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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einbringen von flüssigem Wasser in einen Gasstrom nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme, insbesondere solche zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für Fahrzeuge, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In Brennstoffzellensystemen ist es nun üblich, an verschiedenen Stellen des Systems Wasser beispielsweise über Wasserabscheider aus Gasströmen abzuscheiden. Dieses abgeschiedene Wasser muss dann aus dem System wieder abgeführt werden, wozu dieses typischerweise über eine Einspritzstelle für das flüssige Wasser in Leitungselemente des Brennstoffzellensystems bzw. in diesen Leitungselementen strömende Gasströme eingespritzt wird. Das Wasser kann dann in Form von fein verteilten Tröpfchen und vorzugsweise in Form von Wasserdampf mit dem Gasstrom abgeführt werden. Rein beispielhaft soll hinsichtlich derartiger Wasserabscheider und zur Thematik des Einbringens von Wasser in Gasströme auf die
WO 2008/052578 A1 hingewiesen werden.
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Problematisch ist es nun, dass das Wasser typischerweise an Stellen in die Leitungselemente des Brennstoffzellensystems eingespritzt wird, welche einfach und effizient zugänglich sind, da insbesondere Brennstoffzellensysteme für Fahrzeuge sehr dicht in ein vergleichsweise kleines Bauvolumen eingepasst werden müssen und deshalb über möglichst kurze Leitungslängen eine Eindüsung mit minimalem Bauraum bevorzugt wird. Problematisch ist es dabei, dass in den Leitungselementen von Brennstoffzellensystemen typischerweise bewegliche Teile und/oder Sensoren vorhanden sind. Solche Sensoren können beispielsweise Temperatursensoren, Sensoren zur Bestimmung von Gaszusammensetzung und Konzentration, Feuchtesensoren oder dergleichen sein. Die beweglichen Teile sind beispielsweise Gebläse oder Laufräder von Kompressoren oder Turbinen, jedoch auch Klappen, Ventile oder dergleichen. Werden diese nun mit dem eingespritzten flüssigen Wasser benetzt, so kann es bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts insbesondere nach einem Abstellen des Brennstoffzellensystems zu einem Einfrieren dieser beweglichen Teile oder einem Zufrieren der Sensoren kommen. Dies führt zu erheblichen Beeinträchtigungen beim Betrieb und insbesondere beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems, da die beweglichen Teile nicht oder nur sehr eingeschränkt bewegt werden können und die Sensoren gegebenenfalls stark verfälschte Messwerte liefern.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin dieser Problematik entgegenzuwirken und eine Vorrichtung zum Einbringen von flüssigem Wasser in die Leitungselemente eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welche diese Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht es vor, dass zwischen der Einspritzstelle und den beweglichen Teilen und/oder Sensoren ein Spritzschutzelement angeordnet ist und/oder das Wasser an der Einspritzstelle mit einer konstruktiv vorgegebenen Einspritzrichtung in den Gasstrom eingespritzt wird, wobei die Einspritzrichtung in eine von den bewegten Teilen und/oder Sensoren abgewandte Richtung zeigt. Mit minimalem Mehraufwand bei der Ausgestaltung der Einspritzstelle lässt sich die oben beschriebene Problematik verhindern. Entweder kann ein Spritzschutzelement vorgesehen werden, sodass eine direkte Benetzung beispielsweise von Sensoren und/oder beweglichen Teilen mit flüssigen Wassertröpfchen verhindert wird, da das Spritzschutzelement diese von den beweglichen Teilen und/oder Sensoren abhält. Dadurch wird erreicht, dass in diesem Bereich kein oder nur sehr wenig flüssiges Wasser vorliegt, wodurch ein Einfrieren verhindert oder die Gefahr eines Einfrierens zumindest deutlich reduziert werden kann. Ferner ist es nun so, dass ergänzend oder alternativ hierzu das Wasser an der Einspritzstelle in einer Art eingespritzt wird, dass es anders als bisher nicht senkrecht in das Leitungselement bzw. den darin strömenden Gasstrom gespritzt wird, sondern dass es vorzugsweise mit einer Richtungskomponente schräg zur Ausrichtung des Gasstroms in dem Leitungselement in dieses eingespritzt wird. Die Ausrichtung der Richtungskomponente erfolgt dabei so, dass bewegliche Teile und/oder Sensoren nicht unmittelbar angespritzt werden, was ebenfalls zu einer deutlichen Verringerung der Gefahr eines Einfrierens führt. Insbesondere können die beiden Lösungsansätze auch untereinander kombiniert angewandt werden.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee ist es vorgesehen, dass die konstruktiv vorgegebene Einspritzrichtung durch eine im spitzen Winkel schräg zum Leitungselement verlaufende Zuführung des Wassers realisiert ist. Eine solche konstruktive Ausführung ermöglicht sehr einfach und effizient eine Umsetzung der oben allgemein beschriebenen Idee.
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Alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass die konstruktiv vorgegebene Einspritzrichtung durch eine im Bereich eines Rohrbogens angeordnete Einspritzstelle realisiert ist. Ein Rohrbogen bietet ideale Voraussetzungen, um trotz senkrechter Anordnung der Einspritzeinrichtung gegenüber dem Leitungselement eine Einspritzrichtung zu erhalten, welche von beweglichen Teilen und Sensoren abgewandt ist. Dieser Aufbau ist besonders einfach und mit wenig Bauvolumen zu realisieren, insbesondere da die Leitungselemente typischerweise ohnehin über Rohrbögen verfügen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass die Einspritzstelle in Strömungsrichtung des Gasstroms nach den beweglichen Teilen und/oder Sensoren angeordnet ist. Eine solche Anordnung in Strömungsrichtung nach den gefährdeten Teilen und/oder Sensoren ermöglicht ergänzend dazu eine weitere Verbesserung der Situation, da eventuelle Tröpfchen auch nicht so leicht von dem Gasstrom in Richtung der beweglichen Teile und/oder Sensoren mitgerissen werden. Der Aufbau wird hierdurch nochmals weiter verbessert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
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2 eine Vorrichtung zur Einbringung von flüssigem Wasser gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;
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3 eine Vorrichtung zur Einbringung von flüssigem Wasser gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform; und
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4 eine Vorrichtung zur Einbringung von flüssigem Wasser gemäß der Erfindung in einer dritten Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2, welches hier nur sehr stark schematisiert angedeutet ist, bildet eine Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack 3, aufgebaut ist. Dieser Brennstoffzellenstack 3 kann vorzugsweise in PEM-Technologie realisiert sein. Er weist einen Anodenbereich 4 und einen Kathodenbereich 5 auf. Dem Anodenbereich 4 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über eine Druckregel- und Dosereinheit 7 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 8 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 zurück und wird mit frischem Wasserstoff vermischt dem Anodenbereich 4 erneut zugeführt. Dieser Aufbau ist aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt und wird auch als Anodenkreislauf bezeichnet. In dem Anodenkreislauf bzw. der Rezirkulationsleitung 8 befindet sich nun außerdem ein Wasserabscheider 10, in welchem sich im Anodenbereich 4 entstehendes Produktwasser mit der Zeit ansammelt. Über eine Ablassleitung 11 mit einer Ventileinrichtung 15 kann dieses Wasser beispielsweise in Abhängigkeit des Füllstands, in Abhängigkeit der Zeit oder in Abhängigkeit von Stoffkonzentrationen entsprechend abgelassen werden. Da typischerweise immer Restwasserstoff mit dem Wasser aus dem Anodenkreislauf über die Ablassleitung 11 strömt, ist beispielsweise das Einbringen von Wasser und Gas in einen Zuluftstrom zum Kathodenbereich 5 der Brennstoffzelle 3 bekannt und üblich. Dieses ist hier jedoch nur beispielhaft dargestellt. Genauso gut könnte die Ablassleitung 11 in einem anderen Bereich in ein entsprechendes Leitungselement münden.
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Dem Anodenbereich 5 wird, wie bereits erwähnt, ein Zuluftstrom als Sauerstofflieferant zugeführt. Dieser Zuluftstrom wird über eine Luftfördereinrichtung 12 erzeugt und strömt beispielsweise über eine Sensorik 13 zur Erfassung von Temperatur, Feuchtigkeit, Luftmasse und/oder dergleichen durch ein Leitungselement 14 in den Kathodenbereich 5. In dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel verlässt die an Sauerstoff abgereicherte Abluft den Kathodenbereich 5 wieder über eine nicht näher bezeichnete Abluftleitung. Nun kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass in der dem Leitungselement 14 zur Zuführung der Zuluft zum Kathodenbereich 5 außerdem eine Klappe oder eine Ventileinrichtung 16 angeordnet ist, welche beispielsweise dazu dient, im Stillstand des Brennstoffzellensystems 2 das Eindringen von Sauerstoff in den Kathodenbereich zu verhindern, um so die Lebensdauer der Brennstoffzelle in an sich bekannter Art und Weise zu erhöhen, da hierdurch Degradationsmechanismen beim Wiederstart, welche allgemein bekannt sind, verhindert werden können.
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Für die hier vorliegende Erfindung ist es nun lediglich relevant, dass in dem Leitungselement 14, in welches die Ablassleitung 11 an einer Einspritzstelle 17 mündet, in der später noch detailliert beschriebenen Art aufgebaut ist. Das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem ist dabei rein beispielhaft zu verstehen, genauso gut könnte die Einspritzstelle 17 beispielsweise im Bereich der Ableitung der Abluft aus dem Kathodenbereich 5 vorgesehen sein. Der Wasserabscheider 10 könnte ebenso gut kathodenseitig realisiert sein. All dies spielt für die Erfindung eine untergeordnete Rolle.
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In der Darstellung der 2 ist nun beispielhaft die angesprochene Leitung 14 zu erkennen. Die Ventileinrichtung 16 ist in Form einer um eine zentrale Achse drehbar ausgebildeten Klappe 16 realisiert. Außerdem ist die Sensorik bzw. ein Sensor 13 angedeutet. Das Wasser über die Ablassleitung 11 kommt nun in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel senkrecht zur Ausrichtung der Leitung 14 an eine Einspritzstelle 17 und wird in an sich bekannter Art und Weise senkrecht zum Gasstrom in das Leitungselement eingespritzt. Die Reihenfolge der dargestellten Elemente innerhalb des Leitungselements 13 ist dabei willkürlich gewählt und muss nicht unbedingt der Darstellung in 1 entsprechen. Nun ist es so, dass das an der Einspritzstelle 17 vorliegende Wasser größtenteils in Form von Tröpfchen in dem im Leitungselement 14 strömenden Gasstrom zerstäubt wird. Die Tröpfchen können dann beispielsweise den Sensor 13 bzw. die Klappe 16 entsprechend benetzen. Kommt es zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, dann kann es durch die gefrierenden Tröpfchen zu einer Behinderung des Sensors 13 in seiner Funktionsweise oder zu einem Einfrieren der Klappe 16 und damit eine Behinderung ihrer Funktionsweise kommen. Um dem möglichst einfach entgegenzuwirken ist in der Darstellung der 2 ein Spritzschutzelement 18 zwischen dem Sensor 13 und der Klappe 16 sowie der Einspritzstelle 17 angeordnet. Durch dieses Spritzschutzelement wird das direkte Benetzen des Sensors 13 und der Klappe 16 mit den Tröpfchen, welche an der Einspritzstelle 17 in das Leitungselement 14 eingebracht werden, verhindert. Hierdurch wird die Problematik eines Einfrierens verhindert oder zumindest die Gefahr eines solchen Einfrierens deutlich reduziert.
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In der Darstellung der 3 ist ein alternativer Aufbau zu erkennen, wobei anstelle der Klappe 16 hier ein Gebläse 19, beispielsweise eine Fördereinrichtung für die Luft oder auch eine Fördereinrichtung für einen rezirkulierten Abgasstrom oder dergleichen, angeordnet ist. Das Leitungselement 14 weist dabei in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einen Rohrbogen 20 auf, in dessen Bereich die Einspritzstelle 17 angeordnet ist. Dadurch wird sehr einfach, und ohne dass hier ein Spritzschutzelement zwingend notwendig ist, eine Eindüsung des Wassers an der Einspritzstelle 17 in der Art erreicht, dass das Gebläse 19 und der Sensor 13 hier nicht unmittelbar mit flüssigem Wasser benetzt werden.
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Eine weitere alternative Ausführungsform ist in der Darstellung der 4 zu erkennen. Diese ist wiederum an einem Leitungselement 14 mit Rohrbogen 20 alternativ zur Darstellung in 3 dargestellt. Sie könnte genauso gut an einem geraden Leitungselement 14 wie in 2 dargestellt angewandt werden. Die Einspritzstelle 17 bzw. die Mündung der Ablassleitung 11 in das Rohrelement 14 ist dabei so ausgebildet, dass diese mit einer Richtungskomponente zu dem Leitungselement 14 so angeordnet ist, sodass das Wasser in die dem Sensor 13 bzw. dem Gebläse 19 abgewandte Richtung eingespritzt wird. Auch dieser Aufbau ermöglicht es auf ein Spritzschutzelement 18, welches einen zusätzlichen Druckverlust in dem Leitungselement 14 erzeugt, zu verzichten. Dennoch wird auch hier eine Benetzung des Gebläses 19 und des Sensors 13 sicher und zuverlässig verhindert. Die Richtungskomponente ist dabei so gewählt, dass es zwischen der Einspritzrichtung und dem Leitungselement einen spitzen Winkel ergibt, welcher in der Darstellung der 4 mit α bezeichnet ist. Je spitzer dieser Winkel, desto geringer die Gefahr, dass Wasser in der Gegenrichtung durch das Leitungselement 14 gelangt und den Sensor 13 und/oder das Gebläse 19 entsprechend benetzt.
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Somit lässt sich mit sehr einfachen Mitteln eine deutliche Reduzierung der Gefahr eines Einfrierens von beweglichen Teilen wie beispielsweise der Klappe 16 bzw. dem Gebläse 19 und/oder von Sensoren 13 in dem Leitungselement 14 realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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