Fluid delivery device for hydrogen-containing process fluids

专利摘要:
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fördervorrichtung für Prozessfluid in einem System mit elektrochemischen Zellen, die eine Fluidbarriere zwischen einem Prozessfluidfach und einem Antriebsfach der Fluidfördervorrichtung aufweist. Die Fluidbarriere umfasst ein Verbindungsfach, das mit Barrieregas gefüllt ist. Der Druck des Verbindungsfaches wird durch Fluidverbindung mit in einer Speichervorrichtung gespeichertem Barrieregas über dem Druck der Prozessfluid- und Antriebsfächer gehalten. Das Barrieregas ist bevorzugt ein nicht reaktives wie auch entfeuchtetes Gas. Die vorliegende Erfindung betrifft auch Verfahren, um das wasserstoffhaltige Prozessfluid in dem Prozessfluidfach von dem Antriebsfach zu isolieren, das bevorzugt in Fluidverbindung mit der Umgebung steht.The present invention relates to a process fluid conveyor in an electrochemical cell system having a fluid barrier between a process fluid compartment and a drive compartment of the fluid delivery apparatus. The fluid barrier comprises a connection compartment filled with barrier gas. The pressure of the connection compartment is maintained above the pressure of the process fluid and drive compartments by fluid communication with barrier gas stored in a storage device. The barrier gas is preferably a non-reactive as well as dehumidified gas. The present invention also relates to methods of isolating the hydrogen-containing process fluid in the process fluid compartment from the drive compartment, which is preferably in fluid communication with the environment.
公开号:DE102004024347A1
申请号:DE200410024347
申请日:2004-05-17
公开日:2005-02-17
发明作者:Ralph Hobmeyer；Dirk Wexel
申请人:Motors Liquidation Co；
IPC主号:F04B17-00

专利说明:
[0001] Dievorliegende Erfindung betrifft Fluidfördervorrichtungen in einemSystem mit elektrochemischen Zellen und insbesondere eine Fluidbarrierein einer Vorrichtung zur Förderungvon wasserstoffhaltigem Prozessfluid in einer elektrochemischenZelle.TheThe present invention relates to fluid delivery devices in oneSystem with electrochemical cells and in particular a fluid barrierin a device for conveyingof hydrogenated process fluid in an electrochemicalCell.
[0002] ElektrochemischeBrennstoffzellen können aufeinem breiten Anwendungsgebiet als Strom- bzw. Energiequelle verwendetwerden, wie beispielsweise als eine für Verbrennungsmotoren alternativeEnergiequelle fürKraftfahrzeuganwendungen. Eine elektrochemische Brennstoffzelleumfasst eine zwischen Elektroden schichtartig angeordnete Membran.Eine bevorzugte Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran(PEM), bei der Wasserstoff (H₂) als eineBrennstoffquelle oder als Reduktionsmittel an einer Anodenelektrodeverwendet wird, und Sauerstoff (O₂) alsdas Oxidationsmittel an einer Kathodenelektrode entweder in reingasförmigerForm oder kombiniert mit Stickstoff und anderen inerten, in Luftvorhandenen Verdünnungsstoffen vorgesehenwird. Beim Betrieb der Brennstoffzelle wird Elektrizität durchelektrisch leitende Elemente neben den Elektroden über daselektrische Potential erzeugt, das während der in der Brennstoffzellestattfindenden Reduktions-Oxidations-Reaktionerzeugt wird.Electrochemical fuel cells can be used in a wide range of applications as a source of power, such as an alternative source of energy for automotive applications for internal combustion engines. An electrochemical fuel cell comprises a membrane sandwiched between electrodes. A preferred fuel cell is a proton exchange membrane (PEM) fuel cell using hydrogen (H ₂ ) as a fuel source or reducing agent on an anode electrode, and oxygen (O ₂ ) as the oxidant on a cathode electrode either in pure gaseous form or combined with nitrogen and other inert diluents present in air. During operation of the fuel cell, electricity is generated by electrically conductive elements adjacent to the electrodes via the electrical potential generated during the reduction-oxidation reaction taking place in the fuel cell.
[0003] Fluidfördervorrichtungenin der Brennstoffzelle wälzendie Prozessfluide (beispielsweise Reaktandengase, Kühlmittel,Abflussströme) durchdas gesamte System um. Fluidfördervorrichtungen,die wasserstoffhaltige Gase an die Anode liefern bzw. von dieserentfernen, weisen aufgrund der Reaktivität von Wasserstoff und der wasserstoffhaltigenGase besondere Konstruktionsanforderungen auf. Die Fluidfördervorrichtungsollte die wasserstoffhaltigen Prozessfluide ausreichend isolieren,so dass die wasserstoffhaltigen Gase nicht in die Umgebung abgegebenwerden. Fluidfördervorrichtungen,wie beispielsweise Pumpen, Gebläseund Kompressoren, besitzen typischerweise rotierende Wellen, diedurch das Gehäuseeines Motorfaches zu einem Prozessfluidfach verlaufen. Die Dichtungen,die die Welle umgeben und die Motor- und Prozessfluidfächer trennen,könnendie Prozessfluide vollständigvon der Umgebung abdichten. Andere Konstruktionen von Fluidfördervorrichtungenkönnendie Vorrichtung von der Umgebung dadurch isolieren, dass diese von einem(beispielsweise hermetisch) abgedichteten Schutzgehäuse umschlossenwird. Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserung der Fluidbarrieren vonFluidfördervorrichtungen,die reaktive, korrosive und/oder brennbare Prozessfluide, welcheisoliert werden müssen,transportieren können,wie beispielsweise die in einem Brennstoffzellensystem transportiertenAnodenprozessfluide.Fluid delivery devicesroll in the fuel cellthe process fluids (for example, reactant gases, coolant,Runoff streams)the entire system. Fluid delivery devices,deliver the hydrogen-containing gases to the anode or from thisremove due to the reactivity of hydrogen and the hydrogen-containingGases special design requirements. The fluid delivery deviceshould sufficiently isolate the hydrogenous process fluids,so that the hydrogen-containing gases are not released into the environmentbecome. Fluid delivery devices,such as pumps, blowersand compressors, typically have rotating shafts thatthrough the housingan engine compartment to a process fluid compartment. The seals,surrounding the shaft and separating the motor and process fluid compartments,canthe process fluids completelycaulk from the environment. Other constructions of fluid delivery devicescanIsolate the device from the environment by removing it from aEnclosed (for example, hermetically sealed) protective housingbecomes. The present invention relates to improvement of the fluid barriers ofFluid delivery devices,the reactive, corrosive and / or flammable process fluids whichneed to be isolatedcan transportsuch as those transported in a fuel cell systemAnode process fluids.
[0004] Einebevorzugte Ausführungsformder vorliegenden Erfindung betrifft eine Fluidfördervorrichtung für ein wasserstoffhaltigesProzessfluid, die ein Prozessfluidfach, das einen ersten Druck aufweist,ein Antriebsfach, das einen zweiten Druck aufweist und eine Antriebseinheitbesitzt, um das Prozessfluid durch das Prozessfluidfach zu bewegen,und ein Verbindungsfach umfasst, das zwischen dem Prozessfluidfachund dem Antriebsfach angeordnet ist und durch das die Antriebswelleverläuft.Eine Vorrichtung zur Speicherung von Barrieregas in Fluidverbindungmit dem Verbindungsfach weist Barrieregas auf. Das Verbindungsfachwird auf einem dritten Druck gehalten, der größer als sowohl der erste als auchzweite Druck ist.Apreferred embodimentThe present invention relates to a fluid delivery device for a hydrogen-containingProcess fluid comprising a process fluid compartment having a first pressurea drive compartment having a second pressure and a drive unithas to move the process fluid through the process fluid compartment,and a connection compartment that is sandwiched between the process fluid compartmentand the drive compartment is arranged and through which the drive shaftruns.A device for storing barrier gas in fluid communicationwith the connection compartment has barrier gas. The connection compartmentis held at a third pressure that is greater than both the first and the secondsecond pressure is.
[0005] Einealternative bevorzugte Ausführungsformder vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren, um wasserstoffhaltigesProzessfluid in einer Fluidfördervorrichtungzu isolieren. Das Verfahren umfasst, dass ein erster Druck in einemProzessfluidfach überwachtwird, ein zweiter Druck in einem Antriebsfach überwacht wird, und ein dritterDruck in einem Verbindungsfach, das ein Barrieregas aufweist, überwachtwird, wobei alle Fächerdurch Gasmigration bzw. -wanderung über Dichtungen hinweg miteinanderin Fluidverbindung stehen. Der dritte Druck wird auf einem Wertgehalten, der größer alssowohl der erste als auch der zweite Druck ist, wodurch verhindertwird, dass das Prozessfluid in dem Prozessfluidfach in das Antriebsfachwandern kann, wenn sich das Prozessfluid durch das Prozessfluidfachder Fluidfördervorrichtungbewegt.Aalternative preferred embodimentThe present invention comprises a process for hydrogenatedProcess fluid in a fluid delivery deviceto isolate. The method includes that a first pressure in aProcess fluid compartment monitoredis monitored, a second pressure in a drive compartment, and a thirdPressure in a connection compartment, which has a barrier gas monitoredbeing, with all subjectsby gas migration or migration across seals with each otherin fluid communication. The third pressure will be on a valuekept that larger thanboth the first and the second pressure is, thereby preventingis that the process fluid in the process fluid compartment in the drive compartmentcan migrate when the process fluid through the process fluid compartmentthe fluid delivery deviceemotional.
[0006] Eineandere alternative bevorzugte Ausführungsform der vorliegendenErfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Fluiden in einerVorrichtung, die Anodenumwälzfluidin einer Brennstoffzelle fördert.Das Verfahren umfasst, dass ein Barrieregas entfeuchtet wird, dasBarrieregas unter Druck gesetzt wird und das entfeuchtete und unterDruck gesetzte Barrieregas an ein Verbindungsfach geliefert wird, daszwischen einem Prozessfluidfach, das wasserstoffhaltige Prozessfluideumfasst, und einem Antriebsfach in Fluidverbindung mit der Umgebungangeordnet ist, wobei das Verbindungsfach das Barrieregas enthält und einenDruck aufweist, der größer alsder Druck des Prozessfluidfaches und der Druck des Antriebsfachesist.Aanother alternative preferred embodiment of the present inventionThe invention relates to a method for separating fluids in oneDevice, the Anodenumwälzfluidpromotes in a fuel cell.The method includes dehumidifying a barrier gas thatBarrier gas is pressurized and dehumidified and underPressure set barrier gas is delivered to a connection compartment, thebetween a process fluid compartment, the hydrogen-containing process fluidsand a drive compartment in fluid communication with the environmentis arranged, wherein the connection compartment contains the barrier gas and aPressure greater thanthe pressure of the process fluid compartment and the pressure of the drive compartmentis.
[0007] WeitereAnwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgendendetaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen,dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele,währendsie die bevorzugte Ausführungsformder Erfindung angeben, nur zum Zwecke der Veranschaulichung undnicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.Further fields of application of the present invention will become apparent from the following detailed description. It should be understood that the detailed description as well as the specific examples, while indicating the preferred embodiment of the invention, are intended for purposes of illustration only and are not intended to be within the scope of the invention limit.
[0008] Dievorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahmeauf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:TheThe present invention will now be described by way of example onlyto the accompanying drawings, in which:
[0009] 1 eine schematische Darstellungeines beispielhaften Brennstoffzellensystems mit einer Anodenrezirkulationist; 1 FIG. 3 is a schematic illustration of an exemplary fuel cell system having an anode recirculation; FIG.
[0010] 2 eine schematische Darstellungist, die ein Fluidbarrieren-Dichtungssystem für eine Fluidfördervorrichtunggemäß der vorliegendenErfindung zeigt; 2 Fig. 12 is a schematic diagram showing a fluid barrier sealing system for a fluid delivery device according to the present invention;
[0011] 3 eine Schnittansicht einerFluidfördervorrichtungmit einer Fluidbarriere gemäß den Grundsätzen dervorliegenden Erfindung ist; 3 Figure 11 is a sectional view of a fluid barrier fluid barrier device in accordance with the principles of the present invention;
[0012] 4 eine aufgeschnittene perspektivische Ansichteiner Welle und Dichtungen der Fluidbarriere von 3 ist; 4 a cutaway perspective view of a shaft and seals the fluid barrier of 3 is;
[0013] 5 eine teilweise Schnittansichtentlang der Linie 5-5 der Fluidbarriere von 3 ist. 5 a partial sectional view taken along the line 5-5 of the fluid barrier of 3 is.
[0014] Diefolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen) ist lediglichbeispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihreAnwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.Thefollowing description of the preferred embodiments) is merelyexemplary nature and not intended to the invention, theirApplication or their use.
[0015] Dievorliegende Erfindung betrifft eine Fluidbarriere für eine Fluidfördervorrichtungin einem Brennstoffzellensystem, um die Prozessfluide in einem Stufenfachbzw. Prozessfluidfach von einem Antriebsfach und der Umgebung zutrennen. Die Fluidbarriere wird durch ein zusätzliches Fach vorgesehen, dasdie Prozessfluid- und Antriebsfächertrennt. Das zusätzlicheFach ist bevorzugt mit einem Barrierefluid (beispielsweise Gas)gefülltund steht unter einem höherenDruck als die benachbarten Prozessfluid- und Antriebsfächer, umeine Fluidströmungzwischen den Prozessfluid- und Antriebsfächern zu verhindern. Die vorliegendeErfindung kann in Fluidfördervorrichtungenverwendet werden, die sowohl flüssigeals auch gasförmigeProzessfluide umwälzen. Zunächst wirdzum besseren Verständnisder vorliegenden Erfindung ein beispielhaftes elektrochemischesBrennstoffzellensystem näherbeschrieben, mit dem die vorliegende Erfindung verwendet werden kann.In 1 ist eine einzelneBrennstoffzelle 20 in einem Stapel (Stack) 22 gezeigt.Der Stapel 22 kann optional mehrere verbundene Brennstoffzellenumfassen, wie es in der Technik gut bekannt ist, wobei jedoch hierder Einfachheit halber nur eine einzelne Brennstoffzelle gezeigtist. Die Brennstoffzelle 20 umfasst eine Polymerelektrolytmembran 24,die schichtartig zwischen zwei Elektroden, nämlich einer Kathode 26 undeiner Anode 28, angeordnet ist. In sowohl die Anode 28 alsauch die Kathode 26 werden Reaktandengase eingeführt, wobeibei einer bevorzugten Ausführungsformdas in die Anode 28 eingeführte Reaktandengas wasserstoffhaltig(ein Reduktionsmittel) ist und das in die Kathode eingeführte Reaktandengassauerstoffhaltig (ein Oxidationsmittel) ist. Fluidfördervorrichtungen 30,wie beispielsweise Pumpen oder Gebläse, zirkulieren Reaktandengase inden Stapel 22. Die Kathoden- und Anodenelektroden 26, 28 umfassentypischerweise Katalysatoren, um die elektrochemische Reaktion zwischendem Sauerstoff und dem Wasserstoff zu erleichtern. Eine bevorzugtePolymerelektrolytmembran 24 ist eine Protonenaustauschmembran,die einen Transport von Protonen von der Anode 28 an dieKathode 26 zulässt,wodurch ein elektrochemisches Potential erzeugt wird. Polymerelektrolytmembrane 24 erfordern eineBefeuchtung, die allgemein durch eine Befeuchtungseinrichtung 32 vorgesehenwird, der Feuchtigkeit an das in den Stapel 22 eintretendesauerstoffhaltige Reaktandengas liefert.The present invention relates to a fluid barrier for a fluid delivery device in a fuel cell system for separating the process fluids in a process fluid compartment from a drive compartment and the environment. The fluid barrier is provided by an additional compartment that separates the process fluid and drive compartments. The additional compartment is preferably filled with a barrier fluid (eg, gas) and is under a higher pressure than the adjacent process fluid and drive compartments to prevent fluid flow between the process fluid and drive compartments. The present invention can be used in fluid delivery devices that circulate both liquid and gaseous process fluids. First, in order to better understand the present invention, an exemplary electrochemical fuel cell system with which the present invention can be used will be described in more detail. In 1 is a single fuel cell 20 in a stack 22 shown. The stack 22 Optionally, it may include a plurality of connected fuel cells, as is well known in the art, but for simplicity only a single fuel cell is shown. The fuel cell 20 comprises a polymer electrolyte membrane 24 layered between two electrodes, namely a cathode 26 and an anode 28 , is arranged. In both the anode 28 as well as the cathode 26 reactant gases are introduced, in a preferred embodiment, into the anode 28 introduced reactant gas is hydrogen-containing (a reducing agent) and the reactant gas introduced into the cathode is oxygen-containing (an oxidizing agent). Fluid delivery devices 30 such as pumps or blowers, reactant gases circulate in the stack 22 , The cathode and anode electrodes 26 . 28 typically include catalysts to facilitate the electrochemical reaction between the oxygen and the hydrogen. A preferred polymer electrolyte membrane 24 is a proton exchange membrane, which is a transport of protons from the anode 28 to the cathode 26 allows, creating an electrochemical potential is generated. Polymer electrolyte membrane 24 require humidification, generally by a humidifier 32 is provided, the moisture to the in the stack 22 incoming oxygenated reactant gas provides.
[0016] ElektrochemischeReaktionen in der Brennstoffzelle 20 erzeugen Produktwasser,das auf der Seite der Kathode 26 gebildet wird. An derAnode 28 wird Wasserstoffgas im Verhältnis zu den in der Brennstoffzelle 20 stattfindendenReaktionen verbraucht. Bei einem üblichen Betrieb werden nurwenige oder überhauptkeine Reaktionsnebenprodukte an der Anode 28 erzeugt. Essind viele verschiedene Anordnungen zur Fluidförderung an der Anode 28 möglich, undan die Anode 28 geliefertes frisches, wasserstoffhaltigesGas kann in den Stapel 22 zugeführt werden, ohne überschüssiges Gaswieder abzuführen,wobei angenommen wird, dass der gesamte Wasserstoff in den Reaktionenin der Brennstoffzelle 20 verbraucht wird und anschließend keinAnodenabfluss zurückin den Anodeneinlass 36 rückgeführt wird. Eine derartige Anordnungist allgemein als eine "unterbrochene" bzw. diskontinuierlicheAnodengaszirkulation bekannt. Andere diskontinuierliche Betriebsanordnungenkönnenden Anodenabflussstrom verwenden, indem dieser an verschiedene Teiledes Systems oder andere Prozesse geliefert wird, jedoch der Anodenabflussnicht an den Anodeneinlass 36 zurückgeführt wird. Eine Umleitung desselbenan andere Prozesse kann umfassen, dass der Anodenabfluss in eineWasserstoffreformierungsanlage (nicht gezeigt) oder an andere Bereichegeführt wird,an denen in dem Abflussstrom enthaltener restlicher Wasserstoffverbraucht wird. Ein alternatives Betriebskonzept, wie in 1 gezeigt ist, umfasst einenkontinuierlichen Betriebskreislauf 34, bei dem der Anodenabflussstromdurch eine Anodenumwälzpumpe 40 inden Anodeneinlass 36 zurückgepumpt oder rückgeführt wird.Der rückgeführte Anodeneinlassstromdurchläuftoptional einen Umwälzkreislauffilter 37,um Unreinheiten zu entfernen. Anodengase werden typischerweise befeuchtet,währendsie durch die Brennstoffzelle 20 zirkulieren, und werden auchbeim Verlassen des Stapels 22 befeuchtet. KontinuierlicheAnodenumwälzsystemesind fürverschiedene Aspekte der Brennstoffzellenleistung vorteilhaft, einschließlich derBewahrung des Feuchtegehalts. Anodenumwälzsysteme sind häufig in Brennstoffzellensystemeintegriert.Electrochemical reactions in the fuel cell 20 produce product water on the side of the cathode 26 is formed. At the anode 28 Hydrogen gas is relative to those in the fuel cell 20 consuming reactions consumed. In a typical operation, there are few or no reaction by-products at the anode 28 generated. There are many different arrangements for fluid delivery at the anode 28 possible, and to the anode 28 supplied fresh, hydrogen-containing gas can in the stack 22 be supplied without dissipating excess gas, it being assumed that all the hydrogen in the reactions in the fuel cell 20 is consumed and then no anode effluent back into the anode inlet 36 is returned. Such an arrangement is commonly known as a "discontinuous" anode gas circulation. Other discontinuous operating arrangements may use the anode effluent stream by delivering it to various parts of the system or other processes, but not the anode effluent to the anode inlet 36 is returned. Redirecting it to other processes may involve passing the anode effluent to a hydrogen reformer (not shown) or other areas where residual hydrogen contained in the effluent is consumed. An alternative operating concept, as in 1 shown comprises a continuous operating cycle 34 in which the anode effluent stream is passed through an anode recycle pump 40 into the anode inlet 36 is pumped back or recycled. The recirculated anode inlet stream optionally passes through a recirculation loop filter 37 to remove impurities. Anode gases are typically moistened while they are through the fuel cell 20 circulate, and also when leaving the pile 22 moistened. Continuous anode recirculation systems are advantageous for various aspects of fuel cell performance, including the preservation of moisture content. Anode circulation systems are often integrated into fuel cell systems.
[0017] Jedochkann aufgrund der hohen Reaktivität von Wasserstoff eine zusätzlicheFörderungvon wasserstoffhaltigen Prozessgasen oder -fluiden, wie beispielsweiseAnodenabfluss, Probleme beim Betrieb und der Qualität zur Folgehaben. Zündquellen oderandere reaktive Quellen könnenmit dem Wasserstoff in verschiedenen Komponenten in einem Systemreagieren, was problematisch ist. Die Leckage von befeuchteten wasserstoffhaltigenGasen in das Antriebsfach hat eine Korrosion oder einen chemischenAngriff (beispielsweise eine Passivierung) der verschiedenen Motorkomponentendes Motors zur Folge. Wenn die magnetischen Materialien in dem Motorder Fluidfördervorrichtungwasserstoffhaltigen befeuchteten Anodengasen ausgesetzt werden,hat dies einen nachteiligen Einfluss auf die induktive Leistungsfähigkeitund verkürztdie Lebensdauer des Pumpenmotors erheblich. Eine Integration vonzusätzlichenFluidfördervorrichtungen(beispielsweise Pumpen oder Gebläse),die mit wasserstoffhaltigen Prozessgasen und insbesondere denjenigen, diesowohl eine hohe Feuchte als auch einen hohen Wasserstoffgehaltbesitzen, in Kontakt stehen, wie beispielsweise die Anodenumwälzpumpe 40 indem vorliegenden Zusammenhang, müssensorgfältigangepasst werden, um die Prozessfluide zu isolieren. Die vorliegendeErfindung umfasst herkömmliche mechanischeDichtungen und sieht ferner eine zusätzliche Schutzbarriere vor,um eine Isolierung der Prozessfluide sicherzustellen.However, due to the high reactivity of hydrogen, additional delivery of hydrogen-containing process gases or fluids, such as anode effluent, can cause operational and quality problems. Ignition sources or other reactive sources can react with the hydrogen in various components in a system, which is problematic. The leakage of humidified hydrogen-containing gases into the drive compartment results in corrosion or chemical attack (for example, passivation) of the various engine components of the engine. If the magnetic materials in the motor of the fluid delivery device are exposed to hydrogen-containing humidified anode gases, this has a detrimental effect on inductive performance and significantly shortens the life of the pump motor. An integration of additional fluid delivery devices (eg, pumps or blowers) in contact with hydrogen-containing process gases, and especially those having both high humidity and high hydrogen content, such as the anode recycle pump 40 In the present context, care must be taken to isolate the process fluids. The present invention includes conventional mechanical seals and also provides an additional protective barrier to insure isolation of the process fluids.
[0018] Einebevorzugte Anordnung eines Fluidbarrierendichtungssystems in einerFluidfördervorrichtunggemäß der vorliegendenErfindung ist in 2 gezeigt.Eine beispielhafte Fluidfördervorrichtung, wiebeispielsweise die Anodenumwälzpumpe 40,besitzt ein Prozessfluid- oder Stufenfach 42, das die Prozessfluideenthältund transportiert. Eine Vortriebsvorrichtung (beispielsweise einFlügelrad 44) siehteinen Vortrieb fürdas Prozessfluid vor, wenn dieses das Stufenfach 42 verlässt, undist mit einer Antriebseinheit verbunden, die eine drehbare Welle 46 umfasst,die an ein Motor- oder Antriebsfach 48 verläuft. EinBarrierefluid, das bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformenein Gas ist, wird von einer Quelle 52 bezogen und entlangeines Barrieregaszufuhrweges 54 geführt, der eine Fluidbarriere 56 inder Anodenumwälzpumpe 40 beliefert.Die Barrieregasquelle 52 kann ein Speichertank oder -zylinder oderin dem Fall von Luft die Umgebung sein. Das Barrieregas wird aneinen Einlass 60 eines Kompressors 58 geführt, andem es unter Druck gesetzt wird. Das unter Druck gesetzte Barrieregasverlässtden Kompressor 58 an einem Auslass 62 und trittin einen ersten Durchgang 64 ein. In dem ersten Durchgang 64 istein Ventil 66 angeordnet, um eine Isolierung und/ oderRegulierung der Barrieregasströmungvon dem Kompressor 58 vorzusehen.A preferred arrangement of a fluid barrier seal system in a fluid delivery device according to the present invention is shown in FIG 2 shown. An exemplary fluid delivery device, such as the anode circulation pump 40 , has a process fluid or step compartment 42 containing and transporting the process fluids. A propulsion device (for example an impeller 44 ) provides propulsion for the process fluid, if this is the step compartment 42 leaves, and is connected to a drive unit which has a rotatable shaft 46 includes, attached to a motor or drive compartment 48 runs. A barrier fluid, which in certain preferred embodiments is a gas, is from a source 52 and along a barrier gas supply path 54 led, which is a fluid barrier 56 in the anode circulation pump 40 supplies. The barrier gas source 52 For example, a storage tank or cylinder, or in the case of air, may be the environment. The barrier gas is directed to an inlet 60 a compressor 58 led, where it is pressurized. The pressurized barrier gas leaves the compressor 58 at an outlet 62 and enters a first pass 64 one. In the first round 64 is a valve 66 arranged to isolate and / or regulate the barrier gas flow from the compressor 58 provided.
[0019] DasBarrieregas wird an eine Entfeuchtungseinrichtung 68 unddann durch einen zweiten Durchgang 70 an einen unter Druckstehenden Speicherbehälter 72 geführt. Einin dem zweiten Durchgang 70 angeordnetes Rückschlagventil 74 istso vorgespannt, dass es eine Strömungin der Richtung des unter Druck stehenden Speicherbehälters 72 zulässt undeinen Rückflussin der Richtung der Befeuchtungseinrichtung 68 unterbindet.Für Fachleuteist es offensichtlich, dass sich die Reihenfolge von Kompressor 58 undEntfeuchtungseinrichtung 68 entlang des Barrierezufuhrweges 54 vonder in 2 gezeigten Anordnungunterscheiden kann und zuerst eine Entfeuchtung des Barrieregases,wenn es von der Quelle 52 gezogen wird, und dann eine Druckbeaufschlagungdes Barrieregases in dem Kompressor 58 umfassen kann, umeine im Wesentlichen ähnliche Konditionierungdes Barrieregases zu erhalten. Ferner können bereits Kompressoren ineinem System zu anderen Zwecken enthalten sein, und derartige Kompressorenkönneneine zusätzlicheKapazität besitzen.In einem solchen Fall könnensich die vorliegende Erfindung und die anderen Prozesse in dem Systemden Kompressor 58 teilen. Der unter Druck stehende Speicherbehälter 72 istmit einem dritten Durchgang 76 verbunden, der zu der Fluidbarriere 56 ineiner Verbindungskammer oder einem Verbindungsfach 80 führt, daszwischen dem Stufenfach 42 und Antriebsfach 48 angeordnetist. Druckmesseinrichtungen 82 sind entlang des Zufuhrweges 54 angeordnet.Die verschiedenen Druckmessungen von den Druckmesseinrichtungen 82 werdendazu verwendet, Betriebsabläufeder Ausrüstungund Ventile entlang des Bar rieregaszufuhrweges 54 zu überwachenund zu steuern. Die genauen Orte der Druckmesseinrichtungen 82 können vonden gezeigten abhängigvon den verschiedenen Systemkonstruktionsanforderungen abweichen,wie fürFachleute offensichtlich ist.The barrier gas is sent to a dehumidifier 68 and then through a second passage 70 to a pressurized storage tank 72 guided. One in the second round 70 arranged check valve 74 is biased so that there is a flow in the direction of the pressurized storage tank 72 allows and a reflux in the direction of the humidifier 68 in derogation. For professionals, it is obvious that the order of compressor 58 and dehumidifier 68 along the barrier supply path 54 from the in 2 shown arrangement and first a dehumidification of the barrier gas when it comes from the source 52 is pulled, and then a pressurization of the barrier gas in the compressor 58 to obtain substantially similar conditioning of the barrier gas. Furthermore, compressors may already be included in a system for other purposes, and such compressors may have additional capacity. In such a case, the present invention and the other processes in the system may be the compressor 58 share. The pressurized storage tank 72 is with a third pass 76 connected to the fluid barrier 56 in a connection chamber or a connection compartment 80 that leads between the step compartment 42 and drive compartment 48 is arranged. Pressure measuring devices 82 are along the feed way 54 arranged. The various pressure measurements from the pressure measuring devices 82 are used to operate the equipment and valves along the barrier gas supply path 54 to monitor and control. The exact locations of the pressure measuring equipment 82 may vary from those shown depending on the various system design requirements, as will be apparent to those skilled in the art.
[0020] Wiein 3 gezeigt ist, umfasstdas Antriebsfach 48 der Anodenumwälzpumpe 40 eine Antriebseinheit,die den Motor 86 umfasst, der Induktionswicklungen 88 aufweist,die die Welle 46 umgeben, um eine Rotation zu bewirken.Die Welle 46 der Antriebseinheit überträgt schließlich eine Bewegung an dasFlügelrad 44,das Fluide in dem Stufenfach 42 antreibt. Die Welle 46 erstrecktsich axial von dem Antriebsfach 48 in und durch das Verbindungsfach 80 zudem Stufenfach 42. Allgemein ist in dem Antriebsfach 48 einzweiter Kühllüfter 90 vorgesehen,der Umgebungsluft zur Kühlungdes Motors 86 und seiner verschiedenen Komponenten zuführt. DasAntriebsfach 48 steht in Fluidverbindung mit der Außenumgebung.Ein Gehäuse 92 umschließt die Komponentendes Motors 86 und des Kühllüfters 90.Das Antriebsfach 48 ist benachbart des Verbindungsfaches 80 aufeiner ersten Seite 100 angeordnet. Eine Gehäusewand 94 desAntriebsfaches 48 endet in einer Dichtung 96,die die Welle 46 umgibt. Die Dichtung 96 siehteine mechanische Fluidbarriere zwischen dem Verbindungsfach 80 unddem Antriebsfach 48 vor.As in 3 is shown, includes the drive compartment 48 the anode circulation pump 40 a drive unit that drives the engine 86 includes, the induction windings 88 that has the shaft 46 surrounded to make a rotation. The wave 46 The drive unit finally transmits a movement to the impeller 44 , the fluids in the step compartment 42 drives. The wave 46 extends axially from the drive compartment 48 in and through the connection compartment 80 to the step compartment 42 , General is in the drive compartment 48 a second cooling fan 90 provided, the ambient air for cooling the engine 86 and its various components. The An operating times 48 is in fluid communication with the outside environment. A housing 92 encloses the components of the engine 86 and the cooling fan 90 , The drive compartment 48 is adjacent to the connection compartment 80 on a first page 100 arranged. A housing wall 94 of the drive compartment 48 ends in a seal 96 that the wave 46 surrounds. The seal 96 sees a mechanical fluid barrier between the connection compartment 80 and the drive compartment 48 in front.
[0021] DasStufenfach 42 ist neben dem Verbindungsfach 80 aufeiner zweiten Seite 102, die der ersten Seite 100 gegenüberliegt,angeordnet. Das Prozessfluid wird an einem Einlass 106 indas Stufenfach 42 eingeführt und verlässt diesesan einem Auslass 108. Solches Prozessfluid ist in dem Falleiner Anodenumwälzpumpe 40 typischerweiseein befeuchtetes wasserstoffhaltiges Gas, wobei die vorliegendeErfindung jedoch auf beliebige brennbare, giftige, reaktive oderkorrosive Fluide anwendbar ist, die ausschließlich in dem Prozessfluid-Stufenfach 42 einerFluidfördervorrichtungenthalten sein müssen. Dievorliegende Erfindung ist auch als eine Fluidbarriere in anderenFluidfördervorrichtungenmit getrennten Vortriebs- und Antriebsfächern anwendbar, wie beispielsweiseKompressoren, Gebläsenund dergleichen.The step compartment 42 is next to the connection compartment 80 on a second page 102 that's the first page 100 opposite, arranged. The process fluid is at an inlet 106 into the step compartment 42 introduced and leaves this at an outlet 108 , Such process fluid is in the case of an anode recirculation pump 40 typically a humidified hydrogen-containing gas, however, the present invention is applicable to any combustible, toxic, reactive or corrosive fluids exclusively in the process fluid step compartment 42 a fluid delivery device must be included. The present invention is also applicable as a fluid barrier in other fluid delivery devices having separate propulsion and drive compartments, such as compressors, blowers, and the like.
[0022] Gemäß einerbevorzugten Ausführungsform dervorliegenden Erfindung stellt das Verbindungsfach 80 einenBereich dar, der zwischen und benachbart sowohl dem Antriebsstufenfach 48 alsauch dem Prozessfluidstufenfach 42 entlang der gegenüberliegendenersten und zweiten Seiten 100, 102 angeordnetist. Das Verbindungsfach 80 besitzt ein Gehäuse 98,das mit den Antriebs- und/oder Stufenfächern 48, 42 inden Bereichen gemeinsame Wändeteilt, die den Antriebs- und Stufenfächern 48, 42 benachbart sind.Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen kann das Verbindungsfach 80 optionalals ein vollständiggetrenntes Gehäusemit unabhängigen Wänden undDichtungen ausgebildet sein. Der dritte Durchgang 76 (2) ist mit einem Einlass 104 des Verbindungsfaches 80 verbunden,mit dem Barrierefluid eingefülltund zugeliefert wird. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasstdie Regulierung und Beibehaltung des Druckes des Verbindungsfaches 80 über demDruck der beiden benachbarten Fächer 42, 48,wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Gemäß der bevorzugtenAusführungsformender vorliegenden Erfindung sieht das Barrierefluid des Verbindungsfaches 80 einzusätzlichesMittel zur Isolierung der durch das Stufenfach 42 zirkulierendenProzessfluide von dem Antriebsfach 48 und der Außenumgebungvor (zusätzlichzu den mechanischen Dichtungen 96, die an der Verbindungsstelleoder Grenze zwischen dem Gehäusejedes Faches und der Welle 46 angeordnet sind). Bei bevorzugtenAusführungsformender vorliegenden Erfindung ist das Barrierefluid allgemein, wenndas Prozessfluid gasförmigist, ein Barrieregas, das einen ausreichenden Druck besitzt, umeine Fluidisolierung vorzusehen. Bei alternativen bevorzugten Ausführungsformen kanndas Barrierefluid eine Flüssigkeitsein, die unter Druck gesetzt werden kann, um Prozessfluide, die Flüssigkeitensein können,zu isolieren.According to a preferred embodiment of the present invention, the connection compartment 80 an area that is between and adjacent to both the drive stage compartment 48 as well as the process fluid level subject 42 along the opposite first and second sides 100 . 102 is arranged. The connection compartment 80 has a housing 98 that with the drive and / or step compartments 48 . 42 in the areas shared walls divides the drive and step compartments 48 . 42 are adjacent. In alternative preferred embodiments, the connection compartment 80 optionally be designed as a completely separate housing with independent walls and seals. The third passage 76 ( 2 ) is with an inlet 104 of the connection compartment 80 connected, filled with the barrier fluid and supplied. One aspect of the present invention involves the regulation and maintenance of the pressure of the junction compartment 80 above the pressure of the two adjacent compartments 42 . 48 , as described in more detail below. According to the preferred embodiments of the present invention, the barrier fluid of the connection compartment 80 an additional means of isolation through the step compartment 42 circulating process fluids from the drive compartment 48 and the outside environment (in addition to the mechanical seals 96 at the junction or border between the housing of each compartment and the shaft 46 are arranged). In preferred embodiments of the present invention, when the process fluid is gaseous, the barrier fluid is generally a barrier gas that has sufficient pressure to provide fluid isolation. In alternative preferred embodiments, the barrier fluid may be a liquid that can be pressurized to isolate process fluids, which may be liquids.
[0023] In 4 sind allgemein zwei beispielhafte Labyrinthdichtungen 96 mitStegen 114 oder Rotoren gezeigt, die an dem Umfang derWelle 46 befestigt sind und sich um den vollständigen Umfangder Welle 46 erstrecken. Die Stege 114 rotierenwährenddes Betriebs mit der Welle 46. Entlang des Umfangs der Fläche derGehäusewände 118 sindentsprechende Statoren oder Nuten 116 ausgebildet, diedie Welle 46 umgeben. Die Stege 114 ragen in dieentsprechenden Nuten 116 vor, so dass jeweils ein kleiner Spaltzwischen den Flächender Stege 114 und Nuten 116 gebildet wird. Diesekleinen Spalte erlauben eine Rotationsbewegung der Welle 46.In 4 are generally two exemplary labyrinth seals 96 with bars 114 or rotors shown on the circumference of the shaft 46 are attached and around the complete circumference of the shaft 46 extend. The bridges 114 rotate during operation with the shaft 46 , Along the circumference of the surface of the housing walls 118 are corresponding stators or grooves 116 formed the shaft 46 surround. The bridges 114 protrude into the corresponding grooves 116 before, so that in each case a small gap between the surfaces of the webs 114 and grooves 116 is formed. These small gaps allow a rotational movement of the shaft 46 ,
[0024] 5 zeigt eine detaillierteSchnittansicht der ringförmigenDichtungen 96 entlang der Rotationswelle 46 vonsowohl einer ersten Grenze 110 zwischen den Antriebs- undVerbindungsfächern 48, 80 alsauch einer zweiten Grenze 112 zwischen den Verbindungs-und Stufenfächern 42, 80.Die Nuten 116 sind entlang des Umfangs der Fläche derGehäusewände 118 vonsowohl der ersten Zwischenfachgrenze 110 als auch der zweitenZwischenfachgrenze 112 ausgebildet. Eine erste Dichtung 120 wirddurch einen ersten Metallsteg 122 gebildet, der die Rotationswelle 46 umgibtund in eine entsprechende erste Nut 124 vorragt, die ineinem Anschlussende 126 einer Gehäusewand 128 des Stufenfaches 42 ausgebildet ist.Eine erste Verbindungsfachwand 130, die der Gehäusewand 128 desStufenfaches 42 benachbart ist, endet an der Gehäusewand 128 desStufenfaches an dem Anschlussende 126 und geht in diese über, um dieAnordnung 120 der ersten Dichtung zu bilden. 5 shows a detailed sectional view of the annular seals 96 along the rotation shaft 46 from both a first boundary 110 between the drive and connection compartments 48 . 80 as well as a second border 112 between the connecting and step compartments 42 . 80 , The grooves 116 are along the circumference of the surface of the housing walls 118 from both the first inter-compartment boundary 110 as well as the second intermediate compartment boundary 112 educated. A first seal 120 is through a first metal bridge 122 formed, which is the rotation shaft 46 surrounds and into a corresponding first groove 124 protruding in a terminal end 126 a housing wall 128 of the step compartment 42 is trained. A first connecting compartment wall 130 that the housing wall 128 of the step compartment 42 adjacent ends at the housing wall 128 the step compartment at the connection end 126 and goes over this to the arrangement 120 to form the first seal.
[0025] Einezweite Dichtung 130 wird durch mehrere zweite Metallstege 132 gebildet,die sich um den Umfang der Welle 46 herum erstrecken. Dieentsprechenden zweiten Nuten 134 sind in einem Anschlussende 136 einerGehäusewand 138 desAntriebsfaches 48 auf dieselbe Art und Weise wie die ersten Dichtungsnuten 124 ausgebildet.Eine zweite Gehäusewand 142 desVerbindungsfaches 80 erstreckt sich entlang der Länge derGehäusewand 138 desAntriebsfaches 48, bis sie auf das Anschlussende 136 derGehäusewand 138 desAntriebsfaches übergeht, umdie Anordnung 130 der zweiten Labyrinthdichtung zu bilden.A second seal 130 is made by several second metal webs 132 formed around the circumference of the shaft 46 extend around. The corresponding second grooves 134 are in a terminal end 136 a housing wall 138 of the drive compartment 48 in the same way as the first sealing grooves 124 educated. A second housing wall 142 of the connection compartment 80 extends along the length of the housing wall 138 of the drive compartment 48 until it's on the connection end 136 the housing wall 138 of the drive compartment passes to the arrangement 130 to form the second labyrinth seal.
[0026] Wiefür Fachleuteoffensichtlich ist, können beliebigeherkömmlicheDichtungen bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden, undder beispielhafte Dichtungsaufbau, der gezeigt ist, ist als nichtbeschränkendanzusehen. Wie fürFachleute offensichtlich ist, weisen die meisten Dichtungen einengewissen Grad an Fluidmigration überdie Dichtung auf. Ferner sind Dichtungen mit einer relativ geringenFluidmigration typisch weit teurer herzustellen und kostenaufwändig zuwarten. Somit ist gemäß der vorliegendenErfindung eine kleine Menge einer Fluidmigration über dieDichtungen in den bevorzugten Ausführungsformen der vorliegendenErfindung erlaubt, was eine kostengünstigere Herstellung wie auchWartung der Dichtungen ermöglicht.Die kostengünstigerenDichtungsanordnungen, die mit der vorliegenden Erfindung ver wendbarsind, umfassen beispielsweise kontaktlose Labyrinthdichtungen oder Kontaktflächendichtungenund könnenauch Schmiermittelbarrieren oder Kolbenringdichtungen umfassen.As will be apparent to those skilled in the art, any conventional gaskets may be used in the present invention, and the exemplary gasketing construction shown is as not restrictive. As will be apparent to those skilled in the art, most seals have some degree of fluid migration across the seal. Furthermore, seals with relatively low fluid migration are typically far more expensive to manufacture and expensive to maintain. Thus, in accordance with the present invention, a small amount of fluid migration across the seals is allowed in the preferred embodiments of the present invention, allowing for less costly manufacturing as well as maintenance of the seals. The lower cost seal assemblies that are applicable with the present invention include, for example, non-contact labyrinth seals or contact surface seals and may also include lubricant barriers or piston ring seals.
[0027] DieAnordnung von Doppelstegen 132 und -nuten 134 inder zweiten Dichtung 130 sieht einen zusätzlichenSchutz vor Prozessfluiden vor, die potentiell in das Antriebsfach 148 eintretenkönnen,was die Menge an potentiell in das Antriebsfach 48 und entsprechendin die AtmosphäreströmendemBarrieregas weiter verringert. Die beispielhafte Anordnung der erstenDichtung 120, die gezeigt ist, besitzt einen einzelnenSteg 114 und eine einzelne Nut 116, was erlaubt,dass größere Mengenan Barrieregas in das Stufenfach 42 wandern können. DerartigeAnordnungen sind lediglich beispielhaft und werden auf Grundlageder fürdie jeweiligen Fächererforderlichen relativen physikalischen Isolierung oder dem für die jeweiligenFächererforderlichen relativen physikalischen Schutz unter Berücksichtigungder Eigenschaften der Prozess- und Barrieregase wie auch der Auswahlder mechanischen Dichtungen in Kombination mit verschiedenen Aspektender Fluidbarriere und gemäß der vorliegendenErfindung gewählt.The arrangement of double bars 132 and -nuts 134 in the second seal 130 provides additional protection against process fluids potentially in the drive compartment 148 can enter what the amount of potentially in the drive compartment 48 and further correspondingly reduces barrier gas flowing into the atmosphere. The exemplary arrangement of the first seal 120 that is shown has a single footbridge 114 and a single groove 116 , which allows for larger amounts of barrier gas in the step compartment 42 can walk. Such arrangements are merely exemplary and are based on the relative physical isolation required for the particular compartments or the relative physical protection required for the particular compartments, taking into account the properties of the process and barrier gases, as well as the selection of mechanical seals in combination with various aspects of the art Fluid barrier and selected according to the present invention.
[0028] Einerster Druck in dem Stufenfach 42 wird als P₁ bezeichnet.Ein zweiter Druck in dem Antriebsfach 48 wird als P₂ bezeichnet, und ein dritter Druck in demVerbindungsfach 80 wird als P₃ bezeichnet. Einbevorzugter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft, dass derKammerdruck P₃ des Verbindungsfaches aufeinem höherenNiveau als dem Druck von jedem der benachbarten Fächer (d.h.P₁, P₂) beibehaltenwird, wodurch eine Fluidbarriere 56 vorgesehen wird, dieverhindert, dass Prozessfluid von dem Stufenfach 42 indas Antriebsfach 48 oder die Außen umgebung wandern kann. Bevorzugtist P₃ > P₁ und P₃ > P₂,woraus folgt, dass der Druck des Barrieregases in dem Verbindungsfach 80 denjenigender benachbarten Stufen- und Antriebsfächer 42, 48 überschreitet.A first pressure in the step compartment 42 is referred to as P ₁ . A second pressure in the drive compartment 48 is referred to as P ₂ , and a third pressure in the connection compartment 80 is referred to as P ₃ . A preferred aspect of the present invention is that the chamber pressure P _{3 of} the connection compartment is maintained at a higher level than the pressure of each of the adjacent compartments (ie, P ₁ , P ₂ ), thereby providing a fluid barrier 56 is provided, which prevents process fluid from the step compartment 42 in the drive compartment 48 or the outside environment can wander. Preference is given to P ₃ > P ₁ and P ₃ > P ₂ , from which it follows that the pressure of the barrier gas in the connection compartment 80 those of the adjacent step and drive compartments 42 . 48 exceeds.
[0029] Eskönnengeringe Mengen von Barrieregas überdie ersten und zweiten Dichtungen 120, 130 wandern,wobei dieses von der Richtung des höheren Druckes zu dem Bereichdes niedrigeren Druckes strömt,was sich in einer von dem Verbindungsfach 80 ausgehendenBarrieregasströmungin sowohl das Stufenfach 42 als auch das Antriebsfach 48 auswirkt. DieGröße der Leckage über dieDichtungen 96 ist abhängigvon dem Differenzdruck zwischen P₃ und P₁ bzw. P₂. Der Druckdes Anodenumwälzkreislaufs ineiner Brennstoffzelle ist abhängigvon dem Brennstoffzellensystemdruck, der seinerseits allgemein eineFunktion der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle ist. Andere Variableninnerhalb der Brennstoffzelle beschränken die Betriebssystemdrücke weiter, einschließlich derDrucktoleranzniveaus der Membran. Der höhere Druck P₃ desVerbindungsfaches 80 ermöglicht die Fluidabdichtungsbarriere 56 dervorliegenden Erfindung durch Anpassen oder Überschreiten des Gesamtdruckesder Brennstoffzelle, wenn diese arbeitet. Allgemein ist der Druckder Fluidbarriere 56 so ausgebildet, dass er geringfügig höher alsder maximale, in dem Brennstoffzellensystem erreichbare Druck ist.There may be small amounts of barrier gas over the first and second seals 120 . 130 migrate, which flows from the direction of higher pressure to the region of lower pressure, resulting in one of the connection compartment 80 Outgoing barrier gas flow into both the step compartment 42 as well as the drive compartment 48 effect. The size of the leakage over the seals 96 depends on the differential pressure between P ₃ and P ₁ or P ₂ . The pressure of the anode recirculation loop in a fuel cell is dependent on the fuel cell system pressure, which in turn is generally a function of the fuel cell power output. Other variables within the fuel cell further limit operating system pressures, including membrane pressure tolerance levels. The higher pressure P _{3 of} the connection compartment 80 allows the fluid barrier 56 of the present invention by adjusting or exceeding the total pressure of the fuel cell when operating. Generally, the pressure is the fluid barrier 56 is designed to be slightly higher than the maximum pressure achievable in the fuel cell system.
[0030] Barrieregas,das in das Stufenfach 42 leckt, vereinigt sich mit denProzessfluiden und tritt unterstromig in die Brennstoffzelle 20 ein.Die Auswahl der Zusammensetzung des Barrieregases steht mit der Bewertungdes Einflusses in Verbindung, den das Barrieregas auf die Betriebsabläufe derBrennstoffzelle 20 haben kann. Obwohl die Konzentrationder Menge von in die Brennstoffzelle 20 strömendem Barrieregasbevorzugt klein oder vernachlässigbar ist,ist eine Kompatibilitätmit den Innenkomponenten der Brennstoffzelle 20 wichtig,um eine Vergiftung der Elektrodenkatalysatoren, der Membran 24 oderanderer Komponenten zu vermeiden. Ähnlicherweise tritt das Barrieregasauch in das Antriebsfach 48 ein, in dem es mit den Komponentendes Motors 86 in Kontakt tritt. Obwohl die Menge an indas Antriebsfach 48 eintretendem Barrieregas bevorzugtvernachlässigbaroder klein ist, ist eine geeignete Kompatibilität mit den Komponenten des Antriebsfaches 48 undder Außenumgebungebenfalls wichtig. Somit bringt die Auswahl eines geeigneten Barrieregases gemäß der vorliegendenErfindung die physikalischen Eigenschaften des Gases und deren Einfluss aufdas System bei relativ niedrigen Kosten ins Gleichgewicht. Es sollteein Barrieregas gewähltwerden, das nicht reaktiv, nicht korrosiv wie auch nicht brennbarist und bei der Förderungallgemein sicher ist und sich zusätzlich zur Kompatibilität mit der Brennstoffzellein die umgebende Atmosphäreverteilt. Allgemein werden als bevorzugte Barrieregase gemäß der vorliegendenErfindung Inertgase verwendet, wobei jedoch auch Luft aufgrund ihresbreiten Vorkommens wie auch relativ niedrigen Reaktivität mit derBrennstoffzelle, den Motorkomponenten und der Umgebung ein geeignetesBarrieregas darstellt. Beispiele von bevorzugten Barrieregasen gemäß der vorliegendenErfindung umfassen beispielsweise Luft (etwa 79 % N₂,21 % O₂ und anderen Spurenverdünnungsstoffen),Stickstoff, Helium wie auch deren Mischungen.Barrier gas entering the step compartment 42 leaks, combines with the process fluids, and enters the fuel cell downstream 20 one. The selection of the composition of the barrier gas is related to the assessment of the influence that the barrier gas has on the operations of the fuel cell 20 may have. Although the concentration of the amount of in the fuel cell 20 flowing barrier gas is preferably small or negligible, is a compatibility with the internal components of the fuel cell 20 important to poisoning of the electrode catalysts, the membrane 24 or other components. Likewise, the barrier gas also enters the drive compartment 48 one in which it deals with the components of the engine 86 comes into contact. Although the amount of in the drive compartment 48 Incoming barrier gas is preferably negligible or small, is a suitable compatibility with the components of the drive compartment 48 and the outside environment also important. Thus, the selection of a suitable barrier gas according to the present invention balances the physical properties of the gas and its impact on the system at a relatively low cost. A barrier gas should be chosen that is non-reactive, non-corrosive, as well as non-combustible, and is generally safe to deliver and spreads into the surrounding atmosphere in addition to being compatible with the fuel cell. In general, inert gases are used as preferred barrier gases in accordance with the present invention, but also air is a suitable barrier gas due to its wide abundance as well as relatively low reactivity with the fuel cell, engine components and environment. Examples of preferred barrier gases according to the present invention include, for example, air (about 79% N ₂ , 21% O ₂ and other trace diluents), nitrogen, helium as well their mixtures.
[0031] DieFluidbarriere 56 der vorliegenden Erfindung funktioniertdurch Beibehalten eines positiven Differenzdruck zwischen dem Barrieregasdruck(P₃) in dem Verbindungsfach 80 unddem Druck (P₁) des Stufenfaches 42,der mit dem Druck der Prozessfluide in dem Anodenumwälzkreislaufkorreliert. Der Druck fürden Anodenumwälzkreislaufvariiert beispielsweise zwischen etwa 1 bis 2,8 bar absolut. Der Druck(P₂) des Antriebsfaches 48 stehtbevorzugt mit dem Umgebungsdruck im Gleichgewicht, der in etwa demumgebenden atmosphärischenDruck von 1 bar absolut entspricht. Es sei jedoch angemerkt, dass solcheWerte von der Konstruktion des Brennstoffzellensystems abhängig sindund stark abweichen können.In den meisten Brennstoffzellensystemen überschreitet der Betriebssystemdruckder Brennstoffzelle den Umgebungsdruck, und somit ist der Differenzdruckzwischen dem Druck P₃ der Verbindungskammerund dem Druck P₁ des Stufenfaches von größerer Wichtigkeit,als dem Druck P₂ des Antriebsfachs.The fluid barrier 56 The present invention works by maintaining a positive differential pressure between the barrier gas pressure (P ₃ ) in the connection compartment 80 and the pressure (P ₁ ) of the step compartment 42 , which correlates with the pressure of the process fluids in the anode circulation circuit. The pressure for the Anodenumwälzkreislauf varies, for example, between about 1 to 2.8 bar absolute. The pressure (P ₂ ) of the drive compartment 48 is preferably in equilibrium with the ambient pressure, which corresponds approximately to the ambient atmospheric pressure of 1 bar absolute. It should be noted, however, that such values are dependent upon the design of the fuel cell system and may vary widely. In most fuel cell systems, the operating pressure of the fuel cell exceeds the ambient pressure, and thus the differential pressure between the pressure P _{3 of} the connection chamber and the pressure P _{1 of} the step compartment is of greater importance than the pressure P _{2 of} the drive compartment.
[0032] Gemäß der vorliegendenErfindung wird zwischen dem Verbindungsfach 80 und demStufenfach 42 ein positiver Differenzdruck aufrechterhalten,so dass P₃ – P₁ = ΔP₁, wobei ΔP₁ bevorzugt größer oder gleich Null ist. DasBarrieregas puffert und blockiert das Prozessfluid, so dass es nichtin das Verbindungsfach 80 eintreten kann, wobei fernerBarrieregas in das Stufenfach 42 gedrückt wird, wenn eine Fluidverbindung über Fluidmigration über dieDichtung besteht. In einer solchen Anordnung ist der Differenzdruckzwischen dem Verbindungsfach 80 und dem Antriebsfach 48 gegebendurch P₃ – P₂ = ΔP₂, wobei ΔP₂ ähnlicherweiseauf einem Wert beibehalten wird, der größer oder gleich Null ist, waseine Strömungvon Barrieregas in Richtung des Antriebsfaches 48 begünstigt,da P₂ der niedrigere Wert ist.According to the present invention, between the connection compartment 80 and the step compartment 42 maintaining a positive differential pressure such that P ₃ -P ₁ = ΔP ₁ , where ΔP _{1 is} preferably greater than or equal to zero. The barrier gas buffers and blocks the process fluid, leaving it out of the connection compartment 80 may occur, further wherein barrier gas in the step compartment 42 is pressed when there is fluid communication via fluid migration across the seal. In such an arrangement, the differential pressure between the connection compartment 80 and the drive compartment 48 given by P ₃ -P ₂ = ΔP ₂ , where ΔP _{2 is} similarly maintained at a value greater than or equal to zero, which is a flow of barrier gas towards the drive compartment 48 favors because P _{2 is} the lower value.
[0033] DieBetriebsabläufeder Brennstoffzelle schwanken währendverschiedener Betriebsbedingungen stark, wie beispielsweise beimStart oder bei Schwankungen in der Leistungsanforderung. Daher verhält sichder Druck des Brennstoffzellenbetriebssystems ähnlicherweise dynamisch undkann Übergangsbetriebsperiodenausgesetzt sein. Die Systemkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindungoptimiert die Differenzdruckwerte der Fluidbarriere 56 (d.h. ΔP₁ und ΔP₂), so dass sie ausreichend sind, wenn sichdie Prozessfluide bei maximalen Drücken befinden, wodurch mögliche Druckspitzenin den Betriebsabläufenan der Anode (und daher der Brennstoffzelle) abgedeckt werden, während esnicht so problematisch ist, dass große Mengen von Barrieregas indie Stufen- oder Antriebsfächer 42, 48 getriebenwerden, das Betriebsabläufein der Brennstoffzelle oder dem Motor möglicherweise ungünstig beeinflussenkann.The operations of the fuel cell vary widely during various operating conditions, such as during startup or fluctuations in power demand. Therefore, the pressure of the fuel cell operating system similarly behaves dynamically and may be subject to transient operating periods. The system design according to the present invention optimizes the differential pressure values of the fluid barrier 56 (ie, ΔP ₁ and ΔP ₂ ), so that they are sufficient when the process fluids are at maximum pressures, thereby covering possible pressure spikes in the operations at the anode (and therefore the fuel cell), while not so problematic large amounts of barrier gas in the step or drive compartments 42 . 48 which can potentially adversely affect operations in the fuel cell or engine.
[0034] Wieoben beschrieben ist, ist die Dichtungsleckage (d.h. die Fluidmigration über dieDichtung) eine Funktion der Differenzdrücke und steigt in Verbindungmit einem erhöhtenDifferenzdruck. Die Menge an Barrieregasleckage in das Stufenfach 42 wirdoftmals als Leistungsverlust ausgedrückt, was bedeutet, dass sichdie verringerte Menge an Wasserstoff in dem Prozessfluid (die durchBarrieregas verdrängtwird) in einem entsprechenden Leistungsverlust in der Brennstoffzelleauswirkt. Eine derartige Rate an Wasserstoffverlust liegt bevorzugtbei kleiner oder gleich etwa 100 W. Bei bestimmten beispielhaftenBrennstoffzellensystemen beträgtein Differenzdruck fürsowohl ΔP₁ als auch ΔP₂ zumindest0,1 bar, um die Integritätder Fluidbarriere beizubehalten. Somit beträgt ein durchschnittlicher Differenzdruckwert zwischendem Verbindungsfach 80 und dem Stufenfach 42,nämlich ΔP₁, beispielsweise bevorzugt etwa 0,1 bisetwa 0,5 bar. Ein durchschnittlicher Wert gibt den Differenzdruckwert,der übereine Zeitdauer beibehalten wird, durch Mitteln der augenblicklichenDifferenzdruckwerte an. Bei solchen Niveaus ist der Differenzdruckrelativ klein, füreine Fluidbarriere jedoch immer noch ausreichend hoch. Wie für Fachleuteoffensichtlich ist, könnenviele Variablen in einem System den erforderlichen Barrieregasdruckbeeinflussen, und somit kann sowohl P₃ alsauch die Differenzdrücke ΔP₁ und ΔP₂ abhängigvon der Systemkonstruktion stark abweichen. Die Größe der Fluidmigration,die überdie Dichtungen auftritt, ist bevorzugt klein, wie beispielsweisebei den bevorzugten Ausführungsformen,bei denen der Wasserstoffleistungsverlust kleiner als 100 W ist,was die Betriebsabläufe derBrennstoffzelle 20 nur minimal beeinträchtigt.As described above, seal leakage (ie, fluid migration across the seal) is a function of the differential pressures and increases in conjunction with increased differential pressure. The amount of barrier gas leakage into the step compartment 42 is often expressed as a power loss, which means that the reduced amount of hydrogen in the process fluid (which is displaced by barrier gas) will result in a corresponding loss of power in the fuel cell. Such a rate of hydrogen loss is preferably less than or equal to about 100 W. In certain exemplary fuel cell systems, a differential pressure for both ΔP ₁ and ΔP _{2 is} at least 0.1 bar to maintain the integrity of the fluid barrier. Thus, there is an average differential pressure value between the connection compartment 80 and the step compartment 42 , namely, ΔP ₁ , for example, preferably about 0.1 to about 0.5 bar. An average value indicates the differential pressure value maintained over a period of time by averaging the instantaneous differential pressure values. At such levels, the differential pressure is relatively small but still sufficiently high for a fluid barrier. As will be apparent to those skilled in the art, many variables in a system may affect the required barrier gas pressure, and thus both P ₃ and the differential pressures ΔP ₁ and ΔP _{2 may} vary widely depending on the system design. The amount of fluid migration that occurs across the seals is preferably small, such as in the preferred embodiments where the hydrogen power loss is less than 100W, which is the operation of the fuel cell 20 only minimally affected.
[0035] DerDruck des Verbindungsfaches 80 wird durch die Lieferungvon unter Druck stehendem Barrieregas, das in dem Speicherbehälter 72 gespeichertist, beibehalten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegendenErfindung wird die komprimierte und getrocknete Luft, die als Reaktandfür denKathodeneinlass verwendet wird, von dem Kathodenkompressor bzw.Kathodengebläse 30 zur Verwendungals Barrieregas umgelenkt und in den Speicherbehälter 72 eingeführt. Anschließend wird dasBarrieregas in den Einlass 104 des Verbindungsfaches 80 eingeführt. DieKathodenreaktandengase werden durch den Kompressor 30 aufeinem höheren Druckals dem der Anodenseite gehalten. Somit ist der Betrieb des Kompressors 58 mitdemjenigen des Kathodenkompressors 30 gekoppelt, so dasssowohl ein Kathodenreaktand als auch ein unter relativ hohem Druckstehendes Barrieregas geliefert wird. Optional dazu kann die Entfeuchtungseinrichtung 68 mit demvon dem Kompressor 30 gelieferten komprimierten Gas verwendetwerden oder kann mit einer anderen Entfeuchtungseinrichtung (nichtgezeigt) in dem System gekoppelt sein. Somit sieht die vorliegende Ausführungsformein vereinfachtes System vor, da keine doppelten Gaskonditionierungssystemeerforderlich sind und ferner keine unabhängige Druckinstrumentenausrüstung inden Fächernerforderlich ist, da der Kathodendruck während der Betriebsabläufe derBrennstoffzelle überdem Anodendruck beibehalten wird.The pressure of the connection compartment 80 is caused by the supply of pressurized barrier gas in the storage tank 72 stored, maintained. In a preferred embodiment of the present invention, the compressed and dried air used as the reactant for the cathode inlet is from the cathode compressor or fan 30 deflected for use as a barrier gas and into the storage tank 72 introduced. Subsequently, the barrier gas is in the inlet 104 of the connection compartment 80 introduced. The cathode reactant gases are passed through the compressor 30 held at a higher pressure than that of the anode side. Thus, the operation of the compressor 58 with that of the cathode compressor 30 coupled to provide both a cathode reactant and a relatively high pressure barrier gas. Optionally, the dehumidifier 68 with that of the compressor 30 delivered compressed gas may be used or may be coupled to another dehumidifier (not shown) in the system. Thus, the present embodiment provides a simplified system since no dual gas conditioning systems are required Furthermore, no independent pressure instrumentation is required in the compartments because the cathode pressure is maintained above the anode pressure during fuel cell operations.
[0036] Beieiner alternativen bevorzugten Ausführungsform sind die herkömmlichenDruckmesseinrichtungen (allgemein in 2 mit 82 gezeigt)in jedem der Fächer,bevorzugt in nächsterNähe zuden Dichtungen 96 angeordnet. Eine erste Druckmesseinrichtung 144 istin dem Stufenfach 42 angeordnet, um P₁ zumessen. Eine zweite Druckmesseinrichtung 146 in dem Antriebsfach 48 misstP₂, und eine dritte Messeinrichtung 148,die in dem Verbindungsfach 80 angeordnet ist, misst P₃. Andere Druckmesseinrichtungen 82 indem System sind entlang des Barrieregaszufuhrweges 54 angeordnet(2). Wie für Fachleuteoffensichtlich ist, könnenzusätzliche Druckmesseinrichtungenin das System integriert werden, um zusätzliche Druckniveaus und gegebenenfallseine Systemredundanz vorsehen zu können. Die Druckmessausgänge werdenbevorzugt in eine Steuerung (nicht gezeigt) eingegeben, beispielsweiseeine Steuerverarbeitungseinheit, die bevorzugt auch die Betriebsabläufe derAusrüstungwie auch der Ventile entlang des Zufuhrweges 54 steuert,wie beispielsweise die Betätigungder Ventile 66 und 67 wie auch den Betrieb desKompressors 58 und der Befeuchtungseinrichtung 68.Angesichts des Ausmaßesder Offenbarung wird der Aufbau wie auch die Betriebsweise der Steuerungnicht detailliert beschrieben, da derartige Steuerungen in der Technik gutbekannt sind.In an alternative preferred embodiment, the conventional pressure measuring devices (commonly referred to in US Pat 2 With 82 shown) in each of the compartments, preferably in close proximity to the seals 96 arranged. A first pressure measuring device 144 is in the step compartment 42 arranged to measure P ₁ . A second pressure measuring device 146 in the drive compartment 48 measures P ₂ , and a third measuring device 148 in the connection compartment 80 is arranged, P ₃ measures. Other pressure measuring devices 82 in the system are along the barrier gas supply path 54 arranged ( 2 ). As will be apparent to those skilled in the art, additional pressure gauges may be incorporated into the system to provide additional pressure levels and, if appropriate, system redundancy. The pressure measurement outputs are preferably input to a controller (not shown), such as a control processing unit, which preferably also controls the operations of the equipment as well as the valves along the supply path 54 controls, such as the operation of the valves 66 and 67 as well as the operation of the compressor 58 and the humidifier 68 , In view of the extent of the disclosure, the structure as well as the operation of the controller will not be described in detail since such controls are well known in the art.
[0037] P₁, P₂ und P₂ stellen Eingabewerte in die Steuerung dar,und diese Eingabewerte könnenmit einem Einstellpunkt verglichen werden, um die Differenzdruckwerte ΔP₁ und ΔP₂ berechnen zu können. Bevorzugt wird der Einstellpunktoder der vorbestimmte Steuerwert als eine Funkti on der Druckmessablesungenberechnet, so dass das System Betriebsdruckschwankungen in der Brennstoffzelledynamisch abdecken kann. Ein derartiger Einstellpunkt kann bestimmtwerden, indem lediglich die direkten Druckmessungen verwendet werden,oder indem ein inkrementeller Wert zu den Druckmessungen hinzuaddiertwird, um Differenzdruckwerte zu berechnen. Wenn beispielsweise bevorzugteDifferenzdrückefür ΔP₁ und ΔP₂ 0,3 bar betragen, können die Einstellpunkte alsP₁ + 0,3 bar für Einstellpunkt 1 und P₂ + 0,3 bar für Einstellpunkt 2 berechnetwerden. Somit subtrahiert die Steuerung den Einstellpunkt 1 vondem Eingabewert fürP₃ und ähnlicherweiseden Einstellpunkt 2 von dem Eingabewert für P₃,um die tatsächlichenWerte für ΔP₁ und ΔP₂ zu berechnen. Wenn der berechnete tatsächlicheWert von entweder ΔP₁ oder ΔP₂ sich 0 annähert oder ein negativer Wert wird,wird P₃ erhöht, um wieder einen positivenWert zu erhalten. In der Praxis kann ein kleiner Fehler (d.h. 5bis 15 % überdem minimalen Druckwert fürP₃) in den Einstellpunktwerten enthaltensein, um Verzögerungszeitendes Steuersystems, einen Kompensationsvorgang oder Systemungenauigkeitenkorrigieren zu können.P ₁ , P ₂ and P ₂ represent input values to the controller, and these input values can be compared with a setpoint to calculate the differential pressure values ΔP ₁ and ΔP ₂ . Preferably, the set point or predetermined control value is calculated as a function of the pressure measurement readings so that the system can dynamically cover operating pressure fluctuations in the fuel cell. Such a setpoint can be determined by using only the direct pressure measurements, or by adding an incremental value to the pressure measurements to calculate differential pressure values. For example, if preferred differential pressures for ΔP ₁ and ΔP _{2 are} 0.3 bar, the setpoints can be calculated as P ₁ + 0.3 bar for set point 1 and P ₂ + 0.3 bar for set point 2. Thus, the controller subtracts the set point 1 from the input value for P ₃ and, similarly, the set point 2 from the input value for P ₃ to calculate the actual values for ΔP ₁ and ΔP ₂ . When the calculated actual value of either ΔP ₁ or ΔP ₂ approaches 0 or becomes a negative value, P _{3 is} increased to restore a positive value. In practice, a small error (ie, 5 to 15% above the minimum pressure value for P ₃ ) may be included in the set point values to correct control system delays, compensation, or system inaccuracies.
[0038] Beibevorzugten alternativen Ausführungsformender vorliegenden Erfindung behältdie Steuerung positive ΔP₁ und ΔP₂ bei, indem ein Freigabeventil 150 für den unterDruck stehenden Speicherbehälter 72 zum Öffnen betätigt wird,wenn der ΔP₁ oder ΔP₂ zu tief abfällt. Wenn P₃ < P₁ oderP₃ < P₂ (was direkt oder auf Grundlage von Einstellpunktberechnungender Steuerung sichergestellt werden kann, wie beispielsweise diebeispielhaften Einstellpunkte, die oben beschrieben sind), wirddas Ventil 150 des unter Druck stehenden Speicherbehälters geöffnet, wobeiunter Druck stehendes Barrieregas zur Erhöhung von P₃ geliefertwird, um den Einstellpunkt oder vorbestimmten Steuerwert anzupassen (d.h.um den vorbestimmten positiven ΔP₁- oder ΔP₂-Wert wiederherzustellen). Bei bestimmtenbevorzugten Ausführungsformender vorliegenden Erfindung wird das Freigabeventil 150,bevor P₃ ausgeglichen wird oder unter dieWerte von P₁ oder P₂ abfällt, betätigt, umeinen Rückflussin das Verbindungsfach 80 und möglicherweise das Antriebsfach 48 zuvermeiden.In preferred alternative embodiments of the present invention, the controller maintains positive ΔP ₁ and ΔP ₂ by providing a release valve 150 for the pressurized storage tank 72 is operated to open when the ΔP ₁ or ΔP ₂ falls too low. If P ₃ <P ₁ or P ₃ <P ₂ (which can be ensured directly or based on control point setpoint calculations, such as the example setpoints described above), the valve becomes 150 of the pressurized storage container is opened, wherein pressurized barrier gas is supplied to increase P ₃ to adjust the set point or predetermined control value (ie, to restore the predetermined positive ΔP ₁ or ΔP ₂ value). In certain preferred embodiments of the present invention, the release valve becomes 150 before P _{3 is} equalized or falls below the values of P ₁ or P ₂ , actuates to return to the communication compartment 80 and possibly the drive compartment 48 to avoid.
[0039] Derunter Druck stehende Speicherbehälter 72 gibtBarrieregas durch den dritten Lieferdurchgang 76 an dasVerbindungsfach 80 frei, um nach Bedarf auf die Druckschwankungenzu reagieren, die in dem Brennstoffzellensystem auftreten und vonden Druckmesseinrichtungen 82 gemessen werden. Bei bevorzugtenAusführungsformendervorliegenden Erfindung liegt das Speichervolumen für unterDruck stehendes Gas, das in dem unter Druck stehenden Speicherbehälter 72 gespeichertwird, überdem tatsächlichenVolumen, das benötigtwird, um das Verbindungsfach 80 direkt und kontinuierlichzu beliefern, um einen P₃ beizubehalten,der positive ΔP₁- und ΔP₂-Werte begünstigt. Als wesentliches Merkmal besitztder unter Druck stehende Speicherbehälter 72 eine Reservekapazität sowohlals Kontingenz für irgendwelcheSystemschwankungen oder -ausfällen, wieauch, um einen diskontinuierlichen intermittierenden Betrieb desKompressors 58 zu ermöglichen.Ein derartiges Volumen ist fürein individuelles System spezifisch und abhängig von der Barrieregasströmungsratewie auch der Leistungsfähigkeitdes Kompressors 58 ab.The pressurized storage tank 72 Gives barrier gas through the third delivery cycle 76 to the connection compartment 80 free to respond as needed to the pressure fluctuations that occur in the fuel cell system and the pressure gauges 82 be measured. In preferred embodiments of the present invention, the storage volume for pressurized gas residing in the pressurized storage container 72 is stored above the actual volume needed to connect to the connection tray 80 directly and continuously to maintain a P ₃ that favors positive ΔP ₁ and ΔP ₂ values. An essential feature of the pressurized storage container 72 a reserve capacity both as a contingency for any system fluctuations or failures, as well as a discontinuous intermittent operation of the compressor 58 to enable. Such a volume is specific to an individual system and depends on the barrier gas flow rate as well as the performance of the compressor 58 from.
[0040] DerKompressor 58 setzt das Barrieregas auf einen festgelegtenvorbestimmten Druck unter Druck, der allgemein hoch genug gewählt ist,um das Verbindungsfach 80 zumindest auf 0,1 bis 0,5 bar über demder benachbarten Fächer 42, 48 beizubehalten,wie vorher beschrieben wurde. Ein derartiger Druck kann bei einembeispielhaften Brennstoffzellensystem 3 bar absolut betragen, dasbei einem Maximum von 2,8 bar absolut arbeitet, wobei der Differenzdruck0,2 bar beträgt.Der Kompressor 58 kann das Barrieregas auf bis zu etwa10 bar absolut oder höherunter Druck setzen, wenn es nötigist, ein Brennstoffzellensystem anzupassen, das bei hohen Drücken arbeitet.Der erforderliche maximale Druck von komprimiertem Gas wird durchzumindest Ausgleichen (und bevorzugt Überschreiten) des maximalenDruckes bestimmt, dem ein Brennstoffzellensystem ausgesetzt ist,wobei Startsituationen und Situationen mit variabler Lastanforderungberücksichtigt werdenmüssen.Der Kompressor 58 kann intermittierend (d.h. diskontinuierlich)betrieben werden, so dass das unter Druck stehende Gas von dem Kompressor 58 anden unter Druck stehenden Speicherbehälter 72 geliefertwird. Ferner kann, wie vorher beschrieben wurde, der Kompressor 58 mitdem Kompressor 30 fürKathodenreaktandengas gemeinsam verwendet werden. Alternativ dazukann der Speicherbehälter 72 mitdem Kompressor 58 wie auch mit dem Kathodenkompressor 30 verbunden sein,um eine zusätzlicheDruckbeaufschlagung des Barrieregases vorzusehen, oder kann alseine möglicheQuelle fürunter Druck stehendes Barrieregas dienen. Bei alternativen bevorzugtenAusführungsformender vorliegenden Erfindung kann das Barrieregas vorher mit Druckbeaufschlagt und in Tanks gespeichert werden, die den unter Druckstehenden Speicherbehälter 72 bildenkönnen.Bei einer derartigen Ausführungsformist ein Kompressor 58 nicht notwendig, da das Gas bereitsauf ein geeignetes Niveau unter Druck gesetzt ist. Ferner kann einderartiger unter Druck stehender Speicherbehälter 72 ausgetauschtwerden oder mit neuem unter Druck stehendem Barrieregas wieder befüllt werden,wenn die Lieferung abnimmt.The compressor 58 sets the barrier gas to a predetermined predetermined pressure under pressure, which is generally high enough to the connection compartment 80 at least 0.1 to 0.5 bar above that of the adjacent compartments 42 . 48 to maintain, as previously described. Such pressure may be in an exemplary fuel cell 3 bar absolute, which operates at a maximum of 2.8 bar absolute, the differential pressure is 0.2 bar. The compressor 58 can pressurize the barrier gas to up to about 10 bar absolute or higher when it is necessary to adjust a fuel cell system operating at high pressures. The required maximum pressure of compressed gas is determined by at least equalizing (and preferably exceeding) the maximum pressure to which a fuel cell system is exposed, taking into account start-up situations and variable load demand situations. The compressor 58 may be operated intermittently (ie, discontinuously) so that the pressurized gas from the compressor 58 on the pressurized storage tank 72 is delivered. Furthermore, as previously described, the compressor 58 with the compressor 30 used together for cathode reactant gas. Alternatively, the storage container 72 with the compressor 58 as well as with the cathode compressor 30 be connected to provide additional pressurization of the barrier gas, or may serve as a potential source of pressurized barrier gas. In alternative preferred embodiments of the present invention, the barrier gas may be pre-pressurized and stored in tanks containing the pressurized storage vessel 72 can form. In such an embodiment is a compressor 58 not necessary, since the gas is already pressurized to a suitable level. Furthermore, such a pressurized storage container 72 be replaced or refilled with new pressurized barrier gas when delivery decreases.
[0041] Einanderer Vorteil einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegendenErfindung ist, dass das Barrieregas entfeuchtet wird. Wie in 2 gezeigt ist, kann dasBarrieregas vor Eintritt in den unter Druck stehenden Speicherbehälter 72 durcheine Entfeuchtungseinrichtung 68 behandelt werden. BefeuchtetesBarrieregas, das von dem Verbindungsfach 80 zu dem Antriebsfach 48 wandert,kann zu einer Korrosion der Komponenten des Motors 86 beitragen.Somit wird bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen der vorliegendenErfindung eine Entfeuchtungseinrichtung 68 verwendet, umFeuchtigkeit von dem Barrieregas vor Eintritt in den unter Druckstehenden Speicherbehälter 72 unddas Verbindungsfach 80 zu entfernen. Wenn die Quelle des Barrieregasesein Gasspeicherbehälteroder -tank ist, kann das Gas ausreichend vorentfeuchtet sein, sodass kein Entfeuchtungsschritt mehr notwendig ist. Somit sieht dievorliegende Erfindung ein Barrieregas in einer Fluidbarriere 56 vor,das nicht mit den Komponenten des Motors 86 reagiert oderdiese angreift, währendschädlicheProzessfluide weiter vor einer Abgabe in das Antriebsfach 48 wieauch an die Atmosphäreisoliert werden.Another advantage of a preferred embodiment of the present invention is that the barrier gas is dehumidified. As in 2 is shown, the barrier gas before entering the pressurized storage tank 72 through a dehumidifier 68 be treated. Humidified barrier gas coming from the junction box 80 to the drive compartment 48 migrates, can cause corrosion of the components of the engine 86 contribute. Thus, in certain preferred embodiments of the present invention, a dehumidifier is provided 68 used to moisture from the barrier gas before entering the pressurized storage tank 72 and the connection compartment 80 to remove. If the source of the barrier gas is a gas storage tank or tank, the gas may be sufficiently pre-dehumidified so that no dehumidification step is necessary. Thus, the present invention provides a barrier gas in a fluid barrier 56 before that, not with the components of the engine 86 reacts or attacks, while harmful process fluids continue to release before in the drive compartment 48 as well as being isolated to the atmosphere.
[0042] Dievorliegende Vorgehensweise vermeiden Schwierigkeiten, die beim Versuchauftreten, bessere mechanische Dichtungen auszubilden, die ein komplexeKonstruktion mit vielen Teilen besitzen und somit teuer sind. Fernersind komplexere mechanische Dichtungen teuer zu warten und können einerelativ geringe Lebensdauer besitzen und müssen ferner nicht unbedingteine vollständigephysikalische Isolierung der Prozessfluide sicherstellen. Die vorliegendeErfindung beseitigt den Bedarf nach derart komplexen mechanischenDichtungen, die eine vollständigephysikalische Isolierung vorsehen.TheThis procedure avoids difficulties encountered in the trialoccur to form better mechanical seals, which is a complexDesign with many parts and therefore are expensive. FurtherMore complex mechanical seals are expensive to maintain and can beFurthermore, they do not necessarily have to have a relatively short service lifea completeensure physical isolation of the process fluids. The presentThe invention eliminates the need for such complex mechanicalSeals that are completeprovide physical isolation.
[0043] Dievorliegende Erfindung kann auch anderen Verfahren gegenübergestelltwerden, die Prozessfluide von den anderen Fächern und der Umgebung durchUmhüllungder gesamten Pumpe isolieren, die die der Antriebs- und der Prozessfluidfächer umfassenkönnen.Derartige Umhüllungendichten allgemein hermetisch ab, um eine Isolierung der Prozessfluidevon der Außenumgebungsicherzustellen. Jedoch ist eine derartige Abdichtung auch teuerund setzt das Antriebsfach typischerweise dem befeuchteten wasserstoffhaltigenGas in dem Falle eines Anodenabflussstromes aus, was eine Korrosionoder einen Schaden der verschiedenen Komponenten des Motors zurFolge haben kann. Somit sieht die vorliegende Erfindung Fluidfördervorrichtungenund -verfahren zur Isolierung von Prozessfluiden vor, die sowohleine Migration von Prozessfluiden in die Umgebung verhindert, während auchferner das Antriebsfach vor einer Schädigung oder einem Angriff durch dieProzessfluide geschütztwird. Die vorliegende Erfindung sieht eine hochwirksame Isolierungvon Prozessfluiden vor und kann in Brennstoffzellensysteme relativleicht und mit geringen Kosten eingebaut werden.TheThe present invention can also be contrasted with other methodsthrough the process fluids from the other subjects and the environmentwrappingisolate the entire pump, which include those of the drive and process fluid compartmentscan.Such sheathsgenerally hermetically seal to isolate the process fluidsfrom the outside environmentsure. However, such a seal is also expensiveand typically sets the drive compartment to the humidified hydrogen-containing oneGas in the case of an anode effluent stream, causing corrosionor damage to the various components of the engineMay have consequences. Thus, the present invention provides fluid delivery devicesand method for the isolation of process fluids, bothwhile preventing migration of process fluids into the environmentFurthermore, the drive compartment from damage or attack by theProcess fluids protectedbecomes. The present invention provides a highly efficient insulationof process fluids and may be relative to fuel cell systemsbe installed easily and at low cost.
[0044] DieBeschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur undsomit sind Abweichungen, die nicht von der Grundidee der Erfindungabweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung anzusehen.Derartige Abwandlungen werden nicht als Abweichung vom Schutzumfangder Erfindung betrachtet.TheDescription of the invention is merely exemplary in nature andThus, deviations are not the basic idea of the inventiondiffer than to be considered within the scope of the invention.Such modifications are not regarded as a departure from the scope of protectionconsidered the invention.
[0045] Zusammengefasstbetrifft die vorliegende Erfindung eine Fördervorrichtung für Prozessfluidin einem System mit elektrochemischen Zellen, die eine Fluidbarrierezwischen einem Prozessfluidfach und einem Antriebsfach der Fluidfördervorrichtungaufweist. Die Fluidbarriere umfasst ein Verbindungsfach, das mitBarrieregas gefülltist. Der Druck des Verbindungsfaches wird durch Fluidverbindungmit in einer Speichervorrichtung gespeichertem Barrieregas über demDruck der Prozessfluid- undAntriebsfächergehalten. Das Barrieregas ist bevorzugt ein nicht reaktives wieauch entfeuchtetes Gas. Die vorliegende Erfindung betrifft auchVerfahren, um das wasserstoffhaltige Prozessfluid in dem Prozessfluidfachvon dem Antriebsfach zu isolieren, das bevorzugt in Fluidverbindungmit der Umgebung steht.In summary, the present invention relates to a process fluid conveyor in an electrochemical cell system having a fluid barrier between a process fluid compartment and a drive compartment of the fluid delivery apparatus. The fluid barrier comprises a connection compartment filled with barrier gas. The pressure of the connection compartment is maintained above the pressure of the process fluid and drive compartments by fluid communication with barrier gas stored in a storage device. The barrier gas is preferably one non-reactive as well as dehumidified gas. The present invention also relates to methods of isolating the hydrogen-containing process fluid in the process fluid compartment from the drive compartment, which is preferably in fluid communication with the environment.

权利要求:
Claims (18)
[1]
Fluidfördervorrichtungfür einwasserstoffhaltiges Prozessfluid mit: einem Prozessfluidfachbei einem ersten Druck; einem Antriebsfach bei einem zweitenDruck, das eine Antriebseinheit aufweist, um das Prozessfluid durchdas Prozessfluidfach zu bewegen; einem Verbindungsfach, daszwischen dem Prozessfluidfach und dem Antriebsfach angeordnet istund durch das die Antriebseinheit verläuft; einer Speichervorrichtungfür Barrieregasin Fluidverbindung mit dem Verbindungsfach, die ein Barrieregasaufweist; und wobei das Verbindungsfach auf einem dritten Druck gehaltenwird, der größer alsder erste Druck bzw. der zweite Druck ist.Fluid handling devicefor aHydrogen-containing process fluid with:a process fluid compartmentat a first pressure;a drive compartment at a secondPressure comprising a drive unit to the process fluid throughto move the process fluid compartment;a connection tray thatis arranged between the process fluid compartment and the drive compartmentand through which the drive unit passes;a storage devicefor barrier gasin fluid communication with the connection compartment, which is a barrier gashaving; andthe connection compartment being held at a third pressurethat gets bigger thanthe first pressure or the second pressure is.
[2]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei die Antriebseinheit umfasst: eine drehbareWelle, die von dem Antriebsfach durch das Verbindungsfach in dasProzessfluidfach verläuft; wobeieine erste Dichtung die drehbare Welle an einer ersten Grenze zwischendem Antriebsfach und dem Verbindungsfach umgibt, und eine zweiteDichtung die drehbare Welle an einer zweiten Grenze zwischen demVerbindungsfach und dem Prozessfluidfach umgibt; und wobeieine erste Menge von Barrieregas über die erste Dichtung vondem Verbindungsfach zu dem Antriebsfach wandert, und wobei einezweite Menge an Barrieregas überdie zweite Dichtung von dem Verbindungsfach zu dem Prozessfluidfachwandert.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the drive unit comprises:a rotatableShaft leading from the drive compartment through the junction box into theProcess fluid compartment runs;in whicha first seal the rotatable shaft at a first boundary betweensurrounding the drive compartment and the connection compartment, and a secondSeal the rotatable shaft at a second boundary between theCompartment compartment and the process fluid compartment surrounds; andin whicha first amount of barrier gas over the first seal ofthe connection compartment moves to the drive compartment, and wherein asecond amount of barrier gas overthe second seal from the connection compartment to the process fluid compartmentemigrated.
[3]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 2, wobei die erste Dichtung und die zweite DichtungLabyrinthdichtungen sind.Fluid handling deviceaccording to claim 2, wherein the first seal and the second sealLabyrinth seals are.
[4]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei der dritte Druck dadurch beibehalten wird,dass die Freigabe des Barrieregases von der Speichervorrichtungfür Barrieregasgesteuert wird.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the third pressure is maintained therebythat the release of the barrier gas from the storage devicefor barrier gasis controlled.
[5]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei der dritte Druck größer oder gleich einem erstenminimalen Druck ist, der zumindest 0,1 bar größer als der erste Druck ist.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the third pressure is greater than or equal to a firstis minimum pressure that is at least 0.1 bar greater than the first pressure.
[6]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei der dritte Druck größer oder gleich einem zweitenminimalen Druck ist, der zumindest 0,1 bar größer als der zweite Druck ist.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the third pressure is greater than or equal to a secondis minimum pressure which is at least 0.1 bar greater than the second pressure.
[7]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei die erste Menge des Barrieregases einem Verlust vonWasserstoff in einer Brennstoffzelle von kleiner oder gleich 100W entspricht.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the first quantity of barrier gas is a loss ofHydrogen in a fuel cell of less than or equal to 100W corresponds.
[8]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei das Barrieregas vor Eintritt in die Speichervorrichtungfür Barrieregasdurch einen Kompressor unter Druck gesetzt wird.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the barrier gas before entering the storage devicefor barrier gasis pressurized by a compressor.
[9]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei das Barrieregas vor Eintritt in die Speichervorrichtungfür Barrieregasentfeuchtet wird.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the barrier gas before entering the storage devicefor barrier gasis dehumidified.
[10]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei das Barrieregas aus der Gruppe gewählt ist,die umfasst: Stickstoff, Luft, Helium und deren Mischung.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the barrier gas is selected from the group consisting ofwhich includes: nitrogen, air, helium and their mixture.
[11]
Fluidfördervorrichtungnach Anspruch 1, wobei das Prozessfluid wasserstoffhaltigen Anodenabflussumfasst.Fluid handling deviceaccording to claim 1, wherein the process fluid is hydrogen-containing anode effluentincludes.
[12]
Verfahren zum Isolieren von wasserstoffhaltigemProzessfluid in einer Fluidfördervorrichtung,wobei das Verfahren umfasst, dass: ein erster Druck in einemProzessfluidfach überwacht wird; einzweiter Druck in einem Antriebsfach überwacht wird; ein dritterDruck in einem Verbindungsfach überwachtwird, das ein Barrierefluid aufweist, wobei alle Fächer durchFluidmigration überDichtungen miteinander in Fluidverbindung stehen; und der dritteDruck auf einem Wert beibehalten wird, der größer als der erste Druck bzw.der zweite Druck ist, wobei das Prozessfluid in dem Prozessfluidfachan einer Wanderung in das Antriebsfach gehindert wird, wenn sichdas Prozessfluid durch das Prozessfluidfach der Fluidfördervorrichtungbewegt.Process for isolating hydrogen-containingProcess fluid in a fluid delivery device,the method comprising:a first print in oneProcess fluid compartment is monitored;onesecond pressure is monitored in a drive compartment;a thirdMonitoring pressure in a connection compartmentis having a barrier fluid, all subjects byFluid migration overGaskets are in fluid communication with each other; andthe thirdPressure is maintained at a value greater than the first pressure orthe second pressure is wherein the process fluid in the process fluid compartmentis prevented from hike into the drive compartment whenthe process fluid through the process fluid compartment of the fluid delivery deviceemotional.
[13]
Verfahren zum Isolieren von wasserstoffhaltigemProzessfluid nach Anspruch 12, wobei vor dem Beibehalten ein ersterDifferenzdruck zwischen dem dritten Druck und dem ersten Druckwertbestimmt wird und ein zweiter Differenzdruck zwischen dem drittenDruck und dem zweiten Druck bestimmt wird.Process for isolating hydrogen-containingThe process fluid of claim 12, wherein before maintaining a firstDifferential pressure between the third pressure and the first pressure valueis determined and a second differential pressure between the thirdPressure and the second pressure is determined.
[14]
Verfahren zum Isolieren von wasserstoffhaltigemProzessfluid nach Anspruch 12, wobei das Beibehalten umfasst, dassein Ventil geöffnetwird, um unter Druck stehendes Barrierefluid von einer Speichervorrichtungfreizugeben und Barrierefluid an das Verbindungsfach zu liefern,wenn der dritte Druck gleich oder kleiner als der erste Druck oderder zweite Druck ist.Process for isolating hydrogen-containingThe process fluid of claim 12, wherein the maintaining comprisesa valve openedis to pressurized barrier fluid from a storage devicerelease and provide barrier fluid to the connection compartment,if the third pressure is equal to or less than the first pressure orthe second pressure is.
[15]
Verfahren zum Isolieren von wasserstoffhaltigemProzessfluid nach Anspruch 14, wobei das Barrierefluid ein Gas istund die Speichervorrichtung mit dem Barrieregas beliefert wird,das vor dem Eintritt in die Speichervorrichtung unter Druck gesetztund entfeuchtet wird.A method of isolating hydrogen-containing process fluid according to claim 14, wherein the barrier fluid is a gas and the storage device is supplied with the barrier gas which is injected before entering into the storage device is pressurized and dehumidified.
[16]
Verfahren zum Isolieren von wasserstoffhaltigemProzessfluid nach Anspruch 15, wobei das Barrieregas durch einenKompressor unter Druck gesetzt wird.Process for isolating hydrogen-containingProcess fluid according to claim 15, wherein the barrier gas by aCompressor is pressurized.
[17]
Verfahren zum Isolieren von wasserstoffhaltigemProzessfluid nach Anspruch 15, wobei das Barrieregas durch eineEntfeuchtungseinrichtung entfeuchtet wird.Process for isolating hydrogen-containingProcess fluid according to claim 15, wherein the barrier gas is passed through aDehumidifying device is dehumidified.
[18]
Verfahren zum Trennen von Fluiden in einer Fördervorrichtungfür Anodenumwälzfluidin einer Brennstoffzelle, wobei das Verfahren umfasst, dass: einBarrieregas entfeuchtet wird; das Barrieregas unter Druck gesetztwird; und das entfeuchtete und unter Druck gesetzte Barrieregasan ein Verbindungsfach geliefert wird, das zwischen einem Prozessfluidfach, daswasserstoffhaltige Prozessfluide enthält, und einem Antriebsfachin Fluidverbindung mit der Umgebung angeordnet ist, wobei das Verbindungsfachdas Barrieregas umfasst und einen Druck aufweist, der größer alsder Druck des Prozessfluidfaches und größer als der Druck des Antriebsfachesist.Method for separating fluids in a conveyorfor anode recycle fluidin a fuel cell, the method comprising:oneBarrier gas is dehumidified;put the barrier gas under pressurebecomes; andthe dehumidified and pressurized barrier gasis supplied to a connection compartment which is between a process fluid compartment, thecontaining hydrogen-containing process fluids, and a drive compartmentis arranged in fluid communication with the environment, wherein the connection compartmentincludes the barrier gas and has a pressure greater thanthe pressure of the process fluid compartment and greater than the pressure of the drive compartmentis.

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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US7217469B2|2007-05-15|

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DE102004024347B4|2010-01-21|

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US20040241020A1|2004-12-02|

引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2005-02-17| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|

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2009-07-16| 8180| Miscellaneous part 1|Free format text: PFANDRECHT |

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2010-01-07| 8180| Miscellaneous part 1|Free format text: PFANDRECHT AUFGEHOBEN |

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2010-04-01| 8380| Miscellaneous part iii|Free format text: PFANDRECHT |

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2010-07-15| 8364| No opposition during term of opposition|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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