DE102020202876A1

DE102020202876A1 - Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020202876A1
Application number: DE102020202876.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Danne; Martin Hering; Rene Meise; Peter Horstmann; Rahul Kumar VERMA; Maxime Carre
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2021-09-09

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Peripheriegerätevorrichtung (10a-e) für eine Brennstoffzelleneinheit (12a-e), mit zumindest einer Luftzuführungseinheit (14a-e), welche zumindest eine Hauptluftleitung (16a-e), zumindest eine Bypass-Luftleitung (18a-e) und zumindest eine Zufuhrluftleitung (20a-e) zu einer Zuführung von Luft zu der Brennstoffzelleneinheit (12a-e) aufweist, mit einem in der Hauptluftleitung (16a-e) angeordneten Wärmeübertragerelement (22a-e).Es wird vorgeschlagen, dass die Peripheriegerätevorrichtung (10a-e) eine Mischereinheit (32a-e) aufweist, welche zu einer Mischung eines Hauptluftstroms (26a-e) aus der Hauptluftleitung (16a-e) und eines Bypass-Luftstroms (28a-e) aus der Bypass-Luftleitung (18a-e) in einen zumindest im Wesentlichen homogenen Gesamtluftstrom (30a-e) innerhalb der Zufuhrluftleitung (20a-e) vorgesehen ist.

Description

Stand der Technik
Es ist bereits eine Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, mit zumindest einer Luftzuführungseinheit, welche zumindest eine Hauptluftleitung, zumindest eine Bypass-Luftleitung und zumindest eine Zufuhrluftleitung zu einer Zuführung von Luft zu der Brennstoffzelleneinheit aufweist, mit einem in der Hauptluftleitung angeordneten Wärmeübertragerelement und mit einem in der Bypass-Luftleitung angeordneten Heizelement, vorgeschlagen worden.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, mit zumindest einer Luftzuführungseinheit, welche zumindest eine Hauptluftleitung, zumindest eine Bypass-Luftleitung und zumindest eine Zufuhrluftleitung zu einer Zuführung von Luft zu der Brennstoffzelleneinheit aufweist, mit einem in der Hauptluftleitung angeordneten Wärmeübertragerelement und insbesondere mit einem in der Bypass-Luftleitung angeordneten Heizelement, vorgeschlagen worden.
Es wird vorgeschlagen, dass die Peripheriegerätevorrichtung eine Mischereinheit aufweist, welche zu einer Mischung eines Hauptluftstroms aus der Hauptluftleitung und eines Bypass-Luftstroms aus der Bypass-Luftleitung in einen zumindest im Wesentlichen homogenen Gesamtluftstrom innerhalb der Zufuhrluftleitung vorgesehen ist.
Unter einer „Brennstoffzelleneinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zumindest eine Brennstoffzelle, einen Stack aus Brennstoffzellen und/oder einen Verbund mehrerer Stacks aus Brennstoffzellen umfasst. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle und/oder sind die Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit als Hochtemperaturbrennstoffzellen ausgebildet. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit dazu vorgesehen, einen Brennstoff unter Zuführung eines Oxidans in einem Wandlungsprozess zu einer elektrischen Energiegewinnung umzusetzen. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Brennstoffelektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Brennstoff vorgesehen ist. Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinheit zumindest eine Oxidanselektrode, welche vorzugsweise während des Wandlungsprozesses zu einem direkten Kontakt mit dem Oxidans vorgesehen ist. Ohne darauf beschränkt zu sein, umfasst die Brennstoffzelleneinheit beispielsweise zumindest eine Schmelzkarbonatbrennstoffzelle (MCFC) und/oder besonders bevorzugt zumindest eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC). Alternativ ist die Peripheriegerätevorrichtung zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit einer Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC), mit einer Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), einer Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), einer alkalischen Brennstoffzelle (AFC) oder dergleichen vorgesehen. Unter „vorgesehen“ soll vorzugsweise speziell eingerichtet, speziell ausgelegt und/oder speziell ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
Unter einer „Peripheriegerätevorrichtung“ soll insbesondere eine Vorrichtung verstanden werden, welche zumindest eine mit der Brennstoffzelleneinheit verbundene Einheit aufweist, welche einen Betrieb der Brennstoffzelleneinheit ermöglicht und/oder unterstützt. Ohne darauf beschränkt zu sein, kann die Peripheriegerätevorrichtung beispielsweise eine Brennstoffzufuhrleitung, eine Luftzuführungseinheit, eine Abgasleitung, eine Rezirkulationsleitung, ein Förderelement zu einer Förderung des Brennstoffs, des Oxidans und/oder des Abgases, einen Nachbrenner, einen Reformer, einen Wärmeübertrager zu einer Abgaswärmerückgewinnung und/oder weitere, einem Fachmann als sinnvoll erscheinende Zusatzelemente zu einem Betrieb zumindest einer Brennstoffzelleneinheit, insbesondere einer Hochtemperaturbrennstoffzelleneinheit, umfassen.
Unter einem „Wärmeübertragerelement“ soll insbesondere ein Element der Peripheriegerätevorrichtung verstanden werden, welches in zumindest einem Betriebszustand eine thermische Energie von einem ersten Stoffstrom auf zumindest einen weiteren Stoffstrom überträgt. Das Wärmeübertragerelement kann als ein Plattenwärmeübertrager, als ein Rohrbündelwärmeübertrager, als ein Mantelrohrwärmeübertrager oder dergleichen ausgebildet sein.
Unter einer „Mischereinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche dazu vorgesehen ist, den Hauptluftstrom und den Bypass-Luftstrom zusammenzuführen, zu einem zumindest im Wesentlichen homogenen Gesamtluftstrom zu mischen und der Zufuhrluftleitung zuzuführen. Unter einem „zumindest im Wesentlichen homogenen Gesamtluftstrom“ soll hierbei insbesondere verstanden werden, dass der Gesamtluftstrom ein gleichmäßiges Strömungs- und Temperaturprofil aufweist, wobei insbesondere eine Temperatur innerhalb eines senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Gesamtluftstroms verlaufenden Strömungsquerschnitts so verteilt ist, dass eine erste Temperatur des Gesamtluftstroms an einem ersten beliebigen Punkt innerhalb des Strömungsquerschnitts von einer zweiten Temperatur des Gesamtluftstroms an einem zweiten, von dem ersten Punkt beabstandeten, beliebigen Punkt innerhalb desselben Strömungsquerschnitts insbesondere um weniger als 25 %, vorteilhaft um weniger als 10 %, vorzugsweise um weniger als 5 % und besonders bevorzugt um weniger als 2 % abweicht.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Peripheriegerätevorrichtung kann vorteilhaft ein Gesamtluftstrom mit einem besonders gleichmäßigen Strömungs- und/oder Temperaturprofil erzielt werden. Insbesondere in Systemen mit Brennstoffzelleneinheiten, welche mehrere gleichzeitig zu betreibende, verfahrenstechnisch parallel geschaltete Stacks von Brennstoffzellen aufweisen, kann durch die Mischereinheit vorteilhaft ein Gesamtluftstrom zu einer Versorgung der Brennstoffzelleneinheit mit dem Oxidans bereitgestellt werden, welcher auf Grund eines homogenen Strömungs- und/oder Temperaturprofils besonders gleichmäßig auf die einzelnen Stacks der Brennstoffzelleneinheit verteilt werden kann, wodurch insbesondere ein Betrieb der Brennstoffzelleneinheit mit einem sehr hohen Maß an Effizienz erreicht werden kann.
Die Bypass-Luftleitung könnte, insbesondere ausschließlich, zu einer Kühlung des Gesamtluftstroms vorgesehen sein. Um eine in zumindest einem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung vorteilhafte Möglichkeit einer Vorwärmung des Bypass-Luftstroms bereitzustellen wird vorgeschlagen, dass die Peripheriegerätevorrichtung zumindest ein Heizelement aufweist, welches in der Bypass-Luftleitung angeordnet ist. Unter einem „Heizelement“ soll insbesondere ein Element der Peripheriegerätevorrichtung verstanden werden, welches in zumindest einem Betriebszustand zumindest einem Stoffstrom eine thermische Energie zuführt. Vorzugsweise ist das Heizelement als ein elektrisches Heizelement, beispielsweise als ein Widerstandsheizelement oder dergleichen, ausgebildet und wandelt in dem Betriebszustand eine elektrische Energie in eine thermische Energie um und führt diese dem zumindest einen Stoffstrom zu. Es wäre jedoch auch denkbar, dass das Heizelement zu einer Erzeugung von thermischer Energie mit einem von einer elektrischen Energie verschiedenen Energieträger, beispielsweise mit Öl und/oder Gas, betreibbar ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Mischereinheit zumindest ein Innenleitungselement aufweist, welches innerhalb eines Teilbereichs der Zufuhrluftleitung angeordnet ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Strömungsführung des Bypass-Luftstroms und/oder des Hauptluftstroms verbessert und somit eine besonders gleichmäßige Durchmischung des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom erreicht werden. Unter einem „Innenleitungselement“ soll insbesondere ein Element der Mischereinheit verstanden werden, welches innerhalb der Zufuhrluftleitung angeordnet und dazu vorgesehen ist, den Hauptluftstrom und/oder den Bypass-Luftstrom aufzunehmen, zu transportieren und anschließend der Zufuhrluftleitung zuzuführen. Vorzugsweise ist das Innenleitungselement als ein innerhalb des Teilbereichs der Zufuhrluftleitung angeordnetes Rohrstück ausgebildet, welches einen gegenüber einem Innendurchmesser der Zufuhrluftleitung verringerten Außendurchmesser aufweist. Vorzugsweise bildet die Mischereinheit durch die Anordnung des Innenleitungselements in dem Teilbereich der Zufuhrluftleitung zumindest zwei strömungstechnisch voneinander getrennte Strömungskanäle aus. Ein erster Strömungskanal kann innerhalb des Innenleitungselements ausgebildet und beispielsweise dazu vorgesehen sein, den Hauptluftstrom aus der Hauptluftleitung aufzunehmen, während ein zweiter Strömungskanal in einem Ringraum zwischen einer Außenwandung des Innenleitungselements und einer Innenwandung der Zufuhrluftleitung ausgebildet und beispielsweise dazu vorgesehen sein kann, den Bypass-Luftstrom aufzunehmen.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Innenleitungselement strömungstechnisch mit der Hauptluftleitung verbunden ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Strömungsführung des Hauptluftstroms verbessert werden und somit eine besonders gleichmäßige Durchmischung des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom erreicht werden.
In einer alternativen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Innenleitungselement strömungstechnisch mit der Bypass-Luftleitung verbunden ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Strömungsführung des Bypass-Luftstroms verbessert werden und somit eine besonders gleichmäßige Durchmischung des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom erreicht werden.
Darunter, dass das Innenleitungselement mit der Hauptluftleitung oder mit der Bypass-Luftleitung „strömungstechnisch verbunden ist“, soll insbesondere verstanden werden, dass das Innenleitungselement eine lösbare oder feste Verbindung mit der Hauptluftleitung oder mit der Bypass-Luftleitung aufweist, welche dazu vorgesehen ist, den Hauptluftstrom aus der Hauptluftleitung oder des Bypass-Luftstroms aus der Bypass-Luftleitung in das Innenleitungselement zu überführen. Die strömungstechnische Verbindung zwischen dem Innenleitungselement und der Hauptluftleitung oder der Bypass-Luftleitung kann beispielsweise als eine Schweißverbindung und/oder Lötverbindung und/oder Klebverbindung und/oder Pressverbindung und/oder Flanschverbindung und/oder Schraubverbindung und/oder Muffenverbindung und/oder Schiebhülsenverbindung und/oder Steckverbindung und/oder dergleichen hergestellt sein und insbesondere zumindest ein Dichtelement umfassen.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass das Innenleitungselement eine Beruhigungsstrecke zu einer Beruhigung des Bypass-Luftstroms ausbildet. Hierdurch kann vorteilhaft ein besonders homogener Gesamtluftstrom erzielt werden. Insbesondere kann der Bypass-Luftstrom dem Hauptluftstrom besonders gleichmäßig über einen gesamten Querschnitt der Zufuhrluftleitung zugeführt und somit ein, insbesondere hinsichtlich einer auf den Strömungsquerschnitt bezogenen Temperaturverteilung, besonders homogener Gesamtluftstrom erzielt werden. Unter einer Beruhigungsstrecke soll insbesondere zumindest ein Teilabschnitt des Innenleitungselements verstanden werden, welcher dazu vorgesehen ist, ein Strömungsprofil eines das Innenleitungselement durchströmenden Fluids vollständig auszubilden. Unter einem „vollständig ausgebildeten Strömungsprofil“ soll hierbei ein Profil einer Strömung verstanden werden, welches eine über einen gesamten Strömungsquerschnitt im Wesentlichen einheitliche Strömungsrichtung mit einer auf einen Mittelpunkt des Strömungsquerschnitts symmetrischen Geschwindigkeitsverteilung aufweist. Vorzugsweise ist das voll ausgebildete Strömungsprofil in Strömungsrichtung parabelförmig und weist eine im Wesentlichen laminare Strömung auf. Unter einer „im Wesentlichen laminaren Strömung“ soll insbesondere eine Strömung mit einer Reynoldszahl kleiner 3.000, insbesondere kleiner 2.500, vorteilhaft kleiner 2.300, besonders vorteilhaft kleiner 2.200, vorzugsweise kleiner 2.100 und besonders bevorzugt kleiner 2.000, verstanden werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Innenleitungselement zumindest eine Querschnittsverjüngung aufweist. Durch eine derartige Ausgestaltung kann vorteilhaft eine Durchmischung des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom weiter verbessert werden. Die Querschnittsverjüngung ist vorzugsweise in einem Nahbereich einer Austrittsöffnung, durch welche der Luftstrom aus dem Innenleitungselement in die Zufuhrluftleitung strömt, angeordnet. Die Querschnittsverjüngung ist insbesondere dazu vorgesehen, eine Beschleunigung eines innerhalb des Innenleitungselements strömenden Luftstroms relativ zu einem außerhalb des Innenleitungselements strömenden weiteren Luftstroms zu bewirken. Durch die Beschleunigung des innerhalb des Innenleitungselements strömenden Luftstroms kann vorteilhaft eine Durchmischung der Luftströme, also dem Hauptluftstrom und dem Bypass-Luftstrom, an der Austrittsöffnung des Innenleitungselements in die Zufuhrleitung, verbessert werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Mischereinheit zumindest eine Strömungsoptimierungseinheit zu einer Erhöhung einer Durchmischungsrate des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom aufweist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Durchmischungsrate des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom weiter verbessert werden und somit ein besonders homogener Gesamtluftstrom erzielt werden. Unter einer „Strömungsoptimierungseinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zumindest ein Strömungsoptimierungselement aufweist, das dazu vorgesehen ist, zumindest ein Strömungsprofil des Hauptluftstroms und/oder des Bypass-Luftstroms so zu verändern, dass eine Durchmischung des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom begünstigt wird. Die Strömungsoptimierungseinheit könnte beispielsweise zumindest ein teil- oder vollaktives bewegliches Strömungsoptimierungselement aufweisen, beispielsweise einen Rührelement und/oder Mixelement und/oder dergleichen, welches zu einer Erhöhung der Durchmischungsrate durch eine Bewegungsenergie von zumindest einem der Luftströme und/oder durch eine extern zugeführte Energie, beispielsweise mittels einer mit einem Motor verbundenen Antriebswelle, in Bewegung versetzt werden kann. Vorzugsweise ist das Strömungsoptimierungselement als ein passives ortsfestes Element, beispielsweise als eine Ausnehmung, insbesondere als eine Schlitzung, innerhalb des Innenleitungselements und/oder als eine Umlenkplatte und/oder als eine Umlenkspirale und/oder als eine Düse und/oder dergleichen ausgebildet.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Strömungsoptimierungseinheit zumindest ein Strömungsoptimierungselement aufweist, welches an dem Innenleitungselement angeordnet ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine besonders kompakte Bauweise erreicht werden. Das Strömungsoptimierungselement könnte beispielsweise form- und/oder kraftschlüssig mit dem Innenleitungselement verbunden sein. Vorzugsweise ist das Strömungsoptimierungselement einstückig mit dem Innenleitungselement ausgebildet. Die Strömungsoptimierungseinheit kann mehrere Strömungsoptimierungselemente aufweisen, welche insbesondere an dem Innenleitungselement angeordnet, vorzugsweise einstückig mit dem Innenleitungselement ausgebildet, sind. Unter „einstückig“ soll insbesondere stoffschlüssig verbunden, wie beispielsweise durch einen Schweißprozess und/oder einen Lötprozess und/oder einen Klebeprozess usw., und besonders vorteilhaft angeformt verstanden werden, wie durch die Herstellung aus einem Guss und/oder durch die Herstellung in einem Ein- oder Mehrkomponentenspritzverfahren.
Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass das Strömungsoptimierungselement als eine in einer Umfangsrichtung des Innleitungselements angeordnete Schlitzung des Innenleitungselements ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft ein Strömungsoptimierungselement mit besonders einfachen technischen Mitteln realisiert werden. Insbesondere kann vorteilhaft eine Anzahl von Bauteilen minimiert werden und somit eine besonders kostengünstige Strömungsoptimierungseinheit bereitgestellt werden. Vorzugsweise weist die Strömungsoptimierungseinheit eine Vielzahl an Strömungsoptimierungselementen auf, welche jeweils als in einer Umfangsrichtung des Innenleitungselements angeordnete, insbesondere zueinander beabstandete und insbesondere über den Umfang gleichmäßig verteilte, Schlitzungen ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich wäre denkbar, dass die Strömungsoptimierungseinheit zumindest ein Strömungsoptimierungselement aufweist, welches als eine in einem Endbereich des Innenleitungselements in Strömungsrichtung angeordnete Ausnehmung, insbesondere Schlitzung, ausgebildet ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Strömungsoptimierungseinheit zumindest eine Umlenkplatte aufweist. Die Strömungsoptimierungseinheit kann insbesondere zumindest ein weiteres Strömungsoptimierungselement aufweisen, welches als eine Umlenkplatte ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Durchmischungsrate des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom weiter erhöht werden. Vorzugsweise weist die Strömungsoptimierungseinheit mehrere, insbesondere zumindest zwei, vorteilhaft zumindest drei, Umlenkplatten auf. Die Umlenkplatte könnte an einer Innenwandung und/oder einer Außenwandung des Innenleitungselements angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Umlenkplatte an einer Innenwandung der Zufuhrluftleitung angeordnet.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Strömungsoptimierungseinheit zumindest eine Umlenkspirale aufweist. Die Strömungsoptimierungseinheit kann insbesondere zumindest ein weiteres Strömungsoptimierungselement aufweisen, welches als eine Umlenkspirale ausgebildet ist. Hierdurch kann vorteilhaft eine Durchmischungsrate des Hauptluftstroms mit dem Bypass-Luftstrom weiter erhöht werden. Die Umlenkplatte könnte an einer Innenwandung und/oder einer Außenwandung des Innenleitungselements angeordnet sein. Vorzugsweise ist die Umlenkplatte an einer Innenwandung der Zufuhrluftleitung angeordnet.
Die erfindungsgemäße Peripheriegerätevorrichtung soll hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Peripheriegerätevorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen. Zudem sollen bei den in dieser Offenbarung angegebenen Wertebereichen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als offenbart und als beliebig einsetzbar gelten.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind fünf Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 ein schematisches Fließschema einer Peripheriegerätevorrichtung für eine Brennstoffzelleneinheit, mit einer Mischereinheit,
2 die Mischereinheit der Peripheriegerätevorrichtung in einer schematischen Seitenansicht,
3 die Mischereinheit der Peripheriegerätevorrichtung in einer schematischen perspektivischen Ansicht,
4 eine schematische Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Peripheriegerätevorrichtung,
5 eine schematische Seitenansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Mischereinheit einer Peripheriegerätevorrichtung,
6 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Mischereinheit einer Peripheriegerätevorrichtung, und
7 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer Mischereinheit einer weiteren alternativen Peripheriegerätevorrichtung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein schematisches Fließschema einer Peripheriegerätevorrichtung 10a für eine Brennstoffzelleneinheit 12a. Die Brennstoffzelleneinheit 12a umfasst mehrere Stacks von Brennstoffzellen (nicht dargestellt), welche jeweils als Festoxidbrennstoffzellen (SOFC) ausgebildet sind.
Die Peripheriegerätevorrichtung 10a umfasst eine Luftzuführungseinheit 14a. Die Luftzuführungseinheit 14a ist zu einer Zuführung von Luft zu der Brennstoffzelleneinheit 12a vorgesehen. Die Luftzuführungseinheit 14a umfasst eine Hauptluftleitung 16a, eine Bypass-Luftleitung 18a und eine Zufuhrluftleitung 20a.
Die Hauptluftleitung 16a der Luftzuführungseinheit 14a der Peripheriegerätevorrichtung 10a ist mit einer Frischluftzufuhr 62a verbunden. Mittels einer Luftfördereinheit 64a der Luftzuführungseinheit 14a wird der Hauptluftleitung 16a über die Frischluftzufuhr 62a Frischluft zugeführt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Luftfördereinheit 64a als ein Gebläse ausgebildet, alternativ könnte die Luftfördereinheit 64a jedoch auch als eine Pumpe ausgebildet sein.
Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist ein Wärmeübertragerelement 22a auf. Das Wärmeübertragerelement 22a ist in der Hauptluftleitung 16a angeordnet. In einem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10a wird ein innerhalb der Hauptluftleitung 16a strömender Hauptluftstrom 26a mittels des Wärmeübertragerelements 22a vorgewärmt.
Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist ein Heizelement 24a auf. Das Heizelement 24a ist in der Bypass-Luftleitung 18a der Luftzuführungseinheit 14a angeordnet. Das Heizelement 24a ist als ein Widerstandsheizelement ausgebildet. In zumindest einem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10a wird ein in der Bypass-Luftleitung 18a strömender Bypass-Luftstrom 28a mittels des Heizelements 24a vorgewärmt.
Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist eine Mischereinheit 32a auf. Die Mischereinheit 32a ist zu einer Mischung des Hauptluftstroms 26a aus der Hauptluftleitung 16a mit dem Bypass-Luftstrom 28a der Bypass-Luftleitung 18a vorgesehen.
In dem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10a mischt die Mischereinheit 32a den Bypass-Luftstrom 28a aus der Bypass-Luftleitung 18a mit dem Hauptluftstrom 26a aus der Hauptluftleitung 16a in einen zumindest im Wesentlichen homogenen Gesamtluftstrom 30a innerhalb der Zufuhrluftleitung 20a. Nach der Durchmischung mittels der Mischereinheit 32a weist der Gesamtluftstrom 30a bezogen auf einen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung verlaufenden Strömungsquerschnitt ein im Wesentlichen gleichmäßiges Strömungs- und Temperaturprofil auf.
Die Zufuhrluftleitung 20a ist mit einem Kathodeneinlass 76a der Brennstoffzelleneinheit 12a verbunden. Alle Stacks von Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 12a werden jeweils über den Kathodeneinlass 76a der Brennstoffzelleneinheit 12a mit dem im Wesentlichen homogenen Gesamtluftstrom 30a als Oxidans versorgt.
Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist eine Brennstoffzufuhr 68a auf. Mittels einer Brennstofffördereinheit 70a wird ein methanhaltiger Brennstoff zugeführt und mit Wasserstoff aus eine Wasserstoffzufuhr 66a angereichert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Brennstofffördereinheit 70a als ein Gebläse ausgebildet, alternativ könnte die Brennstofffördereinheit 70a jedoch auch als eine Pumpe ausgebildet sein. Mittels eines Rezirkulationsgebläses 72a wird ein mit Wasserstoff angereicherter Brennstoffstrom 96a mit einem ersten Teilstrom 88a eines Anodenabgasstroms 86a aus einem Anodenauslass 82a der Brennstoffzelleneinheit 12a zu einem Brennstoff-Rezirkulationsgemisch 92a vermengt. Das Brennstoff-Rezirkulationsgemisch 92a wird über ein erstes weiteres Wärmeübertragerelement 56a und über ein zweites weiteres Wärmeübertragerelement 58a vorgewärmt und einer Reformereinheit 52a der Peripheriegerätevorrichtung 10a zugeführt. Das Brennstoff-Rezirkulationsgemisch 92a wird in der Reformereinheit 52a mittels Dampfreformierung zu einem Reformat 94a reformiert. Das Reformat 94a wird der Brennstoffzelleneinheit 12a über einen Anodeneinlass 80a zugeführt. Der Anodenabgasstrom 86a wird über den Anodenauslass 82a aus der Brennstoffzelleneinheit 12a abgeführt und teilt sich in den ersten Teilstrom 88a und einen zweiten Teilstrom 90a auf. Die Peripheriegerätevorrichtung 10a weist eine Nachbrennereinheit 54a auf. Die Brennstoffzelleneinheit 12a weist einen Kathodenauslass 78a auf. Über den Kathodenauslass 78a wird ein Kathodenabgasstrom 84a aus der Brennstoffzelleneinheit 12a abgeführt und der Nachbrennereinheit 54a der Peripheriegerätevorrichtung 10a zugeführt. In der Nachbrennereinheit 54a wird der Kathodenabgasstrom 84a zusammen mit dem zweiten Teilstrom 90a des Anodenabgasstroms 86a katalytisch nachverbrannt. Ein aus der Nachverbrennung resultierender Abgasstrom 74a wird aus der Nachbrennereinheit 54a ausgeleitet. Ein Teil einer in dem Abgasstrom 74a enthaltenen Abwärme wird in dem zweiten weiteren Wärmeübertragerelement 58a zur Vorwärmung des Brennstoff-Rezirkulationsgemischs 92a genutzt. Ein weiterer Teil der in dem Abgasstrom 74a enthaltenen Abwärme wird in dem Wärmeübertragerelement 22a zur Vorwärmung des Hauptluftstroms 26a genutzt. Der erste Teilstrom 88a des Anodenabgasstroms 86a fließt über das erste weitere Wärmeübertragerelement 56a und gibt einen Teil einer darin enthaltenen Abwärme an das Brennstoff-Rezirkulationsgemisch 92a ab. Ein weiterer Teil der Abwärme aus dem ersten Teilstrom 88a des Anodenabgasstroms 86a wird über ein weiteres drittes Wärmeübertragerelement 60a an einen Teilstrom 98a aus der Hauptluftleitung 16a abgegeben. Der Teilstrom 98a wird der Hauptluftleitung 16a nach Vorwärmung über das weitere dritte Wärmeübertragerelement 60a erneut zugeführt.
Die 2 und 3 zeigen die Mischereinheit 32a der Peripheriegerätevorrichtung 10a. Die Mischereinheit 32a weist ein Innenleitungselement 34a auf. Das Innenleitungselement 34a ist als ein Rohrstück ausgebildet und innerhalb eines Teilbereichs 36a der Zufuhrluftleitung 20a angeordnet. Das Innenleitungselement 34a weist einen gegenüber einem Innendurchmesser der Zufuhrluftleitung 20a geringeren Außendurchmesser auf. Das Innenleitungselement 34a ist strömungstechnisch mit der Hauptluftleitung 16a verbunden. In dem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10a strömt der Hauptluftstrom 16a, nach Vorwärmung über das Wärmeübertragerelement 22a, durch das Innenleitungselement 34a der Mischereinheit 32a. In dem Teilbereich 36a ist die Bypass-Luftleitung 18a strömungstechnisch mit der Zufuhrluftleitung 32a verbunden. Der Bypass-Luftstrom 28a strömt in dem Betriebszustand der Peripheriegerätevorrichtung 10a aus der Bypass-Luftleitung 18a in die Zufuhrluftleitung 32a. In dem Teilbereich 36 strömt der Bypass-Luftstrom 28a in einem innerhalb der Zufuhrluftleitung 20a und außerhalb des Innenleitungselements 34a entstehenden Ringraum. Das Innenleitungselement 34a bildet dabei eine Beruhigungstrecke 38a für den Bypass-Luftstrom 28a aus. Das Innenleitungselement 34a weist eine Querschnittsverjüngung 40a auf. Die Querschnittsverjüngung 40a kennzeichnet das Ende der Beruhigungstrecke 38a. Entlang der Beruhigungsstrecke 38a beruhigt sich der Bypass-Luftstrom 28a, sodass dieser ein Strömungsprofil mit einer im Wesentlichen einheitlichen Strömungsrichtung ausbildet, welche im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des Hauptluftstroms 26a innerhalb des Innenleitungselements 34a verläuft. Entlang der Beruhigungsstrecke 38a bilden der Bypass-Luftstrom 28a und der Hauptluftstrom 26a jeweils eine, mit Ausnahme von randnahen Bereichen, im Wesentlichen laminare Strömung aus.
Die Mischereinheit 32a der Peripheriegerätevorrichtung 10a weist eine Strömungsoptimierungseinheit 42a auf. Die Strömungsoptimierungseinheit 42a ist zu einer Erhöhung einer Durchmischungsrate des Hauptluftstroms 26a mit dem Bypass-Luftstrom 28a vorgesehen. Die Strömungsoptimierungseinheit 42a weist ein Strömungsoptimierungselement 44a auf. Das Strömungsoptimierungselement 44a der Strömungsoptimierungseinheit 42a ist an dem Innenleitungselement 34a der Mischereinheit 32a angeordnet. Das Strömungsoptimierungselement 44a ist als eine in einer Umfangsrichtung des Innenleitungselements 34a angeordnete Schlitzung 46a ausgebildet. Vorliegend weist die Strömungsoptimierungseinheit 42a eine Vielzahl an Strömungsoptimierungselementen 44a auf, welche jeweils an dem Innenleitungselement 34a der Mischereinheit 32a angeordnet und jeweils in der Umfangsrichtung des Innenleitungselements 34a als zueinander beabstandet angeordnete, im Wesentlichen identisch zueinander ausgebildete Schlitzungen ausgebildet sind. Im Folgenden wird aus Gründen der Einfachheit lediglich eines der Strömungsoptimierungselemente 44a beschrieben. Auf Grund der Querschnittsverjüngung 40a beschleunigt sich der Hauptluftstrom 26a zunächst und tritt anschließend über das als Schlitzung 46a ausgebildete Strömungsoptimierungselement 44a der Strömungsoptimierungseinheit 42a seitlich aus dem Innenleitungselement 34a aus. Der Hauptluftstrom 26a trifft am Austritt aus dem Innenleitungselement 34a mit einer gegenüber dem Bypass-Luftstrom 28a erhöhten Geschwindigkeit im Wesentlichen senkrecht auf den Bypass-Luftstrom 28a. Bei diesem Vorgang durchmischen sich der Hauptluftstrom 26a und der Bypass-Luftstrom 28a zu dem im Wesentlichen homogenen Gesamtluftstrom 30a.
In den 4 bis 7 sind vier weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der 1 bis 3, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in den 1 bis 3 nachgestellt. In den Ausführungsbeispielen der 4 bis 7 ist der Buchstabe a durch die Buchstaben b bis e ersetzt.
4 zeigt eine Mischereinheit 32b einer Peripheriegerätevorrichtung 10b. Die Peripheriegerätevorrichtung 10b ist im Wesentlichen identisch zu der Peripheriegerätevorrichtung 10a und unterscheidet sich ausschließlich im Hinblick auf eine Ausgestaltung der Mischereinheit 32b. Die Mischereinheit 32b weist ein Innenleitungselement 34b auf, welches innerhalb eines Teilbereichs 36b einer Zufuhrluftleitung 20b angeordnet und strömungstechnisch mit einer Hauptluftleitung 16b der Peripheriegerätevorrichtung 10b verbunden ist. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 weist das Innenleitungselement 34b in dem Teilbereich 36b eine in Strömungsrichtung längere Erstreckung innerhalb der Zufuhrluftleitung 20b auf und bildet eine längere Beruhigungstrecke 38b zur Beruhigung eines Bypass-Luftstroms 28b aus.
5 zeigt eine Mischereinheit 32c einer Peripheriegerätevorrichtung 10c. Die Mischereinheit 32c weist ein Innenleitungselement 34c auf. Das Innenleitungselement 34c ist innerhalb eines Teilbereichs 36c einer Zufuhrluftleitung 20c angeordnet. Eine in Strömungsrichtung verlaufende Erstreckung des Innenleitungselements 34c innerhalb der Zufuhrluftleitung 20c ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 4 weiter erhöht und bildet folglich eine längere Beruhigungstrecke 38c zur Beruhigung eines Bypass-Luftstroms 28c aus. Im weiteren Unterschied zu den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 ist das Innenleitungselement 34c strömungstechnisch mit einer Bypass-Luftleitung 18c verbunden. Der Bypass-Luftstrom 28c strömt innerhalb des Innenleitungselements 34c.
6 zeigt eine Mischereinheit 32d einer Peripheriegerätevorrichtung 10d. Im Gegensatz zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen der 1 bis 5 ist die Mischereinheit 32d ohne ein Innenleitungselement ausgebildet. Eine Hauptluftleitung 16d und eine Bypass-Luftleitung 18d sind strömungstechnisch jeweils unmittelbar mit einer Zufuhrluftleitung 20d verbunden. Die Mischereinheit 32d weist eine Strömungsoptimierungseinheit 42d auf. Die Strömungsoptimierungseinheit 32d weist mehrere Umlenkplatten 48d auf. Die Umlenkplatten 48d sind zueinander beabstandet innerhalb der Zufuhrluftleitung 20d angeordnet. Durch die Umlenkplatten 48d der Strömungsoptimierungseinheit 42d erhöht sich eine Turbulenz eines Bypass-Luftstroms 28d und eines Hauptluftstroms 26d. Bedingt durch die erhöhte Turbulenz resultiert eine verbesserte Durchmischung des Bypass-Luftstroms 28d mit dem Hauptluftstrom 26d und es ergibt sich ein im Wesentlichen homogener Gesamtluftstrom 30d stromaufwärts der Strömungsoptimierungseinheit 42d.
7 zeigt eine Mischereinheit 32e einer alternativen Peripheriegerätevorrichtung 10e. Analog zu dem Ausführungsbeispiel der 6 ist die Mischereinheit 32e ohne ein Innenleitungselement ausgebildet. Die Mischereinheit 32e weist eine Strömungsoptimierungseinheit 42e auf. Die Strömungsoptimierungseinheit 32e umfasst eine Umlenkspirale 50e. Die Umlenkspirale 50e ist innerhalb einer Zufuhrluftleitung 20e angeordnet und zu einer Erhöhung einer Turbulenz eines Bypass-Luftstroms 28e und eines Hauptluftstroms 26e vorgesehen.

Claims

Peripheriegerätevorrichtung (10a-e) für eine Brennstoffzelleneinheit (12a-e), mit zumindest einer Luftzuführungseinheit (14a-e), welche zumindest eine Hauptluftleitung (16a-e), zumindest eine Bypass-Luftleitung (18a-e) und zumindest eine Zufuhrluftleitung (20a-e) zu einer Zuführung von Luft zu der Brennstoffzelleneinheit (12a-e) aufweist, mit einem in der Hauptluftleitung (16a-e) angeordneten Wärmeübertragerelement (22a-e), gekennzeichnet durch eine Mischereinheit (32a-e), welche zu einer Mischung eines Hauptluftstroms (26a-e) aus der Hauptluftleitung (16a-e) und eines Bypass-Luftstroms (28a-e) aus der Bypass-Luftleitung (18a-e) in einen zumindest im Wesentlichen homogenen Gesamtluftstrom (30a-e) innerhalb der Zufuhrluftleitung (20a-e) vorgesehen ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10a-e) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zumindest ein Heizelement (24a-e), welches in der Bypass-Luftleitung (18a-e) angeordnet ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10a-c) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischereinheit (32a-c) zumindest ein Innenleitungselement (34a-c) aufweist, welches innerhalb eines Teilbereichs (36a-c) der Zufuhrluftleitung (20a-c) angeordnet ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10a; 10b) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenleitungselement (34a; 34b) strömungstechnisch mit der Hauptluftleitung (16a; 16b) verbunden ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10c) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenleitungselement (34c) strömungstechnisch mit der Bypass-Luftleitung (18c) verbunden ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10a-c) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenleitungselement (34a-c) eine Beruhigungsstrecke (38a-c) zu einer Beruhigung des Bypass-Luftstroms (28a-c) ausbildet.
Peripheriegerätevorrichtung (10a; 10b) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenleitungselement (34a; 34b) zumindest eine Querschnittsverjüngung (40a; 40b) aufweist.
Peripheriegerätevorrichtung (10a-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischereinheit (32a-e) zumindest eine Strömungsoptimierungseinheit (42a-e) zu einer Erhöhung einer Durchmischungsrate des Hauptluftstroms (26a-e) mit dem Bypass-Luftstrom (28a-e) aufweist.
Peripheriegerätevorrichtung (10a; 10b) zumindest nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsoptimierungseinheit (42a; 42b) zumindest ein Strömungsoptimierungselement (44a; 44b) aufweist, welches an dem Innenleitungselement (34a; 34b) angeordnet ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10a; 10b) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsoptimierungselement (44a; 44b) als eine in einer Umfangsrichtung des Innleitungselements (34a; 34b) angeordnete Schlitzung (46a; 46b) des Innenleitungselements (34a; 34b) ausgebildet ist.
Peripheriegerätevorrichtung (10d) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsoptimierungseinheit (42d) zumindest eine Umlenkplatte (48d) aufweist.
Peripheriegerätevorrichtung (10e) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsoptimierungseinheit (42e) zumindest eine Umlenkspirale (50e) aufweist.
System mit einer Peripheriegerätevorrichtung (10a-e) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mit der Brennstoffzelleneinheit (12a-e).