-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verhindern der
Einfrierung von Wasser in einer Baueinheit eines Brennstoffzellensystems,
vorzugsweise in einer mindestens ein bewegliches Teil enthaltenden
Baueinheit im Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems sowie
ein Brennstoffzellensystem mit mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel
zusammengesetzten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anodenseite,
eine Kathodenseite und eine zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite
angeordnete Membran aufweisen, wobei die Anodenseiten der Brennstoffzellen
zu einem Anodenkreislauf zusammengeschlossen sind, der außerdem eine
Zuführeinrichtung
für frischen
gasförmigen
Brennstoff, ein Ablassventil, das zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen
Ablassen mindestens eines Teils der im Anodenkreislauf fließenden Gase
ausgelegt ist, sowie eine mindestens ein bewegliches Teil aufweisende
Baueinheit, wie eine Brennstoffrezirkulationspumpe, umfasst, wobei
die Brennstoffrezirkulationspumpe, die aus den Anodenseiten der
Brennstoffzellen austretenden Abgase, die verwertbaren Brennstoff
enthalten, den Anodenseiten der Brennstoffzellen wieder zuführt.
-
Im
Anodenkreislauf eines Niedertemperaturbrennstoffzellensystems, insbesondere
bei so genannten PEM-Brennstoffzellen, die mit gasförmigem Wasserstoff
oder einem wasserstoffreichen Synthesegas als Brennstoff gespeist
werden, fällt
Wasser in Form von Feuchte oder Kondensat an. Dieses Wasser entsteht
bei der katalytisch geforderten Reaktion von vom Wasserstoff gelieferten
Protonen, die durch die Membrane der Brennstoffzellen hindurch diffundieren,
mit Luftsauerstoff, der den Kathodenseiten der Brennstoffzellen
zugeführt
wird, d.h. bei dem Vorgang, der auch für die erwünschte Stromerzeugung zuständig ist.
Das auf der Kathodenseiten der Brennstoffzellen erzeugte Wasser
befeuchtet in erwünschter
Weise die Membrane der Brennstoffzellen und ein Teil des Wassers
diffundiert, zusammen mit Stickstoff aus der zugeführten Luft,
durch die Membrane hindurch und gelangt so auf die Anodenseiten
der Brennstoffzellen. Bei manchen Brennstoffzellensystemen wird
darüber
hinaus Wasser den Anodenseiten der Brennstoffzellen durch Befeuchtung
des Brennstoffs direkt zugeführt,
um die erwünschte
relative Feuchte im Anodenkreislauf sicherzustellen. Das im Anodenkreislauf
vorhandene Wasser, das teilweise in Dampfform und teilweise in Flüssigform
vorliegt, gefriert bei Umgebungstemperaturen unter 0°C und kann
den Betrieb von bestimmten Baueinheiten, wie zum Beispiel einer
zur Rezirkulation des Wasserstoffs vorgesehenen Rezirkulationspumpe
oder eines im Anodenkreislauf vorgesehenen Wasserseparators, behindern
oder diese beschädigen. Ähnliche Probleme
können
auch an anderen Stellen in einem Brennstoffzellensystem auftreten,
bspw. bei einem Wasserseparator im Kathodenkreislauf des Brennstoffzellensystems.
Das erfindungsgemäße Verfahren
kann daher auch dort zur Verwendung kommen.
-
Das
Funktionsprinzip der derzeit verwendeten Rezirkulationspumpen, die üblicherweise
in Form eines Seitenkanalverdichters oder eines Turboverdichters
realisiert werden, bedingt zur Abdichtung und effizienten Förderung
enge Spalte und Toleranzen. Diese sind funktionsbedingt und können nicht vermieden
werden. Da die verwendete Rezirkulationspumpe die Aufgabe hat, Wasserstoff
bzw. wasserstoffhaltige Gase zu befördern, um eine Druckerhöhung derselben
zu erreichen, muss sie nach außen
dicht sein, um einen unerwünschten
Austritt von Wasserstoff zu vermeiden. Die notwendige Abdichtung
nach außen
kann erreicht werden, jedoch ist es kaum möglich, beispielsweise den Motor
der Rezirkulationspumpe gegenüber
der Pumpe selbst abzudichten, da die wasserstoffhaltigen Gase im
Stande sind, selbst die kleinsten Spalten zu durchdringen. Als Folge
sammelt sich Kondensat in den Spalten des Motors, der Lager und
in Tiefpunkten der Rezirkulationspumpe und blockiert, wenn es gefriert,
die Fördereinheit
der Rezirkulationspumpe. Diese physikalische Erscheinung lässt sich
systembedingt nicht vermeiden. Die Erzeugung von Wasserdampf ist
bei Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle unvermeidbar und der im System
stets erzeugte Wasserdampf führt
bei geeigneten Temperaturbedingungen zwangsweise zu dem systematischen
Anfall von Kondensat.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. ein Brennstoffzellensystem
der eingangs genannten Art vorzusehen, bei dem die schädlichen Auswirkungen
des anfallenden Kondensats bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt
vermieden werden können.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs
genannten Art vorgesehen, das sich dadurch auszeichnet, dass bei oder
nach einem Abschaltvorgang die Baueinheit mit einem trockenen Spülgas durchgespült wird,
um eine dort vorhandene Wassermenge zu entfernen.
-
Bei
einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art lässt sich
diese Aufgabe dadurch lösen,
dass ein Spülgaseinlass
im Anodenkreislauf vorgesehen ist, der angeordnet ist, um der Baueinheit
ein trockenes Spülgas
zuzuführen
und dieses durch dort vorhandene Räume, insbesondere solche mit
einem beweglichen einfriergefährdeten Teil,
hindurchzuschicken, um dort vorgesehenes Wasser auszutreiben und/oder
auszutrocknen.
-
Erfindungsgemäß wird daher
beim Abschalten eines Brennstoffzellensystems das in der Baueinheit
vorhandene Kondensat und die dort gesammelte Feuchte durch ein trockenes
Spülgas
aus der Baueinheit und vorzugsweise aus dem gesamten Anodenkreis
entfernt. Das Entfernen findet im Allgemeinen auf zweierlei Wege
statt. Zum einen wird der Gasstoß an trockenem Spülgas verwendet,
um flüssiges
Wasser, soweit möglich,
aus dem System auszutreiben, im Sinne einer Wasserverdrängung, während noch
vorhandene Feuchte durch einen vom trockenen Spülgas durchgeführten Trockenvorgang verdampft
und als Abgasstrom ebenfalls aus der Baueinheit und vorzugsweise
aus dem Anodenkreislauf entfernt wird. Diese Vorgehensweise ist
effizienter als das gesamte vorhandene Wasser durch das trockene
Spülgas
zu verdampfen, dies ist aber grundsätzlich auch möglich.
-
Wenn
gesagt wird, dass der Spülvorgang
bei einem Abschaltvorgang stattfindet, so bringt dies zum Ausdruck,
dass der Fahrer eines das Brennstoffzellensystem enthaltenden Fahrzeugs
beschlossen hat, sein Fahrzeug auszuschalten bzw. abzustellen und
das dem Brennstoffzellensystem zugehörige Steuersystem das Abschalten
des Systems eingeleitet hat. Dieser Abschaltvorgang kann bspw. eine Übergangszeit
umfassen, in der noch im Anodenkreislauf vorhandener Wasserstoff
im Brennstoffzellenstapel aufgebraucht wird und zu diesem Zweck den
Kathodenseiten der Brennstoffzellen noch Luft zugeführt wird,
um den Überschuss
an Wasserstoff auf der Anodenseite abzubauen. Das Abschalten des Systems
kann aber stattdessen oder gleichzeitig eine Übergangszeit umfassen, während derer
der Überschuss
an Wasserstoff einem externen katalytischen Brenner oder der Kathodenseite
der Brennstoffzellen direkt zugeführt wird, wie in der deutschen
Patentanmeldung 10115336.8 beschrieben ist. Der Trockenvorgang unter
Anwendung des trockenen Spülgases kann
während
dieser Abschaltphase des Brennstoffzellenstapels, d.h. während der Übergangszeit
verwendet werden oder erst nach Abschluss dieser Abschaltphase,
ggf. erst deutlich später,
durchgeführt werden.
-
Es
ist nicht zwangsläufig
erforderlich, sämtliches
aus der Baueinheit verdrängte
Wasser bzw. durch einen Trockenvorgang in die Dampfphase übergeführte Feuchte
aus dem Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems zu entfernen.
Dies ist zwar grundsätzlich
möglich,
erfordert aber auch eine erhöhte
Menge an Spülgas
bzw. an Energie. Stattdessen ist es beispielsweise möglich, noch
eine Restmenge an Wasser bzw. Wasserdampf in eine im Anodenkreislauf
vorgesehene Beschichtung aufzunehmen, wie dies beispielsweise in
der deutschen Patentanmeldung 100 63 254.8 beschrieben ist.
-
Um
das verwendete trockene Spülgas
effizient zu nützen,
ist es erfindungsgemäß vorteilhaft,
die im Anodenkreislauf noch vorhandene Wassermenge beim Abschalten
des Brennstoffzellensystems zu schätzen und nur die erforderliche
Menge an trockenem Spülgas
für das
Austreiben bzw. Austrocknen der vorhandenen Wasserstoffmenge aufzuwenden. Dies
stellt eine wirtschaftliche Vorgehensweise dar.
-
Die
Menge an Wasser, die noch im Anodenkreislauf bzw. in der Baueinheit
vorhanden ist, kann von der Steuerung des Brennstoffzellensystems
geschätzt
werden. Beispielsweise beschreibt die deutsche Patentanmeldung 101
46 943.8 wie man ein Brennstoffzellensystem wirtschaftlich steuern
kann. Ein integraler Bestandteil der Steuerung ist die Berechnung
der jeweils vorhandenen relativen Feuchte. Ferner kann ein Feuchtesensor
im Anodenkreislauf vorgesehen werden, der die vorhandene Relativfeuchte
misst.
-
Es
ist nur dann notwendig, eine Spülung
mit trockenem Spülgas
vorzunehmen, wenn Umgebungstemperaturen zu erwarten sind, die ein
Frieren des Wassers möglich
erscheinen lassen, und zwar über
einen Zeitraum, der sich bis zum nächsten Einschalten des Brennstoffzellensystems
erstreckt. Bei Umgebungstemperaturen in diesem Zeitraum, die deutlich über dem
Gefrierpunkt von Wasser liegen, muss der Spülvorgang mit trockenem Spülgas nicht durchgeführt werden
und wird vorzugsweise nicht durchgeführt, um keine unnötige Energie
bzw. Spülgas
zu verbrauchen.
-
Werden
jedoch Temperaturen im Gefrierbereich erwartet, so muss gespült werden.
Hierzu wird eine Einrichtung des Spülsystems vorgesehen, die entsprechend
der in der Baueinheit bzw. im gesamten Anodenkreis vorhandenen Wassermenge
die Menge an Spülgas
und die Dauer des Spülganges berechnet,
die erforderlich sind, um das vorhandene Wasser aus der Baueinheit
auszutreiben bzw. durch Austrocknen aus der Baueinheit zu entfernen.
-
Besonders
günstig
ist es, wenn das Verfahren nur dann durchgeführt wird, wenn die Umgebungstemperatur
und/oder der historische Verlauf der Umgebungstemperatur und/oder
der erwartete Verlauf der Umgebungstemperatur erkennen lässt, das
in einem dem Abschalten folgenden Zeitraum ein Einfrieren des Systems
möglich
erscheint.
-
Dabei
kann der zu berücksichtigende
Zeitraum beispielsweise vom Fahrer eingegeben oder er kann fest
vorgegeben werden.
-
Besonders
günstig
und einfach ist es, wenn ein externes Signal ein mögliches
Einfrieren des Systems innerhalb eines vorgebbaren nachfolgenden Zeitraums
ankündigt.
Im einfachsten Fall könnte
ein die Umgebungstem peratur messender Temperatursensor vorgesehen
werden, und es könnte
bei Unterschreitung einer Temperaturwert von bspw. 3° Celsius
ein Spülvorgang
durchgeführt
werden, und zwar auch lange nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems.
Ferner könnte
man sich vorstellen, dass bei weiter Verbreitung von Brennstoffzellenfahrzeugen
eine meteorologische Dienstleistung darin bestehen könnte, regelmäßig Signale
auszusenden, die von einem dem Brennstoffzellensystem zugeordneten
Empfänger
empfangen werden und von der Steuereinrichtung berücksichtigt
werden. Solche Signale können
standortabhängige
Temperaturprognosen enthalten, die von der Steuerung des Brennstoffzellensystems
standortabhängig
berücksichtigt
werden. D.h. die Signale können,
zum Beispiel zwischen warmen Bereichen, beispielsweise in Florida
und kalten Bereichen, beispielsweise in den Rocky Mountains, unterscheiden.
Der Standort des jeweiligen Brennstoffzellensystems kann bspw. von
einem GPS-System festgestellt werden, das ebenfalls an die Steuerung
angekoppelt ist.
-
Es
kann vorteilhaft sein, ein Verfahren durchzuführen, das sich dadurch auszeichnet,
dass die Menge des Spülgases
und/oder die Dauer der Spülung
mit dem trockenen Spülgas
gewählt
wird, um ein Teil der vorhandenen Wassermenge, der beispielsweise
durch einen Sammelvorgang gesammelt werden kann, aus dem Anodenkreislauf
auszutreiben und um einen zweiten Teil der Wassermenge durch einen
Trockenvorgang aus dem Anodenkreislauf zu entfernen.
-
Wenn
die Baueinheit so ausgelegt ist, dass dort vorhandenes flüssiges Wasser
sich in einem vorgegebenen Bereich sammelt, so kann die Entfernung des
flüssigen
Wassers aus diesem Bereich relativ einfach und wirtschaftlich durchgeführt werden,
beispielsweise dadurch, dass das Spülgas das gesamte in diesem
Bereich vorhandene flüssige
Wasser aus dem Bereich austreibt. Beispielsweise kann ein Ablassventil
in unmittelbarer Nachbarschaft zu diesem Bereich vorgesehen werden,
das von der Steuerung zum Zeitpunkt des Spülvorgangs geöffnet wird,
um das gesammelte Wasser aus dem System hinauszutreiben. Auf diese
Weise würde
dann nur eine kleine Restmenge an Wasser bzw. Wasserdampf verbleiben,
die durch einen Trockenvorgang aus dem System zu entfernen ist.
Auch hier wird mit dem Trockenspülgas
wirtschaftlich umgegangen.
-
Es
bestehen verschiedene Möglichkeit,
das trockene Spülgas
zur Verfügung
zu stellen. Es kann sich beispielsweise um Druckluft handeln, die
durch einen vorgesehenen, Druckluft an die Kathodenseite des Brennstoffzellensystemsliefernden
Kompressor oder Hilfskompressor erzeugt wird. Entweder wird beim
Abschalten des Brennstoffzellensystems ein Teil der noch vom Luftkompressor
gelieferten Druckluft abgezapft und für den Spülvorgang gegebenenfalls nach
entsprechender Trocknung verwendet oder für den Fall, dass der Spülvorgang
erst nach Abschalten des Brennstoffzellensystems durchgeführt wird,
der Luftkompressor kann extra zu diesem Zweck eingeschaltet werden.
Es muss sich hierbei nicht unbedingt um den Hauptdruckluftkompressor handeln,
sondern es könnte
sich um einen Hilfskompressor handeln, der beispielsweise entsprechend der
deutschen Patentanmeldung 10130095.6 für den Startvorgang vorgesehen
ist. D.h. dieser Hilfskompressor könnte zum Zwecke der Spülung herangezogen
werden.
-
Alternativ
hierzu könnte
frischer Brennstoff als trockenes Spülgas verwendet werden. Wenn
beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff vorgesehen ist, so liegt
dieser üblicherweise
in trockener Form vor, so dass auch der Brennstoff für die Durchführung des
Spülvorganges
nützlich
wäre.
-
Eine
weitere Alternative besteht darin, ein trockenes Inertgas oder eine
Inertgasmischung für den
Spülvorgang
zu benützen.
Dabei kann das Inertgas bzw. die Inertgasmischung aus der Gruppe
bestehend aus Argon, Stickstoff und Helium gewählt werden. Solche Inertgase
müssen
dann in einem eigenen Vorratsbehälter
mit dem Brennstoffzellensystem mitgeführt werden.
-
Bei
der Baueinheit handelt es sich vorzugsweise entweder um einen Seitenkanalverdichter
oder um einen Turboverdichter, wobei beide Verdichterarten in luftgekühlter oder
flüssig
gekühlter
Form vorliegen können.
Auch andere Pumpenarten können ohne
weiteres erfindungsgemäß Verwendung
finden.
-
Das
Spülgas
muss auf jeden Fall trocken sein, sich gegenüber den Materialien im Anodenkreislauf
des Brennstoffzellensystems inert verhalten und darf kein Sicherheitsrisiko
bei der Mischung mit Wasserstoff darstellen. Die Verwendung von
Luft als Spülgas
hat den Vorteil, dass diese unbegrenzt in der Umgebung vorhanden
ist. Wasserstoff wird als Treibstoff mit dem das Brennstoffzellensystem
enthaltende Fahrzeug ohnehin mitgeführt und Inertgase wie N2, Argon oder Helium können einfach in kleinen Mengen
mitgeführt
werden. Da sie auch in der Luft vorkommen, eignen sie sich als Spülgase, da
sie keine Verschmutzung der Luft verursachen.
-
Bevorzugte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
lassen sich den Unteransprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung entnehmen. Es werden jetzt
mögliche
Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen
rein beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung
eines Brennstoffzellensystems,
-
2 einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter,
der als Rezirkulationspumpe geeignet ist und einen Spülgaseinlass
aufweist,
-
3 eine Ansicht von unten
auf das Laufrad des Seitenkanalverdichters,
-
4 eine in Längsrichtung
geschnittene Darstellung eines erfindungsgemäßen Turboverdichters, der als
Rezirkulationspumpe Anwendung findet und einen Spülgaseinlass
aufweist,
-
5 eine alternative Darstellung
eines erfindungsgemäßen Turboverdichters
mit Gaskühlung anstatt
mit Flüssigkühlung, in
einer Darstellung entsprechend der 4,
und
-
6 eine Graphik zur Darstellung
der Berechnung der Spülzeit.
-
1 zeigt eine schematische
Darstellung eines Brennstoffzellensystems bestehend aus einem Brennstoffzellenstapel 10 mit
einer Anodenseite 12 und einer Kathodenseite 14.
Ferner weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlmittelkreislauf 16 auf, der
mit einem isolierenden Kühlmittel
gefüllt
ist, das je nachdem, wo das Brennstoffzellensystem betrieben wird,
bei den dort maximal zu erwartenden negativen Temperaturen nicht
friert, d.h. nicht in einen festen Zustand übergeht. Anstatt ein Kühlmittel
in flüssiger
Form zu verwenden, könnte
das Brennstoffzellensystem mit einer Luftkühlung vorgesehen werden.
-
Auf
der Anodenseite 12 wird ein Brennstoff, wie beispielsweise
Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Synthesegas, in einem Tieftemperaturenspeicher 18 oder
in einem anderen geeigneten Druckspeicher gespeichert. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet
ein Ventil, das zur Reduzierung des Drucks im Speicher 18 auf
einen niedrigeren Speisedruck dient. Das Ventil 20 wird
von einer Steuerung 22 über
eine Leitung 20A angesteuert. Um die Darstellung zu vereinfachen,
ist der Verlauf der Steuerleitung 20A zwischen dem Ventil 20 und
der Steuerung 22 nicht gezeigt, jedoch versteht sich, dass
die Stichleitung 20A am Ventil 20 mit der Stichleitung 20A an der
Steuerung 22 verbunden ist. Dies gilt auch für alle weiteren
Stichleitungen, die in der 1 eingezeichnet
sind, das heißt
alle Stichleitungen, die zu einem Bauteil in der Zeichnung führen, werden
mit dem gleichen Bezugszeichen versehen wie das Bauteil selbst,
jedoch mit dem Zusatz "A" und entsprechend wird
die Stichleitung an der Steuerung 22 mit dem entsprechenden
Bezugszeichen gekennzeichnet.
-
Auf
der Anodenseite 12 wird der Brennstoff bzw. der Wasserstoff
vom Druckreduzierventil 20 an ein Steuerventil 24 weitergeleitet,
das über
eine Stichleitung 24A an die Steuerung 22 angeschlossen ist,
wobei die Steuerung 22 die Einstellung des Ventils 24 festlegt,
damit die erforderliche Menge an frischem Wasserstoff bzw. Brennstoff
der Anodenseite 12 des Brennstoffzellensystems zugeführt wird.
Der dem Brennstoffzellensystem zugeführte Wasserstoff bzw. Brennstoff
liefert Protonen an die einzelnen Brennstoffzellenzellen 26 des
Brennstoffzellenstapels 10 und diese wandern durch die
dort vorgesehenen Membrane (nicht gezeigt) auf die Kathodenseite 14 zu.
-
In
an sich bekannter Weise wird der Kathodenseite 14 Luftsauerstoff über den
Kompressor 28 und die Leitung 30 zugeführt. Der
Luftkompressor 28 wird von einem Elektromotor 32 über eine
Welle 34 angetrieben und saugt Luft über den Luftfilter und Schalldämpfer 36 und
die Leitung 38 an. Der Elektromotor 32 weist elektrische
Anschlüsse
(nicht gezeigt) sowie eine Steuerleitung 32A auf, die an
die Steuerung 22 angeschlossen ist. Die Protonen, die durch die
Membrane der einzelnen Brennstoffzellen 26 hindurch diffundieren,
reagieren auf der Kathodenseite 14 des Brennstoffzellenstapels 10 mit
Sauerstoffmolekülen,
die vom Kompressor 28 geliefert werden und erzeugen durch
diese Reaktion Wasserdampf sowie elektrische Leistung, die an den
Klemmen 40 und 42 des Brennstoffzellenstapels
abgezapft werden kann. Diese elektrische Leistung wird bei Verwendung
des Brennstoffzellensystems in einem PKW für die Versorgung der Elektromotoren
verwendet, die die einzelnen Räder
des Fahrzeugs antreiben. Ein Teil der elektrischen Leistung kann
auch für
andere Zwecke verwendet werden, beispielsweise um den Elektromotor 32 anzutreiben.
Das Bezugszeichen 44 bezeichnet ein Ventil auf der Kathodenseite 14 des Brennstoffzellensystems,
das den Betriebsdruck auf der Kathodenseite steuert. Um das Ventil 44 regeln zu
können,
weist dieses eine Steuerleitung 44A auf, die ebenfalls
an die Steuerung 22 angeschlossen ist. Die kathodenseitigen
Abgase, die hauptsächlich
aus nicht verbrauchtem Luftsauerstoff, Wasserdampf, Stickstoff und
Wassertröpfchen
bestehen, können bedenkenlos
direkt in die Umgebung abgelassen werden, da es sich bei diesen
Abgasen um natürliche Bestandteile
der Luft handelt. Gewöhnlich
werden die Wassertröpfchen
aber in einer Wassertrenneinrichtung 46 gesammelt, bevor
die restlichen Abgase über
die Leitung 48 in die Umgebung ausströmen.
-
Das
Bezugszeichen 50 bezeichnet ein Ventil, das über die
Stichleitung 50A angesteuert werden kann, um gesammeltes
Wasser über
die Leitung 52 abzulassen oder einer anderen Verwendung
zuzuführen.
-
Auf
der Anodenseite 12 des Brennstoffzellenstapels 10 befindet
sich eine Rücklaufleitung 54, die über eine
Rezirkulationspumpe 56 an den Anodeneingang 58 führt. Auf
diese Weise können
die Anodenabgase, die hauptsächlich
aus noch nicht verbrauchtem Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf bestehen,
erneut durch den Brennstoffzellenstapel hindurchgeführt werden,
wodurch eine bessere Ausnutzung des zugeführten Wasserstoffs erreicht
werden kann. Die Drehgeschwindigkeit der Pumpe 56 und daher
deren Förderleistung
kann über
die Leitung 56A von der Steuerung 22 bestimmt
werden. Das Bezugszeichen 60 bezeichnet ein über die
Leitung 60A ansteuerbares Ablassventil, das diskontinuierlich
oder kontinuierlich angesteuert werden kann, um einen Teil der anodenseitigen
Abgase aus dem Anodenkreislauf zu entfernen. Da diese Gase noch
einen Wasserstoffanteil enthalten und dieser nicht bedenkenlos an
die Umgebung abgelassen werden kann, werden die abgelassenen anodenseitigen
Abgase über
einen Brenner 64, üblicherweise
einen katalytischen Brenner, geführt,
der Sauerstoff über
die Leitung 66 erhält
und dafür
sorgt, Wasserstoff und Sauerstoff miteinander zu verbinden, um Wasser
zu bilden, das bedenkenlos abgelassen werden kann. Falls gewünscht, kann
mindestens ein Teil dieses Wassers in einer Wassertrenneinrichtung
gesammelt werden.
-
Die
verbleibenden Kathodenabgase, d.h. Wasserdampf, Wassertröpfchen und
Stickstoff können
wiederum unbedenklich in die Umgebungsluft abgelassen werden, da
sie natürliche
Bestandteile der Umgebungsluft bilden. Der Stickstoff, der in den Anodenabgasen
enthalten ist, ist deshalb auf der Anodenseite zu finden, weil er
durch die Membrane der Brennstoffzellen zu der Anodenseite hindurch
diffundiert wie auch das auf der Kathodenseite vorhandene bzw. erzeugte
Wasser.
-
Der
Kühlmittelkreislauf 16 besteht
aus einem Hauptkreislauf 70, der eine Pumpe 72,
einen Kühler 74 und
einen Temperaturfühler 75 enthält. Der
Temperaturfühler 75 ist über die
Leitung 75A an die Steuerung angeschlossen.
-
In
der Darstellung der 1 saugt
die Pumpe 72 Kühlmittel
in die Rücklaufleitung 80 des
Hauptkreislaufes 70 an und befördert sie im Betrieb durch den
Kühler 74 und
anschließend über die
Vorlaufleitung 82 wieder in den Brennstoffzellenstapel 10 hinein.
Das Bezugszeichen 76 bezeichnet ein Kühlgebläse, das vom Elektromotor 78 angetrieben
wird, der wiederum über
nicht dargestellte Leitungen elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem
erhält, d.h.
ein Teil der elektrischen Leistung, die von Klemmen 40 und 42 erhalten
wird. Der Elektromotor 78 wird und darüber hinaus über die Steuerleitung 78A von
der Steuerung 22 in seiner Drehzahl gesteuert. Durch Steuerung
der Drehzahl der Pumpe 72 über die Steuerleitung 72A und
Steuerung der Drehzahl des Elektromotors 78 und deshalb
des Luftgebläses 76 über die
Steuerleitung 78A kann die gewünschte Kühlleistung des Hauptkreislaufs 70 von
der Steuerung 22 bestimmt werden.
-
Das
bisher beschriebene Brennstoffzellensystem ist an sich gut bekannt,
und es bestehen viele mögliche
Abwandlungen, die hier nicht von Belang sind, da sie mit der vorliegenden
Erfindung nichts zu tun haben.
-
Es
soll nur darauf hingewiesen werden, dass die einzelnen Brennstoffzellen
aus einer so genannten Membran-Elektroden-Einheit bestehen (so genannte
MEA), die jeweils zwischen zwei bipolaren Platten angeordnet sind.
Die bipolaren Platten, die jeweils häufig als zwei aneinander flächig angelegte Platten
realisiert sind, haben in ihrem Inneren Kühlkanäle, durch welche das Kühlmittel
zirkuliert, um die einzelnen Brennstoffzellen in einem gewünschten Betriebstemperaturbereich
zu halten. Die Konstruktion der Brennstoffzellen und der innerhalb
der bipolaren Platten vorgesehenen Kühlkanäle ist an sich gut bekannt,
nicht zuletzt aus einer Vielzahl von Patentschriften, z.B. aus der
DE 101 28 836 A1 ,
und wird daher nicht weiter beschrieben.
-
Aus 1 ist ersichtlich, dass
eine Leitung 84 von der Leitung 30 am Ausgang
des Luftkompressors 28 zu der Rezirkulationspumpe 56 führt. Diese Leitung
dient der Spülung
der Rezirkulationspumpe und schließlich auch des gesamten Anodenkreislaufs mit
trockener Druckluft. Zu diesem Zweck sind in der Leitung 84 ein
absperrbares regelbares Ventil 86, ein Lufttrockner 88 und
ein Rückschlagventil 90 eingebaut.
Das absperrbare und regelbare Ventil 86 ist über eine
Steuerleitung 86A an die Steuerung 22 angeschlossen.
-
Anstatt
das Spülgas
in Form von Druckluft von der Leitung 30 abzuzapfen, besteht
auch die Möglichkeit,
ein Inertgas oder eine Inertgasmischung der Rezirkulationspumpe 56 zuzuführen. Zu
diesem Zweck ist als Alternative in 1 ein
Druckspeicher 92 für
das Inertgas bzw. die Inertgasmischung vorgesehen, das bzw. die
beispielsweise aus N2, Ar und He ausgewählt werden
kann, vorgesehen und über
eine strichlierte Leitung 94 zu dem Eingang des regelbaren
Abschlussventils 86 führt.
Als weitere Alternative besteht die Möglichkeit, trockener Brennstoff,
d.h. trockenen Wasserstoff aus dem Speicher 18 als Spülgas zu
verwenden. Zu diesem Zweck ist der Brennstoffspeicher 18 über eine
Leitung 96 mit dem absperrbaren und regelbaren Ventil 86 verbunden. Falls
erforderlich kann auch ein Druckreduzierventil in die Leitung 96 eingebaut
werden oder die Leitung 96 kann auf der stromabwärtigen Seite
des Druckreduzierventils 20 an die entsprechende Brennstoffleitung
angeschlossen werden. Es versteht sich, dass üblicherweise nur eine der drei
Möglichkeiten
zur Spülung
der Rezir kulationspumpe verwendet wird, das heißt, dass bei Anwendung der
Leitung 94 oder 96 das Leitungsstück zwischen
Ventil 86 und der Druckleitung 30 fehlen wird.
-
Ferner
ist in der 1 unmittelbar
benachbart zu der Rezirkulationspumpe 56 ein Feuchtigkeitsfühler 98 vorgesehen,
der über
eine Leitung 98A mit der Steuerung 22 verbunden
ist. Über
diese Leitung erhält
die Steuerung 22 Informationen über die relative Feuchte im
Anodenkreislauf und ist somit imstande, unter Berücksichtigung
der entsprechenden Volumen, die Menge an Feuchtigkeit in der Rezirkulationspumpe 56 bzw.
im Anodenkreislauf jederzeit zu ermitteln, wobei der Feuchtesensor 98 auch
für den
Betrieb des Brennstoffzellensystems, wie beispielsweise in der deutschen
Patentanmeldung 101 46 943.8 beschrieben, herangezogen werden kann.
-
Ferner
zeigt die 1 einen Außentemperaturfühler 102,
der ebenfalls an die Steuerung 22 angeschlossen ist und
auch eine wahlweise vorgesehene Antenne 100, die zum Empfangen
von meteorologischen Signalen ausgelegt ist und ebenfalls an die Steuerung 22 angeschlossen
ist.
-
Es
wird nun eine Konstruktion einer Rezirkulationspumpe 56 in
Form eines so genannten Seitenkanalverdichters näher beschrieben, der in den 2 und 3 gezeigt ist.
-
Die
Grundkonstruktion eines Seitenkanalverdichters ist, an sich gut
bekannt. Der Seitenkanalverdichter 56 weist einen innerhalb
eines Gehäuses 110 angeordneten
Motorraum 112, einen am unteren Ende 114 des Gehäuses angeordneten
Förderraum 116 und
einen am anderen Ende des Gehäuses
angeordneten Verbindungsraum 118 auf, wobei der Förderraum 116 ein
Laufrad 120 enthält,
das gasförmigen
Brennstoff über
einen rohrförmigen
Einlass 122 ansaugt (der bspw. am Gehäuseteil 123 umlaufend
dicht geschweißt
ist), in Zusammenarbeit mit dem Seitenkanal 117 eine Druckerhöhung des
gasförmigen
Brennstoffs bewirkt und diesen anschließend über einen Auslass 124 den
Anodenseiten der Brennstoffzellen zuführt. Im Motorraum 112 ist
ein im Gehäuse
angeordneter Stator 126 sowie ein an einer Antriebswelle 128 angeordneter
Rotor 130 vorgesehen, wobei die Antriebswelle 128 das
Laufrad 120 antreibt und im Verbindungsraum 118 elektrische
Anschlüsse
(nicht gezeigt) und gegebenenfalls ein Controller (ebenfalls nicht
gezeigt) für
den aus Stator 126 und Rotor 130 bestehenden Motor
angeordnet ist bzw. sind.
-
Die
elektrischen Anschlüsse
zum Stator sind in 2 nicht
gezeigt, die Stromzufuhr wird aber über eine Steckverbindung 132 an
die Statorwindungen geführt.
Diese Steckverbindung ist als so genannter Mil-Stecker realisiert
und stellt eine hermetische Abdichtung zwischen dem Innenraum des
Seitenkanalverdichters und der Außenumgebung sicher. Die genauen
Details des Motors werden hier nicht beschrieben, da sie nicht zur
Erfindung gehören.
Es versteht sich aber, dass der Elektromotor nach einer bekannten
Bauart ausgelegt sein kann bzw. ist.
-
Systembedingt
hat eine Pumpe, wie der in 2 und 3 gezeigte Seitenkanalverdichter 56,
kleine Spalten zwischen verschiedenen Bauteilen. Beispielsweise
befindet sich zwischen dem Rotor 130 und dem Stator 120 ein
kleiner Luftspalt 133, der wohl klein gehalten werden soll,
um einen hohen Wirkungsgrad des Motors zu erreichen. D.h. der Rotor 130 sitzt
passgenau im Statorpaket des Stators 126.
-
Ferner
schließt
das Laufrad 120 mit den Schaufeln 121 knapp mit
dem Auslasskanal 134 des Auslasses 124, mit dem
Einlasskanal des Einlasses 122 und mit den eingrenzenden
Deckeln 136 und 138 ab, die mit dem Abstandsring 140 den
Förderraum 116 begrenzen,
so dass an diesen Stellen weitere enge Funktionsspalten 123, 125, 127, 149 und 151 zwischen
stationären
Teilen und einem beweglichen Teil, hier das Laufrad 120,
vorliegen. Bauartbedingt ergibt sich im Deckel 136 um das
Lager 142 herum eine Rinne 144 unterhalb des Motors.
Aufgrund der Rinne wird Wasser im Motorenraum gesammelt. Ferner
bleibt Kondensat und auftretendes flüssiges Wasser bei Ausschaltung
des Motors in allen vorgesehenen bzw. angesprochenen engen Spalten.
-
Die
Konstruktion des Seitenkanalverdichters 56 so wie bisher
beschrieben entspricht dem bisher bekannten Aufbau eines Seitenkanalverdichters.
Erfindungsgemäß wird dieser
Aufbau aber so modifiziert, dass ein Spülgaseinlass 150 im
Deckel 152 vorgesehen ist, der den Verbindungsraum 118 umgrenzt und
gegenüber
der Außenumgebung
abdichtet. Das Spülgas,
das über
die Leitung 84 geliefert wird, wird durch den Spülgaseinlass 150 in
den Verbindungsraum eingespeist. Ferner wird eine Bohrung 154 im Lagerdeckel 138 und
eine weitere Bohrung 156 im Steg 158 des Laufrades 120 vorgesehen,
so dass das Spülgas
in den Hohlräumen
auf beiden Seiten des Steges eindringen und von hier aus die Funktionsspalten
im Bereich des Laufrades spülen
kann.
-
Bei
Abschaltung des Brennstoffzellensystems wird das Spülgas über den
Spülgaseinlass
in den Verbindungsraum eingespeist, vertreibt bzw. verdampft etwaiges
dort bzw. an oder in einem gegebenenfalls vorgesehenen Controller
vorhandenes Kondensat durch die Bohrungen 119 in den Motorraum 112 und
strömt
dann durch den Motor, so dass der Funktionsspalt 133 zwischen
dem Rotor und dem Stator durchspült
wird. Etwaige dort vorhandene Wassertröpfchen werden aus dem Bereich
des Motors in die Rinne 144 verdrängt. Ferner führt das Spülgas dazu,
dass etwaiges im Bereich der Rinne 144 vorhandenes Wasser
und Wasserdampf an schließend
durch die Bohrung 154 im Lagerdeckel 136 und durch
die Bohrung 156 im Laufrad 120 in die Hohlräume 160, 162 auf
beiden Seiten des Steges 158 des Laufrades eintritt und
von dort durch die engen Funktionsspalten oberhalb und unterhalb
des Laufrades 120 weiter in den Förderraum 116 des Verdichters
verdrängt
wird, so dass der Wasserdampf und flüssiges Wasser anschließend den
Förderraum über den
Auslasskanal 134 und den Auslass 124 den Seitenkanalverdichter
verlassen können.
Somit wird sämtliches
Wasser bzw. Wasserdampf aus dem Seitenkanalverdichter ausgetrieben
bzw. durch einen Verdampfungsvorgang, der ebenfalls vom Spülgas bewerkstelligt
wird, verdampft und ausgestoßen,
so dass keine Feuchtigkeit im Seitenkanalverdichter verbleibt, die
bei Minustemperaturen zu der Einfrierung des Seitenkanalverdichters
führen
kann.
-
Das
Wasser bzw. der Wasserdampf wird dann mittels des Spülgases über den
Anodenkreislauf und das Ablassventil 60 vollständig aus
dem Anodenkreislauf entfernt. Wie oben gesagt ist dies nicht unbedingt
erforderlich, wenn der Anodenkreislauf mit einer Wasser aufnehmenden
Beschichtung vorgesehen ist, die der Aufnahme des aus dem Seitenkanalverdichter 56 ausgetriebenen
Wassers dient.
-
2 zeigt eine mögliche Abwandlung
des Seitenkanalverdichters. Hier wird nämlich am Brennstoffauslass 124 ein
Rohr 164 mit Bogen 166 angebracht, dessen offenes
Ende 168 zu dem Brennstoffeinlass 58 bzw. zu der
Leitung zwischen dem Ventil 24 und dem Brennstoffeinlass 58 führt. Eine
Ablassleitung 170 führt
vom unteren Teil des U-Bogens nach unten weg. Ein erstes Ventil 172 ist
in das Rohr 164 nach dem Bogen 166 eingefügt, während ein zweites
Ventil 174 sich in der Ablassleitung 170 befindet.
-
Bei
Durchführung
des Spülvorgangs
ist das Ventil 172 zunächst
offen und das Ventil 174 geschlossen. Das flüssige Wasser
sammelt sich bei richtiger Wahl der Strömungsgeschwindigkeit weitgehend
im U-Bogen, der mit einem ausreichend groß bemessenen Wasseraufnahmevolumen
ausgeführt werden
kann. Es wird dann wenigstens kurzzeitig das Ventil 172 geschlossen
und das Ventil 174 geöffnet, wodurch
das angesammelte Wasser aus der Ablassleitung 170 herausgedrückt wird
und somit nicht erst durch den gesamten Anodenkreis vertrieben werden muss,
und auch nicht unter Zufuhr von Spülgas ausgetrocknet werden muss.
-
Zusätzlich wird
darauf hingewiesen, dass der Seitenkanalverdichter gemäß 2 und 3 über
eine Wasserkühlung
verfügt.
Der Einlass 180 und Auslass 182 für das Kühlwasser
sind in 3 ersichtlich,
das Kühlwasser
fließt
in den Ringraum 184, der um das Motorgehäuse sich
erstreckt und durch die Außenkontur
des Gehäuses 110 und
die ringförmige
Manschette 186 gebildet ist.
-
Die 2 und 3 zeigen zusätzlich, wie der Seitenkanalverdichter
aufgebaut ist, d.h. wo die Lager und Dichtungen sowie die Schrauben
sitzen, die die einzelnen Gehäuseteile
und Deckel miteinander und mit den weiteren Bauteilen verbinden.
-
Anstatt
eine Wasserkühlung
vorzusehen, ist es auch durchaus denkbar, den Seitenkanalverdichter
mit einer Luftkühlung
zu versehen, die im einfachsten Fall dadurch erzielt werden kann,
dass das Gehäuse 110 im
Bereich des Ringraums 184, wo die Wasserkühlung in 2 gezeigt ist, mit ringförmigen Rippen
(bspw. ähnlich
dem Turboverdichter der 5)
versehen ist, wobei der Mantel 186 weggelassen wird. Gegebenenfalls
kann ein Kühlgebläse oder ein
sonst vorgesehener Kühlluftstrom
dafür verwendet
werden, um Wärme
vom Seitenkanalverdichter abzuführen.
-
4 zeigt nun einen weiteren
erfindungsgemäßen Verdichter
in Form eines Turboverdichters. Für Teile, die Teilen der 1, 2 und 3 entsprechen, werden
in den 4 und 5 die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Es versteht sich, dass die bisherige Beschreibung auch
für Teile
der 4 und 5 gilt, die mit den gleichen
Nummern versehen sind wie die entsprechenden Teile der 1, 2 und 3,
es sei denn, etwas Gegenteiliges wird gesagt.
-
Die
Grundkonstruktion eines Turboverdichters ist an sich gut bekannt.
Der Turboverdichter 56 weist einen innerhalb eines Gehäuses 110 angeordneten
Motorraum 112, einen an einem Ende 114 des Gehäuses angeordneten
Förderraum 116 und
einen am anderen Ende des Gehäuses
angeordneten Verbindungsraum 118 auf. Der Förderraum 116 enthält ein Laufrad 120,
das gasförmigen
Brennstoff über
einen rohrförmigen
Einlass 122 ansaugt, eine Druckerhöhung des gasförmigen Brennstoffs
bewirkt und diesen anschließend über einen
Auslass 124 den Anodenseiten der Brennstoffzellen zuführt. Im
Motorraum 112 ist ein im Gehäuse angeordneter Stator 126 sowie
ein an einer Antriebswelle 128 angeordneter Rotor 130 vorgesehen,
wobei die Antriebswelle 128 das Laufrad 120 antreibt
und im Verbindungsraum 118 elektrische Anschlüsse (nicht
gezeigt) vorgesehen sind. Der Controller 131 für den aus
Stator 126 und Rotor 130 bestehenden Motor ist
in diesem Beispiel am Gehäuse 110 befestigt
und im Bereich des Durchgangs 135 der elektrischen Anschlusskabeln
diesem gegenüber
hermetisch abgedichtet. Die im Anodenkreislauf vorhandene Atmosphäre kann
somit nicht in den Controller gelangen. Der Controller kann aber auch
im Verbindungsraum angeordnet werden, wie in der 5 gezeigt.
-
Die
elektrischen Anschlüsse
zum Controller 131 sind in 5 nicht
gezeigt, die Stromzufuhr an den Controller erfolgt aber über eine
Steckverbindung. Diese Steckverbindung ist als so genannter Mil-Stecker
realisiert und stellt eine hermetische Abdichtung zwischen dem Innenraum
des Turboverdichters und der Außenumgebung
sicher. Die genauen Details des Motors werden hier nicht beschrieben, da
sie nicht zur Erfindung gehören.
Es versteht sich aber, dass der Elektromotor nach einer bekannten Bauart
ausgelegt sein kann bzw. ist.
-
Systembedingt
hat eine Pumpe, wie die in 4 und 5 gezeigten Turboverdichter 56,
kleine Spalten zwischen verschiedenen Bauteilen. Beispielsweise
befindet sich zwischen dem Rotor 130 und dem Stator 120 ein
kleiner Luftspalt 133, der wohl klein gehalten werden muss,
um einen hohen Wirkungsgrad des Motors zu erreichen. D.h. der Rotor 130 sitzt
passgenau im Statorpaket des Stators 126.
-
Ferner
schließt
das Laufrad 120 mit den Schaufeln 121 knapp mit
den eingrenzenden Deckeln 136 und 138 ab, die
den Förderraum 116 begrenzen,
so dass an diesen Stellen weitere enge Funktionsspalten 149 und 151 zwischen
stationären Teilen
(Deckel 138 und 136) und einem beweglichen Teil,
hier das Laufrad 120, vorliegen. Bauartbedingt ergibt sich
im Deckel 136 um die Lagerung 142 herum eine Rinne 144 unterhalb
des Motors. Aufgrund der Rinne wird bei der bisherigen Konstruktion
Wasser im Motorenraum gesammelt. Ferner bleibt Kondensat und auftretendes
flüssiges
Wasser bei Ausschaltung des Motors in allen vorgesehenen bzw. angesprochenen
engen Spalten.
-
Die
Konstruktion des Turboverdichters 56 wie bisher beschrieben
entspricht dem bisher bekannten Aufbau eines Turboverdichters. Erfindungsgemäß wird dieser
Aufbau aber so modifiziert, dass ein Spülgasein lass 150 im
Deckel 152 vorgesehen ist, der den Verbindungsraum 118 umgrenzt
und gegenüber
der Außenumgebung
abdichtet. Das Spülgas,
das über
die Leitung 84 geliefert wird, wird durch den Spülgaseinlass 150,
abweichend von der Ausführungsform
der 2 und 3, über Bohrungen 155 und 157 in
der Welle 128 in den Verbindungsraum 118 eingespeist.
Diese Ausführung
kann ggf. auch bei der Konstruktion gemäß 2 und 3 verwendet werden.
Falls erwünscht,
kann in allen Ausführungsbeispielen
der Spülgasstrom
in den Verbindungsraum durch das Lager 159 hindurch geleitet
werden.
-
Das
Spülgas
fließt
dann durch den Motorraum 112 vor allem durch den Funktionsspalt 133 und
vertreibt Kondensat und Wasserdampf aus diesen Bereichen. Ferner
wird eine Bohrung 154 im Lagerdeckel 138 vorgesehen,
die sich von der Rinne 144 in den ringförmigen Hohlraum 147 erstreckt.
Das Spülgas
fließt
anschließend
vom ringförmigen
Hohlraum durch den zwischen dem Deckel 138 und dem Laufrad 120 befindlichen
Funktionsspalt 149 in den Förderraum 116 hinein.
-
Ein
Teil des Spülgases
kann ggf. durch das Lager 142 fließen und anschließend über den
Hohlraum 147 und den Funktionsspalt 149 entweichen, sofern
das Lager 142 nicht hermetisch gegenüber dem Motorraum und dem Förderraum
abgedichtet ist. Diese Varianten gelten auch für den Seitenkanalverdichter 56 der 2 und 3.
-
Der
Wasserdampf und flüssiges
Wasser können
anschließend
den Turboverdichter vom Förderraum über den
Auslass 124 verlassen. Es ist möglich, das Rohr 164 mit
dem U-Bogen 166, die Ablassleitung 170 und die
Ventile 172 und 174 gemäß 2 an den Auslass 124 der Ausführungen
gemäß 4 und 5 anzubringen. Ferner ist es möglich, die
Ablasseinrichtung 164, 166, 170, 172 und 174 an
den Einlass 122 anzubringen. Dies ist vorteilhaft, da das Wasser
auch unter Ausnützung
des Gefälles
des Förderraumes 116 und
der Einwirkung der Schwerkraft sich zum tiefsten Punkt des vertikal
angeordneten Turboverdichters bewegt. In diesem Fall ist es angebracht,
ein weiteres schließbares
Ventil nach dem Auslass 124 anzuordnen, so dass das verdrängte Wasser
durch die Ablassleitung entfernt wird. Das weitere Ventil kann anschließend wieder
geöffnet werden,
um den Anodenkreislauf zu durchspülen.
-
Das
Wasser bzw. der Wasserdampf wird dann mittels des Spülgases über den
Anodenkreislauf und das Ablassventil 60 vollständig aus
dem Anodenkreislauf entfernt. Wie oben gesagt, ist dies nicht unbedingt
erforderlich, wenn der Anodenkreislauf mit einer Wasser aufnehmenden
Beschichtung vorgesehen ist, die der Aufnahme des aus dem Seitenkanalverdichter 56 ausgetriebenen
Wassers dient.
-
Somit
wird sämtliches
Wasser bzw. Wasserdampf aus dem Turboverdichter ausgetrieben bzw. durch
einen Verdampfungsvorgang, der ebenfalls vom Spülgas bewerkstelligt wird, verdampft
und ausgestoßen,
so dass keine Feuchtigkeit im Turboverdichter verbleibt, die bei
Minustemperaturen zu der Einfrierung des Turboverdichters führen kann.
-
Zusätzlich wird
darauf hingewiesen, dass der Turboverdichter gemäß 4 über
eine Wasserkühlung
verfügt.
Der Einlass 180 für
das Kühlwasser
ist in 4 auf der rechten
Seite des Gehäuses 110 ersichtlich.
Das Kühlwasser
fließt
zunächst
in den Lagerdeckel 138 hinein und von dort über Bohrungen 190, 192, 194 und 196 in
den Ringraum 184, der um das Motorgehäuse sich erstreckt und durch
die Außenkontur
des Gehäuses 110 und
die ringförmige Manschette 186 gebildet
ist. Die Enden der Bohrungen, die geschlossen werden müssen, sind
mit Stöpseln,
beispielsweise Schraubstöpseln 187 versehen. Das
Kühlwasser
dient auch der Kühlung
des Controllers 131 und fließt im Anschluss an den Ringraum 184 durch
Kühlpassagen
im Controller 131. Der Wasserauslass ist hier nicht gezeigt,
kann aber beispielsweise am Gehäuse
des Controllers vorgesehen werden.
-
Die 4 und 5 zeigen zusätzlich, wie der Turboverdicher
aufgebaut ist, d.h. wo die Lager und Dichtungen sowie die Schrauben
sitzen, die die einzelnen Gehäuseteile
und Deckel miteinander und mit den weiteren Bauteilen verbinden.
-
Anstatt
eine Wasserkühlung
vorzusehen, ist es auch durchaus denkbar, den Turboverdichter mit einer
Luftkühlung
zu versehen, wie in 5 gezeigt ist.
Diese Luftkühlung
wird im einfachsten Fall dadurch erzielt, dass das Gehäuse 110 im
Bereich des Ringraums 184, wo die Wasserkühlung in 2 gezeigt ist, mit ringförmigen Rippen 200 versehen
ist, wobei der Mantel 186 der 4 weggelassen wird. Gegebenenfalls kann
ein Kühlgebläse oder
ein sonst vorgesehener Kühlluftstrom
dafür verwendet
werden, um Wärme
vom Seitenkanalverdichter abzuführen.
-
Abweichend
von der Ausführung
gemäß 4 ist bei der Ausführungsform
der 5 der Controller 131 nicht
außerhalb
des Verbindungsraumes 118 sondern innerhalb desselben angebracht, was
auch bei dem Seitenkanalverdichter gemäß 2 und 3 möglich ist.
In diesem Falle dient das Spülgas,
das über
den Spülgaseinlass 150 eingespeist
wird, auch dazu, etwaige im Bereich des Controllers vorhandene Feuchtigkeit
ebenfalls zu verdrängen
bzw. auszutrocknen.
-
Schließlich zeigt
die 6 eine Kurve, die die
Spülzeit
t als Funktion der im System vorhandenen relativen Feuchte Rh darstellt.
Ist mehr Wasser im System und damit in der Pumpe 56, muss
auch für eine
längere
Zeit gespült
werden. Durch Ermittlung der Kennlinie gemäß 6 kann man die Spülzeit bzw. die Nachlaufzeit
nach Stillstand der Rezirkulationspumpe 56 ermitteln und
auch regeln. Die vorhandene Feuchte kann beispielsweise über den
Feuchtesensor 98 ermittelt werden und unter Kenntnis der vorhandenen
Volumen, die zu trocknen sind, kann die Laufzeit der Spülung ermittelt
werden. Das heißt, eine
Familie von Kennlinien wie in der 6 gezeigt, kann
im Speicher 22 abgelegt werden und dann zur Bestimmung
der Spülzeit
in Kenntnis der vorhandenen relativen Feuchte herangezogen werden.
Die Spülzeit
kann auch mit einem zusätzlichen
Betrag belegt werden, um sicherzugehen, dass die Feuchte ausreichend
entfernt wird.
-
Wie
oben beschrieben, ist es nicht erforderlich, den Spülvorgang
durchzuführen,
wenn im Zeitraum bis zur nächsten
Bewegung des Fahrzeugs keine Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts
zu erwarten sind. Beispielsweise wird ein solcher Spülvorgang
im Sommer nicht erforderlich.
-
Dieser
Zeitraum kann gegebenenfalls vom Fahrer durch eine manuelle Eingabe
in die Steuerung festgelegt werden. Wenn das Auto beispielsweise täglich benutzt
wird, so kann als Zeitraum 24 Stunden eingegeben werden.
-
Da
die Steuerung 22 die Außenumgebungstemperaturen über den
Temperatursensor 102 erhält und wie üblich der Rechner eine interne
Uhr aufweist, kann er in einem zugeordneten Speicher (nicht gezeigt)
eine Datenbank aufbauen, in der die tiefsten Temperaturen über mehrere
Tage gespeichert sind und er kann auf diese Weise relativ zuverlässig vorhersagen,
wenn Temperaturen zu erwarten sind, die innerhalb von 24 Stunden
unter dem Nullpunkt liegen. Anstatt den Nullpunkt zu wählen, kann
beispielsweise 5° als
tiefste zulässige
Temperatur angesehen werden, so dass für Temperaturen, die unter 5° liegen,
auf jeden Fall die Gasspülung
einzuschalten wäre,
um sicherzugehen, dass das System innerhalb des betrachteten Zeitraums
nicht einfriert.
-
Eine
andere Arbeitsweise wäre,
einen Spülvorgang
erst dann durchzuführen,
wenn der Temperatursensor 102 eine kritische Temperatur
anzeigt, bei der noch tiefere Temperaturen zu erwarten sind. Sinkt
beispielsweise die Temperatur der Außenumgebung unter 5°C oder unter
3°C, so
könnte
dann eine Spülung
lange nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden,
um die Gefahr des Einfrierens zu verhindern. Diese Variante hat den
Vorteil, dass man keinen Zeitraum eingeben muss und daher die Gefahr
des falschen Einschätzens
des Zeitraumes oder der zu erwartenden Temperatur nicht gegeben
ist.
-
Ferner
besteht die Möglichkeit,
ein meteorologisches Dienstleistungssystem einzuführen, wobei zu
regelmäßigen Zeitintervallen
Signale ausgestrahlt werden, die ortsspezifisch angeben, ob für jeden
Ort bzw. Ortsbereich eine Temperatur unter dem Nullpunkt zu erwarten
ist. Solche Signale können über die
Antenne 100 empfangen werden und in der Steuerung 22 kann überprüft werden,
ob das Signal unter Berücksichtigung
des jeweiligen Standortes des Fahrzeuges es notwendig macht, bei
der nächsten Abschaltung
oder nach der letzten Abschaltung einen Spülgang durchzuführen. Der
Standort des Fahrzeuges kann über
ein GPS-System ermittelt werden, das ohnehin häufig in modernen Kraftfahrzeugen
eingebaut wird, beispielsweise im Zusammenhang mit einem eingebauten
Navigationssystem. Der Sender und der Empfänger des Navigationssystems
könnten sogar
zu diesem Zweck verwendet werden und es könnten die meteorologischen
Signale über
das Navigationssystem verarbeitet werden.
-
Auch
hier besteht die Möglichkeit,
entweder gleich beim Abschalten des Brennstoffzellensystems einen
Spülgang
durchzuführen,
wenn das meteorologische Signal anzeigt, dass dies innerhalb des
vorgegebenen Zeitraums Sinn macht, oder der Spülgang könnte so lange verzögert werden,
bis ein meteorologisches Signal zeigt, dass in Kürze mit Temperaturen unter
dem Nullpunkt zu rechnen sind. Auch diese Vorgehensweise hätte den
Vorteil, dass keine Notwendigkeit mehr besteht, einen Zeitraum zu
berücksichtigen.
Ein solches System hätte
auch den Vorteil, dass, falls das Fahrzeug wieder in Betrieb genommen
wird, bevor der Spülvorgang
erforderlich ist, der Spülvorgang
und der damit verbundene Aufwand an Energie bzw. an Spülgas eingespart
werden kann. In diesem Fall wird das System zur Ausführung des Spülvorgangs
zurückgesetzt
und es wird erst bei oder nach dem nächsten Abstellvorgang geprüft, ob aufgrund
von meteorologischen Signalen ein Spülvorgang erforderlich ist.
Auf diese Weise können manche
Spülvorgänge eingespart
werden.
-
Obwohl
es im Regelfall notwendig ist mindestens den Motorraum und den Förderraum
mit Spülgas
zu durchspülen,
um Wasser aus diesen Bereichen zu entfernen, so wäre es schließlich denkbar, nur
den Förderaum
und die damit verbundenen Funktionsspalten zu durchspülen, wenn
es gelingt, eine hermetische Abdichtung zwischen dem Motor und den
Förderraum
zu erreichen oder wenn der Förderraum
Teil einer Pumpe ist, die vom zugeführten frischen Brennstoff angetrieben
ist, wie beispielsweise aus der
DE
10161521.3 bekannt ist.