Brennstoffzellen-Wasserstoff-Rezirkulationssystem

Das Wasserstoffversorgungssystem hat einen erheblichen Einfluss auf die Sicherheit und Lebensdauer des Fahrzeugs.

Das Wasserstoff-Rezirkulationssystem dient als Kernkomponente der Brennstoffzelle Wasserstoffversorgungssystem des Motors. Seine Hauptfunktion besteht darin, hochfeuchtes Gas vom Anodenausgang zurück zum Stapeleingang zu leiten. Dieser Prozess ermöglicht nicht nur die Wiederverwendung von nicht umgesetztem Wasserstoff, sondern befeuchtet auch den einströmenden Wasserstoffstrom, wodurch ein externes Befeuchtungssystem überflüssig wird und die Architektur des Brennstoffzellensystems vereinfacht wird. Zu den gängigen Wasserstoff-Rezirkulationspumpen zählen derzeit Roots-, Klauen-, Scroll- und Flügelzellenpumpen, wobei Flügelzellenpumpen auf dem heimischen Markt relativ selten sind.

Ein leistungsstarkes Wasserstoffversorgungssystem muss über eine hohe Speicherkapazität, Betriebsstabilität und hohe Sicherheitsstandards verfügen, um die Reichweite und Langlebigkeit von Brennstoffzellenfahrzeugen zu gewährleisten. Das bordeigene Wasserstoffversorgungssystem umfasst Druck-/Durchflussregelungskomponenten, Wasserstofflecksensoren, Versorgungsleitungen, Steuerungssysteme und Wasserstoffrückführungssysteme (in der Regel ohne den Wasserstoffspeicher). Der Betriebsablauf umfasst drei Phasen: Betankung, Speicherung und Lieferung.

1. Betankung: Wasserstofftankstellen liefern Wasserstoff über Rückschlagventile an Bordtanks.

2. Lagerung: Die Tanks halten hochreinen (99,999 %) Wasserstoff bei einem Druck von 35 MPa oder 70 MPa bereit.

3.Zufuhr: Während des Brennstoffzellenbetriebs wird der Wasserstoff durch Druckminder-/Regelventile auf Betriebsdruck gebracht, bevor er über elektronisch gesteuerte Ventile, Drucksensoren, Durchflussmesser und Befeuchter in den Stapel gelangt. Überschüssiger Wasserstoff gelangt entweder in das Rückführungssystem oder wird vor der Freisetzung in die Atmosphäre behandelt.

​​Kritische Systemanforderungen:​​

1. Eine stabile Wasserstoffversorgung erhöht die Lebensdauer der Brennstoffzelle:

Der Auslassdruck des Speichertanks (35/70 MPa) übersteigt die Anforderungen des Schornsteinbetriebs erheblich.

Eine unsachgemäße Druckregulierung kann zu irreversiblen Schäden an der Protonenaustauschmembran führen, was eine präzise Druckkontrolle erforderlich macht.

2. Eigensicherheit ist zwingend erforderlich: Da es sich bei Wasserstoff um ein hochentzündliches Gas handelt, erfordern Systeme eine umfassende Überwachung der Druck-, Temperatur- und Durchflussparameter.

Durch die Implementierung von Sicherheitskomponenten (z. B. Sensoren, Überdruckventile) werden Leckagen, Überdruck, Überhitzung und Durchflussanomalien verhindert.

​​Wasserstoff-Rezirkulationsgerät: Optimierung der Nutzung und des Wassermanagements​​

Die Wasserstoff-Rezirkulationsanlage verbessert die Wasserstoffnutzung deutlich und bewältigt gleichzeitig die Herausforderungen des Schornsteinwassermanagements, was sich direkt auf die Lebensdauer des Brennstoffzellenmotors auswirkt. Üblicherweise wird das im Betrieb entstehende Wasser durch Gas-Flüssigkeits-Trennung extrahiert und der zurückgewonnene Wasserstoff wieder in das System eingeleitet. Dieser Prozess:

Bietet inhärente Befeuchtung durch Wasserdampf im rezirkulierten Gas

Erhöht die Anodenströmungsgeschwindigkeit, um Wasseransammlungen („Überschwemmungen“) zu verhindern

Verbessert die Gesamteffizienz der Wasserstoffnutzung

​​Konfigurationen des Umwälzsystems:​​

Aktuelle Implementierungen nutzen hauptsächlich Wasserstoff-Umwälzpumpen und -Ejektoren, entweder einzeln oder in Kombination:

1. Wasserstoff-Umwälzpumpe:

Verwendet eine Motorsteuerung mit variabler Frequenz zur dynamischen Durchflussanpassung

Vorteile: Verbesserte Flexibilität der Wasserstoffzirkulation über alle Leistungsbereiche hinweg

Nachteil: Zusätzlicher Stromverbrauch

2. Auswerfer:

Passiver Betrieb ohne Hilfsenergiebedarf

Vorteile: Einfacher Aufbau, Betriebssicherheit, verlängerte Lebensdauer

Einschränkung: Feste Rezirkulationsrate schränkt den effektiven Betriebsbereich ein