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Stand der Technik
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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.
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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.
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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 der Brennstoffzelle mit einem Eingang der Fördereinrichtung fluidisch verbunden ist und wobei ein Ausgang der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist.
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Die aus der
DE 10 2017 222 390 A1 bekannten Fördereinrichtung bekannte Brennstoffzellen-System kann jeweils gewisse Nachteile aufweisen. Dabei befindet sich der Wasserabscheider im Bereich des Anodenausgang und 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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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. Dabei wird der Seitenkanalverdichter mittels eines Antriebs, insbesondere eines elektrischen Antriebs angetrieben wird, wobei sich der der Antrieb in Richtung einer Referenzachse zwischen dem Seitenkanalverdichter und dem Tank 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. Zudem lässt sich der Vorteil erzielen, dass ein schnelles Auskühlen der Bauteile Seitenkanalverdichter, Antrieb und Tank, insbesondere bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs, verhindert wird, was zu einer Reduzierung und/oder Vermeidung der Bildung von Eisbrücken führt. Dabei wird in vorteilhafter Weise der Effekt genutzt, dass der Antrieb im Betrieb Wärme erzeugt, beispielsweise durch Reibung und/oder elektrischen Widerstand, wobei diese Wärme zur Vermeidung der Auskühlungen aller Bauteile in einem gemeinsamen Gehäuse nutzen lässt. Vorteilhaft ist dabei, dass sich der Antrieb zwischen den Bauteilen Seitenkanalverdichter und Tank befindet, da er so seine Wärmeenergie gleichmäßig in beide Richtungen an diese Bauteile übertragen kann. Zudem wird somit ein Auskühlen des Tanks und des im Tank enthaltenen Wassers verhindert, wobei verhindert wird, dass das Wasser gefriert und aufgrund der höheren Ausdehnung von Wasser unter dem Gefrierpunkt den Tank mittels Ausdehnung beschädigt. Somit kann die Zuverlässigkeit der Fördereinrichtung und/oder des Wasserabscheiders und/oder des Seitenkanalverdichters und/oder des Tanks erhöht werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Fördereinrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung verläuft der Verbindungskanal zumindest über einen Teil seiner Länge durch den Innenraum des Gehäuses des Antriebs verläuft. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass mittels des durch den Verbindungskanal strömenden Mediums der Antrieb gekühlt werden kann. Insbesondere bei hohen Drehzahlen des Antriebs bei bestimmten Betriebszuständen des Brennstoffzellen-Systems kann es zu einer erhöhten Temperaturentwicklung im Antrieb kommen. Dabei kann das kühlere und durch den Verbindungskanal strömende Medium für eine Temperaturabsenkung des Antriebs dienen, indem das Medium die vorhandene Wärmeenergie aus dem Antrieb aufnimmt und über den Verbindungskanal aus diesem heraustransportiert. Somit lässt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit des Antriebs aufgrund von Schäden durch erhöhte Temperaturen reduzieren, wodurch sich die Lebensdauer der gesamten Fördereinrichtung erhöhen lässt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung ist der Tank mittels eines wärmeleitenden Elements mit dem Antrieb insbesondere dem Gehäuse des Antriebs verbunden ist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine schnellere und effizientere Übertragung der im Antrieb entstehenden Wärmeenergie vom Antrieb auf den Tank erfolgen kann. Zudem kann ein Abkühlen des Tanks bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs und niedrigen Außentemperaturen, insbesondere unter 0°C, zumindest verzögert werden, da kontinuierlich auch nach einem Abschalten der Fördereinrichtung und/oder des Antriebs Restwärmeenergie vom Antrieb auf den Tank übertragen wird. Somit lässt sich eine Beschädigung des Tanks durch gefrierendes Wasser verhindern und eine Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung und/oder des Wasserabscheiders und/oder des Tanks kann reduziert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung befinden sich die Bauteile Seitenkanalverdichter, Antrieb und Tank in dem gemeinsamen Gehäuse. Auf diese Weise lässt sich durch diese Anordnung der Bauteile im gemeinsamen Gehäuse bei einem insgesamt verkleinerten Volumen der Fördereinrichtung eine verbesserte Kaltstartfähigkeit der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellen-Systems erzielen, insbesondere bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs, da weniger Masse aufgeheizt werden muss und da die vorhandene Wärme einzelner Bauteile genutzt werden kann, um das gemeinsame Gehäuse zu erhitzen. Dabei kann zudem die Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellen-Systems reduziert werden, wobei die Lebensdauer erhöht werden kann. Des Weiteren kann eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung erzielt werden, da die drei Bauteile Seitenkanalverdichter, Tank und Antrieb in dem gemeinsamen Gehäuse verbaut werden können.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung verläuft eine Drehachse des Seitenkanalverdichters zumindest nahezu parallel zur Referenzachse. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass eine kompaktere Anordnung der Bauteile der Fördereinrichtung in Richtung der Referenzachse erfolgen kann, da der Seitenkanalverdichter somit in Richtung der Referenzachse weniger Bauraum benötigt. Somit kann für die Fördereinrichtung benötigter Bauraum im Gesamtfahrzeug reduziert werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung verläuft der Verbindungskanal in einem ersten Teilbereich A in einer ersten Abführrichtung, und wobei der Verbindungskanal in einem zweiten Teilbereich B in einer zweiten Abführrichtung verläuft, wobei die erste Abführrichtung zumindest nahezu orthogonal zur zweiten Abführrichtung verläuft. Dabei kann sich eine Krümmung zwischen dem ersten Teilbereich A und dem zweiten Teilbereich B ausbilden. 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 dem ersten Teilbereich A und dem zweiten Teilbereich B über den Antrieb am Seitenkanalverdichter angeordnet werden kann. Somit lässt sich die Oberfläche der Bauteile Seitenkanalverdichter, Antrieb und Tank in einem gemeinsamen Verbund verkleinern, so dass eine Abkühlung und somit Eisbrückenbildung bei langen Standzeiten des sich in einem inaktiven Zustand 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 ein angetriebenes 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.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung wird der Bestandteil Wasser vom gasförmigen Medium im Seitenkanalverdichter mittels des Zentrifugalprinzips abgeschieden. 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 Medium 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 einem Verdichterraum, kann der Vorteil erzielt werden, dass der Abscheideprozess derart verbessert wird, so dass das Wasser nahezu vollständig vom gasförmigen 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.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich der Wasserabscheider und/oder der Tank oberhalb des Anodenausgangs und/oder einer ersten Ebene. 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.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung weist der Seitenkanalverdichter ein Heizelement auf, wobei sich das Heizelement insbesondere in einem Gehäuse des Seitenkanalverdichters und/oder dem gemeinsamen Gehäuse der Fördereinrichtung befindet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass bei einer Kaltstartprozedur des Gesamtfahrzeugs, bei dem die Umgebungstemperaturen insbesondere unter 0°C liegen, vorhandene Eisbrücken in den Strömungskonturen der Fördereinrichtung und/oder des Seitenkanalverdichters und/oder des Tanks, mittels beispielsweise einer Bestromung und/oder Versorgung des Heizelements mit Energie diese Eisbrücken abgebaut werden. Dabei erhitzt sich das Heizelement mittels der eingebrachten Energie und überträgt diese Energie in Form von Wärmeenergie auf das gemeinsame Gehäuse und von dort auf die Eisbrücken, die insbesondere abschmelzen. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen der Fördereinrichtung können sich aber auch in allen weiteren Bauteilen der Fördereinrichtung Heizelemente befinden.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 zeigt in einer Draufsicht eine Fördereinrichtung mit einem Wasserabscheider, einer Strahlpumpe und einem Dosierventil,
- 2 zeigt eine in 1 mit D-D bezeichnete Schnittansicht der Fördereinrichtung, insbesondere mit einem Seitenkanalverdichter,
- 3 zeigt in einer Seitenansicht der Fördereinrichtung mit dem Wasserabscheider, einer Strahlpumpe und einem Dosierventil,
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt in einer Seitenansicht eine Fördereinrichtung 1 mit einem Wasserabscheider 10, einer Strahlpumpe 4 und einem Dosierventil 6. 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 den Wasserabscheider 10 und das 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 17, insbesondere im Bereich einer zweiten Ebene 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 im Bereich einer ersten Ebene 15 befindet.
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Wie in 1 gezeigt strömt das abgeführte Wasser dabei über einen zweiten Teilbereich B in einer zweiten Abführrichtung 39 vom Seitenkanalverdichter 8 in den Tank 13. Die zweite Abführrichtung 39 und/oder der zweite Teilbereich B verläuft dabei nicht zwangsläufig zumindest über die gesamte Länge orthogonal zu einer Wirkrichtung der Schwerkraft 34, sondern kann in Strömungsrichtung um wenige Grad hin zur Wirkrichtung der Schwerkraft 34 geneigt sein, so dass der Effekt der Schwerkraft auf das Wasser dazu genutzt werden kann, das Wasser durch den Verbindungskanal 20 dem Tank 13 zuzuführen. Der Seitenkanalverdichter 8 ist zudem über ein Verbindungsstück 36 mit einem Mischbereich 42 des Ablaufkanals 19 verbunden, wobei der Ablaufkanal 19 zumindest teilweise als Strahlpumpe 4 ausgebildet sein kann. Somit strömt das gasförmige Medium, nachdem es den Seitenkanalverdichter 8 passiert hat und von diesem gefördert und/oder verdichtet wurde, über das Verbindungsstück 36 in den Mischbereich 42, wobei es sich bei diesem gasförmigen Medium um ein Rezirkulat handelt. Der Ablaufkanal 19 kann dabei zumindest nahezu rotationssymmetrisch um eine Strömungsachse 27 verlaufen, wobei die Strömungsachse 27 geneigt in einem Winkel a zu einer ersten Ebene 15 und/oder zu einer zweiten Ebene 17 und/oder zu einer Referenzachse 12 verläuft.
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Des Weiteren ist in 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 8 mittels eines Antriebs 35, insbesondere eines elektrischen Antriebs 35 angetrieben wird, wobei sich der der Antrieb 35 in Richtung der Referenzachse 12 zwischen dem Seitenkanalverdichter 8 und dem Tank 13 befindet. Der Seitenkanalverdichter 8 weist dabei ein Verdichterrad 7 (gezeigt in 2) auf, welches drehbar um eine Drehachse 41 im Seitenkanalverdichter 8 angeordnet ist. Die Drehachse 41 des Seitenkanalverdichters 8 verläuft dabei zumindest nahezu parallel zur Referenzachse 12. Dabei können sich die Bauteile Seitenkanalverdichter 8, Antrieb 35 und Tank 13 in einem gemeinsamen Gehäuse 43 befinden. Zudem befinden sich der Wasserabscheider 10 und/oder der Tank 13 oberhalb des Anodenausgangs 3 und/oder einer ersten Ebene 15.
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Wie in 1 gezeigt befindet sich der Wasserabscheider 10 und/oder der Tank 13 oberhalb des Anodenausgangs 3 und/oder der ersten Ebene 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, insbesondere auf einem höheren geodätischen Niveau 17, 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.
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1 zeigt, dass die Referenzachse 12 orthogonal zur Wirkrichtung der Schwerkraft 34 verläuft, wobei die erste Ebene 15 und/oder die zweite Ebene 17 und/oder die Strömungsachse 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 11 auftreten.
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Nachdem das vom Zulaufkanal 18 kommende gasförmige Medium, dem im Seitenkanalverdichter 8 mittels des Zentrifugalprinzips Wasser abgeschieden wurde, kann das restliche getrocknete gasförmige Medium anschließend über das Verbindungsstück 36 in den Ablaufkanal 19 und/oder die Strahlpumpe 4, bei der es sich insbesondere um eine Saugstrahlpumpe 4 handelt, und/oder den Mischbereich 42 einströmen. Im Mischbereich 42 wird das getrocknete Rezirkulat mit Wasserstoff, der aus einem Hochdruckbehälter kommt, beaufschlagt. Bei diesem Wasserstoff handelt es sich um ein Treibmedium, welches dabei der Strahlpumpe 4 und/oder dem Mischbereich 42 und/oder dem Ablaufkanal 19 über das Dosierventil 6 zugeführt wird. Innerhalb der Strahlpumpe 4 findet ein sogenannter Strahlpumpeneffekt statt. In der Strahlpumpe 4 wird dieses sich im Mischbereich 42 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 Mischbereich 42 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 Mischbereich 42 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 Mischbereich 42 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. Somit wird das Gemisch dem Brennstoffzellen-Stack 33 über den Ablaufkanal 19 zugeführt.
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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. Alle Bauteile der Fördereinrichtung 1 können dabei mittels eines plattenförmigen Elements 2 an der Brennstoffzelle 29 und/oder am Brennstoffzellen-Stack 33 befestigt sein.
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2 zeigt eine in 1 mit D-D bezeichnete Schnittansicht der Fördereinrichtung 1, insbesondere mit dem Seitenkanalverdichter 8. Dabei ist gezeigt, dass der Verbindungskanal 20 zumindest in einem ersten Teilbereich A zumindest nahezu tangential zu einem ringförmig um die Drehachse 41 verlaufenden Verdichterraum 30 des Seitenkanalverdichters 8 verläuft. Das gasförmige Medium wird inklusive der Wasserpartikel 11 mit dem 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 und/oder die Wasserpartikel 11 beim Fördern des gasförmigen Mediums mittels der Schaufelblätter 35 im Verdichterraum 30 radial nach außen, bei den typischen hohen Drehzahlen des Seitenkanalverdichters 8 innerhalb einer halben bis dreiviertel Rotorumdrehung und wird mittels des Verbindungskanals 20 aus dem Seitenkanalverdichter 8 herausgeleitet. Dabei strömt das gasförmige Medium über den Zulaufkanal 18 auf einem niedrigeren geodätischen Niveau 15 im Bereich der ersten Ebene 15 in den Verdichterraum 30 des Seitenkanalverdichters 8 ein, wird gefördert, wobei das Wasser und/oder die Wasserpartikel 11 auf einem höheren geodätischen Niveau 17 über den Verbindungskanal 20 abgeschieden werden. Der mit seinem ersten Teilbereich A in einer ersten Abführrichtung 37 verlaufende Verbindungskanal 20 kann in dem stromabwärtigen Bereich des Teilbereichs A eine Krümmung aufweisen, so dass eine zumindest nahezu rechtwinklige Umlenkung des Wassers im Verbindungskanal 20 hin zum zweiten Teilbereich B in die zweite Abführrichtung 39 (gezeigt in 1) erfolgt. Dabei verläuft die erste Abführrichtung 37 zumindest nahezu orthogonal zur zweiten Abführrichtung 39.
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Weiterhin ist in 2 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 8 ein Heizelement 21 aufweist, wobei sich das Heizelement 21 insbesondere in einem Gehäuse des Seitenkanalverdichters 8 und/oder einem gemeinsamen Gehäuse 43 der Fördereinrichtung 1 befindet. Dieses Heizelement 21 kann bei niedrigen Temperaturen, insbesondere unter 0°Cm verwendet werden, 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. Dabei können mittels des Heizelements 21 auch die sich im gemeinsamen Gehäuse 43 befindlichen Bauteile Tank 13 und Antrieb 35 zusätzlich mit Wärmeenergie versorgt werden, um diese weiteren Bauteile gegen Eisbrückenbildung bei niedrigen Temperaturen zu schützen.
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3 zeigt in einer Draufsicht der Fördereinrichtung 1 mit dem Wasserabscheider 10, der Strahlpumpe 4 und dem Dosierventil 6. Dabei ist gezeigt, dass die Komponenten 10, 4, 6 an einem plattenförmigen Trägerelement 2 angebracht sind und über dieses plattenförmige Trägerelement 2 zumindest mittelbar mit dem Brennstoffzellen-Stack 33 der Brennstoffzelle 29 verbunden sind. Zudem wird in 3 dargestellt, dass der Verbindungskanal 20 zumindest über einen Teil seiner Länge durch den Innenraum 40 des Gehäuses des Antriebs 35 verläuft, womit sich die Temperatur im Antrieb 35 senken lässt, insbesondere bei Betriebspunkten des Antriebs 35, die eine hohe Temperaturentwicklung verursachen. Des Weiteren ist gezeigt, dass der Tank 13 mittels eines wärmeleitenden Elements 38 mit dem Antrieb 35, insbesondere einem Gehäuse des Antriebs 35 verbunden ist. Auf diese Weise kann eine verbesserte und beschleunigte Übertragung der im Antrieb 35 vorhandenen Wärmeenergie auf den Tank 13 erfolgen, so dass ein Auskühlen des Tanks 13 bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs verhindert wird, aber auch um ein schnelleres Aufheizen des Tanks 13 mittels des Antriebs 35 im Rahmen einer Kaltstartprozedur erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017222390 A1 [0003, 0004]
