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Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme mit Anodenkreislauf bekannt. Dabei ist in dem Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle vorhanden. Diese weist eine Kathodenseite und eine Anodenseite auf. Über den sogenannten Anodenkreislauf wird Abgas der Anodenseite zum Eingang der Anodenseite zurückgeführt und der Anode mit frischem Brennstoff vermischt erneut zugeführt. Hierdurch wird eine sehr gute Ausnutzung des eingesetzten Brennstoffs bei gleichzeitiger hoher Durchströmung der Anode erreicht. Hierdurch wird die Gefahr, dass Kanäle im Anodenbereich beispielsweise durch entstehendes Produktwasser verstopfen oder eine aktive Fläche der Brennstoffzelle unausgenutzt bleibt, weitgehend verhindert.
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Allgemein bekannt und üblich ist es dabei, in dem Anodenkreislauf einen Wasserabscheider zum Abscheiden von in dem Abgas mitgeführtem flüssigen Produktwasser und eine Rezirkulationsfördereinrichtung zum Ausgleich der Druckverluste vorzusehen. Die Rezirkulationsfördereinrichtung kann beispielsweise als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, welche auch als Saugstrahlpumpe oder Ejektor bezeichnet wird. Sie fördert den angesaugten Abgasstrom durch Unterdruckeffekte und/oder Impulsaustausch mit einem in ein Venturirohr eingedüsten Treibgasstrom, welcher typischerweise durch den frisch zugeführten Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, gebildet wird.
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Nachteilig bei derartigen Aufbauten ist es nun, dass zur Optimierung des Wassermanagements die Saugstrahlpumpe typischerweise fallend angebracht wird und über eine fallende Leitung der Wasserabscheider in dem Anodenkreislauf eingebunden ist. Hierdurch entsteht ein erheblicher Bauraumbedarf, welcher insbesondere eine sehr große Bauhöhe des Anodenkreislaufs erforderlich macht. Die
DE 10 2010 009 004 A1 versucht dieser Problematik entgegenzuwirken, indem sie eine Gasstrahlpumpe in Strömungsrichtung vor einem Wasserabscheider anordnet, und zwar so, dass das Venturirohr der Gasstrahlpumpe im bestimmungsgemäßen Einsatz schräg nach unten führt und in das Volumen des Wasserabscheiders mündet. Der Aufbau lässt sich hierdurch ein wenig kompakter als im allgemeinen Stand der Technik ausführen. Er ist jedoch weiterhin mit einer vergleichsweise großen Bauhöhe belastet. Außerdem entsteht der zusätzliche Nachteil, dass in dem Volumen des Wasserabscheiders typischerweise vorhandene Einbauten, um die Strömung zu beruhigen und flüssiges Wasser abzuscheiden, in Strömungsrichtung nach der Gasstrahlpumpe angeordnet sind. Dies stellt einen erheblichen Nachteil hinsichtlich der hierdurch erzeugten Strömungsdruckverluste dar, da die Gasstrahlpumpe diese Druckverluste zusätzlich ausgleichen muss und diese entsprechend hoch ausfallen, da die Einbauten sowohl vom Abgasstrom als auch von dem zu diesem Zeitpunkt bereits mit dem Abgasstrom vermischten frischen Gasstrom angeströmt werden. Sie sorgen also in beiden Gasströmen für einen hierdurch entsprechend höheren Druckverlust.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Anodenkreislauf anzugeben, welcher diese Nachteile vermeidet.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass die Saugseite der Gasstrahlpumpe mit dem Volumen des Wasserabscheiders direkt verbunden ist. Hierdurch lässt sich ein sehr kompakter Aufbau realisieren, bei dem durch den Wasserabscheider, und in seinem Volumen vorhandenen Einbauten zur Beruhigung der Strömung, Druckverluste lediglich im Abgas und nicht im vermischten Gasstrom aus Abgas und frischem Brennstoff eingebracht werden. Er lässt sich deshalb mit vergleichsweise geringer Rezirkulationsleistung betreiben. Er ist dabei sehr kompakt in seiner Ausführung, da er den hinsichtlich seiner Einströmrichtung von oben nach unten angeordneten Wasserabscheider als Sammelvolumen in direktem Kontakt mit der Gasstrahlpumpe nutzt. Der Aufbau ist insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Bauhöhe deshalb sehr kompakt auszuführen.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung der Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Gasstrahlpumpe zumindest teilweise in dem Volumen des Wasserabscheiders angeordnet ist. Hierdurch wird ein weiterer Vorteil hinsichtlich des benötigen Bauvolumens erzielt.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs sieht es nun außerdem vor, dass die Gasstrahlpumpe im Ansaugbereich gegenüber dem Volumen des Wasserabscheiders offen ausgebildet ist. Eine solche teilweise in den Wasserabscheider integrierte Gasstrahlpumpe, welche im Ansaugbereich offen gegenüber dem Volumen des Wasserabscheiders ausgebildet ist, stellt ein sehr einfaches Bauteil dar, welches mit einer geringen Anzahl an Bauteilen und dementsprechend einem geringen Gewicht und geringen Herstellungskosten einfach realisiert werden kann.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass der Ansaugbereich im bestimmungsgemäßen Einsatz unten gegenüber dem Volumen des Wasserabscheiders offen ist. Eine solche offene Ausgestaltung des Ansaugbereichs im bestimmungsgemäßen Einsatz unten ermöglicht das Ablaufen von Wasser, welches sich eventuell im Bereich der Gasstrahlpumpe sammelt oder durch den typischerweise kühleren Treibgasstrom im Abgas auskondensiert. Dieses kann dann durch die Öffnung entgegen der Strömung an den Wänden des Venturirohres in das Volumen des Wasserabscheiders zurücklaufen, ohne dass hierfür ein größerer baulicher Aufwand notwendig ist.
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Dies gilt insbesondere gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs, in dem es außerdem vorgesehen ist, dass die Gasstrahlpumpe so in dem Volumen des Wasserabscheiders angeordnet ist, dass sie im bestimmungsgemäßen Gebrauch den Gasstrom entgegen der Richtung der Schwerkraft nach oben, insbesondere schräg nach oben, fördert. Eine solche Förderung nach oben bzw. insbesondere schräg nach oben, ermöglicht einerseits einen sehr kompakten Aufbau, da die Rezirkulationsleitung von dem Anodenraum kommend von oben nach unten in den Wasserabscheider mündet, um bereits flüssig vorhandenes Wasser ideal in den Bereich des Wasserabscheiders abzuführen. Die vermischten Gase gelangen dann über die Gasstrahlpumpe nach oben oder insbesondere schräg nach oben in Richtung des Anodenraums zurück. Eventuell auskondensierendes Wasser, insbesondere wenn der Ansaugbereich gegenüber dem Volumen des Wasserabscheiders nach unten offen ausgebildet ist, kann dann in den Wasserabscheider zurücklaufen, sodass ein ähnlicher Effekt wie im Stand der Technik bei weitaus geringerem Druckverlust und kompakterem Aufbau erzielt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs 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 eine Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Anodenkreislauf; und
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2 der Anodenkreislauf in einer möglichen Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist ein angedeutetes Fahrzeug 1 gezeigt, welches über ein darin befindliches Brennstoffzellensystem 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt werden soll. Insbesondere bei Fahrzeugen 1 ist dabei ein kompakter Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 entscheidend. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche einen Kathodenbereich 4 und einen Anodenbereich 5 umfasst. Der Kathodenbereich 4 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Auf eine detaillierte Ausgestaltung der Kathodenseite ist in der Darstellung der 1 verzichtet worden. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Die Kathodenseite ist dem Fachmann jedoch geläufig und er kann sie in verschiedenen Arten ausgestalten, beispielsweise mit Ladeluftkühlern, Befeuchtern, Abluftturbinen oder dergleichen.
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Dem Kathodenraum 5 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt. Über eine an sich bekannte und daher nicht näher dargestellte Druckreduziereinrichtung 8 wird der Wasserstoff über ein Dosierventil 9 und eine Gasstrahlpumpe 10 zu dem Anodenbereich 5 gefördert. Abgas verlässt den Anodenbereich 5 über eine Rezirkulationsleitung 11, über welches es zu der Gasstrahlpumpe 10 zurückgeführt ist. Das Abgas wird von der Gasstrahlpumpe 10 angesaugt und gelangt vermischt mit dem frischen Wasserstoff wieder in den Anodenbereich 5. In der Rezirkulationsleitung 11 ist außerdem ein Wasserabscheider 12 angeordnet, in welchem flüssiges Wasser, welches von dem Abgas des Anodenbereichs 5 mitgeführt wird, abgeschieden wird. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Wasserabscheiders 12 außerdem eine Ventileinrichtung 13 zum Ablassen des Wassers beispielsweise in Abhängigkeit des Wasserstands vorgesehen.
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Die Darstellung in 2 greift nun die für das hier beschriebene Brennstoffzellensystem 2 wesentlichen Merkmale des Anodenkreislaufs 14 auf. Dabei handelt es sich um den Wasserabscheider 12, dessen Volumen in der prinzipmäßigen Schnittdarstellung zu erkennen ist. Dieses mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnete Volumen dient dazu, Wasser, welches mit dem Abgas vom Anodenbereich 5 kommt, abzuscheiden. In dem Volumen 15 des Wasserabscheiders 12 können dafür an sich bekannte Einbauten, welche hier nicht dargestellt sind, vorgesehen sein. In der Darstellung der 2 ist nun außerdem zu erkennen, dass in dem Volumen des Wasserabscheiders 12 Teile der Gasstrahlpumpe 10 angeordnet sind. Der Aufbau ist dabei so gewählt, dass eine Düse 16 als Treibstrahldüse, welche mit Wasserstoff nach dem Dosierventil 9 versorgt wird, ebenso wie ein Teil eines Venturirohrs 17 der Gasstrahlpumpe 10 innerhalb des Volumens 15 des Wasserabscheiders 12 angeordnet sind. Der innerhalb des Volumens 15 des Wasserabscheiders 12 angeordnete Bereich des Venturirohrs 17 wird auch als Ansaugbereich bezeichnet und ist mit dem Bezugszeichen 18 versehen. Dieser Ansaugbereich steht unmittelbar mit dem aus der Düse 16 austretenden Wasserstoffstrom in Verbindung. Er ist über eine Öffnung 19 außerdem direkt mit dem Volumen 15 des Wasserabscheiders 12 verbunden. Durch Unterdruckeffekte und Impulsaustausch kommt es nun zu einem Ansaugen des in dem Volumen 15 des Wasserabscheiders 12 befindlichen Gases durch den Wasserstoffstrom nach der Düse 16, wobei dieser Effekt durch das Venturirohr 17 verstärkt wird. Gemeinsam gelangen die sich innerhalb des Venturirohrs 17 weitgehend vermischenden Gase dann zu dem Anodenbereich 5.
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Das Venturirohr 17 ist dabei in der Darstellung der 2 entgegen der Richtung der Schwerkraft g schräg nach oben angeordnet, um den Treibgasstrom und das von ihm angesaugte Abgas schräg nach oben zu fördern. Dadurch, dass die von dem Anodenbereich 5 zum Wasserabscheider 12 führende Leitung idealerweise ebenfalls von oben kommt, entsteht so ein sehr kompakter Aufbau. Zusätzlich entsteht der Vorteil, dass eventuell mitgerissenes Wasser oder in dem Abgas aufgrund des typischerweise kühleren Treibgasstroms auskondensierendes Wasser in dem Venturirohr 17 schräg nach unten laufen und über die Öffnung 19 in das Volumen 15 des Wasserabscheiders 12 abtropfen kann.
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Alles in allem entsteht so ein sehr kompakter und gut funktionierender Aufbau, welcher mit minimalen Druckverlusten, da das Venturirohr 17 und die Leitungsführung zwischen dem Venturirohr 17 und dem Anodenbereich auf minimalen Druckverlust ausgelegt werden kann, die Rezirkulation der Abgase der Brennstoffzelle 3 bzw. ihres Anodenbereichs 5 erlaubt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010009004 A1 [0004]
