EP4634535A1 - Anodenrezirkulationsgebläse mit integriertem sensor - Google Patents

Anodenrezirkulationsgebläse mit integriertem sensor

Info

Publication number
EP4634535A1
EP4634535A1 EP23814109.7A EP23814109A EP4634535A1 EP 4634535 A1 EP4634535 A1 EP 4634535A1 EP 23814109 A EP23814109 A EP 23814109A EP 4634535 A1 EP4634535 A1 EP 4634535A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
side channel
housing
sensor
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23814109.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Katz
Jochen Wessner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4634535A1 publication Critical patent/EP4634535A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D23/00—Other rotary non-positive-displacement pumps
    • F04D23/008—Regenerative pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/001—Testing thereof; Determination or simulation of flow characteristics; Stall or surge detection, e.g. condition monitoring
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants

Definitions

  • the present invention relates to a side channel compressor for a fuel cell system for conveying and/or compressing a gaseous medium, in particular hydrogen, which is intended in particular for use in vehicles with a fuel cell drive.
  • the present invention also relates to a fuel cell system, a method for operating a side channel compressor and/or a fuel cell system and a method for producing a combined measuring channel-cover arrangement.
  • gaseous fuels will play an increasing role in the automotive sector alongside liquid fuels.
  • Hydrogen gas flows must be controlled, particularly in vehicles with fuel cell drives.
  • the gas flows are no longer controlled discontinuously, as is the case with the injection of liquid fuel, but the gas is taken from at least one high-pressure tank and fed to an ejector unit via an inflow line of a medium-pressure line system.
  • This ejector unit feeds the gas to a fuel cell via a connecting line of a low-pressure line system.
  • the side channel compressor can be interposed, which supports the gas return in terms of flow and efficiency.
  • side channel compressors are used to support the flow build-up in the fuel cell drive, especially when the vehicle is (cold) started after a certain period of downtime.
  • These side channel compressors are usually driven by electric motors, which are supplied with voltage via the vehicle battery when used in vehicles. When switched off,
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP of the fuel cell system and at low ambient temperatures so-called ice bridges form between the moving parts, in particular a compressor wheel and a housing, of the side channel compressor.
  • a side channel compressor for a fuel cell system for conveying and/or compressing a gaseous medium, in particular hydrogen.
  • the side channel compressor can have a housing with a compressor wheel located in the housing, which is arranged so as to be rotatable about an axis of rotation and is driven at least indirectly by a drive.
  • the compressor wheel has conveyor cells arranged on its circumference in the region of a compressor chamber, and a gas inlet opening and a gas outlet opening formed on the housing, which are fluidically connected to one another via the compressor chamber, in particular the at least one side channel.
  • the respective side channel compressor has a drain and/or a valve and/or a purge valve by means of which nitrogen and/or water, which may be contained in the gaseous medium to be conveyed, can be drained off.
  • the side channel compressor known from DE 10 2019 201 183 and DE 10 2019 219 992 can have certain disadvantages.
  • a side channel compressor for a fuel cell system for conveying and/or compressing a gaseous medium, in particular hydrogen is provided with the features of the independent patent claims. Furthermore, a fuel cell system, a method for operating the side channel compressor and/or a fuel cell system, and methods for producing a combined measuring channel-cover arrangement are proposed and provided according to the invention.
  • the side channel compressor is proposed in which at least one sensor is located in a housing of the side channel compressor, the measured value of wall shear stress being determined by means of the sensor, in particular by means of a surface hot film method, and the sensor being located in an interrupter region of the compressor chamber of the side channel compressor.
  • the advantage can be achieved that a wall shear stress of the gaseous medium can be detected, this depending on the viscosity of the gaseous medium.
  • the viscosity is variable with the composition of the gaseous medium.
  • the sensor in the interrupter area, an exact measurement of the wall shear stress can be achieved, which allows an exact derivation of the properties and composition of the gaseous medium.
  • the sensor which measures using a surface hot film method, in the interrupter area, a compact and flat design of the sensor can be achieved, with the sensor being particularly flat in the direction of a rotation axis. This allows a compact design of the entire side channel compressor to be achieved, so that the installation space required in the overall vehicle remains small.
  • the sensor is arranged in the area of a first end face and/or a second end face between a compressor wheel and the housing.
  • the respective end face runs radially to the axis of rotation between the compressor wheel and the housing.
  • This pressure difference and the narrow gap form a shear flow that is driven by the rotation of the impeller.
  • the sensor can therefore measure the wall shear stress at this point, in particular using the surface hot film method.
  • the measurement of the wall shear stress using the sensor in the area of this first and/or second end face can be carried out much more accurately than in other areas of the side channel compressor, since a maximum influence of the viscosity can be achieved with a small gap in the area of the first and/or second end face between the compressor wheel and the housing, which improves the accuracy of the wall shear stress measurement result.
  • This makes it possible to achieve a better forecast of the composition of the gaseous medium, which improves the efficiency of a downstream control process.
  • a cost-effective integration of the sensor in the side channel compressor can be achieved.
  • the senor is arranged as close as possible to or directly in the area of an axial gap between the compressor wheel and the housing.
  • the axial gap has a gap size of a maximum of 2.5 mm, in particular 1 mm.
  • the sensor can be arranged in an area between the compressor wheel and the housing, with the sensor being attached in particular to the housing in which the compressor wheel only has a small overlap of the area with blades.
  • the area of the blades of the compressor wheel has openings between the blades that run axially to the axis of rotation, which represent a disturbing influence and
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP can distort the measurement result of the wall shear stress or at least cause a slight inaccuracy in the measurement result, since flow turbulence can occur in this area. Due to the advantageous design of the side channel compressor according to the invention, the influence of the flow turbulence can be reduced and thus the accuracy of the measurement result can be improved.
  • the senor is arranged in the area of a shroud surface between the compressor wheel and the housing, wherein in particular the shroud surface is formed axially to the axis of rotation between the compressor wheel and the housing.
  • the wall shear stress of the gaseous medium can be measured at a point between the compressor wheel and the housing where there is no opening between the impeller blades, so that there is at least almost no flow turbulence at this point. Negative flow influences when measuring the wall shear stress in this area can thus be reduced, which can improve the accuracy of the measurement result.
  • the compressor wheel which in an exemplary embodiment has a circumferential outer limiting ring on its outer diameter, which runs around the compressor wheel in a rotationally symmetrical manner to the axis of rotation.
  • This limiting ring can be used to prevent leakage flows and/or flow turbulence from the compressor chamber, which run radially from the axis of rotation outwards from the compressor wheel.
  • the wall shear stress can be measured using the sensor in an area in which the greatest relative movement occurs between a surface of the compressor wheel and a surface of the housing, particularly in the area of the shroud surface, which further increases the measurement accuracy and provides a maximum influence of the viscosity of the gaseous medium. In this way, an exact derivation of the properties and composition of the gaseous medium can be determined.
  • the side channel compressor is designed such that the sensor is arranged in a channel, in particular a measuring channel, in the housing, wherein the channel is closed by means of a cover, wherein the cover defines the channel.
  • the gaseous medium is
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP the channel, whereby a laminar flow can be formed, particularly in the channel, by means of the pressure difference Ap between the channel inlet and the channel outlet and the small diameter of the channel.
  • the sensor measures the wall shear stress, particularly by means of a surface hot film, and calculates the viscosity of the anode gas from the known Ap and the known flow geometry of the channel.
  • the channel can have a maximum diameter of 2.5 mm, particularly 1 mm. Since only the gas composition changes at one operating point during normal operation, a change in the wall shear stress can be used to determine the changed gas mixture.
  • the senor is protected from flow turbulence by the blades, which improves the accuracy of the wall shear stress measurement result.
  • a compact design of the sensor and the entire side channel compressor can be achieved, so that the installation space required in the overall vehicle remains small.
  • the senor and the cover are designed as a combined measuring channel-cover arrangement that can be pre-assembled and/or inserted as a structural unit into a recess in the housing.
  • This has the advantage that the measuring channel-cover arrangement can be quickly installed as a one-piece solution when assembling the side channel compressor, so that the assembly time and processing time of the side channel compressor can be reduced. This reduces the assembly and processing costs per side channel compressor produced.
  • the combined measuring channel-cover arrangement can be completely removed in one step and replaced with a new unit. This reduces maintenance costs and repair costs.
  • the side channel compressor has, in addition to the sensor, which measures the wall shear stress in particular, a speed sensor and/or at least one pressure sensor and/or a control device and/or a purge valve.
  • the advantage can be achieved that values for the wall shear stress determined by means of the sensor and the speed of the compressor wheel by means of the speed sensor and a pressure difference
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP by means of at least one pressure sensor, from which the viscosity of the gaseous medium and/or the composition of the gaseous medium can be determined, in particular the proportions of hydrogen and/or nitrogen and/or water.
  • the raw data is evaluated by means of the control valve and, for example, an algorithm stored in the control unit can be used to open the purge valve in a sensible manner, a so-called purging, to release nitrogen as required, while only a small amount or at least almost no hydrogen is lost. In this way, the efficiency of the side channel compressor and the entire fuel cell system can be improved because less hydrogen is lost.
  • a fuel cell system with a side channel compressor is also proposed.
  • this has the control unit and/or the purge valve. This makes it possible to achieve a compact design and arrangement of the components, while also preventing the control unit and/or purge valve components from cooling down during long periods of downtime and at low outside temperatures, in particular below 0°C, since they are integrated in the fuel cell system.
  • a method for operating a side channel compressor and/or a fuel cell system is also proposed.
  • the wall shear stress is measured using the sensor.
  • the speed n of the compressor wheel of the side channel compressor is recorded using the control unit or using the optional speed sensor.
  • a flow velocity of the gaseous medium is calculated using the control unit based on the determined speed n.
  • the known pressure difference Ap is used or the pressure difference Ap is measured, in particular using at least one optional pressure sensor, between the gas inlet opening and the gas outlet opening.
  • a known flow geometry is used as a basis, for example the channel and/or the interrupter area.
  • the viscosity of the gaseous medium is determined at a specific time T1.
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP the measured data are used to calculate a change in the composition of the gaseous medium by delta calculation of several measuring points Tn using the control unit.
  • a method for producing a combined measuring channel-cover arrangement is also proposed.
  • a sensor is inserted and connected to the base body using a form-fitting, material-fitting or force-fitting process.
  • the cover is attached to cover and/or overlap the sensor and to form the channel.
  • the measuring channel-cover arrangement is installed in the side channel compressor, in particular in the interrupter area.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of a side channel compressor according to the invention
  • Figure 2 shows a section of the side channel compressor according to a first embodiment, designated A-A in Figure 1,
  • Figure 3 shows a section of a combined measuring channel-cover arrangement of the side channel compressor according to a second embodiment, designated II in Figure 2, in a side view,
  • Figure 4 is a perspective view of the side channel compressor according to a third embodiment
  • FIG. 5 is a simplified representation of a flow chart to illustrate the claimed method
  • Figure 6 A schematic diagram of the elements sensor, control unit, speed sensor, pressure sensor and purge valve.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a side channel compressor 1 proposed according to the invention, which is designed rotationally symmetrical to a rotation axis 4.
  • Fig. 1 it is shown that the side channel compressor 1 for a fuel cell system 31 for conveying and/or compressing a gaseous medium, in particular hydrogen, is provided with a housing 3 and a drive 6.
  • a gaseous medium in particular hydrogen
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP is, wherein the housing 3 has an upper housing part 7 and a lower housing part 8.
  • the housing 3 has a compressor chamber 30 which runs circumferentially around the axis of rotation 4 and has at least one circumferential side channel 19, 21, with a compressor wheel 2 located in the housing 3, which is arranged so as to be rotatable about the axis of rotation 4 and is driven by the drive 6, wherein the compressor wheel 2 has blades 5 arranged on its circumference in the region of the compressor chamber 30 and with a gas inlet opening 14 and a gas outlet opening 16 formed on the housing 3, which are fluidically connected to one another via the compressor chamber 30, in particular the at least one side channel 19, 21.
  • the side channel compressor 1 has at least one bearing 27, 47.
  • the at least one side channel 19, 21 can run circumferentially around the axis of rotation 4 at least in a partial region of the housing 3, wherein an interrupter region 15 is formed in the housing 3 in the partial region in which the at least one side channel 19, 21 is not formed in the housing 3.
  • Fig. 1 shows that the drive 6 is designed as an axial field electric motor 6, which has a stator 11 and a rotor assembly 17, wherein the stator 11 and the rotor assembly 17 are designed in the shape of a disk and rotate around the axis of rotation 4, and wherein the stator 11 is arranged next to the rotor assembly 17 in the direction of the axis of rotation 4.
  • the rotor assembly 17 can be located at least indirectly on or in a hub disk 23 of the compressor wheel 2.
  • Fig. 1 shows that the side channel compressor 1 has a stator chamber 42 and a rotor chamber 44, wherein at least some components of the drive 6 are arranged in these chambers 42, 44.
  • the upper housing part 7 has a continuous wall 29, which is located between the stator chamber 42 and the rotor chamber 44 and causes a fluidic separation of these.
  • the stator chamber 42 is also at least partially surrounded and/or encapsulated by a stator housing 39.
  • the housing lower part 8 has a cylindrical bearing pin 12, wherein the bearing pin 12 runs in the direction of the rotation axis 4 in such a way that its outer surface runs circumferentially around the rotation axis 4 and wherein a first bearing 27 and/or a second bearing 47 are in contact with the outer surface of the bearing pin 12 radially to the rotation axis 4.
  • the drive 6 can be designed as an axial field electric motor 6, which has the stator 11 and the rotor assembly 17, wherein the stator 11 runs in the direction of the rotation axis 4 next to the rotor assembly.
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP group 17 is arranged.
  • the side channel compressor 1 has the cylindrical bearing pin 12, wherein the bearing pin 12 runs in the direction of the axis of rotation 4 such that its outer surface runs circumferentially around the axis of rotation 4.
  • the first bearing 27 and/or the second bearing 47 are in contact with the outer surface of the bearing pin 12 radially to the axis of rotation 4.
  • Fig. 1 shows that the compressor wheel 2 has the hub disk 23 on its inner diameter.
  • the compressor wheel 2 is connected to a hub 9 in the area of the hub disk 23.
  • the hub 9 has an inner bore 20 in the inner bore 20.
  • the inventive design of the side channel compressor 1 provides that at least one sensor 18 is located in the housing 3 of the side channel compressor 1, wherein the measured variable wall shear stress is determined by means of the sensor 18, in particular by means of a surface hot film method, and wherein the sensor 18 is located in the interrupter area 15 of the compressor chamber 30 of the side channel compressor 1.
  • the sensor 18 can be located in the area of a first end face 24 and/or a second end face 26 between the compressor wheel 2 and the housing 3.
  • the sensor 18 is located in an area of a small gap between the compressor wheel 2 and the housing 3, with the sensor 18 being arranged as close as possible to or directly in the area of a respective first axial gap 28 between the compressor wheel 2 and the housing 3.
  • the respective first axial gap 28 is located in the area of the inner diameter of the blades 5 facing the axis of rotation 4, while a respective second axial gap 32 is located in the area of the outer diameter of the blades 5 facing away from the axis of rotation 4.
  • the sensor 18 can be located in the area of a shroud surface 34 of the housing 3.
  • the object of the invention is to use the side channel compressor 1 to provide defined conditions for the sensor 18 so that the anode gas composition can be easily measured.
  • the wall shear stress is used as the measured variable, which depends on the viscosity and the speed of the medium.
  • the viscosity is related to the gas composition
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP variable. Any water contained in the gaseous medium is either separated beforehand by the high radial forces or pumped out through the gas outlet opening 16.
  • Fig. 2 shows a section of the side channel compressor 1 according to a first embodiment, designated A-A in Fig. 1.
  • the gaseous medium is fed to the side channel compressor 1, in particular to the compressor wheel 2 and/or the respective side channel 19, 21, via the gas inlet opening 14.
  • the gaseous medium is compressed by the compressor wheel 2 rotating in a direction of rotation 41 and leaves the side channel compressor 1 under a higher pressure via the gas outlet opening 16.
  • In the interrupter area 15 there is a short-circuit path at which the pressure difference between the outlet and the inlet is reduced. This pressure difference and the narrow gap form a shear flow that is driven by the rotation of the compressor wheel 2.
  • the sensor 18 measures a surface hot film at this point, the wall shear stress, and the viscosity of the gaseous medium is determined from the known variables of pressure difference and speed of the compressor wheel 2.
  • the sensor 18 can be embedded in the area of a recess 35 in the housing 3. It is also shown that the sensor 18 can be located in the immediate vicinity and/or in the area of the first axial gap 28.
  • Fig. 3 shows a section of a combined measuring channel-cover arrangement 33 of the side channel compressor 1 according to a second exemplary embodiment, designated II in Fig. 2, in a side view. It is shown that the sensor 18 is arranged in a channel 25, in particular a measuring channel 25, in a base body 36. The channel 25 is closed by means of a cover 22, the cover 22 defining the channel 25. The sensor 18 and the cover 22 are designed as a combined measuring channel-cover arrangement 33, which can be pre-assembled and/or introduced as a structural unit 33 into the recess 35 of the housing 3. The gaseous medium flows through the channel 25 in a flow direction 10 past the sensor 18, the flow 10 being a laminar flow 38 due to the geometric shape, in particular the diameter of the channel 25.
  • Fig. 4 shows a perspective view of the side channel compressor 1 according to a third embodiment.
  • the sensor 18 is arranged in the region of a shroud surface 34 between the compressor wheel 2 and the housing 3, wherein the shroud surface 34 is formed axially to the axis of rotation 4 between the compressor wheel 2 and the housing 3 on the housing 3, in particular in the housing lower part 8.
  • rectangles 51 to 56 and arrows arranged between them show in a highly simplified manner how the multi-stage method for operating the side channel compressor 1 can proceed.
  • a wall shear stress is measured by means of the sensor 18.
  • a rotational speed n of the compressor wheel 2 of the side channel compressor 1 is measured by means of a control unit 43 or by means of an optional rotational speed sensor 45.
  • a flow rate of the gaseous medium is calculated, in particular by means of the control unit 43 based on the determined speed n.
  • a fourth method step 54 the known and/or measured pressure difference Ap or measurement by means of at least one optional pressure sensor 49 between the gas inlet opening 14 and the gas outlet opening 16 and a known flow geometry, for example the channel 25 and/or the interrupter region 15, is used.
  • a fifth method step 55 the viscosity of the gaseous medium is determined at a specific time T.
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP a calculation of a change in the composition of the gaseous medium by delta calculation of several measuring points Tn by means of the control unit 43 and control of a purge valve 40.
  • Fig. 6 shows an arrangement of various components of the side channel compressor 1 and/or the fuel cell system 31.
  • the arrangement is a schematic diagram of the elements sensor 18, control unit 43, optional speed sensor 45, optional pressure sensor 49 and purge valve 40.
  • the control unit 43 and the purge valve 40 do not necessarily have to be arranged in or on the side channel compressor 1, but can alternatively be located in a further area of the fuel cell system 31, in particular in an anode circuit.
  • the side channel compressor 1 can be arranged in an anode circuit of the fuel cell system 31.
  • the components sensor 18 and/or speed sensor 45 and/or optional pressure sensor 49 can deliver measured values and data to the control unit 43, with the control unit 43 controlling the purge valve 40 depending on a stored algorithm for evaluating the data.
  • the purge valve 40 is only opened by controlling the control unit 43 if the gaseous medium has a high concentration of nitrogen and/or other components that are not hydrogen.

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Abstract

Seitenkanalverdichter (1 ) für ein Brennstoffzellensystem (31 ) zur Förderung uncf/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3) und einem Antrieb (6), wobei das Gehäuse (3) ein Gehäuse-Oberteil (7) und ein Gehäuse-Unterteil (8) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) umlaufend um eine Drehachse (4) verlaufenden Verdichterraum (30), der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal (19, 21 ) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterrad (2), das drehbar um die Drehachse (4) angeordnet ist und durch den Antrieb (6) angetrieben wird, wobei das Verdichterrad (2) an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums (30) angeordnete Schaufelblätter (5) aufweist und mit jeweils einer am Gehäuse (3) ausgebildeten Gas-Einlassöffnung (14) und einer Gas-Auslassöffnung (16), die über denVerdichterraum (30), insbesondere den mindestens einen Seitenkanal (19, 21 ), fluidisch miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß befindet sich dabei mi ndestens ein Sensor (18) im Gehäuse (3) des Seitenkanalverdichters (1 ), wobei die Messgröße Wandschubspannung mittels des Sensors (18), insbesondere mittels eines Oberflächenheißfilms-Verfahrens, ermittelt wird und wobei sich der Sens or (18) in einem Unterbrecherbereich (15) des Verdichterraums (30) des Seitenkan alverdichters (1 ) befindet. Die Erfindung betrifft ferner ein Bren nstoffzellensystem (31 ), ein Verfahren zum Betreiben eines Seitenkanalverdichters (1 ) und/oder eines Brennstoffzellensystems (31 ) sowie ein Verfahren zum Herstellen einer kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung (33).

Description

Beschreibung
Titel
Anodenrezirkulationsgebläse mit integriertem Sensor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Seitenkanalverdichters und/oder eines Brennstoffzellensystems sowie ein Verfahren zum Herstellen einer kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung.
Im Fahrzeugbereich spielen neben flüssigen Kraftstoffen in Zukunft auch gasförmige Kraftstoffe eine zunehmende Rolle. Insbesondere bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellenantrieb müssen Wasserstoffgasströme gesteuert werden. Die Gasströme werden hierbei nicht mehr diskontinuierlich, wie bei der Einspritzung von flüssigem Kraftstoff gesteuert, sondern es wird das Gas aus mindestens einem Hochdrucktank entnommen und über eine Zuströmleitung eines Mitteldruckleitungssystems an eine Ejektoreinheit geleitet. Diese Ejektoreinheit führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle. Nachdem das Gas durch eine Brennstoffzelle geströmt ist wird es über eine Rückführleitung zurück zur Ejektoreinheit geführt. Dabei kann der Seitenkanalverdichter zwischengeschaltet werden, der die Gasrückführung strömungstechnisch und effizienztechnisch unterstützt. Zudem werden Seitenkanalverdichter zur Unterstützung des Strömungsaufbaus im Brennstoffzellenantrieb eingesetzt, insbesondere bei einem (Kalt)-Start des Fahrzeugs nach einer gewissen Standzeit. Das Antreiben dieser Seitenkanalverdichter erfolgt üblicherweise über Elektromotoren, die beim Betrieb in Fahrzeugen über die Fahrzeugbatterie mit Spannung versorgt werden. Dabei können sich im abgeschalteten Zustand
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP des Brennstoffzellensystems und bei niedrigen Umgebungstemperaturen sogenannte Eisbrücken zwischen den beweglichen Teilen, insbesondere einem Verdichterrad und einem Gehäuse, des Seitenkanalverdichters bilden.
Aus der DE 10 2019 201 183 und aus der DE 10 2019 219 992 ist jeweils ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem bekannt, zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff. Der Seitenkanalverdichter kann dabei ein Gehäuse aufweisen, mit einem in dem Gehäuse befindlichen Verdichterrad, das drehbar um eine Drehachse angeordnet und zumindest mittelbar durch einen Antrieb angetrieben ist. Dabei weist das Verdichterrad an seinem Umfang im Bereich eines Verdichterraums angeordnete Förderzellen auf, und jeweils eine am Gehäuse ausgebildeten Gas- Einlassöffnung und einer Gas-Auslassöffnung, die über den Verdichterraum, insbesondere dem mindestens einen Seitenkanal, fluidisch miteinander verbunden sind. Des Weiteren weist der jeweilige Seitenkanalverdichter einen Ablauf und/oder ein Ventil und/oder ein Purge-Ventil auf mittels dem sich Stickstoff und/oder Wasser, welches im zu fördernden gasförmigen Mediums enthalten sein kann, abgelassen werden kann.
Der aus der DE 10 2019 201 183 und aus der DE 10 2019 219 992 bekannte Seitenkanalverdichter kann gewisse Nachteile aufweisen.
Um die Wasserstoffkonzentration im gasförmigen Medium hoch zu halten, muss stickstoffreiches und/oder wasserreiches Gasgemisch abgeblasen werden und mit frischem Wasserstoff ersetzt werden. Diese Absteuerung, insbesondere das „Purgen“ erfolgt nach einem Zeitraster, da die Bestimmung des Stickstoffgehaltes messtechnisch (z.B. mit einem Massenspektrometer) nicht einfach umsetzen lässt. Dadurch geht beim Abblasen und/oder „Purgen“ auch viel wertvoller Wasserstoff verloren. Somit muss mehr Wasserstoff, beispielsweise aus einem Hochdrucktank in den Anodenkreislauf, nachgeführt werden, so dass die Wasserstoffkonzentration im gasförmigen Medium entsprechend hoch gehalten werden kann. Daher weist der aus der DE 10 2019 201 183 und aus der DE 10 2019 219 992 bekannte Seitenkanalverdichter den Nachteil auf, dass der Wirkungsgrad bei häufigem Ablasen und/oder „Purgen“ verringert wird und der Wasserstoff aus dem Tank schneller aufgebraucht wird.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem zur Förderung und/oder Verdichtung von einem gasförmigen Medium, insbesondere Wasserstoff, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereitgestellt. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zum Betreiben des Seitenkanalverdichters und/oder eines Brennstoffzellensystems, sowie Verfahren zum Herstellen einer kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung erfindungsgemäß vorgeschlagen und bereitgestellt.
Bezugnehmend auf Anspruch 1 wird des Seitenkanalverdichters vorgeschlagen, bei dem sich mindestens ein sich mindestens ein Sensor in einem Gehäuse des Seitenkanalverdichters befindet, wobei die Messgröße Wandschubspannung mittels des Sensors, insbesondere mittels eines Oberflächenheißfilms- Verfahrens, ermittelt wird und wobei sich der Sensor in einem Unterbrecherbereich des Verdichterraums des Seitenkanalverdichters befindet. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass eine Wandschubspannung des gasförmigen Mediums erfasst werden kann, wobei diese von der Viskosität des gasförmigen Mediums abhängt. Die Viskosität ist mit der Zusammensetzung des gasförmigen Mediums variabel.
Somit lässt sich durch die Anordnung des Sensors im Unterbrecherbereich eine exakte Messung der Wandschubspannung erzielen, wodurch sich eine exakte Herleitung der Eigenschaften und Zusammensetzung des gasförmigen Mediums ermitteln lässt. Zudem lässt sich mittels der Anordnung des Sensors, der mittels eines Oberflächenheißfilms-Verfahrens misst, im Unterbrecherbereichs eine kompakte und flache Bauform des Sensors erzielen, wobei der Sensor insbesondere flach in Richtung einer Drehachse baut. Somit lässt sich eine kompakte Bauform des gesamten Seitenkanalverdichters erzielen, so dass der benötigte Bauraum im Gesamtfahrzeug gering bleibt.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters ist der Sensor im Bereich einer ersten Stirnfläche und/oder einer zweiten Stirnfläche zwischen einem Verdichterrad und dem Gehäuse angeordnet. Dabei verläuft die jeweilige Stirnfläche radial zur Drehachse zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass ein relativ enger Spalt von maximal 2,5 mm, insbesondere 1 mm, im Unterbrecherbereich zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse mit dem Sensor ausgebildet ist, indem sich die Eigenschaften des gasförmigen Mediums in diesem Bereich mittels der Messung der Scherrspannung effizient bestimmen lassen. Dabei liegt in diesem Unterbrecherbereich eine Kurzschlussstrecke vor, an der die Druckdifferenz zwischen einer Gas-Auslassöffnung und einer Gas- Einlassöffnung abgebaut wird. Durch diese Druckdifferenz und den engen Spalt bildet sich eine Scherströmung aus, die durch die Rotation des Laufrades angetrieben wird. Der Sensor kann somit, insbesondere mittels des Oberflächenheißfilms-Verfahrens, an dieser Stelle die Wandschubspannung messen. Die Messung der Wandschubspannung mittels des Sensors im Bereich dieser ersten und/oder zweiten Stirnfläche kann dabei sehr viel genauer erfolgen, als in anderen Bereich des Seitenkanalverdichters, da bei einem geringen Spaltmaß im Bereich der ersten und/oder zweiten Stirnfläche zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse ein maximaler Einfluss der Viskosität erzielbar ist, wodurch sich die Genauigkeit des Messergebnisses Wandschubspannung verbessern lässt. Somit lässt sich eine bessere Prognose der Zusammensetzung des gasförmigen Mediums erzielen, wodurch die Effizienz eines nachgelagerten Regelprozesses verbessern lässt. Zudem kann eine kostengünstige Integration des Sensors im Seitenkanalverdichter realisiert werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters ist der Sensor möglichst nahe oder unmittelbar im Bereich eines Axialspalts zwischen Verdichterrad und Gehäuse angeordnet ist. Der Axialspalt weist dabei ein Spaltmaß von maximal 2,5 mm, insbesondere 1 mm, auf. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass der Sensor in einem Bereich zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse angeordnet werden kann, wobei der Sensor insbesondere am Gehäuse angebracht ist, in dem das Verdichterrad nur eine geringe Überdeckung des Bereichs mit Schaufelblättern aufweist. Der Bereich der Schaufelblätter des Verdichterrads weist axial zur Drehachse verlaufende Öffnungen zwischen den Schaufelblättern auf, die einen Störeinfluss darstellen und
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP das Messergebnis der Wandschubspannung verfälschen können oder zumindest für eine geringe Ungenauigkeit des Messergebnisses sorgen, da es in diesem Bereich zu Strömungs- Verwirbelungen kommen kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters kann somit der Einfluss der Strömungs-Verwirbelungen reduziert und somit die Genauigkeit des Messergebnisses verbessert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters ist der Sensor im Bereich einer Deckbandfläche zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse angeordnet, wobei insbesondere die Deckbandfläche axial zur Drehachse zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse ausgebildet ist. Auf diese Weise lässt sich die Wandschubspannung des gasförmigen Mediums an einer Stelle zwischen dem Verdichterrad und dem Gehäuse messen an der sich zum einen keine Öffnung zwischen den Laufradschaufeln befinden, so dass es an dieser Stelle zu zumindest nahezu keinen Strömungs-Verwirbelungen kommt. Somit lassen sich negative Strömungseinflüsse bei der Messung der Wandschubspannung in diesem Bereich reduzieren, wodurch die Genauigkeit des Messergebnisses verbessert werden kann. Zudem weist das Verdichterrad, welches an seinem Außendurchmesser in einer beispielshaften Ausführungsform einen umlaufenden äußeren Begrenzungsring aufweist, der rotationssymmetrisch zur Drehachse um das Verdichterrad verläuft. Mittels dieses Begrenzungsrings können Leckageströme und/oder Strömungsverwirbelungen aus dem Verdichterraum, die vom Verdichterrad radial von der Drehachse nach außen verlaufen, verhindert werden. Somit kann zum anderen die Wandschubspannung mittels des Sensors in einem Bereich gemessen werden, in dem sich die höchste Relativbewegung zwischen einer Fläche des Verdichterrads und einer Fläche des Gehäuses, insbesondere im Bereich der Deckbandfläche ergibt, wodurch sich die Messgenauigkeit weiter erhöhen lässt und ein maximaler Einfluss der Viskosität des gasförmigen Mediums vorliegt. Auf diese Weise lässt sich somit eine exakte Herleitung der Eigenschaften und Zusammensetzung des gasförmigen Mediums ermitteln lässt.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung ist der Seitenkanalverdichter derart ausgebildet, dass der Sensor in einem Kanal, insbesondere einem Meßkanal, im Gehäuse angeordnet ist, wobei der Kanal mittels einer Abdeckung verschlossen ist, wobei die Abdeckung den Kanal definiert. Dabei wird das gasförmige Medium durch
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP den Kanal geleitet, wobei mittels der Druckdifferenz Ap zwischen dem Kanaleingang und dem Kanalausgang und dem geringen Durchmesser des Kanals eine laminare Strömung ausbildbar ist, insbesondere im Kanal. Somit kann ein maximaler Einfluss der Viskosität erzielt werden. Der Sensor misst dabei, insbesondere mittels eines Oberflächenheißfilms, die Wandschubspannung und berechnet aus dem bekannten Ap und der bekannten Strömungsgeometrie des Kanals die Viskosität des Anodengases. Der Kanal kann dabei einen Durchmesser von maximal 2,5 mm, insbesondere 1 mm, aufweisen. Da sich im normalen Betrieb nur die Gaszusammensetzung an einem Betriebspunkt ändert, kann von einer Änderung der Wandschubspannung auf das veränderte Gasgemisch geschlossen werden. Dabei ist der Sensor in dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters vor Strömungs-Verwirbelungen durch die Schaufelblätter geschützt, wodurch sich die Genauigkeit des Messergebnisses Wandschubspannung verbessern lässt. Zudem lässt eine kompakte Bauform des Sensors und des gesamten Seitenkanalverdichters erzielen, so dass der benötigte Bauraum im Gesamtfahrzeug gering bleibt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Seitenkanalverdichters ist der Sensor und die Abdeckung als kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung ausgeführt, die vormontierbar ist und/oder als Bau-Einheit in eine Aussparung des Gehäuses eingebracht werden kann. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass die Meßkanal-Deckel-Anordnung bei der Montage des Seitenkanalverdichters schnell als einteilige Lösung verbaut werden kann, so dass Montagezeit und Bearbeitungszeit des Seitenkanalverdichters reduziert werden kann. Somit lassen sich die Montage und Bearbeitungskosten pro hergestelltem Seitenkanalverdichter reduzieren. Zudem lässt sich im Falle einer Wartung oder Instandsetzung aufgrund eines Ausfalls, beispielsweise aufgrund eines verschmutzten oder verstopften Kanals oder eines defekten Sensors, die kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung vollständig in einem Arbeitsschritt ausbauen und durch eine neue Einheit ersetzten. Somit können die Wartungskosten und die Instandsetzungskosten reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Seitenkanalverdichter zusätzlich zum Sensor, der insbesondere die Wandschubspannung misst, einen Drehzahlsensor und/oder mindestens einen Drucksensor und/oder ein Steuergerät und/oder ein Purge-Ventil auf. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass Werte zu ermittelter Wandschubspannung mittels des Sensors und Drehzahl des Verdichterrads mittels des Drehzahlsensors und einer Druckdifferenz
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP mittels des mindestens einen Drucksensors ermittelt werden können, aus denen sich die Viskosität des gasförmigen Mediums und/oder die Zusammensetzung des gasförmigen Mediums ermitteln lässt, insbesondere die Anteile an Wasserstoff und/oder Stickstoff und/oder Wasser. Dabei werden die Rohdaten mittels des Steuerventils ausgewertet und es lässt sich beispielsweise mittels einer im Steuergerät hinterlegten Algorithmus ein sinnvolles Öffnen des Purge-Ventils, ein sogenanntes Purgen, zum bedarfsgerechten Ablassen von Stickstoff erzielen, während nur ein geringer oder zumindest nahezu kein Wasserstoff verloren geht. Somit lässt sich auf diese Weise der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters und des gesamten Brennstoffzellensystems verbessern, da weniger Wasserstoff verloren geht.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit einem Seitenkanalverdichter vorgeschlagen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems weist dieses das Steuergerät und/oder das Purge-Ventil auf. Somit lässt sich auf diese Weise eine kompakte Bauform und Anordnung der Komponenten erzielen, während zudem verhindert wird, dass die Komponenten Steuergerät und/oder Purge-Ventil bei langen Standzeiten und niedrigen Außentemperaturen, insbesondere unter 0°C, Auskühlen, da diese im Brennstoffzellensystem integriert sind.
Vorgeschlagen wird zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Seitenkanalverdichters und/oder eines Brennstoffzellensystems. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt eine Messung der Wandschubspannung mittels des Sensors. In einem zweiten Schritt erfolgt eine Erfassung der Drehzahl n des Verdichterrads des Seitenkanalverdichters mittels des Steuergeräts oder mittels des optionalen Drehzahlsensors. In einem dritten Schritt erfolgt eine Berechnung einer Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums mittels des Steuergeräts anhand der ermittelten Drehzahl n. In einem vierten Schritt wird die bekannten Druckdifferenz Ap herangezogen oder es erfolgt eine Messung der Druckdifferenz Ap, insbesondere mittels mindestens eines optionalen Drucksensors, zwischen Gas- Einlassöffnung und Gas-Auslassöffnung. Zudem wird eine bekannte Strömungsgeometrie zugrunde gelegt, beispielsweise des Kanals und/oder des Unterbrecherbereichs. In einem fünften Schritt erfolgt eine Bestimmung der Viskosität des gasförmigen Mediums zu einem bestimmten Zeitpunkt T1. In einem sechsten Schritt
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP werden die gemessenen Daten herangezogen, um eine Berechnung einer Änderung der Zusammensetzung des gasförmigen Mediums durch Delta-Berechnung mehrerer Messpunkte Tn mittels des Steuergeräts durchzuführen.
Vorgeschlagen wird zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Seitenkanalverdichters und/oder eines Brennstoffzellensystems, mit dem folgenden zusätzlich Schritt: Berechnung einer Änderung der Zusammensetzung des gasförmigen Mediums durch Delta-Berechnung mehrerer Messpunkte Tn mittels des Steuergeräts und Ansteuerung des Purge-Ventils.
Vorgeschlagen wird zudem ein zum Herstellen einer kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt ein Einbringen und Verbinden eines Sensors in den Grundkörper mittels eines formschlüssigen, stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verfahrens. In einem zweiten Schritt erfolgt ein Anbringen des Deckels zur Abdeckung und/oder Überdeckung des Sensors und zum Ausbilden des Kanals. In einem dritten Schritt erfolgt ein Einbau der Meßkanal- Deckel-Anordnung in den Seitenkanalverdichter, insbesondere in den Unterbrecher-Bereich.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Kurze Beschreibung der Zeichnung
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters,
Figur 2 einen in Figur 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalverdichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 ein in Figur 2 mit II bezeichneten Ausschnitt einer kombinierten Meß- kanal-Deckel-Anordnung des Seitenkanalverdichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
Figur 4 eine perspektivische Ansicht des Seitenkanalverdichters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Figur 5 eine vereinfachte Darstellung eines Ablaufplans zur Veranschaulichung des beanspruchten Verfahrens,
Figur 6 Ein schematisches Schaubild der Elemente Sensor, Steuergerät, Drehzahlsensor, Drucksensor und Purge-Ventil.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der Darstellung gemäß Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen rotationssymmetrisch zu einer Drehachse 4 ausgebildeten erfindungsgemäß vorgeschlagene Seitenkanalverdichter 1 zu entnehmen.
Dabei ist in Fig. 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 1 für ein Brennstoffzellensystem 31 zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse 3 und einem Antrieb 6 versehen
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP ist, wobei das Gehäuse 3 ein Gehäuse-Oberteil 7 und ein Gehäuse-Unterteil 8 aufweist. Zudem weist das Gehäuse 3 einen umlaufend um die Drehachse 4 verlaufenden Verdichterraum 30 auf, der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal 19, 21 aufweist, mit einem in dem Gehäuse 3 befindlichen Verdichterrad 2, die drehbar um die Drehachse 4 angeordnet ist und durch den Antrieb 6 angetrieben wird, wobei das Verdichterrad 2 an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums 30 angeordnete Schaufelblätter 5 aufweist und mit jeweils einer am Gehäuse 3 ausgebildeten Gas- Einlassöffnung 14 und einer Gas-Auslassöffnung 16, die über den Verdichterraum 30, insbesondere den mindestens einen Seitenkanal 19, 21 , fluidisch miteinander verbunden sind. Dabei weist der Seitenkanalverdichter 1 mindestens ein Lager 27, 47 auf. Der mindestens eine Seitenkanal 19, 21 kann dabei zumindest in einem Teilbereich des Gehäuses 3 umlaufend um die Drehachse 4 verlaufen, wobei in dem Teilbereich, in dem der mindestens eine Seitenkanal 19, 21 im Gehäuse 3 nicht ausgebildet ist, ein Unterbrecher-Bereich 15 im Gehäuse 3 ausgebildet ist.
Zudem ist in Fig. 1 gezeigt, dass der Antrieb 6 als ein Axialfeld- Elektromotor 6 ausgeführt ist, der einen Stator 11 und einer Rotor-Baugruppe 17 aufweist, wobei der Stator 11 und die Rotor- Baugruppe 17 scheibenförmig umlaufend um die Drehachse 4 ausgebildet sind und wobei der Stator 11 in Richtung der Drehachse 4 neben der Rotor-Baugruppe 17 angeordnet ist. Dabei kann sich die Rotor-Baugruppe 17 zumindest mittelbar an oder in einer Nabenscheibe 23 des Verdichterrads 2 befinden. Zudem ist in Fig. 1 gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 1 einen Stator-Raum 42 und einem Rotor-Raum 44 aufweist, wobei in diesen Räumen 42, 44 zumindest teilweise Bauteile des Antriebs 6 angeordnet sind. Dabei weist das Gehäuse-Oberteil 7 eine durchgehende Wandung 29 auf, die sich zwischen dem Stator- Raum 42 und dem Rotor- Raum 44 befindet und eine fluidische Trennung dieser bewirkt. Der Stator- Raum 42 ist zudem von einem Statorgehäuse 39 zumindest teilweise umgeben und/oder gekapselt. Dabei weist das Gehäuse-Unterteil 8 einen zylindrischen Lagerzapfen 12 auf, wobei der Lagerzapfen 12 derart in Richtung der Drehachse 4 verläuft, dass seine Mantelfläche umlaufend um die Drehachse 4 verläuft und wobei ein erstes Lager 27 und/oder ein zweites Lager 47 radial zur Drehachse 4 mit der Mantelfläche des Lagerzapfens 12 in Kontakt stehen. Dabei kann der Antrieb 6 als ein Axialfeld- Elektromotor 6 ausgeführt sein, der den Stator 11 und die Rotor-Baugruppe 17 aufweist, wobei der Stator 11 in Richtung der Drehachse 4 neben der Rotor-Bau-
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP gruppe 17 angeordnet ist. Zudem weist der Seitenkanalverdichter 1 den zylindrischen Lagerzapfen 12 auf, wobei der Lagerzapfen 12 derart in Richtung der Drehachse 4 verläuft, dass seine Mantelfläche umlaufend um die Drehachse 4 verläuft Dabei stehen das erste Lager 27 und/oder das zweite Lager 47 radial zur Drehachse 4 mit der Mantelfläche des Lagerzapfens 12 in Kontakt.
Des Weiteren ist in Fig. 1 gezeigt, dass das Verdichterrad 2 die Nabenscheibe 23 aufweist an seinem Innendurchmesser. Mit dem Bereich der Nabenscheibe 23 steht das Verdichterrad 2 mit einer Nabe 9 in Verbindung. Dabei weist die Nabe 9 eine Innenbohrung 20 auf in der Innenbohrung 20. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Seitenkanalverdichters 1 sieht vor, dass sich mindestens ein Sensor 18 im Gehäuse 3 des Seitenkanalverdichters 1 befindet, wobei die Messgröße Wandschubspannung mittels des Sensors 18, insbesondere mittels eines Oberflächenheißfilms-Verfahrens, ermittelt wird und wobei sich der Sensor 18 im Unterbrecherbereich 15 des Verdichterraums 30 des Seitenkanalverdichters 1 befindet. Dabei kann sich der Sensor 18 im Bereich einer ersten Stirnfläche 24 und/oder einer zweiten Stirnfläche 26 zwischen dem Verdichterrad 2 und dem Gehäuse 3 befinden. Die Stirnflächen 24, 26 verlaufen dabei radial zur Drehachse 4 zwischen dem Verdichterrad 2 und dem Gehäuse 3. In einer beispielhaften vorteilhaften Ausführungsform befindet sich der Sensor 18 in einem Bereich eines geringen Spaltmaß zwischen dem Verdichterrad 2 und dem Gehäuse 3, wobei der Sensor 18 möglichst nahe oder unmittelbar im Bereich eines jeweiligen ersten Axialspalts 28 zwischen Verdichterrad 2 und Gehäuse 3 angeordnet ist. Der jeweilige erste Axialspalt 28 befindet sich dabei im Bereich des der Drehachse 4 zugewandten Innendurchmessers der Schaufelblätter 5 während sich ein jeweiliger zweiter Axialspalt 32 im Bereich des der Drehachse 4 abgewandten Außendurchmessers der Schaufelblätter 5 befindet. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des Seitenkanalverdichters 1 kann sich der Sensor 18 im Bereich einer Deckbandfläche 34 des Gehäuses 3 befinden.
Die Aufgabe der Erfindung ist, den Seitenkanalverdichter 1 dazu zu nutzen, definierte Bedingungen für den Sensor 18 bereitzustellen, sodass die Anodengaszusammensetzung einfach gemessen werden kann. Dabei wird als Messgröße die Wandschubspannung herangezogen, die von der Viskosität und der Geschwindigkeit des Mediums abhängt. Die Viskosität ist mit der Gaszusammensetzung
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP variabel. Dabei wird eventuell enthaltenes Wasser im gasförmigen Medium vorher durch die hohen radialen Kräfte abgeschieden oder durch die Gas-Auslass- öffnung 16 hinaus gefördert.
Fig. 2 zeigt einen in Figur 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalverdichters 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Dabei wird das gasförmige Medium dem Seitenkanalverdichter 1 , insbesondere dem Verdichterrad 2 und/oder dem jeweiligen Seitenkanal 19, 21 über die Gas- Einlassöffnung 14 zugeführt. Das gasförmige Medium wird dabei von dem in einer Drehrichtung 41 drehenden Verdichterrad 2 verdichtet und verlässt den Seitenkanalverdichter 1 unter einem höheren Druck stehend über die Gas-Auslassöffnung 16. Im Unterbrecher-Bereich 15 existiert eine Kurzschlussstecke, an der die Druckdifferenz zwischen Ausgang und Eingang abgebaut wird. Durch diese Druckdifferenz und dem engen Spalt bildet sich eine Scherströmung aus, die durch die Rotation des Verdichterrads 2 angetrieben wird. Der Sensor 18 misst dabei einen Oberflächenheißfilm an dieser Stelle die Wandschubspannung und aus den Bekannten Größen Druckdifferent und Drehzahl des Verdichterrades 2 wird auf die Viskosität des gasförmigen Mediums geschlossen. Der Sensor 18 kann dabei in den Bereich einer Aussparung 35 in das Gehäuse 3 eingelassen sein. Zudem ist gezeigt, dass sich der Sensor 18 in unmittelbarer Nähe und/oder im Bereich des ersten Axialspalts 28 befinden kann.
In Fig. 3 ist ein in Figur 2 mit II bezeichneten Ausschnitt einer kombinierten Meß- kanal-Deckel-Anordnung 33 des Seitenkanalverdichters 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht. Dabei ist gezeigt, dass der Sensor 18 in einem Kanal 25, insbesondere einem Meßkanal 25, in einem Grundkörper 36 angeordnet ist. Dabei ist der Kanal 25 mittels einer Abdeckung 22 verschlossen, wobei die Abdeckung 22 den Kanal 25 definiert. Dabei ist der Sensor 18 und die Abdeckung 22 als kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung 33 ausgeführt, die vormontierbar ist und/oder als Bau- Einheit 33 in die Aussparung 35 des Gehäuse 3 eingebracht werden kann. Das gasförmige Medium durchströmt dabei den Kanal 25 in einer Strömungsrichtung 10 vorbei am Sensor 18, wobei die Strömung 10 aufgrund der geometrischen Ausprägung, insbesondere des Durchmessers des Kanals 25, als eine laminare Strömung 38 vorliegt.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Ferner wird in der erfindungsgemäßen Ausführung des Seitenkanalverdichters 1 ein Verfahren zum Herstellen einer kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung 33 beansprucht mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Grundkörpers 36,
Einbringen und Verbinden eines Sensors 18 in den Grundkörper 36 mittels eines formschlüssigen, stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verfahrens,
Anbringen des Deckels 22 zur Abdeckung 22 und/oder Überdeckung des Sensors 18 und zum Ausbilden des Kanals 25,
Einbau der Meßkanal-Deckel-Anordnung 33 in den Seitenkanalverdichter 1 , insbesondere in den Unterbrecher-Bereich 15.
In Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht des Seitenkanalverdichters 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt. Dabei befindet sich der Sensor 18 im Bereich einer Deckbandfläche 34 zwischen dem Verdichterrad 2 und dem Gehäuse 3 angeordnet ist, wobei die Deckbandfläche 34 axial zur Drehachse 4 zwischen dem Verdichterrad 2 und dem Gehäuse 3 am Gehäuse 3 ausgebildet ist, insbesondere im Gehäuse- Unterteil 8.
In Fig. 5 ist durch Rechtecke 51 bis 56 und dazwischen angeordnete Pfeile stark vereinfacht dargestellt, wie das mehrstufige Verfahren zum Betreiben des Seitenkanalverdichters 1 ablaufen kann. In einem ersten Verfahrensschritt 51 wird eine Wandschubspannung mittels des Sensors 18 gemessen. In einem zweiten Verfahrensschritt 52 wird eine Drehzahl n des Verdichterrads 2 des Seitenkanalverdichters 1 mittels eines Steuergeräts 43 oder mittels eines optionalen Drehzahlsensors 45 gemessen. In einem dritten Verfahrensschritt 53 erfolgt eine Berechnung einer Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums, insbesondere mittels des Steuergeräts 43 anhand der ermittelten Drehzahl n. In einem vierten Verfahrensschritt 54 erfolgt ein Heranziehen der bekannten und/oder gemessenen Druckdifferenz Ap oder Messung mittels mindestens eines optionalen Drucksensors 49 zwischen Gas-Einlassöffnung 14 und Gas-Auslassöffnung 16 und einer bekannten Strömungsgeometrie, beispielsweise des Kanals 25 und/oder des Unterbrecherbereichs 15. In einem fünften Verfahrensschritt 55 erfolgt die Bestimmung der Viskosität des gasförmigen Mediums zu einem bestimmten Zeitpunkt T. In einem optionalen sechsten Verfahrensschritt 56 erfolgt
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP eine Berechnung einer Änderung der Zusammensetzung des gasförmigen Mediums durch Delta-Berechnung mehrerer Messpunkte Tn mittels des Steuergeräts 43 und Ansteuerung eines Purge-Ventils 40.
Fig. 6 zeigt eine Anordnung verschiedener Komponenten des Seitenkanalverdichters 1 und/oder des Brennstoffzellensystems 31 . Dabei ist die Anordnung als schematisches Schaubild der Elemente Sensor 18, Steuergerät 43, optionaler Drehzahlsensor 45, optionaler Drucksensor 49 und Purge-Ventil 40. Das Steuergerät 43 und das Purge-Ventil 40 müssen dabei nicht zwangsläufig im oder am Seitenkanalverdichter 1 angeordnet sein, sondern diese können sich alternativ in einem weiteren Bereich des Brennstoffzellensystems 31 befinden, insbesondere in einem Anodenkreis. Dabei kann der Seitenkanalverdichter 1 in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems 31 angeordnet sein. Die Komponenten Sensor 18 und/oder Drehzahlsensor 45 und/oder optionaler Drucksensor 49 können dabei Messwerte und Daten an das Steuergerät 43 liefern, wobei das Steuergerät 43 abhängig von einem hinterlegten Algorithmus zum Auswerten der Daten eine Steuerung des Purge-Ventils 40 vornimmt. Dabei wird das Purge-Ventil 40 nur dann mittels einer Ansteuerung des Steuergeräts 43 geöffnet, wenn das gasförmige Medium eine hohe Konzentration von Stickstoff und/oder weiteren Bestandteilen aufweist, bei denen es sich nicht um Wasserstoff handelt.
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP

Claims

Ansprüche
1 . Seitenkanalverdichter (1) für ein Brennstoffzellensystem (31) zur Förderung und/oder Verdichtung eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, mit einem Gehäuse (3) und einem Antrieb (6), wobei das Gehäuse (3) ein Gehäuse-Oberteil (7) und ein Gehäuse- Unterteil (8) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) umlaufend um eine Drehachse (4) verlaufenden Verdichterraum (30), der mindestens einen umlaufenden Seitenkanal (19, 21) aufweist, mit einem in dem Gehäuse (3) befindlichen Verdichterrad (2), das drehbar um die Drehachse (4) angeordnet ist und durch den Antrieb (6) angetrieben wird, wobei das Verdichterrad (2) an seinem Umfang im Bereich des Verdichterraums (30) angeordnete Schaufelblätter (5) aufweist und mit jeweils einer am Gehäuse (3) ausgebildeten Gas- Einlassöffnung (14) und einer Gas- Auslassöffnung (16), die über den Verdichterraum (30), insbesondere den mindestens einen Seitenkanal (19, 21), fluidisch miteinander verbunden sind, wobei der Verdichterraum (30) und der mindestens eine Seitenkanal (19, 21), einen Unterbrecher- Bereich (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Sensor (18) im Gehäuse (3) des Seitenkanalverdichters (1) befindet, wobei die Messgröße Wandschubspannung mittels des Sensors (18), insbesondere mittels eines Oberflächenheißfilms- Verfahrens, ermittelt wird und wobei sich der Sensor (18) im Unterbrecherbereich (15) des Verdichterraums (30) des Seitenkanalverdichters (1) befindet.
2. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) im Bereich einer ersten Stirnfläche (24) und/oder einer zweiten Stirnfläche (26) zwischen dem Verdichterrad (2) und dem Gehäuse (3) angeordnet ist, wobei insbesondere die Stirnflächen (24, 26) radial zur Drehachse (4) zwischen dem Verdichterrad (2) und dem Gehäuse (3) ausgebildet sind.
3. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) möglichst nahe oder unmittelbar im Bereich eines Axialspalts (28) zwischen Verdichterrad (2) und Gehäuse (3) angeordnet ist.
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4. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) im Bereich einer Deckbandfläche (34) zwischen dem Verdichterrad (2) und dem Gehäuse (3) angeordnet ist, wobei insbesondere die Deckbandfläche (34) axial zur Drehachse (4) zwischen dem Verdichterrad (2) und dem Gehäuse (3) am Gehäuse (3) ausgebildet ist.
5. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) in einem Kanal (25), insbesondere einem Meßkanal (25), im Gehäuse (3) angeordnet ist, wobei der Kanal (25) mittels einer Abdeckung (22) verschlossen ist, wobei die Abdeckung (22) den Kanal (25) definiert.
6. Seitenkanalverdichter (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (18) und die Abdeckung (22) als eine kombinierte Meß- kanal-Deckel-Anordnung (33) ausgeführt ist, die vormontierbar ist und/oder als Bau-Einheit (33) in eine Aussparung (35) des Gehäuses (3) eingebracht werden kann.
7. Seitenkanalverdichter (1) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Seitenkanalverdichter (1) zusätzlich zum Sensor (18) einen Drehzahlsensor (45) und/oder mindestens einen Drucksensor (49) und/oder ein Steuergerät (43) und/oder ein Purge-Ventil (40) aufweist
8. Brennstoffzellensystem (31) mit einem Seitenkanalverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Seitenkanalverdichter (1) in einem Anodenkreis des Brennstoffzellensystems (31) angeordnet ist und wobei das Brennstoffzellensystem (31) das Steuergerät (43) und/oder das Purge-Ventil (40) aufweist.
9. Verfahren zum Betreiben eines Seitenkanalverdichters (1) und/oder eines Brennstoffzellensystems (31) gemäß einem der vorrangegangenen Ansprüche, mit den folgenden Schritten:
Messen der Wandschubspannung (51) mittels des Sensors (18)
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP - Erfassen (52) der Drehzahl n des Verdichterrads (2) des Seitenkanalverdichters (1) mittels des Steuergeräts (43) oder mittels des optionalen Drehzahlsensors (45),
- Berechnung (53) einer Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums mittels des Steuergeräts (43) anhand der ermittelten Drehzahl n,
- Heranziehen (54) der bekannten Druckdifferenz Ap oder Messung (54) Druckdifferenz Ap, insbesondere mittels mindestens eines optionalen Drucksensors (49), zwischen Gas- Einlassöffnung (14) und Gas-Auslass- öffnung (16) und einer bekannten Strömungsgeometrie, beispielsweise eines Kanals (25) und/oder des Unterbrecherbereichs (15),
- Bestimmung (55) der Viskosität des gasförmigen Mediums zu einem bestimmten Zeitpunkt T1.
10. Verfahren zum Betreiben eines Seitenkanalverdichters (1 ) und/oder eines Brennstoffzellensystems (31) gemäß Anspruch 9, mit dem folgenden zusätzlich Schritt
Berechnung (56) einer Änderung der Zusammensetzung des gasförmigen Mediums durch Delta-Berechnung mehrerer Messpunkte Tn mittels des Steuergeräts (43) und Ansteuerung eines Purge-Ventils (40).
11 . Verfahren zum Herstellen einer kombinierte Meßkanal-Deckel-Anordnung (33), gemäß Anspruch 6, mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Grundkörpers (36),
Einbringen und Verbinden eines Sensors (18) in den Grundkörper (36) mittels eines formschlüssigen, stoffschlüssigen oder kraftschlüssigen Verfahrens,
Anbringen des Deckels (22) zur Abdeckung (22) und/oder Überdeckung des Sensors (18) und zum Ausbilden des Kanals (25),
Einbau der Meßkanal-Deckel-Anordnung (33) in den Seitenkanalverdichter (1), insbesondere in den Unterbrecher-Bereich (15).
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EP23814109.7A 2022-12-15 2023-11-22 Anodenrezirkulationsgebläse mit integriertem sensor Pending EP4634535A1 (de)

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