DE102007033203A1

DE102007033203A1 - Baueinheit für ein Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007033203A1
Application number: DE200710033203
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Knoop; Dietmar Dipl.-Ing. Mirsch (FH); Hans-Jörg Dipl.-Ing. Schabel
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-07-17
Filing date: 2007-07-17
Publication date: 2009-01-22
Also published as: EP2168193A1; WO2009010122A1; US20100239956A1; EP2168193B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Baueinheit mit mindestens einem beweglichen Element, durch welche eine Zweiphasenströmung mit einer Flüssigphase förderbar ist, wobei mindestens ein Abscheider (331) in oder an der Baueinheit (33, 133) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere eine als Rezirkulations-Baueinheit für einen Anodenkreislauf (3) eines Brennstoffzellensystems (1) ausgebildete Baueinheit. Die Erfindung betrifft weiter ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Baueinheit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Baueinheit mit mindestens einem beweglichen Element, insbesondere eine Rezirkulations-Baueinheit, durch welche eine Zweiphasenströmung mit einer Flüssigphase förderbar ist, sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Baueinheit.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle oder mehrere Brennstoffzellen, welche in Reihe und/oder parallel zu einem Brennstoffzellenstapel geschaltet sind. Als Brennstoff, auch als Anodengas bezeichnet, wird üblicherweise Wasserstoff eingesetzt. Es ist jedoch auch eine Verwendung von Methan, Methanol oder Glukoselösung bekannt. An einer Anodenseite der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels wird an einem Einlass der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in den Brennstoffzellenstapel eingespeist. An einem Auslass treten Anodenabgase aus der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel aus, welche bei Verwendung von Wasserstoff unter anderem aus nicht verbrauchtem Wasserstoff sowie Wasser bestehen. Der nicht verbrauchte Brennstoff kann über einen Rezirkulations-Kreislauf an dem Einlass wieder zur Verfügung gestellt werden. Der Rezirkulations-Kreislauf umfasst zu diesem Zweck eine Rezirkulations-Baueinheit, beispielsweise eine Pumpe.
Befindet sich Wasser in dem Anodenabgas so besteht bei Temperaturen unterhalb eines Gefrierpunkts von Wasser, d. h. bei Temperaturen unterhalb von 0°C, die Gefahr, dass die Rezirkulations-Baueinheit einfriert. Insbesondere bei einem sogenannten Gefrierstart, d. h. einem Start ohne Vorheizen kann es dann zu einer Beschädigung der Rezirkulations-Baueinheit kommen.
Es ist daher beispielsweise aus der US 2004/0219401 A1 bekannt, bei einem Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystem die Rezirkulations-Baueinheit mit einem trockenen Spülgas durchzuspülen, um eine dort vorhandene Wassermenge zu entfernen. Zu diesem Zweck ist eine Verbindungsleitung zwischen einem Luftkompressor, welcher Druckluft an einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels liefert, und einem Spülgaseinlass der Baueinheit vorgesehen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Baueinheit zu schaffen, bei welcher eine Gefahr eines Einfrierens der Baueinheit verhindert oder zumindest reduziert wird. Es ist weiter Aufgabe der Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer entsprechenden Baueinheit zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Baueinheit mit mindestens einem beweglichen Element gelöst, durch welche eine Zweiphasenströmung förderbar ist, wobei mindestens ein Abscheider in und/oder an der Baueinheit angeordnet ist.
Durch eine Integration des Abscheiders in der Baueinheit ist eine besonders kompakte Bauweise möglich. Dabei kann je nach Anwendungsgebiet der Baueinheit eine Gewichtsreduzierung um ca. 2 kg und eine Volumenreduzierung um ca. 11 des zugehörigen Systems erzielt werden. Diese kompakte Bauweise ist daher insbesondere bei mobilen Systemen, beispielsweise in Kraft fahrzeugen von Vorteil. Die Baueinheit ist beispielsweise eine Pumpe, ein Verdichter, eine Turbine, ein Gebläse oder dergleichen. Der Abscheider ist so gestaltet, dass zumindest größere Mengen an Kondensat, insbesondere größere Wassertropfen, welche ein Festfrieren beweglicher Teile der Baueinheit verursachen können, vermeidbar sind. Dabei kann auf zusätzliche Ventile und/oder Sensoren verzichtet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Baueinheit als Rezirkulations-Baueinheit, insbesondere als Verdichter und/oder Gebläse, für einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems ausgebildet. Die Baueinheit ist beispielsweise ein Axial-, Radial- oder Seitenkanalverdichter.
In einer Ausführungsform der Baueinheit ist der Abscheider unter Ausnutzung einer Geometrie der Baueinheit und/oder stationärer und/oder dynamischer Strömungstrajektorien einer Flüssigphase der Zweiphasenströmung gestaltet. Dadurch ist eine optimale Geometrie und eine optimale Anordnung des Abscheiders an der Baueinheit für ein Abscheiden größerer Kondensat- oder Wassermengen möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der Baueinheit umfasst der Abscheider einen Ableiter mit einem Ablassventil. Der Ableiter ist dabei ebenfalls in und/oder an der Baueinheit vorgesehen, so dass eine kompakte Bauweise realisiert ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ablassventil regel- und/oder steuerbar, insbesondere elektronisch regel- und/oder steuerbar. Durch ein regel- und/oder steuerbares Ablassventil ist es möglich, das abgeschiedene Kondensat bedarfsweise abzuleiten, beispielsweise bei Überschreiten einer gewissen Wassermenge.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dem Abscheider ein Sensor zur Erfassung eines Flüssigkeitsgehalts oder Füllstands zugeordnet. Der Sensor kann beispielsweise als sogenannter Levelsensor zum Erfassen eines Füllstands gestaltet sein. Je nach Betriebsführung ist es in anderen Ausgestaltungen möglich, auf einen Sensor zu verzichten. Mit einem entsprechenden Sensor ist jedoch eine besonders sichere Regelung des Ablassventils des Ableiters möglich.
Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Brennstoffzellensystem umfassend eine erfindungsgemäße Baueinheit. Die Baueinheit ist vorzugsweise in einem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems integriert. Es sind jedoch auch andere Anwendungen denkbar.
In einer Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist ein zweiter Abscheider in dem Anodenkreislauf vorgesehen, wobei ein am ersten Abscheider abgeschiedenes Kondensat über einen Ableiter des zweiten Abscheiders ableitbar ist. Bei dem zweiten Abscheider kann es sich um einen herkömmlichen, der Baueinheit vorgeschalteten Abscheider handeln. Durch die Kombination mit einer erfindungsgemäßen Baueinheit ist es möglich, den Abscheider kleiner auszulegen, um so Bauraum einzusparen. Das an dem integrierten Abscheider austretende Kondensat kann dabei unter Ausnutzung einer im System vorhandenen Druckdifferenz in den zweiten Abscheider eingeleitet und über dessen Ableiter abgeführt werden.
In einer Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist ein dritter Abscheider vorgesehen, wobei der dritte Abscheider einen Einlass für ein Spülgas aufweist und ein Auslass des dritten Abscheiders mit dem Einlass der Baueinheit verbunden ist. Der dritte Abscheider kann beispielsweise wie in der US 2004/0219401 A1 beschrieben angeordnet sein und/oder betrieben werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, das in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
2 einen Teil eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Baueinheit in einer teilweise freigeschnittenen perspektivischen Seitenansicht und
3 das Bauteil gemäß 2 in einer perspektivischen Draufsicht.
1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2, welcher aus mehreren Brennstoffzellen, die elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sind, aufgebaut ist. Anodenseiten einzelner Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 ergeben die Anodenseite 21 des Brennstoffzellenstapels 2. Ebenso ergeben die Kathodenseiten der Brennstoffzellen die Kathodenseite 22 des Brennstoffzel lenstapels. An der Anodenseite 21 bzw. der Kathodenseite 22 sind vereinfacht dargestellte Anoden- bzw. Kathoden-Kreisläufe 3, 4 angeordnet. Der vereinfacht dargestellte Anodenkreislauf 3 umfasst einen Brennstoffspeicher 30, wobei der Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, über einen Einlass 31 dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführt wird. Ein Anodenabgas wird über einen Auslass 32 aus dem Brennstoffzellenstapel 2 abgeführt. Erfindungsgemäß ist eine Rezirkulations-Baueinheit 33 vorgesehen, durch welche zumindest ein Teil des Anodenabgases wieder dem Einlass 31 zugeführt werden kann.
Erfindungsgemäß ist in die Rezirkulations-Baueinheit 33 ein in 1 nicht dargestellter Abscheider integriert, sodass ein Kondensat, insbesondere Wasser, an der Rezirkulations-Baueinheit 33 abgeschieden werden kann. Größere Wassertropfen, die ein Festfrieren eines beweglichen Teils der Rezirkulations-Baueinheit, beispielsweise eines Laufrads eines Rezirkulations-Gebläses, verursachen können, werden dadurch vermieden.
2 und 3 zeigen schematisch einen Gehäusedeckel 133 einer erfindungsgemäßen Rezirkulations-Baueinheit 33, welche in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Seitenkanalgebläse bzw. Seitenkanalverdichter gestaltet ist, in einer teilweise freigeschnittenen, perspektivischen Seitenansicht (2) bzw. einer perspektivischen Draufsicht (3). In dem Gehäusedeckel 133 ist ein Seitenkanal 330 ausgeformt. Der Seitenkanalverdichter saugt ein Fluid, d. h. ein Gas, eine Flüssigkeit oder eine Zweiphasenströmung an, wobei ein Druck des Fluids durch eine Reihe an Verwirbelungen, die in dem Seitenkanal 330 durch Zentrifugalkraft erzeugt werden, erhöht wird. Der Seitenkanal 330 ist, wie in 3 erkennbar, nicht umlaufend, sondern unterbrochen. Erfindungsgemäß ist in der Unterbrechung des Seitenkanals 330 ein Kanal 331 in Radialrich tung als Abscheider ausgeformt. Der Kanal 331 ist bezüglich einer Rotationsachse A oder Axialrichtung des Seitenkanalverdichters um einen Winkel α zwischen 0° und 90° geneigt. Im Betrieb wird ein Kondensat, insbesondere Wasser, welches sich in einer durch den Seitenkanalverdichter geförderten Zweiphasenströmung befindet, in Abhängigkeit eines Betriebspunktes mit einem bestimmten Abscheidegrad abgeschieden. Das abgeschiedene Kondensat wird in einem Bereich eines Zentrums 332 des Gehäusedeckels 133 gesammelt und ist über einen als Öffnung 333 gestalteten Ableiter abgeführt. Hierfür kann die Öffnung 333 in eine nicht dargestellte Leitung münden. Die Öffnung 333 und/oder die Leitung kann weiter ein Ablassventil (nicht dargestellt) umfassen, wobei bei Überschreiten einer definierbaren Menge an abgeschiedenem Kondensat das Ablassventil zum ableiten des Kondensats geöffnet wird. Im Zentrum 332 des Gehäusedeckels 133 ist weiter ein Sensor 5 zum Erfassen eines Flüssigkeitsgehalts vorgesehen. Der Sensor 5 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Levelsensor zum Erfassen einer Füllhöhe gestaltet. In dem dargestellten Gehäusedeckel 133 ist eine Nut 334 vorgesehen, in welcher ein nicht dargestelltes Kabel zum Ansteuern und/oder Auslesen des Sensors 5 geführt werden kann.
Ein derart realisierter Abscheider ersetzt einen separaten, in dem Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 vor der Baueinheit 33 vorgesehenen Abscheider. Dadurch ist es möglich, ein Gesamtgewicht des Brennstoffzellensystems 1 sowie ein Gesamtvolumen des Brennstoffzellensystems 1 deutlich zu verringern. In anderen Ausführungsformen kann jedoch zusätzlich ein Abscheider vor der Baueinheit 33 gemäß 1 vorgesehen sein, welcher jedoch kleiner als bei herkömmlichen Systemen ausgelegt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2004/0219401 A1 [0004, 0015]

Claims

Baueinheit mit mindestens einem beweglichen Element, durch welche eine Zweiphasenströmung mit einer Flüssigphase förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Abscheider (331) in und/oder an der Baueinheit (33, 133) angeordnet ist.
Baueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (33) als Rezirkulations-Baueinheit, insbesondere als Verdichter und/oder Gebläse, für einen Anodenkreislauf (3) eines Brennstoffzellensystems (1) ausgebildet ist.
Baueinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (331) unter Ausnutzung einer Geometrie der Baueinheit (33, 133) und/oder stationärer und/oder dynamischer Strömungstrajektorien einer Flüssigphase der Zweiphasenströmung gestaltet ist.
Baueinheit nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (331) einen Ableiter (333) mit einem Ablassventil umfasst.
Baueinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablassventil elektronisch steuerbar ist.
Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abscheider (331) ein Sensor (5) zur Erfassung eines Flüssigkeitsgehalts zugeordnet ist.
Brennstoffzellensystem umfassend eine Baueinheit (33, 133) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Abscheider in dem Anodenkreislauf (3) vorgesehen ist, wobei ein am ersten Abscheider abgeschiedenes Kondensat über einen Ableiter des zweiten Abscheiders ableitbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Abscheider vorgesehen ist, wobei der dritter Abscheider einen Einlass für ein Spülgas aufweist und ein Auslass des dritten Abscheiders mit dem Einlass der Baueinheit (33) verbunden ist.