-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rezirkulation von Abgas mit einem Verdichter und darin integriertem Flüssigkeitsabscheider nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Sie betrifft ferner eine Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 10.
-
Verdichter mit integrierten Flüssigkeitsabscheidern, welche insbesondere zur Rezirkulation von Abgas einer Brennstoffzelle eingesetzt werden können, sind grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die
DE 10 2007 033 203 A1 den Aufbau eines Verdichters mit integriertem Wasserabscheider. Der Verdichter ist dabei als Seitenkanalverdichter ausgebildet, bei welchem sich das Wasser im unteren Bereich des Verdichters unmittelbar unter den rotierenden Flügeln des Seitenkanalverdichters sammelt. Es wird von dort über eine Ventileinrichtung bei Bedarf abgelassen.
-
Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die
DE 10 2010 011 556 A1 hingewiesen werden. Diese zeigt eine Vorrichtung zur Brennstoffversorgung und beschreibt dabei insbesondere den Sachverhalt, dass Wasserstoff, welcher aus einem Druckgasspeicher stammt und über einen Druckminderer, eine Turbine oder dergleichen entspannt werden muss bevor er in die Brennstoffzelle strömt, vorgewärmt werden kann. Dabei werden in der genannten Schrift verschiedene Möglichkeiten zur Vorwärmung des Wasserstoffs über einen Wärmetauscher beschrieben, beispielsweise über das Kühlwasser, über eine Batterie oder indem der Wasserstoff in wärmetauschendem Kontakt mit elektrischen Antriebskomponenten von Peripheriegeräten des Brennstoffzellensystems oder Antriebskomponenten eines Fahrzeugs steht.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, den Aufbau der anodenseitigen Brennstoffversorgung und Rezirkulation für eine Brennstoffzelle über eine verbesserte Vorrichtung mit einem Verdichter zu optimieren. Insbesondere soll das Gewicht und der Bauraumbedarf reduziert werden.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung für die Vorrichtung angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Verdichter weist einen integrierten Flüssigkeitsabscheider auf und dient vorzugsweise zur Rezirkulation von Abgas einer Brennstoffzelle, vergleichbar wie der Verdichter in der eingangs genannten
DE 10 2007 033 203 A1 . Sie umfasst ein Gehäuse mit dem Verdichter und dem integrierten Flüssigkeitsabscheider und in dem Gehäuse erfindungsgemäß einen Wärmetauscher für ein Gas. Dieser Wärmetauscher für das Gas kann nun genutzt werden, um Wärme in den Verdichter hinein zu übertragen oder insbesondere Wärme aus dem Verdichter in das entsprechende Gas zu übertragen, beispielsweise um dieses vorzuwärmen und gleichzeitig den Verdichter entsprechend zu kühlen.
-
Der Aufbau lässt sich außerordentlich einfach und kompakt realisieren, da drei sonst häufig einzeln verbaute Komponenten wie beispielsweise der Verdichter, ein Wärmetauscher für ein der Brennstoffzelle zuströmendes Gas und ein Wasserabscheider für das über den Verdichter rezirkulierte Gas als einzelne Komponenten ausgebildet werden. Dies ist bezüglich des Bauraums relativ aufwändig und erfordert einen hohen konstruktiven Aufwand beim sogenannten Packaging, um diese Komponenten in einem bestehenden Bauraum unterzubringen. Häufig führt dies zu relativ komplexen Leitungsführungen zwischen den Einzelkomponenten, was, insbesondere bei wasserstoffhaltigen Gasen, dann zu weiteren Problemen hinsichtlich der Abdichtung führt, da jede Schnittstelle gegenüber unter einem, wenn auch nur geringen, Überdruck stehenden wasserstoffhaltigen Gas außerordentlich komplex und schwierig in der Abdichtung ist.
-
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verdichters ist es nun vorgesehen, dass der Wärmetauscher in Form von Kanälen, vorzugsweise in Form eines spiralförmigen Kanals, in der Gehäusewand ausgebildet ist. Die in der Wand des Gehäuses ausgebildeten Kanäle lasen sich ohne nennenswerten zusätzlichen Bauraumbedarf in das Gehäuse integrieren und können so den Wärmetauscher sehr einfach und platzsparend realisieren.
-
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Kanäle in einem einen elektrischen Antriebsmotor umgebenden Teil des Gehäuses ausgebildet sind. Dieser einen elektrischen Antriebsmotor des Verdichters umgebenden Teil des Gehäuses ist der Teil des Gehäuses, in dem die meiste Abwärme anfällt, da der elektrische Antriebsmotor eine relativ hohe Abwärme produziert. Aus diesem Grund ist die Anordnung der Kanäle und damit des Wärmetauschers in diesem Bereich besonders effizient, da einerseits diese Abwärme abgeführt wird, und da sie andererseits dazu genutzt werden kann, das Gas vorzuwärmen, was insbesondere bei der Zufuhr von Wasserstoff, wie es aus der zweiten eingangs genannten Schrift bekannt ist, von Vorteil ist. Die Kanäle können dabei ergänzend zu Fluidkanälen für ein flüssiges Kühlmedium in dem Gehäuse angeordnet werden, sodass im Falle einer höheren anfallenden Wärmemenge der Abwärme diese nach wie vor zuverlässig abgeführt werden kann, auch wenn der aktuelle Bedarf an Wasserstoff in dem Brennstoffzellensystem beispielsweise gerade niedrig ist.
-
Der Flüssigkeitsabscheider selbst kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee als Ringabscheider in einer Medienaustrittsöffnung des Gehäuses ausgebildet sein. Ein solcher Ringabscheider nutzt die Tatsache, dass in einem Verdichter die Flüssigkeit durch die Rotation des Laufrads des Verdichters typischerweise nach außen geschleudert wird. Sie läuft damit an der Wand entlang und ist damit auch beim Austritt aus dem Gehäuse des erfindungsgemäßen Verdichters im Wandbereich zu finden. Über einen Ringabscheider lässt sich nun die an der Wand entlanglaufende Schicht der Flüssigkeit entsprechend auffangen und ableiten. Gemäß einer sehr vorteilhaften in Strömungsrichtung des Mediums vor dem Ringabscheider Rippen zur Führung von Flüssigkeit in einen Ringspalt des Ringabscheiders angeordnet sind. Über solche optionalen Rippen kann die Abscheidung noch weiter verbessert werden.
-
Ein solcher Ringabscheider, der anders als herkömmliche Abscheider nicht auf einen Druckabfall beim Eintritt in einem Raum setzt, kann dadurch extrem viel kleiner realisiert werden. Dies ist bezüglich des Bauraums und der Integration in das Gehäuse ein enormer Vorteil.
-
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee sieht es dabei vor, dass die Vorrichtung bzw. ihr Gehäuse ein Reservoir für abgeschiedene Flüssigkeit umfasst, welches mit dem Flüssigkeitsabscheider verbunden ist, und welches über eine Druckausgleichsbohrung mit dem Medieneintritt des Gehäuses verbunden ist. Über diese Druckausgleichsbohrung wird in dem Reservoir des Flüssigkeitsabscheiders ein Druckgefälle geschaffen, da durch die Verdichtung der Medien über den Verdichter austrittsseitig der Druck höher als eintrittsseitig ist. Das Wasser lässt sich damit ideal in den Bereich des Reservoirs abführen und kann aus diesem beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit des Füllstandes über eine geeignete Ventileinrichtung abgelassen werden. Das Reservoir ist dabei im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unterhalb eines Laufrads des Verdichters angeordnet ist, sodass, bei idealerweise oberhalb des Laufrads angeordnetem elektrischen Antriebsmotor, das Reservoir des Flüssigkeitsabscheiders die tiefste Stelle bildet, sodass Flüssigkeit sich hier auch unterstützt durch die Schwerkraft ansammeln kann. Ferner kann sie unterstützt durch die Schwerkraft in die Umgebung abgelassen werden.
-
Der Verdichter ist dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee als Seitenkanalverdichter ausgebildet, da dieser einen entsprechend einfachen und zuverlässigen Aufbau hat, welcher insbesondere die oben genannten Eigenschaften ideal erfüllt und über sein Laufrad dafür sorgt, dass die Flüssigkeit entlang der Wandungen aus dem Gehäuse des Verdichters austritt.
-
Eine sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es dabei vor, dass der Austritt des Wärmetauschers über eine in das Gehäuse integrierte Verbindungsleitung mit einer Ventileinrichtung mit dem Medieneintritt in den Verdichter verbunden ist. Die integrierte Vorrichtung umfasst also eine direkte Verbindung des Wärmetauschers mit dem Medieneintritt in den Verdichter, In der dafür ausgebildeten Verbindungsleitung kann eine Ventileinrichtung, vorzugsweise das Dosierventil für das in dem Wärmetauscher erwärmte Medium, vorgesehen sein. Insbesondere kann die Dosierung so erfolgen, dass durch die Eindüsung des frischen unter Druck stehenden Mediums in den Medieneintritt ein Impulsaustausch mit einem Laufrad des Verdichters stattfindet, sodass dieser besonders energieeffizient angetrieben werden kann.
-
Der Verdichter lässt sich dabei insbesondere zur Rezirkulation von Anodenabgas und zur Vorwärmung von zur Anode strömendem Brennstoff einsetzen und kann so in einer sehr günstigen Verwendung desselben dazu beitragen, die Anodenseite eines Brennstoffzellensystems außerordentlich einfach, kompakt und hinsichtlich der Anzahl von Komponenten optimiert auszuführen.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verdichters und seiner Verwendung ergeben sich auch aus den abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
-
Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem, in welchem die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommen kann;
- 2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung aus einem für die Erfindung relevanten Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1; und
- 3 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung analog der in 2 in einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 1 dargestellt, welches in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst einen mit 4 bezeichneten Kathodenraum, welchem über eine Luftfördereinrichtung 5 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt wird. Abluft gelangt über eine mit 6 bezeichnete Abluftleitung wieder aus dem Fahrzeug 2. Die Brennstoffzelle 3 umfasst außerdem einen mit 7 bezeichneten Anodenraum. Diesem Anodenraum 7 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 zugeführt. Der Wasserstoff strömt über einen Druckminderer 9 und ein Dosierventil 10 zu dem Anodenraum 7 der Brennstoffzelle 3. Um den nach dem Entspannen abgekühlten Wasserstoff vorzuwärmen, durchströmt er außerdem einen mit 11 bezeichneten Wärmetauscher, welcher in dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 Teil einer in seiner Gesamtheit mit 12 bezeichneten integrierten Vorrichtung ist.
-
Der so vorgewärmte Wasserstoff strömt dann in den Anodenraum 7. Im Anodenraum 7 wird dieser Wasserstoff teilweise aufgebraucht. Restwasserstoff strömt zusammen mit inerten Gasen, welche in dem im Druckgasspeicher 8 befindlichen Wasserstoff vorhanden waren oder durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 7 diffundiert sind, sowie mit einem Teil des in der Brennstoffzelle entstehenden Produktwassers über eine sogenannte Rezirkulationsleitung 13 aus dem Anodenraum 7. Die Medien strömen dann durch einen mit 14 bezeichneten Wasserabscheider in einen Verdichter 15, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusammen mit dem Wärmetauscher 11 und dem Wasserabscheider 14 integriert die Vorrichtung 12 ausbildet. Der Verdichter 15 kann dabei vorzugsweise als Seitenkanalverdichter ausgebildet sein. Der Wasserstoff wird so zu dem Anodenraum 7 zurückgeführt und gelangt vermischt mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 8 zurück in den Anodenraum 7.
-
Mit der Zeit reichert sich in dem sogenannten Anodenkreislauf inertes Gas und Wasser an. Dieses wird von Zeit zu Zeit über ein Ablassventil 16 abgelassen. Dabei kann, nachdem das Wasser abgelassen ist, auch eine gewisse Menge an Gas aus dem Wasserabscheider 14 mit entweichen, sodass auch die inerten Gase abgeblasen sind. Selbstverständlich wäre es auch denkbar, zwei Abblasventile 16 einzusetzen, eins als Ablassventil für das Wasser und eins als Abblasventil für die inerten Gase. Dies ist dem Fachmann soweit geläufig.
-
In der Darstellung der 2 ist in einer schematischen Schnittdarstellung ein beispielhafter Aufbau der Vorrichtung 12 gemäß 1 zu erkennen. Sie besteht, wie bereits angesprochen, aus dem Verdichter 15, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einen elektrischen Antriebsmotor 15.1 und ein Laufrad 15.2 umfasst. Es soll als Seitenkanalverdichter ausgebildet sein. Die gesamte Vorrichtung 12 befindet sich in einem mit 17 bezeichneten Gehäuse. Über eine Eintrittsöffnung 18 strömen die Medien aus der Rezirkulationsleitung 13 in die Vorrichtung 12 ein. Sie werden über das Laufrad 15.2 entsprechend verdichtet und strömen über eine mit 19 bezeichnete Austrittsleitung ab, und zwar in den Bereich, in dem sie mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dann dem Anodenraum 7 zugeführt werden.
-
Der frische Wasserstoff strömt über eine mit 20 bezeichnete Leitung in einen mit 21 bezeichneten spiralförmigen Kanal, welcher den Wärmetauscher 11 ausbildet. Er umströmt quasi den elektrischen Antriebsmotor 15.1 des Verdichters 15 und nimmt dabei Wärme auf. Er wird nach dem Entspannen und Abkühlen in dem Druckminderer 9 also entsprechend vorgewärmt. Der vorgewärmte Wasserstoff verlässt dann über die mit 22 bezeichnete Leitung den spiralförmigen Kanal 11 bzw. den Wärmetauscher und gelangt zusammen mit dem rezirkulierten Abgas in den Anodenraum 7.
-
Die Vorrichtung 12 umfasst nun ferner ein mit 24 bezeichnetes Reservoir, welches im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft g unterhalb des Laufrades 15.2 angeordnet ist. Dieses Reservoir 24 ist mit dem hier nochmals angedeuteten Abblasventil 16 verbunden, sodass von Zeit zu Zeit Wasser und Gase über das Reservoir 24 abgelassen werden können. Der Wasserabscheider 14 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringkanalabscheider ausgeführt. Er umfasst eine Umlaufnut 25, welche über einen Ringspalt 26 mit dem Medienauslass 19 verbunden ist. Durch die Zentrifugalkräfte in dem als Seitenkanalverdichter ausgebildeten Verdichter 15 kommt es dazu, dass die Flüssigkeit an den Wandungen des Gehäuses 17 entlangströmt, während das Gas primär zentral strömt. Dadurch wird das Wasser über den Ringspalt 26 entsprechend aufgefangen und gelangt über die Umlaufnut 25 und eine Verbindungsbohrung 27 in das Reservoir 24. Das Reservoir 24 ist außerdem über eine Druckausgleichsbohrung 28 mit dem Medieneintritt 18 in den Verdichter 15 entsprechend verbunden, sodass ein Überdruck in dem Reservoir 24 ausgeglichen wird und der Druckabfall die Strömung des Wassers über den Ringabscheider in das Reservoir 24 ermöglicht bzw. erleichtert. Die Druckausgleichsbohrung 28 sollte dabei einen deutlich kleineren Durchmesser als die Verbindungsbohrung 27 aufweisen.
-
In der Darstellung der 3 ist eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 12 zu erkennen. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass der Druckminderer 9, vor allem jedoch das Dosierventil 10 in das Gehäuse 17 integriert ausgeführt sind, um den Aufbau noch kompakter zu realisieren. Die Zuleitung vom Druckgasspeicher 8 führt also in das Gehäuse 17, in welchem der Druckminderer 9 angeordnet ist. Das hinsichtlich seines Druckes reduzierte und entspannte, und somit abgekühlte Wasserstoffgas strömt dann durch den Wärmetauscher 11 in Form des spiralförmigen Kanals 21 und dann wiederrum innerhalb des Gehäuses 17 über eine Verbindungsleitung 29 in den Medieneintritt 18 des Verdichters 15. Insbesondere kann die Einströmung von der Verbindungsleitung 29 in den Medieneintritt 18 so realisiert sein, dass der Impuls des kontinuierlich oder pulsierend zudosierten Wasserstoffs den Antrieb des Laufrades 15.2 des Verdichters 15 entsprechend unterstützt. In der Verbindungsleitung 29 ist dabei, vorzugsweise ebenfalls in das Gehäuse 17 integriert, eine Ventileinrichtung angeordnet. Diese Ventileinrichtung ist hier entsprechend mit 10 bezeichnet und soll gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung das hier mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Dosierventil für den Wasserstoff darstellen. Dieser wird über das Dosierventil 10 kontinuierlich oder pulsierend in den Medieneintritt 18 dosiert. All dies findet innerhalb der integrierten Vorrichtung 12 außerordentlich platzsparend und hinsichtlich der notwendigen Schnittstellen effizient statt.
-
Ferner können im Bereich des Ringspalts 26 des Ringabschalters Rippen 30 zur Führung der Flüssigkeit in den Ringspalt 26 angeordnet sein. Diese sind rein beispielhaft in der Darstellung der 3 eingezeichnet.Sie könnten auch in beliebiger anderer Position angeordnet sein und können selbstverständlich ebenso bei der Ausführungsvariante gemäß 2 zum Einsatz kommen. Auch ist es denkbar auf diese optionalen Rippen 30 bei der Ausführungsvariante gemäß 3 gänzlich zu verzichten.
-
Alles in allem kann über diese integrierte Vorrichtung 12 nun ein sehr einfacher und kompakter Aufbau realisiert werden, welcher mehrere Funktionalitäten bei der Zufuhr und Rückführung des Brennstoffs in den Anodenraum 7 in einem einzigen Bauteil realisiert, sodass der Bedarf an Schnittstellen, Bauraum und Gewicht entsprechend minimiert werden kann.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007033203 A1 [0002, 0006]
- DE 102010011556 A1 [0003]
