DE10258363A1 - Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen weist einen der Brennstoffzelle vorgeschalteten Verdichter und einen der Brennstoffzelle nachgeschalteten Expander auf. Der Verdichter ist als Klauenverdichter mit wenigstens zwei ineinandergreifenden Verdichterrädern und der Expander ist als Klauenexpander mit wenigstens zwei ineinandergreifenden Expanderrädern ausgeführt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
- Aus der
DE 197 55 116 C1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen bekannt. Hierbei wird der Brennstoffzelle über einen Verdichter Luft zugeführt und anschließend in einem Expander expandiert. Dabei wird der Expander mit der Abluft eines ebenfalls der Brennstoffzelle nachgeschalteten katalytischen Brenners betrieben. - Problematisch bei diesen bekannten Luftversorgungseinheiten ist jedoch häufig die Tatsache, dass der Brennstoffzelle nicht genug Luft zugeführt werden kann und außerdem die Verdichter und die Expander schlechte Wirkungsgrade aufweisen.
- Eine Pumpe zur Erzeugung von Druck oder Unterdruck ist aus der WO 00/57062 A1 bekannt.
- Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und effektiv arbeitet.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
- Die erfindungsgemäß als Klauenverdichter bzw. -expander mit jeweiligen Verdichter- bzw. Expanderrädern ausgebildeten Verdichter bzw. Expander der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen ermöglichen sehr hohe Verdichtungsverhältnisse und somit eine sehr gute Versorgung der Brennstoffzelle mit Frischluft. Dabei weisen sie einen einfachen Aufbau und eine zuverlässige Funktion auf.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.
- Dabei zeigen:
-
1 eine Brennstoffzelle mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Luftversorgung; -
2 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Luftversorgung in einem Schnitt; -
3 eine vergrößerte Darstellung einer Einheit aus Verdichter und Expander; und -
4 die Wirkungsweise des Verdichters der erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
5 ein Diagramm, in dem das Drehmoment des Verdichters und des Expanders über dem Drehwinkel aufgetragen ist. -
1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine Brennstoffzelle1 , welche in an sich bekannter Weise einen Kathodenraum2 und einen Anodenraum3 aufweist, In nicht dargestellter, jedoch an sich bekannter Weise wird dem Anodenraum3 ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Dem Kathodenraum2 wird Luft bzw. Luftsauerstoff zugeführt, wozu eine nachfol gend detailliert beschriebene Vorrichtung4 zur Luftversorgung der Brennstoffzelle1 vorgesehen ist. - Die Vorrichtung
4 weist einen der Brennstoffzelle1 vorgeschalteten Verdichter5 und einen der Brennstoffzelle1 nachgeschalteten Expander6 auf. Die Art und Weise der Verbindung des Verdichters5 und des Expanders6 mit der Brennstoffzelle1 ist nicht explizit dargestellt, kann jedoch beispielsweise durch gewöhnliche Leitungen erfolgen. - Wie ebenfalls in
1 erkennbar, ist der Verdichter5 als Klauenverdichter ausgebildet und weist zwei Verdichterräder7 ,7' auf, die ihrerseits jeweils mit zwei Verdichterklauen8 ,8' versehen sind. Der Expander6 ist im Prinzip identisch wie der Verdichter5 aufgebaut und weist zwei Expanderräder9 ,9' auf, die wiederum mit jeweiligen Expanderklauen10 ,10' versehen sind. Durch die Rotation der Verdichterräder7 ,7 ' wird das an einem Zulauf11 zu dem Verdichter5 gelangende Gas mit einem Druck P1 angesaugt und auf einen an einem Ablauf12 herrschenden Druck P2 verdichtet, was später noch näher erläutert wird. Mit dem Druck P2 wird das Gas der Brennstoffzelle1 zugeführt. Nach der Brennstoffzelle1 herrscht in dem Gas ein Druck P3, mit dem das Gas dem Expander6 an einem Zulauf13 desselben zugeführt wird. Durch die Rotation der Expanderräder9 wird das Gas auf einem Druck P4 entspannt, der an einem Ablauf14 des Expanders6 herrscht. - Hierbei geben die mit "A" bezeichneten Pfeile die jeweiligen Drehrichtungen der Verdichterräder
7 ,7' und der Expanderräder9 ,9' an. Somit ist zu erkennen, dass der Verdichter5 und der Expander6 dieselbe Drehrichtung aufweisen. Um jedoch bei dem Verdichter5 eine Verdichtung von dem Druck P1 auf den Druck P2 und bei dem Expander6 eine Entspannung von dem Druck P3 auf den Druck P4 zu erreichen, weisen der Verdichter5 und der Expander6 einen spiegelverkehrten. Aufbau auf. - Die Verdichtungsverhältnisse P2/P1 und P3/P4 sind im vorliegenden Fall durch die Geometrie der Verdichterräder
7 ,7' und der Expanderräder9 ,9' , also durch den Aufbau des Verdichters5 und des Expanders6 , vorgegeben, sie können jedoch auch durch einen nicht dargestellten Mechanismus einstellbar sein. - Wie in
2 erkennbar, sind die Verdichterräder7 ,7' und die Expanderräder9 ,9' jeweils auf gemeinsamen Wellen15 ,15' gelagert. Sowohl die Welle15 als auch die Welle15' ist jeweils mittels zweier Lagerelementen16 und17 bzw. 16' und17 ' gelagert. Des weiteren sind die gemeinsamen Wellen15 und15' durch ein Synchronisationsgetriebes18 verbunden, welches für einen Gleichlauf des Verdichterrads7 mit dem Verdichterrad7' und des Expanderrads9 mit dem Expanderrad9' sorgt. Die Welle15 ist mit einem Antriebsmotor19 verbunden, der zum Antrieb der Vorrichtung4 dient. - Bei der beschriebenen Vorrichtung
4 , die eine Kombination aus dem Verdichter5 und dem Expander6 darstellt, wird das in dem Verdichter5 verdichtete Gas dem Expander6 zugeleitet, wo demselben durch Entspannung Restenergie entzogen wird. Durch die gemeinsame Lagerung führt der Expander6 die zurückgewonnene Leistung direkt den beiden Wellen15 und15' zu und verringert somit die für den Verdichter5 erforderliche Leistung des Antriebsmotors19 . - Wie aus
3 erkennbar, werden der Verdichter5 und der Expander6 mittels Expansionskühlung gekühlt. Zum einen befindet sich hierzu, wie in2 erkennbar, der kühlere Expander6 auf der Seite des Synchronisationsgetriebes18 . Des weiteren wird das Gas nach dem Verlassen des Expanders6 zur Kühlung des Verdichters5 sowie der sich daran anschließenden Lagereinrichtungen16 und16' verwendet. Um dies zu erreichen, sind im vorliegenden Fall der Verdichter5 und der Expander6 in einem gemeinsamen Gehäuse20 untergebracht, welches doppelwandig ausgeführt ist. - In
4 ist das Arbeitsprinzip des Verdichters5 in insgesamt sechs Stufen dargestellt. In Stufe a) wird durch die Rotation der Verdichterräder7 ,7' gemäß dem Pfeil A das Volumen eines sich im Bereich des Zulaufs11 sich befindlichen Schöpfraums21 vergrößert und das Gas über den auch als Saugkanal bezeichneten Zulauf11 angesaugt. Schritt b) zeigt einen durch die Rotation entsprechend vergrößerten Schöpfraum21 . - Durch die in Schritt c) dargestellte Trennung der Fördervolumina der beiden Verdichterräder
7 ,7' ergibt sich eine isochore Förderung des Gases in Richtung der Druckseite bzw. dem Ablauf12 . Schritt d) zeigt die Vereinigung der beiden Volumina, die mit einer Verdichtung einhergeht. Das Gas kann den Verdichter5 allerdings nicht verlassen, da das untere Verdichterrad7' den Ablauf12 verschließt. Erst: wenn der Ablauf12 freigegeben ist, wie in Schritt e) dargestellt, kann das vorverdichtete Gas ausgeschoben werden, wie dies in Schritt f) dargestellt ist. Auf diese Weise wird also das Gas von dem Druck P1 auf den Druck P2 verdichtet und in Richtung der Brennstoffzelle1 gefördert. - In
2 ist erkennbar, dass die Verdichterräder7 ,7' eine erheblich größere Breite aufweisen als die Expanderräder9 ,9' . Damit ist auch der nicht dargestellter Schöpfraum des Expanders6 kleiner als der entsprechende Schöpfraum21 des Verdichters5 . Im allgemeinen beträgt die Größe des Schöpfraums des Expanders6 das 0,3- bis 0,6-fache des Schöpfraums21 des Verdichters5 . - Zur Herstellung der Verdichterräder
7 ,7' und der Expanderräder9 ,9' können relativ einfache Herstellungsverfahren angewendet werden, weil im Gegensatz zu beispielsweise Schraubenverdichtern die Geometrie der Verdichterräder7 ,7' sowie der Expanderräder9 ,9' in axialer Richtung nicht verdreht ist. Da die Verdichtung, wie oben beschrieben, radial und nicht in Achsrichtung erfolgt, ist die Länge bzw. Breite der Verdichterräder7 ,7' und der Expanderräder9 ,9' kleiner als ihr Durchmesser, so dass sich insbesondere bei mehrstufiger Anordnung von Verdichtern bzw. Expandern kompakte Bauformen realisieren lassen. Eine solche mehrstufige Bauform kann zur Realisierung größerer Druckdifferenzen oder zur Erzielung unabhängiger Volumenströme bei unterschiedlichen Einzeldrücken genutzt werden. -
5 zeigt einen Drehmomentverlauf des Verdichters5 und des Expanders6 über dem Drehwinkel der Verdichterräder7 ,7' bzw. der Expanderräder9 ,9' . Da der Verdichter5 in Drehrichtung verdichtet während der Expander6 in Drehrichtung expandiert und da, wie oben beschrieben, die Längen der Verdichterräder7 ,7' und der Expanderräder9 ,9' unterschiedlich sind, ergeben sich die dargestellten Drehmomentverläufe. Der Expander6 ist dabei zunächst phasengleich zu dem Verdichter5 , wobei durch eine geeignete Winkelverschiebung sich die Differenz von maximalem zu minimalem Drehmoment um ca. 20% verringern lässt.
Claims (14)
- Vorrichtung zur Luftversorgung von Brennstoffzellen, mit einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Verdichter und einem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Expander, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (
5 ) als Klauenverdichter mit wenigstens zwei ineinandergreifenden Verdichterrädern (7 ,7' ) und der Expander (6 ) als Klauenexpander mit wenigstens zwei ineinandergreifenden Expanderrädern (9 ,9' ) ausgeführt ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterräder (
7 ,7' ) und die Expanderräder (9 ,9' ) jeweils wenigstens zwei Verdichterklauen (8 ,8 ') bzw. Expanderklauen (10 ,10' ) aufweisen. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterräder (
7 ,7' ) und die Expanderräder (9, 9' ) jeweils auf gemeinsamen Wellen (15 ,15 ') gelagert sind. - Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsamen Wellen (
15 ,15' ) mit einem Synchronisationsgetriebe (18 ) verbunden sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (
5 ) und der Expander (6 ) dieselbe Drehrichtung (A) und einen spiegelverkehrten Aufbau aufweisen. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Verdichter (
5 ) und den Expander (6 ) erzeugten Verdichtungsverhältnisse (P2/P1, P3/P4) durch den Aufbau derselben festgelegt sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Verdichter (
5 ) und den Expander (6 ) erzeugten Verdichtungsverhältnisse (P2/P1, P3/P4) einstellbar sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schöpfraum des Expanders (
6 ) kleiner ist als der Schöpfraum (21 ) des Verdichters (5 ). - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Schöpfraums des Expanders (
6 ) das 0,3 bis 0,6-fache des Schöpfraums (21 ) des Verdichters (5 ) beträgt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (
5 ) und der Expander (6 ) mittels Ex- pansionskühlung gekühlt sind. - Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen der Expansionskühlung des Verdichters (
5 ) und des Expanders (6 ) sich der Expander (6 ) auf der Seite des Synchronisationsgetriebes (18 ) befindet. - Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das den Expander (
6 ) verlassende Gas dem Verdichter (5 ) zugeführt wird. - Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (
5 ) und der Expander (6 ) in einem gemeinsamen Gehäuse (20 ) untergebracht sind. - Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (
20 ) doppelwandig ausgeführt ist.
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