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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein damit ausgestattetes Elektrofahrzeug, wie z.B. ein Intralogistikfahrzeug.
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Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt und besitzen zumindest einen Brennstoffzellenstack, der mehrere Brennstoffzellen aufweist. Innerhalb der jeweiligen Brennstoffzelle trennt eine Membran bzw. ein Elektrolyt eine Anodenseite von einer Kathodenseite. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird der jeweiligen Kathodenseite Kathodengas zugeführt, in der Regel Luft aus einer Umgebung des Brennstoffzellensystems. Gleichzeitig wird von der Kathodenseite Kathodenabgas abgeführt. Der jeweiligen Anodenseite wird Anodengas zugeführt, bei dem es sich beispielsweise um Wasserstoff handelt, während Anodenabgas von der Anodenseite abgeführt wird, das vergleichsweise viel Wasser enthalten kann, das beim Brennstoffzellenprozess an der Membranentsteht bzw. dort auskondensiert wird. Während das Kathodengas zweckmäßig kontinuierlich zugeführt und abgeführt wird, erfolgt die Zuführung und Abführung des Anodengases zweckmäßig intermittierend bzw. zyklisch, was die Effizienz des Brennstoffzellenprozesses unterstützt, indem durch die Membran diffundierender Stickstoff ausgetragen wird und eine hinreichende Wasserstoffkonzentration sichergestellt wird. In der Regel enthält das Anodenabgas noch vergleichsweise viel restlichen Wasserstoff, so dass es üblich ist, das Anodenabgas erneut dem Anodengas zuzuführen. Mit anderen Worten, es wird eine Anodengasrückführung durchgeführt. Es gibt jedoch auch Betriebszustände, bei denen Anodenabgas in die Umgebung abgelassen werden muss, z.B. zum Spülen der Anodenseite. Hierbei soll natürlich möglichst wenig bzw. kein Wasserstoff in die Umgebung ausgeleitet werden. Dennoch kann das Anodenabgas je nach den aktuellen Randbedingungen noch Reste von Wasserstoff enthalten. Bei der Emission von Anodenabgas in die Umgebung ist darauf zu achten, dass dabei kein zündfähiges Gemisch, sogenanntes Knallgas, entsteht. Dementsprechend darf eine vorbestimmte Maximalkonzentration an Wasserstoff in der Umgebung des Brennstoffzellensystems nicht überschritten werden. Dies ist üblicherweise bei Brennstoffzellensystemen, die im Freien zum Einsatz kommen, kein Problem sofern sich keine Zündquellen in der Umgebung des Brennstoffzellensystems befinden. Bei Brennstoffzellensystemen, die in Gebäuden oder anderen geschlossenen Räumen zum Einsatz kommen, muss dagegen verstärkt auf die Vermeidung einer erhöhten Wasserstoffkonzentration geachtet werden.
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Elektrische Fahrzeuge besitzen einen elektromotorischen Antrieb und können zur Bereitstellung der elektrischen Energie mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet sein. Dies gilt insbesondere für Intralogistikfahrzeuge, wie Gabelstapler, Flurförderfahrzeuge und Transportfahrzeuge, wobei selbstfahrende Fahrzeuge immer mehr an Bedeutung gewinnen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Brennstoffzellensystem eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich durch eine reduzierte Konzentration von Wasserstoff in der Umgebung des Brennstoffzellensystems auszeichnet.
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Aus der
CN 2 796 110 Y ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem eine Abgasleitung das Abgas der Brennstoffzelle zu einem Gebläse führt, das im Betrieb des Brennstoffzellensystems dafür sorgt, dass das Abgas der Brennstoffzellen ansaugt und unmittelbar der Umgebung zuführt.
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Die
EP 1 384 967 A2 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit Flüssigkeitskühlung, wobei ein Luftstrom durch einen Wärmeübertrager strömt, der von einem stromauf des Wärmeübertragers angeordneten Gebläse angetrieben ist.
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Aus der
WO 2022/171402 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit Verdunstungskühlung bekannt, bei dem eine Wasserausstoßvorrichtung zum Einleiten von flüssigem Wasser in einen Luftstrom stromauf eines von dem Luftstrom durchströmbaren Wärmeübertragers angeordnet ist, während stromab des Wärmeübertragers ein Gebläse zum Ansaugen des Luftstroms durch den Wärmeübertrager angeordnet ist.
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Dass der Erfindung zugrundeliegende Problem wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine im Brennstoffzellensystem zu Kühlungszwecken ohnehin vorhandene Luftströmung zum Verdünnen des Abgases der Brennstoffzellen zu nutzen, sodass die kritische Wasserstoffkonzentration in der Umgebung vermieden werden kann.
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Im Einzelnen wird hierfür das Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreis zum Kühlen des Brennstoffzellenstacks ausgestattet, in dem ein flüssiges und üblicherweise deionisiertes Kühlmittel zirkuliert. In diesen Kühlkreis ist ein Wärmeübertrager eingebunden, der zum Kühlen des Kühlmittels dient und der von einem Luftstrom durchströmbar ist. Zum Erzeugen bzw. zum Antreiben des Luftstroms ist das Brennstoffzellensystem mit einem Gebläse ausgestattet, das bezüglich des Luftstroms stromauf oder stromab des Wärmeübertragers angeordnet sein kann und das eine Saugseite sowie eine Druckseite aufweist. Eine Abgasleitung, die das Abgas der Brennstoffzellen führt, ist nun so konfiguriert, dass sie das Abgas zur Saugseite des Gebläses führt. Auf diese Weise wird das Abgas im Gebläse mit dem Luftstrom vermischt, der zur Kühlung des Kühlmittels durch den Wärmeübertrager strömt. Eine gegebenenfalls im Abgas enthaltene erhöhte Konzentration an Wasserstoff wird dadurch stark reduziert.
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Im vorliegenden Zusammenhang ist eine „Konfiguration“ gleichbedeutend mit einer „Ausgestaltung“, sodass die Formulierung „so konfiguriert, dass“ gleichbedeutend ist mit der Formulierung „so ausgestaltet, dass“.
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Im Betrieb des Gebläses strömt der Luftstrom aus der Umgebung des eines Gehäuses des Brennstoffzellensystems in einen vom Gehäuse umschlossenen Gehäuseinnenraum und strömt im Gehäuseinnenraum durch den Wärmeübertrager und aus dem Gehäuseinnenraum in die Umgebung zurück. Durch die intensive Vermischung der Abgase mit dem Luftstrom lässt sich in der Umgebung des Gehäuses eine unzulässig hohe Konzentration an Wasserstoff vermeiden.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Gebläse bezüglich des Luftstroms stromauf des Wärmeübertragers angeordnet sein, derart, dass die Saugseite des Gebläses dem Gehäuseinnenraum zugewandt ist, während die Druckseite des Gebläses dem Wärmeübertrager zugewandt ist. Damit drückt bzw. schiebt das Gebläse den Luftstrom durch den Wärmeübertrager, was in mehrfacher Hinsicht von Vorteil ist. Der Wärmeübertrager bildet ein Durchströmungshindernis für den Luftstrom. Die erzwungene Durchströmung des Wärmeübertragers unterstützt eine intensive Durchmischung des Abgases mit dem Luftstrom. Des Weiteren kann das Abgas der Brennstoffzellen Wasserdampf enthalten, der am Gebläse kondensieren kann. Sich dabei ausbildende Wassertropfen können dann an rotierenden Schaufeln des Gebläses zerstäubt werden. Die feinen Wassertröpfchen gelange mit dem Luftstrom zum Wärmeübertrager und können dort die Struktur des Wärmeübertragers benetzen. Die sehr große Oberfläche der Wassertröpfchen kommt dann mit der großen Oberfläche des Wärmeübertragers in Kontakt. Durch Verdunstungsverdampfung kann die Wärmeübertragung vom Kühlmittel über den Wärmeübertrager an den Luftstrom begünstigt werden.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Gebläse als Axialgebläse ausgestaltet sein, das ein um eine Drehachse des Gebläses drehbares Gebläserad mit einer Nabe und mit mehreren von der Nabe quer zur Axialrichtung abstehenden Laufschaufeln aufweist. Die Axialrichtung wird dabei durch die Drehachse definiert. Die Axialrichtung verläuft parallel zur Drehachse. Die Druckseite und die Saugseite befinden sich dann axial beiderseits der des Gebläserads bzw. der Laufschaufeln. Mithilfe eines solchen Axialgebläses lässt sich eine vergleichsweise große Fläche des Wärmeübertragers vergleichsweise homogen mit dem Luftstrom beaufschlagen. Dabei kann der kreisförmige Durchmesser des Axialgebläses im Bereich der Laufschaufeln hinsichtlich der rechteckigen Fläche des Wärmeübertragers maximiert werden, um eine maximale Anströmung und Durchströmung des Wärmeübertragergs zu erzielen.
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Grundsätzlich kann die Abgasleitung radial oder tangential an das Axialgebläse angeschlossen sein und beispielsweise an einem Außenumfang radial enden. Bevorzugt ist jedoch eine Konfiguration, bei der die Abgasleitung im Bereich der Nabe endet. Es hat sich gezeigt, dass durch die Zuführung des Abgases zum Axialgebläse im Bereich der Nabe eine deutlich bessere Durchmischung mit dem Luftstrom bewirkt, als beispielsweise eine radiale Zuführung. Dementsprechend lässt sich das Abgas bei Zuführung im Bereich der Nabe deutlich besser verdünnen.
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Besonders vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform, bei der die Abgasleitung so konfiguriert ist, dass sie das Abgas axial zur Nabe führt. Um zu den Laufschaufeln zu gelangen, muss das Abgas erst die Nabe umströmen, wodurch es sich bereits flächig auf einen Ringbereich verteilt, der die Nabe einfasst und in dem die Laufschaufel rotieren. Auch dies unterstützt die Vermischung und Verdünnung des Abgases im Luftstrom.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Abgasleitung an ihrem Auslassende eine Verteilerkammer aufweisen, von der mehrere Verteilerleitungen quer zur Axialrichtung ausgehen, die jeweils im Bereich der Laufschaufeln münden. Damit wird das Abgas zunächst zentral, insbesondere koaxial zur Drehachse, der Verteilerkammer zugeführt und dann über die Verteilerleitungen, die insbesondere sternförmig bezüglich der Drehachse von der Verteilerkammer ausgehen, in den Ringbereich der rotierenden Schaufeln verteilt. Dort tritt das Abgas dann über entsprechende Mündungsöffnungen der Verteilerleitungen an der Saugseite zu den Laufschaufeln aus. Hierdurch lässt sich eine besonders intensive Durchmischung und somit Reduzierung des Wasserstoffgehalts erzielen.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann die Nabe einen zentralen Nabenkanal enthalten, der zum Gehäuseinnenraum bzw. zur Abgasleitung axial offen ist. Die Abgasleitung kann nun im Bereich der Nabe, insbesondere axial, münden, sodass das Abgas von Abgasleitung in den Nabenkanal strömen kann. Zumindest eine der Laufschaufeln kann nun in ihrem Inneren wenigstens einen Schaufelkanal enthalten, der zum Nabenkanal radial offen ist. Damit kann das Abgas vom Nabenkanal in den jeweiligen Schaufelkanal gelangen. Der jeweilige Schaufelkanal kann nun mit wenigstens einer Austrittsöffnung fluidisch verbunden sein, die an der jeweiligen Laufschaufel ausgebildet ist und die im Ringbereich, in dem die Laufschaufeln rotieren, offen ist. Mit anderen Worten, die jeweilige Austrittsöffnung ist an der Druckseite oder an der Saugseite zur Umgebung der jeweiligen Laufschaufel offen. Damit gelangt das Abgas letztlich unmittelbar durch die Laufschaufel zur Druckseite bzw. Saugseite und kann sich dort intensiv mit dem Luftstrom vermischen. Während des Betriebs des Gebläses führt die Rotation der Laufschaufeln aufgrund der Massenträgheit dazu, dass das Abgas im jeweiligen Schaufelkanal radial nach außen angetrieben wird, was das Abgas aus den Nabenkanal ansaugt und dort einen Unterdruck erzeugt, der seinerseits das Abgas von der Abgasleitung ansaugt.
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Eine weitere Ausführungsform schlägt vor, dass zwischen dem Gebläse und der Abgasleitung ein Zusatzgebläse angeordnet ist, das als Radialgebläse ausgestaltet ist und das ein Laufrad aufweist, das von der Abgasleitung axial zugeführtes Abgas dem Bereich der Laufschaufeln, also dem Ringbereich radial zuführt. Bei dieser Ausführungsform kommt das Zusatzgebläse zum Einsatz, um das dem Axialgebläse axial und konzentrisch zugeführte Abgas radial auf den Bereich der Laufschaufeln zu verteilen. Auch dies unterstützt eine intensive Durchmischung mit dem Luftstrom.
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Eine erste Variante schlägt vor, dass das Laufrad drehfest mit der Nabe verbunden ist, sodass das Laufrad bei drehender Nabe das von der Abgasleitung zugeführte Abgas axial ansaugt und radial in den Bereich der Laufschaufeln antreibt. Die rotierende Nabe des Axialgebläses treibt das drehfest damit verbundene Laufrad des Zusatzgebläses an, um die gewünschte axiale Ansaugung und radiale Verteilung des Abgases zu bewirken.
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Gemäß einer zweiten Variante kann das Laufrad an einem Auslassende der Abgasleitung und/oder an der Nabe drehbar angeordnet sein, sodass das von der Abgasleitung zugeführte Abgas das Laufrad drehend antreibt, wobei das Laufrad das ankommende Abgas radial umlenkt und dem Bereich der Laufschaufeln zuführt. In diesem Fall wird das Laufrad durch die Strömung des Abgases angetrieben und rotiert daher unabhängig vom Axialgebläse. Auch bei dieser Bauform ergibt sich die vorteilhafte Verteilung des axial zugeführten Abgases auf die ringförmige Fläche, in der die Laufschaufeln rotieren und dabei das Abgas mit dem Luftstrom vermischten.
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Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die jeweilige Brennstoffzelle eine Polymer-Elektrolyt-Membran auft, die in der Brennstoffzelle eine Anodenseite von einer Kathodenseite trennt.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der das Brennstoffzellensystem einen Wassertank zum Auskondensieren, Abscheiden und Sammeln von in Anodenabgas und Kathodenabgas mitgeführtem Wasser aufweist. Der Wassertank ist eingangsseitig an einen Anodenabgas führenden Anodenauslass des Brennstoffzellenstacks und an einen Kathodenabgas führenden Kathodenauslass des Brennstoffzellenstacks angeschlossen. Ferner ist der Wassertank ausgangsseitig an die Abgasleitung angeschlossen, sodass die Abgasleitung das durch ein Gemisch aus Anodenabgas und Kathodenabgas gebildete Abgas vom Wassertank zum Gebläse führt. Ebenso sind Ausführungen möglich, in denen eine gemeinsame Zuführungsleitung Verwendung findet, um Anodenabgas und Kathodenabgas zum Wassertank zu führen. Der Wassertank hat somit eine Doppelfunktion. Einerseits dient er zum Auskondensieren, Abscheiden und Sammeln des im Abgas mitgeführten Wassers. Zum anderen sorgt er für eine Durchmischung des Anodenabgases mit dem Kathodenabgas. Auf diese Weise ist die Konzentration des Wasserstoffs im Abgas bereits deutlich reduziert gegenüber der im Anodenabgas vorherrschenden Konzentration.
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Besonders zweckmäßig ist nun eine Ausführungsform, bei welcher der Wärmeübertrager eine mit dem Wassertank gekoppelte Kondensatableitstruktur aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie am Wärmeübertrager anfallendes Kondensat dem Wassertank zuführt. Neben flüssigem Wasser kann das Anodenabgas auch dampfförmiges Wasser mitführen, das ebenfalls noch in dem vom Wassertank abgeführten Gemisch aus Anodenabgas und Kathodenabgas enthalten sein kann. Auch im Luftstrom kann Wasserdampf enthalten sein. Jedenfalls kann es aus unterschiedlichen Gründen dazu kommen, dass sich flüssiges Wasser an der Struktur des Wärmeübertragers niederschlägt und ansammelt. Die Kondensatableitstruktur sorgt dann dafür, dass das flüssige Wasser letztlich dem Wassertank zugeführt wird.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Wärmeübertrager in oder an einer der Gehäuseseiten angeordnet sein. Damit tritt der mit dem Abgas angereicherte Luftstrom an dieser Gehäuseseite in die Umgebung des Gehäuses aus.
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Der Wärmeübertrager kann eine ebene Struktur aufweisen. Das Gehäuse kann einen Quader bilden und ebene Gehäuseseiten aufweisen. Zweckmäßig ist der ebene Wärmeübertrager parallel zur zugehörigen ebenen Gehäuseseite ausgerichtet, an oder in welcher er angeordnet ist.
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Das Brennstoffzellensystem kann optional mit einem Kompressor zum Verdichten von aus der Umgebung angesaugter Frischluft zu Ladeluft ausgestattet sein. Des Weiteren kann das Brennstoffzellensystem mit einem Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft ausgestattet sein, der insbesondere in den Kühlkreis eingebunden ist, in den auch der Wärmeübertrager eingebunden ist.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchter zum Befeuchten der Frischluft bzw. der Ladeluft ausgestattet sein, der insbesondere gleichzeitig zum Entfeuchten des Kathodenabgases genutzt werden kann. Insbesondere wird im Befeuchter die Feuchtigkeit des Kathodenabgases auf die Frischluft bzw. Ladeluft übertragen.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann das Gebläse eine Luftleitstruktur aufweisen, die den Luftstrom von der Druckseite zum Wärmeübertrager führt. Beispielsweise kann die Luftleitstruktur eine den Wärmeübertrager an eine Anströmseite abdeckende Haube bilden. Ferner kann die Luftleitstruktur einen Ringkörper ausbilden, in dem das Axialgebläse angeordnet ist.
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Das Gehäuse bzw. Gehäusewände, welche die Gehäuseseiten bilden, sind zumindest teilweise luftdurchlässig konfiguriert. Hierzu können die Gehäusewände mit Öffnungen, insbesondere nach Art von Perforationen, ausgestattet sein.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann an oder in einem dem Gebläse zugewandten Endabschnitt der Abgasleitung eine Flammensperreinrichtung zum Verhindern der Ausbreitung einer Flamme innerhalb der Abgasleitung angeordnet sein. Bei externen Zünd- oder Feuerquellen in der Umgebung des Brennstoffzellensystems kann eine Flamme durch den Wärmeübertrager und auch durch das Gebläse bis zur Abgasleitung gelangen, an deren Austritt das Abgas je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle ein zündfähiges Gemisch bilden kann. Sofern es zu einer Zündung kommt, verhindert die Flammensperreinrichtung die Ausbreitung der durch die Zündung ausgelösten Flamme im Inneren des Abgasrohrs, so dass sich das Abgas innerhalb der Abgasleitung nicht entzündet. Eine derartige Flammensperreinrichtung kann durch jegliche Flammensperre oder Flammendurchschlagsicherung gebildet sein, die für Wasserstoffgasanwendungen geeignet ist. Flammendurchschlagsicherung sind beispielsweise in der europäischen Norm EN ISO 16852:2016 näher spezifiziert.
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Zusätzlich oder alternativ dazu kann an oder in einem dem Gebläse zugewandten Endabschnitt der Abgasleitung ein Partikelfilter zum Filtern des Abgases angeordnet sein. Mit Hilfe des Partikelfilters lassen sich im Abgas mitgeführte partikuläre Verunreinigungen, wie z.B. Rußpartikel aus dem Abgas herausfiltern, um eine Verschmutzung und Beschädigung des Gebläses und des Wärmeübertragers zu verhindern.
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Ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug weist einen elektromotorischen Antrieb und ein Brennstoffzellensystem der vorstehend beschriebenen Art auf. Das Brennstoffzellensystem dient dabei zum Erzeugen elektrischer Energie zur Versorgung des elektrischen Antriebs. Hierzu ist das Brennstoffzellensystem zur Übertragung elektrischer Energie mit dem Antrieb und zumeist durch eine zusätzliche Traktionsbatterie in einem Hybridsystem gekoppelt. Das Elektrofahrzeug kann als Intralogistikfahrzeug und/oder als selbstfahrendes Fahrzeug konfiguriert sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den durch die Ansprüche definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine stark vereinfachte isometrische Ansicht eines Brennstoffzellensystems,
- 2 eine isometrische, teilweise geschnittene Ansicht des Brennstoffzellensystems im Bereich eines Gebläses,
- 3 bis 6 Ansichten wie in 2, jedoch bei anderen Ausführungsformen.
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Entsprechend 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 1, ein Gehäuse 2, das hier nur mit unterbrochener Linie angedeutet ist. Das Gehäuse 2 umschließt einen Gehäuseinnenraum 3 und weist Gehäuseseiten 4 auf, die den Gehäuseinnenraum 3 begrenzen. Die Gehäuseseiten 4 können dabei durch Gehäusewände gebildet sein, die mithilfe von Öffnungen und/oder Perforationen luftdurchlässig ausgestaltet sein können.
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Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem zumindest einen Brennstoffzellenstack 5 auf, der im Gehäuseinnenraum 3 angeordnet ist und der mithilfe mehrerer Brennstoffzellen 6 gebildet ist, die hierzu aufeinandergestapelt sind. Ferner ist das Brennstoffzellensystem 1 mit einem Kühlkreis 7 ausgestattet, der in 1 vereinfacht dargestellt ist. Der Kühlkreis 7 dient zum Kühlen des Brennstoffzellenstacks 5. Hierzu zirkuliert im Kühlkreis 7 ein flüssiges Kühlmittel. Zum Antreiben des Kühlmittels kann der Kühlkreis 7 in üblicher Weise eine Kühlmittelpumpe 8 aufweisen. In den Kühlkreis 7 ist ein Wärmeübertrager 9 eingebunden, der zum Kühlen des Kühlmittels dient. Hierzu ist der Wärmeübertrager 9 von einem Luftstrom 10 durchströmbar, der in 1 durch Pfeile angedeutet ist. Der Kühlkreis 7 weist eine Vorlaufleitung 54, die einen Kühlmittelauslass 55 des Wärmeübertragers 9 mit einem Kühlmitteleinlass 56 des Brennstoffzellenstacks 5 verbindet, und eine Rücklaufleitung 57 auf, die einen Kühlmittelauslass 58 des Brennstoffzellenstacks 5 mit einem Kühlmitteleinlass 59 des Wärmeübertragers 9 verbindet. Die Kühlmittelpumpe 8 ist vorzugsweise in der Vorlaufleitung 54 angeordnet.
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Im Gehäuseinnenraum 3 ist außerdem ein Gebläse 11 zum Antreiben des Luftstroms 10 angeordnet, das eine Druckseite 12 und eine Saugseite 13 aufweist. In den 1 bis 6 ist die Druckseite 12 jeweils vom Betrachter abgewandt, während die Saugseite 13 jeweils dem Betrachter zugewandt ist.
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Das Brennstoffzellensystem 1 weist außerdem eine Abgasleitung 14 auf, die Abgas 15, das in den 1 bis 6 durch Pfeile angedeutet ist und letztlich von den Brennstoffzellen 6 stammt, zur Saugseite 13 des Gebläses 11 führt. Diese Abgasleitung 14 kann als Schlauch oder Rohr ausgestaltet sein.
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Im Betrieb des Gebläses 11 erzeugt das Gebläse 11 den Luftstrom 10, der aus einer Umgebung 16 des Gehäuses 2 in den Gehäuseinnenraum 3 ein strömt und im Gehäuseinnenraum 3 durch den Wärmeübertrager 9 strömt, dabei Wärme des Kühlmittels aufnimmt, und danach wieder aus dem Gehäuseinnenraum 3 in die Umgebung 16 zurückströmt. Um hier eine Kurzschlussströmung zu vermeiden, ist klar, dass am Gehäuse 2 ein Lufteintrittsbereich, durch den der Luftstrom 10 in das Gehäuse 2 eintritt, von einem Luftaustrittsbereich entfernt ist, durch den der Luftstrom 10 aus dem Gehäuse 2 austritt.
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Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird über die Abgasleitung 14 das Abgas 15 der Brennstoffzellen 6 bzw. des Brennstoffzellenstacks 5 der Saugseite 13 des Gebläses 11 zugeführt, wodurch sich automatisch eine Durchmischung zwischen Abgas 15 und Luftstrom 10 ergibt, wodurch eine gegebenenfalls im Abgas 15 enthalten Konzentration an Wasserstoff signifikant reduziert wird.
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Bevorzugt ist dabei die hier gezeigte Ausführungsform, bei der sich das Gebläse 11 bezüglich des Luftstroms 10 stromauf des Wärmeübertragers 9 befindet. In der Folge ist die Saugseite 13 dem Gehäuseinnenraum 3 zugewandt, während die Druckseite 12 dem Wärmeübertrager 9 zugewandt ist. Ferner ist bevorzugt, dass das Gebläse 11 als Axialgebläse konfiguriert ist, sodass das Gebläse 11 eine Drehachse 17 und eine um die Drehachse 17 drehbare Nabe 18 aufweist, von der mehrere Laufschaufeln 19 quer zur Axialrichtung X abstehen. Die Axialrichtung X erstreckt sich parallel zur Drehachse 17. Die Nabe 18 bildet mit den Laufschaufeln 19 ein Gebläserad 20, das um die Drehachse 17 drehbar ist. Das Gebläse 11 kann elektromotorischen angetrieben sein. Ein entsprechender Elektromotor 46 kann insbesondere in oder an der Nabe 18 angeordnet sein und ist in den Schnittansichten der 2 bis 6 erkennbar. Zweckmäßig ist die Abgasleitung 14 so angeordnet, dass sie im Bereich der Nabe 18 endet, wobei die Abgasleitung 14 insbesondere so konfiguriert sein kann, dass sie das Abgas 15 der Nabe 18 axial und/oder konzentrisch zur Drehachse 17 zuführt.
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In einer besonders einfachen Ausführungsform, die in 2 gezeigt ist, endet die Abgasleitung 14 axial beabstandet von der Nabe 18 und ist dabei koaxial und axial zur Drehachse 17 ausgerichtet. Über bzw. entlang der Nabe 18 gelangt das Abgas 15 in einen Ringbereich 47, in dem die Laufschaufeln 19 rotieren. Beim Axialgebläse ist dieser Ringbereich 47 ringförmig um die Nabe 18 angeordnet. In diesem Ringbereich 47 wird das Abgas 15 durch die Rotation der Laufschaufeln 19 mit dem Luftstrom 10 verwirbelt und vermischt. Ein Auslassende 21 der Abgasleitung 14 besitzt dabei einen Axialabstand zur Nabe 18.
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Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform weist die Abgasleitung 14 an ihrem Auslassende 21 eine Verteilerkammer 22 auf, von der mehrere Verteilerleitungen 23 quer zur Axialrichtung X abgehen. Diese Verteilerleitungen 23 münden jeweils im Bereich der Laufschaufeln 19. Beispielsweise besitzen die Verteilerleitungen 23 jeweils ein radial offenes Ende. Das Abgas 15 strömt durch die Abgasleitung 14 bis zur Verteilerkammer 22 und wird darin auf die Verteilerleitungen 23 verteilt. Das Abgas 15 strömt, dann durch die Verteilerleitungen 23 und tritt an deren Mündungsöffnungen, insbesondere an deren Enden im Ringbereich 47 der Laufschaufeln 19 aus und gelangt so an die Saugseite 13 des Gebläses 11.
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Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform weist die Nabe 18 einen zentralen Nabenkanal 24 auf, der zur Abgasleitung 14 hin axial offen ist. Die Abgasleitung 14 mündet im Bereich der Nabe 18, vorzugsweise axial. Zweckmäßig mündet die Abgasleitung 14 im Bereich des offenen Endes des Nabenkanals 24. Im Beispiel der 4 erstreckt sich die Abgasleitung 14 mit ihrem Auslassende 21 axial bis in den Nabenkanal 24 hinein. Zweckmäßig erfolgt dabei kein Kontakt zwischen Abgasleitung 14 und Nabe 18. Insbesondere besitzt die Abgasleitung 14 an ihrem Auslassende 21 ausreichend Radialabstand und/oder Axialabstand zur Nabe 18. Zumindest eine der Laufschaufeln 19 enthält in ihrem Inneren zumindest einen Schaufelkanal 25, der zum Nabenkanal 24 radial offen ist. Die mit dem jeweiligen Schaufelkanal 25 ausgestattete Laufschaufel 19 besitzt zumindest eine Austrittsöffnung 26, die mit dem jeweiligen Schaufelkanal 25 fluidisch verbunden ist. Die jeweilige Austrittsöffnung 26 befindet sich dabei am oder im Ringbereich 47 an einer Außenseite der jeweiligen Laufschaufel 19. Damit befindet sich die jeweiligen Austrittsöffnung 26 auf der Druckseite 12 oder auf der Saugseite 13 oder zwischen der Druckseite 12 und der Saugseite 13 und ist zur Umgebung der jeweiligen Laufschaufel 19 offen. Damit kann das Abgas 15 durch die Abgasleitung 14 bis zum Nabenkanal 24 strömen. Das Abgas 15 strömt dann weiter vom Nabenkanal 24 durch die Schaufelkanäle 25 bis zu den Austrittsöffnungen 26 und aus den Austrittöffnungen 26 in den Ringbereich 47, in dem die Laufschaufeln 19 rotieren. Im Beispiel der 4 sind die Austrittsöffnungen 26 rein exemplarisch am radialen Ende der jeweiligen Laufschaufel 19 ausgebildet, so dass es sich um radiale Austrittsöffnungen handelt. Zusätzlich oder alternativ dazu können mehrere oder alle Austrittsöffnungen 26 auch an einer axialen Außenseite der jeweiligen Laufschaufel 19 angeordnet sein, so dass sie unmittelbar der Druckseite 12 oder der Saugseite 13 zugewandt sind. Ein saugseitiger Austritt ist dabei bevorzugt, da er aufgrund des Unterdrucks die Strömung des Abgases 15 unterstützt.
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Bei den Ausführungsformen der 5 und 6 ist zwischen dem Gebläse 11 und der Abgasleitung 14 ein Zusatzgebläse 27 angeordnet. Dieses Zusatzgebläse 27 ist zweckmäßig als Radialgebläse ausgestaltet und besitzt ein Laufrad 28, das von der Abgasleitung 14 axial zugeführtes Abgas 15 dem Ringbereich 47 der Laufschaufeln 19 radial zuführt.
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Im Beispiel der 5 ist das Laufrad 28 drehfest mit der Nabe 18 verbunden. Bei drehender Nabe 18, also im Betrieb des Gebläses 11 rotiert damit auch das Laufrad 28 und saugt dadurch das Abgas 15 am Auslassende 21 der Abgasleitung 14 an und führt es radial dem Ringbereich 47 der Laufschaufeln 19 zu. Im Beispiel der 5 ist die Abgasleitung 14 bevorzugt ohne Kontakt zum Laufrad 28. Am Auslassende 21 kann eine Verteilerstruktur 29 ausgebildet sein, welche die Zuströmung zum Laufrad 28 verbessert. Die Verteilerstruktur 29 ist hier als Diffusor oder als Trichter ausgestaltet, der sich in der Strömungsrichtung des Abgases 15 aufweitet.
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Im Beispiel der 6 ist das Laufrad 28 am Auslassende 21 der Abgasleitung 14 drehbar angeordnet. Hierzu kann das Auslassende 21 eine Lagerstruktur 30 zur drehbaren Lagerung des Laufrads 28 aufweisen. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform treibt das von der Abgasleitung 14 zugeführte Abgas 15 das Laufrad 28 drehend an. Hierbei lenkt das Laufrad 28, dass axial ankommende Abgas 15 radial um und führt es dem Ringbereich 47, in dem die Laufschaufeln 19 rotieren. Zweckmäßig kann auch hier vorgesehen sein, dass zwischen der Abgasleitung 14 und dem Gebläse 11 kein Kontakt vorliegt. Insbesondere kann das Laufrad 28 axial von der Nabe 18 beabstandet sein.
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Alternativ ist dagegen bei einer anderen Ausführungsform auch eine Konfiguration denkbar, bei der das Laufrad 28 an der Nabe 18 drehbar gelagert ist. Die Lagerung des Laufrads 28 an der Nabe 18 kann dabei zusätzlich oder alternativ zur Lagerung des Laufrads 28 an der Abgasleitung 14 vorgesehen sein. Zweckmäßig fallen dann die Drehachse 17 des Gebläses 11 und eine Drehachse 31 des Laufrads 28 zusammen.
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Die jeweilige Brennstoffzelle 6 kann eine hier nicht näher gezeigte Polymer-Elektrolyt-Membran aufweisen. Die Membran trennt innerhalb der jeweilige Brennstoffzelle 6 eine Anodenseite von einer Kathodenseite.
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Gemäß 1 kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Wassertank 32 aufweisen, der zum Sammeln von Wasser dient, das im Anodenabgas mitgeführt wird. Eine Anodenabgasleitung 33 führt Anodenabgas von einem Anodenauslass 34 des Brennstoffzellenstacks 5 zum Wassertank 32. Eine Kathodenabgasleitung 35 verbindet einen Kathodenauslass 36 des Brennstoffzellenstacks 5 mit dem Wassertank 32. Die Anodenabgasleitung 33 führt dem Wassertank 32 Anodenabgas und darin mitgeführtes gasförmiges und flüssiges Wasser zu. Das flüssige Wasser wird im Wassertank 32 gesammelt. Gasförmiges Wasser kann im Wassertank 32 zumindest teilweise kondensieren und verbleibt dadurch ebenfalls im Wassertank 32. Die Kathodenabgasleitung 35 führt Kathodenabgas dem Wassertank 32 zu und durchmischt sich dort mit dem Anodenabgas, wodurch gleichzeitig das Anodenabgas verdünnt wird. Im Wassertank 32 entsteht ein Gemisch aus Anodenabgas und Kathodenabgas, welches dann das Abgas 15 der Brennstoffzellen 6 bzw. des Brennstoffzellenstacks 5 bildet, das mithilfe der Abgasleitung 14 vom Wassertank 32 abgeführt und dem Gebläse 11 zugeführt wird.
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Der Wärmeübertrager 9 kann mit einer Kondensatableitstruktur 37 ausgestattet sein, die auf geeignete Weise mit dem Wassertank 32 fluidisch gekoppelt ist und die so konfiguriert ist, dass sie Kondensat, das am Wärmeübertrager 9 anfällt, dem Wassertank 32 zuführt. Im Abgas 15 enthaltener Wasserdampf kann bei der Durchströmung des Wärmeübertragers 9 kondensieren und so über die Kondensatableitstruktur 37 in den Wassertank 32 gelangen.
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Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist der Wärmeübertrager 9 zweckmäßig an einer der Gehäuseseiten 4 angeordnet bzw. darin eingebaut. Der Wärmeübertrager 9 kann eben konfiguriert sein und parallel zur ebenfalls eben ausgestalteten Gehäuseseite 4 ausgerichtet sein.
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Gemäß 1 kann das Brennstoffzellensystem 1 außerdem mit einem Kompressor 38 zum Verdichten von aus der Umgebung 16 angesaugter Frischluft zu Ladeluft ausgestattet sein. Dem Kompressor 38 kann dabei zweckmäßig ein Luftfilter 39 vorgeschaltet sein. Beim Verdichten erwärmt sich die Luft, sodass vom Kompressor 38 warme Ladeluft abgeführt wird. Zweckmäßig kann ein Ladeluftkühler 40 vorgesehen sein, mit dessen Hilfe die Ladeluft gekühlt werden kann. Der Ladeluftkühler 40 kann dabei zweckmäßig in den Kühlkreis 7 eingebunden sein. Entsprechende Kühlmittelleitungen sind hier jedoch nicht gezeigt. Die gekühlte Ladeluft kann dann vom Ladeluftkühler 40 über eine Kathodenfrischgasleitung 41 dem Brennstoffzellenstack 5 zugeführt werden. Im Beispiel der 1 ist zwischen dem Ladeluftkühler 40 und einem Kathodeneinlass 42 des Brennstoffzellenstacks 5 ein Befeuchter 43 angeordnet. Dieser Befeuchter 43 ist dabei ebenfalls in die Kathodenabgasleitung 35 eingebunden, derart, dass im Kathodenabgas enthaltene Feuchtigkeit im Befeuchter 43 auf die Frischluft bzw. Ladeluft übertragen wird. Damit wird einerseits die Frischluft befeuchtet, während andererseits das Anodenabgas entfeuchtet bzw. getrocknet wird.
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Für eine effiziente Durchströmung des Wärmeübertragers 9 kann außerdem eine hier nur teilweise dargestelltes Luftleitstruktur 44 vorgesehen sein, die zumindest einen in 1 erkennbaren Ringkörper 45 aufweist, der den Ringbereich 47, in dem die Laufschaufeln 19 rotieren, ringförmig und radial einfasst. Die Luftleitstruktur 44 kann außerdem eine hier nicht gezeigte Haube bilden bzw. aufweisen, die einen Luft führenden kanalförmigen Übergang zwischen dem kreisförmigen Ringkörper 45 und dem in der Regel rechteckigen Wärmeübertrager 9 bildet. Die Luftleitstruktur 44 verbindet das Gebläse 11 hinsichtlich des Luftstroms 10 mit einer Anströmseite des Wärmeübertragers 9. Damit kann das Abgas 15, sobald es die Saugseite 13 des Gebläses 11 erreicht, nicht mehr entweichen, sodass es sich zwangsläufig mit den Luftstrom 10 vermischen muss und mit diesem durch den Wärmeübertrager 9 in die Umgebung 16 ausgeblasen wird.
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Entsprechend 2 kann an oder in einem dem Gebläse 11 zugewandten Endabschnitt 51 der Abgasleitung 14, an dem sich das Auslassende 21 befindet, eine Flammensperreinrichtung 52 zum Verhindern der Ausbreitung einer Flamme innerhalb der Abgasleitung 14 und/oder ein Partikelfilter 53 zum Filtern des Abgases 15 angeordnet ist. Die Flammensperreinrichtung 52 ist für eine von der Umgebung 16 kommende Flamme undurchlässig, so dass sich eine Entzündung nicht durch die Abgasleitung 14 bis zum Wassertank 32 ausbreiten kann. Das Partikelfilter 53 wird vom Abgas 15 durchströmt und hält dabei Partikel zurück, die im Abgas 15 mittransportiert werden. Die Flammensperreinrichtung 52 und das Partikelfilter 53 können wie gezeigt zu einer kombinierten Flammensperr-Filter-Einrichtung zusammengefasst sein. Ebenso ist denkbar, die Flammensperreinrichtung 52 und das Partikelfilter 53 als separate Komponenten vorzusehen, wobei das Partikelfilter 53 bezüglich der Strömungsrichtung des Abgases 15 stromauf der Flammensperreinrichtung 52 angeordnet ist. Obwohl die Flammensperreinrichtung 52 und das Partikelfilter 53 hier nur anhand von 2 eingeführt worden sind, ist klar, dass die Flammensperreinrichtung 52 und/oder das Partikelfilter 53 auch bei allen anderen Ausführungsformen auf entsprechende Weise realisierbar sind.
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Das Brennstoffzellensystem 1 kann gemäß 1 einen Bestandteil eines im Übrigen nicht gezeigten Elektrofahrzeugs 48 bilden, das einen elektromotorischen Antrieb 49 aufweist, der auf geeignete Weise zur Übertragung 50 elektrischer Energie mit dem Brennstoffzellensystem 1 gekoppelt ist. Das Brennstoffzellensystem 1 dient zum Erzeugen elektrischer Energie, die zur Versorgung des elektrischen Antriebs 49 dient.
