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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 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,
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Die aus der
DE 10 2017 222 390 A1 bekannten Fördereinrichtung bekannte Brennstoffzellen-System kann jeweils gewisse Nachteile aufweisen. Dabei sind die Komponenten der Fördereinrichtung, insbesondere der Seitenkanalverdichter, das HGI und die Strahlpumpe zumindest teilweise mittels fluidischer Verbindungen in Form von Rohrleitungen und gegebenenfalls einer zusätzlichen Verteilerplatte mit innenliegenden Kanälen miteinander und/oder mit der Brennstoffzelle und/oder mit weiteren Komponenten der Fördereinrichtung verbunden. Dabei liegen die Komponenten zumindest teilweise als separate Baugruppen vor, die mittels Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Dabei entstehen zum einen viele Strömungsumlenkungen und somit Strömungsverluste. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung reduziert.
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Zum anderen entsteht durch das Anordnen der Komponenten Dosierventil und/oder Strahlpumpe und/oder 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 Dosierventil und/oder Strahlpumpe und/oder 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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Des Weiteren muss für die Komponenten Seitenkanalverdichter, Strahlpumpe und Dosierventil jeweils ein eigenes Gehäuse vorgesehen werden, was zu hohen Herstellkosten und/oder Materialkosten führt. Auch führt das Vorsehen einer Strahlpumpe zu erhöhten Bauraumanforderungen an das Gesamtsystem Fördereinrichtung, da die Strahlpumpe im Verbund mit dem Dosierventil ausladend bauen kann.
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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. Dabei wird die Fördereinrichtung mittels eines Dosierventils mit einem Treibstrahl eines unter Druck stehenden gasförmigen Mediums zumindest teilweise angetrieben, wobei das unter Druck stehende gasförmigen Medium der Fördereinrichtung mittels des Dosierventils zugeführt wird, wobei ein Seitenkanalverdichter ein Verdichterrad aufweist, das jeweils drehbar um eine Drehachse angeordnet ist. Dabei ist ein Anodenausgang einer Brennstoffzelle, insbesondere einem Brennstoffzellen-Stack, mit einem Eingang, insbesondere einem Zulaufkanal, der Fördereinrichtung fluidisch verbunden. Des Weiteren ist ein Ausgang, insbesondere einem Ablaufkanal, der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden. Dabei kann das Verdichterrad an seinem Umfang im Bereich eines Verdichterraums angeordnete erste Schaufelblätter aufweisen.
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Bezugnehmend auf Anspruch 1 wird die Fördereinrichtung vorgeschlagen, bei der der Seitenkanalverdichter, insbesondere im Bereich des Verdichterraums eine erste Umfangslänge aufweist, wobei im Bereich der ersten Umfangslänge mittels des Verdichterrads, insbesondere der Schaufelblätter, der Bestandteil Wasser mittels des Zentrifugalprinzips in einen Verbindungskanal abscheidbar ist Dabei ist der Seitenkanalverdichter ausschließlich über eine zweite Umfangslänge fluidisch mit einem Strömungskanal verbunden. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass der Seitenkanalverdichter zusätzlich zum Fördern des gasförmigen Mediums zum Abscheiden des Wassers aus dem gasförmigen Medium im Bereich des Förderaggregats genutzt wird. Zudem kann ein Treibmedium dem Seitenkanalverdichter zugeführt werden, insbesondere über das Dosierventil und den Strömungskanal. Die Funktionen des Abscheidens des Wassers aus dem gasförmigen Medium mittels des Zentrifugalprinzips und des Zuführens des Treibmediums zum Seitenkanalverdichter lässt sich in die räumlich voneinander getrennten Bereich der ersten Umfangslänge und der zweiten Umfangslänge verlegen, wodurch die beiden Funktionen in unterschiedlichen Bereich des Seitenkanalverdichters abbildbar sind und ausgeführt werden. Somit kommt es zu keinen Verlustleistungen und der Wirkungsgrad hinsichtlich Abscheidung des Wassers und Antreiben des Verdichterrads kann weiter 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 ist das Verdichterrad zumindest mittelbar von einem auf die Schaufelblätter wirkenden Treibstrahl des Dosierventils antreibbar. Dabei wird der Treibstrahl den Schaufelblättern des Verdichterrads vom Dosierventil über den Strömungskanal zugeführt. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Förderaggregats verbessert werden, da ein effizientes Antreiben des Verdichterrads über die Schaufelblätter erfolgt. Die Schaufelblätter werden dabei zumindest mittelbar mittels des Treibstrahls des Dosierventils über den Strömungskanal angetrieben. Dabei prallt das unter hohem Druck und mit einer hohen Geschwindigkeit stehende Treibmedium, insbesondere in Form des Treibstrahls, auf die Oberfläche der Schaufelblätter und bewirkt, insbesondere mittels einer Impulsübertragung und/oder eines Strömungseffekts, dass eine Kraft auf das Verdichterrad ausgeübt wird und aufgrund des Hebelarms das Verdichterrad in Bewegung versetzt wird und/oder in Bewegung gehalten wird. Weiterhin kann der Vorteil erzielt werden, dass das Bauteil Strahlpumpe eingespart werden kann und nicht mehr benötigt wird, da das Verdichterrad mittels des Dosierventils direkt angetrieben wird, wodurch sich der benötigte Bauraum der Fördereinrichtung verkleinern lässt, da das im Stand der Technik verwendete Bauteil Strahlpumpe ausladend und vom Rest der Bauteile der Fördereinrichtung wegragend bauen kann. Des Weiteren lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Fördereinrichtung und/oder der Seitenkanalverdichter und/oder ein Antriebsmotor mittels des frisch einströmenden Treibmediums, welches insbesondere aus einem Speicher, insbesondere einem Hochdruckspeicher, kommt, gekühlt werden kann. Zudem können die Produktkosten der Fördereinrichtung reduziert werden, da die Verwendung eines zusätzlichen Kühlelement-Bauteils nun nicht mehr benötigt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung erfolgt ein Abscheiden des Wassers vom gasförmigen Medium im Verdichterraum ausschließlich in einem ersten Winkelbereich β. Zudem ist der Verdichterraum ausschließlich in einem zweiten Winkelbereich γ mit dem Strömungskanal verbunden. Dabei überschneiden sich der erste Winkelbereich β und der zweite Winkelbereich γ nicht. Auf diese Weise lassen sich die Funktionen des Abscheidens des Wassers aus dem gasförmigen Medium mittels des Zentrifugalprinzips und des Antreibens des Verdichterrads mittels des Treibmediums, insbesondere mittels des Treibstrahls, räumlich voneinander trennen. Die Funktionsbereiche werden somit in die getrennten Bereiche der ersten Umfangslänge und der zweiten Umfangslänge verlegt, wodurch die beiden Funktionen in unterschiedlichen Bereichen des Seitenkanalverdichters abbildbar sind und ausgeführt werden. Somit kommt es zu keinen Verlustleistungen. Zudem kann der Wirkungsgrad hinsichtlich der Abscheidung des Wassers und des Antreibens des Verdichterrads weiter erhöht werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung Weist die Fördereinrichtung einen Tank auf, wobei der Seitenkanalverdichter und der Tank mittels des Verbindungskanals zumindest mittelbar fluidisch verbunden sind und gemeinsam einen Wasserabscheider ausbilden. Dabei befindet sich der Verbindungskanal auf einem höheren geodätischen Niveau als der Zulaufkanal, insbesondere mittels dem das gasförmige Medium dem Seitenkanalverdichter und/oder der Fördereinrichtung zugeführt wird, und der sich auf einem niedrigeren geodätischen Niveau 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.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung wird der Seitenkanalverdichter mittels eines Antriebs, insbesondere eines elektrischen Antriebs angetrieben, 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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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 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,
- 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 und einem Dosierventil,
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Ausführungsformen der Erfindung
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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. Des Weiteren ist in 1 gezeigt, dass ein Anodenausgang 3 einer Brennstoffzelle 29 insbesondere eines Brennstoffzellen-Stacks 33, mit einem Eingang, insbesondere einem Zulaufkanal 18, der Fördereinrichtung 1 fluidisch verbunden ist und wobei ein Ausgang, insbesondere ein Ablaufkanal 19, der Fördereinrichtung 1 mit einem Anodeneingang 5 der Brennstoffzelle 29 fluidisch verbunden ist.
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1 zeigt, dass eine erste Achse 15 und/oder eine zweite Achse 17 zumindest nahezu parallel zu einer Referenzachse 12 verlaufen. Die erste Achse 15 definiert dabei ein erstes geodätisches Niveau 15 und die zweite Achse 17 ein zweites geodätisches Niveau 17. 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. Innerhalb eines Seitenkanalverdichters 8 wird der Bestandteil Wasser vom gasförmigen Medium mittels des Zentrifugalprinzips abgeschieden. Vom Seitenkanalverdichter 8 strömt das gasförmige Medium über den Ablaufkanal 19, der zumindest teilweise entlang der und/oder rotationssymmetrisch zur ersten Achse 15 und zumindest teilweise entlang einer und/oder rotationssymmetrisch zu einer dritten Achse 27 verläuft, wobei die dritte Achse 27 in einem Winkel α zu den Achsen 15, 17, 27 verläuft.
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Wie in 1 gezeigt weist die Fördereinrichtung 1 einen Tank 13 auf, wobei der Seitenkanalverdichter 8 und der Tank 13 mittels eines Verbindungskanals 20 zumindest mittelbar fluidisch verbunden sind und gemeinsam einen Wasserabscheider 10 ausbilden, wobei sich der Verbindungskanal 20 auf einem höheren geodätischen Niveau 17 befindet als der Zulaufkanal 18. Mittels des Zulaufkanals 18 wird das gasförmige Medium, insbesondere das Rezirkulat dem Seitenkanalverdichter 8 und/oder der Fördereinrichtung 1 zugeführt, wobei sich der Zulaufkanal 18 auf einem niedrigeren geodätischen Niveaus 15 befindet, insbesondere im Hinblick auf eine Wirkrichtung der Schwerkraft 34. Der Verbindungskanal 20 verläuft in seinem ersten Teilbereich A (gezeigt in 2) zumindest nahezu parallel zu der Referenzachse 12. Dabei wird Wasser aus dem Seitenkanalverdichter 8, insbesondere einem Verdichterraum 30 (gezeigt in 2), durch den Verbindungskanal 20 abgeführt, insbesondere in den Tank 13. Die Referenzachse 12 verläuft dabei orthogonal zu der Wirkrichtung der Schwerkraft 34. Der Verbindungskanal 20 verläuft in seinem zweiten Teilbereich B zumindest nahezu parallel zu der Referenzachse 12, wobei der Verbindungskanal 20 zudem leicht geneigt zur Referenzachse 12 verläuft, so dass die Schwerkraft zum Abführen des Wassers aus dem Seitenkanalverdichter 8 in den Tank 13 genutzt werden kann. Weiterhin befindet sich der Wasserabscheider 10 und/oder der Tank 13 oberhalb des Anodenausgangs 3 und/oder der ersten Achse 15. Der Zulaufkanal 18 ist mittels eines ersten Ablaufs 28, in dem sich ein erstes Ablassventil 14, insbesondere ein Purge-Ventil 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 Drain-Ventil 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 Drain-Ventil 16 handelt, nur unzureichend erfüllt wird.
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In 1 ist gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 8 mittels eines Antriebs 26, insbesondere eines elektrischen Antriebs 26 angetrieben wird, wobei sich der der Antrieb 35 in Richtung der Referenzachse 12 zwischen dem Seitenkanalverdichter 8 und dem Tank 13 befindet. Dabei befindet sich der Verbindungskanal 20 zumindest über einen Teil seiner Länge durch den Innenraum 42 des Gehäuses des Antriebs 26 verläuft. Dabei können sich die Bauteile Seitenkanalverdichter 8, Antrieb 35 und Tank 13 in einem gemeinsamen Gehäuse 43 befinden. Zudem 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 dem ringförmig um eine 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 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.
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Wie in 2 gezeigt, weist der Seitenkanalverdichter 8, insbesondere im Bereich des Verdichterraums 30, eine erste Umfangslänge 37 auf, wobei im Bereich der ersten Umfangslänge 37 mittels des Verdichterrads 7, insbesondere der Schaufelblätter 35, der Bestandteil Wasser mittels des Zentrifugalprinzips in den Verbindungskanal 20 abscheidbar ist, wobei der Seitenkanalverdichter 8 ausschließlich über eine zweite Umfangslänge 39 fluidisch mit einem Strömungskanal 22 verbunden ist. Dabei ist das Verdichterrad 7 zumindest mittelbar von einem auf die Schaufelblätter 35 wirkenden Treibstrahl 40 eines Dosierventils 6 antreibbar, wobei der Treibstrahl 40 den Schaufelblättern 35 des Verdichterrads 7 vom Dosierventil 6 über den Strömungskanal 22 zugeführt wird. Das Verdichterrad 7 ist dabei drehbar um die Drehachse 41 angeordnet. Des Weiteren ist gezeigt, dass ein Abscheiden des Wassers vom gasförmigen Medium im Verdichterraum 30 ausschließlich in einem ersten Winkelbereich β erfolgt und dass der Verdichterraum 30 ausschließlich in einem zweiten Winkelbereich γ mit dem Strömungskanal 22 verbunden ist. Dabei überschneiden sich der erste Winkelbereich β und der zweite Winkelbereich γ nicht. Dabei ist die erste Umfangslänge 37, insbesondere der Verdichterraum 30 im Bereich der ersten Umfangslänge 37 vom Strömungskanal 22 fluidisch getrennt.
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Das gasförmige Medium wird inklusive des Wassers in dem Verdichterrad 7 des Seitenkanalverdichters 8 in Rotationsbewegung versetzt und/oder gefördert und/ oder mittels des Verdichterrads 7 in Umfangsrichtung mitgenommen. Dazu sind am äußeren Durchmesser des Verdichterrads 7 mehrere erste 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 erste Schaufelblätter 35 in dem Verdichterraum 30 radial nach außen, bei den typischen hohen Drehzahlen des Seitenkanalverdichters 8 innerhalb einer halben Rotorumdrehung im Bereich der ersten Umfangslänge 37 und wird mittels des Verbindungskanals 20 aus dem Seitenkanalverdichter 8 herausgeleitet.
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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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Das gasförmige Medium, aus welchem im Bereich der ersten Umfangslänge 37 Wasser entzogen wurde und welchem im Bereich der zweiten Umfangslänge 39 das Treibmedium aus dem Dosierventil 6 zugeführt wurde und es sich mit diesem vermischt hat, strömt in einem Endbereich des Verdichterraums 30, bevor ein jeweiliger Unterbrecherbereich 45 einen jeweiligen Seitenkanal 24 fluidisch unterbricht, in den Ablaufkanal 19 ein.
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3 zeigt in einer Draufsicht der Fördereinrichtung 1 mit dem Wasserabscheider 10, dem Seitenkanalverdichter 8 und dem Dosierventil 6. Dabei ist gezeigt, dass die Komponenten 6, 8, 10 an einem plattenförmigen Trägerelement 2 angebracht sind und über dieses plattenförmige Trägerelement 2 zumindest mittelbar mit dem Brennstoffzellen-Stack 33 der Brennstoffzelle 29 (gezeigt in 1) verbunden sind. Zudem wird in 3 dargestellt, dass der Verbindungskanal 20 zumindest über einen Teil seiner Länge durch den Innenraum 42 des Gehäuses des Antriebs 26 verläuft, womit sich die Temperatur im Antrieb 35 senken lässt, insbesondere bei Betriebspunkten des Antriebs 26, die eine hohe Temperaturentwicklung verursachen. Des Weiteren ist gezeigt, dass der Tank 13 mittels eines wärmeleitenden Elements 38 mit dem Antrieb 26, insbesondere dem Gehäuse des Antriebs 26 verbunden ist. Auf diese Weise kann eine verbesserte und beschleunigte Übertragung der im Antrieb 26 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 26 im Rahmen einer Kaltstartprozedur erfolgen kann. Der Tank 13 ist dabei mittels des wärmeleitenden Elements 38 mit dem Antrieb 35, insbesondere einem Gehäuse des Antriebs 26 verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017222390 A1 [0003, 0004]
