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Die
Erfindung betrifft ein Luftversorgungssystem für eine Brennstoffzelle
mit einem Verdichter zum Ansaugen und Verdichten von Frischluft
und einer Turbine zum Antreiben des Verdichters, wobei die Turbine
ein Turbinengehäuse aufweist, in welchem ein Turbinenrad
drehbar positioniert ist, wobei das Turbinenrad von aus der Brennstoffzelle
austretendem Wasserdampf beaufschlagbar ist, und der Wasserdampf
mit Hilfe eines im Turbinengehäuse positionierten, das
Turbinenrad umfassenden Spiralkanals auf das Turbinenrad führbar
ist, wobei stromauf des Turbinenrades ein Leitgitter mit einer Mehrzahl
von Schaufeln zur Konditionierung des Wasserdampfes positioniert
ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem
und ein Verfahren zum Betreiben eines Luftversorgungssystems für eine
Brennstoffzelle.
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Aus
der
DE 10 2007
042 785 A1 geht ein Luftversorgungssystem hervor für
eine Brennstoffzelle hervor, mit einem Verdichter zum Ansaugen und Verdichten
von Frischluft und einer Turbine zum Antreiben des Verdichters.
Die Turbine weist ein Turbinengehäuse auf, in welchem ein
Turbinenrad drehbar positioniert ist, wobei das Turbinenrad von
aus der Brennstoffzelle austretendem Wasserdampf beaufschlagbar
ist, und der Wasserdampf mit Hilfe eines im Turbinengehäuse
positionierten, das Turbinenrad umfassenden Spiralkanals auf das
Turbinenrad führbar ist, wobei stromauf des Turbinenrades
ein Leitgitter mit einer Mehrzahl von Schaufeln zur Konditionierung
des Wasserdampfes positioniert ist.
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Problematisch
ist, dass der aus der Brennstoffzelle austretende Luftstrom mit
Wasserdampf und auskondensiertem Wasser als Reaktionsprodukt der
Oxidationsvorgänge in der Brennstoffzelle befrachtet ist
und die auskondensierten Wassertropfen zu einer Erosion der Schaufeln
des Turbinenrads führen können. Die Folge kann
eine Verschlechterung des Wirkungsgrads und der Zuverlässigkeit
der Turbine sein, da durch ungleichmäßige Erosion
Unwuchten verursacht werden, die Lagerschäden nach sich
ziehen können.
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Das
Problem verschärft sich mit zunehmender Drehzahl der Turbine.
Besonders groß ist das Problem der Wasserkondensation in
Kaltstartphasen.
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Es
ist nun Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Luftversorgungssystem
für Brennstoffzellen bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorrichtung mit den Merkmalen das Anspruchs 1. Des Weiteren
wird die Erfindung gelöst durch ein Brennstoffzellensystem
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, und durch ein Verfahren
zum Betreiben eines Luftversorgungssystems für eine Brennstoffzelle
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen
mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist
das Luftversorgungssystem für eine Brennstoffzelle einen
kleinster Turbinenquerschnitt AT min des Leitgitters und einen Spiraleintrittsquerschnitt
ASO der Spirale auf, welche in folgender Beziehung zueinander stehen: BZF = AT min/ASO,wobei BZF als Brennstoffzellenfaktor
kleiner ist als 0,4. Der kleinste Turbinenquerschnitt AT min steht
in diesem Zusammenhang in folgender Beziehung zu einem minimalen
Schaufelabstand Smin der Schaufeln, einer Schaufelhöhe
hn der Schaufeln und einer Anzahl n der Schaufeln: AT
min = n·Smin·hn.
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Durch
diese Ausgestaltung ergeben sich vorteilhafte Wasserabscheidungsgrade.
Der im Verhältnis zum kleinsten Turbinenquerschnitt AT
min große Spiraleintrittsquerschnitt ASO führt
zu einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit im Turbinengehäuse
vor einem Turbinenleitgitter. Aus der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit
resultiert eine hohe Verweilzeit des Wasserdampfes im Turbinengehäuse,
wodurch eine ausreichende Abscheidung des Wassers an einer Spiralkanalwandung
möglich ist. Reibungsverluste sind gering.
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Die
Strömung wird bewusst erst direkt vor dem Turbinenrad auf
einer kurzen Strecke im Leitgitter beschleunigt, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten
vor dem Turbinenleitgitter niedrig sind und gute Turbinenwirkungsgrade
dadurch erzielbar sind.
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Durch
das Leitgitter ist ein kleinster durchströmbarer Querschnitt
direkt stromaufwärts des Turbinenrads bereitgestellt, welcher
zu einem besonders wirkungsvollen Übertragen der Bewegungsenergie
des aus der Brennstoffzelle austretenden Wasserdampfs auf das Turbinenrad
führt. Der engste Turbinenquerschnitt AT min mit der zugehörigen
Schaufelhöhe hn der Schaufeln und dem minimalen Schaufelabstand
Smin der Schaufeln ist hierbei auf einen Betriebszustand der Brennstoffzelle
ausgelegt, bei welchem diese ihre Nennleistung liefert und somit
ein besonders großer Massenstrom die Brennstoffzelle durchströmt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Brennstoffzellenfaktor
BZF kleiner als 0,2. Ein solcher, bei gegebenem kleinsten Turbinenquerschnitt
größerer Spiraleintrittsquerschnitt ASO ist insbesondere
dann vorteilhaft, wenn der für das Luftversorgungssystem
zur Verfügung stehende Bauraum ein Positionieren der im
Querschnitt größeren Spirale zulässt.
Bei diesem Brennstoffzellenfaktor BZF sind dann besonders wirkungsvolle
Wasserabschabscheidungsgrade erreichbar.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn eine Durchtrittsfläche
WO des Spiralkanals zu einer Gesamtoberfläche GO des Spiralkanals
in folgender Beziehung zueinander steht: OV =
WO/GO,wobei OV als Oberflächenverhältnis
kleiner 0,3 ist. Der Spiralkanal ist hierbei nahezu vollständig
von einem in dem Turbinengehäuse bereitgestellten Sammelraum
umgeben, wobei eine Außenwandung des Turbinengehäuses
gasdicht ausgebildet ist. Die Durchtrittsfläche WO stellt
den Flächenbereich dar, über welchen Wasser aus
dem Spiralkanal in den Sammelraum übertreten kann. Ist
das Oberflächenverhältnis kleiner 0,3, so steht
eine ausreichend große Durchtrittsfläche WO zum
effektiven Abscheiden des Wassers aus dem Spiralkanal zur Verfügung. Dennoch
ist ein hoher Wirkungsgrad der Turbine sichergestellt.
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Hierbei
hat es sich als weiter vorteilhaft gezeigt, wenn das Oberflächenverhältnis
OV kleiner als 0,2 ist. Mit diesem Oberflächenverhältnis
OV lassen sich gute Wasserabscheidungsgrade bei besonders guten
Turbinenwirkungsgraden erreichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im
Turbinengehäuse eine Wandung zwischen dem Spiralkanal und
einem Sammelraum in Form einer Drainage ausgebildet. Auslassöffnungen
in der Drainage können hierbei durch Eindrücken und/oder
durch Scherschneiden ausgebildet sein. Eine solche Drainage ist
mit einem einfachen Werkzeug kostengünstig und besonders
unaufwendig herstellbar. Durch Eindrücken ausgebildete
Auslassöffnungen in der Drainage sind hierbei in vorteilhafter Weise
so gestaltet, dass eine konvexe Wölbung des eingedrückten
Bereichs in dem Sammelraum zu liegen kommt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine das Leitgitter
aufnehmende, insbesondere axial oder axial und rotatorisch bewegbare Matrize
vorgesehen, mittels welcher die Schaufelhöhe hn der Schaufeln
veränderbar ist. Dadurch ist ein besonders exaktes, kontinuierliches
und fein abstimmbares Verändern der Schaufelhöhe
hn der Schaufeln ermöglicht.
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Ergänzend,
bevorzugt jedoch alternativ kann das Leitgitter zum Verändern
der Schaufelhöhe hn der Schaufeln axial oder axial und
rotatorisch bewegbar ausgebildet sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Schaufeln des Leitgitters zum Verändern des minimalen Schaufelabstands
Smin der Schaufeln rotatorisch oder axial und rotatorisch bewegbar
ausgebildet. Dies ermöglicht ein einfaches Einstellen des
kleinsten Turbinenquerschnitts, welcher zum effizienten Abscheiden
von Wasser aus dem Spiralkanal geeignet ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst
durch ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen
Luftversorgungssystem.
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Des
Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum
Betreiben eines gattungsgemäßen Luftversorgungssystems,
bei welchem ein kleinster Turbinenquerschnitt AT min des Leitgitters und
ein Spiraleintrittsquerschnitt ASO des Spiralkanals in folgende
Beziehung zueinander gesetzt werden: BZF = AT
min/ASO,wobei BZF als Brennstoffzellenfaktor kleiner ist als 0,4
und AT min in folgender Beziehung zu einem minimalen Schaufelabstand
Smin der Schaufeln, einer Schaufelhöhe hn der Schaufeln
und einer Anzahl n der Schaufeln steht: AT min
= n·Smin·hn.
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Die
für das erfindungsgemäße Luftversorgungssystem
beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile
gelten auch für das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betreiben eines Luftversorgungssystems für
eine Brennstoffzelle.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibungen mehrerer Ausführungsbeispiele sowie
anhand der Zeichnungen, in welchen funktionsgleiche oder gleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind.
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Dabei
zeigen:
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1 in
einer Prinzipdarstellung ein erfindungemäßes Luftversorgungssystem,
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2 in
einem Querschnitt eine Turbine des Luftversorgungssystems gemäß 1,
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3 in
einem Längsschnitt die Turbine gem. 3 und
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4 in
einer perspektivischen Darstellung eine Drainage der Turbine gemäß 3.
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Eine
in 1 dargestellte Brennstoffzelle 1, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug, weist eine Luftversorgungsvorrichtung 100 umfassend
einen Verdichter 2 mit einem nicht näher dargestellten
Verdichterrad und eine Turbine 3 mit einem Turbinenrad 4 auf.
Im Verdichter 2 wird der Luftstrom L durch Verdichten erzeugt
und der Brennstoffzelle 1 zugeführt. Dort nimmt
der Luftstrom L Wasser als Reaktionsprodukt auf und wird zur Turbine 3 weiter
geleitet. Der Verdichter 2 ist mit Hilfe eines Elektromotors 5 angetrieben.
Die Turbine 3 trägt ebenfalls zum Antrieb des Verdichters 2 bei.
Der Elektromotor 5 wird über einen Umrichter 6 mit
Energie aus der Brennstoffzelle 1 gespeist.
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Die
Turbine 3 weist eine Vorrichtung zur Änderung
einer Anströmung des Turbinenrades 4, eine Leitvorrichtung 7.
Die Leitvorrichtung 7 ist insbesondere in 3 näher
dargestellt. Sie umfasst ein Leitgitter 8 mit einer Mehrzahl
von Schaufeln 22 und eine das Leitgitter 8 aufnehmende
Matrize 9. Die Matrize 9 ist dabei axial bewegbar,
wobei sie auch axial und rotatorisch oder nur rotatorisch bewegbar
sein könnte. Ebenso könnte das Leitgitter 8 axial
und/oder rotatorisch bewegbar sein.
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Des
Weiteren ist der Brennstoffzelle ein Sammelbehälter 10 zur
Aufnahme von Wasser zugeordnet, wobei das Wasser dem aus der Brennstoffzelle 1 austretenden
Luftstrom L stromauf des Turbinenrades 2 entzogen wird.
Das Wasser wird im Sammelbehälter 10 mittels eines
geregelten Austrittsventils 11 innerhalb eines vorgegebenen
Wasserstandsniveaus gehalten. Zum Enteisen oder zur Vermeidung von
Eisbildung ist ein Wärmetauscher 12 oder eine
Heizung um den Sammelbehälter 10 vorgesehen.
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Zum
Steuern und/oder Regeln der Brennstoffzelle 1, der verstellbaren
Matrize 9, des Wärmetauschers 12 bzw.
der Heizung und des Austrittsventils 11 ist ein Regler 13 vorgesehen.
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Die
in 2 dargestellte Turbine 3 der Luftversorgungsvorrichtung 100 umfasst
ein Turbinengehäuse 14, das im Turbinengehäuse 14 drehbar
aufgenommene Turbinenrad 4, einen das Turbinenrad 4 nahezu
vollständig umschließenden Spiralkanal 15 mit
einem Eintrittkanal 16. Ein den Spiralkanal 15 nahezu
vollständig umfassender Sammelraum 17 weist im
Bereich des Eintrittkanals 16 eine Abflussöffnung 21 auf,
welche mit Hilfe eines weiteren, nicht näher dargestellten
Abflusskanals mit dem Sammelbehälter 10 verbunden
ist. Ein dem Turbinenrad 2 im Luftstrom L vorgelagerter
Entfeuchtungsbereich 18 ist spiralförmig so gestaltet,
dass der Luftstrom L in Rotation versetzt wird. Im Luftstrom befindliches
auskondensiertes Wasser, beispielsweise aus der der Turbine 3 im
Luftstrom L vorgelagerten Brennstoffzelle 1, setzt sich
infolge von Trägheit an einer Wandung 19 zwischen
dem Entfeuchtungsbereich 18 und einem Sammelraum 17 ab.
Während die Wandung 19 aus einem porösen
Material gebildet ist, ist eine Außenwandung 20 des
Turbinengehäuses 14 gasdicht gestaltet. Die Porosität
der Wandung 19 führt zu einer Kapillarwirkung,
wodurch das an der Wandung 19 angelagerte Wasser einem
Konzentrationsgefälle folgend in den Sammelraum 17 transportiert
wird, aus dem es durch eine Abflussöffnung 9 der
Schwerkraft g folgend abfließt. Die Porosität
der Wandung 19 kann durch Sinterwerkstoffe mit metallischen und/oder
keramischen Komponenten erreicht werden. Die Kapillarwirkung kann
mittels radial gerichteter Kapillarkanäle erreicht werden.
Idealerweise sind diese Kapillarkanäle rohrförmig
mit sehr kleinem Durchmesser gebildet. Die Wandung 19 kann
auch in Form der in 4 dargestellten Drainage ausgebildet
sein. Im oberen Abschnitt der 4 ist eine
Sicht auf einer dem Spiralkanal 15 zugewandt positionierten
Seite der Drainage abgebildet, während der untere Abschnitt
der 4 eine dem Sammelraum 17 zugewandt positionierte
Seite der Drainage zeigt. Mit Hilfe eines einfachen Werkzeugs ist
die Drainage kostengünstig herzustellen. Auch der Sammelraum 17 kann
beheizt sein.
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Die
Turbine 3 ist zur Erzielung günstiger Wasserabscheidungsgrade
so ausgelegt, dass ein kleinster Turbinenquerschnitt AT min des
Leitgitters 8 und ein Spiraleintrittsquerschnitt ASO des
Spiralkanals 15 in folgender Beziehung zueinander stehen: BZF = AT min/ASO,wobei BZF als Brennstoffzellenfaktor
einen Wert von 0,35 aufweist. Günstige Wasserabscheidungsgrade lassen
sich erfindungsgemäß bis zu einem Wert erreichen,
wobei BZF kleiner als 0,4 ist. AT min ist dabei nach folgender Beziehung
zu einem minimalen Schaufelabstand Smin von Schaufeln 22 des
Leitgitters 8, einer Schaufelhöhe hn der Schaufeln 22 und einer
Anzahl n der Schaufeln 22 zu bestimmen: AT
min = n·Smin·hn.
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Die
Schaufelhöhe hn ist dabei eine freie Länge von
Schaufeln des Leitgitters 8, welche nicht von der Matrize 9 überdeckt
ist. Die Schaufelhöhe hn ist für einen Nennbetriebspunkt
der Brennstoffzelle 1 maßgebend.
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Aus 3,
einem Längsschnitt der Turbine 3 gem. 2,
geht eine erste Teilfläche ΔWO der dem Spiralkanal 15 zugewandt
positionierten Seite der Wandung 19 hervor, welche über
einen gesamten Umfang U der Wandung eine Durchtrittsfläche
WO der Wandung 19 ergibt. Eine zweite Fläche GO,
eine Gesamtoberfläche des Spiralkanals 15 über
den Umfang U ist dabei so groß, dass ein Oberflächenverhältnis
OV der ersten Fläche zur zweiten Fläche 0,25 ist.
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Der
Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in einer optimalen Nutzung einer
relativ langen Verweilzeit der Wasserdampfströmung mit
den geringen Scherkräften zwischen der flüssigen
und der gasförmigen Phase bei guten Turbinenwirkungsgraden.
Bei den abgesenkten Strömungsgeschwindigkeiten ist ein wirkungsgradschädlicher
Einfluss der Durchtrittsfläche WO kaum feststellbar.
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Ein
Durchblasen von Gas oder Wasserdampf in eine Umgebung wird im Allgemeinen
während des Normalbetriebs mit Rücksicht auf einen
Wirkungsgrad nicht erfolgen, wodurch sich der erhöhte Druck
im Entfeuchtungsbereich 18 und im Sammelraum 17 nur
geringfügig unterscheiden. Der Gasdruck wird also genutzt,
um eine geregelte Teilentleerung des Sammelbehälters 10 zu
bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007042785
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