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Die Erfindung betrifft eine Abluftanlage eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Abfuhr von Abluft, Feuchte, Produktwasser und gegebenenfalls Abgas in die Umgebung eines Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Abluftanlage.
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Eine gattungsgemäße Abluftanlage ist aus dem Stand der Technik bekannt. Die
DE 10 2008 053 800 A1 beschreibt einen Aufbau mit einem Sammelbehälter für flüssiges Wasser, welches aus der Abluft und gegebenenfalls dem Abgas eines Brennstoffzellensystems auskondensiert. Das flüssige Produktwasser wird in dem Sammelbehälter gesammelt und gelangt, anders als die Abluft und das Abgas, nicht unmittelbar in die Umgebung. Stattdessen ist der Sammelbehälter über ein Leitungsteil mit der eigentlichen Abluft/Abgasleitung verbunden. Bei hohen Volumenströmen an Abluft/Abgas kommt es so dazu, dass selbsttätig flüssiges Wasser aus dem Sammelbehälter angesaugt und in die Umgebung abgegeben wird. Nachteilig dabei ist jedoch, dass das im Sammelbehälter angefallene Flüssigwasser in Abhängigkeit des durch die Abluftanlage strömenden Volumenstroms ausgetragen wird. Dies bedeutet, dass bei einem zunehmenden Volumenstrom mehr Flüssigwasser angesaugt und mit dem Volumenstrom ausgetragen wird. Der Flüssigkeitsaustrag aus dem Sammelbehälter ist damit letztlich abhängig von der Leistung des Brennstoffzellensystems, welche maßgeblich den Volumenstrom an benötigter Luft und damit faktisch auch den Volumenstrom der Abluft und des Abgases bestimmt. Typischerweise ist es aber nun so, dass bereits bei einem stärkeren Beschleunigungsvorgang aus dem Stand oder aus niedrigerer Geschwindigkeit das Brennstoffzellensystem mit hoher Leistung betrieben wird und dementsprechend ein hoher Volumenstrom in der Abluftanlage auftritt. In dieser Situation kommt es dann zu einem erheblichen Austrag von Flüssigwasser. Dies ist jedoch unter Umständen sehr nachteilig, wenn dies beispielsweise bei einem Ampelstart oder Ähnlichem erfolgt. In dieser Situation ist nämlich nicht sichergestellt, dass das Flüssigwasser in ausreichender Weise von dem Fahrzeug wegtransportiert wird, was insbesondere im Stadtverkehr zu einem höchst unerwünschten Wasseraustrag, beispielsweise im Bereich von Kreuzungen und dergleichen, führt. Insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann dies zu einer sicherheitskritischen Eisbildung führen. Darüber hinaus ist es aufgrund entsprechender Vorschriften zum Straßenverkehr zumindest in einigen Ländern der Welt nicht zugelassen, dass flüssiges Wasser insbesondere bei einer Fahrt innerhalb der Stadt ausgetragen wird.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der Inhalt sowohl des Sammelbehälters als auch der Abluftanlage bzw. der Leitung, welche den Sammelbehälter mit dem Volumenstrom an Abluft verbindet, bei kalten äußeren Bedingungen einfrieren kann, sodass der Austrag von Flüssigwasser unterleibt und dieses sich gegebenenfalls so stark ansammeln kann, dass es in den Bereich der Brennstoffzelle zurückströmt, was ein gravierender Nachteil ist.
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Aus dem weiteren Stand der Technik in Form der
DE 10 2012 006 132 A1 ist beispielsweise ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem die mit Feuchte beladene Abluft vor oder nach einem Fahrzeugkühler in die den Fahrzeugkühler abkühlende Umgebungsluft eingedüst wird. Dies kann einerseits zu einer Verbesserung der Abkühlung führen und kann andererseits, wenn die Abluft und Feuchtigkeit in Strömungsrichtung nach dem Kühler eingedüst wird, dazu führen, dass in der nach dem Kühler vergleichsweise warmen Luft das Waser entsprechend verdampft und so der Austrag von Flüssigwasser ebenso wie die Gefahr eines Einfrierens minimiert werden kann.
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Ein weiterer allgemeiner Stand der Technik ist in der
US 2006/0240299 A1 beschrieben. In dieser Schrift ist ein Brennstoffzellensystem gezeigt, welches ebenfalls einen Sammelbehälter für flüssiges Wasser aus der Abluft und dem Abgas eines Brennstoffzellensystems zeigt. Bei Bedarf wird über eine Ventileinrichtung aktiv angesteuert dieses Flüssigwasser in die Umgebung abgegeben, wobei hierfür in einer der Ausgestaltungen eine Düse verwendet werden kann, welche so vom Fahrtwind umströmt ist, dass die fein zerstäubten Flüssigkeitspartikel durch den Fahrtwind vom Fahrzeug fortgetragen werden. Durch den Einsatz einer aktiven Ventileinrichtung ist dieser Aufbau vergleichsweise aufwändig, teuer und insbesondere störanfällig. Außerdem bedarf es einer geeigneten Logik sowie ggf. weiterer Sensoren, um die Ventileinrichtung sinnvoll anzusteuern.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Abluftanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb anzugeben, welche die Aufbauten aus dem Stand der Technik verbessert, und durch welche insbesondere die oben genannten Nachteile vermieden werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Abluftanlage mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren zur Abfuhr von Abluft, Feuchte, Produktwasser und ggf. Abgas mit den Merkmalen im Anspruch 10 die Aufgabe.
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Bei der erfindungsgemäßen Abluftanlage ist es vorgesehen, dass der Sammelbehälter für das flüssige Wasser über eine Verbindungsleitung mit einem Rohrabschnitt verbunden ist, welcher im Falle einer Bewegung des Fahrzeugs vom Fahrtwind des Fahrzeugs durchströmt ist, wobei die Verbindungsleitung in den Rohrabschnitt mündet und wobei dessen durchströmbarer Querschnitt im Bereich der Mündung verengt ist. Ein Rohrabschnitt ist also beispielsweise im Unterbodenbereich eines Fahrzeugs angeordnet. Er ist über eine Verbindungsleitung mit dem Sammelbehälter verbunden. Über diese Verbindungsleitung kann Wasser in den Bereich des Sammelbehälters strömen. Um nun eine aktive Ansaugung des Wassers bei einem typischerweise hinsichtlich des Wasserspiegels unterhalb des Rohrabschnitts angeordneten Sammelbehälter zu erreichen, ist im Bereich der Mündung der Verbindungsleitung in den Rohrabschnitt eine Querschnittsverengung vorgesehen. Diese Querschnittsverengung kann beispielsweise durch die in den Querschnitt ragende Verbindungsleitung und/oder entsprechende Einbauten oder dergleichen realisiert werden. Durch die Querschnittsverengung kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Fahrtwinds in diesem Bereich des Rohrabschnitts. Hierdurch wird ein Unterdruck erzielt, sodass das flüssige Wasser über die Verbindungsleitung angesaugt wird. Hierdurch kann ein rein passiver Aufbau, welcher außerordentlich einfach und wenig störanfällig ist, erreicht werden. Anders als beim eingangs genannten Stand der Technik ist die Ansaugung und Abgabe des typischerweise zerstäubten flüssigen Wassers dabei ausschließlich vom Fahrtwind bzw. dem Volumenstrom des Fahrtwinds abhängig. Damit ist eine Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und nicht mehr wie bisher von der Leistung des Brennstoffzellensystems realisiert. Der Aufbau kann konstruktiv so eingestellt werden, dass erst bei höheren Geschwindigkeiten Produktwasser angesaugt und in die Umgebung abgegeben wird. Bei einer höheren Geschwindigkeit ist nämlich sichergestellt, dass das Wasser durch den Fahrtwind effizient von dem Fahrzeug abgeführt wird, und dass der Austrag von Wasser typischerweise in Bereichen erfolgt, in welchen dieser unkritisch ist, da in den besonders kritischen Bereichen wie Kreuzungen und dergleichen die Geschwindigkeit im Allgemeinen eher niedrig ist.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abluftanlage sieht es dabei vor, dass die Verengung des durchströmbaren Querschnitts als Venturidüse ausgebildet ist, in deren engsten Querschnitt die Verbindungsleitung mündet. Eine solche Venturidüse ist eine besonders effiziente Form der Querschnittsverengung, welche bei geringen Druckverlusten eine sehr gute Ansaugung und letztlich auch eine Zerstäubung des flüssigen Wassers über die Verbindungsleitung ermöglicht.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abluftanlage sieht es nun ferner vor, dass in Strömungsrichtung des Fahrtwinds nach der Verengung des Querschnitts eine Abluftleitung zur Abfuhr des gasförmigen Anteils aus Abluft und Feuchte sowie gegebenenfalls Abgas in den Rohrabschnitt mündet. Die Abluft des Brennstoffzellensystems durchströmt also nicht den Rohrabschnitt, sondern strömt erst nach dem verengten Querschnitt in diesen ein. Der Volumenstrom der Abluft und des Abgases aus dem Brennstoffzellensystem hat somit keinen Einfluss auf die Abfuhr des flüssigen Wassers, sodass dieses weiterhin ausschließlich in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs und nicht in Abhängigkeit der Leistung des Brennstoffzellensystems abgegeben wird. Gleichwohl kann die Abluft dazu beitragen, das nach dem verengten Querschnitt entstandene Gemisch aus Flüssigkeitströpfchen und Fahrtwind durch den zusätzlichen Volumenanteil der Abluft und gegebenenfalls des Abgases weiter zu „verdünnen”, sodass eine noch bessere Verteilung der Flüssigkeitsteilchen in dem Gas auftritt, wodurch die Gefahr einer starken Nebelbildung und/oder einer Auskondensation nach dem Austritt aus dem Fahrzeug reduziert wird.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abluftanlage kann es nun ferner vorsehen, dass der Rohrabschnitt an seinem in Strömungsrichtung des Fahrtwinds vorderen Ende einen Einströmkonus aufweist. Ein solcher Einströmkonus kann eine verbesserte Anströmung des Rohrabschnitts und eine Erhöhung des Volumenstroms erreichen. Außerdem wird die Geschwindigkeit des Fahrtwinds nach dem Durchströmen des Einströmkonus in dem eigentlichen Rohrabschnitt durch einen solchen Aufbau entsprechend erhöht, sodass eine höhere Geschwindigkeit des Fahrtwinds in dem Rohrabschnitt als in der sonstigen Umgebung des Fahrzeugs erreicht werden kann, was zu einer besseren Ansaugung des Flüssigwassers und einer verbesserten Zerstäubung desselben führt. Außerdem kann durch eine konstruktive Abstimmung der Durchmesser des Einströmkonus und des Rohrabschnitts die Geschwindigkeit mit beeinflusst werden, ab welcher ein Austrag von flüssigem Wasser überhaupt stattfindet.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee kann es nun ferner vorsehen, dass der Rohrabschnitt und der Sammelbehälter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, welches an seinem in Strömungsrichtung des Fahrtwinds vorderen Ende zumindest teilweise offen ausgebildet ist. Der Rohrabschnitt und der Sammelbehälter können also in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden, welches offen oder teilweise offen ausgebildet ist, sodass eine Durchströmung des Rohrabschnitts in der gewünschten Art und Weise eintritt. Der Aufbau lässt sich so außerordentlich kompakt realisieren.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee kann das Gehäuse eine thermische Isolierung aufweisen ebenso wie gegebenenfalls einen Einströmkonus. Eine solche thermische Isolierung stellt sicher, dass die Komponenten nicht unnötig stark auskühlen, was insbesondere hinsichtlich eines Einfrierens von entscheidendem Vorteil ist. Dies gilt vor allem dann, wenn zumindest im Betrieb eine gewisse Temperatur des Fahrtwinds erreicht wird, sodass durch die thermische Isolierung ein Auskühlen verhindert werden kann.
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Eine weitere außerordentliche und vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abluftanlage kann es nun vorsehen, dass der Fahrtwind in Strömungsrichtung vor dem Rohrabschnitt im Betrieb des Fahrzeugs warme Komponenten umströmt. Der Fahrtwind wird also so entlang des Fahrzeugs und/oder durch Teile des Fahrzeugs geleitet, dass der Fahrtwind beim Einströmen in den Rohrabschnitt warm, also wärmer als Umgebungsluft, ist. Dies führt letztlich dazu, dass eine Erwärmung des Rohrabschnitts auftritt und damit zumindest mittelbar oder bei der oben beschriebenen Ausgestaltung in einem Gehäuse auch durch Wärmeleitung der Sammelbehälter und die Verbindungsleitung erwärmt wird. Die Gefahr eines Einfrierens kann somit zumindest während des Betriebs deutlich reduziert werden. Außerdem kann durch den über Komponenten des Fahrzeugs und/oder Teile im Inneren des Fahrzeugs vorgewärmte Fahrtwind mehr Flüssigkeit aufnehmen und insbesondere mehr in Form von Flüssigkeitspartikeln in den Fahrtwind eingebrachte Flüssigkeit verdampfen, sodass der Abtransport und Austrag des flüssigen Wassers verbessert wird. Die warmen Komponenten des Fahrzeugs können dabei insbesondere einen Fahrzeugkühler zur Abfuhr der Abwärme des Brennstoffzellensystems, ein das Brennstoffzellensystem aufnehmender Raum in dem Fahrzeug, Elektromotoren oder dergleichen umfassen. Solche Komponenten, welche idealerweise ohnehin direkt oder mittelbar über den Fahrtwind gekühlt bzw. abgekühlt werden, können also vorteilhaft eingesetzt werden, um den Fahrtwind entsprechend vorzuwärmen und so eine besonders günstige Erwärmung der Abluftanlage und/oder des in ihr zerstäubten flüssigen Wassers zu erzielen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abfuhr von Abluft, Feuchte, Produktwasser und gegebenenfalls Abgas in die Umgebung mit einer Abluftanlage gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Rohrabschnitt und die Verengung des Durchmessers so vorgegeben werden, dass flüssiges Wassers erst bei einer Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs angesaugt wird, welche größer als 30 km/h, bevorzugt größer als 50 km/h ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also die Abluftanlage gemäß der Erfindung in einer so ausgelegten Variante, sodass ab einer etwas höheren Geschwindigkeit von beispielsweise bevorzugt 50 km/h oder idealerweise ca. 80 km/h, typischerweise das Flüssigwasser nur außerhalb des Stadtverkehrs angesaugt wird. Hierdurch ist eine besonders effiziente und vorteilhafte Abgabe des flüssigen Wassers bei so hohen Fahrtgeschwindigkeiten, dass dieses von dem Fahrzeug abtransportiert wird und sich fein und gleichmäßig verteilt, gewährleistet. Größere Ansammlungen von flüssigem Wasser, auf Verkehrswegen, insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen wie an Ampeln, auf Kreuzungen oder dergleichen, können so sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Abluftanlage und ihrer Nutzung 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 Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer Abluftanlage;
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2 einen Querschnitt sowie eine Draufsicht in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung der Abluftanlage in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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3 einen Querschnitt sowie eine Draufsicht in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung der Abluftanlage in einer alternativen möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
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4 eine Draufsicht in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung auf eine weitere alternative Ausführung der erfindungsgemäßen Abluftanlage.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellensystem 2 dargestellt. Über das Brennstoffzellensystem 2 wird elektrische Leistung bereitgestellt, die über eine Leistungselektronik 3 einen elektrischen Fahrmotor 4 des Fahrzeugs antreibt. Das hier sehr stark vereinfacht und nur schematisch dargestellte elektrische System des Fahrzeugs 1 weist außerdem eine Energiespeichereinrichtung 5 auf, welche beispielsweise als Hochvoltbatterie oder in Form von Hochleistungskondensatoren oder auch als Kombination hiervon ausgebildet werden kann. Über diese Energiespeichereinrichtung kann beispielsweise beim Abbremsen des Fahrzeugs zurückgewonnene elektrische Energie zwischengespeichert werden. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Brennstoffzelle 6 auf, welche beispielswiese als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 6 ist dabei als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack ausgebildet. Rein beispielhaft ist in der Darstellung der 1 ein gemeinsamer Anodenraum 7, ein gemeinsamer Kathodenraum 8 sowie ein Wärmetauscher 9 zu erkennen. Dem Anodenraum 7 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 10 über eine Druckregel- und Dosiereinheit 11 zugeführt. In Strömungsrichtung des zugeführten Wasserstoffs nach der Druckregel- und Dosiereinheit 11 strömt dieser durch eine Gasstrahlpumpe 12, in den Anodenraum 7 der Brennstoffzelle 6 ein. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt über eine sogenannte Rezirkulationsleitung 13, in welcher ein Wasserabscheider 14 angeordnet ist, zurück zu der Gasstrahlpumpe 12 und wird von dieser wieder angesaugt und vermischt mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 7 erneut zugeführt. Dieser Aufbau ist dem Fachmann geläufig und wird auch als Anodenkreislauf bezeichnet. Über den Wasserabscheider wird entstandenes Produktwasser abgeschieden und es kann außerdem, beispielsweise über eine hier nicht dargestellte Ventileinrichtung von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit von Konzentrationen, Gas aus der Anodenrezirkulation bzw. der Rezirkulationsleitung 13 abgegeben werden. Dies ist von Zeit zu Zeit nötig, um inerte Gase, welche durch die Membranen vom Kathodenraum 8 in den Anodenraum 7 diffundiert sind, und welche in dem gespeicherten Wasserstoff enthalten waren, abzublasen, da ansonsten die Wasserstoffkonzentration mit einer Anreicherung dieser inerten Gase im konstanten Volumen des Anodenkreislaufs absinken würde. Auch dies ist dem Fachmann soweit geläufig. Über eine Abgasleitung 15 strömen Gase und Produktwasser aus dem Wasserabscheider 14 ab und gelangen in den Bereich einer Abluftanlage 16 und hier insbesondere in eine Abluftleitung 17, auf welche später noch näher eingegangen wird.
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Dem Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 6 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 18 zugeführt. Diese Luftfördereinrichtung 18 kann beispielsweise als Strömungsverdichter ausgebildet sein, welcher über einen Luftfilter 19 Umgebungsluft als Sauerstofflieferant ansaugt und verdichtet dem Kathodenraum 8 der Brennstoffzelle 6 zuführt. Dabei sind weitere Komponenten wie beispielsweise Ladeluftkühler und/oder Befeuchter für den Fachmann geläufig, sodass auf eine Darstellung dieser optionalen Bauteile hier verzichtet worden ist. Die an Sauerstoff abgereicherte Abluft gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abluftturbine 20 in die Abluftleitung 17 und strömt aus dem Fahrzeug 1 in die Umgebung ab. Die Abluftturbine 20 ist zusammen mit einer elektrischen Maschine 21 in Wirkverbindung zu der Luftfördereinrichtung 18 angeordnet, beispielsweise indem diese drei Bauteile auf einer gemeinsamen Welle montiert werden. Dies führt nun dazu, dass die im Bereich der Abluftturbine aus dem Druck und der Temperatur der Abluft zurückgewonnene Energie dem Antrieb der Luftfördereinrichtung zur Verfügung gestellt werden kann. Die typischerweise zusätzliche benötigte Leistung für den Antrieb der Luftfördereinrichtung wird durch die elektrische Maschine 21 bereitgestellt. In bestimmten Situationen, in denen mehr Leistung im Bereich der Abluftturbine 20 anfällt, als von der Luftfördereinrichtung 18 benötigt wird, kann die elektrische Maschine 21 auch generatorisch betrieben werden und so elektrische Leistung zurückgewinnen, welche dann beispielsweise im Bereich der elektrischen Energiespeichereinrichtung 5 gespeichert werden kann. Dieser Aufbau ist dem Fachmann geläufig und wird typischerweise als sogenannter elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet.
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Nach diesem Aufbau strömt die Abluft, welche typischerweise mit der Feuchte und dem Produktwasser des Brennstoffzellensystems beladen ist, in die Umgebung. Um eine Schädigung der Abluftturbine 20 durch Flüssigkeit in der Abluft zu verhindern, ist häufig auch im Bereich vor der Abluftturbine 20 bereits ein Wasserabscheider vorgesehen, wobei das im Bereich dieses Wasserabscheiders abgeschiedenes Wasser dann wiederum in die Abluftleitung 17 zurückgelangt oder zusammen mit Wasser aus dem Bereich der Abluftleitung 17 in einem später noch näher beschriebenen Sammelbehälter gesammelt werden kann.
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Daneben zeigt das Fahrzeug 1 in 1 außerdem ein stark vereinfachtes Kühlsystem für die Brennstoffzelle 6, welches im Wesentlichen aus einem Fahrzeugkühler 22 besteht, welcher typischerweise in dem in Fahrtrichtung F vorderen Bereich des Fahrzeugs 1 angeordnet ist. Über einen Kühlkreislauf mit einer Kühlmittelfördereinrichtung 23 wird das Kühlmittel umgewälzt und dabei zumindest durch den Wärmetauscher 9 der Brennstoffzelle 6 geleitet. Darüber hinaus können weitere Komponenten gekühlt werden und/oder es können Bypassleitungen und dergleichen zur Beeinflussung der Abkühlung des Kühlmittels vorgesehen sein. All dies ist dem Fachmann für Brennstoffzellensysteme und ihrer Kühlung geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
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Um zu verhindern, dass flüssiges Wasser zusammen mit der Abluft und/oder dem Abgas aus dem Brennstoffzellensystem 2 und damit letztlich aus dem Fahrzeug 1 – bei niedrigen Geschwindigkeiten oder im Stillstand des Fahrzeugs – gelangt, ist nun ein Aufbau vorgesehen, wie er in verschiedenen Ausführungsvarianten in den nachfolgenden Figuren beispielhaft beschrieben ist.
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In der Darstellung der 2 ist nun eine Variante der bereits angesprochenen Abluftanlage 16 zu erkennen. Die Abluftleitung 17 mündet dabei in einem Sammelbehälter 18, welcher gleichzeitig den Endtopf der Abluftanlage 16 ausbildet und gegebenenfalls auch zur Dämpfung von Schwingungen und Geräuschen genutzt werden kann. In diesem Sammelbehälter 18 sammelt sich im unteren Bereich, wie es im oben dargestellten Querschnitt anhand einer eingezeichneten Flüssigkeitsoberfläche 25 dargestellt ist, flüssiges Produktwasser aus der Abluft und gegebenenfalls dem Abgas an.
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Außerdem kann flüssiges Wasser, welches in anderen Bereichen des Brennstoffzellensystems abgeschieden worden ist, beispielsweise aus einem nicht dargestellten Wasserabscheider vor der Abluftturbine 20, dem Sammelbehälter 24 zugeführt werden. Oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche 25 strömt die Abluft, wie durch den mit 26 dargestellten Pfeil ersichtlich, durch den Sammelbehälter 24 und dann über eine Verbindung 27 in einen Rohrabschnitt 28 bzw. dessen mit 29 bezeichneten Endbereich. Der Rohrabschnitt 28 selbst wird von Fahrtwind durchströmt, welcher durch die Pfeile, von denen einige mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet sind, entsprechend angedeutet ist. Dieser Fahrtwind 30 soll insbesondere entlang von Wärme abgebenden Komponenten des Fahrzeugs 1 zu dem Rohrabschnitt 28 strömen, beispielsweise nachdem der Fahrtwind 30 den Fahrzeugkühler 22, den elektrischen Fahrmotor 4 sowie das Brennstoffzellensystem 2 bzw. Teile desselben umströmt hat.
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Dieser gegenüber der Umgebungsluft vergleichsweise warme Fahrtwind 30 gelangt dann mit einer von der Fahrtgeschwindigkeit des Fahrzeugs 1 abhängenden Strömungsgeschwindigkeit in den Bereich des Rohrabschnitts 28 und durchströmt diesen, bevor er sich in dessen Endabschnitt 29 mit der Abluft 26 vermischt und aus dem Fahrzeug 1 abströmt. Der Sammelbehälter 24 ist nun über eine Verbindungsleitung 31 in seinem Bereich unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche 25 mit dem Rohrabschnitt 28 verbunden. Die Verbindungsleitung 31 mündet in einem Bereich des Rohrabschnitts 28, in dem dieser einen verengten mit 32 bezeichneten Querschnitt aufweist. Wie es aus der Draufsicht auf die prinzipielle Schnittdarstellung zu erkennen ist, kann die Querschnittsverengung so ausgebildet sein, dass der Querschnitt durch einen mit 33 bezeichneten Verengungskörper umlaufend in der Art einer Venturidüse eingeengt ist. Der Querschnitt wird also kontinuierlich verengt und erweitert sich dann in einem sogenannten Diffusor wieder. Im Bereich des engsten Querschnitts mündet die Verbindungsleitung 31. Durch die Verengung 32 des Querschnitts kommt es zu einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Fahrtwinds 30, sodass ein Unterdruck entsteht, durch welchen das flüssige Wasser aus dem Sammelbehälter 24 angesaugt und in dem Volumenstrom des Fahrtwinds zerstäubt und von diesem mitgetragen wird. Der mit dem flüssigen Wasser beladene Fahrtwind 30 wird dann mit der Abluft 26 im Endbereich des Rohrabschnitts 28 vermischt und die Mischung wird in die Umgebung abgegeben. Da die Durchströmung des Rohrabschnitts 28 durch den Fahrtwind 30 von der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 1 abhängt, kann je nach konstruktiver Auslegung flüssiges Wasser nur oberhalb einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit des Fahrzeugs 1 in die Umgebung abgegeben werden. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Fahrzeug 1 typischerweise in unkritischen Bereichen unterwegs ist und das es sich außerdem so schnell bewegt, dass das ausgetragene flüssige Wasser aus dem Bereich des Fahrzeugs abtransportiert und ausreichend stark in der Umgebung verteilt wird, sodass eine verstärkte Auskondensation mit einer Pfützenbildung oder dergleichen sicher und zuverlässig vermieden werden kann.
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In der Darstellung der 3 ist ein vergleichbarer Aufbau in einer alternativen Ausführungsform beschrieben. Nachfolgend wird dabei lediglich auf die Unterschiede eingegangen. Die gleichartigen Teile des Aufbaus sind über dieselben Bezugszeichen bezeichnet und in ihrer Funktionalität von der in 2 erfolgten Beschreibung nicht verschieden.
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Ein erster bereits im Querschnitt erkennbarer Unterschied liegt in einem gemeinsamen Gehäuse 34, welches sowohl den Sammelbehälter 24 bzw. Endtopf und den Rohrabschnitt 28 entsprechend umgibt. Das Gehäuse 34 kann insbesondere mit einer thermischen Isolierung versehen sein. Um eine Anströmung des Rohrabschnitts 28 mit dem Fahrtwind 30 einerseits zu gewährleisten und andererseits hinsichtlich des Durchsatzes von Fahrtwind 30 zu verbessern, ist das Gehäuse 34 in Richtung des anströmenden Fahrtwinds, also in Fahrtrichtung F vorne, offen ausgebildet und in diesem Fall zusätzlich mit einem Einströmkonus 35 versehen. Der Einströmkonus 35 ist dabei nur teilweise dargestellt. Er kann je nach Stelle, an welcher er den Fahrtwind sammelt, entsprechend aufwändig und komplex realisiert sein. Er soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dabei zweiteilig ausgebildet sein. Ein erster Teil 35a des Einströmkonus sammelt den Fahrtwind 30, welcher den Rohrabschnitt 28 durchströmt. Ein zweiter typischerweise kleiner ausgebildeter Teil 35b des Einströmkonus 35 sammelt weiteren durch die Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 oder des Fahrzeugs 1 vorgewärmten Fahrtwind 30, welcher dann den Sammelbehälter 24 umströmt, um diesen vor einem Einfrieren zu schützen bzw. diesen aufzutauen, falls er beim Start eines Fahrzeugs 1 eingefroren ist. Die über den Fahrtwind 30 eingetragene Wärme kann in dem Gehäuse 34, welches den Aufbau außerordentlich kompakt und einfach in der Handhabung und Montage macht, zurückgehalten werden, insbesondere wenn das Gehäuse 34 mit einer hier nicht explizit dargestellten thermischen Isolierung versehen ist.
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Der Einströmkonus 35 oder ein Teil des Einströmkonus 35a, 35b kann selbstverständlich auch alleine und unabhängig von dem Gehäuse 34 ausgebildet sein. Der Aufbau kann also sowohl mit Gehäuse als auch ohne Gehäuse mit dem gesamten Einströmkonus oder einem Teil des Einströmkonus 35, beispielsweise nur dem Teil für den Rohrabschnitt 28, realisiert werden.
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In der Darstellung der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform des Aufbaus zu erkennen. Diese unterscheidet sich von der in der Darstellung der 2 beschriebenen Ausführungsform nur insoweit, als der Sammelbehälter 24 und der Rohrabschnitt 28 hier nicht mehr parallel zueinander angeordnet sind, sondern im Wesentlichen in einem rechten Winkel zueinander stehen. Andere Winkelstellungen sind selbstverständlich ebenso denkbar. Dies erleichtert das Einbringen der Abluft 26 in den Endbereich 29 des Rohrabschnitts 28, da die Verbindung 27 fluchtend zur zentralen Achse des Sammelbehälters 24 ausgebildet werden kann. Gleichzeitig wird jedoch der Aufwand hinsichtlich des Führung der Verbindungsleitung 31 etwas erhöht, sodass je nach Bauform, entstehenden Druckverlusten und Platzbedarf zwischen den beiden beschriebenen Varianten oder entsprechenden Ausgestaltungen von Varianten mit einem Winkel zwischen der parallelen Anordnung und der rechtwinkligen Anordnung entschieden werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008053800 A1 [0002]
- DE 102012006132 A1 [0004]
- US 2006/0240299 A1 [0005]
