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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit Zyklonabscheider und Kühleinrichtung für ein Kraftfahrzeug..
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Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen kommen neben rein batteriebasierten Kraftfahrzeugen auch Kraftfahrzeuge mit Brennstoffzellen zum Einsatz. Bei der Brennstoffzelle handelt es sich um eine galvanische Zelle, in der aufgrund einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff und einem Oxidationsmittel elektrische Energie gewonnen wird. Im Kraftfahrzeugbereich wird als Brennstoff vorzugsweise Wasserstoff eingesetzt. Als Oxidationsmittel dient Luftsauerstoff. Die Brennstoffzelle besteht im Wesentlichen aus zwei Elektroden (Anode und Kathode), welche durch einen, beispielsweise als eine semipermeable Membran ausgebildeten Festelektrolyten voneinander getrennt sind. Die beiden Reaktionspartner, Brennstoff und Oxidationsmittel, werden den Elektroden kontinuierlich zugeführt. Der Festelektrolyt ist dabei nur für bei der Reaktion freigesetzten Ionensorte, z. B. Protonen, durchlässig. Bei der Reaktion zwischen dem Oxidationsmittel und dem Brennstoff wird elektrische Energie freigesetzt, welche zum Betrieb der Elektromotoren des Kraftfahrzeugs verwendet wird. Im Fall vom Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel entsteht auf Seiten der Kathode Wasser als Reaktionsprodukt. Im Laufe des Betriebs der Brennstoffzelle diffundieren nach und nach Stickstoff (als Hauptbestandteil von Luft) und Wasser von der Kathode über den Festelektrolyten zur Anode der Brennstoffzelle. Dies ist unerwünscht, denn Stickstoff und Wasser blockieren die Kanäle der Wasserstoffversorgung und vermindern die gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs innerhalb der Anode, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ beeinträchtigt. Zur Verminderung dieses negativen Effekts wird der gesamte Anodenraum gespült, wobei die darin enthaltenen Substanzen rezirkuliert werden. Dies kann beispielsweise durch einen Rezirkulationspfad mit einem integrierten Gasgebläse realisiert werden. Die Substanzen, hauptsächlich Wasserstoff, Wasser und Stickstoff, werden dabei aus der Anode gespült und dieser zusammen mit frischem Wasserstoff wieder zugeführt. Durch diese Maßnahme kann zwar die Verblockung der Anode und des Festelektrolyts entgegengewirkt werden, jedoch steigt nach und nach der Anteil an Stickstoff und Wasser im Bereich der Anode. Langfristig leidet darunter der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche sich auch langfristig durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch die Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Anspruch 1 weist eine Brennstoffzelle auf, mit einer Anodeneinrichtung, einer Kathodeneinrichtung und mit einer Elektrolyteinrichtung, welche die Anodeneinrichtung und die Kathodeneinrichtung voneinander trennt. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist ferner eine Brennstoffversorgungseinrichtung auf, welche mit einem Eingang der Anodeneinrichtung gekoppelt ist, um diese mit Brennstoff zu versorgen. Zur Brennstoffzellenvorrichtung gehört ferner eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung, welche mit der Kathodeneinrichtung gekoppelt ist, um diese mit Oxidationsmittel zu versorgen. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist ferner eine Rezirkulationsvorrichtung auf, welche einen Ausgang der Anodeneinrichtung mit deren Eingang verbindet und dazu ausgebildet ist, in der Anodeneinrichtung enthaltene Substanzen über den Ausgang abzuführen und der Anodeneinrichtung über deren Eingang zumindest teilweise wieder zuzuführen. Die Rezirkulationsvorrichtung weist dabei eine Trennvorrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, das von der Anodeneinrichtung abgeführte Substanzengemisch in eine Fraktion mit höherem Brennstoffanteil und zumindest eine weitere Fraktion mit geringerem Brennstoffanteil aufzuteilen und der Anodeneinrichtung nur die Fraktion mit dem höheren Brennstoffanteil wieder zuzuführen. Die Trennvorrichtung ist als Zyklonabscheider ausgebildet ist, welcher eine Kühleinrichtung zur Kühlung der in den Zyklonabscheider einströmenden Substanzen aufweist.
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Dadurch, dass der Anodeneinrichtung nur die Fraktion mit höherem Brennstoffanteil zugeführt wird, kann die Konzentration an Brennstoff in der Anodenvorrichtung trotz der Rezirkulation auch über eine längere Betriebszeit der Brennstoffzelle hochgehalten werden. Die zumindest eine weitere Fraktion mit geringerem Brennstoffanteil enthält überwiegend andere Substanzen, wie beispielsweise Stickstoff und Wasser. Diese weitere Fraktion wird der Brennstoffzelle nicht wieder zugeführt, sondern wird aus dem Zyklonabscheider separat abgeführt. Durch die Kühleinrichtung werden die in dem Zyklonabscheider einströmenden Substanzen zusätzlich gekühlt, was insbesondere die Kondensation von Substanzen mit hohem Taupunkt, wie z.B. Wasser, begünstigt. Auf diese Weise kann der Anteil dieser Substanzen (z.B. Wasser) in der Fraktion mit hohem Brennstoffanteil noch weiter reduziert werden, da der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) in der Regel gasförmig verbleibt. Ferner ist die Entsorgung des Wasseranteils aus dem Zyklonabscheider deutlich einfacher. Darüber hinaus ist kann das kondensierte Wasser einfacher und selektiv aus dem Zyklonabscheider abgeführt werden.
Die Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich auch nach längerem Betrieb durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Durch den Zyklonabscheider kann die Konzentration des rückgeführten Brennstoffes deutlich erhöht werden. Gleichzeitig wird der Anteil der anderen, störenden Substanzen im rückgeführten Gas deutlich reduziert. Zyklonabscheider stellt dabei eine äußerst robuste, und kostengünstige Ausführung der Trennvorrichtung dar. Ferner ermöglicht die Kühleinrichtung eine weitere Aufkonzentrierung des Brennstoffs im rückgeführten Gas, wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle weiter erhöht wird. Ferner ermöglicht die Kühlvorrichtung eine einfachere und selektivere Abführung von Substanzen aus dem Zyklonabscheider.
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In einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2 weist der Zyklonabscheider ein Gehäuse auf, welches einen Hohlraum begrenzt. Dabei weist das Gehäuse einen Einlaufabschnitt, einen konisch geformten Trennabschnitt, einen Sammelabschnitt und ein am Einlaufabschnitt angeordnetes Tauchrohr auf.
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Der Einlaufabschnitt ist dabei mit dem Ausgang der Anodeneinrichtung fluidisch verbunden. Das Tauchrohr ragt mit einem Ende in den Hohlraum des Zyklonabscheiders hinein und ist mit dem anderen Ende mit dem Eingang der Anodeneinrichtung fluidisch verbunden.
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Der vorzugsweise kreiszylindrisch geformte Einlaufabschnitt bildet den Kopf des Zyklonabscheiders. Der Einlaufabschnitt weist einen Einlaufkanal auf, welcher fluidisch mit dem Ausgang der Anodenvorrichtung verbunden ist. Der Einlaufkanal ist vorzugsweise so angeordnet, dass die aus der Anodeneinrichtung abgeführten Substanzen mit hoher Strömungsgeschwindigkeit tangential in dem Einlassabschnitt einströmen. Der unmittelbar an den Einlassabschnitt angrenzende Trennabschnitt ist konisch geformt. Die in den Zyklonabscheider einströmenden Substanzen werden aufgrund der tangentialen Einleitung im Einlassabschnitt in eine Kreisbahn gezwungen, wodurch auf die Substanzen eine Fliehkraft wirkt, welch umso größer ist, je höher die Molekülmasse der jeweiligen Substanz ist. Aufgrund der konischen Form des Trennabschnitts nimmt diese radiale Beschleunigung immer weiter zu, wodurch es aufgrund der Fliehkraftwirkung und der entstehenden Druckverhältnisse im Zyklonabscheider zu einer gewissen Auftrennung des zugeführten Substanzengemischs in einzelne Fraktionen mit unterschiedlicher Zusammensetzung kommt. Gemäß dem Wirkprinzip des Zyklonabscheiders verlässt die Substanz mit der geringsten Molekularmasse den Zyklonabscheider überwiegend über das Tauchrohr. Substanzen mit vergleichsweise hohem Molekulargewicht lagern sich bevorzugt im Sammelabschnitt des Zyklonabscheiders ab. Im Falle, dass Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird, weist die über das Tauchrohr zur Anodeneinrichtung rückgeführte Fraktion ein wesentlich höhere Wasserstoff-Konzentration auf als das aus der Anodeneinrichtung abgeführte Substanzengemisch und als die Fraktion, die im Sammelbereich zurückbleibt. Bei Verwendung von Luftsauerstoff als Oxidationsmittel sammelt sich vor allem Wasser und zu einem Teil auch Stickstoff im Sammelabschnitt des Zyklonabscheiders ab. Diese Fraktion wird der Brennstoffzelle nicht mehr zugeführt und wird separat aus dem Zyklonabscheider abgeführt.
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In einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 3 weist die Kühleinrichtung zumindest ein Peltierelement auf.
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In einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 4 ist das zumindest ein Peltierelement am Einlaufbereich des Gehäuses angeordnet.
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Peltierelemente zeichnen sich durch eine sehr kompakte Bauweise und ein geringes Gewicht aus. Ferner müssen Peltierelemente nicht mit Wärmeträgerfluiden versorgt werden. Der Stromverbrauch von Peltierelementen ist relativ gering und kann beispielsweise durch eine Batterie des Kraftfahrzeugs oder durch den von der Brennstoffzelle erzeugten Strom gedeckt werden. Durch die Anordnung des Peltierelements am Einlaufbereich des Gehäuses kommt es zu einer Abkühlung der Substanzen unmittelbar nach dem Einströmen in den Zyklonabscheider. Auf diese Weise kann ein sehr wirksamer Kühleffekt erzielt werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5 weist die Kühleinrichtung zumindest einen Kühlkanal auf, welcher bei Betrieb der Kühleinrichtung von einer Kühlfluid durchströmt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 6 umgibt der Kühlkanal das Gehäuse zumindest am Trennabschnitt spiralförmig.
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Fluidkühlung ermöglicht eine sehr wirksame Kühlung. Vorteilhafterweise umschlingt der Kühlkanal das Gehäuse am Trennabschnitt. Durch die Wicklung kann eine große Wärmeübertragungsfläche erzielt werden. Der Kühlkanal steht in wärmeleitenden Kontakt mit dem metallischen Gehäuse des Zyklonabscheiders. Gemäß dem Wirkprinzip es Zyklonabscheiders befinden sich im Trennabschnitt die Substanzen mit einer größeren Molekülmasse näher an der Gehäusewand. Dadurch kann eine sehr gezielte Kühlung, insbesondere des Wassers, erreicht werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 7 ist der Kühlkanal mit einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs verbunden und wird bei Betrieb von dieser mit Kühlfluid versorgt.
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Auf diese Weise muss für die Kühlvorrichtung kein eigener Kühlkreislauf im Kraftfahrzeug vorgesehen werden. Dadurch können die Kosten reduziert werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 8 weist die Kühlvorrichtung zumindest eine Kühlrippe und/oder einen elektrisch betriebenen Ventilator zur besseren Abfuhr der Wärme auf.
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In einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 9 ist im Hohlraum des Zyklonabscheiders ein Kondensationskörper mit einer Gitterstruktur oder einer Schaumstruktur angeordnet, welcher bei Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung von den Substanzen durchströmt wird.
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Der Kondensationskörper ist vorzugsweise am Einlaufabschnitt angeordnet und steht mit dem Gehäuse des Zyklonabscheiders in wärmeleitenden Kontakt. Der Kondensationskörper ist aus einem sehr gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Metall, gebildet. Die in den Zyklonabscheider einströmenden Substanzen durchströmen den Kondensationskörper, wodurch es zu einer Abkühlung der Substanzen kommt. In Verbindung mit der Kühlvorrichtung kann die Kühlwirkung weiter gesteigert werden.
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In einer Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 10 ist am Sammelabschnitt eine Ablassöffnung mit einem Ablassventil angeordnet, um die im Sammelabschnitt angesammelten Substanzen aus dem Zyklonabscheider abzuleiten.
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Das Ablassventil ist vorzugsweise elektrisch betätigt und kann so von einer der Brennstoffzellenvorrichtung zugeordneten Steuereinrichtung gezielt geöffnet und geschlossen werden. Die im Sammelabschnitt befindlichen Substanzen sind zumindest teilweise in einem flüssigen Aggregatzustand, was die Ableitung erheblich vereinfacht.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert. In den Figuren sind:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennstoffzellenvorrichtung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Zyklonabscheiders der Brennstoffzellenvorrichtung.
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In 1 ist ein Kraftfahrzeug 1 mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 2 schematisch dargestellt. Kernstück der Brennstoffzellenvorrichtung 2 ist die eigentliche Brennstoffzelle 3, welche an galvanische Zelle fungiert. Die Brennstoffzelle 3 weist eine Anodeneinrichtung 4 und eine Kathodeneinrichtung 5 auf, die durch eine Elektrolyteinrichtung 6 (Ionenleiter) voneinander getrennt sind. Die Elektrolyteinrichtung 6 ist im Ausführungsbeispiel als Polymerelektrolytmembran ausgebildet, welche nur für Protonen, nicht jedoch für Elektronen durchlässig ist. Alternativ können auch bestimmte Keramiken oder andere Festelektrolyten eingesetzt werden. Die Anodeneinrichtung 4 und die Kathodeneinrichtung 5 weisen Elektrodenplatten bzw. Bipolarplatten auf (nicht dargestellt), welche vorzugsweise aus Metall oder Kohlenstoff gefertigt sind und mit einem Katalysator, wie beispielsweise Platin oder Palladium beschichtet sind.
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Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählen ferner eine Brennstoffversorgungseinrichtung 7, welche mit einem Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 gekoppelt ist, um diese mit Brennstoff zu versorgen. Die Brennstoffversorgungseinrichtung 7 weist einen Brennstofftank 9 auf, in dem der Brennstoff gelagert ist. Im Ausführungsbeispiel dient als Brennstoff Wasserstoff, welcher in flüssiger oder gasförmiger Form unter sehr hohen Druck (z.B. 350 bar bis 700 bar) Brennstofftank 9 gelagert ist. Der Brennstofftank 9 ist über eine Versorgungsleitung 10 mit dem Eingang 8 der Anodenvorrichtung 4 verbunden. Stromabwärts (Pfeil) des Brennstofftanks 9 sind in der Versorgungsleitung 10 hintereinander ein Absperrventil 11 und ein Druckminderer 12 angeordnet. Der Druckminderer reduziert den Gasdruck auf ca. 10 bar bis 30 bar. Weiter stromabwärts in der Versorgungsleitung 10 ist ein elektrisch betätigtes Dosierventil 13 vorgesehen, mittels dem eine gezielte Dosierung des Wasserstoffs in die Anodeneinrichtung 4 möglich ist. Die Steuerung des Dosierventils 13 erfolgt dabei durch eine der Brennstoffzellenvorrichtung 2 zugeordnete Steuervorrichtung 14, welche mit dem Dosierventil 13 elektrisch verbunden ist. Zwischen dem Dosierventil 14 und der Anodeneinrichtung 4 ist ferner ein Drucksensor 15 angeordnet, der mit der Steuervorrichtung 14 verbunden ist und dieser den Wasserstoffdruckwert am Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 bereitstellt. Der Druck innerhalb der Anodeneinrichtung 4 bewegt sich beim Betrieb der Brennstoffzelle 3 im Bereich zwischen 0,8 bar und 4 bar.
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Zur Brennstoffzellenvorrichtung 2 zählt weiterhin eine Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16, welche mit der Kathodeneinrichtung 5 gekoppelt ist, um diese mit Oxidationsmittel zu versorgen. Im Ausführungsbeispiel dient Luftsauerstoff als Oxidationsmittel, welcher der Kathodeneinrichtung durch die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16 zugeführt wird. Um sicherzustellen, dass der Sauerstoffdruck in der Kathodeneinrichtung 5 ausreichend hoch ist, weist die Oxidationsmittelversorgungseinrichtung 16 einen weiteren Drucksensor 17 auf, welcher der Steuervorrichtung 14 den Sauerstoffdruck bzw. den Luftdruck am Eingang der Kathodeneinrichtung 5 liefert.
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Der Wasserstoff auf Seiten der Anodeneinrichtung 4 reagiert mit dem Luftsauerstoff auf Seiten der Kathodeneinrichtung 5 unter Bildung von Wasser, wobei es zwischen der Anodeneinrichtung 4 und der Kathodeneinrichtung 5 zu einem Gleichstromfluss kommt. Der Gleichstrom kann zum Betrieb eines elektrischen Antriebsmotors (nicht dargestellt des Kraftfahrzeugs 1 verwendet werden. Das gebildete Wasser wird zusammen mit den anderen Luftkomponenten (hauptsächlich Stickstoff) größtenteils über eine Entsorgungsleitung 18 am Ausgang der Kathodeneinrichtung 5 entsorgt.
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Mit der Zeit diffundieren Teile des Stickstoffs und Wasser von der Kathodeneinrichtung 5 durch die Polymerelektrolytmembran 6 zur Anodeneinrichtung 4. Die Diffusion dieser beiden Substanzen ist jedoch unerwünscht, da diese Substanzen die Versorgungskanäle für den Wasserstoff blockieren und ferner eine gleichmäßige Verteilung des Wasserstoffs über die gesamte Membranfläche verhindern. Um diesem Problem zu begegnen, werden die in der Anodeneinrichtung 4 enthaltenen Substanzen, im Ausführungsbeispiel Wasserstoff, Stickstoff und Wasser, rezirkuliert. Dazu umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 2 eine Rezirkulationsvorrichtung 19, welche einen Ausgang 20 der Anodeneinrichtung 4 mit deren Eingang 8 fluidisch verbindet. Mittels der Rezirkulationsvorrichtung 19 werden die in der Anodeneinrichtung 4 enthaltenen Substanzen über den Ausgang 20 abgeführt und der Anodeneinrichtung 4 über deren Eingang 8 zumindest teilweise wieder zugeführt.
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Die Rezirkulationsvorrichtung 19 weist ein Gasgebläse 21 auf, welches die Substanzen über den Ausgang 20 aus der Anodeneinrichtung 4 saugt und über den Eingang 8 wieder der Anodeneinrichtung zuführt. Langfristig würde durch eine solche, einfache Rezirkulation die Konzentration an Wasserstoff in der Anodeneinrichtung 4 stetig abnehmen und die Konzentration von Stickstoff und Wasser stetig zunehmen, was sich negativ auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 3 auswirken würde. Aus diesem Grund weist die Rezirkulationsvorrichtung 19 eine Trennvorrichtung 22 auf, welche dazu ausgebildet ist, die abgeführten Substanzen in eine Fraktion mit höherem Brennstoffanteil und zumindest eine weitere Fraktion geringerem Brennstoffanteil aufzuteilen und der Anodeneinrichtung 4 nur die Fraktion mit dem höheren Brennstoffanteil wieder zuzuführen. Die Trennvorrichtung 22 ist im Ausführungsbeispiel als Zyklonabscheider ausgebildet welcher eine Kühleinrichtung 100 zur Kühlung der in den Zyklonabscheider 22 einströmenden Substanzen aufweist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Zyklonabscheiders 22 wird nun mit Bezug auf 2 näher erläutert, in der der Zyklonabscheider 22 vergrößert dargestellt ist. Der Zyklonabscheider 22 ist in der Brennstoffzellenvorrichtung 2 derart angeordnet, dass er die in 2 dargestellte Orientierung relativ zur Richtung der Gewichtskraft G einnimmt, welche in 2 durch einen Pfeil G dargestellt ist. Der Zyklonabscheider 22 weist ein vorzugsweise metallisches Gehäuse 23 auf, welches einen Hohlraum 24 begrenzt. Am Zyklonabscheider 22 können im Wesentlichen drei Abschnitte unterschieden werden: Einen Einlaufabschnitt 25, welcher sich am Kopf des Zyklonabscheiders 22 befindet, einen konisch geformten Trennabschnitt 26, welcher sich unmittelbar an dem Einlaufabschnitt anschließt, sowie einen Sammelabschnitt 27, welcher sich am Boden des Zyklonabscheiders 22 befindet. Im Ausführungsbeispiel ist auch der Sammelabschnitt 27 konisch geformt und erstreckt sich in Verlängerung des Trennabschnitts 26. Die Übergänge zwischen Einlaufabschnitt 25, Trennabschnitt 26 und Sammelabschnitt 27 sind in 2 durch gestrichelte Linien gekennzeichnet.
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Der Zyklonabscheider 22 weist ferner ein Zulaufrohr 28 auf, welches mit einem Ende tangential in den zylinderförmigen Einlaufabschnitt 25 hineinragt und mit dem gegenüberliegenden Ende mit dem Ausgang 20 der Anodeneinrichtung 4 fluidisch gekoppelt ist (siehe 1). Am Sammelabschnitt 27 weist der Zyklonabscheider 22 eine Ablassöffnung 29 mit einem Ablassventil 30 auf. Das Ablassventil 30 ist vorzugsweise elektrisch betätigt und mit der Steuervorrichtung 14 (siehe 1) verbunden, sodass diese das Ablassventil 30 wahlweise öffnen oder schließen kann.
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Ferner weist der Zyklonabscheider 22 ein Tauchrohr 31 auf, welches mit einem Ende axial von oben in den Hohlraum 24 des Zyklonabscheiders 22 bis in den Trennabschnitt 26 hineinragt. Mit einem anderen Ende ist das Tauchrohr 31 mit dem Eingang 8 der Anodeneinrichtung 4 fluidisch gekoppelt (siehe 1).
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Wird bei Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 2 das Gasgebläse 21 der Rezirkulationsvorrichtung 19 aktiviert, so führt dies dazu, dass die in der Anodeneinrichtung 4 befindlichen Substanzen, im Ausführungsbeispiel hauptsächlich Sauerstoff, Stickstoff und Wasser, über den Ausgang 20 aus der Anodeneinrichtung 4 abgeführt und über das Zulaufrohr 28 dem Zyklonabscheider 22 zugeführt wird. Dabei strömen die im Wesentlichen gasförmigen Substanzen mit hoher Geschwindigkeit tangential in den zylinderförmigen Einlassabschnitt 25 des Zyklonabscheiders 22 ein. Die Substanzen werden in Rotation versetzt, wodurch eine Wirbelströmung im Trennabschnitt des Zyklonabscheiders 22 entsteht. Aufgrund der unterschiedlichen Molekularmassen der Substanzen und der sich einstellenden Druckverhältnisse im Zyklonabscheider 22 kommt es zu einer Trennung der Substanzen nach ihren Molekularmassen. Dabei entsteht eine Fraktion mit höherem Wasserstoffanteil und zumindest eine weitere Fraktion mit geringerem Wasserstoffanteil. Die Fraktion mit dem höheren Wasserstoffanteil verlässt den Zyklonabscheider 22 über das Tauchrohr. Die Fraktion mit dem geringeren Wasserstoffanteil, also die Fraktion mit Wasser und Stickstoff als Hauptbestandteile, sammelt sich tendenziell im Sammelabschnitt 27 des Zyklonabscheiders 22 an. Die dort abgelagerten Substanzen können von der Steuervorrichtung durch Öffnen des Ablassventils 30 von Zeit zu Zeit aus dem Zyklonabscheider 22 entsorgt werden. Da es sich um ungiftige Substanzen handelt, können diese unmittelbar in die Umwelt entsorgt werden.
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Durch das Tauchrohr 31 strömt nun ein Gemisch aus Wasserstoff mit geringen Anteilen an Stickstoff und einem vernachlässigbaren Anteil an Wasser. Durch den Spüleffekt der Rezirkulationsvorrichtung 19 wird verhindert, dass die Polymerelektrolytmembran 6 und die Brennstoffversorgungseinrichtung 7 durch Stickstoff und Wasser blockiert werden. Durch Vorsehen einer Trennvorrichtung 22 wird die Konzentration an Brennstoff im rückgeführten Gas deutlich erhöht. Beide Effekte tragen zu einer spürbaren Steigerung des Wirkungsgrads der Brennstoffzellenvorrichtung 2 bei. Der Zyklonabscheider 22 als Trennvorrichtung zeichnet sich durch eine robuste und kostengünstige Konstruktion aus.
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Die Kühleinrichtung 100 des Zyklonabscheiders 22 kann eines oder mehrere Peltierelemente 110 aufweisen, welche vorzugsweise am Einlaufbereich 25 des Zyklonabscheiders 22 angeordnet sind. Die Peltierelement 110 können dabei entlang des gesamten Umfangs des Einlaufabschnitts 25 angeordnet sein (in 2 nicht dargestellt). Die Peltierelemente 110 stehen mit Ihrer kühlenden, d.h. wärmeaufnehmenden Seite, in wärmeleitendem Kontakt mit dem Gehäuse 23 des Zyklonabscheiders 22.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Kühleinrichtung 100 einen Kühlkanal 120 aufweisen, welcher bei Betrieb der Kühleinrichtung 100 von einem Kühlfluid durchströmt wird. Der Kühlkanal 120 umschlingt das Gehäuse 23 zumindest am Trennabschnitt 26 und steht mit diesem in wärmeleitenden Kontakt. Der Kühlkanal 120 ist mit einer Klimaanlage 200 des Kraftfahrzeugs 1 verbunden und wird von dieser mit Kühlfluid versorgt. Alternativ kann der Kühlkanal 120 auch von einem anderen Wärmetauscherkreislauf des Kraftfahrzeugs 1 mit Kühlfluid versorgt werden, z.B. der Kühlung eines Antriebsmotors (nicht dargestellt). Alternativ kann die Kühleinrichtung 100 auch einen eigenen Kühlfluidkreislauf (nicht dargestellt) aufweisen, welcher den Kühlkanal 120 versorgt.
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Zur besseren Wärmeabfuhr können an den Peltierelementen 110 und/oder am Kühlkanal Kühlrippen 130 vorgesehen sein. Zum gleichen Zweck kann alternativ oder zusätzlich ein Ventilator 140 vorgesehen sein.
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Vorzugsweise im Hohlraum 24 des Einlassabschnitts 25 kann ein Kondensationskörper 150 angeordnet sein. Dieser besteht vorzugsweise aus einem sehr gut wärmeleitenden Werkstoff und weist eine poröse Schaum- oder Gitterstruktur auf. Beispielsweise kann der Kondensationskörper 150 als Metallschaum ausgebildet sein. Der Kondensationskörper 150 steht in wärmeleitenden Kontakt mit dem Gehäuse 23 des Zyklonabscheiders 22. Er ist so angeordnet, dass er bei Betrieb der Rezirkulationseinrichtung 19 von den in den Zyklonabscheider 22 einströmenden Substanzen durchströmt wird. Aufgrund der porösen Struktur und der sehr guten Wärmeleitungseigenschaften des Kondensationskörpers 150 entsteht ein Abkühlungseffekt.
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Durch die Kühleinrichtung 100 werden die in dem Zyklonabscheider 22 einströmenden Substanzen gekühlt, was insbesondere die Kondensation von Substanzen mit hohem Taupunkt, wie z.B. Wasser, begünstigt. Auf diese Weise kann der Anteil dieser Substanzen (z.B. Wasser) in der Fraktion mit hohem Brennstoffanteil noch weiter reduziert werden, da der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) in der Regel gasförmig verbleibt. Das kondensierte Wasser kann einfacher und selektiv aus dem Zyklonabscheider 22 über das Ablassventil 30 abgeführt werden.
