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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Vorrichtungen zum Befeuchten von Gasströmen, insbesondere von zu einer Brennstoffzelle geleiteten Zuluftströmen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Typischerweise werden hierfür Befeuchter eingesetzt, welche das zu der Brennstoffzelle strömende Gas entweder über ein Feuchtereservoir oder durch das von der Brennstoffzelle abströmende feuchte Abgas befeuchten. Die zuletzt genannten Bauarten werden als Gas/Gas-Befeuchter bezeichnet und weisen für Wasserdampf durchlässige Membranen auf, welche zwischen den beiden Gasströmungen angeordnet sind, und nicht das Gas, sondern lediglich den Wasserdampf passieren lassen. Nun ist es so, dass die Befeuchtung von Zuluft in Brennstoffzellensystemen nicht immer im gleichen Maße erfolgen muss. Eine übermäßige Befeuchtung in verschiedenen Betriebssituationen könnte sogar höchst schädlich sein, beispielsweise im Falle eines Kaltstarts. In diesem Fall könnte unerwünscht viel Wasser auskondensieren, wenn eine hohe Befeuchtung erfolgt.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es nun bekannt, dass Umgehungsleitungen, sogenannte Bypassleitungen, um die Befeuchter herum ausgebildet sind. Diese können ein entsprechendes Ventilelement aufweisen, beispielsweise eine motorgesteuerte Klappe, welches aktiv zur Beeinflussung der Durchströmung der Umgehungsleitung dient. Hierdurch ist es möglich, durch eine Einstellung der Volumenströme durch den Befeuchter einerseits und durch die Umgehungsleitung andererseits die gewünschte Befeuchtung nach dem Befeuchter vergleichsweise exakt einzustellen. Der Aufbau ist dabei sehr aufwändig und erfordert aktiv angesteuerte, beispielsweise motorisch angetriebene Ventileinrichtungen oder Klappen, welche sich in der Praxis als teuer und störanfällig erwiesen haben.
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Aus diesem Grund schlägt die gattungsgemäße
DE 10 2012 022 627 A1 eine Befeuchtungsanordnung für ein Brennstoffzellensystem vor, welche eine Verstelleinrichtung in der Umgehungsleitung aufweist, welche als passive Stelleinrichtung ausgebildet ist, und welche über ein Dehnstoffelement beeinflusst wird. Dieses Dehnstoffelement steht beispielsweise mit der Ansaugluft oder dem Kühlmedium des Brennstoffzellensystems in Kontakt, sodass in Abhängigkeit der Temperatur ein sich veränderndes Volumen durch die Umgehungsleitung um den Befeuchter strömt. In Abhängigkeit der Temperatur kann somit die Feuchte passiv eingestellt werden, was den Aufbau gegenüber dem Stand der Technik deutlich vereinfacht und ihn robuster und weniger störanfällig macht.
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Dabei verbleibt der Nachteil, dass in diesem Aufbau ständig durch das Dehnstoffelement eine aktive Betätigung der Ventileinrichtung, beispielsweise einer Klappe, erfolgen muss. Dies führt zu einer hohen mechanischen Belastung des Dehnstoffelements. Ein weiterer Nachteil des passiven Stellelements gemäß dem gattungsgemäßen Stand der Technik besteht darin, dass eine Abhängigkeit vom Volumenstrom, der hier durch die Vorrichtung zur Befeuchtung fließt, nicht gegeben ist, sodass, wenn man von minimalen Abkühlungseffekten durch einen größeren Volumenstrom absieht, keine Beeinflussung der Durchströmung in Abhängigkeit des Volumenstroms möglich ist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Befeuchtung eines Gasstroms gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche die im Stand der Technik genannten Nachteile vermeidet und darüber hinaus eine verbesserte passive Beeinflussung der Befeuchtung ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 6 eine besonders bevorzugte Verwendung der Vorrichtung angegeben. Auch hier ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen der Verwendung aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass das passive Stellelement als federbelastete Ventileinrichtung ausgebildet ist, wobei die Feder entgegen dem im bestimmungsgemäßen Gebrauch durch die Umgehungsleitung strömenden Volumenstrom wirkt. Somit ist es möglich, dass die Ventileinrichtung gegen die Kraft der Feder von dem durch die Umgehungsleitung strömenden Volumenstrom selbsttätig aufgedrückt wird. Mit zunehmendem Volumenstrom wird die Ventileinrichtung gegen die Kraft der Feder weiter aufgedrückt, sodass ein zunehmender Volumenstrom am Befeuchter vorbei durch die Umgehungsleitung strömt. Das auch hier vorhandene Dehnstoffelement ist nun erfindungsgemäß so angeordnet, dass durch das Dehnstoffelement mit zunehmender Temperatur die Öffnung der Ventileinrichtung zunehmend begrenzt ist. Das Dehnstoffelement betätigt also nicht mehr die Ventileinrichtung aktiv, sondern dient lediglich als variabler temperaturabhängiger Anschlag, welcher den Öffnungsquerschnitt der Ventileinrichtung mit steigender Temperatur zunehmend begrenzt, sodass mit höherer Temperatur eine stärkere Befeuchtung des Volumenstroms stattfindet.
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Diese Kombination aus dem Dehnstoffelement, welches die Ventileinrichtung nicht mehr aktiv betätigt, sondern lediglich als Anschlag in ihrer Öffnung begrenzt, sowie der weiterhin passiv ausgebildeten Ventileinrichtung, welche federbelastet in Abhängigkeit des anströmenden Volumenstroms einen mehr oder weniger großen durchströmbaren Querschnitt freigibt, ist hinsichtlich des Aufbaus außerordentlich einfach und erlaubt eine sehr gezielte und effiziente Steuerung der Durchströmung der Umgehungsleitung und damit letztlich der Befeuchtung der nach dem Befeuchter vermischten Gasströme.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee ist die Ventileinrichtung als drehbare Klappe ausgebildet. Eine solche drehbare Klappe lässt sich besonders gut durch eine Federbelastung einerseits und durch das Dehnstoffelement als Anschlag andererseits in ihrer Betätigung beeinflussen bzw. begrenzen. Dies gilt insbesondere dann, wenn gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee die drehbare Klappe einen Drehpunkt am Rande der Umgehungsleitung aufweist, wobei die Feder und das Dehnstoffelement außerhalb der Umgehungsleitung an einem dorthin überstehenden Teil der Klappe angreifen. Dieser besonders günstige Aufbau mit einer Klappe, welche am Rand der Umgehungsleitung drehbar gelagert ist, und von welcher ein nach außerhalb der Umgehungsleitung überstehender Teil aus der Umgehungsleitung herausragt, erlaubt außerordentlich einfach und effizient die Anordnung sowohl des Dehnstoffelements als auch der Feder in einem Bereich außerhalb der Umgehungsleitung. Die Elemente sind dabei nicht mit dem Gas in der Umgehungsleitung beaufschlagt, sodass aggressive Medien, Feuchtigkeit und dergleichen die Funktionalität von Feder und Dehnstoffelement nicht nachteilig beeinflussen können. Außerdem wird durch das Dehnstoffelement und die Feder kein Druckverlust im Inneren der Umgehungsleitung verursacht, sodass der Aufbau der Vorrichtung zum Befeuchten sehr energieeffizient gestaltet werden kann.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es nun außerdem vor, dass der Befeuchter als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet ist. Ein solcher Gas/Gas-Befeuchter trennt zwei Gasströme durch für Wasserdampf durchlässige Membranen. Wenn der eine Gasstrom mit Feuchte beladen und der andere Gasstrom trocken ist, dann kommt es zu einem Austausch der Feuchtigkeit durch diese Membranen hindurch, wodurch der trockenere Gasstrom befeuchtet und der feuchtere Gasstrom getrocknet wird.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es nun vorgesehen, dass der Befeuchter, die Umgehungsleitung und insbesondere auch das passive Stellelement in einem gemeinsamen Gehäuse integriert ausgeführt sind. Dieser Aufbau erlaubt eine außerordentlich kompakte Realisierung der Vorrichtung, sodass ein sehr platzsparender Aufbau entsteht, welcher eine sehr gute Regelung der Befeuchtung selbsttätig ermöglicht. Ein solcher Aufbau eignet sich daher insbesondere für Systeme, bei denen eine Bauraumknappheit vorliegt, da er bei sehr kompaktem Aufbau eine ideale Befeuchtung in Abhängigkeit von Temperatur und Volumenstrom ermöglicht.
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Eine besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, diese zur Befeuchtung von zu einer Brennstoffzelle strömende Zuluft einzusetzen. Die Vorrichtung ermöglicht dann passiv und ohne dass eine aktive Ansteuerung nötig ist, und insbesondere gemäß der zuletzt geschilderten Ausführungsform in sehr kompakter Bauweise, eine sehr gute Befeuchtung der Zuluft sowohl in Abhängigkeit der Temperatur als auch in Abhängigkeit des Volumenstroms der Zuluft.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verwendung ist es dabei vorgesehen, dass die Abluft der Brennstoffzelle als Feuchtelieferant dient. Insbesondere bei einem Aufbau als Gas/Gas-Befeuchter ermöglicht die Verwendung der Abluft der Brennstoffzelle als Feuchtelieferant einen sehr kompakten und effizienten Aufbau, bei dem keinerlei Wasser zur Befeuchtung des Zuluftstroms der Brennstoffzelle in dem System mitgeführt werden muss, da dieses in der Brennstoffzelle selbst erzeugt wird und in der Abluft ohnehin vorliegt.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Verwendung ist es daher vorgesehen, dass die Brennstoffzelle zur Erzeugung von Antriebsleistung in einem Fahrzeug vorgesehen ist. Insbesondere für solche Fahrzeuganwendungen ist der kompakte Aufbau einerseits und die zuverlässige passive Regulierung der Feuchtigkeit in Abhängigkeit von Temperatur und Volumenstrom andererseits besonders wichtig und effizient. Da der Aufbau gleichzeitig sehr robust und kostengünstig realisiert werden kann, eignet er sich insbesondere für Fahrzeuganwendungen, da hier neben den Anforderungen an Kompaktheit und Robustheit, zumindest für zukünftige Systeme, auch entsprechende Kostenanforderungen aufgrund der vergleichsweise zu erwartenden hohen Stückzahlen zu stellen sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine stark schematisierte Darstellung der Kathodenseite eines beispielhaften Brennstoffzellensystems in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik; und
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2 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer möglichen Ausgestaltung.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert die Kathodenseite eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzellensystems 1 gemäß dem Stand der Technik zu erkennen, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem nicht dargestellten mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgerüsteten Fahrzeug dienen soll. Von einer Brennstoffzelle 2 des Brennstoffzellensystems 1 ist in der Darstellung der 1 lediglich ein Kathodenbereich 3 näher dargestellt. Diesem Kathodenbereich 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 4, insbesondere einem Strömungsverdichter, zugeführt. Die heiße verdichtete Zuluft kann über einen optionalen Ladeluftkühler (nicht dargestellt) strömen. Nach diesem optionalen Ladeluftkühler durchströmt die verdichtete Zuluft einen Gas/Gas-Befeuchter 5, in welchem der Zuluftstrom zu dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 über für Wasserdampf durchlässige Membranen 6, beispielsweise ein Bündel von Hohlfasermembranen, von der Abluft aus dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 getrennt wird. Die mit Feuchte beladene Abluft strömt also in der Darstellung der 1 in dem Bereich des Befeuchters 5 unterhalb der Membranen 6 durch den Befeuchter 5 und gibt die in ihr enthaltene Feuchte größtenteils an die trockene oberhalb der Membranen 6 strömende Zuluft ab, was in der Darstellung der 1 durch die drei Pfeile entsprechend angedeutet ist.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 strömt die Abluft dann über eine Turbine 7 in die Umgebung ab, wobei durch die Turbine 7 Restenergie in der Abluft, insbesondere thermische Energie und Druckenergie, zumindest teilweise zurückgewonnen werden. Der Aufbau aus Verdichter 4 und Turbine 7 ist dabei über eine angedeutete gemeinsame Welle 8 miteinander verbunden, sodass die an der Turbine 7 anfallende Energie unmittelbar dem Verdichter 4 zur Verfügung steht. Darüber hinaus ist typischerweise ein hier nicht dargestellter Elektromotor mit angebracht, welcher zur Bereitstellung der zusätzlichen Antriebsleistung für den Verdichter 4 notwendig ist, und welcher, falls an der Turbine 7 mehr Leistung anliegt, als vom Verdichter 4 benötigt wird, auch als Generator zur Erzeugung von elektrischer Leistung betrieben werden kann.
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Da die Brennstoffzelle 2 bzw. ihr Kathodenbereich 3 nun typischerweise nicht immer die volle Befeuchtung der Zuluft benötigt, ist um den Befeuchter 5 herum eine Umgehungsleitung 9 vorgesehen. Diese Umgehungsleitung 9 bzw. Bypassleitung weist in der Darstellung der 1 außerdem ein mit 10 bezeichnetes passives Stellelement auf, beispielsweise eine durch ein thermisches Dehnstoffelement betätigte drehbare Klappe, über welche in Abhängigkeit der Temperatur die Umgehungsleitung 9 um den Befeuchter 5 mehr oder weniger stark verschlossen bzw. freigegeben werden kann.
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In der Darstellung der 2 ist nun eine Vorrichtung 11 zum Befeuchten eines Gasstroms, insbesondere eines zu dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 strömenden Gasstroms, dargestellt. In einem gemeinsamen Gehäuse 12 sind dabei sowohl der Befeuchter 5, von welchem hier nur die trockene Seite zu erkennen ist, als auch die Umgehungsleitung 9 integriert ausgeführt. Das passive Stellelement 10 ist dabei als drehbare Klappe 13 ausgebildet, welche eine Drehachse 14 im Bereich des Rands der Umgehungsleitung 9 zeigt. Ein über die Umgehungsleitung 9 hinausstehender Teil 15 der Klappe 13 ist mit einer Feder 16 verbunden, welche an ihrem anderen Ende mit einem Halteelement 17 verbunden ist. Hierdurch kann der in der Darstellung der 2 im bestimmungsgemäßen Einsatz von links nach rechts strömende und über den Pfeil angedeutete Volumenstrom die Klappe 13 entgegen der Kraft der Feder 16 öffnen, sodass mit zunehmendem Volumenstrom ein zunehmender durchströmbarer Querschnitt der Umgehungsleitung 9 freigegeben wird. Hierdurch strömt weniger Volumen durch den Befeuchter 5, sodass die zu dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 weiterströmende Luft in diesem Fall weniger stark befeuchtet wird.
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Nun ist es jedoch so, dass mit zunehmender Temperatur eine zunehmende Befeuchtung auch bei größeren Volumenströmen an Luft gewünscht ist. Daher ist zusätzlich zu dem Aufbau des über die Umgehungsleitung 9 hinausstehenden Teils 15 der Klappe 13 und der Feder 16 auf der gegenüberliegenden Seite ein Dehnstoffelement 18 vorgesehen, welches beispielsweise als Wachselement ausgebildet sein kann. Die Eigenschaft eines derartigen Dehnstoffelements ist nun die, dass es seine Länge in Abhängigkeit der Temperatur ändert. Dies ist durch den Doppelpfeil, welcher in der Darstellung der 2 mit 19 bezeichnet ist, angedeutet. Das Dehnstoffelement 18 funktioniert nun als passiver Anschlag für den über die Umgehungsleitung 9 überstehenden Teil 15 der Klappe 13. Mit zunehmender Temperatur dehnt sich das Dehnstoffelement 18 zunehmend aus, sodass die vom Volumenstrom gegen die Kraft der Feder 16 aufgedrückte Klappe mit ihrem überstehenden Teil 15 in Anhängigkeit der Temperatur früher oder später an dem Dehnstoffelement 18 anschlägt. Das Dehnstoffelement 18 begrenzt so den Öffnungswinkel der Klappe 13 und damit letztlich den durchströmbaren Querschnitt der Umgehungsleitung 9. Hierdurch ist es möglich, zusätzlich zu einer Abhängigkeit des Volumenstroms, welche durch die Wahl einer geeigneten Federstärke der Feder 16 eingestellt werden kann, eine Abhängigkeit von der Temperatur mit vorzusehen, da die Klappe 13 bzw. ihr überstehendes Teil 15 früher oder später an dem in seiner Länge den jeweiligen gewünschten Bedingungen angepassten Dehnstoffelement 18 anschlägt.
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Bei zunehmender Umgebungstemperatur wird das Dehnstoffelement 18 sich nämlich entsprechend ausdehnen, sodass die Klappe 13 früher anschlägt und keinen oder nur einen kleinen durchströmbaren Querschnitt der Umgehungsleitung 9 freigibt. Bei niedrigen Temperaturen wird das Dehnstoffelement 18 sich entsprechend verkürzen, sodass die Klappe 13 weiter aufgeht, bevor ihr überstehender Teil 15 an dem Dehnstoffelement 18 anschlägt. Hierdurch ist ein größerer durchströmbarer Querschnitt der Umgehungsleitung 9 gewährleistet. Die Befeuchtung wird dadurch entsprechend reduziert, da bei niedrigeren Umgebungstemperaturen auch nur eine geringere Befeuchtung des zu dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 strömenden Volumenstroms an Luft notwendig ist.
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Der Aufbau lässt sich sehr kompakt und einfach realisieren, insbesondere indem die beschriebenen Elemente 18 und 16 noch mit in das Gehäuse 12 integriert werden, sodass ein integrierter Aufbau aus Befeuchtung 5, Umgehungsleitung 9 und passivem Stellelement 10 entsteht, welcher gegenüber den bisher bekannten Aufbauten neben der verbesserten Robustheit und Funktionalität außerdem Bauraumvorteile bietet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012022627 A1 [0004]
