DE102022203423A1 - Collector arrangement for the exhaust system of a fuel cell unit - Google Patents
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Abstract
Sammleranordnung für den Abgasstrang eines BrennstoffzellenaggregatsDie vorliegende Entwicklung betrifft eine Sammleranordnung (30) für den Abgasstrang (40) eines Brennstoffzellenaggregats (10), welches einen in einem Brennstoffzellengehäuse (12) angeordneten Brennstoffzellenstapel (14) aufweist, mit:- einem Sammlerkörper (34) welcher einen ersten Einlass (31) und einen zweiten Einlass (32) sowie einen Auslass (35) aufweist, wobei der erste Einlass (31) und der zweite Einlass (32) strömungstechnisch in den Auslass (35) münden,- ein erstes regelbares Stellelement (50, 56), welches zur Regulierung des durchströmbaren Querschnitts des Sammlerkörpers (34) an einem von erstem Einlass (31) und zweitem Einlass (32) angeordnet ist.Collector arrangement for the exhaust line of a fuel cell unit The present development relates to a collector arrangement (30) for the exhaust line (40) of a fuel cell unit (10), which has a fuel cell stack (14) arranged in a fuel cell housing (12), with: - a collector body (34) which a first inlet (31) and a second inlet (32) as well as an outlet (35), the first inlet (31) and the second inlet (32) flowing into the outlet (35), - a first controllable control element ( 50, 56), which is arranged at one of the first inlet (31) and second inlet (32) to regulate the flow-through cross section of the collector body (34).
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Entwicklung betrifft ein Brennstoffzellenaggregat und eine im Abgasstrang des Brennstoffzellenaggregats vorgesehene Sammleranordnung. Daneben betrifft die Entwicklung ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellenaggregat.The present development relates to a fuel cell unit and a collector arrangement provided in the exhaust system of the fuel cell unit. The development also concerns a motor vehicle with such a fuel cell unit.
Hintergrundbackground
Aus dem Dokument
Bei derartigen Brennstoffzellenanordnungen ist es bislang üblich, die einzelnen fluid- oder gasführenden Pfade jeweils gesondert mit einem oder mit mehreren Stellmitteln oder Stellgliedern zu versehen. Diese sind typischerweise separat an Haltern befestigt und mit Schläuchen miteinander verbunden.In such fuel cell arrangements, it has so far been common practice to provide the individual fluid or gas-carrying paths separately with one or more actuating means or actuators. These are typically attached separately to holders and connected to each other with hoses.
Demgegenüber ist es Zielsetzung der vorliegenden Entwicklung, eine besonders günstige und praktische Anordnung von Stellelementen im oder am Abgasstrang eines Brennstoffzellenaggregats bereitzustellen, die bevorzugt mit einer Reduzierung der verwendeten Einzelteile und mit einer Bauteilreduzierung einhergeht. Das Brennstoffzellenaggregat soll sich durch einen vergleichsweise einfachen Aufbau auszeichnen. Ferner sollen Strömungswege zwischen den einzelnen Komponenten des Brennstoffzellenaggregats möglichst verkürzt werden. Die Länge vom im Bereich des Brennstoffzellenaggregats zu verlegender Leitungen soll möglichst verkürzt und hinsichtlich ihrer Strömungscharakteristik optimiert werden. Es ist eine weitere Zielsetzung, das Gewicht und den benötigten Bauraum für ein solches Brennstoffzellenaggregat zu reduzieren.In contrast, the aim of the present development is to provide a particularly favorable and practical arrangement of control elements in or on the exhaust system of a fuel cell unit, which is preferably accompanied by a reduction in the number of individual parts used and with a reduction in components. The fuel cell unit should be characterized by a comparatively simple structure. Furthermore, flow paths between the individual components of the fuel cell unit should be shortened as much as possible. The length of the lines to be laid in the area of the fuel cell unit should be shortened as much as possible and optimized in terms of their flow characteristics. Another objective is to reduce the weight and the space required for such a fuel cell unit.
Vorteilhafte AusgestaltungenAdvantageous configurations
Diese Aufgabe wird mit einer Sammleranordnung, einem Brennstoffzellenaggregat und mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.This task is solved with a collector arrangement, a fuel cell unit and with a motor vehicle with the features of the independent claims. Advantageous refinements are the subject of dependent patent claims.
In einem ersten Aspekt ist insoweit eine Sammleranordnung für den Abgasstrang eines Brennstoffzellenaggregats vorgesehen. Das Brennstoffzellenaggregat weist einen in einem Brennstoffzellengehäuse angeordneten Brennstoffzellenstapel auf. Die Sammleranordnung weist einen Sammelkörper auf. Dieser weist einen ersten Einlass und einen zweiten Einlass sowie einen Auslass auf. Der erste Einlass und der zweite Einlass münden strömungstechnisch in den Auslass.In a first aspect, a collector arrangement is provided for the exhaust system of a fuel cell unit. The fuel cell unit has a fuel cell stack arranged in a fuel cell housing. The collector arrangement has a collector body. This has a first inlet and a second inlet as well as an outlet. The first inlet and the second inlet flow into the outlet in terms of flow.
Die Sammleranordnung weist ferner ein erstes regelbares Stellelement auf, welches zur Regulierung des durchströmbaren Querschnitts des Sammlerkörpers an einem von erstem Einlass und zweitem Einlass angeordnet ist. Der Sammlerkörper kann die beiden Einlässe strömungstechnisch miteinander koppeln und gemeinsam in den Auslass führen. Dadurch, dass zumindest an einem von erstem und zweitem Einlass ein Stellelement angeordnet ist, kann eine separate fluid- oder gasführende Leitung zum oder vom Stellelement in vorteilhafter Weise entfallen. Die unmittelbare Anordnung des regelbaren Stellelements an einem von erstem und zweitem Einlass ermöglicht es, den mit dem jeweiligen Einlass verbundenen Strang strömungstechnisch zu regulieren, ohne hierfür eine gesonderte Leitung, etwa eine Schlauchleitung verlegen zu müssen.The collector arrangement also has a first controllable control element, which is arranged at one of the first inlet and the second inlet to regulate the flow-through cross section of the collector body. The collector body can fluidly couple the two inlets and lead them together into the outlet. Because an actuating element is arranged at least on one of the first and second inlets, a separate fluid or gas-carrying line to or from the actuating element can advantageously be eliminated. The direct arrangement of the controllable control element on one of the first and second inlets makes it possible to regulate the flow of the line connected to the respective inlet without having to lay a separate line, such as a hose line, for this purpose.
Die unmittelbare Anordnung des zumindest ersten regelbaren Stellelements an einem von erstem und zweitem Einlass ermöglicht es, auf eine separate fluid- und/oder gasführende Leitung zu verzichten. Die unmittelbare Anordnung oder gar Integration des ersten regelbaren Stellelements an oder in die Sammleranordnung ermöglicht insoweit eine Reduzierung des erforderlichen Bauraums sowie eine Reduzierung der Bauteile für das Brennstoffzellenaggregat.The direct arrangement of the at least first controllable control element on one of the first and second inlets makes it possible to dispense with a separate fluid and/or gas-carrying line. The direct arrangement or even integration of the first controllable control element on or into the collector arrangement enables a reduction in the required installation space and a reduction in the number of components for the fuel cell unit.
Das regelbare Stellelement kann beispielsweise als Regelventil, als Regelklappe, als Regeldrossel oder als regelbare Blende ausgestaltet sein. Das regelbare Stellelement ist insbesondere elektronisch regelbar implementiert. Es kann beispielsweise einen elektromechanischen Antrieb aufweisen oder mit einem solchen mechanisch gekoppelt sein, um insbesondere den durchströmbaren Querschnitt des betreffenden ersten oder zweiten Einlasses bedarfsgerecht für den Betrieb des Brennstoffzellengehäuses regeln zu können.The controllable control element can be designed, for example, as a control valve, as a control flap, as a control throttle or as a controllable aperture. The controllable control element is implemented in particular in an electronically controllable manner. For example, it can have an electromechanical drive or be mechanically coupled to one in order in particular to be able to regulate the flow-through cross section of the relevant first or second inlet as required for the operation of the fuel cell housing.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Sammleranordnung ein zweites regelbares Stellelement auf, welches am anderen von erstem Einlass und zweitem Einlass angeordnet ist. Typischerweise und bei Implementierung zweier Stellelemente ist das erste Stellelement am ersten Einlass angeordnet und das zweite Stellelement ist am zweiten Einlass angeordnet. Auch das zweite Stellelement kann, ähnlich wie das erste Stellelement, als elektronisch regelbares Stellelement implementiert sein. Mittels des zweiten Stellelements ist beispielsweise der von einem Medium durchströmbare Querschnitt des zweiten Einlasses zum Betrieb des Brennstoffzellengehäuses regulierbar.According to a further embodiment, the collector arrangement has a second controllable control element, which is arranged at the other of the first inlet and the second inlet. Typically and when implementing two actuating elements, the first actuating element is arranged at the first inlet and the second actuating element is arranged at the second inlet. The second control element can also be implemented as an electronically controllable control element, similar to the first control element. By means of the second adjusting element, for example, the cross section of the second inlet through which a medium can flow can be regulated for operating the fuel cell housing.
Dadurch dass an der Sammleranordnung, insbesondere an ihren ersten und zweiten Einlässen, jeweils ein regelbares Stellelement angeordnet ist und die Sammleranordnung insoweit über zwei separate Stellelemente verfügt, kann die Anzahl und die Länge der zu verlegenden Leitungen weiter reduziert werden. Ferner kann der Sammlerkörper als Montageplattform für das erste und/oder für das zweite Stellelement fungieren. Insoweit kommt der Sammleranordnung, insbesondere dem Sammlerkörper eine Doppelfunktion zu. Der Sammlerkörper vereinigt den ersten Einlass und den zweiten Einlass strömungstechnisch in den Auslass.Because a controllable actuating element is arranged on the collector arrangement, in particular at its first and second inlets, and the collector arrangement has two separate actuating elements, the number and length of the lines to be laid can be further reduced. Furthermore, the collector body can function as a mounting platform for the first and/or the second actuating element. In this respect, the collector arrangement, in particular the collector body, has a dual function. The collector body fluidly combines the first inlet and the second inlet into the outlet.
Des Weiteren kann der Sammlerkörper als Montagebasis für das erste Stellelement und/oder für das zweite Stellelement fungieren. Gesonderte Halterungen oder Trägeranordnungen für die Befestigung der Stellelemente am oder im Brennstoffzellenaggregat können somit entfallen. Hierdurch können weitere Bauteile sowie Herstellungskosten eingespart, zudem das Gewicht des Brennstoffzellenaggregats gesenkt werden.Furthermore, the collector body can function as a mounting base for the first actuating element and/or for the second actuating element. Separate holders or support arrangements for fastening the adjusting elements on or in the fuel cell unit can therefore be omitted. This means that additional components and manufacturing costs can be saved and the weight of the fuel cell unit can also be reduced.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Sammlerkörper einen dritten Einlass auf, welcher mit einer Spülleitung eines Spülstrangs des Brennstoffzellenaggregats verbindbar oder verbunden ist. Der Spülstrang steht hierbei typischerweise strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellengehäuse in Strömungsverbindung. Über den Spülstrang kann beispielsweise das Innere des Brennstoffzellengehäuses bedarfsweise und temporär gespült werden, etwa um überschüssiges Reaktionsgas und/oder Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellengehäuse zu entfernen.According to a further embodiment, the collector body has a third inlet, which can be connected or is connected to a flushing line of a flushing line of the fuel cell unit. The flushing line is typically in fluid communication with the fuel cell housing. For example, the interior of the fuel cell housing can be flushed temporarily and as needed via the flushing line, for example in order to remove excess reaction gas and/or moisture from the fuel cell housing.
Der dritte Einlass ist von Vorteil ebenfalls strömungstechnisch mit dem Auslass des Sammlerkörpers verbunden. Der erste Einlass, der zweite Einlass und der optionale dritte Einlass können strömungstechnisch parallel geschaltet sein. Über die entsprechenden Einlässe in den Sammler eingeleitete Gase oder Fluide werden im Sammlerkörper vereint und über den Auslass aus dem Sammlerkörper herausgeführt. Der Auslass kann insoweit als Auspuff oder als strömungstechnisches Ende eines Abgasstrangs des Brennstoffzellenaggregats fungieren.The third inlet is advantageously also fluidly connected to the outlet of the collector body. The first inlet, the second inlet and the optional third inlet can be fluidically connected in parallel. Gases or fluids introduced into the collector via the corresponding inlets are combined in the collector body and led out of the collector body via the outlet. In this respect, the outlet can function as an exhaust or as a fluidic end of an exhaust system of the fuel cell unit.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Einlass der Sammleranordnung mit einer Abgasleitung des Brennstoffzellenstapels strömungstechnisch koppelbar oder er ist hiermit gekoppelt. Insoweit kann das erste regelbare Stellelement als sogenanntes Gegendruckventil ausgestaltet sein, welches einen Gegendruck für einen durch den Brennstoffzellenstapel geleiteten Gas- oder Fluidstrom regelt.According to a further embodiment, the first inlet of the collector arrangement can be fluidly coupled to an exhaust gas line of the fuel cell stack or is coupled therewith. In this respect, the first controllable actuating element can be designed as a so-called counter-pressure valve, which regulates a counter-pressure for a gas or fluid flow conducted through the fuel cell stack.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der zweite Einlass mit einer den Brennstoffzellenstapel umgehenden Bypassleitung strömungstechnisch koppelbar oder ist hiermit gekoppelt. Insoweit kann mit dem zweiten regelbaren Stellelement am zweiten Einlass der Strömungsquerschnitt durch eine Bypassleitung aktiv gesteuert oder geregelt werden. Eine solche Bypassleitung ermöglicht es, eine stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels vorgesehenen Verdichter mit einem konstanten, bzw. vorgegebenen Volumenstrom zu betreiben und in dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Volumenstrom durch Einstellung von erstem und zweiten Stellelement besonders effektiv, präzise und bedarfsgerecht zu steuern oder zu regeln.According to a further embodiment, the second inlet can be fluidly coupled to or is coupled to a bypass line surrounding the fuel cell stack. In this respect, the flow cross section can be actively controlled or regulated through a bypass line using the second controllable actuating element at the second inlet. Such a bypass line makes it possible to operate a compressor provided upstream of the fuel cell stack with a constant or predetermined volume flow and to control or regulate the volume flow to be supplied to the fuel cell stack particularly effectively, precisely and as required by adjusting the first and second actuating elements.
Nach einer weiteren Ausgestaltung mündet der erste Einlass geradlinig in den Auslass. Der zweite Einlass mündet unter einem vorgegebenen Winkel in den ersten Einlass und/oder in den Auslass des Sammlerkörpers. Der geradlinige Verlauf des ersten Einlasses ermöglicht es, den Strömungswiderstand des Sammlerkörpers zwischen dem ersten Einlass und dem Auslass auf ein Minimum zu reduzieren. Ein Druckverlust im Abgasstrang, welcher sich vom Brennstoffzellenstapel in den Auslass erstreckt, kann auf diese Art und Weise möglichst minimiert werden, was für einen effizienten Betrieb des Brennstoffzellenstapels von Vorteil ist.According to a further embodiment, the first inlet flows straight into the outlet. The second inlet opens at a predetermined angle into the first inlet and/or into the outlet of the collector body. The straight course of the first inlet makes it possible to reduce the flow resistance of the collector body between the first inlet and the outlet to a minimum. A pressure loss in the exhaust system, which extends from the fuel cell stack into the outlet, can be minimized as much as possible in this way, which is advantageous for efficient operation of the fuel cell stack.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Sammleranordnung weist zumindest einer von erstem Einlass und zweitem Einlass dem Sammlerkörper abgewandt, einen Flanschabschnitt auf, an welchem das erste Stellelement oder das zweite Stellelement anordenbar ist oder angeordnet ist. Ein Flanschabschnitt im Bereich des ersten und/oder des zweiten Einlasses ermöglicht eine besonders einfache, effektive und dauerhaltbare sowie abdichtende Verbindung des jeweiligen Stellelements am betreffenden Flanschabschnitt.According to a further embodiment of the collector arrangement, at least one of the first inlet and the second inlet, facing away from the collector body, has a flange section on which the first actuating element or the second actuating element can be or is arranged. A flange section in the area of the first and/or the second inlet enables a particularly simple, effective and durable and sealing connection of the respective actuating element to the relevant flange section.
Insoweit kann das Stellelement außerhalb und in Strömungsrichtung angrenzend an den Flanschabschnitt, bzw. dem jeweiligen ersten oder zweiten Einlass angeordnet sein oder werden. Das Stellelement kann dem jeweiligen Einlass strömungstechnisch vorgelagert sein. Das Stellelement kann hierbei selbst ein fluid- oder gasführendes Gehäuse aufweisen, welches in seiner Montagestellung dem Flanschabschnitt von erstem und/oder zweitem Einlass typischerweise einen Anschlussstutzen, etwa für eine fluidführende Leitung aufweist.In this respect, the actuating element can be or will be arranged outside and in the flow direction adjacent to the flange section or the respective first or second inlet. The actuating element can be fluidically positioned upstream of the respective inlet. The actuating element can itself have a fluid or gas-conducting housing, which is in its mounting position The flange section of the first and/or second inlet typically has a connecting piece, for example for a fluid-carrying line.
Ein Flanschabschnitt am ersten und/oder zweiten Einlass des Sammlerkörpers ermöglicht eine besonders einfache und unmittelbare Anordnung sowie abdichtende Befestigung des ersten und/oder zweiten Stellelements am Sammlerkörper. Etwaige Schlauchleitungen zwischen dem Sammler und den Stellelementen können somit entfallen.A flange section at the first and/or second inlet of the collector body enables a particularly simple and direct arrangement and sealing attachment of the first and/or second actuating element to the collector body. Any hose lines between the collector and the control elements can therefore be omitted.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist das erste Stellelement oder das zweite Stellelement eine elektronisch regelbare Klappenanordnung, eine elektronisch regelbare Drossel oder eine elektronisch regelbare Ventilanordnung auf. Das Stellelement ist typischerweise stufenlos verstellbar, um den von einem Gas oder Fluid durchströmbaren Querschnitt des ersten Einlasses und/oder des zweiten Einlasses bedarfsgerecht zu verändern, insbesondere zu regulieren. Typischerweise sind das erste Stellelement und das zweite Stellelement unabhängig voneinander ansteuerbar.According to a further embodiment, the first control element or the second control element has an electronically controllable flap arrangement, an electronically controllable throttle or an electronically controllable valve arrangement. The adjusting element is typically continuously adjustable in order to change, in particular to regulate, the cross section of the first inlet and/or the second inlet through which a gas or fluid can flow as required. Typically, the first control element and the second control element can be controlled independently of one another.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Sammlerkörper einteilig ausgestaltet. Er kann in Form eines Gussbauteils etwa aus Metall oder Kunststoff ausgestaltet sein. Eine einstückige oder einteilige Ausgestaltung des Sammlerkörpers erweist sich unter Kostenaspekten sowie in montagetechnischer Hinsicht als besonders vorteilhaft.According to a further embodiment, the collector body is designed in one piece. It can be designed in the form of a cast component, for example made of metal or plastic. A one-piece or one-piece design of the collector body proves to be particularly advantageous from a cost perspective and from an assembly point of view.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Entwicklung ferner ein Brennstoffzellenaggregat, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellenaggregat weist ein Brennstoffzellengehäuse auf, in welchem ein Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Das Brennstoffzellenaggregat verfügt ferner über einen gasführenden Versorgungsstrang, welcher in den Brennstoffzellenstapel mündet. Das Brennstoffzellenaggregat weist ferner einen gasführenden Abgasstrang auf, welcher aus dem Brennstoffzellenstapel herausführt. Das Brennstoffzellenaggregat weist ferner eine zuvor beschriebene Sammleranordnung auf. Der erste Einlass der Sammleranordnung ist hierbei strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden. Der zweite Einlass der Sammleranordnung ist mit einer Bypassleitung eines Bypassstrangs verbunden. Die Bypassleitung zweigt stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels vom Versorgungsstrang ab.According to a further aspect, the present development also relates to a fuel cell unit, in particular for a motor vehicle. The fuel cell unit has a fuel cell housing in which a fuel cell stack is arranged. The fuel cell unit also has a gas-carrying supply line which opens into the fuel cell stack. The fuel cell unit also has a gas-carrying exhaust line which leads out of the fuel cell stack. The fuel cell unit also has a previously described collector arrangement. The first inlet of the collector arrangement is fluidly connected to the fuel cell stack. The second inlet of the collector arrangement is connected to a bypass line of a bypass line. The bypass line branches off from the supply line upstream of the fuel cell stack.
Das mit der zuvor beschriebenen Sammleranordnung ausgestattete Brennstoffzellenaggregat zeichnet sich durch eine verringerte Anzahl an Bauteilen auf. Insbesondere können mittels der Sammleranordnung die regelbaren Stellelemente unmittelbar am Sammlerkörper angeordnet werden, sodass eine gesonderte Montage und Befestigung der regelbaren Stellelemente sowie deren fluidtechnische Verbindung zu einem hiervon beabstandet vorgesehenen Sammler entfallen kann. Ferner zeichnet sich die unmittelbare Anordnung eines oder mehrerer Stellelemente an der Sammleranordnung durch eine verringerte Anzahl benötigter Leitungen, insbesondere Schlauchleitungen aus.The fuel cell unit equipped with the collector arrangement described above is characterized by a reduced number of components. In particular, by means of the collector arrangement, the controllable control elements can be arranged directly on the collector body, so that a separate assembly and fastening of the controllable control elements as well as their fluid connection to a collector provided at a distance therefrom can be omitted. Furthermore, the direct arrangement of one or more control elements on the collector arrangement is characterized by a reduced number of lines required, in particular hose lines.
Nach einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Entwicklung schließlich ein Kraftfahrzeug mit einem zuvor beschriebenen Brennstoffzellenaggregat. Das Kraftfahrzeug kann als Personenkraftwagen oder als Transporter ausgestaltet sein. Das Kraftfahrzeug kann neben dem Brennstoffzellenaggregat eine Batterie und einen elektrischen Antrieb aufweisen. Energie für den elektrischen Antrieb kann mittels der Batterie gespeichert und mittels des Brennstoffzellenaggregats lokal erzeugt werden.According to a further aspect, the present development finally relates to a motor vehicle with a previously described fuel cell unit. The motor vehicle can be designed as a passenger car or as a transporter. In addition to the fuel cell unit, the motor vehicle can have a battery and an electric drive. Energy for the electric drive can be stored using the battery and generated locally using the fuel cell unit.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Entwicklung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs, -
2 eine perspektivische Darstellung einer Implementierung eines Brennstoffzellenaggregats von schräg oben betrachtet, -
3 das Brennstoffzellenaggregat gemäß2 von oben betrachtet, -
4 das Brennstoffzellenaggregat gemäß2 und3 von der Seite betrachtet und -
5 das Brennstoffzellenaggregat der 2 bis 4 von unten betrachtet, -
6 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform des Brennstoffzellenaggregats, -
7 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform des Brennstoffzellenaggregats, -
8 eine Ausführungsform der Sammleranordnung in Explosionsdarstellung und -
9 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Sammleranordnung mit insgesamt drei Einlässen.
-
1 a schematic side view of a motor vehicle, -
2 a perspective view of an implementation of a fuel cell unit viewed obliquely from above, -
3 the fuel cell unit according to2 viewed from above, -
4 the fuel cell unit according to2 and3 viewed from the side and -
5 thefuel cell unit 2 until4 viewed from below, -
6 a block diagram of an embodiment of the fuel cell unit, -
7 a block diagram of a further embodiment of the fuel cell unit, -
8th an embodiment of the collector arrangement in an exploded view and -
9 a perspective view of another collector arrangement with a total of three inlets.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Das in
Das Brennstoffzellenaggregat 10 verfügt ferner über einen Verdichter 24, mittels welchem die zugeführte Luft oder das zugeführte Reaktionsgas auf einen Betriebsdruck verdichtet werden kann. Stromabwärts des Verdichters 24 ist typischerweise ein Kühler 26 vorgesehen, um das infolge der Verdichtung erwärmte Fluid oder Gas auf ein vorgegebenes Temperaturniveau abzukühlen.The
Das Brennstoffzellenaggregat 10 weist ferner einen Brennstoffzellenstapel 14 auf, welcher in einem Brennstoffzellengehäuse 12 abdichtend angeordnet ist. Im Brennstoffzellenstapel findet ein elektrochemischer Prozess statt, bei dem typischerweise molekularer Sauerstoff und molekularer Wasserstoff in Wasser und elektrischer Energie umgewandelt werden.The
Einlassseitig ist der Brennstoffzellenstapel 14 strömungstechnisch mit einem Versorgungsstrang 44 gekoppelt. Der Versorgungsstrang 44 weist eine gasführende Versorgungsleitung 45 auf, über welche ein Gas oder Gasgemisch dem Brennstoffzellenstapel 14 zuführbar ist. Der Brennstoffzellenstapel 14 ist ferner mit einem Abgasstrang 40 fluidführend gekoppelt. Dieser weist eine Abgasleitung 41 auf, die aus dem Brennstoffzellengehäuse 12 herausführt. Stromaufwärts des Brennstoffzellengehäuses 12 ist ein Befeuchter 20 vorgesehen. Der Versorgungsstrang 44 verläuft durch den Befeuchter und das im Versorgungsstrang strömende Gas kann im Bereich des Befeuchters 20 mit Feuchtigkeit angereichert werden. Der Abgasstrang 40 kann ebenfalls durch den Befeuchter 20 laufen, dort aber mit einem Feuchtigkeitsabscheider 22 fluidführend gekoppelt sein, um Feuchtigkeit aus dem im Abgasstrang 40 geführten Gas oder Gasgemisch zu entfernen.On the inlet side, the
Der Befeuchter 20 kann eine Vielzahl von im Einzelnen nicht dargestellten Hohlfasermembranen aufweisen, die sich bevorzugt derart im Gehäuse des Befeuchters 20 erstrecken, sodass ihre inneren Hohlräume von dem Abgas durchströmt werden. Das zu befeuchtende und in Richtung zum Brennstoffzellenstapel strömende gasförmige Betriebsmedium kann solche Hohlfasern insbesondere in Querstromrichtung von außen umströmen. Eine umgekehrte Gasführung ist dabei ebenso möglich.The
Im Versorgungsstrang stromabwärts des Befeuchters 20 und stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 14 ist ein regulierbares oder regelbares Stellelement 70, etwa in Form einer Klappenanordnung 71 angeordnet. Das Stellelement 70 ist insbesondere elektronisch regelbar. Es fungiert als Einlassventil für das dem Brennstoffzellenstapel 14 zuzuführende gasförmige Medium.A controllable or
Stromabwärts des Luftbefeuchters 20, respektive des Abscheiders 22 ist ein erstes Stellelement 50 im Abgasstrang 40 angeordnet. Das erste Stellelement 50 kann ebenso eine Klappenanordnung 51 aufweisen.A
Das Brennstoffzellengehäuse 12 steht ferner mit einem Spülstrang 46 in Strömungsverbindung. Der Spülstrang 46 zweigt stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 14 im Bereich eines Abzweigs 18 vom Versorgungsstrang 44 ab und mündet mit einer Spülleitung 47 in das Innere des Brennstoffzellengehäuses 12, aber außerhalb des Brennstoffzellenstapels 14. Der Spülstrang 46 weist ferner eine Spülleitung 48 auf, welche vom Brennstoffzellengehäuse 12 in den Abgasstrang 40, bzw. in Abgasleitung 41 mündet.The
Schließlich weist das Brennstoffzellenaggregat 10 einen Bypassstrang 42 mit einer Bypassleitung 43 auf. Diese zweigt stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 14, bevorzugt auch stromaufwärts des Befeuchters 20 im Bereich eines Abzweigs 16 vom Versorgungsstrang 44 ab. Der Bypassstrang 42 mit seiner Bypassleitung 43 mündet in den Abgasstrang 40 und somit in die Abgasleitung 41, dort in einem Bereich, welcher sich stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 14 als auch stromabwärts des Abscheiders 22 befindet.Finally, the
Im Bypassstrang 42 ist ein zweites Stellelement 56 angeordnet, um den Strömungsquerschnitt der Bypassleitung 43 bedarfsgerecht einzustellen und/oder zu ändern. Die Bypassleitung 43 mündet in die Abgasleitung 41.A
Vorliegend und wie insbesondere in den
Die Einlässe 31, 32 weisen jeweils einen Flanschabschnitt 36, 37 auf, wie dies insbesondere in
Dem Flanschabschnitt 36 abgewandt ist das erste Stellelement 50 ferner mit einem Anschlussstutzen 52 versehen. Der Anschlussstutzen 52 kann insbesondere mit einem fluid- oder gasführenden Leitungsstück 53 der Abgasleitung 41 gekoppelt oder verbunden sein. Das Leitungsstück 53 kann sich vom Abscheider 22 zum Sammler erstrecken. Strömungstechnisch schließt sich hieran in Strömungsrichtung ein Leitungsstück 54 des Sammlerkörpers 34 an, welches über den Auslass 35 in ein weiteres etwa L-förmig gekrümmtes Leitungsstück 55 der Abgasleitung 41 mündet.Facing away from the
Im Ausführungsbeispiel der
Ähnlich oder weitreichend identisch wie bereits zum ersten Einlass 31 und zum ersten Stellelement 50 beschrieben, kann auch der zweite Einlass 32 mit seinem Flanschabschnitt 37 mit dem zweiten Stellelement 56 verbunden werden. An der dem Flansch 37 abgewandten Seite des Stellelements 56 kann ebenfalls ein Anschlussstutzen 58 vorgesehen sein, welcher mit der Bypassleitung 43 strömungstechnisch gekoppelt ist. Die Anschlussstutzen 52, 58 können insbesondere zur Aufnahme eines fluid- oder gasführenden Schlauchs ausgestaltet sein.Similar or largely identical to what has already been described for the
Der Sammler 30, insbesondere sein Sammlerkörper 34 kann im Wesentlichen einteilig ausgestaltet sein. Die Einlässe 31, 32 können Y-artig in den Auslass 35 münden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erstreckt sich der erste Einlass 31 in etwa geradlinig in den Auslass 35. Der zweite Einlass 32 ragt unter einem vorgegebenen Winkel seitlich in die Seitenwand des Sammlers 30 hinein. Jene geradlinige Ausgestaltung des ersten Einlasses 31 in den Auslass 35 ermöglicht eine weitgehende Reduzierung des vom Sammler 30 ausgehenden Druckverlusts für den Abgasstrang 40.The
Der Sammler 30 stellt insbesondere eine Montagebasis oder einen Montageträger für die typischerweise elektrisch ansteuerbaren Stellelemente 50, 56 bereit, mittels derer der Strömungsquerschnitt durch die jeweiligen Stränge, insbesondre durch den Abgasstrang 40 und den Bypassstrang 42 bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Wird beispielsweise mittels der Stellelemente 70, 56 der durchströmbare Querschnitt des Bypassstrangs 42 und des Versorgungsstrangs 44 auf ein Minimum reduziert, so kann das Innere des Brennstoffzellengehäuses 12 mit dem durch den Spülstrang 46 strömenden Medium effektiv gespült werden, um überschüssiges Reaktionsgas und/oder sonstige Reaktionsprodukte, etwa Feuchtigkeit aus dem Gehäuse 12 über die Spülleitung 48 zu entfernen.The
Bei der weiteren Ausgestaltung des Sammlers 30 gemäß der
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltungen der Entwicklung, zu welcher im Rahmen der Entwicklung weitere zahlreiche Varianten denkbar sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Entwicklung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine oder einige mögliche Implementierung(en) eines Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.The embodiments shown merely show possible configurations of the development, for which numerous further variants are conceivable within the scope of development. The exemplary embodiments shown are in no way to be interpreted as limiting the scope, applicability or configuration options of the development. The present description merely shows the person skilled in the art one or a few possible implementation(s) of an exemplary embodiment. A wide variety of modifications can be made to the function and arrangement of the elements described without departing from the scope of protection defined by the following claims or its equivalents.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Kraftfahrzeugmotor vehicle
- 22
- KraftfahrzeugkarosserieMotor vehicle body
- 33
- Innenrauminner space
- 44
- Antriebdrive
- 1010
- BrennstoffzellenaggregatFuel cell aggregate
- 1212
- BrennstoffzellengehäuseFuel cell housing
- 1414
- BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
- 1616
- Abzweigbranch
- 1818
- Abzweigbranch
- 2020
- Befeuchterhumidifier
- 2222
- Abscheiderseparator
- 2424
- Verdichtercompressor
- 2626
- Kühlercooler
- 2828
- Zufuhrsupply
- 3030
- SammlerCollector
- 3131
- Einlassinlet
- 3232
- Einlassinlet
- 3333
- Einlassinlet
- 3434
- Sammlerkörpercollector body
- 3535
- Auslassoutlet
- 3636
- Flanschabschnittflange section
- 3737
- Flanschabschnittflange section
- 3838
- AnschlussstutzenConnection piece
- 4040
- AbgasstrangExhaust system
- 4141
- AbgasleitungExhaust pipe
- 4242
- BypassstrangBypass line
- 4343
- BypassleitungBypass line
- 4444
- Versorgungsstrangsupply line
- 4545
- Versorgungsleitungsupply line
- 4646
- SpülstrangFlushing strand
- 4747
- SpülleitungFlushing line
- 4848
- SpülleitungFlushing line
- 4949
- AnschlussstutzenConnection piece
- 5050
- StellelementControl element
- 5151
- KlappenanordnungFlap arrangement
- 5252
- AnschlussstutzenConnection piece
- 5353
- Leitungsstückpipe section
- 5454
- Leitungsstückpipe section
- 5555
- Leitungsstückpipe section
- 5656
- StellelementControl element
- 5757
- KlappenanordnungFlap arrangement
- 5858
- AnschlussstutzenConnection piece
- 6060
- Leitungsstückpipe section
- 7070
- StellelementControl element
- 7171
- KlappenanordnungFlap arrangement
- 7272
- Befestigungselementfastener
- 7373
- Dichtungpoetry
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102016118346 A1 [0002]DE 102016118346 A1 [0002]
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102022203423.6A DE102022203423A1 (en) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | Collector arrangement for the exhaust system of a fuel cell unit |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
DE102022203423.6A DE102022203423A1 (en) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | Collector arrangement for the exhaust system of a fuel cell unit |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102022203423A1 true DE102022203423A1 (en) | 2023-10-12 |
Family
ID=88094368
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102022203423.6A Pending DE102022203423A1 (en) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | Collector arrangement for the exhaust system of a fuel cell unit |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE112010005734T5 (en) | 2010-07-13 | 2013-07-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Pipe unit for a fuel cell, piping unit equipped fuel cell unit and fuel cell system |
DE102016118346A1 (en) | 2016-09-28 | 2018-03-29 | Audi Ag | Cathode supply for a fuel cell |
US20210159522A1 (en) | 2019-11-22 | 2021-05-27 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
-
2022
- 2022-04-06 DE DE102022203423.6A patent/DE102022203423A1/en active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US20210159522A1 (en) | 2019-11-22 | 2021-05-27 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
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