Titel:

Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Verwendung eines Seitenkanalverdichters

Die Erfindung betrifft einen Seitenkanalverdichter für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter sowie eine bevorzugte Verwendung eines erfindungsgemäßen Seitenkanalver dichters.

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen verwenden Wasserstoff und Sauerstoff zur Energieerzeugung. Die mit Hilfe der Brennstoffzellen erzeugte Energie kann bei spielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs genutzt werden. Das Fahrzeug wird hierzu mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet, das einen Tank zum Be vorraten von Wasserstoff umfasst. Der ferner benötigte Sauerstoff kann der Um gebungsluft entnommen werden.

Ein Brennstoffzellensystem weist zur Leistungssteigerung in der Regel eine Viel zahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, das heißt einen Brennstoff zellenstapel bzw. ein „Stack“ auf. Der Wasserstoff wird über einen Anodenpfad einer Anode des Stacks zugeführt. Um den Wasserstoffverbrauch zu senken, wird aus dem Stack austretendes Anodenabgas, das noch unverbrauchten Was serstoff enthält, über einen Rezirkulationspfad rezirkuliert. Zur Sicherstellung ei ner ausreichenden Wasserstoffversorgung wird dem rezirkulierten Anodenabgas frischer Wasserstoff aus dem Tank beigemischt. Die Rezirkulation kann passiv, beispielsweise mit Hilfe einer Saugstrahlpumpe, und/oder aktiv mit Hilfe eines im Rezirkulationspfad angeordneten Rezirkulationsgebläses bewirkt werden. Als Rezirkulationsgebläse kann insbesondere ein Seitenkanalverdichter zum Einsatz gelangen.

Ein Seitenkanalverdichter umfasst zum Fördern und/oder Verdichten eines Fluids ein rotierendes Laufrad. In Abhängigkeit von der Ausgestaltung des Laufrads und/oder der Fluidführung durch den Seitenkanalverdichter kann zwischen einem Sternradverdichter oder einem Peripheralverdichter unterschieden werden. Bei beiden wird das zu fördernde und/oder zu verdichtende Fluid wird über einen Zu laufstutzen einem Arbeitsraum zugeführt, in dem das rotierende Laufrad aufge nommen ist. Über das Laufrad wird die Bewegungsenergie auf das Fluid übertra gen und in Druckenergie gewandelt, so dass im Bereich eines Ablaufstutzens des Seitenkanalverdichters der Druck gegenüber dem Druck im Zulaufstutzen erhöht ist. Der Antrieb des Laufrads erfolgt in der Regel elektromotorisch.

Im Anodengasgemisch eines Brennstoffzellensystems befindet sich neben Was serstoff, Stickstoff und Wasserdampf auch ein Flüssigwasseranteil. Zum Ab scheiden dieses Flüssigwasseranteils ist dem Rezirkulationsgebläse in der Regel ein passiver Wasserabscheider vorgelagert. Dieser weist einen Abscheidegrad von etwa 80% bis 95% auf, so dass ein Flüssigwasseranteil im rezirkulierten Anodengas verbleibt. Bedingt durch die hohen Fliehkräfte im Seitenkanalverdich ter wird der verbleibende Flüssigwasseranteil durch einen Axialspalt zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse in einen das Laufrad umgebenden Radialspalt gedrückt, so dass dieser sich mit Wasser füllt. Dies führt zu einer Erhöhung der Scherreibung zwischen dem Laufrad, dem Wasser und dem Gehäuse, so dass ggf. die Solldrehzahl des Rezirkulationsgebläses und damit die geforderte Rezir- kulationsmenge nicht mehr erreicht werden.

Sich im Radialspalt zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse des Rezirkulati onsgebläses sammelndes flüssiges Wasser kann zudem bei tiefen Außentempe raturen gefrieren und damit die Kaltstarttauglichkeit des Brennstoffzellensystems gefährden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Seitenkanalver dichter für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, der nicht zu den vorstehend genannten Nachteilen führt bzw. hilft, diese zu vermeiden. Zur Lösung der Aufgabe wird der Seitenkanalverdichter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter sowie eine bevorzugte Ver wendung eines erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichters vorgeschlagen.

Offenbarung der Erfindung

Der für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagene Seitenkanalverdichter zum Fördern und/oder Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff oder einem Wasserstoff enthaltenden Gas, umfasst ein Gehäuse und ein elektromotorisch antreibbares Laufrad, das im Gehäuse unter Ausbildung mindestens eines axial in Bezug auf das Laufrad angeordneten Seitenkanals aufgenommen ist. Der Seitenkanal ist dabei über einen zwischen dem Gehäuse und dem Laufrad verbleibenden Axialspalt mit einem radial in Bezug auf das Laufrad angeordneten Ringkanal verbunden. Erfindungsgemäß ist der Ringkanal über mindestens eine Gehäusebohrung mit einem Auslass des Seitenkanalver dichters verbunden.

Anstelle eines zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse verbleibenden Radi alspalts weist der vorgeschlagene Seitenkanalverdichter einen definierten Ring kanal auf. Mit Hilfe des Ringkanals kann somit flüssiges Wasser, das im Betrieb des Seitenkanalverdichters aus dem mindestens einen Seitenkanal nach radial außen verdrängt wird, aufgenommen und über die mindestens eine Gehäuse bohrung an den Auslass des Seitenkanalverdichters abgeführt werden. Das Wasser kann auf diese Weise aus dem Seitenkanalverdichter sicher entfernt werden. Das heißt, dass keine erhöhte Scherreibung zwischen dem Laufrad, dem Wasser und dem Gehäuse zu befürchten ist. Das Erreichen einer geforder ten Solldrehzahl des Seitenkanalverdichters wird demnach nicht durch eine er höhte Scherreibung beeinträchtigt. Zugleich wird sichergestellt, dass kein Wasser zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse verbleibt, das bei tiefen Außentempe raturen gefriert und damit die Kaltstartfähigkeit gefährdet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Ringkanal einen in Umfangsrichtung variierenden Strömungsquerschnitt auf. Über diesen kann im Betrieb des Seitenkanalverdichters in den Ringkanal gelangendes Was- ser gezielt der mindestens einen Gehäusebohrung und damit dem Auslass zuge führt werden. Die mindestens eine Gehäusebohrung kann dabei die Aufgabe ei ner Wassersammelstelle übernehmen. Vorzugsweise nimmt der Strömungsquer schnitt in Drehrichtung des Laufrads kontinuierlich zu und im Bereich der mindes tens einen Gehäusebohrung sprunghaft ab. Das heißt, dass in Drehrichtung vor der mindestens einen Gehäusebohrung der Strömungsquerschnitt des Ringka nals am größten und hinter der mindestens einen Gehäusebohrung am kleinsten ist. Dies führt dazu, dass sich hinter der mindestens einen Gehäusebohrung ein Staudruck im Ringkanal aufbaut, der ein Abführen von Wasser über die mindes tens eine Gehäusebohrung in den Auslass selbst gegen ein höheres Druckni veau ermöglicht.

Das Laufrad des vorgeschlagenen Seitenkanalverdichters ist vorzugsweise au ßenumfangseitig geschlossen ausgeführt. Dadurch ist sichergestellt, dass eine Verbindung des Ringkanals mit dem mindestens einen Seitenkanal lediglich über den umlaufenden Axialspalt besteht. Die Funktion des Seitenkanalverdichters wird demnach durch die beschriebene zusätzliche Funktionalität nicht beeinträch tigt.

Des Weiteren bevorzugt ist die mindestens eine Gehäusebohrung als Sackloch ausgeführt. Die Strömung des aus dem Ringkanal in die als Sackloch ausgeführ te Gehäusebohrung gelangenden Wassers wird demnach im Sackloch abrupt abgebremst, was zur Ausbildung eines Staudrucks führt bzw. die Ausbildung ei nes Staudrucks unterstützt. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Gehäusebohrung im Wesentlichen radial oder tangential in Bezug auf das Laufrad ausgerichtet. Durch eine im Wesentlichen radiale Ausrich tung der Gehäusebohrung wird das Wasser aus dem Ringkanal in die Gehäuse bohrung umgelenkt. Die Umlenkung wiederum hat zur Folge, dass die Strömung im Bereich der Gehäusebohrung abgebremst wird. Eine tangentiale Anordnung der Gehäusebohrung wirkt einem Rückströmen von Wasser in den Ringkanal entgegen.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Gehäusebohrung über ei ne weitere Gehäusebohrung, die gegenüber der ersten Gehäusebohrung einen verringerten Durchmesser aufweist, mit dem Auslass verbunden ist. Auch diese Maßnahme trägt zur Ausbildung eines Staudrucks bei. Die mindestens eine wei- tere Gehäusebohrung vereinfacht zudem die Anbindung der ersten Gehäuseboh rung an den Auslass des Seitenkanalverdichters, so dass hinsichtlich der Lage der ersten Gehäusebohrung ein größerer Gestaltungsspielraum besteht.

Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Gehäusebohrung an der in Ge brauchslage geodätisch tiefsten Stelle des Gehäuses angeordnet. Die Lage der mindestens einen Gehäusebohrung hängt somit von der jeweiligen Einbausitua tion des Seitenkanalverdichters ab. Die Anordnung im Bereich der geodätisch tiefsten Stelle stellt sicher, dass im Abstellfall, das heißt bei inaktivem Seitenka nalverdichter, Wasser schwerkraftgetrieben über den Ringkanal in die mindes tens eine Gehäusebohrung gelangt und sich dort sammelt. Auf diese Weise wird ein Festfrieren des Laufrads bei tiefen Außentemperaturen vermieden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind beidseits des Laufrads ange ordnete Seitenkanäle jeweils über einen Axialspalt mit dem Ringkanal verbun den. Über einen einzigen Ringkanal kann somit Wasser aus zwei Seitenkanälen entfernt werden.

Ferner bevorzugt ist das Laufrad mit einem Rotor eines Elektromotors verbun den. Mit Hilfe des Elektromotors sind das Laufrad und der Rotor in einer Rotati onsbewegung antreibbar.

Da der vorgeschlagene Seitenkanalverdichter insbesondere in einem Brennstoff zellensystem zum Einsatz gelangen kann, wird des Weiteren ein Brennstoffzel lensystem mit einem erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter vorgeschlagen. Der Seitenkanalverdichter ist dabei in einem Rezirkulationspfad des Brennstoff zellensystems zum Fördern und/oder Verdichten von Anodenabgas eines Brenn stoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems angeordnet. Die Vorteile des er findungsgemäßen Seitenkanalverdichters erstrecken sich auch auf das Brenn stoffzellensystem. Insbesondere kann die geforderter Rezirkulationsmenge mit Hilfe des Seitenkanalverdichters bereitgestellt werden. Zudem kann die Kaltstart fähigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert werden.

Aus den gleichen Gründen wird darüber hinaus die Verwendung eines erfin dungsgemäßen Seitenkanalverdichters als Rezirkulationsgebläse in einem Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher er läutert. Diese zeigen:

Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Sei tenkanalverdichter,

Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Figur 1 im Bereich des Ringkanals,

Figur 3 einen schematischen Querschnitt durch den Seitenkanalverdichter der Figur 1 und

Figur 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, das einen Seitenkanalverdichter als Rezirkulationsgebläse umfasst.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Der In der Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Seitenkanalverdichter 1 um fasst ein Gehäuse 3, in dem ein Laufrad 4 aufgenommen ist. Das Laufrad 4 ist mit einem Rotor 11 eines Elektromotors 12 verbunden, so dass es in einer Rota tionsbewegung antreibbar ist. Der in der Figur 1 dargestellte Seitenkanalverdich ter 1 kann insbesondere als Rezirkulationsgebläse in einem Brennstoffzellensys tem 2 eingesetzt werden (siehe Figur 4).

Wie insbesondere der Figur 2 zu entnehmen ist, weist der Seitenkanalverdich ter 1 beidseits des Laufrads 4 angeordnete Seitenkanäle 5 sowie einen Ringka nal 7 auf, der radial außen in Bezug auf das Laufrad 4 angeordnet ist. Bei Ein satz des Seitenkanalverdichters 1 als Rezirkulationsgebläse in einem Brennstoff zellensystem 2 analog der Figur 4 gelangt rezirkuliertes, wasserhaltiges Anoden gas in die Seitenkanäle 5. Aufgrund der dort herrschenden Zirkulationsströmung (siehe Pfeile 16) und aufgrund der Fliehkräfte (siehe Pfeil 17) wird das im Ano dengas enthaltene flüssige Wasser über Axialspalte 6 in den Ringkanal 7 ver drängt.

Da der Strömungsquerschnitt des Ringkanals 7 in Umfangsrichtung variiert, ins besondere - wie in der Figur 3 dargestellt - in Drehrichtung (siehe Pfeil 13) des Laufrads 4 in Richtung einer als Sackloch ausgebildeten Gehäusebohrung 8 kon tinuierlich zunimmt, wird das Wasser der Gehäusebohrung 8 zugeführt. Da in Drehrichtung hinter der Gehäusebohrung 8 der Strömungsquerschnitt des Ring kanals 7 deutlich kleiner als vor der Gehäusebohrung 8 ist, sammelt sich das Wasser in der Gehäusebohrung 8 und die Strömung im Ringkanal 7 wird abrupt abgebremst. Dadurch baut sich ein Staudruck auf, der ein Rückströmen von Wasser in den Ringkanal 7 verhindert. Stattdessen wird das Wasser einem Aus lass 10 zugeführt, mit dem die als Sackloch ausgeführte Gehäusebohrung 8 über eine weitere Gehäusebohrung 9 verbunden ist. Der Staudruck ermöglicht ein Ab führen des Wassers gegen ein erhöhtes Druckniveau.

Da Figur 3 lediglich den Seitenkanalverdichter 1 und nicht die Einbausituation des Seitenkanalverdichters 1 zeigt, kann dieser Figur nicht entnommen werden, dass die Gehäusebohrungen 8, 9 und der Auslass 10 bevorzugt im Bereich der geodätisch tiefsten Stelle des Seitenkanalverdichters 1 angeordnet sind. Im Ab stellfall wird somit den Gehäusebohrungen 8, 9 und dem Auslass 10 im Seiten kanalverdichter 1 vorhandenes Wasser schwerkraftgetrieben zugeführt. Bei tie fen Außentemperaturen kann somit ein Festfrieren des Laufrads 4 verhindert werden.

Wie beispielhaft in der Figur 4 dargestellt, kann der Seitenkanalverdichter 1 ins besondere als Rezirkulationsgebläse in einem Brennstoffzellensystem 2 einge setzt werden. Das Brennstoffzellensystem 2 der Figur 4 dient der Erzeugung von elektrischer Energie eines elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs. Hierzu weist das Brennstoffzellensystem 2 einen Brennstoffzellenstapel 15 auf, dem über einen Kathodenpfad 18 Luft als Oxidationsmittel und über einen Anoden pfad 19 Wasserstoff als Brennstoff zugeführt werden. Die Luft wird der Umge bung entnommen und mit Hilfe eines im Kathodenpfad 18 angeordneten Verdich ters 20 verdichtet. Aus dem Brennstoffzellenstapel 15 austretende Luft wird einer Abgasturbine 21 zur Energierückgewinnung zugeführt. Zuvor wird im Abgas ent haltenes Wasser abgeschieden und in einer Befeuchtungseinrichtung 22 zum Befeuchten der verdichteten Luft genutzt. Um im Abstellfall die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 15 zu unterbrechen, ist im Kathodenpfad 18 ein Absperr ventil 23 angeordnet. Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 15 mit Wasserstoff ist dieser über den Anodenpfad 19 an mehrere Druckgasbehälter 24 eines Tanksystems für Wasserstoff angeschlossen. Aus dem Brennstoffzellenstapel 15 austretendes abgereichertes Anodengas wird zudem über einen Rezirkulationspfad 14 rezirku- liert und dem frischen Wasserstoff beigemischt. Die Rezirkulation wird vorliegend sowohl passiv mit Hilfe einer im Anodenpfad 19 angeordneten Strahlpumpe 25, als auch aktiv mit Hilfe eines im Rezirkulationspfad 14 angeordneten Seitenka nalverdichters 1 bewirkt. Dieser ist vorliegend erfindungsgemäß ausgebildet.

Zum Unterbrechen der Wasserstoffzufuhr ist im Anodenpfad 19 ein weiteres Ab- Sperrventil 26 angeordnet.