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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Rezirkulationsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen kommen zunehmend als Energiewandler, unter anderem auch in Fahrzeugen, zum Einsatz, um in einem Brennstoff, wie z.B. Wasserstoff, gespeicherte chemische Energie zusammen mit Sauerstoff direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Brennstoffzellen weisen typischerweise eine Anode, eine Kathode und eine zwischen Anode und Kathode angeordnete elektrolytische Membrane auf. An der Anode erfolgt eine Oxidation des Brennstoffs und an der Kathode eine Reduktion des Sauerstoffs. Dabei entsteht auf der Kathodenseite Wasser.
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Typischerweise wird der Anode von Brennstoffzellen kontinuierlich gasförmiger Brennstoff im Überschuss zugeführt, das heißt, mehr Brennstoff, als bei einer gegebenen Zufuhrmenge an Sauerstoff an die Kathode stöchiometrisch notwendig wäre. Der Brennstoffüberschuss wird in der Regel rezirkuliert bzw. der Anode erneut zugeführt. Da das auf der Kathodenseite in Folge der chemischen Reaktion entstehende Produktwasser unter Umständen auf die Anodenseite gelangt, kann in dem Brennstoffüberschuss Wasser enthalten sein, welches bei der Rezirkulation des Brennstoffüberschusses der Anode erneut zugeführt würde.
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Um eine übermäßige Ansammlung von Wasser an der Anode zu vermeiden, wird üblicherweise bei der Rezirkulation des Brennstoffüberschusses eine Wasserabscheidung vorgenommen. Ferner ist es aus Effizienzgründen wünschenswert, das Wärmepotenzial des abgeschiedenen Wassers zu nutzen.
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Die
US 8 323 840 B2 offenbart vor diesem Hintergrund ein Brennstoffzellensystem mit einem in einem Rezirkulationspfad angeordneten Wasserabscheider. Ferner ist eine kombinierte Befeuchter-Wärmetauscher-Einheit vorgesehen, in welcher frischer, der Anodenseite zuzuführender Wasserstoff durch das aus dem Anodenabgas abgeschiedene Wasser befeuchtet und erwärmt wird. Das aus der Befeuchter-Wärmetauscher-Einheit kommende Wasser ferner wird zum Kühlen eines Rezirkulationsgebläses verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist eine Rezirkulationsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 vorgesehen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Rezirkulationsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem ein Rezirkulationsgebläse mit einer Fördereinrichtung, welche einen Gebläseeingang zur Verbindung mit einem Brennstoffauslass einer Brennstoffzellenanordnung und einen Gebläseausgang zur Verbindung mit einem Brennstoffeinlass der Brennstoffzellenanordnung aufweist und dazu ausgebildet ist, einen vom Brennstoffauslass kommenden Anodenabgasstrom vom Gebläseeingang zum Gebläseausgang fördern, und einer Antriebseinrichtung zum Antrieb der Fördereinrichtung. Die Rezirkulationsvorrichtung umfasst ferner einen an dem Rezirkulationsgebläse angebrachten Sammelbehälter zum Sammeln von aus dem Abgasstrom abgeschiedenem Wasser, wobei der Sammelbehälter einen fluidisch leitend mit der Fördereinrichtung verbundenen Einlassanschluss, durch welchen dem Sammelbehälter Wasser, das in der Fördereinrichtung aus dem Abgasstrom abgeschieden wird, zuführbar ist, und einen Auslassanschluss aufweist, und ein mit dem Auslassanschluss des Sammelbehälters verbundenes Ablassventil zum Ablassen von Wasser aus dem Sammelbehälter.
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Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzellenanordnung mit zumindest einer Brennstoffzelle, einem Brennstoffeinlass und einem Brennstoffauslass, eine mit den Brennstoffeinlass verbundene Zufuhrleitung zum Zuführen von gasförmigem Brennstoff, eine mit den Brennstoffauslass verbundene Abfuhrleitung zum Abführen von Anodenabgas und eine Rezirkulationsvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung. Der Gebläseeingang der Fördereinrichtung des Rezirkulationsgebläses ist mit der Abfuhrleitung und der Gebläseausgang der Fördereinrichtung des Rezirkulationsgebläses ist mit der Zufuhrleitung verbunden.
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Eine der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die Funktionsintegration der Rezirkulationsvorrichtung zu erhöhen, indem das Rezirkulationsgebläse, ein Sammelbehälter oder Sammeltank für das aus dem rezirkulierten Anodengas abgeschiedene Wasser und ein Ablassventil baulich und funktional zu einer Einheit zusammengefasst werden. Hierzu ist der Sammelbehälter an dem Rezirkulationsgebläse angebracht bzw. befestigt und die Fördereinrichtung ist fluidisch leitend mit dem Sammelbehälter verbunden. Somit kann Wasser, das in der Fördereinrichtung abgeschieden wird, direkt, z.B. durch Kanäle oder Bohrungen, auf kurzen Wegen dem Sammelbehälter zugeführt werden. Der Sammelbehälter kann z.B. an das Rezirkulationsgebläse angeflanscht sein.
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Ein Vorteil der Erfindung liegt in dem kompakten Gesamtaufbau des Brennstoffzellensystems. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Anbringung des Sammelbehälters am Rezirkulationsgebläses die Masse und die Schwingungseigenschaften der Rezirkulationsvorrichtung verändert werden, wodurch Vibrationen stärker gedämpft werden. Ferner wird die Leitungsführung zur Zuführung des Wassers, das in der Fördereinrichtung abgeschieden wird, in den Sammelbehälter vereinfacht.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Sammelbehälter einen Innenraum definiert, und wobei die Antriebseinrichtung eine Antriebseinheit, z.B. in Form eines Elektromotors, aufweist, welche in dem Innenraum des Sammelbehälters angeordnet ist. Die Antriebseinrichtung kann allgemein eine Antriebseinheit und ein Antriebsgehäuse aufweisen, wobei die Antriebseinheit in einem ersten Gehäuseabschnitt des Antriebsgehäuses angeordnet ist. Ein zweiter Gehäuseabschnitt kann z.B. einen Flanschabschnitt bilden, welcher mit der Fördereinrichtung, insbesondere einem Gehäuse der Fördereinrichtung, verbunden ist. Die Antriebseinheit bzw. der erste Gehäuseabschnitt mit der darin aufgenommenen Antriebseinheit kann insbesondere in dem Sammelbehälter gelegen bzw. von dem Sammelbehälter umschlossen sein. Dadurch wird eine weitere Geräuschreduktion erzielt und gleichzeitig die Kühlung der Antriebseinheit verbessert.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Fördereinrichtung ein Gehäuse und ein in einem Innenraum des Gehäuses um eine Drehachse rotierbares Laufrad aufweist, wobei das Gehäuse eine erste Bohrung aufweist, welche einen das Laufrad umgebenden Bereich des Innenraums des Gehäuses mit dem Einlassanschluss des Sammelbehälters verbindet. Beispielsweise kann die Fördereinrichtung als Seitenkanalverdichter oder in ähnlicher Weise ausgeführt sein. In dem Gehäuse der Fördereinrichtung kann allgemein ein Gasförderkanal, z.B. in Form eines stirnseitig zu dem Laufrad angeordneten, ringsegmentförmigen Kanals, und ein Sammelkanal zum Sammeln des durch die Rotation des Laufrads um die Drehachse abgeschiedenen Wassers vorgesehen sein. Der Sammelkanal, welcher sich entlang des Umfangs des Laufrads erstreckt, ist durch die Bohrung mit dem Einlassanschluss des Sammelbehälters verbunden. Somit wird eine interne Leitungsführung zwischen Fördereinrichtung und Sammelkanal realisiert, was günstig in Bezug auf den Bauraum und die Montage der Rezirkulationsvorrichtung ist.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Antriebseinrichtung ein Antriebsgehäuse aufweist, welches an dem Gehäuse der Fördereinrichtung befestigt ist, wobei das Antriebsgehäuse vorzugsweise eine zweite Bohrung aufweist, welche die erste Bohrung mit dem Einlassanschluss des Sammelbehälters verbindet. Wie oben bereits beispielhaft erläutert, kann das Antriebsgehäuse z.B. mit einem zweiten Gehäuseabschnitt oder Flanschabschnitt an dem Gehäuse der Fördereinrichtung angebracht sein. Optional können das Antriebsgehäuse und das Gehäuse der Fördereinrichtung entlang der Drehachse aneinander angrenzend angeordnet sein. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, einen durchgehenden Kanal zwischen dem Innenraum bzw. dem Sammelkanal des Gehäuses der Fördereinrichtung und dem Sammelbehälter durch die erste Bohrung, die im Gehäuse der Fördereinrichtung ausgebildet ist, und eine im Antriebsgehäuse ausgebildete zweite Bohrung zu realisieren.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Sammelbehälter entlang der Drehachse benachbart zu dem Rezirkulationsgebläse angeordnet und an dem Gehäuse der Fördereinrichtung und/oder an dem Antriebsgehäuse befestigt ist. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung zwischen der Fördereinrichtung und dem Sammelbehälter angeordnet sein. Durch die Anordnung von Sammelbehälter und Rezirkulationsgebläse benachbart entlang der Drehachse ergibt sich vorteilhaft ein kompakter Aufbau, insbesondere in Bezug auf eine sich quer zur Drehachse erstreckende radiale Richtung. Die Anbringung an dem Gehäuse der Fördereinrichtung und/oder dem Antriebsgehäuse erleichtert die Montage.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Sammelbehälter als Wanne ausgebildet ist, welche mit einem eine Öffnung umgrenzenden Randbereich derart an dem Rezirkulationsgebläse angebracht ist, dass das Rezirkulationsgebläse die Öffnung abdeckt. Beispielsweise kann die Wanne eine kreisförmige oder rechteckförmige Öffnung aufweisen, welche dem Rezirkulationsgebläse zugewandt gelegen ist und z.B. durch das Antriebsgehäuse und/oder das Gehäuse der Fördereinrichtung abgedeckt ist. Beispielsweise kann der die Antriebseinheit aufnehmende erste Gehäuseabschnitt des Antriebsgehäuses durch die Öffnung in die Wanne hineinragen. Der Einlassanschluss des Sammelbehälters kann z.B. durch eine Öffnung des Antriebsgehäuses oder des Gehäuses der Fördereinrichtung ausgebildet sein, die innerhalb der Öffnung der Wanne angeordnet ist. Alternativ kann auch die Wanne bzw. eine Wandung des Behälters eine Ausnehmung aufweisen, die den Einlassanschluss bildet. Der Auslassanschluss des Behälters kann insbesondere durch eine Ausnehmung der Wanne bzw. einer Wandung des Behälters gebildet sein.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Rezirkulationsvorrichtung einen Füllstandssensor, welcher dazu eingerichtet ist, einen Füllstand des Behälters mit Flüssigkeit zu erfassen, und eine Steuerungsvorrichtung aufweist, welche mit dem Füllstandssensor verbunden und dazu eingerichtet ist, ein Steuersignal auszugeben, wenn ein vorbestimmter Füllstand überschritten und/oder unterschritten wird. Optional kann die Steuerungsvorrichtung mit dem Ablassventil verbunden und dazu eingerichtet sein, das Steuersignal an das Ablassventil auszugeben, um dieses zu öffnen, z.B. wenn der vorbestimmte Füllstand überschritten wird, und zu schließen, z.B. wenn der vorbestimmte Füllstand unterschritten wird.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Füllstandssensor als Ultraschallsensor ausgebildet ist, welcher in dem Behälter angeordnet ist.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass der Füllstandssensor durch ein Mikrophon ausgebildet, welches dazu eingerichtet ist, ein vorbestimmtes Frequenzspektrum an akustischen Wellen, welches ein von dem Rezirkulationsgebläse erzeugtes Geräuschspektrum umfasst, zu erfassen, und wobei die Steuerungsvorrichtung dazu eingerichtet ist, basierend auf dem erfassten Frequenzspektrum den Füllstand zu ermitteln.
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Gemäß manchen Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Rezirkulationsvorrichtung ein Purge-Ventil aufweist, welches mit dem Brennstoffauslass verbindbar und mit einem Purge-Anschluss des Behälters verbunden ist. Demnach kann dem Sammelbehälter zusätzlich zu dem abgeschiedenen Wasser Spülgas, das über den Brennstoffauslass von der Brennstoffzellenanordnung abgeführt wird, zugeführt werden. Somit wird die Funktionsintegration der Rezirkulationsvorrichtung weiter vergrößert.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen erläutert. Von den Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines hydraulischen Schaltbildes eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Rezirkulationsvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In den Figuren bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 200. Wie in 1 schematisch dargestellt, weist das Brennstoffzellensystem 200 eine Zufuhrleitung 201, eine Abfuhrleitung 202, eine Brennstoffzellenanordnung 210 und eine Rezirkulationsvorrichtung 100 auf.
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Die Brennstoffzellenanordnung 210 kann eine Vielzahl von zu einem Stack angeordneten Brennstoffzellen 213 aufweisen, wie dies in 1 beispielhaft gezeigt ist. Es ist jedoch grundsätzlich auch denkbar, dass lediglich eine Brennstoffzelle 213 vorgesehen ist. Wie in 1 schematisch dargestellt, kann jede Brennstoffzelle 213 eine Anode 213A, eine Kathode 213B und einen dazwischen angeordneten Elektrolyten 213C, z.B. in Form einer Elektrolytmembrane aufweisen.
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Die Brennstoffzellenanordnung 210 weist ferner einen Brennstoffeinlass 211, über welchen der Anode 213A gasförmiger Brennstoff, z.B. Wasserstoff oder Erdgas, zuführbar ist, und einen Brennstoffauslass 212 auf, über welchen unverbrauchter bzw. nicht reagierter Brennstoff von der Anode 213A abführbar ist. Unverbrauchter Brennstoff, welcher an dem Brennstoffauslass 212 abgeführt wird, kann auch als Brennstoffüberschuss oder Anodenabgas bezeichnet werden.
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Weiterhin kann die Brennstoffzellenanordnung 210 einen Sauerstoffeinlass 221, über welchen der Kathode 213B gasförmiger Sauerstoff, entweder als reiner Sauerstoff oder als in Umgebungsluft enthaltener Sauerstoff, zuführbar ist, und einen Produktauslass 222 aufweisen, über welchen unverbrauchter bzw. nicht reagierter Sauerstoff sowie chemische Reaktionsprodukte von der Kathode 213B abführbar sind. Bei der an der Kathode stattfindenden Reduktionsreaktion entsteht Wasser. Dieses wird größtenteils über den Produktauslass 222 abgeführt. Es kann jedoch vorkommen, dass ein Teil dieses Wassers durch den Elektrolyten 213C zur Anode 213A gelangt und als Teil des Brennstoffüberschusses bzw. Anodenabgases abtransportiert wird.
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Die Zufuhrleitung 201 dient zum Zuführen des Brennstoffs an den Brennstoffeinlass 211. Dementsprechend ist die Zufuhrleitung 202 mit dem Brennstoffeinlass 211 verbunden. Ein Einlass der Zufuhrleitung 201 kann beispielsweise mit einem Brennstoffbehälter oder -tank (nicht gezeigt) verbunden sein.
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Die Abfuhrleitung 202 dient zum Abführung des Anodenabgases vom Brennstoffauslass 212 und ist dementsprechend mit dem Brennstoffauslass 202 verbunden.
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Die Rezirkulationsvorrichtung 100 ist in 1 lediglich schematisch dargestellt und dazu ausgebildet, das Anodenabgas zu rezirkulieren bzw. vom Brennstoffauslass 212 erneut dem Brennstoffeinlass 211 zuzuführen. Wie in 1 schematisch gezeigt, weist die Rezirkulationsvorrichtung 100 ein Rezirkulationsgebläse 1, einen Sammelbehälter 2, ein Ablassventil 3 und ein optionales Purge-Ventil 6 auf. Weiter optional kann die Rezirkulationsvorrichtung 100 einen Füllstandssensor 4 (2) und eine Steuerungsvorrichtung 5 (2) aufweisen.
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Das Rezirkulationsgebläse 1 ist in 1 lediglich symbolisch dargestellt und umfasst eine Fördereinrichtung 10 und eine Antriebseinrichtung 13, welche kinematisch an die Fördereinrichtung 10 gekoppelt ist, um diese anzutreiben. Die Fördereinrichtung 10 weist einen Gebläseeingang 11 und einen Gebläseausgang 12 aus. Wie in 1 schematisch gezeigt, ist der Gebläseeingang 11 mit der Abfuhrleitung 202 verbunden, und der Gebläseausgang 12 ist mit der Zufuhrleitung 201 verbunden. Die Fördereinrichtung 11, welche z.B. ein Laufrad oder Schaufelrad aufweisen kann, wie nachfolgend noch im Detail erläutert wird, ist durch die Antriebseinrichtung 13 antreibbar und dazu ausgebildet den vom Brennstoffauslass 212 kommenden Anodenabgasstrom vom Gebläseeingang 11 zum Gebläseausgang 12 und somit vom Brennstoffauslass 212 zurück zum Brennstoffeinlass 211 zu fördern. Die Antriebsvorrichtung 13 kann allgemein eine Antriebseinheit 135 (2), z.B. in Form eines Elektromotors, aufweisen.
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Der Sammelbehälter 2 ist in 1 lediglich schematisch dargestellt und dient zur Aufnahme von Wasser, das aus dem Anodenabgas abgeschieden wird, z.B. in der Fördereinrichtung 10 und in einem optionalen Wasserabscheider (nicht gezeigt). Der Sammelbehälter 2 definiert ein Innenvolumen oder einen Innenraum zur Aufnahme des Wassers. Ferner weist der Sammelbehälter 2 zumindest einen Einlassanschluss 21, einen Auslassanschluss 22 und einen optionalen Purge-Anschluss 23 auf. Die Fördereinrichtung 10 ist derart fluidisch leitend mit dem Einlassanschluss 21 verbunden, dass dem Sammelbehälter 2 das Wasser, das in der Fördereinrichtung 10 aus dem Abgasstrom abgeschieden wird, durch den Einlassanschluss 21 zuführbar ist. Der Auslassanschluss 22 dient zum Ablassen von Wasser aus dem Sammelbehälter 2, z.B. wenn ein vorbestimmter Füllstand überschritten wird.
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Das Ablassventil 3 ist mit dem Auslassanschluss 22 verbunden und ist dazu ausgebildet, den Auslassanschluss 22 zu öffnen und zu schließen. Beispielsweise kann das Ablassventil als Magnetventil ausgebildet sein. Das optionale Purge-Ventil 6 ist mit dem optionalen Purge-Anschluss 23 des Behälters 2 sowie mit der Abfuhrleitung 202 bzw. dem Brennstoffauslass 212 verbunden. In einem geöffneten Zustand des Purge-Ventils 6 kann Spülgas in den Behälter 2 eingeleitet werden. Das Purge-Ventil 6 kann ebenfalls als Magnetventil ausgebildet sein.
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Wie in 1 rein schematisch gezeigt, sind das Rezirkulationsgebläse 1, der Sammelbehälter 2 sowie das Ablassventil 3 und das optionale Purge-Ventil 6 zu einer Einheit zusammengefasst. Insbesondere ist der Sammelbehälter 2 an dem Rezirkulationsgebläse 1 angebracht bzw. befestigt. Wie in 1 schematisch und lediglich beispielhaft gezeigt, kann die Antriebseinrichtung 13 ganz oder teilweise in dem Sammelbehälter 2 aufgenommen sein. Somit wird eine kompakte, in funktionaler Hinsicht hochintegrierte Vorrichtung 100 geschaffen und das Wasser- und Abgasmanagement des Brennstoffzellensystems 200 wird vereinfacht.
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2 zeigt beispielhaft und in schematischer Weise eine Rezirkulationsvorrichtung 100, wie sie z.B. in dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 200 eingesetzt werden kann.
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Wie in 2 beispielhaft gezeigt, kann die Fördereinrichtung 10 beispielsweise ein Fördergehäuse 110 und ein Laufrad 120 aufweisen. Das Fördergehäuse 110 definiert allgemein einen Innenraum, in welchem das Laufrad 120 um eine Drehachse A1 drehbar gelagert ist. Eine radiale Richtung R1 erstreckt sich quer zur Drehachse A1. In 2 ist rein beispielhaft gezeigt, dass das Fördergehäuse 110 aus einem ersten Gehäuseteil 110A und einem an diesem befestigten zweiten Gehäuseteil 110B ausgebildet ist, wobei das erste und das zweite Gehäuseteil 110A, 110B gemeinsam den Innenraum definieren. Das erste und das zweite Gehäuseteil 110A, 110B sind entlang der Drehachse A1 aneinander angrenzend angeordnet.
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Bei der in 2 beispielhaft gezeigten Rezirkulationsvorrichtung 100 ist die Fördereinrichtung 10 als Seitenkanalverdichter realisier. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann die Fördereinrichtung 10 auch als Radialverdichter oder dergleichen realisiert werden. Wie in 2 gezeigt, kann die Fördereinrichtung 10 einen Seitenkanal 115 aufweisen, welcher in dem Gehäuse 110 ausgebildet ist und sich ringsegmentförmig um die Drehachse A1 herum erstreckt. Der Gebläseeinlass 11 und der Gebläseauslass 12 sind dabei, wie in 2 schematisch gezeigt, an entgegengesetzten Enden des Seitenkanals 115 angeordnet. Optional kann sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Gehäuseteil 110A, 110B jeweils ein Seitenkanal 115A, 115B ausgebildet sein. Die Seitenkanäle 115A, 115B sind dabei einander gegenüberliegend angeordnet, wie in 2 gezeigt.
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Das Laufrad 120 ist kreisförmige ausgebildet und weist entlang seines Umfangs eine Vielzahl von Schaufeln 121 auf. Wie bereits erwähnt, ist das Laufrad 120 um die Drehachse A1 drehbar gelagert, z.B. mithilfe eines Drehlagers 122, welches an dem ersten Gehäuseteil 110A angebracht ist, wie in 2 beispielhaft gezeigt. Wie in 2 gezeigt, können im Falle der Realisierung der Fördereinrichtung 10 als Seitenkanalverdichter die Schaufeln 121 in Bezug auf die radiale Richtung R1 innerhalb der Seitenkanäle 115 und in Bezug auf eine sich parallel zur Drehachse A1 erstreckende axiale Richtung zwischen den Seitenkanälen 115 angeordnet sein.
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Unabhängig von der konkreten Gestaltung der Fördereinrichtung 10 als Seitenkanalverdichter kann in einem das Laufrad 120 umgebenden Bereich des Fördergehäuses 110 ein Sammelkanal 125 ausgebildet sein, welcher sich insbesondere entlang des Umfangs des Laufrads 120 erstrecken kann, wie in 2 schematisch dargestellt. Wenn das Laufrad 120 um die Drehachse A1 rotiert, wird das im Anodenabgas enthaltene Wasser aufgrund der Fliehkraftwirkung radial nach außen transportiert und sammelt sich im Sammelkanal 125, von wo aus es in den Sammelbehälter 2 geleitet werden kann, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Die Antriebseinrichtung 13 weist eine Antriebseinheit 135, z.B. einen Elektromotor, und ein Antriebsgehäuse 130 auf. Das Antriebsgehäuse 130 kann z.B. einen ersten Gehäuseabschnitt 130A aufweisen, welcher einen Innenraum definiert, in dem die Antriebseinheit 135 aufgenommen ist, und einen zweiten Gehäuseabschnitt 130B. Wie in 2 schematisch gezeigt, kann der erste Gehäuseabschnitt 130A z.B. zylinderförmig ausgebildet sein. Optional kann der erste Gehäuseabschnitt 130A an einer Außenfläche Kühlrippen 130C aufweisen, wie in 2 rein beispielhaft dargestellt. Der zweite Gehäuseabschnitt 130B kann beispielsweise im wesentlichen Plattenförmig ausgebildet sein und sich quer zum ersten Gehäuseabschnitt 130A erstrecken, wie in 2 gezeigt. Ein Anschlusskanal 130D, durch welchen z.B. elektrische Anschlussleitungen (nicht gezeigt) in den Innenraum des ersten Gehäuseabschnitts 130A einführbar sind, kann beispielsweise in dem zweiten Gehäuseabschnitt 130B ausgebildet sein.
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Wie in 2 schematisch dargestellt, kann die Antriebseinheit 135 koaxial zum Laufrad 120 angeordnet sein. Wie in 2 weiterhin gezeigt, kann der zweite Gehäuseabschnitt 130B des Antriebsgehäuses 130 an dem Fördergehäuse 110, insbesondere an dem zweiten Gehäuseteil 110B des Fördergehäuses 110 angebracht bzw. befestigt sein. Beispielsweise können das Antriebsgehäuses 130 und das Fördergehäuse 110 verschraubt sein (nicht dargestellt). Allgemein kann die Antriebsvorrichtung 13 somit entlang der Drehachse A1 benachbart zu der Fördereinrichtung 10 angeordnet sein.
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Die Antriebseinheit 135 ist kinematisch an das Laufrad 120 gekoppelt, um dieses um die Drehachse A1 zu rotieren. Beispielsweise kann eine Rotorwelle (nicht gezeigt) der Antriebseinheit 135 mit dem Laufrad 120 verbunden sein. Alternativ können das Laufrad 120 und die Rotorwelle beispielsweise auch über Magnetpaare aneinander gekoppelt sein, wobei jeweils ein Magnet oder eine magnetisierbare Struktur mit der Rotorwelle und ein Magnet oder eine magnetisierbare Struktur mit dem Laufrad 120 verbunden ist.
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Der Sammelbehälter 2 kann beispielsweise als Wanne 2A ausgeführt sein, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist. Hierbei kann der Sammelbehälter 2A z.B. einen Boden 2D und eine sich von diesem aus erstreckende, geschlossene Umfangswandung 2E aufweisen. An einem abgewandt von dem Boden 2D gelegenen Ende umgrenzt die Umfangswandung 2E bzw. ein Randbereich 2C der Wanne 2A eine Öffnung 2B. Somit definiert die Wanne 2A einen einseitig offenen Innenraum 20. Allgemein kann der Sammelbehälter 2 einen Innenraum bzw. ein Innenvolumen 20 definieren. Wie in 2 gezeigt, können der Auslassanschluss 22 und der Purge-Anschluss 23 z.B. als Bohrungen ausgeführt sein. Der Auslassanschluss 22 kann z.B. im Boden 2D ausgebildet sein. Der Purge-Anschluss kann z.B. in der Umfangswandung 2E, insbesondere im Bereich des abgewandt von dem Boden 2D gelegenen Endes der Umfangswandung 2E angeordnet sein.
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Wie in 2 weiterhin dargestellt, kann der Sammelbehälter 2 z.B. mit dem die Öffnung 2B umgrenzenden Randbereich 2C an dem Antriebsgehäuse 130, insbesondere dem zweiten Gehäuseabschnitt 130B anliegend angeordnet sein. Beispielsweise können das Antriebsgehäuse 130 und der Sammelbehälter 2 miteinander verschraubt sein (nicht gezeigt). Alternativ oder zusätzlich kann der Sammelbehälter 2 auch an dem Fördergehäuse 110 befestigt sein. Allgemein kann der Sammelbehälter 2 somit entlang der Drehachse A1 benachbart zu dem Rezirkulationsgebläse 1 angeordnet sein. Grundsätzlich sind auch andere Anbaupositionen der Wanne 2A denkbar. Allgemein ist die Wanne 2A derart angeordnet, dass das Rezirkulationsgebläse 1 die Öffnung 2B abdeckt bzw. das Rezirkulationsgebläse 1 und die Wanne 2A gemeinsam den Innenraum 20 begrenzen.
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Wie in 2 weiterhin gezeigt, kann die Antriebseinheit 135 bzw. der diese umgebende erste Gehäuseabschnitt 130A des Antriebsgehäuses 130 in dem Innenraum 20 angeordnet sein. Somit wird die Antriebseinheit 135 vollständig von der Umgebung außerhalb der Rezirkulationsvorrichtung 100 abgekapselt, was vorteilhaft eine Geräuschreduktion bewirkt.
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Wie in 2 außerdem erkennbar ist, ist der Sammelkanal 125 des Fördergehäuses 110 durch eine erste Bohrung 111, die in dem Fördergehäuse 110 ausgebildet ist, und eine zweite Bohrung 131, die in dem Antriebsgehäuse 130, insbesondere dem zweiten Gehäuseabschnitt 130B des Antriebsgehäuses 130 ausgebildet ist, mit dem Innenraum 20 des Sammelbehälters 2 verbunden. Die durch die Bohrung 111, 131 im Antriebsgehäuse 130 ausgebildete Öffnung bildet somit den Einlassanschluss 21 des Sammelbehälters 2. Da die Antriebseinheit 135 bzw. der diese umgebende erste Gehäuseabschnitt 130A des Antriebsgehäuses 130 in dem Innenraum 20 angeordnet ist, kann durch das aus der Fördereinrichtung 10 abgeführte, abgeschiedene Wasser vorteilhaft eine Kühlung der Antriebseinrichtung 13 erfolgen.
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Der Füllstandssensor 4 ist signalleitend, z.B. über einen Datenbus oder eine drahtlose Verbindung wie WiFi, mit der Steuerungsvorrichtung 5 verbunden. Die Steuerungsvorrichtung 5 ist als elektronische Steuerungsvorrichtung ausgebildet, z.B. mit einem Prozessor und einem Datenspeicher. Ferner ist die Steuerungsvorrichtung 5 dazu ausgebildet, basierend auf elektrischen und/oder elektromagnetischen Eingangssignalen elektrische und/oder elektromagnetische Ausgangssignale zu erzeugen und auszugeben.
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Der Füllstandssensor 4 ist allgemein dazu eingerichtet, einen Füllstand des Sammelbehälters 2 mit Flüssigkeit zu erfassen. Beispielsweise kann der Füllstandssensor 4, wie in 2 schematisch dargestellt, durch ein Mikrophon 4A ausgebildet sein, welches in der Umgebung der Einheit aus Rezirkulationsgebläse 1 und Sammelbehälter 2 angeordnet ist. Das Mikrophon ist dazu eingerichtet, ein vorbestimmtes Frequenzspektrum an akustischen Wellen zu erfassen, welches ein von dem Rezirkulationsgebläse 1 erzeugtes bzw. emittiertes Geräuschspektrum umfasst. Das vom Mikrophon 4A erfasste Frequenzspektrum kann mithilfe der Steuerungsvorrichtung 5 ausgewertet werden, z.B. indem diese das erfasste Spektrum mit einem Referenzspektrum vergleicht, um basierend auf dem erfassten Frequenzspektrum den Füllstand zu ermitteln. Beispielsweise kann mit steigendem Füllstand eine Frequenzverschiebung hin zu niedrigeren Frequenzen auftreten.
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Alternativ kann der Füllstandssensor 4 auch als Ultraschallsensor ausgebildet sein, welcher an den Innenraum 20 des Sammelbehälters 2 gekoppelt ist.
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Die Steuerungsvorrichtung 5 kann ferner mit dem Ablassventil 4 signalleitend verbunden sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungsvorrichtung 5 signalleitend mit dem Purge-Ventil 6 signalleitend verbunden sein, wie dies in 2 gezeigt ist. Allgemein kann die Steuerungsvorrichtung 5 dazu eingerichtet sein, ein Steuersignal auszugeben, z.B. wenn ein vorbestimmter Füllstand überschritten und/oder unterschritten wird. Beispielsweise kann die Steuerungsvorrichtung 5 an das Ablassventil 3 ein erstes Steuersignal ausgeben, um dieses öffnen, wenn ein erster Füllstand überschritten wird, und ein zweites Steuersignal, um das Ablassventil 3 zu schließen, wenn ein zweiter Füllstand, der kleiner als der erste Füllstand ist, unterschritten wird.
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen exemplarisch erläutert wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Insbesondere sind auch Kombinationen der voranstehenden Ausführungsbeispiele denkbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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