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Die Erfindung betrifft eine Verdichtungseinheit, insbesondere eine einstufige Verdichtungseinheit, zur Befeuchtung und Förderung eines Gases, insbesondere zur Befeuchtung und Förderung eines Gases an eine Brennstoffzelle, mit einer Flüssigkeitszufuhr, mit einer Antriebswelle, und mit mindestens einem mit der Antriebswelle zumindest mittelbar drehfest verbundenen Laufradflügel.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem.
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Das Gas, insbesondere das Kathodengas sollte vor dem Einleiten in den Brennstoffzellenstapel befeuchtet werden, um die Leitfähigkeit der Membran der Brennstoffzelle sicherzustellen. Hierfür kann unter anderem eine Verdichtungseinheit verwendet werden. Dabei dient die Einspritzung von Flüssigkeit, insbesondere von Wasser in die Verdichtungseinheit nicht nur der Befeuchtung des durch die Verdichtungseinheit angesaugten Kathodengases, sondern auch der Kühlung der Verdichtungseinheit, die wiederum den Wirkungsgrad der Verdichtungseinheit vergrößert. Bei einstufigen Verdichtungseinheiten kann ein Einspritzen von Flüssigkeit auf einer Saugseite der Verdichtungseinheit zu einer Beschädigung des Laufradflügels führen, aufgrund des Tropfenschlags des eingespritzten Wassers. Darüber hinaus muss die eingeleitete Flüssigkeit, die der Befeuchtung des Gases, insbesondere des Kathodengases dient, vollständig verdampfen. Dies wird üblicherweise erreicht, indem die Flüssigkeit unter einem hohen Druck mittels einer Düse zerstäubt wird. Diese zusätzliche Düse benötigt Energie und erhöht das Gewicht der Brennstoffzelle.
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Die
FR 2863106 B1 offenbart einen Verdichter für ein Brennstoffzellensystem mit Lagern, die mittels Wasser geschmiert werden, wobei ein Leckstrom vorgesehen ist, durch den die Kompressorluft befeuchtet und der Verdichter gekühlt wird.
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Weiterhin ist die
DE 10 2011 119 133 B4 bekannt, die einen Dampf-Turbinenkreisprozess offenbart, wobei die Turbinenschaufeln durch Benetzen mit Wasser gekühlt werden.
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Darüber hinaus ist die
FR 2836284 bekannt, in dem Wasser mittels einer Düse in das Innere des Gehäuses des Verdichters eingeführt wird, um mittels der Einspritzdüse zerstäubt zu werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdichtungseinheit und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem das Gas effizient gefördert bzw. komprimiert und befeuchtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verdichtungseinheit mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellensystem mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Verdichtungseinheit zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Antriebswelle zumindest abschnittsweise als eine Hohlwelle geformt ist, in welche die Flüssigkeitszufuhr mündet, und dass eine Wandung der Hohlwelle zumindest in Teilbereichen derart flüssigkeitsdurchlässig ist, dass eine durch die Flüssigkeitszufuhr bereitgestellte Flüssigkeit mittels der rotierenden Hohlwelle und/oder mittels des rotierenden Laufradflügels in das Gas zerstäubt wird. Dies ermöglicht einen kompakten Aufbau der Verdichtungseinheit und nutzt den ohnehin bereits vorhandenen Aufbau der Verdichtungseinheit aus Antriebswelle und Laufradflügel, um die Flüssigkeit, insbesondere Wasser, zu zerstäuben. Dadurch kann auf die zusätzliche Zerstäuberdüse oder eine zusätzliche Düse hinter der Verdichtungseinheit verzichtet werden.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der Laufradflügel an einer Hülse eines drehfest mit der Antriebswelle verbundenen Laufrads befestigt ist, wobei die Hülse ihrerseits zumindest in Teilbereichen flüssigkeitsdurchlässig ist. Weiterhin ist es möglich, dass eine Mehrzahl von Laufrädern mit der Antriebswelle drehfest verbunden sind und ihre Hülsen zumindest in Teilbereichen flüssigkeitsdurchlässig sind.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere vorgesehen, dass mindestens ein Kanal zur Durchleitung der Flüssigkeit sich radial bezüglich der Rotationsachse der Hohlwelle erstreckt. Mittels des mindestens einen Kanals wird die in die Hohlwelle eingeleitete Flüssigkeit zu den rotierenden Laufradflügeln geführt. Dabei ist es vorgesehen, dass mindestens ein Kanal umfangseitig zwischen zwei der Laufradflügel angeordnet ist.
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Um die Effizienz der Kühlung und der Befeuchtung zu erhöhen, ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der Kanal mehrfach vorhanden ist. Dabei kann der Kanal entweder radial mehrfach vorhanden sein oder axial beispielsweise gestaffelt, mehrfach vorhanden sein.
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Insbesondere ist es von Vorteil, wenn die Flüssigkeitszufuhr durch eine in die Hohlwelle ragende Lanze gebildet ist, die mit mindestens einer Öffnung zur Abgabe der Flüssigkeit in die Hohlwelle versehen ist. Hierdurch lässt sich eine gewünschte, insbesondere dosierte Einbringung der Flüssigkeit in die Hohlwelle erzielen.
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Um einen möglichst kompakten Aufbau der Verdichtungseinheit zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn eine Luftansaugleitung vorhanden ist, und wenn die Lanze und die Hohlwelle koaxial bezüglich der Luftansaugleitung orientiert sind. Die Lanze befindet sich dann in vorteilhafter Weise innerhalb der Luftansaugleitung.
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In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn ein Gehäuse vorhanden ist, in welches ein radial bezüglich der Luftansaugleitung mündender Abschnitt der Flüssigkeitszufuhr vorhanden ist, die in die koaxial bezüglich die in der Luftansaugleitung orientierte Lanze übergeht, welche innerhalb der Hohlwelle mündet.
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Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es einen mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel umfasst, dem kathodenseitig mittels der zuvor beschriebenen Verdichtungseinheit ein Kathodengas und anodenseitig ein Anodengas zuführbar ist. Um eine möglichst effiziente Befeuchtung des Gases und/oder Kühlung der Verdichtungseinheit zu ermöglichen, ist es insbesondere von Vorteil, wenn anodenaustrittseitig ein Abscheider angeordnet ist, der mit der kathodenseitig angeordneten Flüssigkeitszufuhr fluidmechanisch verbunden ist. Dadurch wird das anodenseitig anfallende Wasser mittels der Flüssigkeitszufuhr in die Verdichtungseinheit eingespeist und so für die Befeuchtung des Gases bzw. des Kathodengases und oder zu Kühlung der Verdichtungseinheit verwendet. Tritt anodenseitig ein Überdruck der Flüssigkeit auf, oder wird ein solcher erzeugt, wird diese kathodenseitig in die Flüssigkeitszufuhr transportiert und dort zur Kühlung und Befeuchtung genutzt.
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In diesem Zusammenhang ist es auch vorteilhaft, wenn kathodenaustrittsseitig ein Abscheider in einer Kathodenabfuhrleitung vorhanden ist, und dass der Abscheider mit der Flüssigkeitszufuhr mittelbar oder unmittelbar verbunden ist. Dies ermöglicht auch das kathodenseitig anfallende Wasser zur Befeuchtung und Kühlung in die Verdichtungseinheit einzuspeisen.
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Alternativ oder zusätzlich kann der kathodenseitig angeordnete Abscheider auch mit einem Befeuchter fluidverbunden sein, der stromab der Verdichtungseinheit mit einer Kathodenzufuhrleitung fluidmechanisch verbunden ist. Der Befeuchter ist weiterhin mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, so dass die im Brennstoffzellenstapel erzeugte Flüssigkeit in den Befeuchter und/oder in die Verdichtungseinheit eingespeist werden kann. Dies ermöglicht eine kleiner Auslegung des Befeuchters mit geringeren Abmessungen.
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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 einen Längsschnitt der Verdichtungseinheit, und
- 2 ein Brennstoffzellensystem mit einer Verdichtungseinheit.
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1 zeigt einen Längsschnitt einer einstufigen Verdichtungseinheit 1 zur Befeuchtung und Förderung eines Gases, insbesondere eines Kathodengases, an eine Brennstoffzelle. Die Verdichtungseinheit 1 umfasst eine Flüssigkeitszufuhr 2 und eine Antriebswelle 3, wobei die Antriebswelle 3 drehfest mit mindestens einem Laufrad 7 verbunden ist. Das Laufrad 7 weist eine Hülse 6 auf, an der mindestens einen Laufradflügel 4 befestigt ist. Vorliegend sind mehrere der Laufradflügel 4 an der Hülse 6 festgelegt; insbesondere über den Umfang der Hülse 6 gleichverteilt. Die Antriebswelle 3 ist abschnittsweise als eine Hohlwelle 5 geformt, in welchen die Flüssigkeitszufuhr 2 geleitet ist und mündet. Die Hohlwelle 5 und die Hülse 6 des Laufrads 7 sind in Teilbereichen flüssigkeitsdurchlässig. Dies ermöglicht, dass eine durch die Flüssigkeitszufuhr 2 bereitgestellte Flüssigkeit, insbesondere Wasser, mittels der rotierenden Hohlwelle 5 und/oder mittels des rotierenden Laufradflügels 4 des Laufrads 7 in das über eine Luftansaugleitung 11 angesaugte Gas, insbesondere Kathodengas, zerstäubt wird.
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Die Flüssigkeitszufuhr 2 ist dabei als eine in die Hohlwelle 5 ragende Lanze 9 gebildet, die mit mindestens einer Öffnung 10 zur Abgabe der Flüssigkeit in die Hohlwelle 5 versehen ist. Radial in der Hohlwelle 5 und in der Hülse 6 sind mehrere Kanäle 8 ausgebildet, durch die aus den Öffnungen 10 der Lanze 9 austretende Flüssigkeit zu den Laufradflügeln 4 geführt wird. Die Luftansaugleitung 11 ist koaxial zu der Hohlwelle 5 und zu der Lanze 9 orientiert. Weiterhin ist ein Gehäuse 12 vorhanden, in welches ein radial bezüglich der Luftansaugleitung 11 mündender Abschnitt der Flüssigkeitszufuhr 2 vorhanden ist, die in die koaxial bezüglich der Luftansaugleitung 11 orientierte Lanze 9 übergeht, welche innerhalb der Hohlwelle 5 mündet.
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Folglich wird mittels der Verdichtungseinheit 1 ein Kathodengas, vornehmlich Luft, über die Luftansaugleitung 11 in die Verdichtungseinheit 1 gesaugt. Über die Flüssigkeitszufuhr 2 wird eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in die Lanze 9 gedrückt und in das Gas zerstäubt. Die Rotationsgeschwindigkeit der Antriebswelle 3 bzw. des Laufrads 7 legt dabei die Tröpfchengröße der zerstäubten Flüssigkeit fest und beeinflusst so den Befeuchtungsgrad des Gases. Gleichzeitig wird durch die Flüssigkeitszufuhr 2 die Verdichtungseinheit 1 gekühlt, sodass der Wirkungsgrad der Verdichtung erhöht wird.
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2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 13 mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel 14 dem kathodenseitig mittels der zuvor beschriebenen Verdichtungseinheit 1 Kathodengas zugeführt wird. Anodenseitig wird Brennstoff von einem Brennstoffspeicher 17 über einen Wärmeübertrager 18, vorzugsweise in Form eines Rekuperators, in eine Anodenzufuhrleitung 20 geleitet. Weiterhin ist anodenaustrittseitig eine Anodenrezirkulationsleitung 21 vorhanden. Hierbei wird der Anodenrezirkulationsleitung 21 vorzugsweise ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 21 eingekoppelt. Weiterhin ist zu Zufuhr des Brennstoffs in der Anodenzufuhrleitung 20 ein Brennstoffstellglied vorgesehen. Dieses Brennstoffstellglied ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Weiterhin ist im Anodenkreislauf vorliegend ein Abscheider 15, vorzugsweise ein Wasserabscheider angeordnet, durch den anodenseitig anfallende Flüssigkeit angesammelt werden kann. Der Abfluss des Abscheiders 15 ist mittels einer Flüssigkeitsleitung 23 mit der Flüssigkeitszufuhr 2 der Verdichtungseinheit 1 verbunden. Dies ermöglicht die anodenseitig erzeugte Flüssigkeit zu verwenden, um sie kathodenseitig für eine Befeuchtung oder Kühlung des Kathodengases bzw. der Verdichtungseinheit 1 zu verwenden. Kathodenaustrittseitig kann optional ebenfalls ein Abscheider 16 angeordnet sein, dessen Abfluss fluidmechanisch mit der Flüssigkeitsleitung 23 verbunden ist. Weiterhin kann eine Bypassleitung 22 vorgesehen sein, die von der Kathodenzufuhrleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 19 führt. Auf diese Weise ist es möglich, das in dem Brennstoffzellenstapel 14 erzeugte Produktwasser anodenseitig und/oder kathodenseitig der Verdichtungseinheit 1 wieder zuzuführen, um diese zu kühlen und/oder um das Kathodengas zu befeuchten.
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Optional kann das Brennstoffzellensystem 13 noch zusätzlich ein Befeuchtungssystem beispielsweise einen Befeuchter aufweisen, der kathodenseitig mit der Kathodenzufuhrleitung 22 und der Kathodenabgasleitung 19 fluidmechanisch verbunden und der Verdichtungseinheit 1 nachgeschaltet ist, und der der zusätzlichen Befeuchtung des Kathodengases dient. Aufgrund der Befeuchtung des Gases mittels der Verdichtungseinheit 1 kann ein solcher Befeuchter mit geringeren Abmessungen mithin kleiner ausgelegt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichtungseinheit
- 2
- Flüssigkeitszufuhr
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Laufradflügel
- 5
- Hohlwelle
- 6
- Hülse
- 7
- Laufrad
- 8
- Kanal
- 9
- Lanze
- 10
- Öffnung der Lanze
- 11
- Luftansaugleitung
- 12
- Gehäuse
- 13
- Brennstoffzellensystem
- 14
- Brennstoffzellenstapel
- 15
- Abscheider (Anode)
- 16
- Abscheider (Kathode)
- 17
- Brennstoffspeicher
- 18
- Wärmeübertrager
- 19
- Kathodenabgasleitung
- 20
- Anodenzufuhrleitung
- 21
- Anodenrezirkulationsleitung
- 22
- Bypassleitung
- 23
- Flüssigkeitsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2863106 B1 [0003]
- DE 102011119133 B4 [0004]
- FR 2836284 [0005]
