Titel für ein Brennstoffzellen-Svstem zur und/oder Rezir- kulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, Brennstoffzel-

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen- System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, das insbesondere zur Anwendung in Fahrzeugen mit einem Brennstoffzellenantrieb vorgesehen ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Fördereinrichtung.

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 Tank, insbesondere einem Hochdrucktank, entnommen und über eine Tankleitung eines Mitteldruckleitungssystem an die Fördereinrichtung geleitet. Diese Fördereinrichtung führt das Gas über eine Verbindungsleitung eines Niederdruckleitungssystems zu einer Brennstoffzelle.

Aus der DE 10 2019 201 170 A1 ist eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzel- len-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums bekannt, insbesondere Wasserstoff, mit einem Seitenkanalverdichter. Dabei wird das unter Druck stehende gasförmigen Medium einer Strahlpumpe mittels des Dosierventils zugeführt wird, wobei ein Anodenausgang einer Brennstoffzelle mit einem Eingang der Fördereinrichtung fluidisch verbunden ist und wobei ein Ausgang der Fördereinrichtung mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle fluidisch verbunden ist, Die aus der DE 10 2019 201 170 A1 bekannte Fördereinrichtung bekannte Brennstoffzellen-System kann jeweils gewisse Nachteile aufweisen. Dabei wird der Seitenkanalverdichter der Fördereinrichtung mittels eines Antriebs, insbesondere mittels eines elektrischen Antriebs, der mittels einer Antriebswelle zumindest kardanisch mit einem um eine erste Drehachse drehbaren Verdichterrad verbunden ist. Somit wird der Antrieb zum Antreiben des Seitenkanalverdichters und/oder der Fördereinrichtung verwendet und mit Energie, vorzugsweise elektrischer Energie versorgt. Auf diese Weise muss Energie, insbesondere als Antriebsenergie und/oder elektrische Energie, aufgebracht werden, um den Seitenkanalverdichter und/oder die Fördereinrichtung anzutreiben.

Zum anderen entsteht durch das Anordnen des Antriebs an der Baugruppe Seitenkanalverdichter der Nachteil, sich eine große Oberfläche im Bezug zum Bauraum und/oder geometrischen Volumen ausbildet. Dadurch wird ein schnelles Auskühlen begünstigt, insbesondere bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeugs, was zu einer erhöhten Bildung von Eisbrücken und somit einer erhöhten Schädigung der Bauteile und/oder des gesamten Brennstoffzellen-Systems führen kann, was wiederum zu einer verringerten Zuverlässigkeit und/oder Lebensdauer der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellen-Systems führen kann.

Des Weiteren muss für die Komponente Antrieb ein eigenes Gehäuse vorgesehen werden, was zu hohen Herstellkosten und/oder Materialkosten führt.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß wird eine Fördereinrichtung für ein Brennstoffzellen-System zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, vorgeschlagen. Dabei weist das Brennstoffzellen-System einen Anodenpfad und einen Kathodenpfad auf, wobei die Fördereinrichtung einen in dem Anodenpfad befindlichen Seitenkanalverdichter mit einem Gehäuse aufweist. Des Weiteren kann der Seitenkanalverdichter ein Laufrad aufweisen, das drehbar um eine erste Drehachse angeordnet ist. Das Gehäuse weist jeweils eine ausgebildete Gas-Einlassöffnung und eine ausgebildete Gas-Auslassöff- nung auf, die über den Verdichterraum, insbesondere mindestens einen Seitenkanal, fluidisch miteinander verbunden sind, wobei der mindestens eine Seitenkanal, einen Unterbrecher-Bereich aufweist.

Bezugnehmend auf Anspruch 1 weist die Fördereinrichtung eine mit dem Seitenkanalverdichter verbundene Turbine auf, wobei der Seitenkanalverdichter mittels der im Kathodenpfad befindlichen Turbine zumindest mittelbar angetrieben wird. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass der Antrieb, insbesondere der elektrische Antrieb, als zusätzliches Bauteil eingespart werden kann und somit keine zusätzliche Energie, insbesondere elektrische Energie, für den Antrieb der Fördereinrichtung aufgewendet werden muss, da ein Antreiben des Seitenkanalverdichters ausschließlich mittels der Turbine realisiert werden kann. Da der Kathodenpfad sowieso unter einem Arbeitsdruck, insbesondere von 2, 5-3, 5 bar steht, kann die Entspannung, insbesondere die Entspannungsenergie, der Ka- thodenabluft genutzt werden, um den Seitenkanalverdichter mittels der Turbine zumindest mittelbar anzutreiben. Auch kann durch die Verwendung der Turbine das Bauteile mit der Leistungselektronik für den elektrischen Antrieb eingespart werden. Somit können die Bauteilkosten und somit die Gesamtkosten der Fördereinrichtung reduziert werden. In einer beispielhaften Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems kann zudem eine Strahlpumpe nur optional verbaut sein und es kann sich auch ausschließlich der Seitenkanalverdichter im Anodenpfad zum Fördern des gasförmigen Mediums verwendet werden.

Des Weiteren kann auf diese Weise kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden, da ein effizientes Antreiben des Seitenkanalverdichters mittels der schon im System vorhandenen Energie im aus dem Kathodenpfad verwendet werden kann, die ansonsten zumindest teilweise an eine Umgebung abgegeben würde, anstatt zusätzliche elektrische Energie, beispielsweise aus einer Pufferbatterie, verwendet werden müsste, die mittels dem zusätzlichen Verbrauch von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, erzeugt werden muss.

Zudem kann mittels der erfindungsgemäßen Ausführung der Fördereinrichtung gemäß Anspruch 1 der Vorteil erzielt werden, dass die Kaltstartfähigkeit der Fördereinrichtung und/oder des Seitenkanalverdichters verbessert werden kann, da durch den Wegfall des Bauteils Antrieb am Seitenkanalverdichter auch kein eigenes Antriebsgehäuse vorgesehen werden muss, wodurch sich die Gesamtoberfläche der Fördereinrichtung und/oder des Seitenkanalverdichters im Bezug zu seinem Volumen verringert, wodurch eine Auskühlung des Seitenkanalverdichters und/oder der Fördereinrichtung bei langen Standzeiten des Gesamtfahrzeug unterhalb einer Temperatur von 0°C verzögert wird. Somit kann eine Eisbrückenbildung, insbesondere durch im gasförmigen Medium vorhandenes Wasser, im Seitenkanalverdichter verhindert oder zumindest verringert werden, so dass eine Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung reduziert werden kann. Auch können die Herstellkosten und/oder Materialkosten für das Antriebsgehäuse eingespart werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen der im Anspruch 1 angegebenen Fördereinrichtung möglich. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung weist die Fördereinrichtung ein Kopplungselement auf, der insbesondere als eine Magnetkupplung ausgeführt ist, wobei mittels des Kopplungselements ein Drehmoment, insbesondere indirekt, von der Turbine auf den Seitenkanalverdichter übertragbar ist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass der Seitenkanalverdichter und die Turbine nicht direkt mechanisch verbunden sind, wodurch eine Übertragung von Kräften, insbesondere Querkräften oder Längskräften mit einer schädigenden Wirkung, von der Turbine auf den Seitenkanalverdichter verhindert wird. Bei diesen schädigenden Kräften kann es sich um Drehmomentschwankungen und/oder resultierenden axial zu einer zweiten Drehachse verlaufenden Kräften handeln, die insbesondere bei einem schnellen Anfahren der resultieren können. Somit kann auf diese Weise eine Schädigung des Seitenkanalverdichters verhindert werden. Des Weiteren kann mittels der Magnetkupplung verhindert werden, dass axialen Kräfte und/oder radialen Kräfte und/oder Stoßbelastungen und/oder Drehmomentspitzen aus dem Betrieb der Turbine auf den Seitenkanalverdichter übertragen werden. Ein weiterer erzielbarer Vorteil der Fördereinrichtung mit dem derartigen Kopplungselement besteht darin, dass keine direkte mechanische Verbindung zwischen der Turbine und dem Seitenkanalverdichter besteht, beispielsweise mittels einer durchgehenden Welle, sondern dass eine Unterbrechung, insbesondere eine räumliche Unterbrechung, der mechanischen Verbindung ermöglicht wird. Diese Unterbrechung der mechanischen Verbindung kann dabei beispielsweise im Bereich des Übergangs vom Anodenpfad zum Kathodenpfad befinden. Somit lässt sich die Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung reduzieren und/oder die Lebensdauer der Fördereinrichtung erhöhen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Kopplungselement der Fördereinrichtung zumindest die Bauteile erster Magnet und/oder zweiter Magnet aufweist, wobei der erste Magnet stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig mit einem ersten mechanischen Verbindungselement, insbesondere einer ersten Welle, verbunden ist und/oder wobei der zweite Magnet stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig mit einem zweiten mechanischen Verbindungselement, insbesondere einer zweiten Welle, verbunden ist. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass das Kopplungselement und/oder die Magnetkupplung eine geringe Komplexität aufweist, somit wenige Bauteile benötigt werden und somit die Gesamtkosten der Fördereinrichtung geringgehalten werden können. Auch ist keine Bestromung der Magnetkupplung notwendig, so dass zum einen Energie, insbesondere elektrische Energie eingespart werden kann. Zum anderen funktioniert die Magnetkupplung auch im Falle eines Stromausfalls, wodurch die Ausfallwahrscheinlichkeit der Fördereinrichtung reduziert werden kann. Auch benötigt es keinen direkten Kontakt von Reibpartner und/oder Kontaktpartner, wodurch der Vorteil eines zumindest nahezu verschleißfreien Betriebs der Kupplung erzielt werden kann. Dies führt zu einer höheren Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems und/oder des Fahrzeugs und/oder der Fördereinrichtung.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung ist der erste Magnet als ein erster Ringmagnet und der zweite Magnet als ein zweiter Ringmagnet ausgeführt, wobei der jeweilige Ringmagnet scheibenförmig umlaufend um die zweite Drehachse verläuft, wobei der erste Ringmagnet in Richtung der zweiten Drehachse neben dem zweiten Ringmagnet angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich der Vorteil erzielen, dass das Kopplungselement in einer kompakten Bauform umgesetzt werden kann, da die Ringmagnete aufgrund Ihres Durchmessers hauptsächlich Bauraum radial zur zweiten Drehachse benötigen, jedoch wobei das Kopplungselement axial zur zweiten Drehachse schmal ausgeführt sein kann und somit axial zur zweiten Drehachse wenig Bauraum benötigt. Des Weiteren kann durch die erfindungsgemäße Ausführung der Ringmagnete das übertragbare Drehmoment erhöht werden. Zudem bietet die kompakte Bauweise der Ringmagnete und/oder des Kopplungselements, insbesondere mit einer möglichst geringen Oberfläche im Verhältnis zum Volumen, den Vorteil, dass ein Auskühlen der Fördereinrichtung und/oder der jeweilige Magnet und/oder das Kopplungselement bei niedrigen Umgebungstemperaturen, insbesondere im Bereich unterhalb 0°C, langsamer erfolgt und somit das Auftreten von Eisbrückenbildung länger verzögert werden kann.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind der erste Ringmagnet und/oder der zweite Ringmagnet konzentrisch drehbar um die zweite Drehachse angeordnet, wobei sich zumindest ein scheibenförmig um die zweite Drehachse umlaufender Luftspalt zwischen dem ersten Ringmagnet und dem zweiten Ringmagnet befindet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass mittels der Anordnung des scheibenförmig um die zweite Drehachse umlaufender Luftspalt zwischen dem ersten Ringmagnet und dem zweite Ringmagnet eine kompakte Bauweise dem Kopplungselement und/oder der Fördereinrichtung erzielt werden kann. Darüber hinaus bietet diese Anordnung des Luftspalts, des ersten Ringmagnets und/oder des zweiten Ringmagnets den Vorteil einer schnellen Montage und Demontage des Kopplungselements und des Seitenkanalverdichters und der Turbine in Richtung der zweiten Drehachse, wodurch die Montagekosten reduziert werden können und wodurch auftretende Wartungskosten reduziert werden können.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung befindet sich eine Dichtmembran im Bereich des Kopplungselements, wobei die Dichtmembran eine fluidische Kapselung und/oder Trennung des Anodenpfads vom Kathoden- pfad bewirkt. Die Dichtmembran kann sich dabei in Richtung der zweiten Drehachse zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten befinden, insbesondere im Bereich des Luftspalts. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass mittels der Anordnung des scheibenförmig um die zweite Drehachse umlaufenden Luftspalts zwischen dem ersten Ringmagnet und dem zweite Ringmagnet eine kompakte Bauweise des Kopplungselements und/oder der Fördereinrichtung erzielt werden kann. Darüber hinaus bietet diese Anordnung des Luftspalts den Vorteil, dass eine Kapselung, insbesondere eine fluidische Kapselung und/oder fluidische Trennung, des Kathodenpfads vom Anodenpfad erzielt werden kann. Somit kann verhindert werden, dass Luft aus dem Kathodenpfad in den Anodenpfad gelangt und/oder das Wasserstoff aus dem Anodenpfad in den Kathodenpfad gelangt, wodurch ein Knallgasgemisch verhindert wird, welches zu einer Schädigung, insbesondere durch eine Explosion, der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems führen könnte. Somit kann mittels der erfindungsmäßigen Ausgestaltung der Fördereinrichtung mit der Dichtmembran eine Ausfallwahrscheinlichkeit des Kopplungselements und/oder der Fördereinrichtung und/oder des Brennstoffzellensystems verringert werden, während die Lebensdauer dieser erhöht werden kann.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Fördereinrichtung der erste Magnet und/oder der zweite Magnet zumindest teilweise ein Hartferrit und/oder einen keramischen Werkstoff aufweisen. Auf diese Weise kann die Widerstandsfähigkeit der Magnetkupplung gegen abrasive Partikel und Schädigungen erhöht und somit die Lebensdauer des Seitenkanalverdichters erhöht werden. Zudem lässt sich auf diese Weise der Wirkungsgrad und das Ansprechverhalten der Magnetkupplung verbessern und die Gefahr eines Durchrutschens der Kupplung verringern.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich ein Getriebe, insbesondere ein kontinuierlich variables Getriebe, zwischen der Turbine und dem Seitenkanalverdichter, wobei sich das Getriebe im Bereich des ersten und/oder des zweiten mechanischen Verbindungselements befindet. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass sich das Drehmoment und/oder die Drehzahl welches von der Turbine generiert wird, insbesondere mittels des zweiten mechanischen Verbindungselements, über das Getriebe derart variiert wird, dass die, je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle, benötigte Drehzahl und/oder das benötigte Drehmoment in den Seitenkanalverdichter, insbesondere mittels des ersten mechanischen Verbindungselements, eingeleitet und/oder bereitgestellt werden kann. Somit kann der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters und/oder der Fördereinrichtung und/oder einer Brennstoffzelle erhöht werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich die Turbine stromabwärts eines Kathodenbereichs einer Brennstoffzelle, insbesondere zwischen dem Kathodenbereich und einer Abführung aus dem Kathoden- pfad. Dabei befindet sich der Seitenkanalverdichter stromaufwärts eines Anodenbereichs der Brennstoffzelle, insbesondere im Bereich einer Verbindungsleitung. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung erhöht werden und möglicherweise auftretende Strömungsverluste können reduziert werden. Zudem ist auf diese Weise eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung, insbesondere der Bauteile Turbine und/oder Kopplungselement und/oder Seitenkanalverdichter und/oder jeweiliges mechanisches Verbindungselement möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich die Turbine stromabwärts des Kathodenbereichs einer Brennstoffzelle, insbesondere zwischen dem Kathodenbereich und der Abführung aus dem Kathodenpfad. Dabei befindet sich der Seitenkanalverdichter stromabwärts des Anodenbereichs der Brennstoffzelle, insbesondere im Bereich einer Rückführleitung.

Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung erhöht werden und möglicherweise auftretende Strömungsverluste können reduziert werden. Zudem ist auf diese Weise eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung, insbesondere der Bauteile Turbine und/oder Kopplungselement und/oder Seitenkanalverdichter und/oder jeweiliges mechanisches Verbindungselement möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich die Turbine stromaufwärts des Kathodenbereichs einer Brennstoffzelle, insbesondere zwischen einer Zuführung zum Kathodenpfad und dem Kathodenbereich. Dabei befindet sich der Seitenkanalverdichter stromabwärts des Anodenbereichs der Brennstoffzelle, insbesondere im Bereich der Rückführleitung Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung erhöht werden und möglicherweise auftretende Strömungsverluste können reduziert werden. Zudem ist auf diese Weise eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung, insbesondere der Bauteile Turbine und/oder Kopplungselement und/oder Seitenkanalverdichter und/oder jeweiliges mechanisches Verbindungselement möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fördereinrichtung befindet sich die Turbine stromaufwärts des Kathodenbereichs einer Brennstoffzelle, insbeson- dere zwischen der Zuführung zum Kathodenpfad und dem Kathodenbereich befindet. Dabei befindet sich der Seitenkanalverdichter stromaufwärts eines Anodenbereichs der Brennstoffzelle, insbesondere im Bereich der Verbindungsleitung. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der Fördereinrichtung erhöht wer- den und möglicherweise auftretende Strömungsverluste können reduziert werden. Zudem ist auf diese Weise eine kompakte Bauform der Fördereinrichtung, insbesondere der Bauteile Turbine und/oder Kopplungselement und/oder Seitenkanalverdichter und/oder jeweiliges mechanisches Verbindungselement möglich. 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.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle und einer erfindungsgemäßen Fördereinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Figur 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit der Brennstoffzelle und der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Figur 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit der Brennstoffzelle und der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Figur 4 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit der Brennstoffzelle und der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,

Figur 5 eine schematische Darstellung der Fördereinrichtung mit einem Seitenkanalverdichter, einer Turbine, mindestens einem Verbindungselement, einem Kopplungselement und einer Dichtmembran,

Figur 6 einen schematischen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter. Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die schematische Darstellung in Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystems 31 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer Brennstoffzelle 32 und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 .

In Fig. 1 ist dabei eine beispielhafte Ausführungsform des Brennstoffzellen-Sys- tems 31 dargestellt, welches eine Fördereinrichtung 1 aufweist. Die Fördereinrichtung 1 ist dabei geeignet für ein Brennstoffzellen-System 31 zur Förderung und/oder Rezirkulation eines gasförmigen Mediums, insbesondere Wasserstoff, wobei das Brennstoffzellen-System 31 einen Anodenpfad 3 und einen Kathoden- pfad 5 aufweist. Dabei weist die Fördereinrichtung 1 einen in dem Anodenpfad 3 befindlichen Seitenkanalverdichter 2 eine mit dem Seitenkanalverdichter 2 verbundene Turbine 13 auf, wobei der Seitenkanalverdichter 2 mittels der im Katho- denpfad 5 befindlichen Turbine 13 zumindest mittelbar angetrieben wird.

Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich, wird das in einem Tank 34 gespeicherte gasförmige Medium über eine Tankleitung 21 einem zweiten Zulauf 36 einer Strahlpumpe 6 in einer Strömungsrichtung IV zugeführt. Dabei kann die Zudosierung des gasförmigen Treibmediums zur Strahlpumpe 6 mittels eines Dosierventils erfolgen. Bei diesem zweiten gasförmigen Medium handelt es sich insbesondere um ein Treibmedium. Die Strahlpumpe 6 weist zudem einen ersten Zulauf 28 auf mittels dem der Strahlpumpe 6 ein von der Brennstoffzelle 32 kommendes unverbrauchtes Rezirkulat über eine Rückführleitung 23 zugeführt wird. Zudem kann in einer beispielhaften Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 31 die Strahlpumpe 6 nur optional verbaut sein und es kann sich auch ausschließlich der Seitenkanalverdichter 2 im Anodenpfad 3 zum Fördern des gasförmigen Mediums verwendet werden.

Des Weiteren ist in Fig. 1 gezeigt, dass die Strahlpumpe 6 mittels eines ersten Abschnitts 29a einer Verbindungsleitung 29 mit dem Seitenkanalverdichter 2 verbunden und der Seitenkanalverdichter 2 ist mit einem zweiten Abschnitt 29b der Verbindungsleitung 29 mit der Brennstoffzelle 32, insbesondere einem Anodenbereich 38, verbunden. Mittels eines Ablassventils 30 kann im Anodenbereich vorhandenes Wasser und/oder Stickstoff aus dem Anodenpfad 3 in eine Umgebung 26 abgeleitet werden, so dass die Konzentration von Wasserstoff im gasförmigen Medium erhöht werden kann. Wie in Fig. 1 gezeigt strömt Luft, insbesondere ein sauerstoffhaltiges gasförmiges Medium, im Kathodenpfad 5 in einer Strömungsrichtung III von einer Zuführung 25 über eine Kathoden-Zuströmleitung 22 zu einem Kathodenbereich 40. Vom Kathodenbereich 40 strömt die Luft über die Kathoden-Abströmleitung 24a zur Turbine 13, treibt diese dabei an. Von der Turbine 13 strömt die Luft über eine Kathoden-Abströmleitung 24b zu einer Abführung 27 in die Umgebungsluft. Dabei kann die Turbine 13 mittels einer Durchströmung eines Schaufelbereichs mit dem gasförmigen Medium in dem Kathodenpfad 5, insbesondere der Kathoden-Abströmleitung 24, rotationskinetisch in Bewegung gesetzt werden. Zudem kann der Antrieb der Turbine 13 mittels einer Entspannung der Kathodenabluft aus dem Kathodenbereich 40 erfolgen, die der Turbine 13 über die Kathoden-Abströmleitung 24a zugeführt wird.

Zudem ist in Fig. 1 gezeigt, dass der sich im Anodenpfad 3 befindliche Seitenkanalverdichter 2 mittels eines ersten mechanischen Verbindungselements 35, insbesondere eine erste Welle 35, mit einem Kopplungselement 33 verbunden ist. Zudem ist gezeigt, dass die sich im Kathodenpfad 5 befindliche Turbine 13 der Fördereinrichtung 1 über ein zweites mechanisches Verbindungselement 37, insbesondere eine zweite Welle 37, mit dem Kopplungselement 33 verbunden ist. Somit sind der Seitenkanalverdichter 2 und die Turbine 13 zumindest mittelbar miteinander verbunden, insbesondere so dass eine mechanische Leistung und/oder ein Drehmoment und/oder eine Drehzahl übertragbar ist, wobei der Seitenkanalverdichter 2 mittels der im Kathodenpfad 5 befindlichen Turbine 13 zumindest mittelbar angetrieben wird. Zudem weist die Brennstoffzelle 32 den Anodenbereich 38 und den Kathodenbereich 40 aufweist, die beispielsweise mittels einer Membran zumindest annähernd fluidisch getrennt sind.

Dabei zeigt Fig. 1 , dass sich die Turbine 13 stromabwärts des Kathodenbereichs 40 der Brennstoffzelle 32, insbesondere zwischen dem Kathodenbereich 40 und der Abführung 27 aus dem Kathodenpfad 5, befindet und sich der Seitenkanalverdichter 2 stromaufwärts eines Anodenbereichs 38 der Brennstoffzelle 32, insbesondere im Bereich der Verbindungsleitung 29, befindet. Im Kathodenpfad 5 kann ein Arbeitsdruck von 2, 5-3, 5 bar herrschen, wobei sich die Luft beispielsweise am Ausgang des Kathodenbereichs 40 entspannt Diese Entspannung der Luft kann zum Antreiben der Turbine 13 und somit mittelbar des Seitenkanalverdichters 2 genutzt werden. Dadurch kann beispielsweise ein Antrieb, insbesondere ein elektrischer Antrieb, des Seitenkanalverdichters 2ein- gespart werden und somit elektrische Energie eingespart werden, wodurch sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 31 erhöhen lässt. Zudem kann eine kostenintensive Leistungselektronik und/oder Kühlkörper für den Antrieb eingespart werden. Zudem lässt sich der benötigte Bauraum für den Seitenkanalverdichter 2 im Fahrzeug reduzieren aufgrund des Wegfalls des Antriebs. Dabei kann die Turbine 13 und/oder die gesamte Fördereinrichtung 1 als Anbauteil an der Brennstoffzelle 32, insbesondere an einem Stack, verbaut werden. Dabei kann die erfindungsgemäße Fördereinrichtung 1 einem Brennstoffzellen -System 31 eingesetzt werden.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 31 mit der Brennstoffzelle 32 und der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Dabei ist gezeigt, dass sich die Turbine 13 stromaufwärts des Kathodenbereichs 40 der Brennstoffzelle 32, insbesondere zwischen der Zuführung 25 zum Kathodenpfad 5 und dem Ka- thodenbereich 40 befindet. Dabei strömt die Umgebungsluft von der Zuführung 25, in der die Umgebungsluft insbesondere gefiltert werden kann, in Strömungsrichtung III über die Kathoden-Zuströmleitung 22a zur Turbine 13. Von der Turbine 13 strömt die Luft weiter über einen weiteren Bereich der Kathoden-Zuströmleitung 22b zum Kathodenbereich 40 der Brennstoffzelle 32. Von dort strömt die Luft über die Kathoden-Abströmleitung 24 in Strömungsrichtung III zur Abführung 27 in die Umgebung.

Dabei ist in Fig. 2 dargestellt, dass der Seitenkanalverdichter 2 befindet sich bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel stromaufwärts eines Anodenbereichs 38 der Brennstoffzelle 32, insbesondere im Bereich der Verbindungsleitung 29. Dabei kann die Turbine 13 mittels einer Durchströmung eines Schaufelbereichs mit dem gasförmigen Medium in dem Kathodenpfad 5, insbesondere der Kathoden- Zuströmleitung 22a, 22b rotationskinetisch in Bewegung gesetzt werden. Des Weiteren ist in Fig. 2 gezeigt, dass sich ein Getriebe 39, insbesondere ein kontinuierlich variables Getriebe 39, zwischen der Turbine 13 und dem Seitenkanalverdichter 2 befindet, wobei das Getriebe 39 im Bereich des ersten und/oder des zweiten mechanischen Verbindungselements 35, 37 befinden kann. Das erste mechanische Verbindungselement 35 und das zweite mechanische Verbindungselement 37 und/oder die das Getriebe 39 können dabei über das mindestens eine Kopplungselement 33 miteinander verbunden sein. Das Getriebe 39 dient dabei zu einer Drehmomentwandlung und/oder Drehzahlwandlung und kann kontinuierlich variabel ausgeführt sein, beispielsweise mittels jeweils zweier zueinander verfahrbarer Kegelstümpfe, die mit zwei weiteren verfahrbaren Kegelstümpfen mittels beispielsweise einer formschlüssigen Lamellenkette verbunden sind. Auf diese Weise kann der Vorteil erzielt werden, dass sich das Drehmoment und/oder die Drehzahl welches von der Turbine 13 generiert wird, insbesondere mittels eines der mechanischen Verbindungselemente 35, 37 derart über das Getriebe 39 variiert wird, dass die, je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle, benötigte Drehzahl und/oder das benötigte Drehmoment in den Seitenkanalverdichter 2 eingeleitet und/oder bereitgestellt werden kann. Somit kann der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters 2 und/oder der Fördereinrichtung 1 und/oder der Brennstoffzelle 32 erhöht werden.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 31 mit der Brennstoffzelle 32 und der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dabei ist gezeigt, dass sich die Turbine 13 stromaufwärts des Kathodenbereichs 40 der Brennstoffzelle 32, insbesondere zwischen der Zuführung 25 zum Kathodenpfad 5 und dem Ka- thodenbereich 40 befindet, und sich der Seitenkanalverdichter 2 stromabwärts eines Anodenbereichs 38 der Brennstoffzelle 32, insbesondere im Bereich der Rückführleitung 23a, befindet. Auf diese Weise kann eine effiziente Rezirkulation des den Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32 austretenden gasförmigen Mediums erzielt werden, da die Leitungslänge des ersten Abschnitts 23a der Rückführleitung weitaus kürzer ist verglichen mit dem zweiten Abschnitt 23b der Rückführleitung, insbesondere kann der erste Abschnitt 23 a weniger als 10% der Leitungslänge des zweiten Abschnitt 23b. Zudem lässt sich auf diese Weise ein effizientes Herausbefördern der schweren Bestandteile, wie beispielsweise Stick- Stoff oder Wasser, aus dem Anodenpfad 3 im Zusammenspiel von Seitenkanalverdichter 2 und dem Ablassventil 30 erzielen, da sich der Seitenkanalverdichter 2 zwischen der Brennstoffzelle 32, insbesondere dem Anodenbereich 38 der Brennstoffzelle 32, und dem Ablassventil 30 befindet. Dabei kann der Wirkungsgrad des Seitenkanalverdichters 2 und/oder des Brennstoffzellensystems 31 erhöht werden.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 31 mit der Brennstoffzelle 32 und der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Dabei ist gezeigt, dass sich die Turbine 13 stromabwärts des Kathodenbereichs 40 der Brennstoffzelle 32, insbesondere zwischen dem Kathodenbereich 40 und der Abführung 27 aus dem Kathodenpfad 5, befindet und sich der Seitenkanalverdichter 2 stromabwärts eines Anodenbereichs 38 der Brennstoffzelle 32, insbesondere im Bereich der Rückführleitung 23a, befindet.

Des Weiteren ist in Fig. 4 in beispielhafter Weise gezeigt, dass sich eine Gaszuführvorrichtung 15 im Bereich der Kathoden-Zuströmleitung 22 und der Kathoden- Abströmleitung 24 befindet. Die derartige Gaszuführvorrichtung 15, kann als elektrischer Luftverdichter 15 ausgeführt sein, der insbesondere zusätzlich zu einem elektrischen Antrieb die in der Kathoden-Abströmleitung 24 abfließende Luft nutzt, beispielsweise mittels eins Schaufelrads und/oder der Turbine 13, um die im Bereich der Kathoden-Zuströmleitung 22 zur Brennstoffzelle 32 zuströmenden Luft zu verdichten, und somit die Förderrate zu erhöhen. Die derartige Gaszuführvorrichtung 15 kann auch in den anderen Ausführungsbeispielen Verwendung finden.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung der Fördereinrichtung 1 mit dem Seitenkanalverdichter 2, der Turbine 13, mindestens einem Verbindungselement 33 ,37, einem Kopplungselement 33 und einer Dichtmembran 7. Dabei ist gezeigt, dass die Fördereinrichtung 1 einen Kopplungsbereich 33 aufweist, der insbesondere als eine Magnetkupplung 33 ausgeführt ist, wobei mittels des Kopplungsbereichs 33 ein Drehmoment, insbesondere indirekt und/oder mittelbar, von der Turbine 13 auf den Seitenkanalverdichter 2 übertragbar ist. Des Weiteren weist der Kopplungsbereich 33 der Fördereinrichtung 1 zumindest die Bauteile erster Magnet 9 und/oder zweiter Magnet 10 auf, wobei der erste Magnet 9 Stoff- schlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig mit dem ersten mechanischen Verbindungselement 35, insbesondere einer ersten Welle 35, verbunden ist. Zudem ist dargestellt, dass der zweite Magnet 9 stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig mit einem zweiten mechanischen Verbindungselement 37, insbesondere einer zweiten Welle 37, verbunden ist

Wie in Fig. 5 gezeigt ist dabei die erste Welle 35 mittels mindestens eines ersten Lagers 11 gelagert und die zweite Welle 37 ist dabei mittels mindestens eines zweiten Lagers 12 gelagert Zudem ist der Seitenkanalverdichter 2 mit der Verbindungsleitung 29 und der Rückführleitung 23 verbunden, insbesondere fluidisch verbunden. Die Turbine 13 ist mit der Kathoden-Zuströmleitung 22 und mit der Kathoden-Abströmleitung 24 verbunden, insbesondere fluidisch verbunden.

Wie aus Fig. 5 weiter ersichtlich, ist der erste Magnet 9 als ein erster Ringmagnet 9 und der zweite Magnet 10 als ein zweiter Ringmagnet 10 ausgeführt, wobei der jeweilige Ringmagnet 9, 10 zumindest teilweise scheibenförmig umlaufend um eine zweite Drehachse 16 verläuft, wobei der erste Ringmagnet 9 in Richtung der zweiten Drehachse 16 neben dem zweiten Ringmagnet 10 angeordnet ist. Dabei kann der jeweilige Ringmagnet 9, 10 konzentrisch drehbar um die zweite Drehachse 16 angeordnet sein, wobei sich zumindest ein scheibenförmig um die zweite Drehachse 16 umlaufender Luftspalt 8 zwischen dem ersten Ringmagnet 9 und dem zweiten Ringmagnet 10 befindet. Der Luftspalt 8 verlauft dabei zumindest annähernd orthogonal zur zweiten Drehachse 16. Dabei befindet sich die Dichtmembran 7 im Bereich des Kopplungselements 33, wobei die Dichtmembran 7 eine fluidische Kapselung und/oder Trennung des Anodenpfads 3 vom Ka- thodenpfad 5 bewirkt.

Die Erfindung verhindert durch mittelbare magnetische Kopplung der Turbine 13 mit dem Seitenkanalverdichter 2 mittels des Kopplungselements 33 und durch den Einsatz der kapselnd wirkenden Dichtmembran 7, dass eine Vermischung der Medien Wasserstoff aus dem Anodenpfad 3 und Luft aus dem Kathodenpfad 5 stattfindet. Die beschriebene kapselnde Dichtmembran 7 kann dabei beispielsweise eine PSFA (Perfluorinated lonen-Austausch) Membran verwendet werden, insbesondere mit einer Membran von 5 bis 15pm. Bei einer ungewollten Vermischung der Medien Luft und Wasserstoff könnte es zu einer durch Knallgas aus- gelösten Explosion kommen, die die umliegenden Bauteile schädigt, insbesondere die Brennstoffzelle 32. Dies ist dadurch begründet, dass die Fördereinrichtung 1 , insbesondere ein turbinengetriebenes Gebläse 1 , nicht zumindest nahezu mediendicht ausgeführt sein kann, da durch die Spaltmaße von Turbine 13 und Seitenkanalverdichter 2 Wasserstoff in den Kathodenpfad 5 und Luft in den Anodenpfad 3 gelangen kann. Hierdurch kann ein gefährliches Knallgasgemisch entstehen. Derweil sind aufgrund dieses Umstands derartige Lösungen im Stand der Technik nicht beschrieben und kommen somit nicht zum Einsatz. Um eine Medienvermischung zu verhindern wird in der erfindungsgemäßen Fördereinrichtung 1 die Turbine 13 und den Seitenkanalverdichter 2 verbindende durchgehende Welle durch das erste Magnet 9 und der zweite Magnet 10 durch den Luftspalt 8 und die sich im Luftspalt 8 befindliche Membran 7 voneinander räumlich getrennt, wobei der erste Magnet 9 und der zweite Magnet 10 in Richtung der zweiten Drehachse 16 einen geringen Abstand von 10 bis 100 pm Abstand. Die Magnete 9, 10 können so bei einer kompakten Bauform die zu übertragenden Drehmomente von der Turbine 13 auf den Seitenkanalverdichter 2 zuverlässig übertragen. Dabei kann der erste Magnet 9 und/oder der zweite Magnet 10 zumindest teilweise ein Hartferrit und/oder einen keramischen Werkstoff aufweisen.

Fig. 6 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Seitenkanalverdichter 2. Dabei ist gezeigt, dass der Seitenkanalverdichter 2 ein Gehäuse 17 aufweist, wobei sich ein Laufrad 14 im Gehäuse 17 befindet, das drehbar um eine erste Drehachse 4 angeordnet ist. Des Weiteren weist der Seitenkanalverdichter 2 jeweils eine am Gehäuse 17 ausgebildete Gas- Einlassöffnung 20 und eine Gas-Auslassöffnung 22 auf, die über den Verdichterraum 30, insbesondere mindestens einen Seitenkanal 19 fluidisch miteinander verbunden sind. Zwischen der Gas- Einlassöffnung 20 und der Gas-Auslassöffnung 22 kann sich ein Unterbrecher-Bereich befinden, der eine fluidische Kapselung bewirkt. In einer beispielhaften Ausführungsform der Fördereinrichtung 1 können die erste Drehachse 4 und die zweite Drehachse 16 entweder parallel oder diese fallen zusammen und liegen somit aufeinander.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand des bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.