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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Luft als Sauerstofflieferant für ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Häufig werden derartige Brennstoffzellensysteme, beispielsweise auf Basis einer PEM-Brennstoffzelle, zur Erzeugung von elektrischer Antriebsenergie in Fahrzeugen, beispielsweise gleisgebundenen oder gleislosen Fahrzeugen, mit oder ohne Fahrer, oder auch in Wasserfahrzeugen eingesetzt. Typischerweise nutzen derartige Brennstoffzellensysteme dabei Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas, welches entweder im Bereich des Brennstoffzellensystems erzeugt oder dort gespeichert wird. Der Wasserstoff wird in der Brennstoffzelle selbst zusammen mit Sauerstoff dann zu der benötigten elektrischen Energie umgesetzt, wobei Produktwasser entsteht.
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Der Sauerstoff wird im Allgemeinen aus der das Brennstoffzellensystem umgebenden Luft verwendet, sodass diese über eine Luftfördereinrichtung, beispielsweise einen Schraubenkompressor oder einen Strömungskompressor, ein Roots-Gebläse oder dergleichen angesaugt wird. Da die Umgebungsluft des Brennstoffzellensystems, insbesondere wenn dieses in einem Fahrzeug eingesetzt wird, häufig sehr stark mit Schmutzpartikeln, Wassertropfen und dergleichen beladen ist, ist eine Filterung dieser Luft, bevor diese dem Brennstoffzellensystem als Sauerstofflieferant bereitgestellt wird, von entscheidender Bedeutung.
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Der allgemeine Stand der Technik kennt daher, ähnlich wie bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, entsprechende Luftfilter, welche typischerweise mit einem Filterpapier oder Filtervlies ausgestattet sind und welche Verschmutzungen, insbesondere Staub und Partikel, in einer oder mehreren Stufen aus der angesaugten Luft abscheiden. Die Problematik bei derartigen Filtern liegt darin, dass diese im Laufe der Zeit zunehmend verschmutzen und einen größeren Druckverlust verursachen. Dementsprechend müssen sie vergleichsweise oft ausgetauscht und/oder gereinigt werden. Eine andere Problematik liegt insbesondere darin, dass Filterpapier und/oder Filtervliese Feuchtigkeit, welche beispielsweise in Form von Aerosolen oder Tröpfchen in der Ansaugluft vorhanden ist, typischerweise aufsaugen. Ein solcher mit Flüssigkeit, insbesondere Wasser, vollgesaugter Filter, verursacht dann einen noch höheren Druckverlust. Außerdem kommt es zu massiven Problemen, wenn das Fahrzeug bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts abgestellt und später wieder gestartet werden soll. Im schlimmsten Fall kann der feuchte Luftfilter sich dann komplett zusetzen und durch das in seinem Bereich gefrorene Wasser keinen oder nur noch einen sehr geringen Volumenstrom an Luft passieren lassen. Die Startzeit für ein Brennstoffzellensystem in dieser Situation wird dann in nicht akzeptablem Maße verlängert, was einen erheblichen Nachteil für den Systemstart und die Kundenakzeptanz darstellt.
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Zum Stand der Technik soll beispielhaft auf die
DE 102 18 673 A1 verwiesen werden. Diese beschäftigt sich mit der Reinigung von Ansaugluft für ein Brennstoffzellensystem. Die dort beschriebenen Aufbauten sind vergleichsweise komplex und bestehen aus mehreren Kammern, in welchen verschiedene Funktionalitäten realisiert werden. Auch hier ist über eine Beheizung und eine Anordnung der Reinigungseinheit nach dem Kompressor auf einen ausreichend warmen Volumenstrom geachtet, sodass ein Einfrieren verhindert wird. Insgesamt haben die dort beschriebenen Aufbauten den Nachteil, dass diese typischerweise mehr Bauraum benötigen und teilweise einen höheren Druckverlust verursachen, als herkömmliche Filtersysteme. Außerdem kann Schmutz in den Kompressor eindringen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und eine sehr einfache und kompakte Einheit zur Bereitstellung von Luft als Sauerstofflieferant für eine Brennstoffzelle bereitzustellen, welche eine sehr reine zugeführte Luft bei unabhängig über die Betriebsdauer sehr geringen Druckverlusten gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Patentanspruch 10 angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Luftfilter auf, welcher wenigstens einen Zyklonabscheider umfasst. Ein solcher Zyklonabscheider, wie er beispielsweise aus dem Bereich von Haushaltsstaubsaugern bekannt ist, eignet sich sehr gut als Luftfilter oder primärer Luftfilter für eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Luft. Der Zyklonabscheider kommt ohne eigenen Antrieb aus, sondern wird durch die von der Luftfördereinrichtung aufgebaute Strömungsenergie „angetrieben”. Er kann über die gesamte Betriebsdauer hinweg mit dem annähernd selben Druckverlust betrieben werden, da prinzipbedingt Schmutz wie Staub, aber auch Flüssigkeitströpfchen, Flüssigkeitsnebel und dergleichen entsprechend abgeschieden und während des Betriebs aus dem Zyklonabscheider entfernt werden können. Solange sich nicht so viel Schmutz ansammelt, dass der Hauptströmungsweg von dem Schmutz zugesetzt wird, was im typischen Betrieb eines Zyklonabscheiders normalerweise nicht auftritt, kann dieser ohne eine Veränderung des von ihm verursachten Druckverlusts sicher und zuverlässig betrieben werden. Anders als herkömmliche Filter ist er außerdem in der Lage, auch Flüssigkeiten, beispielsweise mit Salz behaftete im Straßenverkehr auftretende Sprühnebel oder dergleichen, sicher und zuverlässig abzuscheiden und die Brennstoffzelle so nicht nur vor Dreck und Staub, sondern auch vor flüssigen aggressiven chemischen Substanzen sicher und zuverlässig zu schützen.
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Darüber hinaus ist die Wartung und Reinigung sehr viel einfacher, da der Zyklonabscheider lediglich gereinigt werden muss und kein Austausch des Filtermaterials erfolgen muss. Insgesamt ergibt sich so ein kostengünstigeres und nachhaltigeres System, als bei den herkömmlichen Filtern mit Filterpapieren und/oder Filtervliesen.
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Ein weiterer Vorteil des Zyklonabscheiders als Luftfilter liegt darin, dass dieser typischerweise bei vergleichbarem Druckverlust und vergleichbarer Reinigungsleistung sehr viel kleiner ausgeführt werden kann, als es ein herkömmlicher Luftfilter mit Filterpapier und/oder Filtervlies werden könnte.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es dabei vorgesehen sein, dass wenigstens zwei Zyklonabscheider vorhanden sind, wobei diese in Strömungsrichtung seriell hintereinander verschaltet sind. Somit kann eine zweistufige Reinigung erfolgen. Insbesondere kann im ersten Zyklonabscheider bei vergleichsweise großem Baudurchmesser grober Schmutz abgeschieden werden, während im seriell dann nachgeschalteten Zyklonabscheider, welcher vorzugsweise einen sehr viel kleineren Baudurchmesser aufweist und damit höhere Geschwindigkeiten und größere Fliehkräfte erzeugen kann, dann feinerer Schmutz abgeschieden werden kann.
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Ergänzend oder alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass seriell zwischen dem Zyklonabscheider beziehungsweise dem in Strömungsrichtung letzten Zyklonabscheider und der Luftfördereinrichtung ein Feinfilter, insbesondere mit einem Filterpapier oder Filtervlies, eingesetzt wird. Ein solcher Feinfilter herkömmlicher Bauart kann letzte feinste Reste, welche der Zyklonabscheider nicht abgeschieden hat, aus der Luft herausfiltern. Da dieser typischerweise nur mit wenigen sehr feinen Partikeln belastet wird, sind die Wartungsintervalle für einen derartigen Feinfilter sehr viel größer, als sie dies für einen herkömmlichen Luftfilter mit Filterpapieren und/oder Filtervliesen wären. Die genannten Nachteile eines solchen herkömmlichen Filters „kauft” man sich mit einem solchen Feinfilter also nur zu einem sehr geringen Teil wieder ein.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass der Luftfilter wenigstens einen Zyklonabscheider und einen Filter mit Filterpapier oder Filtervlies aufweist, welche parallel zueinander verschaltet sind. Dieser Aufbau ermöglicht einen sehr guten Betrieb des Brennstoffzellensystems über verschiedene Leistungsbereiche hinweg. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es daher vorgesehen sein, dass die parallelen Strömungszweige, oder zumindest einer derselben, abschaltbar ausgeführt ist. Im Volllastbetrieb bei vollem benötigtem Luftstrom des Brennstoffzellensystems stellt die Verwendung des Zyklonabscheiders einen sehr einfachen und effizienten Aufbau dar, wie es oben bereits erläutert worden ist. Mit sinkender Last sinkt jedoch auch die Strömungsgeschwindigkeit in dem typischerweise auf Volllast ausgelegten wenigstens einen Zyklonabscheider. Die Abscheidewirkung wird damit entsprechend verschlechtert und die Reinigung der für das Brennstoffzellensystem bereitgestellten Luft kann nicht mehr in der gewünschten Art und Weise erfolgen. Für solche Lastzustände kann es dann vorgesehen sein, dass durch den parallelen Zweig des herkömmlichen Filters die für sehr niedere Lastzustände und Teillastzustände benötigte Luft, wie bisher auch, gefiltert wird. Da für den dann vergleichsweise kleinen Volumenstrom entsprechend nur ein kleinerer herkömmlicher Filter notwendig ist, entsteht insgesamt immer noch der Vorteil eines Aufbaus, welcher kompakter als ein herkömmlicher Filter ist, und welcher darüber hinaus über die gesamten beim Betrieb des Brennstoffzellensystems auftretenden Lastzustände hinweg immer noch energetische Vorteile durch verringerte Druckverluste bringt. Da durch den hierbei eingesetzten herkömmlichen Filter deutlich weniger Luft strömt als wenn die gesamte über alle Lastzustände hinweg benötigte Luft durch einen solchen Filter strömt, können auch Wartungsintervalle verlängert und Probleme hinsichtlich des Zusetzens des Filters entsprechend verringert werden. Sollte ein derartiger Filter einmal einfrieren, so kann über den parallelen Zweig des Zyklonabscheiders problemlos ein Start des Brennstoffzellensystems weiterhin erfolgen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann dabei lediglich ein Zyklonabscheider und parallel dazu lediglich ein herkömmlicher Filter vorgesehen sein. In diesem Fall ist der Zyklonabscheider dann auf Volllast ausgelegt. Alternativ oder ergänzend zu dem herkömmlichen Filter können außerdem weitere Zyklonabscheider parallel vorgesehen sein. Dann ist es prinzipiell möglich, mehrere Zyklonabscheider, typischerweise Zyklonabscheider verschiedener Größen so einzusetzen, dass diese alle gemeinsam auf Volllast ausgelegt sind und durch gezieltes Hinzuschalten in den Luftstrom und Herausschalten aus den Luftstrom immer ideal an den jeweiligen Volumenstrom, welchen es zu filtern gilt, angepasst werden können.
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Insgesamt erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung einen sehr kompakten Aufbau, welcher energetisch optimiert und hinsichtlich der Wartung sehr freundlich ist. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen von Luft als Sauerstofflieferant für ein Brennstoffzellensystem ihre besonderen Vorteile dann ausspielen kann, wenn vergleichsweise stark verschmutzte Luft für das Brennstoffzellensystem angesaugt werden muss, liegt ihre bevorzugte Verwendung im Bereich von Fahrzeugen, in welchen das Brennstoffzellensystem elektrische Leistung zum zumindest teilweisen Antreiben des Fahrzeugs liefert.
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Unter Fahrzeugen im Sinne der Erfindung könnten dabei alle Fahrzeuge auf dem Wasser oder auf dem Lande verstanden werden, welche beispielsweise gleisgebunden oder gleislos ausgeführt sind, und welche mit oder ohne Fahrer als Individualtransportmittel, als Nahverkehrsmittel oder Logistikfahrzeug eingesetzt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiels deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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2 eine erste mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung;
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3 eine zweite mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung;
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4 eine dritte mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung;
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5 eine vierte mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung;
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6 eine fünfte mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung;
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7 eine sechste mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung; und
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8 eine siebte mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer Prinzipdarstellung.
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In der Darstellung der 1 ist ein stark schematisiert angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen. Dieses weist ein sehr vereinfacht dargestelltes Brennstoffzellensystem 2 auf, welches im Wesentlichen aus einer Brennstoffzelle 3, beispielsweise einer PEM-Brennstoffzelle, besteht. Die Brennstoffzelle 3 liefert elektrische Energie über zwei prinzipmäßig angedeutete elektrische Leitungen 4, welche über eine Leistungselektronik 5 und ein entsprechendes Energiemanagementsystem, welches beispielsweise auch eine Batterie mit umfassen kann, zum Antrieb eines Elektromotors 6 im Bereich einer Achse 7 zum Antrieb der hier prinzipmäßig dargestellten Räder 8 vorgesehen ist. Der Brennstoffzelle 3 beziehungsweise einem Anodenraum 9 der Brennstoffzelle 3 wird aus einem Druckgasspeicher 10 Wasserstoff zugeführt. Einem Kathodenraum 11 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Vorrichtung 12 zum Bereitstellen von Luft Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abgase aus dem Bereich der Brennstoffzelle 3 gelangen dann über eine katalytische Einheit 13, um eventuell Reste an Wasserstoff entsprechend umzusetzen, in die Umgebung.
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Der hier dargestellte Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 sowie des elektrischen Antriebs des Fahrzeugs 1 ist dabei rein beispielhaft zu verstehen und ist sehr stark schematisiert angedeutet. Der exakte Aufbau spielt für den eigentlichen Kern der hier vorliegenden Erfindung keine Rolle, sodass das Brennstoffzellensystem 2 selbstverständlich auch in anderer Art und Weise ausgeführt sein könnte.
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Der Kern des hier beschriebenen Aufbaus beschäftigt sich nun schwerpunktmäßig mit der Vorrichtung 12 zur Bereitstellung von Luft als Sauerstofflieferant für das Brennstoffzellensystem 2 beziehungsweise den Kathodenraum der Brennstoffzelle 3.
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Die Vorrichtung 12, welche in den nachfolgenden Figuren in verschiedenen möglichen Aufbauten dargestellt ist, soll nun näher erläutert werden. Die einfachste denkbare Ausführungsform ist in der Darstellung der 2 zu erkennen. Die Vorrichtung 12 besteht hierbei aus einer Luftfördereinrichtung 14, welche als beliebiger Typ ausgebildet sein kann. So sind beispielsweise Strömungskompressoren, Roots-Gebläse, Kolben-, Schraubenverdichter oder dergleichen denkbar. Die Luftfördereinrichtung 14 muss lediglich einen Luftstrom ansaugen und für die Brennstoffzelle 3 bereitstellen. Der angesaugte Luftstrom kann dabei zusätzlich über Ladeluftkühler, Befeuchter und dergleichen strömen, bevor er den Kathodenraum 11 der Brennstoffzelle 3 erreicht, wie dies aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich ist. Selbstverständlich kann von dem Luftstrom nach der Luftfördereinrichtung 14 auch ein Teilstrom für andere Anwendungen, beispielsweise in einem Onboard-Gaserzeugungssystem zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, als Lagerluft, Kühlluft oder Spülluft entsprechend abgezweigt werden.
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Da Brennstoffzellen 3 und hier insbesondere die Membranen und Elektrokatalysatoren im Bereich der Brennstoffzelle vergleichsweise empfindlich auf Schmutz und mit chemischen Belastungen versehene Feuchtigkeit, beispielsweise feuchte Salznebel oder dergleichen, reagieren, ist eine gute Filterung der angesaugten Luft notwendig. In dem hier dargestellten Aufbau der Vorrichtung 12 erfolgt diese Filterung über einen Zyklonabscheider 15, welcher mit einem entsprechenden Symbol versehen beispielhaft in der Darstellung der 2 zu erkennen ist. Ein solcher Zyklonabscheider 15 ist aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich bekannt. Er wird beispielsweise bei Haushaltsstaubsaugern eingesetzt. Er besteht aus einem geeigneten Aufbau, bei welchem entsprechende Einbauten eine gezielte Bewegung der den Zyklonabscheider 15 durchströmenden Medien verursachen und somit einen Zyklon erzeugen, welcher in dem Gasstrom beziehungsweise Luftstrom transportierte Verunreinigungen, Flüssigkeitströpfchen und dergleichen entsprechend abscheidet. Er hat gegenüber herkömmlichen Filtern den Vorteil, dass er einen vergleichsweise geringen Druckverlust hat, und dass dieser Druckverlust im Wesentlichen unabhängig von der Menge der bereits abgeschiedenen Verschmutzungen ist. Der Zyklonabscheider 15 benötigt dabei keinen eigenen Antrieb, sondern wird durch den durch die Luftfördereinrichtung 14 angesaugten Gasstrom durchströmt. Über entsprechende Einbauten wird die gewünschte Strömung mit der Abscheidewirkung erzielt.
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Der in 2 dargestellte Aufbau hat den Vorteil, dass dieser sehr viel kompakter baut als ein vergleichbarer Aufbau mit einem herkömmlichen Filter bei vergleichbarer Reinigungswirkung. Außerdem hat die in 2 dargestellte Vorrichtung 12 den entscheidenden Vorteil, dass diese den Zyklonabscheider 15 in Strömungsrichtung vor der Luftfördereinrichtung aufweist, also auch die Luftfördereinrichtung vor Staub und Schmutz schützt. Insbesondere bei der Verwendung eines Strömungsverdichters, welcher typischerweise sehr schnelllaufend ausgebildet ist, kann so der Eintrag von Schmutzpartikeln und/oder Wassertröpfchen in den Bereich der Luftfördereinrichtung 14 verhindert werden, welcher hier zu Beschädigungen des Aufbaus führen könnte.
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Eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 12 ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Zusätzlich zu dem Zyklonabscheider 15 und der Luftfördereinrichtung 14 ist hier außerdem ein Feinfilter 16 vorgesehen. Dieser Feinfilter 16 befindet sich nach dem Zyklonabscheider 15 in Strömungsrichtung zwischen dem Zyklonabscheider 15 und der Luftfördereinrichtung 14. Prinzipiell wäre es auch denkbar, den Feinfilter 16 nach der Luftfördereinrichtung 14 anzuordnen. Die hier in der Darstellung der 3 gewählte Anordnung hat jedoch den Vorteil, dass sie auch die Luftfördereinrichtung 14 vor sehr feinem Staub schützt. Der Aufbau dient zu einer weiteren Verbesserung der Reinigung der Luft. Der Zyklonabscheider 15 kann neben Staub auch Feuchtigkeitsnebel und Wasser entsprechend abscheiden. Allerdings gibt es sehr leichte und kleine Staubteilchen, welche durch den Zyklonabscheider 15 nicht oder nicht vollständig abgeschieden werden. Diese können dann im Feinfilter 16 mit abgeschieden werden. Da im Bereich des Feinfilters 16 lediglich ein sehr kleiner Teil an Schmutz anlangt, kann dieser dennoch mit sehr viel größeren Wartungsintervallen als ein herkömmlicher Filter betrieben werden, auch wenn der Feinfilter 16 typischerweise als Filter mit Filterpapier oder Filtervlies ausgeführt ist.
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Der Feinfilter 16 ist für alle nachfolgenden Ausführungen, in denen er dargestellt ist, jeweils als Option zu verstehen. Er könnten prinzipiell auch immer weggelassen werden, sowie dies in der Darstellung der 2 zu erkennen ist.
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In der Darstellung der 4 wird der in 3 dargestellte Aufbau der Vorrichtung 12 nochmals aufgegriffen. Zusätzlich zu der Luftfördereinrichtung 14 und dem Feinfilter 16 sind jetzt zwei Zyklonabscheider 15.1 und 15.2 vorgesehen. Wie es bereits aus der Darstellung zu erkennen ist, ist der Zyklonabscheider 15.1, welcher in Strömungsrichtung als erstes von der Luft durchströmt wird, vergleichsweise groß, das heißt mit großem Durchmesser ausgebildet. Er ist daher insbesondere geeignet, um eher groben Schmutz abzuscheiden. Ein zweiter Zyklonabscheider 15.2 in Strömungsrichtung danach ist vergleichsweise klein ausgebildet, hat also einen entsprechend kleineren Durchmesser und kann damit höhere Strömungsgeschwindigkeiten erzielen. Er ist insbesondere für die Abscheidung von feinerem Schmutz geeignet. Insbesondere beim Einsatz eines solchen kleineren Zyklonabscheiders 15.2 nach dem ersten grollen Zyklonabscheider 15.1 könnte auf den Feinstaubfilter 16 auch verzichtet werden. Optional ist sein Einsatz jedoch auch hier möglich, so wie dies in der Darstellung der 4 mit dargestellt worden ist. Die Verbindung aus großem Zyklonabscheider 15.1 und kleinem Zyklonabscheider 15.2 ermöglicht eine weitere Verbesserung der Abscheidungswirkung. Diese können dabei baugleich ineinander integriert ausgeführt sein, sodass ein Multizyklonabscheider entsteht, welcher in seiner Baugröße nicht oder nur minimal größer als ein einfacher Zyklonabscheider 15 ist.
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In der Darstellung der 5 ist ein Aufbau zu erkennen, bei welchem zwei parallele Strömungszweige 17 vorhanden sind. In dem ersten der Strömungszweige 17.1 befindet sich der bereits mehrfach beschriebene Zyklonabscheider 15. In dem parallel dazu verlaufenden Strömungszweig 17.2 befindet sich ein herkömmlicher Filter 18 auf der Basis von Filterpapier oder Filtervlies. Die beiden Strömungszweige 17.1, 17.2 sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über Ventile 19 schaltbar ausgeführt. So kann beispielsweise bei dem in 5 auf Volllast ausgelegten Zyklonabscheider 15 im Volllastbereich der Luftfördereinrichtung 14, also bei maximalem Volumenstrom, lediglich der Zyklonabscheider 15 durchströmt werden, um die benötigte Reinigungswirkung zu erzielen, optional mit nachgeschaltetem Feinfilter 16, wie in der 5 dargestellt. Kommt es nun zu einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 im Teillastbereich, sodass vergleichsweise wenig Luft benötigt wird, dann kann durch einen auf Volllast ausgelegten Zyklonabscheider 15 keine so gute Reinigungswirkung mehr erzielt werden. In diesem Fall kann dann die Luft über den herkömmlichen Filter 18 in dem parallelen Strömungszweig 17.2 angesaugt werden, während über die Ventile 19 der Strömungszweig 17.1 mit dem Zyklonabscheider 15 abgeschaltet wird. In diesem Fall kann auch bei sehr geringen Volumenströmen durch die Luftfördereinrichtung 14 eine ausreichend gute Reinigungswirkung erzielt werden. Da auch hier vergleichbar wie beim Einsatz des Feinfilters 16 der herkömmliche Filter 18 lediglich mit einem Teil der insgesamt benötigten Luft während der Gesamtbetriebsdauer des Systems beaufschlagt wird, kann auch hier dessen Baugröße minimiert werden. Insgesamt entsteht bei der Vorrichtung 12 dann immer noch eine kleinere Baugröße als bei den bisher üblichen Aufbauten. Auch lassen sich dadurch, dass lediglich während eines Teils der Betriebszeit die Strömung durch den herkömmlichen Filter 18 erfolgt, dessen Wartungsintervalle entsprechend länger ausgestalten.
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In der Darstellung der 6 ist eine Variante der Vorrichtung 12 gemäß 5 dargestellt. Da in einen herkömmlichen Filter 18 eine entsprechende Feinfilterung integriert ausgeführt sein kann, ist der Feinfilter hier in den Strömungszweig 17.1 verlagert, sodass eine Feinfilterung nur dann erfolgt, wenn die Luft zuvor im Zyklonabscheider 15 gereinigt worden ist.
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In der Darstellung der 7 wird der in 5 beschriebene Aufbau der Vorrichtung 12 nochmals aufgegriffen. Anstelle des herkömmlichen Filters 18 befindet sich bei diesem Aufbau ein zweiter Zyklonabscheider 15.3 in dem parallelen Strömungszweig 17.2. Zur Verdeutlichung wurde daher der Zyklonabscheider 15 im anderen parallelen Strömungszweig 17.1 mit 15.1 bezeichnet. Die beiden Zyklonabscheider 15.1, 15.3 können dabei so ausgelegt sein, dass diese gemeinsam auf Volllast ausgelegt sind, sodass bei einem Zuschalten beider Zyklonabscheider 15.1, 15.3 der im Volllastfall auftretende Volumenstrom durch die Vorrichtung 12 gut gereinigt werden kann. Kommt es zu Teillastsituationen im Bereich von 50 Prozent des Volllastvolumenstroms, dann kann über einen der Zyklonabscheider, entweder 15.1 oder 15.3, ebenfalls eine sehr gute Reinigungswirkung erzielt werden. Lediglich bei geringeren Volumenströmen fällt die Reinigungswirkung dann etwas ab. Alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch denkbar, bei der Vorrichtung 12 in 7 die beiden Zyklonabscheider 15.1 und 15.3 beispielsweise so auszulegen, dass der Zyklonabscheider 15.1 ca. zwei Drittel des Volumenstroms bewältigt, während der andere lediglich ein Drittel des Volumenstroms bewältig, dann könnte in drei Stufen eine geeignete Reinigungswirkung bei drei verschiedenen Lastpunkten erzielt werden.
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Darüber hinaus ist es selbstverständlich denkbar, mehrere parallele Strömungszweige 17 einzusetzen, um eine noch feinere Anpassung an verschiedene Lastpunkte der Vorrichtung 12 zu erzielen.
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Abschließend soll in der Darstellung der 8 nochmals eine weitere Variante erläutert werden. Diese stellt im Wesentlichen eine Kombination der in 5 erläuterten Variante mit der in 7 erläuterten Variante dar. Der Aufbau zeigt drei parallele Strömungszweige 17.1, 17.2 und 17.3, von welchen zwei mit Zyklonabscheidern 15.1 und 15.3 versehen sind, während der dritte Strömungszweig einen herkömmlichen Filter 18 aufweist. Die Funktionalität ergibt sich aus dem oben Gesagten. So kann beispielsweise bei einer Auslegung der beiden Zyklonabscheider 15.1 und 15.3 in der Darstellung der Vorrichtung 12 in 8 auf ein Drittel und zwei Drittel des benötigten Volumenstroms bei Volumenströmen unterhalb eines Drittels des benötigten Volumenstroms der herkömmliche Filter 18 entsprechend eingesetzt werden.
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Neben den hier beschriebenen Ausführungsvarianten sind selbstverständlich andere Ausführungsvarianten denkbar. Außerdem ist es denkbar und möglich, die hier beschriebenen Ausführungsvarianten beliebig untereinander zu kombinieren und beispielsweise in einen der parallelen Strömungszweige 17 zwei der Zyklonabscheider seriell einzusetzen, wie dies in der Darstellung der Vorrichtung 12 in 4 zu erkennen ist, oder beliebige andere Varianten zu realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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