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Stand der Technik
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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.
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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 des Brennstoffzellensystems und bei niedrigen Umgebungstemperaturen sogenannte Eisbrücken zwischen den beweglichen Teilen, insbesondere einem Verdichterrad und einem Gehäuse, des Seitenkanalverdichters bilden.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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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.
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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 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.
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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.
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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 den Kanal geleitet, wobei mittels der Druckdifferenz Δp 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 Δp 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.
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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.
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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 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.
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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.
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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 Δp herangezogen oder es erfolgt eine Messung der Druckdifferenz Δp, 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 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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters,
- 2 einen in 1 mit A-A bezeichneten Schnitt des Seitenkanalverdichters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 ein in 2 mit II bezeichneten Ausschnitt einer kombinierten Meßkanal-Deckel-Anordnung des Seitenkanalverdichters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht,
- 4 eine perspektivische Ansicht des Seitenkanalverdichters gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine vereinfachte Darstellung eines Ablaufplans zur Veranschaulichung des beanspruchten Verfahrens,
- 6 Ein schematisches Schaubild der Elemente Sensor, Steuergerät, Drehzahlsensor, Drucksensor und Purge-Ventil.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Der Darstellung gemäß 1 ist ein Längsschnitt durch einen rotationssymmetrisch zu einer Drehachse 4 ausgebildeten erfindungsgemäß vorgeschlagene Seitenkanalverdichter 1 zu entnehmen.
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Dabei ist in 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 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.
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Zudem ist in 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 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-Baugruppe 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. Dabei weist
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Des Weiteren ist in 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.
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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 variabel. Dabei wird eventuell enthaltenes Wasser im gasförmigen Medium vorher durch die hohen radialen Kräfte abgeschieden oder durch die Gas-Auslassöffnung 16 hinaus gefördert
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2 zeigt einen in 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.
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In 3 ist ein in 2 mit II bezeichneten Ausschnitt einer kombinierten Meßkanal-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.
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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.
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In 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.
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In 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 Δp 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 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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019201183 [0003, 0004, 0005]
- DE 102019219992 [0003, 0004, 0005]
