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Die Erfindung betrifft ein Rezirkulationsgebläse zur Rezirkulation eines in einer Brennstoffzelle nicht umgesetzten Brennstoffes, mit einem eine Motorwelle umfassenden Elektromotor, der ausgestaltet ist, ein Förderrad zur Förderung des zu rezirkulierenden Brennstoffes rotierend anzutreiben. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem solchen Rezirkulationsgebläse sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch die Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, wobei sich allerdings der Bedarf an den bei der chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, die Luft in einem Verdichter zu komprimieren. Anodenseitig wird der Brennstoff zumeist aus einem Brennstoffreservoir bereitgestellt. Den Brennstoffzellen wird der Brennstoff und auch das Oxidationsmittel überstöchiometrisch zugeführt, um deren Effizienz zu maximieren. An den Brennstoffzellen nicht abreagierter Brennstoff wird zur Ressourcenschonung rezirkuliert, d.h. den Brennstoffzellen erneut zugeführt. Zur Förderung des nicht umgesetzten Brennstoffes wird ein Rezirkulationsgebläse eingesetzt, welches weiterhin für eine gleichmäßige Durchmischung des rezirkulierten Brennstoffes und des frisch zugeführten Brennstoffes sorgt.
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Ein Rezirkulationsgebläse der eingangs genannten Art lässt sich beispielsweise der
KR 2016 0 052 926 A sowie der
KR 2012 0 067 493 A entnehmen, wobei darin bereits erkannt ist, dass aufgrund der hohen Feuchtigkeit im Brennstoff die Bildung von Kondensaten ein Problem darstellen kann. Aus diesem Grunde ist das Förderrad bei bekannten Anwendungen bezüglich der Horizontalen stets unterhalb des Elektromotors angeordnet, um zu verhindern, dass Kondensat in den Elektromotor fließt. Das Gehäuse des Rezirkulationsgebläses kann dabei zusätzlich entsprechende Rinnen zur Abfuhr von etwaiger Flüssigkeit aufweisen, die dann aus dem Anodenkreislauf ausgeführt wird.
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Wegen der Regelung des Wasserhaushaltes in einer Brennstoffzellenvorrichtung und insbesondere wegen der damit häufig verbundenen Kondensatbildung, wird bei bekannten Brennstoffzellensystemen das Rezirkulationsgebläse meist oberhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet, um den Einsatz eines Siphons im Anodenkreislauf oder innerhalb des Rezirkulationsgebläses zu vermeiden.
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Da sich das Rezirkulationsgebläses bezogen auf die Stapelrichtung (z-Richtung) des Brennstoffzellenstapels oberhalb befindet, wird der für die Brennstoffzellenvorrichtung benötigte Bauraum streng vorgegeben und ist damit nur schlecht an unterschiedliche Bauraumbedingungen anpassbar.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Rezirkulationsgebläse, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, die den vorstehend erwähnten Nachteilen Rechnung tragen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Rezirkulationsgebläse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Rezirkulationsgebläse zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass das Förderrad drehfest mit einer Förderradwelle gekoppelt ist, die mittels eines Übersetzungsgetriebes drehmomentübertragend mit der Motorwelle des Elektromotors gekoppelt ist, insbesondere ohne dabei auf einer gemeinsamen Achse zu liegen.
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Weil die Motorwelle und die Förderradwelle nicht mehr auf einer gemeinsamen Achse liegen, ergeben sich weitere Freiheitsgrade im Hinblick auf den vom Rezirkulationsgebläse benötigten Bauraum. Insbesondere lässt sich durch eine geeignete Auslegung erreichen, dass der Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung in vertikaler Richtung, d.h. in Stapellängsrichtung, nicht mehr so stark ausgeprägt ist, wie es bei bekannten Brennstoffzellenvorrichtungen der Fall ist. Trotz der räumlichen Entkopplung der Motorwelle von der Förderradwelle sind sie dennoch drehmomentübertragend miteinander verbunden. Durch die räumliche Trennung lässt sich der Elektromotor außerdem vor etwaigen Kondensaten schützen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Übersetzungsgetriebe ein vorgegebenes, insbesondere bekanntes, Übersetzungsverhältnis aufweist. Damit bildet also das Übersetzungsgetriebe eine drehzahlfeste Kopplung zwischen der Motorwelle und der Förderradwelle aus. Durch diese drehzahlfeste Übertragung bleibt es möglich, über die Drehzahl der Motorwelle des Rezirkulationsgebläses einen Rückschluss auf die im Anodenkreislauf herrschenden Bedingungen zu ziehen. Diese Rückschlüsse können auch anhand eines vorgegebenen oder vorgebbaren Anodenkreislaufmodells gezogen werden, die durch die drehzahlfeste Verbindung keiner Änderung bedürfen, insbesondere aber dann, wenn ein Übersetzungsverhältnis von 1 vorliegt. Somit ist es auch möglich, ein erfindungsgemäßes Rezirkulationsgebläse bei bereits bekannten Brennstoffzellenvorrichtungen nachzurüsten.
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In diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit eröffnet, dass das Übersetzungsgetriebe als ein Riementrieb gebildet ist, der die Förderradwelle mittels eines Riemens, insbesondere mittels eines Zahnriemens, drehmomentübertragend mit der Motorwelle koppelt. Die Förderradwelle weist hierzu vorzugsweise ein Zahnrad auf, in das der Zahnriemen eingreift. Außerdem weist die Motorwelle ein Zahnrad auf, in das der Zahnriemen ebenfalls eingreift, so dass durch den Zahnriemen ein umlaufendes Band gebildet ist. Um eine drehzahlfeste Übertragung herbeizuführen, weisen die beiden Zahnräder vorzugsweise eine übereinstimmende Zahnanzahl auf.
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Alternativ ist es allerdings auch möglich, anstelle eines Riementriebs einen Kettenantrieb einzusetzen, der die Förderradwelle mittels einer Kette drehmomentübertragend mit der Motorwelle koppelt, wobei auch hier vorzugsweise eine drehzahlfeste Übertragung vorliegt. Kettenantriebe weisen eine sehr robuste Struktur auf und sind somit sehr wartungsarm.
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Zudem besteht die Möglichkeit, dass das Übersetzungsgetriebe als ein Zahnradgetriebe gebildet ist, das die Förderradwelle mittels zweier verzahnender Zahnräder drehmomentübertragend mit der Motorwelle koppelt. Analog zu der Realisierung mit einem Riementrieb oder mit einem Kettenantrieb liegen auch bei einem Zahnradgetriebe die Achsen der Motorwelle und der Förderradwelle parallel zueinander, jedoch nicht auf einer gemeinsamen Achse.
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Um das Rezirkulationsgebläse, insbesondere der den für Kondensat anfälligen Elektromotor des Rezirkulationsgebläses, bezüglich der Stapelrichtung eines Brennstoffzellenstapels senkrecht versetzen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Übersetzungsgetriebe als ein Winkelgetriebe gebildet ist. Hierbei ist vorzugsweise der Förderradwelle und der Motorwelle jeweils mindestens ein Zahnrad oder ein Kegelrad zu gegenseitiger Verzahnung zugeordnet oder daran ausgebildet.
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Für einen weiteren Schutz vor Kondensat ist es möglich, dass ein einteiliges oder mehrteiliges Gehäuse vorhanden ist, welches eine den Elektromotor einhausende erste Kammer und welches eine das Förderrad einhausende zweite Kammer umfasst, wobei die zweite Kammer insbesondere Anschlüsse zur Koppelung der zweiten Kammer an die Anodenrezirkulationsleitung aufweist.
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Um den Elektromotor zusätzlich vor Kondensat zu schützen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer mindestens eine Dichtung angeordnet ist.
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Das erfindungsgemäße Rezirkulationsgebläse entfaltet seine Vorteile beim Einsatz in einer Brennstoffzellenvorrichtung. Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich insbesondere durch eine Brennstoffleitung zur Zufuhr von Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir zu einem Anodeneinlass mindestens einer Brennstoffzelle sowie durch einen eine Brennstoffrezirkulationsleitung umfassenden Anodenkreislauf aus. Die Brennstoffrezirkulationsleitung ist von einem Anodenauslass zu der Brennstoffleitung stromauf des Anodeneinlasses geführt, wobei in den Anodenkreislauf, insbesondere in die Brennstoffrezirkulationsleitung, das erfindungsgemäße Rezirkulationsgebläse eingebunden ist.
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Aufgrund der Ausbildung des Rezirkulationsgebläses mit einem Übersetzungsgetriebe, welches vorzugsweise ein bekanntes Übersetzungsverhältnis aufweist, ergeben sich mehr Freiheitsgrade bei der Ausnutzung des verfügbaren Bauraums. Außerdem ist der Elektromotor des Rezirkulationsgebläses besser vor Kondensatbildung geschützt.
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Eine zusätzliche Hürde für den Eintritt von Kondensat lässt sich dadurch realisieren, dass zumindest der Elektromotor des Rezirkulationsgebläses, vorzugsweise jedoch das gesamte Rezirkulationsgebläse, horizontal versetzt gegenüber der Brennstoffzelle angeordnet ist, mithin also weder direkt oberhalb noch direkt unterhalb der Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.
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Die für die Brennstoffzellenvorrichtung und für das Rezirkulationsgebläse beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Die Brennstoffzellenvorrichtung lässt sich hierbei besser an den durch das Kraftfahrzeug vorgegebenen Bauraum anpassen.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einem in einen Anodenkreislauf eingebundenen Rezirkulationsgebläse,
- 2 schematisch und ausschnittsweise ein erstes Rezirkulationsgebläse, und
- 3 schematisch und ausschnittsweise ein zweites Rezirkulationsgebläse.
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Aus der 1 ist zu ersehen, dass bei dem zur Erläuterung der Erfindung gezeigten Teil einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 anodenseitig ein Anodenkreislauf 7 mit einer Brennstoffrezirkulationsleitung 2 vorliegt, die von einem Anodenauslass 3 eines Brennstoffzellenstapels 4 zu der Brennstoffleitung 5 stromauf des Anodeneinlasses 6 geführt ist. Der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 kann ein nicht näher gezeigter Anodenabscheider zugeordnet sein, um überschüssige Flüssigkeit aus dem Anodenkreislauf 7 zu entfernen. Da in einer Brennstoffzelle die Reaktanten überstöchiometrisch bereitgestellt sind, ist in die Rezirkulationsleitung ein Rezirkulationsgebläse 8 eingebunden, um den in der Brennstoffzelle oder in einem Brennstoffzellenstapel 4 mit mehreren Brennstoffzellen nicht umgesetzten Brennstoff jeweils erneut zuzuführen, mithin zu „rezirkulieren“. Vorzugsweise mündet die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 in eine regelbare Saugstrahlpumpe 9 der Brennstoffleitung 5, so dass unterschiedliche Anteile des einem Brennstoffreservoir 10 entnommenen frischen Brennstoffes und des rezirkulierten Brennstoffes dem Anodeneinlass 6 des Brennstoffzellenstapels 4 erneut zugeführt werden können. Alternativ kann auf die Saugstrahlpumpe 9 auch verzichtet werden und die Brennstoffrezirkulationsleitung 2 direkt in die Brennstoffleitung 5 münden. Optional ist in der Brennstoffrezirkulationsleitung 2 stromab oder alternativ stromauf des Rezirkulationsgebläses 8 ein Purgeventil 11 angeordnet, um den Anodenkreislauf zu spülen, sollte die im Anodenkreislauf 7 vorhandene Brennstoffkonzentration unter einen kritischen Wert fallen oder sollte der Anteil an Inertgasen darin zu groß werden.
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In 2 und 3 ist das Rezirkulationsgebläse 8 zur Rezirkulation des in einer Brennstoffzelle nicht umgesetzten Brennstoffes schematisch näher dargestellt. Dieses weist einen Elektromotor 12 auf, der eine Motorwelle 13 umfasst. Der Elektromotor 12 ist ausgestaltet, um ein Förderrad 14 zur Förderung des zu rezirkulierenden Brennstoffes rotierend anzutreiben. Das Förderrad 14 ist vorliegend drehfest mit einer Förderradwelle 15 gekoppelt, die ihrerseits mittels eines Übersetzungsgetriebes 16 drehmomentübertragend mit der Motorwelle 13 des Elektromotors 12 gekoppelt ist. Wie sich aus den beiden Zeichnungen ergibt, liegen die Motorwelle 13 und die Förderradwelle 15 nicht auf einer gemeinsamen Achse. Das Übersetzungsverhältnis des Übersetzungsgetriebes 16 ist bekannt oder vorgegeben, so dass eine drehzahlfeste Übertragung des Drehmoments von der Motorwelle 13 auf die Förderradwelle 15 vorliegt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses 8 einen Rückschluss auf die Bedingungen innerhalb des Anodenkreislaufs 7 geben kann. Durch die räumliche Trennung, aber drehmomentübertragende Kopplung der Motorwelle 13 und der Förderradwelle 15 ergeben sich weitere Möglichkeiten zur Abdichtung eines Gehäuses des Elektromotors 12 gegen Kondensaten.
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Beim Rezirkulationsgebläse 8 nach 2 ist das Übersetzungsgetriebe 16 als ein Riementrieb gebildet, der die Förderradwelle 15 mittels eines Riemens 17, insbesondere mittels eines Zahnriemens, drehmomentübertragend mit der Motorwelle 13 koppelt. Hierzu kann der Motorwelle 13 ein entsprechendes Zahnrad zugeordnet sein, das mit dem als Zahnriemen gebildeten Riemen 17 wechselwirkt. Auch bei der Förderradwelle 15 kann ein Zahnrad vorhanden sein, das ebenfalls mit dem Riemen 17 wechselwirkt, so dass der Riemen 17 als ein umlaufendes Band mit einem oberen Trum und einem unteren Trum gebildet ist. Anstelle eines Riemens 17 kommt auch der Einsatz eines Kettenantriebs infrage, der den Riemen 17 durch eine Kette ersetzt.
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Das Rezirkulationsgebläse 8 nach 3 weist ein Übersetzungsgetriebe 16 auf, welches als ein Winkelgetriebe 18 gebildet ist. Auch hier ist der Förderradwelle 15 und der Motorwelle 13 jeweils mindestens ein Zahnrad oder ein Kegelrad zu gegenseitigen Verzahnung zugeordnet oder daran ausgebildet.
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Im Ergebnis liegt durch die vorliegende Erfindung ein Rezirkulationsgebläse 8, eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 sowie ein Kraftfahrzeug vor, bei denen der Bauraum besser ausgenutzt und insbesondere auch eingespart werden kann. Das Rezirkulationsgebläse 8 kann flexibler an die vorgegebenen Bedingungen angepasst werden. Zudem ist für den Elektromotor 12 eine verbesserte Möglichkeit der Flüssigkeitsabdichtung, beispielsweise für die Abdichtung gegenüber Wasser, im Anodenkreislauf 7 geschaffen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffrezirkulationsleitung
- 3
- Anodenauslass
- 4
- Brennstoffzellenstapel
- 5
- Brennstoffleitung
- 6
- Anodeneinlass
- 7
- Anodenkreislauf
- 8
- Rezirkulationsgebläse
- 9
- Saugstrahlpumpe
- 10
- Brennstoffreservoir
- 11
- Purgeventil
- 12
- Elektromotor
- 13
- Motorwelle
- 14
- Förderrad
- 15
- Förderradwelle
- 16
- Übersetzungsgetriebe
- 17
- Riemen
- 18
- Winkelgetriebe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 20160052926 A [0003]
- KR 20120067493 A [0003]
