective requested performance by the fuel cell stack ( 100 ) a corresponding mass flow of fuel, a corresponding mass flow of compressed air and a corresponding compression of the air flow is needed, wherein the provision of the required compression a corresponding mass flow of air is needed, the drive nozzle ( 200 ) is designed so that above a power limit of the required flow rate of fuel is sufficient to drive the circuit, wherein the further turbine ( 220 ) and the air conveying device ( 230 ) are designed so that below the power limit to be compressed to provide the required compression mass flow of air is so much greater than the required mass flow of compressed air that the excess compressed air flow is sufficient together with the required flow of fuel to drive the circuit. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb einer weiteren niedrigeren Leistungsgrenze der Kreislauf vollständig von der Turbine (210) angetrieben wird. Apparatus according to claim 2, characterized in that below a further lower power limit the circuit is completely separated from the turbine ( 210 ) is driven. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) weiterhin einen zwischen der Luftfördervorrichtung (230) und der Sauerstoffzuführung (170) angeordneten Feuchteüberträger (250) umfasst, der Feuchte zwischen dem benötigten Mengenstrom an verdichteter Luft und einem Abluftstrom des Brennstoffzellenstapels (100) überträgt, und wobei der überschüssige verdichtete Luftstrom zwischen der Luftfördervorrichtung (230) und dem Feuchteüberträger (250) zur Zuführung zu der weiteren Turbine (220) entnommen wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 10 ) further between the air conveying device ( 230 ) and the oxygen supply ( 170 ) arranged moisture carrier ( 250 ), the humidity between the required mass flow of compressed air and an exhaust air stream of the fuel cell stack ( 100 ), and wherein the excess compressed air flow between the air conveying device ( 230 ) and the moisture carrier ( 250 ) for feeding to the further turbine ( 220 ) is taken. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei unterhalb einer Leistungsgrenze ein zur Bereitstellung einer Leistung des Brennstoffzellenstapels (100) benötigter Mengenstrom ausströmenden Brennstoffs nicht ausreicht, den Kreislauf anzutreiben, umfassend: Betreiben der Luftfördervorrichtung (230) zumindest unterhalb der Leistungsgrenze, so dass der Mengenstrom verdichteter Luft soviel größer ist, als der vom Brennstoffzellenstapel (100) benötigte Mengenstrom verdichteter Luft, dass der überschüssige verdichtete Luftstrom ausreicht, die weitere Turbine (220) und dadurch den Kreislauf mittels der Turbine (210) zumindest teilweise so anzutreiben, dass unterhalb der Leistungsgrenze die Turbine (210) zusammen mit der Treibdüse (200) den Kreislauf ausreichend antreibt.Method for operating a device ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein below a power limit a for providing a power of the fuel cell stack ( 100 ) required mass flow outflowing fuel is not sufficient to drive the circuit, comprising: operating the air conveying device ( 230 ) at least below the power limit, so that the flow of compressed air is much greater than that of the fuel cell stack ( 100 ) required flow of compressed air that the excess compressed air flow is sufficient, the other turbine ( 220 ) and thereby the circulation by means of the turbine ( 210 ) at least partially so that below the power limit the turbine ( 210 ) together with the motive nozzle ( 200 ) drives the circulation sufficiently. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Betreiben der Luftfördervorrichtung (230) unterhalb einer weiteren niedrigeren Leistungsgrenze, so dass der Mengenstrom verdichteter Luft soviel größer ist, als der vom Brennstoffzellenstapel (100) benötigte Mengenstrom verdichteter Luft, dass die überschüssige verdichtete Luftstrom ausreicht, den Kreislauf mittels der Turbinen (210) vollständig anzutreiben.Method according to claim 5, characterized by operating the air conveying device ( 230 ) below another lower power limit, so that the flow of compressed air is much greater than that of the fuel cell stack ( 100 ) required flow of compressed air that the excess compressed air flow is sufficient, the circuit by means of turbines ( 210 ) completely to drive. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch Übertragen von Feuchte zwischen dem vom Brennstoffzellenstapel (100) benötigten Mengenstrom verdichteter Luft und einem Abluftstrom des Brennstoffzellenstapels (100) mittels eines Feuchteüberträgers (250) und Entnehmen des überschüssige verdichteten Luftstroms zwischen der Luftfördervorrichtung (230) und dem Feuchteüberträger (250) zur Zuführung zu der weiteren Turbine (220).Method according to claim 5 or 6, characterized by transfer of moisture between that of the fuel cell stack ( 100 ) required flow of compressed air and an exhaust air stream of the fuel cell stack ( 100 ) by means of a moisture transfer ( 250 ) and removing the excess compressed air flow between the air conveying device ( 230 ) and the moisture carrier ( 250 ) for feeding to the further turbine ( 220 ).
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