-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftversorgungsmodul zur Aufbereitung von Frischluft für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
-
Ein gattungsgemäßes Luftversorgungsmodul ist beispielsweise aus der
DE 10 2014 008 085 A1 bekannt und umfasst einen Ladeluftkühler zum Kühlen von aufgeladener Frischluft, der einen Kühlereinlass für ungekühlte Frischluft und einen Kühlerauslass für gekühlte Frischluft aufweist, sowie einen Frischluftbefeuchter zum Befeuchten der Frischluft und zum Trocknen von Brennstoffzellenabluft, der einen Frischlufteinlass für trockene Frischluft, einen Frischluftauslass für befeuchtete Frischluft, einen Ablufteinlass für feuchte Brennstoffzellenabluft und einen Abluftauslass für getrocknete Brennstoffzellenabluft aufweist.
-
-
Aus der
DE 10 2013 007 207 A1 ist eine Luftaufbereitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein Wärmetauscher in den Frischluftbefeuchter integriert ist.
-
Aus der
WO 2008/089884 A1 ist eine kombinierte Befeuchtungs- und Wärmerückgewinnungseinheit bekannt, in der eine Wärmeübertragung und Feuchtigkeitsübertragung zwischen Brennstoffzellenabluft und Brennstoffzellenfrischluft erfolgt.
-
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Luftversorgungsmodul der vorstehend beschriebenen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine kompakte Bauform und/oder durch reduzierte Herstellungskosten auszeichnet.
-
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Luftversorgungsmodul mit einem Frischluftverteiler auszustatten, der einlassseitig mit dem Kühlerauslass des Ladeluftkühlers und auslassseitig mit dem Frischlufteinlass des Frischluftbefeuchters fluidisch verbunden ist. Über den Frischluftverteiler erfolgt eine Führung der Frischluft vom Ladeluftkühler zum Frischluftbefeuchter. Ein derartiger Frischluftverteiler lässt sich besonders einfach so konfigurieren, dass er an quasi jede beliebige räumliche Anordnung von Ladeluftkühler und Frischluftbefeuchter angepasst werden kann. Mithilfe des Frischluftverteiler ist es daher möglich, besonders raumsparende Anordnungen von Ladeluftkühler und Frischluftbefeuchter vorzusehen. Insbesondere ist es dadurch nicht zwingend erforderlich, den Frischluftbefeuchter in der Strömungsrichtung der Frischluft unmittelbar an den Ladeluftkühler anzuschließen. So lassen sich Frischluftbefeuchter und Ladeluftkühler z.B. nebeneinander anordnen, derart, dass der Frischluftverteiler die Frischluft vom Kühlerauslass zum Frischlufteinlass um etwa 180° umgelenkt. Darüber hinaus eröffnet der Frischluftverteiler zusätzliche Funktionen, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird.
-
Im vorliegenden Zusammenhang beziehen sich die relativen Ortsangaben „einlassseitig“ und „auslassseitig“ auf die Strömungsrichtung der Frischluft.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Ladeluftkühler ein Kühlergehäuse und einen im Kühlergehäuse angeordneten Wärmeübertragerblock aufweisen. Zweckmäßig kann dabei das Kühlergehäuse einen Kühlerkasten, in dem der Wärmeübertragerblock angeordnet ist, einen Einlasskasten, der den Kühlereinlass mit dem Kühlerkasten verbindet, und einen Auslasskasten aufweisen, der den Kühlerkasten mit dem Kühlerauslass verbindet. Damit kann das Kühlergehäuse grundsätzlich einen herkömmlichen Aufbau besitzen und aus den drei genannten Komponenten zusammengebaut sein, nämlich Kühlerkasten, Einlasskasten und Auslasskasten.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann nun vorgesehen sein, dass der Auslasskasten mit dem Kühlerauslass durch einen Einlassanschluss einer vom Ladeluftkühler verschiedenen Modulkomponente gebildet ist, die unmittelbar am Kühlerkasten befestigt ist. Mit anderen Worten, ein Bestandteil des Kühlergehäuses, nämlich der Auslasskasten, wird bei dieser Ausführungsform durch den Einlassanschluss einer vom Ladeluftkühler verschiedenen Modulkomponente gebildet. Auf diese Weise wird der Integrationsgrad innerhalb des Luftversorgungsmoduls erhöht, wodurch sich die Herstellungskosten reduzieren lassen. Außerdem ergeben sich dadurch Möglichkeiten für eine besonders kompakte Bauweise. Die bislang genannten Modulkomponenten des Luftversorgungsmoduls sind Ladeluftkühler und der Frischluftbefeuchter sowie der Frischluftverteiler. Die vom Ladeluftkühler verschiedenen Modulkomponente sind damit zumindest der Frischluftbefeuchter und der Frischluftverteiler.
-
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Luftversorgungsmodul weitere Modulkomponenten aufweisen, wie zum Beispiel ein Einlassventil zum Steuern einer Strömung von gekühlter Frischluft zum Frischluftverteiler. Zweckmäßig kann nun vorgesehen sein, dass dieses Einlassventil diejenige Modulkomponente bildet, die den Einlassanschluss aufweist, der den Auslasskasten bildet.
-
Hierzu kann das Einlassventil ein Ventilgehäuse und insbesondere einen im Ventilgehäuse verstellbar angeordneten Ventilkörper aufweisen, wobei das Ventilgehäuse auslassseitig an den Frischluftverteiler angeschlossen ist. Damit befindet sich das Einlassventil mit Bezug auf die Strömung der Frischluft zwischen dem Wärmeübertragerblock und dem Frischluftverteiler. Der vorstehend genannte Einlassanschluss kann nun am Ventilgehäuse integral ausgeformt sein. Mit anderen Worten, der Einlassanschluss, der den Auslasskasten mit dem Kühlerauslass bildet, ist ein integraler Bestandteil des Ventilgehäuses des Einlassventils. Hierdurch ergibt sich zum einen eine besonders kompakte Bauform. Zum anderen vereinfacht sich die Montage, da zusätzliche Befestigungsmaßnahmen zum Befestigen des Ladeluftkühlers am Einlassventil entfallen können.
-
Alternativ dazu kann diejenige Modulkomponente, die den Einlassanschluss aufweist, durch den Frischluftverteiler gebildet sein. In diesem Fall besitzt der Frischluftverteiler ein Verteilergehäuse, an dem der Einlassanschluss integral ausgeformt ist. Damit ist der Ladeluftkühler unmittelbar an den Frischluftverteiler angeschlossen. Diese Bauform eignet sich in besonderer Weise dann, wenn auf ein Einlassventil der vorstehend genannten Art verzichtet werden kann. Hierdurch baut diese Ausführungsform besonders kompakt. Außerdem vereinfacht sich die Montage.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Einlassanschluss ein Spritzgussteil aus Kunststoff sein. Alternativ dazu kann der Einlassanschluss ein Druckgussteil aus Metall, vorzugsweise aus Leichtmetall, sein. In jedem Fall ist der Einlassanschluss dann besonders einfach serientauglich, sodass er sich vergleichsweise preiswert in großer Stückzahl herstellen lässt. Entsprechendes gilt dann zwangsläufig auch für den jeweiligen Bestandteil der jeweiligen Modulkomponente, an welchem der Einlassanschluss integral ausgeformt ist. Dies kann beispielsweise das vorstehend genannte Verteilergehäuse des Frischluftverteilers oder das zuvor genannte Ventilgehäuse des Einlassventils sein.
-
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann das Luftversorgungsmodul einen Bypass zur Umgehung des Frischluftbefeuchters aufweisen. Der Bypass ist hierzu einlassseitig mit dem Frischluftverteiler und auslassseitig mit einem Frischluftanschluss des Luftversorgungsmoduls fluidisch verbunden. Besagter Frischluftanschluss ist seinerseits mit dem Frischluftauslass des Frischluftbefeuchters fluidisch verbunden. Ein derartiger Bypass kann für bestimmte Betriebszustände des Brennstoffzellensystems von großem Vorteil sein. Beispielsweise lässt sich über den Bypass die Feuchtigkeit der Frischluft einstellen. Des Weiteren zeigt sich hier ein besonderer Vorteil des Frischluftverteilers, der eine besonders einfache Integration eines derartigen Bypasses in das Luftversorgungsmodul ermöglicht. Insbesondere lässt sich über den Frischluftverteiler die vom Ladeluftkühler kommende gekühlte Frischluft bedarfsabhängig auf den Bypass und/oder auf den Frischluftbefeuchter aufteilen. Diese Aufteilung kann insbesondere durch eine Steuerung des Bypasses erfolgen.
-
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Bypass ein Bypassventil zum Steuern einer den Frischluftbefeuchter umgehenden Strömung von gekühlter Frischluft aufweisen. Je mehr das Bypassventil öffnet, desto größer ist der Anteil an Frischluft, der durch den Bypass strömt. Bei vollständig geöffnetem Bypassventil strömt die Frischluft nahezu vollständig durch den Bypass, da der Frischluftbefeuchter einen deutlich größeren Durchströmungswiderstand besitzt als der Bypass bei vollständig geöffneten Bypassventil. Bei vollständig geschlossenem Bypassventil strömt die Frischluft ausschließlich durch den Frischluftbefeuchter.
-
Das Bypassventil kann dabei ein Ventilgehäuse und insbesondere einen im Ventilgehäuse verstellbar angeordneten Ventilkörper aufweisen. Das Ventilgehäuse ist einlassseitig über einen Verbindungsabschnitt an den Frischluftverteiler angeschlossen. Der Frischluftverteiler besitzt auch in diesem Fall ein Verteilergehäuse. Zweckmäßig kann nun vorgesehen sein, dass der Verbindungsabschnitt integral am Verteilergehäuse ausgeformt ist. Durch ergibt sich ein zusätzlicher Integrationsgrad, was die Herstellungskosten reduziert.
-
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Luftversorgungsmodul ein Auslassventil zum Steuern einer Strömung von befeuchteter Frischluft aufweisen. Ein derartiges Auslassventil kann einlassseitig mit dem Frischluftauslass des Frischluftbefeuchters und auslassseitig mit einem Frischluftanschluss des Luftversorgungsmoduls fluidisch verbunden sein. Über den Frischluftanschluss kann dann das Brennstoffzellensystem mit gekühlter und befeuchteter Frischluft versorgt werden.
-
Insbesondere kann nun vorgesehen sein, dass der weiter oben genannte Bypass auslassseitig über das Auslassventil fluidisch mit dem Frischluftanschluss verbunden ist. Insbesondere ist denkbar, dass das Auslassventil hierzu als 3/2-Wege-Ventil konfiguriert ist, wobei es insbesondere auch als Proportionalventil konfiguriert sein kann. Damit lässt sich über das Auslassventil die Aufteilung der Frischluft auf den Frischluftbefeuchter und den Bypass regulieren. Somit kann insbesondere auf ein separates Bypassventil verzichtet werden.
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann der Frischluftbefeuchter ein Befeuchtergehäuse aufweisen, an dem eine Stützstrebe integral ausgeformt ist. Außerdem kann am Kühlergehäuse eine Stützkontur integral ausgeformt sein. Besonders zweckmäßig ist nun eine Konfiguration, bei der die Stützstrebe an der Stützkontur befestigt ist. Mit anderen Worten, das Befeuchtergehäuse und das Kühlergehäuse sind aneinander befestigt, wodurch das Luftversorgungsmodul eine erhöhte Stabilität besitzt. Insbesondere lässt sich das Luftversorgungsmodul als selbsttragende Struktur konfigurieren. Zweckmäßig können Befeuchtergehäuse und Kühlergehäuse einerseits über den Frischluftverteiler aneinander befestigt sein und andererseits an einer vom Frischluftverteiler abgewandten Seite außerdem über die Stützstrebe und die Stützkontur aneinander befestigt sein. Hierdurch ergibt sich eine besonders stabile Konfiguration für das Luftversorgungsmodul.
-
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Frischluftbefeuchter im Befeuchtergehäuse einen Wassersammelraum enthalten, der mit einem Ableitkanal fluidisch verbunden ist, durch den das Wasser aus dem Wassersammelraum abführbar ist. Je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems kann im Frischluftbefeuchter Wasserdampf Kondensieren und sich im Wassersammelraum ansammeln.
-
Besonders zweckmäßig ist nun eine Konfiguration, bei welcher der Ableitkanal durch die Stützstrebe und/oder durch die Stützkontur hindurchgeführt ist. Auf diese Weise lässt sich die Abstützung zwischen Frischluftbefeuchter und der Ladeluftkühler zum Ableiten des Wassers nutzen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Ableitkanal durch die Stützstrebe und durch die Stützkontur hindurchgeführt ist und außerdem an den Ladeluftkühler angeschlossen ist. Insbesondere ist denkbar, das Wasser im Ladeluftkühler wieder zu verdampfen, um so die Frischluft anzufeuchten.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den durch die Ansprüche definierten Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 und 2 jeweils eine stark vereinfachte Prinzipdarstellung eines Luftversorgungsmoduls bei verschiedenen Ausführungsformen.
-
Entsprechend den 1 und 2 umfasst ein Luftversorgungsmodul 1, das zur Aufbereitung von Frischluft für ein hier nicht gezeigtes Brennstoffzellensystem dient, einen Ladeluftkühler 2, der zum Kühlen von aufgeladener Frischluft dient. Der Ladeluftkühler 2 weist einen Kühlereinlass 3 für ungekühlte Frischluft und einen Kühlerauslass 4 für gekühlte Frischluft auf. Das Luftversorgungsmodul 1 weist außerdem einen Frischluftbefeuchter 5 auf, der zum Befeuchten der Frischluft und gleichzeitig zum Trocknen von Brennstoffzellenabluft dient. Hierzu besitzt der Frischluftbefeuchter 5 einen Frischlufteinlass 6 für trockene Frischluft, einen Frischluftauslass 7 für befeuchtete Frischluft, einen Ablufteinlass 8 für feuchte Brennstoffzellenabluft und einen Abluftauslass 9 für getrocknete Brennstoffzellenabluft.
-
Das Luftversorgungsmodul 1 ist außerdem mit einem Frischluftverteiler 10 ausgestattet, der einlassseitig mit dem Kühlerauslass 4 und auslassseitig mit dem Frischlufteinlass 6 fluidisch verbunden ist. Der Ladeluftkühler 2 besitzt ein Kühlergehäuse 11 sowie einen im Kühlergehäuse 11 angeordneten Wärmeübertragerblock 12, der in den Figuren mittels einer unterbrochener Linie angedeutet ist. Das Kühlergehäuse 11 besitzt einen Kühlerkasten 13, einen Einlasskasten 14 und einen Auslasskasten 15. Im Kühlerkasten 13 ist der Wärmeübertragerblock 12 angeordnet. Der Einlasskasten 14 verbindet den Kühlereinlass 3 mit dem Kühlerkasten 13. Der Auslasskasten 15 verbindet den Kühlerkasten 13 mit dem Kühlerauslass 4.
-
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen ist der Auslasskasten 15 zusammen mit dem Kühlerauslass 4 durch einen Einlassanschluss 16 gebildet, wobei dieser Einlassanschluss 16 ein Bestandteil einer vom Ladeluftkühler 2 verschiedenen Modulkomponente ist. Diese andere oder weitere Modulkomponente ist dabei unmittelbar am Kühlerkasten 13 befestigt.
-
Im Beispiel der 1 ist die besagte Modulkomponente durch ein Einlassventil 17 gebildet, das zum Steuern einer Strömung von gekühlter Frischluft zum Frischluftverteiler 10 dient. Das Einlassventil 17 besitzt ein Ventilgehäuse 18 sowie einen im Ventilgehäuse 18 verstellbar angeordneten Ventilkörper, der hier jedoch nicht gezeigt ist. Das Ventilgehäuse 18 ist auslassseitig an den Frischluftverteiler 10 angeschlossen. Der Einlassanschluss 16, der den Auslasskasten 15 zusammen mit dem Kühlerauslass 4 bildet, ist an diesem Ventilgehäuse 18 integral ausgeformt.
-
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist kein Einlassventil 17 vorgesehen. In diesem Fall ist die Modulkomponente, zu der der Einlassanschluss 16 gehört, durch den Frischluftverteiler 10 gebildet. Hierzu besitzt der Frischluftverteiler 10 ein Verteilergehäuse 19. Der Einlassanschluss 16, der den Auslasskasten 15 und den Kühlerauslass 4 bildet, ist integral am Verteilergehäuse 19 ausgeformt. Im Beispiel besitzt das Verteilergehäuse 19 zwei Schalen, nämlich eine Bodenschale 20 und eine Deckelschale 21, die auf geeignete Weise aneinander befestigt sind. Beispielsweise sind die beiden Schalen 20, 21 miteinander verklebt oder verschweißt. Im Beispiel der 2 ist der Einlassanschluss 16 nun integral an der Bodenschale 20 ausgeformt.
-
Grundsätzlich kann der Einlassanschluss 16 ein Spritzgussteil aus Kunststoff oder ein Druckgussteil aus Metall, vorzugsweise aus Leichtmetall, sein. Hierdurch ergibt sich eine besonders preiswerte Fertigung. Damit sind dann auch das jeweilige Ventilgehäuse 18 bzw. das jeweilige Verteilergehäuse 19 Spritzgussteile oder Druckgussteile.
-
Bei den hier gezeigten Ausführungsformen weist das Luftversorgungsmodul 1 außerdem einen Bypass 22 zur Umgehung des Frischluftbefeuchters 5 auf. Der Bypass 22 ist dabei einlassseitig mit dem Frischluftverteiler 10 und auslassseitig mit einem Frischluftanschluss 23 des Luftversorgungsmoduls 1 fluidisch verbunden. Dieser Frischluftanschluss 23 ist seinerseits mit dem Frischluftauslass 7 fluidisch verbunden. Der Bypass 22 kann ein Bypassventil 24 aufweisen, das zum Steuern einer den Frischluftbefeuchter 5 umgehenden Strömung von gekühlter Frischluft dient. Das Bypassventil 24 kann ein Ventilgehäuse 25 sowie einen hier nicht gezeigten, im Ventilgehäuse verstellbar angeordneten Ventilkörper aufweisen. Das Ventilgehäuse 25 ist einlassseitig über einen Verbindungsabschnitt 26 an den Frischluftverteiler 10 angeschlossen. Im vorliegenden Fall ist dieser Verbindungsabschnitt 26 integral am Verteilergehäuse 19, und zwar insbesondere an der Bodenschale 20 ausgeformt.
-
Bei den hier gezeigten Beispielen ist das Luftversorgungsmodul 1 außerdem mit einem Auslassventil 27 ausgestattet, das zum Steuern einer Strömung von befeuchteter Frischluft dient. Das Auslassventil 27 ist hierzu einlassseitig mit dem Frischluftauslass 7 und auslassseitig mit dem Frischluftanschluss 23 verbunden. Zweckmäßig kann der Bypass 22 ebenfalls an das Auslassventil 27 angeschlossen sein und über das Einlassventil 27 mit dem Frischluftanschluss 23 verbunden sein. In diesem Fall kann auf das Bypassventil 25 verzichtet werden.
-
Im Beispiel der 2 ist der Ladeluftkühler 2 somit auslassseitig unmittelbar mit dem Frischluftverteiler 10 verbunden, sodass hier auf ein Einlassventil 17 verzichtet wird.
-
Der Frischluftbefeuchter 5 besitzt ein Befeuchtergehäuse 28, an dem eine Stützstrebe 29 integral ausgeformt ist. Am Kühlergehäuse 11 ist eine Stützkontur 30 integral ausgeformt. In den gezeigten Beispielen ist die Stützkontur 30 am Einlasskasten 14 integral ausgeformt. Die Stützstrebe 29 ist an der Stützkontur 30 befestigt, wodurch der Frischluftbefeuchter 5 und der Ladeluftkühler 2 aneinander befestigt sind. Dabei sind die Stützstrebe 29 und die Stützkontur 30 an einer vom Frischluftverteiler 10 abgewandten Seite des Frischluftbefeuchters 5 angeordnet. Über den Frischluftverteiler 10 erfolgt ebenfalls eine Abstützung des Frischluftbefeuchters 5 am Ladeluftkühler 2.
-
Im Befeuchtergehäuse 28 kann ein Wassersammelraum 31 ausgebildet sein, der mit einem Ableitkanal 32 fluidisch verbunden ist, sodass durch den Ableitkanal 32 Wasser, das sich im Wassersammelraum 31 ansammelt, aus dem Befeuchtergehäuse 28 abgeführt werden kann. Der Ableitkanal 32 ist hier den 1 und 2 mit unterbrochener Linie angedeutet. Der Ableitkanal 32 ist in den gezeigten Beispielen durch die Stützstrebe 29 und/oder durch die Stützkontur 30 hindurchgeführt. Dabei ist es ferner möglich, dass der Ableitkanal 32 an den Ladeluftkühler 2 angeschlossen ist. Damit kann das sich im Frischluftbefeuchter 5 ansammelnde Wasser dem Ladeluftkühler 2 zugeführt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014008085 A1 [0002]
- DE 102009026568 A1 [0003]
- DE 102013007207 A1 [0004]
- WO 2008/089884 A1 [0005]