-
Stand der Technik
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist.
-
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens einem Hochdruckbehälter entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystem an die Fördereinrichtung geleitet. Diese Fördereinrichtung führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.
-
Aus der
DE 10 2017 222 390 A1 ist eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums bekannt, insbesondere Wasserstoff, mit einem Seitenkanalverdichter, mit einem Wasserabscheider, mit einer von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und mit einem Dosierventil. Dabei wird das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe mittels des Dosierventils zugeführt wird, wobei ein Anodenausgang einer Brennstoffzelle mit einem Eingang der Fördereinrichtung fluidisch verbunden ist und wobei ein Ausgang der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist.
-
Die aus der
DE 10 2017 222 390 A1 bekannten Fördereinrichtung bekannte Brennstoffzellen-System kann jeweils gewisse Nachteile aufweisen. Dabei ist befindet sich der Wasserabscheider im Bereich des Anodenausgang und befindet sich somit stromaufwärts von dem Seitenkanalverdichter und der Strahlpumpe. Aufgrund der Bauweise des Wasserabscheiders aufgrund von interner Verrohrung, Strömungsumlenkungen im Wasserabscheider und Reibung des gasförmigen Mediums im Strömungsbereich des Wasserabscheiders kommt es zu Strömungsverlusten und Strömungsenergieverlusten. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung reduziert. Des Weiteren wird bei einem Ablassen des Wassers aus dem Wasserabscheider und einem Ableiten in einen Kathodenkreislauf mittels des Kathodenausgangs eines Brennstoffzellen-Stacks Energie benötigt, da sich dieser Eingang auf einem höheren geodätischen Niveau des Brennstoffzellen-Systems befindet. Somit muss Hubarbeit verrichtet werden, um das Wasser aus dem Anodenbereich mittels des Wassersabscheiders aus dem System abzuführen, wodurch Energie verbraucht wird und/oder in das System eingebracht werden muss. Dies führt zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der Fördereinrichtung.
-
Zum anderen entsteht durch das Anordnen des Wasserabscheider stromaufwärts des Seitenkanalverdichter als separate Baugruppen der Nachteil, dass diese insgesamt eine große Oberfläche im Bezug zum Bauraum und/oder geometrischen Volumen ausbilden. Dadurch wird ein schnelles Auskühlen begünstigt, insbesondere bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs, was zu einer erhöhten Bildung von Eisbrücken und somit einer erhöhten Schädigung der Bauteile und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems führen kann, was wiederum zu einer verringerten Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellen-Systems führen kann. Ein weiterer Nachteil ist zudem eine schlechte Kaltstarteigenschaft der Bauteile Wasserabscheider und Seitenkanalverdichter und/oder des Brennstoffzellen-Systems und/oder des Gesamtfahrzeugs, da Heizenergie und/oder Wärmeenergie jeweils einzeln in die Bauteile Seitenkanalverdichter und/oder Strahlpumpe und/oder Dosierventil eingebracht werden muss, wobei die Bauteile voneinander entfernt angeordnet sind und somit jedes Bauteil separat aufgeheizt werden muss, insbesondere bei Temperaturen unter 0° Celsius, um mögliche Eisbrücken zu eliminieren.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Vorteile der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei der Wasserstoff im Folgenden als H2 bezeichnet wird. Dabei weist die Fördereinrichtung einen Wasserabscheider, eine von einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums angetriebenen Strahlpumpe und ein Dosierventil auf. Das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe wird dabei mittels des Dosierventils der Fördereinrichtung, insbesondere der Strahlpumpe zugeführt. Dabei ist ein Anodenausgang der einer Brennstoffzelle, insbesondere eines Brennstoffzellen-Stacks, mit einem Einfang, insbesondere einem Zulaufkanal, der Fördereinrichtung fluidisch verbunden. Zudem ist ein Ausgang, insbesondere einem Ablaufkanal der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist.
-
Bezugnehmend auf Anspruch 1 ist die Fördereinrichtung und/oder der Wasserabscheider derart ausgebildet, dass die Fördereinrichtung und/oder der Wasserabscheider einen Seitenkanalverdichter aufweist, der mittels eines Verbindungskanals mit einem Tank verbunden ist, wobei sich der Verbindungskanal auf einem höheren geodätischen Niveau befindet als der Zulaufkanal, insbesondere mittels dem das gasförmige Medium dem Seitenkanalverdichter und/oder der Fördereinrichtung zugeführt wird, der sich auf einem niedrigen geodätischen Niveaus befindet. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass zum einen eine kompakte Anordnung der Komponenten der Fördereinrichtung und somit eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung erzielt werden kann. Des Weiteren kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass eine Ansammlung von Wasser in einer der Leitungen der Fördereinrichtung vermieden werden kann und das Wasser direkt aus der Fördereinrichtung in den Tank des Wassersammlers abgeführt wird. Zudem kann das Wasser beim Abführen auf ein höheres geodätisches Niveau beim Abführen in den Tank gebracht werden, so dass beim späteren Abführen des Wassers aus dem Tank keine zusätzliche Hubarbeit verrichtet werden muss, um das Wasser aus dem Anodenbereich mittels des Wassersabscheiders aus dem System und/oder dem Anodenbereich abzuführen. Somit kann mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Fördereinrichtung Energie eingespart werden und der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung lässt sich erhöhen.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Fördereinrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung weist der Seitenkanalverdichter mindestens einen Seitenkanal und ein drehbar um eine Drehachse angeordnetes Verdichterrad auf, wobei das Verdichterrad an seinem Umfang angeordnete Schaufelblätter aufweist. Dabei befindet sich ein Verdichterrraum im Bereich der Schaufelblättern und/oder des mindestens einen Seitenkanals, wobei ein Verdichterraum und/oder die Schaufelblätter auf Ihrer der Drehachse abgewandten Seite durch einen äußeren Begrenzungsring begrenzt und/oder zumindest teilweise fluidisch kapselbar sind. Auf diese Weise kann zum einen der Vorteil erzielt werden, dass eine zumindest teilweise Kapselung des mindestens einen Seitenkanals und/oder des Verdichterraums zu einem äußeren Bereich in einem Gehäuse, insbesondere zu einem Abscheideraum, erfolgt. Somit lässt sich der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichter und somit der Fördereinrichtung verbessern.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung bildet sich auf der der Drehachse abgewandten Seite des äußeren Begrenzungsrings dem zumindest teilweise gekapselter Abscheideraum aus. Dabei befindet sich der Abscheideraum auf der der Drehachse abgewandten Seite des Begrenzungsrings in dem Gehäuse des Seitenkanalverdichters. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das Wasser aus dem gasförmigen Medium, welches aus dem Verdichterraum des Seitenkanalverdichter in den Abscheideraum, der sich insbesondere zwischen dem äußeren Begrenzungsring des Verdichterrads und dem Gehäuses befindet, abgeführt werden und/oder weiter heraus aus dem Gehäuse des Seitenkanalverdichter und der Fördereinrichtung abgeführt werden können. Dies bietet den Vorteil, dass eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Seitenkanalverdichter und/oder der Fördereinrichtung über die gesamte Lebensdauer beibehalten werden kann, da der Anteil und/oder die Konzentration an H2 im gasförmigen Medium erhöht werden kann, während der Anteil und/oder die Konzentration des Wassers im gasförmigen Medium verringert werden kann. Weiterhin wird der Vorteil erzielt, dass durch das Herausleiten des Wassers aus dem Bereich des Verdichterraums verhindert wird, dass sich im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellen-Systems und bei niedrigen Umgebungstemperaturen sogenannte Eisbrücken zwischen den beweglichen Teilen, insbesondere dem Verdichterrad und dem Gehäuse, bilden. Derartige Eisbrücken würden ein Starten der Fördereinrichtung, insbesondere des Seitenkanalverdichter erschweren oder vollständig verhindern. Somit kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters und/oder der Fördereinrichtung eine Schädigung der rotierenden Teile des Seitenkanalverdichter aufgrund von Eisbrückenbildung, verhindert werden. Dies führt zu einer höheren Zuverlässigkeit der Fördereinrichtung.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung erfolgt eine tangentiale Ableitung der Verbindungskanal zumindest in einem ersten Teilbereich A tangential zum ringförmig um die Drehachse verlaufenden Verdichterraum und/oder Abscheideraum des Seitenkanalverdichters verläuft, wobei insbesondere eine Ableit-Richtung des Wassers im ersten Teilbereich A in Gegenrichtung zu einer Wirkrichtung der Schwerkraft verläuft. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass der schwere Bestandteil Wasser aus dem gasförmigen Medium abgeleitet wird und während des Ableitprozesses durch den Verbindungskanal, bei dem das Wasser von dem Seitenkanalverdichter zum Tank geleitet wird, eine Hubarbeit verrichtet wird und das Wasser beim Durchlaufen zumindest des ersten Teilbereichs A des Verbindungskanals auf ein höheres geodätisches Niveau befördert wird. Somit können beim Abscheideprozess des Wassers vom gasförmigen Mediums in der Fördereinrichtung und/oder im Wasserabscheider Synergieeffekte genutzt werden und zudem der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung und/oder des Wasserabscheiders erhöht werden. Zudem lässt sich die vorhandene kinetische Energie des Wassers nutzen, welches sich mit dem Verdichterrad in einer um die Drehachse verlaufenden Rotationsbewegung befindet, wobei ein Großteil der kinetischen Rotationsenergie bei einer Ableitung mittels eines tangential zur Kreisbahn verlaufenden Teilbereichs des Verbindungskanals genutzt werden kann, da beide Bewegungsvektoren zumindest nahezu in die gleiche Richtung verlaufen. Dies verbessert den Wirkungsgrad des Wasserabscheiders und/oder der Fördereinrichtung.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung wird der Bestandteil Wasser vom gasförmigen Medium im Seitenkanalverdichter abgeschieden, wobei die Abscheidung insbesondere mittels des Zentrifugalprinzips erfolgt. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die Bewegungsenergie, insbesondere die Rotationsenergie, des Verdichterrads, welche vornehmlich zum Verdichten des gasförmigen Mediums verwendet wird, auch dazu verwendet, das im gasförmigen Medium vorhandene Wasser vom Verdichterrad bei dessen Rotation beschleunigt wird und dabei mittels Zentrifugalkraft von der Drehachse des Verdichterrads wegbewegt. Somit kann eine effiziente Abscheidung des Wassers vom gasförmigen Mediums erfolgen und es lässt sich der Wirkungsgrad des Wasserabscheiders und/oder der Fördereinrichtung verbessern. Durch die Nutzung des Zentrifugalprinzips zum Herausleiten der schweren Bestandteile wie Wasser, insbesondere aus dem Verdichterraum, kann der Vorteil erzielt werden, dass der Abscheideprozess derart verbessert wird, so dass das Wasser nahezu vollständig vom Medium, insbesondere vom Wasserstoff des gasförmigen Mediums abgeschieden werden kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass ein möglichst hoher Anteil an Wasserstoff zum Brennstoffzellen-Stack, zurückströmt, wodurch zum einen der Wirkungsgrad und/oder die Leistung des Brennstoffzellen-Stacks und/oder des Brennstoffzellen-Systems erhöht werden kann. Weiterhin lässt sich der Vorteil erzielen, dass zum Trennen des Bestandteils Wasser vom Bestandteil Wasserstoff keine zusätzliche Energie und/oder nur eine geringe Menge an Energie zur Verfügung gestellt werden muss, insbesondere vom Brennstoffzellen-System und/oder vom übergeordneten System Fahrzeug. Eine weitere Einleitung von Energie, insbesondere von kinetischer Energie oder Druckenergie, in das Medium ist somit nicht mehr notwendig, um eine optimale Effizienz des Abscheideprozesses durch den Seitenkanalverdichter mittels des Zentrifugalprinzips bewirken zu können. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems erhöht werden und die Betriebskosten können reduziert werden.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung weist der Verbindungskanal eine Krümmung auf, wobei sich eine Strömungsrichtung IV, insbesondere des abgeführten Wassers, im Bereich der Krümmung von einer parallel und entgegengesetzt zur Wirkrichtung der Schwerkraft verlaufenden Strömungsrichtung IVa zu einer orthogonal zur Wirkrichtung der Schwerkraft verlaufenden Strömungsrichtung IVb ändert. Auf diese Weise lässt sich zum einen der Vorteil erzielen, dass eine kompakte Bauweise des Wasserabscheiders dergestalt erzielt wird, indem der Tank aufgrund der Ausformung des Verbindungskanals mit einer Krümmung unmittelbar am Seitenkanalverdichter angeordnet werden kann. Somit lässt sich die Oberfläche beider Bauteile in einem gemeinsamen Verbund verkleinern, so dass eine Abkühlung und somit Eisbrückenbildung bei langen Standzeiten des im inaktiven Zustands befindlichen Fahrzeugs hinausgezögert werden kann. Zudem bietet diese erfindungsgemäße Ausgestaltung den Vorteil, dass das im Seitenkanalverdichter abgeschiedene Wasser möglichst effizient und direkt aus dem Seitenkanalverdichter herausgeleitet werden kann, wobei noch ein Großteil der im Wasser aufgrund der Rotationsbewegung vorhandenen kinetischen Energie, maßgeblich durch das angetriebene Verdichterrad eingebracht wird. Dabei wird das abzuscheidende Wasser mittels der Krümmung derart umgelenkt, dass es aufgrund der vorhandenen kinetischen Energie ohne weitere externe Antriebsenergie bis in den Tank einströmt und dort gesammelt werden kann. Somit können Bauteile eingespart werden, die im Stand der Technik zusätzliche Energie, beispielsweise Druckenergie, erzeugen müssten, wodurch sich die Herstellkosten der Fördereinrichtung reduzieren lassen. Zudem kann der Wirkungsgrad der Födereinrichtung erhöht werden.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich der Wasserabscheider und/oder der Tank oberhalb des Anodenausgangs und/oder einer ersten Achse. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass das Wasser, welches abgeschieden wird mittels einer möglichst kurzen Strömungsverbindung in Form des Verbindungskanals in den Bereich des Tanks gefördert wird. Dadurch lässt sich der Vorteil erzielen, dass der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung und/oder des Wasserabscheiders erhöht werden. Weiterhin können die Strömungsverluste und/oder Druckverluste beim Befördern des Wassers aus dem Seitenkanalverdichter in den Tank möglichst geringgehalten werden. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mittels einer derartigen Anordnung des Tanks eine kostengünstige und kompakte Bauform des Wasserabscheiders erzielt werden. Weiterhin kann auf diese Weise der Vorteil erzielt werden, dass das Wasser beim Abscheideprozess und/oder Ansammeln im Tank auf ein höheres geodätisches Niveau gebracht wird im Vergleich zum Ausströmen des gasförmigen Mediums aus dem Stack über den Anodenausgang. Somit ist beim späteren Abführen des Wassers aus dem Tank keine zusätzliche Hubarbeit notwendig, um das Wasser aus dem Anodenbereich mittels des Wassersabscheiders aus dem System und/oder dem Anodenbereich abzuführen.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung ist der Zulaufkanal mittels eines ersten Ablaufs, in dem sich ein erstes Ablassventil, insbesondere einem Purgeventil befindet, mit einem Kathodenausgang verbunden. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass die schweren Elemente im gasförmigen Medium, bei denen es sich nicht um Wasser handelt, sondern insbesondere Stickstoff, unabhängig von einem möglichen vorhandenen Drainventil ablassbar ist. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung verbessern. Zudem kann der Stickstoff mittels des ersten Ablaufs möglichst frühzeitig aus dem Anodenbereich herausführen, wodurch sich der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung erhöhen lässt. Zudem kann ein gezieltes und Betriebsabhängiges Purgen mittels des Purgeventils erzielt werden, so dass ein gezieltes Ablassen des Stickstoffs möglich ist.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung ist der Tank des Wasserabscheiders mittels eines zweiten Ablaufs, in dem sich ein zweites Ablassventil, insbesondere ein Drainventil befindet, mit dem Kathodenausgang verbunden. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass das Wasser aus dem Tank mittels des zweiten Ablaufs dem Kathodenbereich zugeführt wird. Dies kann beispielsweise zu einer Komponente Befeuchter im Kathodenbereich erfolgen. Somit kann das abgeschiedene Wasser noch im Kathodenbereich genutzt werden und somit den Wirkungsgrad des Kathodenbereichs und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems verbessern. Zudem kann mittels des ersten Ablassventils, je nach Betriebszustand des Brennstoffzellen-Systems und/oder des Kathodenbereichs steuern, wann und wieviel des sich im Sammelbehälter und/oder im gesamten Anodenbereich vorhandenen Wassers mittels des ersten Ablassventils abgelassen werden sollen. Dabei können für die Steuerung des ersten Ablassventils Parameter und Messwerte aus dem Kathodenbereich herangezogen werden, wie beispielsweise sein: Temperatur, Druck, Betriebszustand der Brennstoffzelle, Drehzahl eines elektrischen Luftverdichters, Volumenstrom, Massenstrom und/oder Luftfeuchte bzw. Sättigung mit Wasser des gasförmigen Mediums im Kathodenbereich. Auf diese Weise lässt sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellen-Systems und/oder des Kathodenbereichs weiter verbessern.
-
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen und/oder Kombinationen der in den Ansprüchen beschrieben Merkmale und/oder Vorteile möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
-
Es zeigt:
- 1 zeigt in einer Draufsicht eine Fördereinrichtung mit einem Wasserabscheider, einer Strahlpumpe und einem Dosierventil
- 2 zeigt einen Ausschnitt des Seitenkanalverdichters im Bereich eines Verdichterraums, eines Abscheideraums und eines Verbindungskanals
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die Darstellung gemäß 1 zeigt in einer Draufsicht eine Fördereinrichtung 1 Diese Fördereinrichtung 1 ist für ein Brennstoffzellen-System 31 geeignet zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Dabei weist die Fördereinrichtung 1 einen Wasserabscheider 10 und ein Dosierventil 6 auf, wobei das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Strahlpumpe 4 mittels des Dosierventils 6 zugeführt wird. Dabei ist ein Anodenausgang 3 einer Brennstoffzelle 29, insbesondere eines Brennstoffzellen-Stack 33, mit einem Eingang, insbesondere einem Zulaufkanal 18, der Fördereinrichtung 1 fluidisch verbunden. Zudem ist ein Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29, insbesondere des Brennstoffzellen-Stacks 33 mit einem Ausgang, insbesondere einem Ablaufkanal 19, der Fördereinrichtung 1 fluidisch verbunden. Dabei weist die Fördereinrichtung 1 und/oder der Wasserabscheider 10 einen Seitenkanalverdichter 8 auf, der mittels eines Verbindungskanals 20 zumindest mittelbar fluidisch mit einem Tank 13 verbunden ist, wobei sich der Verbindungskanal 20 auf einem höheren geodätischen Niveau im Bereich einer zweiten Achse 17 befindet als der Zulaufkanal 18, insbesondere mittels dem das gasförmige Medium dem Seitenkanalverdichter 8 und/oder der Fördereinrichtung 1 zugeführt wird, der sich auf einem niedrigen geodätischen Niveaus 15 befindet. Der Verbindungskanal 20 verläuft zumindest in einem ersten Teilbereich A tangential zu einem ringförmig um eine Drehachse 41 verlaufenden Verdichterraum 30 und/oder Abscheideraum 34 des Seitenkanalverdichters 8, wobei insbesondere eine Ableit-Richtung 37 des Wassers im ersten Teilbereich A in Gegenrichtung zu einer Wirkrichtung der Schwerkraft 22 verläuft. Der Ablaufkanal 19 kann dabei zumindest nahezu rotationssymmetrisch um eine dritte Achse 27 verlaufen, wobei sich die dritte Achse 27 auf einem höheren geodätischen Niveau als die erste Achse 15 und/oder die zweite Achse 17 befinden kann.
-
Wie in 1 gezeigt, weist der Verbindungskanal 20 eine Krümmung 26 auf, wobei sich die Strömungsrichtung IV, insbesondere des abgeführten Wassers, im Bereich der Krümmung 26 von einer parallel und entgegengesetzt zur Wirkrichtung der Schwerkraft 22 verlaufenden Strömungsrichtung IVa zu einer orthogonal zur Wirkrichtung der Schwerkraft 22 verlaufenden Strömungsrichtung IVb ändert. Dabei befindet sich der Wasserabscheider 10 und/oder der Tank 13 oberhalb des Anodenausgangs 3 und/oder der ersten Achse 15. Dabei ist der Zulaufkanal 18 mittels eines ersten Ablaufs 28, in dem sich ein erstes Ablassventil 14, insbesondere einem Purgeventil 14 befindet, mit einem Kathodenausgang 23 verbunden. Zudem ist der Tank 13 des Wasserabscheiders 10 mittels eines zweiten Ablaufs 32, in dem sich ein zweites Ablassventil 16, insbesondere ein Drainventil 16 befindet, mit dem Kathodenausgang 23 verbunden. Die Fördereinrichtung 1 kann dabei verwendet werden in einem Fahrzeug zur elektrischen Energieversorgung von einem Fahrantrieb und/oder Nebenverbrauchern. Der Tank 13 liegt erhöht oberhalb des Kathodenausgangs 23, sodass er Wasser speichern kann ohne zusätzlichen Bauraum unterhalb des Brennstoffzellen-Stacks 33 zu erfordern. Gleichzeitig wird so ein Rücklauf in die Fördereinrichtung 1 und/oder den Seitenkanalverdichter 8 verhindert. Das hier gezeigte erste Ablassventil 14 kann zur Reduzierung des Stickstoffgehaltes im Anodengas und/oder gasförmigen Medium verwendet werden, wenn diese Funktion vom zweiten Ablassventil 16, bei dem es sich insbesondere um ein Drainventil 16 handelt, nur unzureichend erfüllt wird.
-
1 zeigt, dass eine Referenzachse 12 orthogonal zur Wirkrichtung der Schwerkraft 22 verläuft, wobei die erste Achse 15 und/oder die zweite Achse 17 und/oder die dritte Achse 27 zumindest nahezu parallel zur Referenzachse 12 verlaufen. Des Weiteren kann das gasförmige Medium, bei dem es sich um ein Anodengas handeln, aus dem Brennstoffzellen-Stack 33 mittels der Fördereinrichtung 1 angesaugt werden, wobei es sich um ein im Brennstoffzellen-Stack 33 unverbrauchtes Rezirkulat handelt. Dieses Rezirkulat strömt über den Anodenausgang 3 in die Fördereinrichtung 1 und/oder den Zulaufkanal 18 ein und kann Wasser enthalten. Dieses Wasser kann beispielsweise in Form von Wasserpartikeln 11 vorliegen, die insbesondere als Wassertropfen auftreten. Das gasförmige Medium wird inklusive des Wassers in einem Verdichterrad 7 des Seitenkanalverdichters 8 in Rotationsbewegung versetzt und/oder gefördert und/ oder mittels des Verdichterrades 7 in Umfangsrichtung mitgenommen. Dazu sind am äußeren Durchmesser des Verdichterrads 7 mehrere Schaufelblätter 35 ausgebildet, die bei einer Rotationsbewegung des Verdichterrads 7 das gasförmige Medium mitnehmen und/oder fördern. Durch die höhere Dichte wandert das Wasser beim Fördern des gasförmigen Mediums mittels der Schaufelblätter 35 im Verdichterraum 30 radial nach außen, bei den typischen hohen Drehzahlen eines Seitenkanalverdichters 8 innerhalb einer halben Rotorumdrehung und wird mittels des Verbindungskanals 20 aus dem Seitenkanalverdichter 8 herausgeleitet. Das restliche getrocknete gasförmige Medium kann anschließend in der Strahlpumpe 4, bei der es sich insbesondere um eine Saugstrahlpumpe 4 handelt, mit frischem Wasserstoff, bei dem es sich insbesondere um ein aus einem unter Hochdruck, insbesondere 700 bar, stehenden Wasserstoffbehälter gefördert und dem Brennstoffzellen-Stack 33 über den Ablaufkanal 19 zugeführt werden. Das Treibmedium wird dabei der Strahlpumpe 4 über das Dosierventil 6 zugeführt.
-
Weiterhin ist in 1 gezeigt, dass die Fördereinrichtung 1 ein Heizelement 21 aufweist, wobei sich das Heizelement 21 insbesondere in einem Gehäuse 43 des Seitenkanalverdichters 8 befindet. Dieses Heizelement 21 kann verwendet werden bei niedrigen Temperaturen, falls die System-Heizleistung allein nicht ausreicht und gezielt Bereiche der Fördereinrichtung 1 zu beheizen, in denen sich bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs Restwasser sammelt, wobei das Restwasser bei Temperaturen unter 0°C Eisbrücken ausbilden kann, die die Fördereinrichtung 1 beschädigen. Um dieses Ausbilden von Eisbrücken zu verhindern, wird das Heizelement 21 elektrisch mit Energie, insbesondere Heizenergie, versorgt. In weiteren alternativen Ausführungsformen kann das Heizelement 21 zudem, insbesondere zusätzlich zur elektrischen Energie, über einen Wärmetauscher mit Energie versorgt werden und/oder über ein Magnetfeld mit Energie versorgt werden, insbesondere induktiv, und/oder mechanisch mit Energie versorgt werden und/oder chemisch mit Energie versorgt werden.
-
Innerhalb der Strahlpumpe 4 findet ein sogenannter Strahlpumpeneffekt statt. Dazu strömt das gasförmige Medium, bei dem es sich insbesondere um ein Rezirkulat handelt, durch ein Verbindungsstück 36, welches den Seitenkanalverdichter 8 mit der Strahlpumpe 4, insbesondere einem Ansaugbereich der Strahlpumpe 4, verbindet, in die Strahlpumpe 4 ein. In der Strahlpumpe 4 wird dieses sich im Ansaugbereich befindliche Rezirkulat, mit dem vom Hochdruckbehälter kommenden und über das Dosierventil 6, insbesondere mittels einer Düse des Dosierventils 6, zugeführte Treibmedium beaufschlagt. Das Treibmedium wird nun mittels eines Öffnens des Dosierventils 6, insbesondere unter hohem Druck, in den Ansaugbereich eingebracht. Der aus dem Dosierventil 6 in den Ansaugbereich strömende und als Treibmedium dienende Wasserstoff weist eine Druckdifferenz zum Rezirkulationsmedium auf. Dabei strömt das Rezirkulationsmedium durch das Verbindungsstück 36 in den Ansaugbereich 18 ein, wobei das Treibmedium insbesondere einen höheren Druck von mindestens 10 bar aufweist. Damit sich der Strahlpumpeneffekt einstellt wird das Rezirkulationsmedium mit einem geringen Druck und einem geringen Massenstrom in den in den Ansaugbereich 18 der Strahlpumpe 4 gefördert. Dabei strömt das Treibmedium mit der beschriebenen Druckdifferenz und einer hohen Geschwindigkeit, die insbesondere Nahe der Schallgeschwindigkeit liegt, durch das Dosierventil 6 in den Ansaugbereich 18 ein. Dabei trifft das Treibmedium auf das Rezirkulationsmedium, das sich bereits im Ansaugbereich der Strahlpumpe 4 befindet. Aufgrund der hohen Geschwindigkeitsdifferenz und/oder Druckdifferenz zwischen dem Treibmediums und dem Rezirkulationsmedium wird eine innere Reibung und Turbulenzen zwischen den Medien erzeugt. Dabei entsteht eine Scherspannung in der Grenzschicht zwischen dem schnellen Treibmedium und dem wesentlich langsameren Rezirkulationsmedium. Diese Spannung bewirkt eine Impulsübertragung, wobei das Rezirkulationsmedium beschleunigt und mitgerissen wird. Die Mischung geschieht nach dem Prinzip der Impulserhaltung. Dabei wird das Rezirkulationsmedium in der Flussrichtung beschleunigt und es entsteht auch für das Rezirkulationsmedium ein Druckabfall, wodurch eine Saugwirkung einsetzt und somit weiteres Rezirkulationsmedium aus dem Bereich des Verbindungsstücks 36 nachgefördert wird. Durch eine Änderung und/oder Regulierung der Öffnungsdauer und der Öffnungsfrequenz des Dosierventils 6 kann eine Förderrate des Rezirkulationsmediums reguliert werden und auf den jeweiligen Bedarf des gesamten Brennstoffzellen-Systems 31 je nach Betriebszustand und Betriebsanforderungen angepasst werden.
-
In 1 wird dargestellt, dass dem Brennstoffzellen-Stack 33 mittels eines Kathodeneingangs 25 Luft, insbesondere Sauerstoff, aus der Umgebung, zugeführt wird. Diese Luft wird aus dem Brennstoffzellen-Stack 33 mittels des Kathodenausgangs 23 herausgeleitet, nachdem der Sauerstoff im Brennstoffzellen-Stack 33 zumindest teilweise mit dem Wasserstoff reagiert hat.
-
2 zeigt einen Ausschnitt des Seitenkanalverdichters 8 im Bereich des Verdichterraums 30, des Abscheideraums 34 und des Verbindungskanals 20. Dabei ist gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 8 mindestens einen Seitenkanal 24 und das drehbar um die Drehachse 41 angeordnetes Verdichterrad 7 aufweist, wobei das Verdichterrad 7 an seinem Umfang angeordnete Schaufelblätter 35 aufweist, wobei sich ein Verdichterrraum 30 im Bereich der Schaufelblättern 35 und/oder des mindestens einen Seitenkanals 24 befindet, wobei der Verdichterraum 30 und/oder die Schaufelblätter 35 auf Ihrer der Drehachse 41 abgewandten Seite durch einen äußeren Begrenzungsring 39 begrenzt und/oder zumindest teilweise fluidisch kapselbar sind. Zudem weist das Verdichterrad 7 den umlaufenden äußeren Begrenzungsring 39 auf, der rotationssymmetrisch zu der Drehachse 41 des Verdichterrads 7 verläuft. Dabei befindet sich auf der der Drehachse 41 abgewandten Seite des Verdichterrads 7 im Gehäuse 43 des Seitenkanalverdichters 8 ein zumindest teilweise, insbesondere von dem mindestens einen Seitenkanal 24, gekapselter Abscheideraum 34 und/oder der Verbindungskanal 20. Dabei ist das Verdichterrad 7 gezeigt, welches im Bereich des äußeren Begrenzungsrings 39 mindestens einen außenliegenden umlaufenden Ringbund 45 aufweist. Dieser außenliegende Ringbund 45 verläuft radial zur Drehachse 41 und auf der der Drehachse 41 abgewandten Seite des äußeren Begrenzungsrings 39. Dabei steht der mindestens eine außenliegende Ringbund 45 axial und/oder radial mit dem Gehäuse 43 zumindest nahezu in Anlage und/oder bildet mit diesem ein geringes Spaltmaß aus, das vom gasförmigen Medium zumindest nahezu nicht überwunden werden kann. Indem sich zwischen dem Verdichterrad 7 mit dem mindestens eine außenliegenden umlaufenden Ringbund 45 und dem Gehäuse 43 ein geringes Spaltmaß ausbilden kann, kann eine zumindest teilweise Kapselung des mindestens einen Seitenkanals 24 und/oder Verdichterraum 30 vom Abscheideraum 34 erreicht werden. Der Abscheideraum 34 verläuft dabei zumindest teilweise umlaufend um die Drehachse 41 zwischen dem Gehäuse 43 und dem äußeren Begrenzungsring 39. Bei zunehmender Rotationsgeschwindigkeit des Verdichterrads 7 wird der schwere Bestandteil Wasser des gasförmigen Mediums durch die mittels der Rotationsbewegung des Verdichterrads 7 wirkenden Kräfte, insbesondere eine Zentrifugalkraft und/oder eine Fliehkraft, derart groß, dass das Wasser in einer Richtung IX vom jeweiligen Seitenkanal 24 und/oder dem Verdichterraum 30 zwischen dem jeweiligen Ringbund 45 und dem Gehäuse 43 hindurch in den Abscheideraum 34 strömt. Dabei wird der Bestandteil Wasser vom gasförmigen Medium im Seitenkanalverdichter 8 mittels des Zentrifugalprinzips abgeschieden. Das Wasser wird somit aus dem Bereich des mindestens einen Seitenkanals 24 herausgeleitet und im Bereich des Abscheideraums 34 gesammelt. Alternativ kann das Wasser mit einer vorhandenen tangential zum Verdichterrad-Umfang wirkenden resultierenden Bewegungsenergie in den Verbindungskanal 20. Alle Bauteile der Fördereinrichtung 1 können dabei mittels eines plattenförmigen Elements 2 an der Brennstoffzelle 29 und/oder am Brennstoffzellen-Stack 33 befestigt sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102017222390 A1 [0003, 0004]
