DE102009043565A1 - Device for supplying media into fuel cell system in e.g. motor vehicle, has compressor, sound absorbers, drive motor, valve device, recirculation conveying device and drain and/or purge valve, which are supported by sound-absorbing housing - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Medienversorgung in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a device for media supply in a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of
Brennstoffzellensysteme, und hier insbesondere solche, die mit PEM-Brennstoffzellen ausgestattet sind, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Solchen Brennstoffzellensystemen werden Medien zugeführt. Diese Medien können typischerweise Luft und Wasserstoff sein. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff dient als Oxidationsmittel in einem Kathodenraum der Brennstoffzelle. Der dem Brennstoffzellensystem zugeführte Wasserstoff wird üblicherweise in einem Druckspeicher unter hohem Druck von beispielsweise 350 oder 750 bar gespeichert. Er wird über eine Ventileinrichtung einem Anodenraum der Brennstoffzelle zusammen mit dem Sauerstoff in der Luft durch eine protonenleitende Membran hindurch umgesetzt. Dabei entsteht Wasser und die gewünschte elektrische Leistung. Nun ist es so, dass der Wasserstoff typischerweise mit einem Überschuss in seinem Volumen angeboten wird, alleine schon, um sämtliche Bereiche des Anodenraums gleichmäßig mit Wasserstoff zu versorgen. Den Anodenraum verlässt damit ein Abgas, welches noch einen hohen Anteil an Wasserstoff aufweist. Außerdem werden mit dem Abgas ein Teil des Produktwassers und durch die Membranen hindurch in den Bereich des Anodenraums eindringende Inertgase, insbesondere Stickstoff, abgeführt. Das Abgas aus dem Anodenraum
Die Luftversorgung von derartigen Brennstoffzellensystemen erfolgt nun typischerweise über Luftfördereinrichtungen, welche sehr häufig in Form von Schrauben- oder Rootsverdichtern ausgebildet sind. Alternativ dazu sind jedoch auch andere Arten von Luftfördereinrichtungen denkbar, beispielsweise Gebläse, Membranverdichter oder Ähnliches. Sämtliche Luftfördereinrichtungen haben nun den Nachteil, dass sie Druckpulsationen in der Luftfördereinrichtung selbst und/oder in dem geförderten Volumenstrom der Luft erzeugen. Insbesondere bei volumetrischen Verdichtern, wie zum Beispiel Schrauben- oder Rootsverdichtern, sind diese Druckpulsationen vergleichsweise hoch. Sie führen zu einer entsprechenden Geräuschbelastung durch die Vorrichtung zur Luftversorgung.The air supply of such fuel cell systems is now typically via air conveyors, which are very often in the form of screw or Roots compressors. Alternatively, however, other types of air handling equipment are conceivable, for example blowers, membrane compressors or the like. All air conveyors now have the disadvantage that they generate pressure pulsations in the air conveyor itself and / or in the funded volume flow of air. Especially with volumetric compressors, such as screw or Roots compressors, these pressure pulsations are relatively high. They lead to a corresponding noise level through the device for air supply.
In stationären Systemen kann eine derartige Geräuschbelastung gegebenenfalls noch toleriert werden. Soll das Brennstoffzellensystem jedoch in Transportmitteln, insbesondere in Kraftfahrzeugen, eingesetzt werden, in denen es zumindest einen Teil der für den Antrieb benötigten Energie bereitstellt, dann sind derartige Geräuschemissionen höchst unerwünscht, da sie sowohl den Betreiber des Transportmittels als auch die Umgebung, in welcher sich das Transportmittel bewegt, entsprechend belasten.In stationary systems, such noise pollution may possibly still be tolerated. However, if the fuel cell system is to be used in means of transport, in particular in motor vehicles, in which it provides at least some of the energy required for the drive, then such noise emissions are highly undesirable because they affect both the operator of the means of transport and the environment in which moves the means of transport, load accordingly.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Dieser Aufbau ist dabei zwar vergleichsweise klein und kompakt, erreicht durch die im geförderten Luftstrom angeordneten Schalldämpfer jedoch nur eine begrenzte Reduzierung der Geräuschemissionen, und kann insbesondere Schall, welcher nicht durch den geförderten Luftstrom selbst übertragen wird, sondern welcher als Körperschall oder abgestrahlter Schall emittiert wird, dämpfen.Although this construction is comparatively small and compact, achieved by the arranged in the supported air flow muffler only a limited reduction of noise emissions, and in particular sound, which is not transmitted by the funded air flow itself, but which is emitted as structure-borne noise or radiated sound , steam.
Im Bereich der Wasserstoffversorgung kann durch die Ventile, welche typischerweise getaktet betrieben werden, eine unerwünschte Schallemission entstehen. Auch die Rezirkulationsfördereinrichtung für das Anodenabgas, welche im Allgemeinen als Strömungsverdichter beziehungsweise Rezirkulationsgebläse ausgebildet ist, emittiert Schall. Da in diesem Bereich höhere Druckverluste jedoch problematisch sind, kann in diesem Bereich nur bedingt mit Schalldämpfern gearbeitet werden.In the area of the hydrogen supply, the valves, which are typically operated in a clocked manner, can produce an undesired noise emission. The recirculation conveyor for the anode exhaust gas, which is generally designed as a flow compressor or recirculation blower, emits sound. However, since higher pressure losses are problematic in this area, it is only possible to work with silencers in this area to a limited extent.
Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Medienversorgung in einem Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches die Ausbreitung von in der Vorrichtung entstehendem Schall weitestgehend unterbindet und dabei leicht und kompakt baut.It is therefore an object of the present invention to provide a device for media supply in a fuel cell system, which largely prevents the propagation of sound generated in the device and thereby builds lightweight and compact.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of
Die erfindungsgemäße Vorrichtung fasst die Komponenten zur Medienversorgung in einem schalldämmenden Gehäuse zusammen. Dies verhindert weitgehend die Emission von Schall aus diesen Komponenten, welche in jedem Fall eine Medienfördereinrichtung sowie gegebenenfalls getaktete Ventile und/oder einen elektromotorischen Antrieb der Medienfördereinrichtung umfassen. Die Problematik, dass Tragrahmen und dergleichen das schalldämmende Gehäuse durchdringen, und so Schallbrücken bilden, kann mit dem erfindungsgemäßen Aufbau vermieden werden. Dieser ist nämlich so, dass das schalldämmende Gehäuse selbsttragend ausgebildet ist, und dass die Komponenten von dem schalldämmenden Gehäuse getragen werden. Das Gehäuse übernimmt also sowohl die Funktionalität des schalldämmenden Gehäuses als auch die Funktionalität eines Tragrahmens für die Komponenten der Medienversorgung, welche schallgedämmt werden sollen.The inventive device summarizes the components for media supply in a sound-absorbing housing. This largely prevents the emission of sound from these components, which in any case comprise a media conveyor and optionally clocked valves and / or an electromotive drive of the media conveyor. The Problems that support frame and the like penetrate the sound-absorbing housing, and thus form sound bridges, can be avoided with the structure of the invention. This is in fact such that the sound-absorbing housing is designed self-supporting, and that the components are supported by the sound-absorbing housing. The housing thus takes over both the functionality of the sound-absorbing housing and the functionality of a support frame for the components of the media supply, which are to be sound-insulated.
Damit entsteht ein sehr leiser, leichter und sehr kompakter Aufbau für eine entsprechende Einrichtung zur Medienversorgung.This creates a very quiet, lightweight and very compact design for a corresponding device for media supply.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Komponenten entkoppelt an dem schalldämmenden Gehäuse befestigt sind. Dieser Aufbau mit gegenüber dem schalldämmenden Gehäuse entkoppelt befestigten Medienkomponenten erlaubt es, dass diese im Inneren des schalldämmenden Gehäuses entsprechend beweglich sind und gegen die Übertragung von Körperschall entkoppelt aufgenommen sind. Das schalldämmende Gehäuse selbst kann dann ortsfest in einem Packaging beispielsweise des Brennstoffzellensystems verbaut werden, ohne dass entsprechende Bauräume für eine Bewegung des Gehäuses vorgesehen werden müssen, da sich sämtliche aufgrund der entkoppelten Befestigung beweglich angeordneten Komponenten im Inneren des Gehäuses befinden.According to a very favorable development of the device according to the invention, it is provided that the components are decoupled attached to the sound-absorbing housing. This construction with media components decoupled relative to the sound-absorbing housing makes it possible for these to be correspondingly movable in the interior of the sound-absorbing housing and to be decoupled against the transmission of structure-borne sound. The sound-absorbing housing itself can then be installed in a stationary packaging such as the fuel cell system without corresponding space must be provided for movement of the housing, since all due to the decoupled attachment movably arranged components are located inside the housing.
In einer alternativen sehr günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dagegen auch vorgesehen sein, dass das schalldämmende Gehäuse in eine Innenschale und eine Außenschale aufgeteilt ist, wobei die Komponenten fest mit der Innenschale verbunden sind, und wobei die Innenschale entkoppelt in der Außenschale befestigt ist. Dadurch entsteht ein ähnlicher Aufbau, bei dem die Außenschale fest und insbesondere ortsfest in dem System eingebaut werden kann. Eventuelle Bauräume, welche eine Bewegung der Schale gewährleisten würden, müssen hier nicht vorgehalten werden. Bei dem Aufbau sind außerdem die Komponenten der Vorrichtung zur Medienversorgung fest in der Innenschale des schalldämmenden Gehäuses angeordnet, sodass auch hier ein vergleichsweise enges Packaging stattfinden kann. Die beiden Schalen sind dann gegeneinander entkoppelt, sodass keine Übertragung von Schall, insbesondere keine Übertragung von Körperschall von der Innenschale an die Außenschale und damit beispielsweise an einen Tragrahmen des Systems oder dergleichen erfolgen kann.In an alternative very favorable development of the device according to the invention, however, it can also be provided that the sound-absorbing housing is divided into an inner shell and an outer shell, wherein the components are fixedly connected to the inner shell, and wherein the inner shell is decoupled fixed in the outer shell. This results in a similar structure, in which the outer shell can be installed firmly and in particular stationary in the system. Any space that would ensure a movement of the shell, must not be kept here. In the construction, the components of the device for media supply are also fixedly arranged in the inner shell of the sound-absorbing housing, so that here too a relatively tight packaging can take place. The two shells are then decoupled from each other, so that no transmission of sound, in particular no transmission of structure-borne noise from the inner shell to the outer shell and thus for example to a support frame of the system or the like can take place.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass das schalldämmende Gehäuse eine gitterförmige Tragstruktur und eine äußere Schale aufweist. Dieser Aufbau mit einer gitterförmigen Tragstruktur bringt mit vergleichsweise wenig Material eine vergleichsweise hohe Steifigkeit in das schalldämmende Gehäuse und kann insbesondere zur Aufnahme der Komponenten gekoppelt oder auch fest analog den beiden oben beschriebenen alternativen Weiterbildungen genutzt werden. Diese gitterförmige Tragstruktur ist dann von einer äußeren Schale umgeben, welche eine Abdichtung für die Schalldämmung übernimmt. Diese Schale muss lediglich einen Verschluss des schalldämmenden Gehäuses bilden, sodass diese entsprechend leicht ausgeführt werden kann, da sie erst in Kombination mit der gitterförmigen Tragstruktur ihre selbsttragenden Eigenschaften ausbilden muss. Damit entsteht ein sehr leichter Aufbau für das schalldämmende Gehäuse.In a very advantageous embodiment of the device according to the invention, it is provided that the sound-absorbing housing has a grid-shaped support structure and an outer shell. This structure with a grid-shaped support structure brings with comparatively little material a comparatively high rigidity in the sound-absorbing housing and can be used in particular for receiving the components or fixed analogous to the two alternative developments described above. This grid-shaped support structure is then surrounded by an outer shell, which assumes a seal for the sound insulation. This shell only has to form a closure of the sound-absorbing housing, so that it can be made correspondingly light, since it only has to form its self-supporting properties in combination with the latticed support structure. This creates a very light construction for the sound-absorbing housing.
In einer sehr günstigen Ausgestaltung hiervon kann es vorgesehen sein, dass dieser Aufbau als Weiterbildung des oben beschriebenen Aufbaus mit Innenschale und Außenschale ausgebildet ist und dass die gitterförmige Tragstruktur als die innere Schale fungiert, welche entkoppelt gegenüber der äußeren Schale aufgehängt ist. Auch dieser Aufbau ist entsprechend leicht und garantiert bei geringem Bauvolumen und besten mechanischen Eigenschaften einen sehr guten Schallschutz.In a very favorable embodiment of this it can be provided that this structure is formed as a development of the construction described above with inner shell and outer shell and that the lattice-shaped support structure acts as the inner shell, which is uncoupled from the outer shell suspended. This construction is also correspondingly light and guarantees very good sound insulation with a low construction volume and the best mechanical properties.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass die Medienversorgung als Luftversorgungsmodul ausgebildet ist, welches als Komponenten zumindest eine Luftfördereinrichtung und wenigstens einen Schalldämpfer umfasst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem schalldämmenden Gehäuse kann also bevorzugt für ein Luftversorgungsmodul, oder auch Kathodenmodul, eingesetzt werden, welches als primäre Geräuschquelle die Luftfördereinrichtung umfasst, welche insbesondere als volumetrischer Verdichter, beispielsweise Schrauben- oder Rootsverdichter, ausgebildet sein kann. Prinzipiell ist auch die Ausbildung als Strömungsverdichter denkbar, wobei die Schallemissionen durch einen volumetrischen Verdichter entsprechend höher sind und daher die sehr gute Schalldämmung gemäß des erfindungsgemäßen Aufbaus dann besonders gut zu tragen kommen.In an advantageous development of the device according to the invention, it is provided that the media supply is designed as an air supply module, which comprises as components at least one air conveying device and at least one silencer. The device according to the invention with the sound-insulating housing can thus be used preferably for an air supply module or cathode module, which comprises the air conveying device as a primary noise source, which can be designed in particular as a volumetric compressor, for example screw or Roots compressor. In principle, the training as a flow compressor is conceivable, the sound emissions are correspondingly higher by a volumetric compressor and therefore the very good sound insulation according to the structure of the invention then come to bear very well.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass der wenigstens eine Schalldämpfer direkt an die Luftfördereinrichtung angekoppelt ist. Dies bedeutet also, dass der Schalldämpfer direkt und ohne dazwischen angeordnete Rohrleitung fluidisch entweder mit der Saugseite und/oder der Druckseite der Luftfördereinrichtung verbunden ist. Dadurch werden Oberflächen von die Komponenten verbindende Rohren vermieden, welche ihrerseits Schall an die Umgebung abstrahlen könnten.In a further very favorable embodiment thereof, it is further provided that the at least one muffler is coupled directly to the air conveyor. This means that the silencer is connected fluidically either directly to the suction side and / or the pressure side of the air conveying device without piping arranged therebetween. This will be surfaces of the components avoided connecting pipes, which in turn could radiate sound to the environment.
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Medienversorgung auch als Wasserstoffversorgungsmodul ausgebildet sein, welches als Komponenten zumindest eine Rezirkulationsfördereinrichtung und wenigstens eine getaktet betriebene Ventileinrichtung umfasst. Die Medienversorgung ist hier also als Wasserstoffversorgungsmodul beziehungsweise sogenanntes Anodenmodul ausgebildet. Das schalldämmende Gehäuse dämmt dabei den Schall, welcher durch die Rezirkulationsfördereinrichtung, welche typischerweise als Gebläse ausgebildet ist, entsteht. Außerdem werden Ventileinrichtungen, wie sie beispielsweise zur Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellensystems benötigt werden, oder für das Ablassen von inertem Gas und Wasser aus dem Rezirkulationskreislauf sehr häufig getaktet betrieben. Derartige getaktet betriebene Ventileinrichtungen sind daher eine Quelle für entsprechende Geräuschemissionen. Bei dem erfindungsgemäßen Aufbau können also auch diese entsprechend schallgedämmt und von dem schalldämmenden Gehäuse getragen ausgebildet werden.In a very favorable and advantageous development of the device according to the invention, the media supply can also be designed as a hydrogen supply module, which comprises as components at least one recirculation conveyor and at least one cyclically operated valve device. The media supply is thus designed here as a hydrogen supply module or so-called anode module. The sound-absorbing housing insulates the sound, which is produced by the recirculation conveyor, which is typically designed as a fan. In addition, valve devices, such as those needed for example to supply hydrogen to the fuel cell system, or for the discharge of inert gas and water from the recirculation circuit are operated very frequently clocked. Such cyclically operated valve devices are therefore a source of corresponding noise emissions. In the structure according to the invention, therefore, these can also be sound-proofed and supported by the sound-absorbing housing.
In einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass das schalldämmende Gehäuse Metall, Kunststoff, faserverstärkten Kunststoff oder einen Verbundwerkstoff hiervon als eines seiner Materialien aufweist. Das schalldämmende Gehäuse kann also vergleichsweise flexibel und leicht aufgebaut werden, beispielsweise indem verschiedene sehr stabile Materialien wie faserverstärkter Kunststoff und/oder Metalle eingesetzt oder miteinander kombiniert werden.In a very favorable and advantageous embodiment of the device according to the invention, it is also provided that the sound-absorbing housing has metal, plastic, fiber-reinforced plastic or a composite material thereof as one of its materials. The sound-absorbing housing can thus be relatively flexible and easy to set up, for example by using different very stable materials such as fiber-reinforced plastic and / or metals or combined with each other.
Gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung hiervon ist es außerdem vorgesehen, dass das schalldämmende Gehäuse mit einem schalldämmenden Material ausgekleidet ist. Dieses schalldämmende Material kann beispielsweise ein Schaumstoff oder Ähnliches sein, welcher das schalldämmende Gehäuse beziehungsweise bei dem Aufbau mit mehreren Schalen oder Gitterstrukturen zumindest die äußere Schale entsprechend auskleidet, und so in dem schalldämmenden Gehäuse entstehende Schallwellen schluckt.According to a very favorable development thereof, it is also provided that the sound-absorbing housing is lined with a sound-absorbing material. This sound-absorbing material may for example be a foam or the like, which at least the outer shell correspondingly lines the sound-absorbing housing or in the construction with a plurality of shells or lattice structures, and thus swells in the sound-absorbing housing resulting sound waves.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht also eine kompakte, leichte und sehr leise Vorrichtung zur Medienversorgung in einem Brennstoffzellensystem. Die bevorzugte, aber nicht einzige Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt daher in der Verwendung zur Medienversorgung eines Brennstoffzellensystems in einem Transportmittel. Ein solches Transportmittel kann insbesondere ein Kraftfahrzeug, aber auch ein schienengebundenes oder schienenloses Landfahrzeug im Bereich der Logistik, der Warenförderung oder dergleichen sein. Auch Schiffe oder Flugzeuge sind als entsprechende Transportmittel denkbar.The device according to the invention thus makes possible a compact, light and very quiet device for media supply in a fuel cell system. The preferred, but not the only application of the device according to the invention is therefore in the use for media supply of a fuel cell system in a means of transport. Such a means of transport may in particular be a motor vehicle, but also a rail-bound or trackless land vehicle in the field of logistics, goods promotion or the like. Even ships or aircraft are conceivable as appropriate means of transport.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand der Figuren näher dargestellt und erläutert ist.Further advantageous embodiments of the device according to the invention also result from the exemplary embodiment, which is illustrated and explained in more detail below with reference to FIGS.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Die Vorrichtung
Da die Ventileinrichtungen
Dieser bis hierher gezeigte und beschriebene Aufbau entspricht dabei dem Aufbau gemäß dem Stand der Technik, sodass auf die vereinfachte Darstellung nicht näher eingegangen wird. Die Vorrichtung
Der eine der Schalldämpfer
Die Problematik bei diesem Aufbau ist nun die, dass der Verdichter
Das schalldämmende Gehäuse
Das schalldämmende Gehäuse
Neben dem hier erwähnten Aufbau des schalldämmenden Gehäuses
In der Darstellung der
Die beiden hier beschriebenen Ausführungsbeispiele, welche an einer Vorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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