DE102022133649A1

DE102022133649A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system

Info

Publication number: DE102022133649A1
Application number: DE102022133649.2A
Authority: DE
Inventors: Simon Schlirf; Jan Pfannenmueller; Heiko Schmidt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-12-16
Filing date: 2022-12-16
Publication date: 2024-06-27

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (2), an dessen Anodenseite eine Wasserstoffrezirkulation (4) und an dessen Kathodenseite eine Luftzufuhr (5) angeschlossen ist, wobei ein in die Wasserstoffrezirkulation (4) eingebundenes Wasserstoffgebläse (11) und ein der Luftzufuhr (5) zuzurechnender Luftverdichter (6) durch ein und denselben Elektromotor (8) angetrieben sind. Es existiert mindestens eine Spülluftleitung (16), welche vom Luftverdichter (6) abzweigt und in einem Gehäuseinnenraum (20), welcher mittels eines Rotativlagers (18) vom Innenraum (19) des Wasserstoffgebläses (11) getrennt ist, mündet.

A fuel cell system (1) comprises a fuel cell stack (2), to the anode side of which a hydrogen recirculation (4) is connected and to the cathode side of which an air supply (5) is connected, wherein a hydrogen blower (11) integrated into the hydrogen recirculation (4) and an air compressor (6) associated with the air supply (5) are driven by one and the same electric motor (8). There is at least one purge air line (16) which branches off from the air compressor (6) and opens into a housing interior (20) which is separated from the interior (19) of the hydrogen blower (11) by means of a rotary bearing (18).

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrere Verdichter oder Gebläse umfassendes Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system comprising several compressors or blowers according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system.

Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist aus der US 2008/0187796 A1 bekannt. Das bekannte Brennstoffzellensystem umfasst einen Luftverdichter sowie ein Rezirkulationsgebläse, das heißt Wasserstoffgebläse, wobei der Luftverdichter und das Wasserstoffgebläse durch einen gemeinsamen Motor angetrieben werden. Dies impliziert, dass die Drehzahl des Luftverdichters simultan mit der Drehzahl des Wasserstoffgebläses verstellbar ist.A generic fuel cell system is known from the US 2008/0187796 A1 The known fuel cell system comprises an air compressor and a recirculation blower, i.e. a hydrogen blower, whereby the air compressor and the hydrogen blower are driven by a common motor. This implies that the speed of the air compressor can be adjusted simultaneously with the speed of the hydrogen blower.

Ein in der DE 10 2014 215 480 A1 offenbartes Brennstoffzellensystem, welches unter anderem für die Verwendung in Kraftfahrzeugen geeignet sein soll, umfasst einen Oxidationsmittelverdichter, welcher durch einen Elektromotor angetrieben wird. Alternativ zu einem Oxidationsmittelverdichter kann eine Oxidationsmittel-Druckluftquelle, beispielsweise in Form einer Druckluftflasche, vorgesehen sein. Stromabwärts des Oxidationsmittelverdichters beziehungsweise der Oxidationsmittel-Druckluftquelle befindet sich eine Fördereinrichtung, welche zur Rezirkulation von Anodenabgas genutzt wird. Die Fördereinrichtung ist als Turbolader ausgebildet und umfasst eine Turbine, welche durch sich entspannendes Oxidationsmittel angetrieben wird. Ferner umfasst die Fördereinrichtung einen Verdichter, welcher rezirkulierendes Anodenabgas, gemischt mit frischem Brenngas, komprimiert. Zwischen der Oxidationsmittelseite und der Brenngasseite herrscht ein Druckgefälle, welches nach der Lehre der DE 10 2014 215 480 A1 eine Möglichkeit zur Luftkühlung von Lagern des Turboladers bietet.An Indian EN 10 2014 215 480 A1 disclosed fuel cell system, which is intended to be suitable for use in motor vehicles, among other things, comprises an oxidant compressor, which is driven by an electric motor. As an alternative to an oxidant compressor, an oxidant compressed air source, for example in the form of a compressed air bottle, can be provided. Downstream of the oxidant compressor or the oxidant compressed air source there is a conveyor device, which is used for the recirculation of anode exhaust gas. The conveyor device is designed as a turbocharger and comprises a turbine, which is driven by expanding oxidant. Furthermore, the conveyor device comprises a compressor, which compresses recirculating anode exhaust gas, mixed with fresh fuel gas. There is a pressure gradient between the oxidant side and the fuel gas side, which according to the teaching of EN 10 2014 215 480 A1 provides a possibility for air cooling of turbocharger bearings.

Eine in der DE 10 2010 011 556 A1 beschriebene Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems umfasst zwei Turbinen. Eine dieser Turbine treibt einen Generator an, während die andere Turbine als Teil eines Turboladers mit einem Verdichter gekoppelt ist.One in the EN 10 2010 011 556 A1 The device described for supplying fuel to a fuel cell system comprises two turbines. One of these turbines drives a generator, while the other turbine is coupled to a compressor as part of a turbocharger.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem gegenüber dem Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei eine besonders gute Ausnutzung einzelner Komponenten des Brennstoffzellensystems angestrebt wird.The invention is based on the object of further developing a fuel cell system compared to the prior art, whereby a particularly good utilization of individual components of the fuel cell system is sought.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Betriebsverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Brennstoffzellensystem, und umgekehrt.This object is achieved according to the invention by a fuel cell system having the features of claim 1. The object is also achieved by a method for operating a fuel cell system according to claim 8. The embodiments and advantages of the invention explained below in connection with the operating method also apply mutatis mutandis to the device, i.e. the fuel cell system, and vice versa.

Das anmeldungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption einen Brennstoffzellenstapel, an dessen Anodenseite eine Wasserstoffrezirkulation und an dessen Kathodenseite eine Luftzufuhr angeschlossen ist. In die Wasserstoffrezirkulation, das heißt in den Rezirkulationskreis des Brennstoffzellensystems, ist ein Wasserstoffgebläse eingebunden. Mittels des vereinfachend als Wasserstoffgebläse bezeichneten Kompressors, welcher typischerweise lediglich ein geringes Verdichtungsverhältnis aufweist, wird ein Wasserstoff und weitere Bestandteile enthaltendes Gas oder ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch auf der Anodenseite umgewälzt. Frischer Wasserstoff kann beim Betrieb des Brennstoffzellenstapels in den Rezirkulationskreis eingespeist werden. Das Brennstoffzellensystem weist weiterhin einen Luftverdichter auf, welcher definitionsgemäß der Luftzufuhr zuzurechnen ist. Der Antrieb der beiden Kompressoren, das heißt des Wasserstoffgebläses und des Luftverdichter, erfolgt durch ein und denselben Elektromotor. Anmeldungsgemäß existiert mindestens eine Spülluftleitung, welche vom Luftverdichter abzweigt und in einem Gehäuseinnenraum, welcher mittels eines Rotativlagers vom Innenraum des Wasserstoffgebläses getrennt ist, mündet. Bei dem Brennstoffzellensystem handelt es sich insbesondere um ein PEM- Brennstoffzellensystem.The fuel cell system according to the application comprises, in a basic concept known per se, a fuel cell stack, to the anode side of which a hydrogen recirculation is connected and to the cathode side of which an air supply is connected. A hydrogen blower is integrated into the hydrogen recirculation, i.e. into the recirculation circuit of the fuel cell system. By means of the compressor, referred to simply as a hydrogen blower, which typically only has a low compression ratio, a gas or a gas-liquid mixture containing hydrogen and other components is circulated on the anode side. Fresh hydrogen can be fed into the recirculation circuit when the fuel cell stack is operating. The fuel cell system also has an air compressor, which by definition is part of the air supply. The two compressors, i.e. the hydrogen blower and the air compressor, are driven by one and the same electric motor. According to the application, there is at least one purge air line which branches off from the air compressor and opens into a housing interior which is separated from the interior of the hydrogen blower by means of a rotary bearing. The fuel cell system is in particular a PEM fuel cell system.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass der Anodenkreis einer Brennstoffzelle typischerweise überstöchometrisch betrieben wird, wobei sich grundsätzlich der Gasbedarf anoden- und kathodenseitig etwa im gleichen Verhältnis ändert. Zur anodenseitigen Rezirkulation des Gases ist ebenso Energie erforderlich wie zur Versorgung der Kathodenseite mit frischer verdichteter Luft, wobei statt Luft prinzipiell auch reiner Sauerstoff verwendbar ist. Unabhängig von der Anzahl der elektrischen Antriebe, welche zur Kompression der verschiedenen Gase bereitgehalten werden, sind insbesondere Leckagen auf der Wasserstoffseite nicht gänzlich auszuschließen. Die anmeldungsgemäß vorgeschlagene Spülluftleitung stellt eine apparativ einfache und zugleich effiziente Möglichkeit dar, die Ansammlung von zündfähigem Gemisch in einem Gehäuse, welches das Motorgehäuse des die beiden Kompressoren antreibenden Elektromotors sein kann, zu vermeiden. Die Spülluft fließt aufgrund der im Brennstoffzellensystem gegebenen Druckverhältnisse selbsttätig in Richtung zum Wasserstoffgebläse, nämlich in einen Hohlraum, der vom Wasserstoffgebläse durch eine dynamische Dichtung, welche in das genannte Rotativlager integriert oder mit diesem kombiniert ist, getrennt ist.The invention is based on the idea that the anode circuit of a fuel cell is typically operated over-stoichiometrically, whereby the gas requirement on the anode and cathode sides basically changes in approximately the same ratio. Energy is required for the recirculation of the gas on the anode side as well as for supplying the cathode side with fresh compressed air, whereby in principle pure oxygen can also be used instead of air. Regardless of the number of electric drives that are kept ready for the compression of the various gases, leaks on the hydrogen side in particular cannot be completely ruled out. The purge air line proposed in the application represents a simple and at the same time efficient way of preventing the accumulation of ignitable mixture in a housing, which can be the motor housing of the electric motor driving the two compressors. Due to the pressure conditions prevailing in the fuel cell system, the purge air flows automatically in the direction of the hydrogen blower, namely into a cavity which is separated from the hydrogen blower by a dynamic seal which is integrated into or combined with the aforementioned rotary bearing.

Zumindest einer der beiden Kompressoren Wasserstoffgebläse und Luftverdichter kann als Strömungsmaschine, nämlich Axial- oder Radialkompressor, ausgebildet sein. Hierbei können Impeller der beiden Strömungsmaschine auf der Welle des Elektromotors montiert sein. Im Fall des Wasserstoffgebläses kann der Impeller neben Wasserstoff weitere Bestandteile rezirkulierenden Mediums, insbesondere Stickstoff, Wasserdampf und einen Anteil Wasser in flüssiger Form fördern. In jedem Fall sind die beiden Impeller oder sonstigen beweglichen Komponenten der Kompressoren unter Berücksichtigung der benötigten Stöchiometrie auf die Anforderungen des Brennstoffzellensystems abgestimmt.At least one of the two compressors, hydrogen blower and air compressor, can be designed as a flow machine, namely an axial or radial compressor. Impellers of the two flow machines can be mounted on the shaft of the electric motor. In the case of the hydrogen blower, the impeller can convey other components of the recirculating medium in addition to hydrogen, in particular nitrogen, water vapor and a proportion of water in liquid form. In any case, the two impellers or other moving components of the compressors are tailored to the requirements of the fuel cell system, taking into account the required stoichiometry.

Gemäß einer möglichen Weiterbildung ist in die Spülluftleitung ein verstellbares Drosselorgan integriert. Unabhängig vom Vorhandensein eines solchen Drosselorgans wird die unter Druck stehende Spülluft beispielsweise direkt auf der Auslassseite des Luftverdichters oder im Gehäuseinnenbereich des Luftverdichters entnommen. Die Menge der Spülluft hängt unter anderem vom Abnahmepunkt ab, wobei insbesondere der Abstand zwischen Impeller und Gehäuse des Luftverdichters eine Rolle spielt. In jedem Fall ist die Spülluftleitung an die Hochdruckseite, das heißt Ausgangsseite, des Luftverdichters angeschlossen. Ein mittels der Spülluftleitung bewirkter Luftstrom zu einem Leckagespalt an einer Lagerung des Luftverdichters kann zusätzlich zum Ausbringen von kleinen Verunreinigungen an der genannten Lagerung genutzt werden.According to a possible further development, an adjustable throttle element is integrated into the purge air line. Regardless of the presence of such a throttle element, the pressurized purge air is taken, for example, directly from the outlet side of the air compressor or from the inside of the housing of the air compressor. The amount of purge air depends, among other things, on the point of extraction, with the distance between the impeller and the housing of the air compressor playing a particular role. In any case, the purge air line is connected to the high-pressure side, i.e. the outlet side, of the air compressor. An air flow caused by the purge air line to a leakage gap on a bearing of the air compressor can also be used to remove small contaminants from the bearing mentioned.

Insbesondere kann die Welle des Elektromotors auf der Seite des Luftverdichters mittels mindestens eines Luftfolienlagers, welches den Gehäuseinnenraum vom Innenraum des Luftverdichters trennt, gelagert sein. Der erwähnte Luftstrom erhöht aufgrund seiner Reinigungswirkung die Lebensdauer der Luftfolienlager.In particular, the shaft of the electric motor can be supported on the side of the air compressor by means of at least one air foil bearing, which separates the interior of the housing from the interior of the air compressor. The aforementioned air flow increases the service life of the air foil bearings due to its cleaning effect.

Das Wasserstoffgebläse weist beispielsweise ein Verdichterrad auf, welches mittels eines abgedichteten Wälzlagers gelagert ist, das den Innenraum des Wasserstoffgebläses vom Gehäuseinnenraum, in den die Spülluftleitung mündet, trennt. Bei dem als Rotativlager verwendeten Wälzlager handelt es sich zum Beispiel um ein ein- oder mehrreihiges Kugellager oder um ein Rollenlager.The hydrogen blower, for example, has a compressor wheel that is supported by a sealed roller bearing that separates the interior of the hydrogen blower from the interior of the housing into which the purge air line flows. The roller bearing used as a rotary bearing is, for example, a single or multi-row ball bearing or a roller bearing.

Gemäß einer möglichen Weiterbildung ist zwischen das Verdichterrad des Wasserstoffgebläses und die Welle des Elektromotors eine Leistungsübertragungsvorrichtung geschaltet. Als Leistungsübertragungsvorrichtung kommt insbesondere ein Getriebe, eine Ausgleichskupplung, sowie eine Kombination aus Getriebe und Ausgleichskupplung in Betracht.According to a possible further development, a power transmission device is connected between the compressor wheel of the hydrogen blower and the shaft of the electric motor. A transmission, a compensating coupling, or a combination of transmission and compensating coupling can be considered as the power transmission device.

Unabhängig davon, ob das rotierende Element des Wasserstoffgebläses starr oder auf sonstige Weise, insbesondere über ein Getriebe, mit der Welle des Elektromotors, welcher auch den Luftverdichter antreibt, gekoppelt ist, kann nach dem Wasserstoffgebläse eine geregelte Drosselung des Gasstroms vorgesehen sein. Hierbei kann bereits eine leichte Androsselung das Druckverhältnis signifikant erhöhen und den Durchsatz damit deutlich ändern. Auch in diesem Fall reicht ein geringes Verdichtungsverhältnisses für die Aufrechterhaltung der Strömung im Rezirkulationskreis aus. Das Druckniveau ist hauptsächlich mit Frischluftdüsen, welche für die Zufuhr von frischem Wasserstoff sorgen, einstellbar. Der Großteil der Leistung des Elektromotors wird, auch bei Androsselung des anodenseitigen, rezirkulierenden Gasstroms, in typischer Verfahrensführung für den Antrieb des Luftverdichters verwandt. Bei der Einstellung der Drehzahl der Welle des Elektromotors und damit der Drehzahl sowie der Betriebspunkte der beiden Kompressoren ist hierbei der Luftverdichter führend.Regardless of whether the rotating element of the hydrogen blower is rigidly or otherwise coupled to the shaft of the electric motor, which also drives the air compressor, in particular via a gear, a controlled throttling of the gas flow can be provided after the hydrogen blower. Even a slight throttling can significantly increase the pressure ratio and thus significantly change the throughput. In this case, too, a low compression ratio is sufficient to maintain the flow in the recirculation circuit. The pressure level can be adjusted mainly with fresh air nozzles, which ensure the supply of fresh hydrogen. In a typical process, the majority of the power of the electric motor is used to drive the air compressor, even when the anode-side, recirculating gas flow is throttled. The air compressor is the leading factor in setting the speed of the shaft of the electric motor and thus the speed and operating points of the two compressors.

Allgemein wird während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Brennstoffzellensystems die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels überstöchiometrisch betrieben, wobei Wasserstoff teilweise rezirkuliert und wobei zugleich der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels Luft mittels eines Luftverdichters zugeführt wird. Zum Antrieb des Luftverdichters ist ein Elektromotor vorgesehen, der zugleich ein der Wasserstoffrezirkulation dienendes Wasserstoffgebläse als zweiten Kompressor antreibt. Während der Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Luft und Wasserstoff wird ein Teil der verdichteten Luft in einen durch ein abgedichtetes Rotativlager, insbesondere Wälzlager, vom Innenraum des Wasserstoffgebläses getrennten Gehäuseinnenraum, welcher zugleich durch eine weitere dynamische Dichtung vom Innenraum des Luftverdichters getrennt sein kann, geleitet.In general, during the intended operation of the fuel cell system, the anode side of the fuel cell stack is operated over-stoichiometrically, with hydrogen partially recirculating and air being supplied to the cathode side of the fuel cell stack by means of an air compressor. An electric motor is provided to drive the air compressor, which also drives a hydrogen blower as a second compressor used for hydrogen recirculation. While the fuel cell stack is being supplied with air and hydrogen, part of the compressed air is fed into a housing interior that is separated from the interior of the hydrogen blower by a sealed rotary bearing, in particular a roller bearing, and which can also be separated from the interior of the air compressor by another dynamic seal.

Die verdichtete, abgezweigte Luft kann sich im Gehäuseinnenraum mit aus dem Wasserstoffgebläse durch das Rotativlager entwichenem Gas vermischen. Das damit entstandene Gasgemisch kann zum Beispiel in eine an den Brennstoffzellenstapel angeschlossene Kathodenauslassleitung geleitet werden.The compressed, diverted air can mix in the housing interior with gas that has escaped from the hydrogen blower through the rotary bearing. The resulting gas mixture can, for example, be fed into a cathode outlet line connected to the fuel cell stack.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ein Brennstoffzellensystem in einem vereinfachten RI-Schema,
2 einen Ausschnitt des Brennstoffzellensystems einschließlich eines Luftverdichters,
3 einen Ausschnitt des Brennstoffzellensystems einschließlich eines Wasserstoffgebläses.

An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to a drawing. In the drawing:

1 a fuel cell system in a simplified RI scheme,
2 a section of the fuel cell system including an air compressor,
3 a section of the fuel cell system including a hydrogen blower.

Ein Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, das heißt Stack, und wird mit Wasserstoff als Brenngas betrieben, welches in einem Wasserstofftank 3 bereitgehalten wird. Wasserstoff wird in an sich bekannter Verfahrensführung teilweise rezirkuliert, wobei die Wasserstoffrezirkulation insgesamt mit 4 bezeichnet ist. Eine Luftzufuhr auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 ist insgesamt mit 5 bezeichnet. Die dem Stack 2 zugeführte Luft wird mittels eines Luftverdichters 6 gefördert. Eine Luftzuführungsleitung ist mit 7 bezeichnet. Der Luftverdichter 6 wird mittels eines Elektromotors 8 angetrieben, der sich in einem Gehäuse 9 befindet. Mit 10 ist die Welle des Elektromotors 8 bezeichnet. Die Welle 10 ragt aus beiden Stirnseiten aus dem Elektromotor 8 heraus.A fuel cell system 1 comprises a fuel cell stack 2 and is operated with hydrogen as fuel gas, which is kept in a hydrogen tank 3. Hydrogen is partially recirculated in a process known per se, with the hydrogen recirculation being designated as a whole by 4. An air supply on the cathode side of the fuel cell system 1 is designated as a whole by 5. The air supplied to the stack 2 is conveyed by means of an air compressor 6. An air supply line is designated as 7. The air compressor 6 is driven by means of an electric motor 8, which is located in a housing 9. The shaft of the electric motor 8 is designated as 10. The shaft 10 protrudes from both end faces of the electric motor 8.

Ein der Wasserstoffrezirkulation 4, das heißt den Rezirkulationskreis, zuzurechnendes Wasserstoffgebläse 11 befindet sich auf der dem Luftverdichter 6 abgewandten Stirnseite des Elektromotors 8 und ist ebenfalls durch die Welle 10 angetrieben. Eine an den Stack 2 angeschlossene Wasserstoffrezirkulationsleitung ist mit 12 bezeichnet. Das mittels des Wassergebläses 11 verdichtete, Wasserstoff enthaltende, rezirkulierende Gas wird in einem Mischorgan 13 mit frischem, aus dem Wasserstofftank 3 stammenden Wasserstoff gemischt. Zwischen dem Wasserstofftank 3 und dem Mischorgan 13 sind zwei nicht dargestellte, hintereinandergeschaltete Ventile, nämlich ein Schaltventil und ein Regelventil, angeordnet.A hydrogen blower 11, which is assigned to the hydrogen recirculation 4, i.e. the recirculation circuit, is located on the front side of the electric motor 8 facing away from the air compressor 6 and is also driven by the shaft 10. A hydrogen recirculation line connected to the stack 2 is designated 12. The hydrogen-containing recirculating gas compressed by the water blower 11 is mixed in a mixing device 13 with fresh hydrogen from the hydrogen tank 3. Two valves (not shown) connected in series, namely a switching valve and a control valve, are arranged between the hydrogen tank 3 and the mixing device 13.

Verschiedene mess-, regel- und antriebstechnische Komponenten des Brennstoffzellensystems 1, unter anderem der Elektromotor 8, sind über eine Steuereinheit 14 miteinander verknüpft. Exemplarisch dargestellte Datenleitungen sind mit 15 bezeichnet. Various measurement, control and drive components of the fuel cell system 1, including the electric motor 8, are linked to one another via a control unit 14. Data lines shown as examples are designated 15.

Von der Ausgangsseite des Luftverdichters 6 zweigt, wie aus den 1 und 2 hervorgeht, eine Spülluftleitung 16 ab. In die Spülluftleitung 16 ist ein verstellbares, mit der Steuereinheit 14 verknüpftes Drosselorgan 17 integriert. Die Spülluftleitung 16 endet ausgangsseitig, wie in den 1 und 3 skizziert ist, im Gehäuse 9. Das Gehäuse 9 ist durch ein abgedichtetes Wälzlager 18 von dem mit 19 bezeichneten Innenraum des Wasserstoffgebläses 11 getrennt. Das abgedichtete Wälzlager 18 erfüllt somit neben seiner Lagerungsfunktion die Funktion einer dynamischen Dichtung zwischen dem Innenraum 19 und einem mit 20 bezeichneten Innenraum des Gehäuses 9. Im Ausführungsbeispiel ist das mit 21 bezeichnete Verdichterrad des Wasserstoffgebläses 11 über eine Leistungsübertragungsvorrichtung 22 mit der Welle 10 gekoppelt. Bei der Leistungsübertragungsvorrichtung 22 kann es sich beispielsweise um ein Getriebe, etwa in der Form eines Planetengetriebes, handeln. In vereinfachter Variante kann eine Ausgleichskupplung als Leistungsübertragungsvorrichtung 22 vorgesehen sein. Ebenso kann, bei Entfall der Leistungsübertragungsvorrichtung 22, das Verdichterrad 21 starr mit der Welle 10 gekoppelt sein.From the outlet side of the air compressor 6 branches off, as can be seen from the 1 and 2 , a purge air line 16. An adjustable throttle element 17 linked to the control unit 14 is integrated into the purge air line 16. The purge air line 16 ends on the outlet side, as shown in the 1 and 3 is sketched, in the housing 9. The housing 9 is separated from the interior of the hydrogen blower 11, designated 19, by a sealed roller bearing 18. The sealed roller bearing 18 thus fulfills, in addition to its bearing function, the function of a dynamic seal between the interior 19 and an interior of the housing 9, designated 20. In the exemplary embodiment, the compressor wheel of the hydrogen blower 11, designated 21, is coupled to the shaft 10 via a power transmission device 22. The power transmission device 22 can, for example, be a gear, for example in the form of a planetary gear. In a simplified variant, a compensating coupling can be provided as the power transmission device 22. Likewise, if the power transmission device 22 is omitted, the compressor wheel 21 can be rigidly coupled to the shaft 10.

In jedem Fall ist damit zu rechnen, dass Gas, welches Wasserstoff enthält, aufgrund nicht hundertprozentiger Abdichtung ungewollt aus dem Innenraum 19 in den Innenraum 20 strömt, wie in 3 durch gekrümmte gestrichelte Pfeile angedeutet ist. Im Innenraum 20 vermischt sich das aus dem Wasserstoffgebläse 11 entwichene Gas mit Spülluft, welche über die Spülluftleitung 16 in den Innenraum 20 strömt. Durch konstruktive Parameter des Brennstoffzellensystems 1 und Betriebsparameter der Steuereinheit 14, welche unter anderem den Öffnungsgrad des Drosselorgans 17 bestimmen, verbleibt das im Innenraum 20 befindliche Gas stets in einem nicht zündfähigen Bereich.In any case, it is to be expected that gas containing hydrogen will flow unintentionally from the interior 19 into the interior 20 due to incomplete sealing, as in 3 is indicated by curved dashed arrows. In the interior 20, the gas escaping from the hydrogen blower 11 mixes with purge air, which flows into the interior 20 via the purge air line 16. Due to design parameters of the fuel cell system 1 and operating parameters of the control unit 14, which determine, among other things, the degree of opening of the throttle element 17, the gas in the interior 20 always remains in a non-ignitable area.

Zusätzlich zu der Gasströmung durch die in allen Figuren zumindest abschnittsweise erkennbare Spülluftleitung 16 kann sich eine gewollte Gasströmung einstellen, welche in 2 durch einen geraden gestrichelten Pfeil kenntlich gemacht ist, der sich vom Innenraum 28 des Luftverdichters 6 in den Innenraum 20 des Gehäuses 9 erstreckt. Die letztgenannte Gasströmung wird ermöglicht durch eine in der Wandung zwischen den Innenräumen 28, 20 befindliche Bohrung, welche eine entartete, extrem kurze Spülluftleitung darstellt, die - abgesehen von der nicht gegebenen verstellbaren Drosselung - den gleichen Zweck wie die Spülluftleitung 16 hat. Zum selben Zweck können auch Lagerundichtigkeiten ausgenutzt werden, auf welche im Zusammenhang mit dem Aufbau des Luftverdichters 6 noch eingegangen wird.In addition to the gas flow through the purge air line 16, which can be seen at least in sections in all figures, a desired gas flow can be established, which in 2 is indicated by a straight dashed arrow that extends from the interior 28 of the air compressor 6 into the interior 20 of the housing 9. The latter gas flow is made possible by a hole in the wall between the interior spaces 28, 20, which represents a degenerate, extremely short purge air line that - apart from the lack of adjustable throttling - has the same purpose as the purge air line 16. Bearing leaks can also be exploited for the same purpose, which will be discussed in connection with the structure of the air compressor 6.

Eine Ableitung des in dem Innenraum 20 befindlichen Gases erfolgt durch eine Auslassleitung 23, welche mit einer Stackauslassleitung 24, das heißt Kathodenauslassleitung, zusammengeführt ist. Ein zur Geräuschdämpfung auslassseitig vorgesehener Schalldämpfer, durch welchen das zusammengeführte Gas aus der Kathodenauslassleitung 24 sowie aus der an das Gehäuse 9 angeschlossenen Auslassleitung 23 strömt, ist mit 25 bezeichnet.The gas in the interior 20 is discharged through an outlet line 23, which is connected to a stack outlet line 24, i.e. cathode outlet line. A silencer provided for noise reduction on the outlet side, through which the combined gas flows from the cathode outlet line 24 and from the outlet line 23 connected to the housing 9, is designated by 25.

Im Fall des Luftverdichters 6 ist ein Verdichterrad mit 26 bezeichnet. Auch in diesem Fall kann ein Antrieb des Verdichterrades 26, ebenso wie im Fall des Wasserstoffgebläses 11, über eine hier nicht dargestellte Leistungsübertragungsvorrichtung 22 vorgesehen sein. Die das Verdichterrad 26 tragende Welle, im vorliegenden Fall unmittelbar die Welle 10, ist mittels einer Wellenlagerung 27 gelagert. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Wellenlagerung 27 um ein Luftfolienlager. Denkbar sind Strömungspfade zwischen dem mit 28 bezeichnet Innenraum des Luftverdichters 6 und dem Innenraum 20 des Gehäuses 9, insbesondere über die Wellenlagerung 27, wie in 2 durch gestrichelte Pfeile angedeutet ist. Somit existieren insgesamt mehrere Pfade, teils durch die Spülluftleitung 16 hindurch, vom Innenraum 28 des Luftverdichters 6 in das Gehäuse 9. Das im Innenraum 20 des Gehäuses 9 befindliche Gasgemisch strömt aufgrund der gegebenen Druckverhältnisse selbsttätig aus dem Gehäuse 9 aus.In the case of the air compressor 6, a compressor wheel is designated 26. In this case too, a drive of the compressor wheel 26, as in the case of the hydrogen blower 11, can be provided via a power transmission device 22 not shown here. The shaft carrying the compressor wheel 26, in the present case directly the Shaft 10 is supported by means of a shaft bearing 27. In the embodiment, the shaft bearing 27 is an air foil bearing. Flow paths between the interior of the air compressor 6, designated 28, and the interior 20 of the housing 9 are conceivable, in particular via the shaft bearing 27, as in 2 is indicated by dashed arrows. Thus, there are a total of several paths, some through the purge air line 16, from the interior 28 of the air compressor 6 into the housing 9. The gas mixture in the interior 20 of the housing 9 flows out of the housing 9 automatically due to the given pressure conditions.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: BrennstoffzellensystemFuel cell system
22: Brennstoffzellenstapel, StackFuel cell stack, stack
33: WasserstofftankHydrogen tank
44: WasserstoffrezirkulationHydrogen recirculation
55: LuftzufuhrAir supply
66: LuftverdichterAir compressor
77: LuftzuführungsleitungAir supply line
88th: ElektromotorElectric motor
99: GehäuseHousing
1010: Welle des ElektromotorsShaft of the electric motor
1111: WasserstoffgebläseHydrogen blower
1212: WasserstoffrezirkulationsleitungHydrogen recirculation line
1313: MischorganMixing organ
1414: SteuereinheitControl unit
1515: DatenleitungData line
1616: SpülluftleitungPurge air line
1717: DrosselorganThrottle organ
1818: Rotativlager, WälzlagerRotary bearings, rolling bearings
1919: Innenraum des WasserstoffgebläsesInterior of the hydrogen blower
2020: Innenraum des GehäusesInterior of the case
2121: Verdichterrad des WasserstoffgebläsesCompressor wheel of the hydrogen blower
2222: LeistungsübertragungsvorrichtungPower transmission device
2323: AuslassleitungOutlet line
2424: StackauslassleitungStack outlet line
2525: Schalldämpfersilencer
2626: Verdichterrad des LuftverdichtersCompressor wheel of the air compressor
2727: Wellenlagerung, LuftfolienlagerShaft bearing, air foil bearing
2828: Innenraum des LuftverdichtersInterior of the air compressor

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 20080187796 A1 [0002]
DE 102014215480 A1 [0003]
DE 102010011556 A1 [0004]

Claims

Fuel cell system (1) with a fuel cell stack (2), to the anode side of which a hydrogen recirculation (4) is connected and to the cathode side of which an air supply (5) is connected, wherein a hydrogen blower (11) integrated into the hydrogen recirculation (4) and an air compressor (6) to be assigned to the air supply (5) are driven by one and the same electric motor (8), characterized by at least one purge air line (16) which branches off from the air compressor (6) and opens into a housing interior (20) which is separated from the interior (19) of the hydrogen blower (11) by means of a rotary bearing (18).

Fuel cell system (1) according to Claim 1 , characterized in that at least one of the two compressors, hydrogen blower (11) and air compressor (6), is designed as a turbomachine, namely an axial or radial compressor.

Fuel cell system (1) according to Claim 1 or 2 , characterized by an adjustable throttle element (17) integrated into the purge air line (16).

Fuel cell system (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the purge air line (16) is at least indirectly connected to the interior (28) of the air compressor (6) on its high-pressure side.

Fuel cell system (1) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the shaft (10) of the electric motor (8) is mounted on the side of the air compressor (6) by means of an air foil bearing (27) which separates the housing interior (20) from the interior (28) of the air compressor (6).

Fuel cell system (1) according to one of the Claims 2 until 5 , characterized in that the hydrogen blower (11) has a compressor wheel (21) which is mounted as a rotary bearing by means of a sealed rolling bearing (18) which separates the interior (19) of the hydrogen blower (11) from the housing interior (20).

Fuel cell system (1) according to Claim 6 , characterized in that a power transmission device (22) selected from the group of devices comprising gears and compensating couplings is connected between the compressor wheel (21) of the hydrogen blower (11) and the shaft (10) of the electric motor (8).

Method for operating a fuel cell system (1), wherein the anode side of a fuel cell stack (2) is operated superstoichiometrically by partially recirculating hydrogen, and wherein at the same time air is supplied to the cathode side of the fuel cell stack (2) by means of an air compressor (6) which is driven by an electric motor (8) which at the same time drives a hydrogen blower (11) serving for hydrogen recirculation, characterized in that while the fuel cell stack (2) is being supplied with air and hydrogen, part of the compressed air is guided into a housing interior (20) separated from the interior (19) of the hydrogen blower (11) by a sealed rotary bearing (18).

Procedure according to Claim 8 , characterized in that a gas mixture, which comprises compressed air branched off from the air compressor (6) and gas escaped from the hydrogen blower (11) through the rotary bearing (18), is led from the housing interior (20) into a cathode outlet line (24) connected to the fuel cell stack (2).

Procedure according to Claim 8 or 9 , characterized in that the recirculating hydrogen is throttled downstream of the hydrogen blower (11) in a controlled and/or regulated manner.