WO2004001891A2

WO2004001891A2 - Vorrichtung zum ansaugen und verdichten wenigstens eines gases in einem brennstoffzellensystem

Info

Publication number: WO2004001891A2
Application number: PCT/EP2003/004481
Authority: WO
Inventors: Dirk Schröter
Original assignee: Daimlerchrysler Ag
Priority date: 2002-06-21
Filing date: 2003-04-30
Publication date: 2003-12-31
Also published as: JP2006505098A; DE10227771A1; JP4355948B2; WO2004001891A3; US20050268978A1; US7488377B2; EP1573838A2

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten wenigstens eines Gases in einem Brennstoffzellensystem (1). Ein Verdichter (4) für das Gas ist an seinem Gaseinlass über einen elastischen, dichten Gasführungskanal (8) aus textilem Material mit einem Gasfiltersystem (5) verbunden.

Description

Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten wenigstens eines Gases in einem Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten wenigstens eines Gases in einem Brennstoffzellensystem, das eine' Brennstoffzelle aufweist, der gasförmiger Brennstoff und ein oxidierendes Gas zugeführt werden.

Es ist eine Antriebsaggregat in einem Fahrzeug bekannt, das einen Elektrofahrmotor, eine Brennstoffzelle, einen Brennstofftank, einen Wasserspeicher, einen Verdampfer und einen Reformer aufweist. Der Brennstofftank enthält Methanol, das mit Wasser aus dem Wasserspeicher im Verdampfer in den gasförmigen Zustand überführt und danach zum Reformer geleitet wird, in dem unter Zufuhr von Wärme mittels eines katalyti- schen Brenners im wesentlichen Wasserstoff, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid gebildet wird. Das Kohlenmonoxid kann mit einem Oxidator oxidiert werden. Das Wasserstoffhaltige Brenngas aus dem Reformer wird mittels eine Kompressors der Brennstoffzelle zugeführt, die aus einem Brennstoffzellen-Stack besteht, in dem eine Vielzahl einzelner Brennstoffzellen-Modulen integriert sind. Mit einem weiteren Kompressor wird der Brennstoffzelle Luft zugeführt. In der Brennstoffzelle wird aus dem Wasserstoff und dem Sauerstoff der Luft elektrische Energie für den Elektrofahrmotor erzeugt (DE 44 12 450 AI) .

Eine Brennstoffzelle benötigt für ihren Betrieb hinreichend gereinigtes Gas und/oder ein Gasgemisch in Bezug auf das Brenngas und das Oxidationsgas, das vielfach Luft ist. Verunreinigungen der Gase müssen daher beseitigt werden. Solche Verunreinigungen, die sich schädigend auf das Brennstoffzel- lensystem auswirken, können z. B. Partikel, Aerosole oder Schadgase sein. Zur Gasreinigung werden Filter verwendet, die den Kompressoren vorgeschaltet sind.

Als Kompressionen können Kreiselverdichter verwendet werden, die im Betrieb hochfrequente Geräusche erzeugen, die unangenehm wirken. Um die Umweltbelastung zu vermindern müssen, diese Geräusche gedämpft werden. Bekannt ist die Anordnung tief abgestimmter Helmholtz-Resonatoren in Auspuffdämpfern von Kraftfahrzeugen. Da Helmholtz-Resonatoren zur Geräuschdämpfung im allgemeinen aus mehreren zylinderförmigen, durch Röhren miteinander verbundenen Kammern bestehen, vergrößern sie das Bauvolumen einer Gasführungsstrecke. Bei Gasführungssystemen wird insbesondere in mobilen Einrichtungen eine Bau- raumminimierung angestrebt .

Bekannt ist ein schalldämpfendes Rohr zum Leiten von Gasen, wobei in axialer Richtung des Rohrs in Abständen den Durchlaßquerschnitt vermindernde Schallreflektoren angeordnet sind. Die Reflektoren werden durch eine gewellte Rohrwandung gebildet, die zusätzlich zu der Wellung noch die Schallausbreitung störende Elemente enthält (DE 35 05 401 AI) .

Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur Reduzierung von Resonanzeffekten in Rohrleitungen, die von Gasen durchströmt sind, wird die Gasstrδmung je auf zwei gleiche, im wesentlichen parallele Rohre aufgeteilt, von denen wenigstens eines mit einer Perforation versehen ist, über der eine Abdeckhaube angebracht ist (DE 94 00 428 UI) .

Schließlich ist ein poröser Dämpfungsschlauch zum Dämpfen von Ansauggeräuschen an Brennkraftmaschinen bekannt (DE 196 35 799 AI) . Der Dämpfungsschlauch ist aus einem Wickel aus einem flachen Netzmaterial aus schweißbaren Kunststofffäden gebildet, die aus einem einheitlichen Werkstoff bestehen. Da der Dämpfungsschlauch längselastisch ist, überträgt er keine Längsschwingungen im Ansaugtrakt der jeweiligen Brennkraft- maschine .

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten wenigstens eines Gases in einem BrennstoffZeilensystem anzugeben, bei der auf einfache, raumsparende Art der vom jeweiligen Verdichter ausgehende Körperschall gedämpft wird.

Das Problem wird bei einer Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten wenigstens eines Gases in einem Brennstoffzellensy- stem, das ein Brennstoffzelle aufweist, der gasförmiger Brennstoff und ein oxidierendes Gas zugeführt werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Verdichter für das Gas an seinem Eingang bzw. Gaseinlaß über einen elastischen, dichten Gasführungskanal aus textilem Material mit einem Gasfiltersystem verbunden ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die vom Verdichter in dessen Betrieb ausgehenden Schallwellen sowohl durch den elastischen Gasführungskanal bzw. Schlauch als auch durch das Gas iltersystem gedämpft. Letzteres verhindert z. B., daß am filterseitigen Ende des Gasführungskanals noch ankommende Schallwellen ungehindert ins Freie gelangen können.

Insbesondere weist der Gasführungskanal Fasern auf, die mit einer elastischen Beschichtung gegen das Eindringen von Gasen aus dem Raum außerhalb des Gasführungskanals abgedichtet sind. Die Beschichtung kann aus einem Kunststoff, z. B. einem Elastomer, oder auch aus einem Metall bestehen.

Bei einer bevorzugen Weiterbildung ist vor dem Gasfiltersystem ein Gasführungskanal aus porösem, textilem Material vorgesehen und mit dem Gaseinlaß des Gasfiltersystems verbunden. Bei dieser Vorrichtung, die eigenständigen erfinderischen Gehalt hat, wird das angesaugte Gas vorgefiltert. Darüber hinaus werden die bereits durch den elastischen Gasführungs- kanal zwischen Verdichter und Gasfiltersystem und durch letzteres stark gedämpften Schallwellen noch weiter gedämpft, so daß eine besonders gute Geräuschreduzierung erreicht wird. Durch den porösen Gasführungskanal vor dem Gasfilter werden zudem Partikel im angesaugten Gas zurückgehalten, so daß sie nicht in das Filtersystem gelangen können.

Günstig ist es, das textile Material des porösen Gasfilterkanals mit wenigstens einem aktiven Stoff, der für wenigstens ein Gas eine Reaktionsbereitschaft zeigt, zu beschichten. Auf diese Weise ist es möglich, wenigstens ein in dem angesaugten Gas enthaltenes Schadgas, das für den Betrieb der Brennstoffzelle unerwünscht sind, bereits vor dem Filtersystem in der Konzentration zu reduzieren.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

In der Zeichnung ist schematisch eine Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten wenigstens eines Gases in einem Brennstoffzellensystem dargestellt.

Ein Brennstoffzellensystem 1, das in an sich bekannter Weise eine Brennstoffzelle 2, z. B. vom Typ PEM und weitere in der Zeichnung nicht dargestellte Bauelemente wie einen Brennstofftank, einen Wasserspeicher, einen Verdampfer und einen Reformer enthält, weist auch wenigstens eine Vorrichtung 3 zum Ansaugen und Verdichten eines Gases auf. Bei diesem Gas handelt es sich z. B. um Luft, dessen Sauerstoff das oxidie- rende Gas ist, das in der Brennstoffzelle 2 mit dem gasförmigen Brennstoff zur Erzeugung elektrischer Energie reagiert. Der gasförmige Brennstoff enthält z. B. Wasserstoff.

Die Vorrichtung 3 enthält einen Kompressor 4 oder Verdichter, der die Luft ansaugt und verdichtet. Die verdichtete Luft gelangt über nicht näher bezeichnete Kanäle zur Brennstoffzelle 2. Als Kompressor 4 wird z. B. ein Kreiselverdichter eingesetzt, der von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben wird.

Brennstoffzellensysteme werden wegen des relative hohen Wirkungsgrades und geringen Schadstoffausstoßes auch in mobilen Vorrichtungen wie Kraftfahrzeugen eingesetzt. In diesen sind geringe Bauteilabmessungen und geringe Gewichte von Bedeutung. Wegen der geringen Abmessungen bei großer Förderleitung wird der Kompressor 4 für hohe Drehzahlen ausgelegt. Bei hohen Drehzahlen erzeugt der Kompressor 4 lästige Geräusche, die sich aus mehreren Frequenzkomponenten zusammensetzen.

Die Vorrichtung 3 enthält weiterhin ein Filtersystem 5, mit dem das vom Verdichter 4 angesaugte Gas gereinigt wird. Das Filtersystem 5 kann aus mehr als einem Abschnitt, z. B. aus zwei Sektionen 6, 7 bestehen. In der Sektion 6 wird z. B. das angesaugte Gas von Partikeln wie Staub und Ruß befreit, d. h. es findet eine Reinigung von mechanischen Substanzen statt. In der Sektion 7, die der Sektion 6 nachgeschaltet ist, wird z. B. eine Reinigung von Schadgasen durchgeführt, die die Arbeitsweise der Brennstoffzelle ungünstig beeinflussen.

Das vom Kompressor 4 ausgehende, hochfrequente Geräusch soll auf möglichst einfache Weise mit raumsparenden Mitteln gedämpft werden. Hierzu ist das Filtersystem 5 mit dem Gaseinlaß des Kompressor 4 durch einen elastischen, dichten Gasführungskanal 8 aus textilem Material verbunden. Der Gasführungskanal 8 ist insbesondere ein Schlauch aus textilen Fasern oder Fäden, z. B. in Form eines Gewebes, und weist eine Beschichtung auf, die das Eindringen von Gasen aus dem Raum außerhalb des Gasführungskanals 8 verhindert. Es können also keine Verunreinigungen mehr hinter dem Filtersystem 5 in das vom Kompressor 4 angesaugte Gas gelangen. Die textilen Materialien des Gasführungskanals 8 können mit Kunststoffen, bzw. Elastomeren oder Metallen beschichtet sein. Die Beschichtung kann innen und/oder außen am Gasführungskanal angebracht sein. Der Gasführungskanal 8 absorbiert durch seinen Aufbau Schallenergie. Zum Gasfiltersystem 5 gelangt daher nur noch ein Teil der vom Kompressor ausgehenden Schallenergie. Das Gasfiltersystems 5 bewirkt eine weitere Dämpfung von Schall- energie .

Auf der dem Kompressor 4 abgewandten Seite des Gasfiltersystems 5, d. h. auf dessen Einlaßseite für das Gas, ist das Gasfiltersystem 5 mit einem porösen, flexiblen Gasführungska- nal 9 verbunden, der aus textilen Material besteht. Der Gas- führungskanal 9, der insbesondere als poröser Schlauch aus Kunststoff- oder Naturfasern oder -fäden besteht, die zu einem Gewebe verarbeitet sein können, dämpft zusätzlich noch aus dem Filtersystem 5 eventuell noch austretende Schall- energie. Die in der Zeichnung dargestellte Ansaug- und Verdichtungsvorrichtung 3 hat daher besonders gute Schall- dämpfungseigenschaften.

Durch den Gasführungskanal 9 findet darüber hinaus ein Vorfilterung des angesaugten Gases statt, d. h. es werden Partikel wie Staub bereits zurückgehalten, so daß sie nicht mehr ins Filtersystem 5 gelangen können, die Porosität des Gasführungskanals 9 kann auf die Größe von Partikeln abgestimmt sein, die sich möglicherweise im angesaugten Gas befinden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Oberfläche des Gasführungskanals 9 mit einem aktiven Stoff versehen ist, der mit bestimmten, für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 nicht erwünschten Gase reagiert und diese z. B. adsorbiert. Auf diese Weise ist es möglich, die Konzentration derartiger Gase bereits vor dem Filtersystem 5 zu reduzieren. Durch die Vorfilterung des angesaugten Gases läßt sich der Aufwand für das Gasfiltersystem 5 vermindern, d. h. für das Gasfiltersystem 5 wird weniger Raum benötigt.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Ansaugen und Verdichten wenigstens eines Gases in einem Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, der gasförmiger Brennstoff und ein oxidierendes Gas zugeführt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Verdichter (4) für das Gas an seinem Gaseinlaß über einen elastischen, dichten Gasführungskanal (8) aus textilem Material mit einem Gasfiltersystem (5) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasführungskanal (8) textile Fasern oder Fäden aufweist, die mit einer elastischen, gasdichten Beschichtung versehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung ein Kunststoff oder ein Metall ist .

4. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasführungska- nal (8) ein Schlauch ist.

5. Vorrichtung insbesondere nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Gasfiltersystem (5) ein Gasführungskanal (9) aus po- röse , textilem Material mit dem Gaseinlaß verbunden ist .

6. Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Gasführungskanal (9) textile Fasern oder Fäden aufweist.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des porösen Gasführungskanals (9) mit wenigstens einem aktiven Stoff beschichtet ist, der für wenigstens ein Gas eine Reaktionsbereitschaft zeigt .

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der poröse Gasführungskanal (9) als Schlauch ausgebildet ist.

Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung in einer mobilen Vorrichtung.