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Die Erfindung betrifft ein Abgassystem für ein Brennstoffzellensystem mit einer Abgasturbine und einer die Abgasturbine aufweisenden Abgasleitung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Die Verwendung von Abgassystemen mit einer Abgasturbine ist bei Brennstoffzellen aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die Abgasturbine dient dazu, in dem Abgas bzw. der Abluft der Brennstoffzelle verbleibende Energie zurückzugewinnen, typischerweise um damit den Antrieb eines Luftverdichters entsprechend zu unterstützen. Um die Abluftturbine vor flüssigen Tröpfchen zu schützen, einerseits um eine Schädigung der schnelllaufenden Turbine zu vermeiden und andererseits um ein späteres Einfrieren der Turbine nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems auszuschließen, sind Wasserabscheider in Strömungsrichtung vor der Abluftturbine prinzipiell bekannt. Die
DE 10 2012 020 625 A1 beschreibt ein derartiges Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit, welche die Flüssigkeit im Wesentlichen dadurch abscheidet, dass sie die Fliehkraft nutzt, nachdem der Abluftstrom auf eine rotierende spiralförmige Bahn gebracht worden ist.
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Derartige Wasserabscheider sind nun ebenso wie die herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Wasserabscheider entsprechend groß und aufwändig einzubauen. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche unter engen räumlichen Gegebenheiten konstruiert werden müssen, beispielsweise zum Einsatz in Fahrzeugen, stellt dies einen erheblichen Nachteil dar. Darüber hinaus ist es so, dass die im Stand der Technik genannten Wasserabscheider typischerweise einen vergleichsweise hohen Druckverlust in dem Gasstrom verursachen, sodass ein Teil der Energie, welche eigentlich in der Abgasturbine zurückgewonnen werden soll, bereits in den Abscheider umgesetzt wird, und damit für die Rückgewinnung verloren ist.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Abgassystem für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches einerseits die Turbine vor Flüssigkeit schützt, und welches andererseits einfach, klein und kompakt aufgebaut werden kann und darüber hinaus geringe Druckverluste verursacht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Abgassystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Abgassystem ist es, vergleichbar wie im Stand der Technik, vorgesehen, dass Mittel zum Abscheiden von Wasser in Strömungsrichtung vor der Abgasturbine angeordnet sind. Anders als im Stand der Technik sind diese Mittel jedoch außerordentlich einfach und effizient ausgestaltet. Sie sind in Form eines Vlieses konstruiert, welches sich in einer oder mehreren Lagen entlang des Umfangs der Abgasleitung und/oder der Einlassleitung in die Abgasturbine ausbildet. Der Erfinder hat nämlich durch zahlreiche Versuche und Beobachtungen erkannt, dass bei Brennstoffzellensystemen, welche von verdichteter Luft eines Luftverdichters, insbesondere eines Strömungsverdichters, durchströmt werden, flüssige Teile in dem Gasstrom immer spiralförmig entlang den Rohrwandungen strömen. Der Erfinder nutzt nun diese Beobachtung aus und kann einen außerordentlich einfachen und effizienten Wasserabscheider aufbauen, indem er die Rohrwandungen in den Bereichen, in denen Wasser abgeschieden werden soll, mit einem Vlies, beispielsweise einem textilen Vlies, einem Feuchtigkeit gut aufnehmenden Papier oder ähnlichem auslegt. Dies erfordert praktisch keinen zusätzlichen Bauraum, da eine Verrohrung zwischen den Komponenten ohnehin notwendig ist. Das Vlies an der Rohrwandung innerhalb dieser Verrohrung übernimmt dann das Abscheiden des Wassers. Das entlang der Rohrwandung laufende flüssige Wasser wird von dem Vlies aufgenommen und am Weiterströmen gehindert. Bei entsprechend trockenen Bedingungen kann das Wasser in dem Vlies auch wieder verdampfen, sodass der Aufbau praktisch wartungsfrei realisiert werden kann, und insbesondere so, dass kein flüssiges Wasser in die Umgebung abgegeben werden muss. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist der Innendurchmesser des Vlieses größer oder minimal gleich dem freien Querschnitt der Abgasleitung. Insbesondere dieser Aufbau ermöglicht die Verwendung des Vlieses gemäß der Erfindung als Mittel zum Abtrennen von Flüssigkeit aus dem Abgas, ohne dass hierdurch nennenswerte zusätzliche Druckverluste erzeugt werden. Dadurch, dass der Durchmesser in dem Bereich der Rohrleitung, in dem das Vlies an der Außenwand angebracht ist, nicht kleiner ist als an anderen Stellen der Abgasleitung ergeben sich zusätzliche Druckverluste ausschließlich aus der Oberflächenrauheit, welche bei dem Vlies etwas größer ist als typischerweise an den Innenwänden der Rohrleitung. Dies ist aber im Wesentlichen vernachlässigbar, sodass der Aufbau außerordentlich energieeffizient ist.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann ergänzend oder alternativ hierzu das Vlies in Umfangsrichtung in einer gefalteten Wellenform ausgebildet sein. Eine solche Ausgestaltung ist beispielsweise aus dem Einsatz in Filterelementen wie Luftfiltern oder ähnlichem prinzipiell bekannt. Eine solche Ausgestaltung kann nun auch hier verwendet werden, um die Oberfläche des Vlieses in Umfangsrichtung entsprechend zu vergrößern und dadurch noch mehr Wasser in dem Vlies aufnehmen zu können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, welches ein Abgassystem gemäß der Erfindung aufweist;
- 2 ein Schnittbild durch eine mögliche Ausführungsform eines Mittels zum Abtrennen von flüssigem Wasser aus dem Abgas gemäß der Erfindung; und
- 3 zwei mögliche Ausgestaltungen des eingesetzten Vlieses in einem prinzipmäßig angedeuteten Schnitt gemäß der Linie III - III in 2.
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In der Darstellung der 1 ist ein Fahrzeug 1 durch einen Kasten schematisch angedeutet. Das Fahrzeug 1 soll über ein in seiner Gesamtheit mit 2 bezeichnetes Brennstoffzellensystem nun mit elektrischer Energie versorgt werden. Das Brennstoffzellensystem 2 weist dazu eine Brennstoffzelle 3 auf, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen bzw. als sogenannter Brennstoffzellenstack ausgebildet ist. Bevorzugt sollen die Einzelzellen dabei in PEM-Technologie ausgebildet sein, also als Niedertemperaturbrennstoffzelle mit einer Membran zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich. Über einen Luftverdichter 4 wird dem Brennstoffzellenstapel 3 Luft über eine Zuluftleitung 5 zugeführt. Die Luft gelangt in den Kathodenraum 6, worin ein Teil des Sauerstoffs verbraucht wird. Zusammen mit in der Brennstoffzelle 3 entstehendem Produktwasser gelangt die Abluft dann über die Abgasleitung 7 zu einer Abgasturbine 8 und von hier in die Umgebung. Auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 2 ist der Aufbau so, dass einem Anodenraum 10 Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 11 über ein Druckregel- und Dosierventil 12 zugeführt wird. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt über eine Ableitung 13 in die Abgasleitung 7 und strömt vermischt mit der Abluft aus dem Kathodenraum 6 zur Abgasturbine 8. Hier wäre prinzipiell auch ein anderer Aufbau denkbar, beispielsweise eine sogenannte Anodenrezirkulation und/oder eine alternative Speichermethode bzw. ein On Board-Erzeugung von Wasserstoff. Da dies für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und dem Fachmann ohnehin bekannt ist, wird das Brennstoffzellensystem 2 nur in dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dies gilt auch für weitere Komponenten auf der Kathodenseite wie beispielsweise einen Ladeluftkühler, einen Befeuchter oder dergleichen. Diese wird der Fachmann hier automatisch mitlesen, da sie bei Brennstoffzellensystemen 2 prinzipiell bekannt und üblich sind.
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Die Abgasturbine 8 ist in an sich bekannter Art und Weise mit einer elektrischen Maschine 9 ebenso gekoppelt, wie mit dem Verdichter 4. Dies kann beispielsweise über eine gemeinsame Welle erfolgen. Der gesamte Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader bezeichnet. In diesem Aufbau dient die in der Abgasturbine 8 zurückgewonnene Energie insbesondere zur Unterstützung des Antriebs des Verdichters 4, oder wenn hierzu kein Bedarf besteht, zum Antrieb der elektrischen Maschine 9 als Generator.
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Um den Eintrag von insbesondere schwallartig anfallendem Flüssigwasser über das feuchte Abgas und hier insbesondere die feuchte Abluft aus dem Kathodenraum 6 in die Abgasturbine 8 zu vermeiden, sodass die Turbine nicht geschädigt wird und im Falle einer starken Abkühlung der Umgebungstemperatur nach dem Abstellen des Fahrzeugs nicht festfrieren kann, sind Mittel 14 zum Abtrennen von flüssigem Wasser aus dem Abgas vorgesehen. Diese Mittel 14 sind beispielsweise in der Abgasleitung 7 und/oder in den Abgaseintritt in die Abgasturbine 8, also bereits innerhalb eines Gehäuses 15 der Turbine 8, angeordnet.
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In der Darstellung der 2 ist rein beispielhaft ein Querschnitt durch die Verbindung zwischen dem Gehäuse 15 der Abgasturbine 8 sowie der Abgasleitung 7 angedeutet. In der mit S bezeichneten Strömungsrichtung des Abgases vor der Abgasturbine 8 befinden sich dann die Mittel 14 in Form wenigstens einer Lage eines Vlieses 16, welches flüssiges Wasser aufsaugt. In Versuchen wurde beobachtet, dass ein Großteil der Fracht an flüssigem Wasser und Tropfen in den Turbineneinlass spiralförmig entlang der Innenwand der Abgasleitung 7 erfolgt. Durch die Anordnung des Vlieses 16 als Mittel zum Abtrennen des flüssigen Wassers wird dieses Wasser entsprechend aufgesaugt. Vorteilhafterweise ist die wenigstens eine Lage des Vlieses 16 dabei so angeordnet, dass sie den Querschnitt der Abgasleitung 7 nicht verringert, sodass von ihr praktisch kein zusätzlicher Druckverlust ausgeht. Mit minimalem Aufwand hinsichtlich des Bauvolumens, des Gewichts und mit minimalem zusätzlichem Druckverlust lässt sich so flüssiges Wasser in dem zu der Abgasturbine 8 strömenden Gasstrom zuverlässig abscheiden.
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In der Darstellung der 3a) ist eine mögliche Ausführungsvariante gezeigt, bei welcher eine Lage Vlies 16 entlang des Umfangs der Abgasleitung 7 angeordnet ist. Dies ist die einfachste Ausführungsvariante. In der Darstellung der 3b) ist eine alternative Ausführungsvariante gezeigt, bei der das Vlies 16 in Umfangsrichtung eine gefaltete Wellenform ausbildet und so eine größere Oberfläche des Vlieses zur Aufnahme des Wassers zur Verfügung stellt.
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Das flüssige Wasser in dem Abgas wird so vor dem Eintritt in die Abgasturbine 8 in dem Vlies 16 aufgesaugt und gebunden. Die gebundene Wassermenge wird dann in trockenen Betriebsphasen bzw. bei stärkerer Durchströmung selbsttätig wieder ausgetragen. Auch wenn das Vlies 16 bereits vollständig mit Wasser beladen ist, wird ein eventuell in der Abgasleitung 7 auftretender Wasserschwall in kleine Wassereinheiten zerlegt, da das Wasser über die vergleichsweise raue Oberfläche des Vlieses 16 strömen muss. Diese kleineren Wassereinheiten sind dabei wesentlich unkritischer bezüglich des Festfrierens der Abgasturbine 8 und einer potenziellen Beschädigung der Abgasturbine 8, als wenn das Wasser schwallartig in die Abgasturbine 8 selbst eintreten würde. Mit außerordentlich einfachen und effizienten Mitteln sowie ohne zusätzlichen Druckverlust und ohne nennenswerten zusätzlichen Bedarf an Bauraum lässt sich in dem erfindungsgemäßen Abgassystem also ein zuverlässiger Schutz der Abgasturbine 8 vor Wasser oder zumindest zu viel in Form eines Schwalls in die Abgasturbine 8 gelangenden Wassers schützen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012020625 A1 [0002]
