DE102022120791A1

DE102022120791A1 - Leitungselement und Brennstoffzellensystem mit einem Leitungselement

Info

Publication number: DE102022120791A1
Application number: DE102022120791.9A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Tilg; Andreas Weber
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2024-02-22
Also published as: WO2024037874A2; WO2024037874A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Leitungselement (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere für ein mit einem Brennstoffzellensystem (100) betriebenes Fahrzeug, zum Ableiten von Abluft aus dem Brennstoffzellensystem (100), umfassend wenigstens eine Fluidleitung (12) mit einem Einlass (14) und mit einem Auslass (16), wobei der Auslass (16) zum Abführen der Abluft in die Umgebung, insbesondere unterhalb einer Wasserlinie, insbesondere unterhalb der Wattiefe des Fahrzeugs, ausgebildet ist. Dabei ist zwischen Auslass (16) und Einlass (14) der Fluidleitung (12) eine Wasserableitungseinrichtung (20) zur Verhinderung eines ungewollten Wassereintritts von dem Auslass (16) in den Einlass (14) angeordnet, wobei die Wasserableitungseinrichtung (20) mit wenigstens einem Ablaufventil (22) fluidisch verbunden ist.Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (100) mit einem Leitungselement (10).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Leitungselement für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein mit einem Brennstoffzellensystem betriebenes Fahrzeug, zum Ableiten von Abluft aus dem Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem Leitungselement.
Stand der Technik
DE 10 2012 010 131 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Zufuhr von Edukten oder zur Abfuhr von Produkten einer Brennstoffzelle, welche ein Leitungselement aufweist, welches einen mit einer Flüssigkeitsquelle verbundenen Bereich hat. Dieser über eine Flüssigkeitszuleitung mit der Flüssigkeitsquelle verbundene Bereich ist im bestimmungsgemäßen Gebrauch tiefer angeordnet, als die Abschnitte des Leitungselements in Strömungsrichtung vor und nach dem besagten Bereich. Der besagte Bereich ist dabei als Siphon in dem Leitungselement ausgebildet.
US 2012 214079 AA offenbart ein Brennstoffzellensystem, welches einen Rückfluss von Wasser aus einem Abluftrohrauslass, der ein Reaktanzabgas abgibt, unterdrückt, ohne die Leistung und den Brennstoffverbrauch einer Brennstoffzelle zu verringern. Dabei ist das Abluftrohr so konfiguriert, dass es zwischen einem Hauptabgaberohr und einem Nebenabgaberohr durch eine Schalteinrichtung umschaltet, um das Reaktanzabgas abzugeben. Das Nebenauslassrohr umfasst einen ansteigenden Gradientenabschnitt, der so ausgebildet ist, dass er sich oberhalb eines Gradienten des Hauptauslassrohrs nach oben neigt, und einen abfallenden Gradientenabschnitt, der so ausgebildet ist, dass er sich stromabwärts des ansteigenden Gradientenabschnitts nach unten neigt. Das Schaltventil schaltet so, dass es die Abgabe des abzureagierenden Gases aus der Hauptabgabeleitung zulässt, wenn eine Menge des abzureagierenden Gases gleich oder größer als ein Schwellenwert einer Abgabemenge ist, und die Abgabe des abzureagierenden Gases aus der Nebenabgabeleitung zulässt, wenn die Menge des abzureagierenden Gases unter dem Schwellenwert der Abgabemenge liegt.
Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Leitungselement für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein mit einem Brennstoffzellensystem betriebenes Fahrzeug, zum Ableiten von Abluft aus dem Brennstoffzellensystem, zu schaffen, welches das Risiko eines Wasserrückflusses in das Brennstoffzellensystem verhindert.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Leitungselement.
Die vorgenannte Aufgabe wird nach einem Aspekt der Erfindung gelöst mit einem Leitungselement für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein mit einem Brennstoffzellensystem betriebenes Fahrzeug, zum Ableiten von Abluft aus dem Brennstoffzellensystem, umfassend wenigstens eine Fluidleitung mit einem Einlass und mit einem Auslass, wobei der Auslass zum Abführen der Abluft in die Umgebung, insbesondere unterhalb einer Wasserlinie, insbesondere unterhalb einer Wattiefe des Fahrzeugs, ausgebildet ist, wobei zwischen Auslass und Einlass der Fluidleitung eine Wasserableitungseinrichtung zur Verhinderung eines ungewollten Wassereintritts von dem Auslass in den Einlass angeordnet ist, wobei die Wasserableitungseinrichtung mit wenigstens einem Ablaufventil fluidisch verbunden ist.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die weitere Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit einem Kathodenzuluftpfad und einem Kathodenabluftpfad einer Brennstoffzelleneinheit und mit wenigstens einem Leitungselement.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Es wird nach einem Aspekt der Erfindung ein Leitungselement für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein mit einem Brennstoffzellensystem betriebenes Fahrzeug, zum Ableiten von Abluft aus dem Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, umfassend wenigstens eine Fluidleitung mit einem Einlass und mit einem Auslass, wobei der Auslass zum Abführen der Abluft in die Umgebung, insbesondere unterhalb einer Wasserlinie, insbesondere unterhalb einer Wattiefe des Fahrzeugs, ausgebildet ist. Dabei ist zwischen Auslass und Einlass der Fluidleitung eine Wasserableitungseinrichtung zur Verhinderung eines ungewollten Wassereintritts von dem Auslass in den Einlass angeordnet, wobei die Wasserableitungseinrichtung mit wenigstens einem Ablaufventil fluidisch verbunden ist.
Das Leitungselement kann vorteilhaft in einer Abluftanlage eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines mit einem Brennstoffzellensystem betriebenen Fahrzeugs verbaut sein, um die Abluft des Brennstoffzellensystems aus einer Turbine in die Umgebung abzuleiten. Wenn der Auslass des Leitungselements unterhalb einer Wasserlinie, insbesondere unterhalb der Wattiefe des Fahrzeugs angeordnet ist, besteht das Risiko, , insbesondere bei Watfahrten eines Fahrzeugs, dass Wasser entgegen der Strömungsrichtung der Abluft in das Abluftsystem eindringt und in Richtung der Turbine fließt. Komponenten in dem Abluftsystem und insbesondere die Turbine könnten dadurch nachhaltig geschädigt werden.
Das vorgeschlagene Leitungselement weist eine Wasserableitungseinrichtung mit wenigstens einem Ablaufventil auf, welches dieses Risiko minimiert, da eingedrungenes Wasser beispielsweise in einen Überlaufbehälter der Wasserableitungseinrichtung geleitet wird, oder durch einen Siphon der Wasserableitungseinrichtung davon abgehalten wird, bis zum Eingang des Leitungselements mit der Turbine zu gelangen. Eingedrungenes Wasser kann mit dem wenigstens einen Ablaufventil aus dem Überlaufbehälter oder dem Siphon-Bereich abgeführt werden. Auf diese Weise kann der Rückfluss von Wasser in das Brennstoffzellensystem vorteilhaft vermieden werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann in die Wasserableitungseinrichtung eine Akustikdämpfungseinrichtung integriert sein. Die Turbine, welche die Abluft in das Fluidleitung führt, kann eine starke akustische Anregung des Abluftstroms erzeugen. Mit einer Akustikdämpfungseinrichtung, beispielsweise in Form eines Helmholtz-Resonators oder eines Breitband-Dämpfers, kann das verursachte Geräusch wirkungsvoll bedämpft werden. Durch die Integration der Akustikdämpfungseinrichtung in die Wasserableitungseinrichtung kann effektiv Bauraum eingespart werden. Weiter kann sich vorteilhaft eine Kostenersparnis gegenüber separaten Einzellösungen ergeben.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann das wenigstens eine Ablaufventil mit einer Pumpe zum Ableiten des Wassers hydraulisch verbunden sein. Eingedrungenes Wasser kann aus dem Leitungselement über das Ablaufventil abgeführt werden. Besonders wirksam kann das Wasser abgeleitet werden, wenn das Ablaufventil an eine Pumpe angeschlossen ist, welche das Wasser absaugen kann. Alternativ kann das Wasser auch durch das Ablaufventil durchgeblasen werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann an oder in dem Einlass ein Fördermittel zum Zuführen der Abluft in die Fluidleitung angeordnet sein. Insbesondere kann das Fördermittel eine Turbine sein. In einem Brennstoffzellensystem wird üblicherweise die Abluft mittels einer Turbine oder einem anderen fluidischen Fördermittel abgeblasen. Die Turbine wird üblicherweise als Teil des Brennstoffzellensystems integriert. Alternativ kann die Turbine auch Bestandteil des Leitungselements sein.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements können Einlass und Auslass höhenversetzt angeordnet sein. Insbesondere kann dabei der Einlass in Schwerkraftrichtung oberhalb des Auslasses angeordnet sein. Auf diese Weise kann der Einlass durch die Wirkung der Schwerkraft schon vor einem Rückfluss von Wasser zumindest teilweise geschützt werden.
Alternativ ist jedoch auch möglich, dass Einlass und Auslass auf gleicher Höhe angeordnet sind. In diesem Fall werden an die Wasserableitungseinrichtung, den Einlass der Fluidleitung vor einem Rückfluss an Wasser, insbesondere bei Wattbetrieb eines Fahrzeugs, zu schützen, höhere Anforderungen gestellt. Eine Möglichkeit stellt dabei ein Siphon als Wasserableitungseinrichtung dar.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann in der Fluidleitung, insbesondere räumlich benachbart zu dem Auslass, insbesondere auf einer Höhe des Auslasses, ein Wasserstandssensor angeordnet sein. Ein Wasserstandssensor kann zusätzlich ein Signal geben, dass Wasser in die Fluidleitung eingedrungen ist. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Pumpe zum Abfördern des Wassers aus dem Ablaufventil angesteuert werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann die Wasserableitungseinrichtung einen Überlaufbehälter aufweisen. Insbesondere kann dabei das Ablaufventil an einem tiefsten Punkt des Überlaufbehälters angeordnet sein. So kann vorteilhaft eingedrungenes Wasser zunächst aufgefangen und dann über das Ablaufventil abgeleitet werden. Wenn das Ablaufventil am tiefsten Punkt des Überlaufbehälters angeordnet ist, kann der Überlaufbehälter auf Grund der Schwerkraft nach einem Absenken der Wasserlinie, insbesondere nach Beenden der Watfahrt eines Fahrzeuges, zuverlässig entleert werden. Über eine zusätzliche Pumpe an dem Ablaufventil kann das Wasser auch während der Watfahrt abgeführt werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann der Überlaufbehälter als Akustikdämpfungseinrichtung wenigstens eine Resonatorkammer zur akustischen Dämpfung des Abluftstroms aufweisen, welche mit der Fluidleitung fluidisch verbunden ist. Insbesondere kann dabei der Überlaufbehälter als Helmholtz-Resonator ausgebildet sein. Mit einem solchen Helmholtz-Resonator lassen sich durch die Turbine und/oder die Strömungsführung verursachte Geräusche wirkungsvoll bedämpfen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann der Überlaufbehälter als Akustikdämpfungseinrichtung eine Mehrzahl von Resonatorkammern zur akustischen Dämpfung des Abluftstroms aufweisen, welche mit der Fluidleitung fluidisch verbunden sind. Insbesondere kann dabei der Überlaufbehälter als Vielkammer-Resonator ausgebildet sein. Mit einem Vielkammer-Resonator lassen sich durch die Turbine und/oder die Strömungsführung verursachte Geräusche im Gegensatz zu einem Einkammer-Resonator besonders wirkungsvoll bei mehreren Frequenzen und/oder über einen größeren Frequenzbereich bedämpfen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann der Überlaufbehälter als Akustikdämpfungseinrichtung eine Mehrzahl von Resonatorkammern aufweisen, welche auf derselben Höhe und/oder auf verschiedenen Höhen der Fluidleitung angeordnet sind. Insbesondere kann dabei der Überlaufbehälter als Breitband-Dämpfer ausgebildet sein. Mit einem Breitband-Dämpfer lassen sich durch die Turbine und/oder die Strömungsführung verursachte Geräusche besonders wirkungsvoll über einen breiten Frequenzbereich bedämpfen.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements können die Resonatorkammern die Fluidleitung hohlzylinderförmig umgebend angeordnet und mit der Fluidleitung über Wandungsöffnungen fluidisch verbunden sein. In einer solchen Ausgestaltung kann ein Breitband-Dämpfer besonders effektiv rund um die Fluidleitung angeordnet und mit einzelnen Wandungsöffnungen mit der Fluidströmung in der Fluidleitung fluidisch verbunden sein. Eine solche Anordnung wird auch als 360°-Dämpfer bezeichnet. Bei einer solchen Anordnung ist es besonders vorteilhaft, wenn das Leitungselement eine Wasserableitungseinrichtung aufweist, da Resonatorkammern, welche tiefer liegen als die Fluidleitung, mit Wasser volllaufen könnten. Bei der vorgeschlagenen Ausgestaltung kann dies vorteilhaft verhindert werden, indem ein Ablaufventil in den tiefer liegenden Resonatorkammern angeordnet wird.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann ein Überlaufventil in einer Resonatorkammer oberhalb des Auslasses angeordnet sein. Zusätzlich kann ein zusätzliches Ablaufventil auch in einer höher liegenden Resonatorkammer angeordnet werden, um so beispielsweise bei einem schnellen Wassereintritt, der auch höher liegende Resonatorkammern erreicht, das Wasser auch dort wieder abführen zu können.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann die Wasserableitungseinrichtung als Siphon ausgebildet und in der Fluidleitung integriert angeordnet sein, wobei eine obere Kante einer Siphonwand eine größere Höhe aufweist als eine Einbauhöhe der Turbine in der Fluidleitung. Eine Siphon-Anordnung kann wirkungsvoll verhindern, dass ein Wasserrückfluss, beispielsweise bei einer Watfahrt eines mit einem Brennstoffzellensystems betriebenen Fahrzeugs, einen Einlass der Fluidleitung erreichen kann, welcher auf derselben Höhe angeordnet ist wie der Auslass.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements können wenigstens zwei Siphons in einer Abluftströmungsrichtung hintereinander angeordnet sein. Die Anordnung mehrerer Siphons in der Fluidleitung hintereinander kann eine erhöhte Sicherheit gegen das Eindringen von Wasser in eine Turbine des Brennstoffzellensystems infolge eines Wasserrückflusses, insbesondere bei einer Watfahrt eines mit einem Brennstoffzellensystems betriebenen Fahrzeugs, darstellen, da bei mehreren Siphons das Aufnahmevolumen für Wasser entsprechend vergrößert ist.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann als Akustikdämpfungseinrichtung eine Mehrzahl von Resonatorkammern eines Resonators stromabwärts des einen oder der wenigstens zwei Siphons an der Fluidleitung angeordnet sein. Durch die Mehrzahl von Resonatorkammern können in der Fluidleitung durch die Turbine und/oder die Strömungsführung entstehende Geräusche in einem breitbandigen Frequenzbereich wirkungsvoll bedämpft werden.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements können die Resonatorkammern die Fluidleitung wenigstens teilweise umgebend angeordnet und/oder mit der Fluidleitung über Wandungsöffnungen fluidisch verbunden sein. Mit einer solchen Anordnung von Resonatorkammern, bei der die Resonatorkammern die Fluidleitung im Querschnitt halbkreisförmig umgeben, können die Geräusche des Abluftstroms vorteilhaft breitbandig bedämpft werden. Eine solche Anordnung ist auch als 180°-Dämpfer bekannt.
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung des Leitungselements kann das Ablaufventil an einer der Resonatorkammern angeordnet sein. Insbesondere kann dabei das Ablaufventil auf einer Höhe angeordnet sein, welche niedriger ist als eine Höhe der oberen Kante der Siphonwand. Damit kann sichergestellt werden, dass eingedrungenes Wasser über das Ablaufventil ablaufen kann, bevor die kritische Höhe der oberen Kante der Siphonwand erreicht wird.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen mit einem Kathodenzuluftpfad und einem Kathodenabluftpfad einer Brennstoffzelleneinheit und mit wenigstens einem Leitungselement wie oben beschrieben.
Das Leitungselement kann vorteilhaft in einer Abluftanlage des Brennstoffzellensystems, insbesondere in einer Abluftanlage eines mit dem Brennstoffzellensystem betriebenen Fahrzeugs, verbaut sein, um die Abluft des Brennstoffzellensystems aus einer Turbine in die Umgebung abzuleiten. Wenn der Auslass des Leitungselements unterhalb einer Wasserlinie, insbesondere unterhalb der Wattiefe des Fahrzeugs angeordnet ist, besteht das Risiko, insbesondere bei Watfahrten, dass Wasser entgegen der Strömungsrichtung der Abluft in das Abluftsystem eindringt und in Richtung der Turbine fließt. Komponenten in dem Abluftsystem und insbesondere die Turbine könnten dadurch nachhaltig geschädigt werden.
Das Leitungselement weist eine Wasserableitungseinrichtung mit wenigstens einem Ablaufventil auf, welches dieses Risiko minimiert, da eingedrungenes Wasser beispielsweise in einen Überlaufbehälter der Wasserableitungseinrichtung geleitet wird, oder durch einen Siphon der Wasserableitungseinrichtung davon abgehalten wird, bis zum Eingang des Leitungselements mit der Turbine zu gelangen. Eingedrungenes Wasser kann mit dem wenigstens einen Ablaufventil aus dem Überlaufbehälter oder dem Siphon-Bereich abgeführt werden. Auf diese Weise kann der Rückfluss von Wasser in das Brennstoffzellensystem vorteilhaft vermieden werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, 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 beispielhaft:

1 einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements für ein mit einem Brennstoffzellensystem betriebenes Fahrzeug, zum Ableiten von Abluft aus dem Brennstoffzellensystem, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Überlaufbehälter und einem Helmholtz-Resonator;
2 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements nach 1 ;
3 einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Überlaufbehälter und einem Vielkammer-Resonator;
4 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements nach 3;
5 einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Überlaufbehälter und einem Breitband-Däm pfer;
6 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements nach 5;
7 einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Siphon und einem Mehrkammer-Resonator;
8 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements nach 7;
9 einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei hintereinander angeordneten Siphons und einem Mehrkammer-Resonator;
10 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements nach 9; und
11 eine vereinfachte Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit Kathodenzuluftpfad und Kathodenabluftpfad.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements 10 für ein mit einem Brennstoffzellensystem 100 betriebenes Fahrzeug, zum Ableiten von Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 100, nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Überlaufbehälter 30 und einem Helmholtz-Resonator 32, während in 2 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements 10 nach 1 dargestellt ist.
Das Leitungselement 10 umfasst eine Fluidleitung 12 mit einem Einlass 14 und mit einem Auslass 16. Der Auslass 16 ist zum Abführen der Abluft des Brennstoffzellensystems in die Umgebung ausgebildet. Einlass 14 und Auslass 16 sind höhenversetzt angeordnet. Insbesondere ist der Einlass 14 in Schwerkraftrichtung 60 oberhalb des Auslasses 16 angeordnet.
Bei einem Einbau in ein Fahrzeug kann der Auslass 16 unterhalb einer Wattiefe des Fahrzeugs angeordnet sein. Deshalb kann in einem Wattbetrieb des Fahrzeugs Wasser durch den Auslass 16 in die Fluidleitung 12 eindringen und möglicherweise den Einlass 14 erreichen. Eingedrungenes Wasser 84 ist in der Fluidleitung 12 in der Nähe des Auslasses 16 symbolisch angedeutet. Die Wassereintrittsrichtung 82 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet.
An oder in dem Einlass 14 kann ein Fördermittel 18 zum Zuführen der Abluft in die Fluidleitung 12 angeordnet sein, üblicherweise eine Turbine, wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1 und 2 dargestellt. Die Abluftströmungsrichtung 80 ist mit einem Pfeil eingezeichnet.
Bei den in 1 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Turbine 18 jeweils als Teil des Leitungselements 10 in den Einlass 14 integriert dargestellt. Die Turbine 18 könnte jedoch auch als Teil des Brennstoffzellensystems 100 stromauf des Leitungselements 10 angeordnet sein.
Ein Wassereintritt in die Turbine 18 und/oder stromauf angeordnete, nicht dargestellte, Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 könnte erhebliche Schäden in der Turbine und/oder den Komponenten verursachen.
Deshalb ist zwischen Auslass 16 und Einlass 14 der Fluidleitung 12 eine Wasserableitungseinrichtung 20 zur Verhinderung eines ungewollten Wassereintritts von dem Auslass 16 in den Einlass 14 angeordnet. Die Wasserableitungseinrichtung 20 mit ist wenigstens einem Ablaufventil 22 fluidisch verbunden.
Die Wasserableitungseinrichtung 20 weist einen Überlaufbehälter 30 auf. Das Ablaufventil 22 ist an einem tiefsten Punkt des Überlaufbehälters 30 bezüglich einer eingezeichneten Schwerkraftrichtung 60 angeordnet. Zusätzlich kann das Ablaufventil 22 mit einer Pumpe zum Ableiten des Wassers hydraulisch verbunden sein, mit der das Wasser abgesaugt werden kann. Dafür ist in 1 und 2 eine Pumpenleitung 28 angedeutet. Das Ablaufventil 22 kann beispielsweise als übliches Pilsventil oder als Schnabelventil ausgebildet sein.
In der Fluidleitung 12 ist räumlich benachbart zu dem Auslass 16, insbesondere auf einer Höhe des Auslasses 16, ein Wasserstandssensor 24 angeordnet. Der Wasserstandssensor 24 kann zusätzlich ein Signal geben, dass Wasser in die Fluidleitung 12 eingedrungen ist. Auf diese Weise kann beispielsweise die Pumpe zum Abfördern des Wassers aus dem Ablaufventil 22 angesteuert werden.
Weiter ist in die Wasserableitungseinrichtung 20 eine Akustikdämpfungseinrichtung 50 integriert. Dazu weist der Überlaufbehälter 30 wenigstens eine Resonatorkammer 38 zur akustischen Dämpfung des Abluftstroms auf, welche mit der Fluidleitung 12 fluidisch verbunden ist. Insbesondere kann der Überlaufbehälter 30 so als Helmholtz-Resonator 32 ausgebildet sein.
Der Überlaufbehälter 30 erfüllt so mehrere Funktionen. Zum einen nimmt er in den Auslass 16 eindringendes Wasser eines Wasserrückflusses bei einem Watbetrieb des Fahrzeugs auf und leitet das Wasser über das Ablaufventil 22 wieder ab. Außerdem dient der obere Bereich des Überlaufbehälters 30 als Akustikdämpfungseinrichtung 50, da dort eine zur Fluidleitung 12 offene Resonatorkammer 38 angeordnet ist. Durch die Integration von Wasserableitungseinrichtung 20 und Akustikdämpfungseinrichtung 50 kann eine kompakte Bauweise des Leitungselements 10 ermöglicht und vorteilhaft Bauraum und Kosten gespart werden.
3 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Überlaufbehälter 30 und einem Vielkammer-Resonator 34, während in 4 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements 10 nach 3 dargestellt ist.
Die Funktionsweise der Wasserableitungseinrichtung 20 ist in ähnlicher Weise realisiert wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1 und 2. Der Überlaufbehälter 30 weist jedoch eine Mehrzahl von Resonatorkammern 38 zur akustischen Dämpfung des Abluftstroms auf, welche mit der Fluidleitung 12 fluidisch verbunden sind. Der Überlaufbehälter 30 ist so als Vielkammer-Resonator 34 ausgebildet. Die Resonatorkammern 38 können beispielsweise als λ/4-Rohre für verschiedene Frequenzen ausgebildet sein. Eine Resonatorkammer 38 ist unterhalb der Höhe des Auslasses 16 angeordnet. In dieser Resonatorkammer 38 als tiefstem Punkt des Leitungselements 10 ist zweckmäßigerweise das Ablaufventil 22 angeordnet.
Ein Wasserstandssensor 24 ist in der Fluidleitung 12 in der Nähe des Auslasses 16 angeordnet.
In 5 ist ein schematischer Längsschnitt eines Leitungselements 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Überlaufbehälter 30 und einem Breitband-Dämpfer 36 dargestellt, während in 6 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements 10 nach 5 dargestellt ist.
Der Überlaufbehälter 30 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine Mehrzahl von Resonatorkammern 38 auf, welche auf derselben Höhe und/oder auf verschiedenen Höhen der Fluidleitung 12 angeordnet sind. Die Resonatorkammern 38 weisen unterschiedliche Abmessungen auf. Ein Teil der Resonatorkammern 38 ist die Fluidleitung 12 hohlzylinderförmig umgebend angeordnet und mit der Fluidleitung 12 über Wandungsöffnungen 21 fluidisch verbunden sind. Die Wandungsöffnungen 21 können mit kleinen Durchmessern ausgeführt sein. Jede Resonatorkammer 38 ist dabei durch mehrere Wandungsöffnungen 21 mit der Fluidleitung 12 fluidisch verbunden. Ein Teil der Resonatorkammern 38 ist dabei unterhalb der Höhe des Auslasses 16 angeordnet, da die Resonatorkammern 38 die Fluidleitung 12 hohlzylinderförmig umgeben. Das Ablaufventil 22 ist in einer der untersten Resonatorkammern 38 angeordnet. Der Überlaufbehälter 30 ist so vorteilhaft als Breitband-Dämpfer 36 ausgebildet.
Ein weiteres Ventil kann als Überlaufventil 26 zweckmäßigerweise oberhalb des Auslasses 16 angeordnet sein, um so auch Wasser, das bis zu einer oberen Resonatorkammer 38 des Überlaufbehälters 30 eingedrungen ist, zu einem Überlaufrohr 27 abzuführen.
Ein Wasserstandssensor 24 ist hier weiter innen in der Fluidleitung 12, jedoch auf der Höhe des Auslasses 16 angeordnet.
7 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Siphon 40 und einem Mehrkammer-Resonator 46, während 8 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements 10 nach 7 zeigt.
Die Wasserableitungseinrichtung 20 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Siphon 40 in der Fluidleitung 12 integriert. Einlass 14 und Auslass 16 der Fluidleitung 12 sind auf derselben Höhe angeordnet. Eine obere Kante 44 einer Siphonwand 42 des Siphons 40 weist dazu eine größere Höhe 45 aufweist als eine Einbauhöhe 19 der Turbine 18 in der Fluidleitung 12. So kann durch den Auslass 16 eingedrungenes Wasser 84 wenigstens so lange davon abgehalten werden, zum Einlass 14 zu gelangen, bis es die Höhe der oberen Kante 45 übersteigt.
Als Akustikdämpfungseinrichtung 50 ist eine Mehrzahl von Resonatorkammern 38 des Resonators 46 stromabwärts des Siphons 40 an der Fluidleitung 12 angeordnet. Die Resonatorkammern 38 umgeben die Fluidleitung 12 im Querschnitt halbkreisförmig und sind mit der Fluidleitung 12 über Wandungsöffnungen 21 fluidisch verbunden. Mit einem solchen sogenannten 180°-Dämpfer lässt sich eine breitbandige Dämpfung der entstandenen Geräusche des Abluftstroms erreichen.
Das Ablaufventil 22 ist an einer der Resonatorkammern 38 angeordnet, und zwar zweckmäßigerweise auf einer Höhe 48, welche niedriger ist als eine Höhe 45 der oberen Kante 44 der Siphonwand 42. Dadurch kann eingedrungenes Wasser vorteilhaft abgeleitet werden.
9 zeigt einen schematischen Längsschnitt eines Leitungselements 10 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit zwei hintereinander angeordneten Siphons 40 und einem Mehrkammer-Resonator 46, während in 10 eine schematische Vorderansicht des Leitungselements 10 nach 9 dargestellt ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind zwei Siphons 40 in einer Abluftströmungsrichtung 80 hintereinander angeordnet. Bei einer solchen Anordnung kann Wasser, welches über die obere Kante 44 der ersten Siphonwand 42 geflossen ist, durch den zweiten Siphon 40 davon abgehalten werden, in den Einlass 14 mit der Turbine 18 zu gelangen.
Die Anordnung der Akustikdämpfungseinrichtung 50 entspricht dem in 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel.
11 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines an sich bekannten Brennstoffzellensystems 100 mit einer Brennstoffzelleneinheit 120 mit einem Kathodenzuluftpfad 122 und Kathodenabluftpfad 124. Über den Kathodenzuluftpfad 122 wird der Brennstoffzelleneinheit 120 Umgebungsluft zugeführt, die über eine Reinigungsstufe gefiltert und über einen Kompressor eines Turboladers 110 angesaugt und verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird in einem Wärmetauscher 104 abgekühlt und mit einem Befeuchter 106 mit definierter Feuchte versehen.
In der Brennstoffzelleneinheit 120 reagiert der Luftsauerstoff mit Wasserstoff zu Wasser, das als Luft/Wassergemisch über den Kathodenabluftpfad 124 aus der Brennstoffzelleneinheit 120 abgeführt wird. Einen Teil des Wassers kann die Kathodenabluft im Befeuchter 106 an die Kathodenzuluft abgeben. Stromab des Befeuchters 106 ist ein Wasserabscheider 108 angeschlossen. Das abgeschiedene Wasser wird in einem Drainagepfad 130 abgeführt, während die getrocknete Kathodenabluft der Turbine 18 des Turboladers 110 zugeführt wird. Die Positionierung des Wasserabscheiders 10 stromauf der Turbine des Turboladers 110 ist besonders günstig. Es sind im Brennstoffzellensystem 100 weitere Wasserabscheider 108 angeordnet.
Die Abluft wird über das Leitungselement 10 aus der Turbine 18 des Turboladers 110 in die Umgebung abgeleitet. Dabei kann ein zusätzlicher Wasserabscheider optional in das Leitungselement 10 integriert sein. Das Leitungselement 10 kann, wie bei den in 1 bis 10 dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben, eine Wasserableitungseinrichtung 20 aufweisen, welche einen Wasserrückfluss in die Turbine 18 verhindert. Zusätzlich kann das Leitungselement 10 eine Akustikdämpfungseinrichtung 50 wie oben beschrieben aufweisen, welche eine wirksame Dämpfung der durch die Turbine 18 und/oder die Strömungsführung verursachten Geräusche bewirkt.
Bezugszeichen

10: Leitungselement
12: Fluidleitung
14: Einlass
16: Auslass
18: Turbine
19: Einbauhöhe Turbine
20: Wasserableitungseinrichtung
21: Wandungsöffnung
22: Ablaufventil
24: Wasserstandssensor
26: Überlaufventil
27: Überlaufrohr
28: Pumpenleitung
30: Überlaufbehälter
32: Helmholtz-Resonator
34: Vielkammer-Resonator
36: Breitband-Dämpfer
38: Resonatorkammer
40: Siphon
42: Siphonwand
44: obere Kante
45: Höhe
46: Resonator
48: Höhe
50: Akustikdämpfungseinrichtung
60: Schwerkraftrichtung
80: Abgasströmungsrichtung
82: Wassereintrittsrichtung
84: Wasser
100: Brennstoffzellensystem
102: Reinigungsstufe
104: Wärmetauscher
106: Befeuchter
108: Wasserabscheider
110: Turbolader
120: Brennstoffzelleneinheit
122: Kathodenzuluftpfad
124: Kathodenabluftpfad
130: Drainageleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012010131 A1 [0002]
US 2012214079 AA [0003]

Claims

Leitungselement (10) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere eines mit einem Brennstoffzellensystem betriebenes Fahrzeug, zum Ableiten von Abluft aus dem Brennstoffzellensystem (100), umfassend wenigstens eine Fluidleitung (12) mit einem Einlass (14) und mit einem Auslass (16), wobei der Auslass (16) zum Abführen der Abluft in die Umgebung, insbesondere unterhalb einer Wasserlinie, insbesondere unterhalb einer Wattiefe eines Fahrzeugs, ausgebildet ist, wobei zwischen Auslass (16) und Einlass (14) der Fluidleitung (12) eine Wasserableitungseinrichtung (20) zur Verhinderung eines ungewollten Wassereintritts von dem Auslass (16) in den Einlass (14) angeordnet ist, wobei die Wasserableitungseinrichtung (20) mit wenigstens einem Ablaufventil (22) fluidisch verbunden ist.
Leitungselement nach Anspruch 1, wobei in die Wasserableitungseinrichtung (20) eine Akustikdämpfungseinrichtung (50) integriert ist.
Leitungselement nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine Ablaufventil (22) mit einer Pumpe zum Ableiten des Wassers hydraulisch verbunden ist.
Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an oder in dem Einlass (14) ein Fördermittel (18) zum Zuführen der Abluft in die Fluidleitung (12) angeordnet ist, insbesondere wobei das Fördermittel (18) eine Turbine ist.
Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Einlass (14) und Auslass (16) höhenversetzt angeordnet sind, insbesondere wobei der Einlass (14) in Schwerkraftrichtung (60) oberhalb des Auslasses (16) angeordnet ist.
Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Fluidleitung (12), insbesondere räumlich benachbart zu dem Auslass (16), insbesondere auf einer Höhe des Auslasses (16), ein Wasserstandssensor (24) angeordnet ist.
Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wasserableitungseinrichtung (20) einen Überlaufbehälter (30) aufweist, insbesondere wobei das Ablaufventil (22) an einem tiefsten Punkt des Überlaufbehälters (30) angeordnet ist.
Leitungselement nach Anspruch 7, wobei der Überlaufbehälter (30) als Akustikdämpfungseinrichtung (50) wenigstens eine Resonatorkammer (38) zur akustischen Dämpfung des Abluftstroms aufweist, welche mit der Fluidleitung (12) fluidisch verbunden ist, insbesondere wobei der Überlaufbehälter (30) als Helmholtz-Resonator (32) ausgebildet ist.
Leitungselement nach Anspruch 7, wobei der Überlaufbehälter (30) als Akustikdämpfungseinrichtung (50) eine Mehrzahl von Resonatorkammern (38) zur akustischen Dämpfung des Abluftstroms aufweist, welche mit der Fluidleitung (12) fluidisch verbunden sind, insbesondere wobei der Überlaufbehälter (30) als Vielkammer-Resonator (34) ausgebildet ist.
Leitungselement nach Anspruch 7, wobei der Überlaufbehälter (30) als Akustikdämpfungseinrichtung (50) eine Mehrzahl von Resonatorkammern (38) aufweist, welche auf derselben Höhe und/oder auf verschiedenen Höhen der Fluidleitung (12) angeordnet sind, insbesondere wobei der Überlaufbehälter (30) als Breitband-Dämpfer (36) ausgebildet ist.
Leitungselement nach Anspruch 10, wobei die Resonatorkammern (38) die Fluidleitung (12) hohlzylinderförmig umgebend angeordnet und mit der Fluidleitung (12) über Wandungsöffnungen (21) fluidisch verbunden sind.
Leitungselement nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein Überlaufventil (26) in einer Resonatorkammer (38) oberhalb des Auslasses (16) angeordnet ist.
Leitungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wasserableitungseinrichtung (20) als Siphon (40) ausgebildet und in der Fluidleitung (12) integriert angeordnet ist, wobei eine obere Kante (44) einer Siphonwand (42) eine größere Höhe (45) aufweist als eine Einbauhöhe (19) der Turbine (18) in der Fluidleitung (12).
Leitungselement nach Anspruch 13, wobei wenigstens zwei Siphons (40) in einer Abluftströmungsrichtung (80) hintereinander angeordnet sind.
Leitungselement nach Anspruch 13 oder 14, wobei als Akustikdämpfungseinrichtung (50) eine Mehrzahl von Resonatorkammern (38) eines Resonators (46) stromabwärts des einen oder der wenigstens zwei Siphons (40) an der Fluidleitung (12) angeordnet ist.
Leitungselement nach Anspruch 15, wobei die Resonatorkammern (38) die Fluidleitung (12) wenigstens teilweise umgebend angeordnet und/oder mit der Fluidleitung (12) über Wandungsöffnungen (21) fluidisch verbunden sind.
Leitungselement nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei das Ablaufventil (22) an einer der Resonatorkammern (38) angeordnet ist, insbesondere wobei das Ablaufventil (22) auf einer Höhe (48) angeordnet ist, welche niedriger ist als eine Höhe (45) der oberen Kante (44) der Siphonwand (42).
Brennstoffzellensystem (100) mit einem Kathodenzuluftpfad (122) und einem Kathodenabluftpfad (124) einer Brennstoffzelleneinheit (120) und mit wenigstens einem Leitungselement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.