AT523678B1 - Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases - Google Patents

Abstract

Es sind Dosiereinheiten zur Erzeugung eines Mischgases mit einer Hauptgasquelle (14), einer Zusatzgasquelle (28; 28‘; 28‘‘), einer Zusatzgasleitung (24; 24‘; 24‘‘),einem Speicherbehälter (22; 22‘; 22‘‘),einer Entlüftungsleitung (30; 30‘; 30‘‘),einem Rückschlagventil (32; 32‘; 32‘‘) oder Überdruckventil mit einem definierten Öffnungsdruck und einer Mischgasleitung (34; 34‘; 34‘‘) bekannt. Um über große Konzentrationsunterschiede sehr genaue Mischungen herstellen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Mischgasleitung (34; 34‘; 34‘‘) und eine Hauptgasleitung (12), über die das Hauptgas förderbar ist, mit einer Mischzone (38) fluidisch verbunden sind, in die das Hauptgas aus der Hauptgasleitung (12) und das Mischgas aus der Mischgasleitung (34; 34‘; 34‘‘) kontinuierlich strömen und aus der ein Messgas über eine Auslassleitung (40) zu einem Verbraucher (10) führbar ist.

Description

Beschreibung

DOSIEREINHEIT ZUR ERZEUGUNG EINES MISCHGASES

[0001] Die Erfindung betrifft eine Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases mit einer Hauptgasquelle, einer Hauptgasnebenleitung, über die Hauptgas aus der Hauptgasquelle förderbar ist und in der ein erster Massenstromregler angeordnet ist, einer Zusatzgasquelle, einer Zusatzgasleitung, über die Zusatzgas förderbar ist, und in der ein zweiter Massenstromregler angeordnet ist, einem Speicherbehälter, der mit der Hauptgasnebenleitung und der Zusatzgasleitung verbunden ist und in dem ein Mischgas aus dem Hauptgas und dem Zusatzgas gespeichert ist, einer Entlüftungsleitung, über die das Mischgas aus dem Speicherbehälter abführbar ist, einem Rückschlagventil oder Überdruckventil mit einem definierten OÖffnungsdruck, welches in der Entlüftungsleitung angeordnet ist und einer Mischgasleitung, über die das Mischgas aus dem Speicherbehälter förderbar ist und in der ein dritter Massenstromregler angeordnet ist.

[0002] Solche Dosiereinheiten werden beispielsweise genutzt, um einen Mischgasstrom zum Testen von Brennstoffzellen zu erzeugen, bei denen dem Wasserstoff ein oder mehrere Schadgase zugemischt werden, um anschließend zu ermitteln, welche Auswirkungen die Schadgase auf den Brennstoffzellenstapel haben. Dies kann auch an der Kathodenseite genutzt werden, um die Auswirkung unterschiedlicher Gaszusammensetzungen des sauerstoffhaltigen Luftstroms zu simulieren. Hierzu wird dem Brennstoffzellenstapel ein genau dosierter definierter Massenstrom des Mischgases zugeführt.

[0003] Eine solche Mischeinheit wird beispielsweise in der CN 209406081 U für die Herstellung einer Mischung von Wasserstoff und Monophosphan beschrieben. Das Monophosphan und der Wasserstoff werden dabei über ein Membranventil, ein Rückschlagventil und einen Massenstromsensor geregelt zu einem Speicherbehälter geführt und dort gespeichert. Vom Speicher führt eine Entlüftungsleitung, in der ein Überdruckventil angeordnet ist nach außen. Des Weiteren zweigt vom Speicherbehälter eine Leitung ab, in der ein Gasanalysator angeordnet ist.

[0004] Mit dem beschriebenen Aufbau sind lediglich recht ungenaue Mischungsverhältnisse zu erzielen, wobei ähnliche Mengenverhältnisse der beiden zu mischenden Komponenten vorhanden sind. Eine Mischung, bei der ein Hauptgas lediglich durch ein Schadgas im Bereich ppm oder sogar im ppT-Bereich gemischt wird, ist mit dieser Mischeinheit nicht erreichbar, da mit herkömmlichen Ventilen und Coriolis Sensoren keine Nanogramm dosiert werden können und somit keine ausreichend genaue Dosierungen möglich sind. Selbst bei Nutzung moderner mikroelektronischer Dosierer kann nur etwa 0,1ml/Minute genau dosiert werden, während bei kleineren Mengen der Dosierfehler deutlich steigt. Umgekehrt ist es bei Verwendung kleinerer Dosierer nicht mehr möglich, größere Mengen zuzudosieren. Des Weiteren ist mit dem bekannten Aufbau kein kontinuierliches Dosieren und Messen möglich. Ein kontinuierliches Mischen mit einer Änderung der Konzentrationen im Betrieb ist ebenfalls nicht durchführbar.

[0005] Es stellt sich daher die Aufgabe, unabhängig vom zuzumischenden Anteil des Zusatzgases immer sehr genau gewünschte Konzentrationen bis in den ppm-, ppb- oder ppt-Bereich mischen zu können. Des Weiteren soll es möglich sein, Messungen kontinuierlich durchführen zu können und entsprechend genaue Mischungen kontinuierlich erzeugen zu können. Auch eine Anderung des Mischungsverhältnisses während der Messung ist wünschenswert.

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

[0007] Die Dosiereinheit weist eine Hauptgasquelle und zumindest eine Zusatzgasquelle auf, über welche das beizumischende Gas zugeführt wird. Das Hauptgas ist in eine Hauptgasleitung und eine Hauptgasnebenleitung, in der ein erster Massenstromregler angeordnet ist, förderbar. Das Zusatzgas ist in eine Zusatzgasleitung förderbar, in der ein zweiter Massenstromregler angeordnet ist. Die Hauptgasnebenleitung und die Zusatzgasleitung münden entweder einzeln in einen Speicherbehälter oder werden vor dem Speicherbehälter zusammengeführt, so dass das Mischgas in den Speicherbehälter strömt, der entsprechend entweder direkt oder indirekt mit der

Hauptgasnebenleitung und der Zusatzgasleitung verbunden ist und in dem das Mischgas aus dem Hauptgas und dem Zusatzgas gespeichert wird. Der Speicherbehälter ist zusätzlich fluidisch mit einer Entlüftungsleitung verbunden, über die das Mischgas aus dem Speicherbehälter abführbar ist, und in der ein Rückschlagventil oder Überdruckventil mit einem definierten Öffnungsdruck, angeordnet ist. Des Weiteren führt aus dem Speicherbehälter eine Mischgasleitung, über die das Mischgas aus dem Speicherbehälter förderbar ist und in der ein dritter Massenstromregler angeordnet ist, in eine Mischzone. In diese Mischzone mündet auch die Hauptgasleitung, so dass in die Mischzone zumindest das Hauptgas aus der Hauptgasleitung und das Mischgas aus der Mischgasleitung strömen und ein zumindest einen Teil eines Messgases bilden, welches über eine Auslassleitung zu einem Verbraucher strömen, der beispielsweise als Brennstoffzelle ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass ein zweistufiger Aufbau der Dosiereinheit vorliegt, in der in einer ersten Stufe ein erstes Mischungsverhältnis hergestellt wird und in der zweiten Stufe eine zusätzliche Verdünnung durch Zugabe des Hauptgases erfolgt. Durch diese zwei Stufen sind sehr genaue Mischungsverhältnisse bis in den ppt-Konzentrationsbereich des Zusatzgases im Hauptgas erzielbar. Somit können auch Reingase als Zusatzgase verwendet werden, die entsprechend nicht mit Stickstoff verdünnt sind, da die geringen Konzentrationen an der Dosiereinheit selbst erzielt werden können. Durch die Verwendung des Rückschlagventils oder des Überdruckventils kann der Druck im Speicherbehälter immer konstant gehalten werden, indem stetig etwas Mischgas über die Entlüftungsleitung abgeführt wird. Hierdurch wird ein konstanter Massenstrom des Mischgases aufrechterhalten und damit kann einerseits ein konstantes Mischungsverhältnis in der Mischzone aufrechterhalten werden und andererseits kontinuierlich im Betrieb gewünschte Mischungsverhältnisse eingestellt und geändert werden. Zusätzlich wird durch das Rückschlagventil und die dadurch entstehende kontinuierliche Strömung eine Entmischung der Gase verhindert. Als Hauptgas kann je nach Anwendung sowohl Wasserstoff als auch Stickstoff oder Sauerstoff verwendet werden, denen Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Edelgase oder ähnliches als Zusatzgas zugemischt wird.

[0008] Vorzugsweise ist die Mischzone stromaufwärts eines oder in einem Pufferbehälter ausgebildet, in dem das Messgas gespeichert ist, wodurch auch bei plötzlichen Verbrauchsänderungen dennoch kontinuierlich die gewünschten Mischgasströme mit den definierten Konzentrationen der Auslassleitung zugeführt werden können. Der Pufferbehälter federt Verbrauchsänderungen ab und muss hierzu so groß ausgelegt werden, dass während einer Durchflussänderung auftretende Fehldosierungen aufgrund der nachfolgenden Regelung vernachlässigbar bleiben.

[0009] Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Pufferbehälter mit einer Rezirkulationsleitung verbunden ist, über welche das Messgas aus dem Pufferbehälter heraus und wieder hereinführbar ist und in der ein Gasanalysator für das Zusatzgas angeordnet ist, wodurch die Mischungsgenauigkeit zusätzlich erhöht werden kann, da der Anteil des Zusatzgases im fertigen Mischgas bestimmt werden kann und entsprechend nachgeregelt werden kann. Zusätzlich wird durch die Strömung eine Entmischung der Gase im Pufferbehälter verhindert.

[0010] Des Weiteren ist in einer bevorzugten Ausführungsform in der Auslassleitung ein Auslassdruckregler angeordnet, so dass der Brennstoffzelle ein Mischgasstrom mit einem konstanten Druck zugeführt wird und ungewollte Druck- oder daraus resultierende Massenstromschwankungen vermieden werden.

[0011] Des Weiteren ist es bevorzugt, wenn in der Hauptgasleitung zwischen der Hauptgasquelle und dem Pufferbehälter ein Rückschlagventil angeordnet ist, so dass eine Rückströmung des Mischgases zur Hauptgasquelle verhindert wird. Entsprechend wird dem Pufferbehälter reines Hauptgas zugeführt und es wird eine notwendige Druckdifferenz für die Massenstromregler zur Verfügung gestellt.

[0012] In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist die Dosiereinheit mehrere Hauptgasnebenleitungen mit jeweils einem ersten Massenstromregler und mehrere Zusatzgasleitungen auf, die mit jeweils einer anderen Zusatzgasquelle verbunden sind und in denen jeweils ein zweiter Massenstromregler angeordnet ist, wobei jeweils eine der Hauptgasnebenleitungen und eine der Zusatzgasleitungen mit einem Speicherbehälter verbunden sind, der mit je einer

Entlüftungsleitung verbunden ist, in der ein Rückschlagventil oder Überdruckventil angeordnet ist, über welches das jeweilige Mischgas aus dem Speicherbehälter abführbar ist, und mit je einer Mischgasleitung verbunden ist, über die das jeweilige Mischgas aus dem jeweiligen Speicherbehälter förderbar ist und in der jeweils ein dritter Massenstromregler angeordnet ist, wobei alle Mischgasleitungen in die Mischzone mit der Hauptgasleitung münden. Es können somit mehrere verschiedene Zusatzgase als vorgemischte Gase parallel erzeugt und dem Hauptgasstrom in der Hauptgasleitung zugeführt werden. Entsprechend kann eine beliebige Anzahl an Zusatzgasen zugemischt werden und so beispielswiese auch unterschiedliche Luftzusammensetzungen konkret gemischt werden. Alle Mischgase werden dabei kontinuierlich erzeugt.

[0013] Zur Vereinfachung des Aufbaus sind die Hauptgasnebenleitungen alle mit der einen Hauptgasquelle verbunden, so dass nicht mehrere Hauptgasquellen benötigt werden, sondern nur mehrere Abzweigungen vorgesehen werden müssen.

[0014] In einer weiterführenden Ausführungsform ist zwischen der Mischzone und dem ersten Speicherbehälter ein zweiter Speicherbehälter mit einer Entlüftungsleitung angeordnet, in der ein Rückschlagventil oder Uberdruckventil angeordnet ist und in den die erste Mischgasleitung und eine zweite Hauptgasnebenleitung münden und der über eine zweite Mischgasleitung mit der Mischzone verbunden ist. Durch diesen Aufbau wird eine dritte Mischstufe geschaffen, so dass extrem kleine Konzentrationen des Zusatzgases im Mischgas hergestellt werden können, ohne hierfür extrem fein regelnde Massenstromregler verwenden zu müssen, da dessen Anteil im Hauptgas mit jeder Stufe geringer wird. Diesem Aufbau kann eine beliebige Anzahl weiterer Stufen nachgeschaltet werden, wobei bereits durch diese dritte Stufe Konzentrationen im ppt-Bereich herstellbar sind, so dass bereits die nachweisbaren Grenzen erreicht werden können.

[0015] Für ein zuverlässig einstellbares Mischungsverhältnis über alle drei Stufen, welches auch kontinuierlich geändert werden kann, ist in der zweiten Hauptgasnebenleitung, der ersten Mischgasleitung und der zweiten Mischgasleitung jeweils ein Massenstromregler angeordnet.

[0016] Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, wenn von der Mischzone des Messgases eine Entlüftungsleitung abzweigt, in der ein Rückschlagventil oder Überdruckventil angeordnet ist. Ein solches Rückschlagventil ermöglicht den kontinuierlichen Betrieb der Dosiereinheit. Dies ist vor allem interessant, wenn das Zusatzgas einem kostengünstigen Hauptgasstrom beigemischt wird, also beispielweise auf der Sauerstoffseite der Brennstoffzelleneinheit, da dort Verluste des Hauptgases vertretbar sind. Auf einen Pufferbehälter kann dann verzichtet werden und erhält dennoch einen sehr schnell reagierenden, maximal genauen Betrieb bei geringem Platzbedarf.

[0017] In einer weiterführenden Ausführungsform ist in der Entlüftungsleitung ein Gasanalysator für jedes Zusatzgas vor dem Rückschlagventil angeordnet, so dass auch hier eine genaue AnaIyse der Zusammensetzung des Gasstroms möglich ist.

[0018] Hierzu ist es vorteilhaft, wenn in der Hauptgasleitung zwischen der Hauptgasquelle und dem Pufferbehälter oder dem Rückschlagventil ein Ausgangsdruckregler angeordnet ist, der den Druck der Hauptgasquelle beispielweise um etwa 1 bar herunterregelt, so dass bei Verbrauchssprüngen eine Druckreserve zum Auffüllen des Pufferbehälters vorhanden ist. Der Ausgangsdruckregler verhindert, dass Druckschwankungen in der Hauptgasquelle auf die Dosiereinheit zurückwirken.

[0019] Es wird somit eine Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases bereitgestellt, mit der sowohl sehr kleine Konzentrationen eines zuzumischenden Gases im Hauptgasstrom von bis unter ppt- (parts per trillion) Anteile gemischt werden können als auch Mischungen in Mengen gleicher Größenordnungen hergestellt werden können. Diese Mischungen können aus beliebig vielen verschiedenen Gasen bestehen und in bevorzugten Ausführungen auch kontinuierlich gemischt werden, wobei die Anteile der Komponenten kontinuierlich geändert werden können. Da sehr geringe Mengen bezogen auf die Gesamtmenge zugemischt werden können, kann trotz des möglichen kontinuierlichen Betriebes eine reine Gasquelle, die beispielsweise aus einer Gasflasche besteht, verwendet werden. Zusätzlich kann kontinuierlich auch bei größeren Verbrauchssprüngen des Gases ein Mischgas konstanter Zusammensetzung zur nachfolgenden Messung

erzeugt werden.

[0020] Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Dosiereinheit zur Herstellung eines Mischgases wird im Folgenden anhand der Figuren beschrieben

[0021] Figur 1 zeigt einen Fließplan einer erfindungsgemäßen Dosiereinheit.

[0022] Figur 2 zeigt einen Fließplan einer zweiten alternativen erfindungsgemäßen Dosiereinheit.

[0023] Figur3 zeigt einen Fließplan einer dritten erfindungsgemäßen Dosiereinheit. [0024] Figur 4 zeigt einen Fließplan einer vierten erfindungsgemäßen Dosiereinheit.

[0025] Die in Figur 1 dargestellte erfindungsgemäße Dosiereinheit dient zur Mischung von Wasserstoff als Hauptgas mit Kohlenmonoxid als Zusatzgas, welches in kleinen Mengen dem Wasserstoff zugemischt wird, um dessen Wirkung auf einen Brennstoffzellenstapel als zu testenden Verbraucher 10 beurteilen zu können.

[0026] Hierzu ist der Verbraucher 10 über eine Hauptgasleitung 12 mit einer Hauptgasquelle 14 fluidisch verbunden, in der der Wasserstoff enthalten ist. In der Hauptgasleitung 12 ist eine Massenstrommess- und Druckregeleinheit 16 angeordnet, in der der Druck der Hauptgasquelle 14 auf den für den als Brennstoffzelleneinheit ausgeführten Verbraucher 10 benötigten konstanten Druck heruntergeregelt und ein entsprechender Massenstrom für die Anodenseite des Verbrauchers 10 zur Verfügung gestellt wird.

[0027] Die Hauptgasquelle 14 ist zusätzlich über eine Hauptgasnebenleitung 18, die von der Hauptgasleitung 12 abzweigt, und in der ein erster Massenstromregler 20 angeordnet ist, mit einem Speicherbehälter 22 verbunden, der in vorliegendem Ausführungsbeispiel als Gasteilerrohr ausgebildet ist und ein entsprechend kleines Volumen aufweist, welches beispielsweise lediglich der Verrohrung des Gasteilers entsprechend kann. Durch dieses sehr kleine Volumen steht eine Zusammensetzungsänderung sofort zur Verfügung, während ein zu großer Speicherbehälter eine Konzentrationsänderung dämpfen würde und gegebenenfalls entmischend wirken könnte.

[0028] Der Speicherbehälter 22 ist zusätzlich über eine Zusatzgasleitung 24, in der ein zweiter Massenstromregler 26 angeordnet ist, mit einer Zusatzgasquelle 28 verbunden, in der das beizumischende Gas, beispielsweise Kohlenmonoxid, gespeichert ist. Durch die Massenstromregler 20, 26 werden dem Speicherbehälter 22 zwei geregelte Massenströme zugeführt, so dass dem Speicherbehälter 22 ein Mischgas mit einem definierten Mischungsverhältnis zugeführt wird.

[0029] Vom Speicherbehälter 22 führt eine Entlüftungsleitung 30 nach außen, in der ein Rückschlagventil 32 angeordnet ist, so dass dem Speicherbehälter 22 kontinuierlich und unabhängig vom Verbrauch des Mischgases immer das Mischgas mit einem gleichen Massenstrom und einem konstanten Druck zugeführt werden kann. Das Mischgas wird in eine erste Mischgasleitung 34 über einen dritten Massenstromregler 36 in eine Mischzone 38 gefördert, in der die Mischgasleitung 34 in die Hauptgasleitung 12 mündet, wo sich der Hauptgasstrom mit dem Mischstrom mischt. Im Betrieb ist das Rückschlagventil 32 stetig geöffnet, so dass der nicht benötigte erzeugte Mischgasstrom stetig abgeführt wird. Entsprechend wird eine zweistufige Verdünnung des Zusatzgases mit dem Mischgas hergestellt, um das Messgas zu erzeugen. Dieses Messgas wird über eine Auslassleitung 40 dem Verbraucher 10, also im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit zugeführt und kann durch Anderung der Massenströme in der Hauptgasnebenleitung 18 und der Zusatzgasleitung 24 kontinuierlich verändert werden, wobei durch Verwendung eines kleinen Speichervolumens des Speicherbehälters 22 diese Anderung in sehr kurzen Zeitabschnitten erfolgen kann. Das Rückschlagventil 32 ist in diesem Fall stetig geöffnet, so dass ein geringer Mischgasstrom über die Entlüftungsleitung verloren geht, jedoch immer ein erstes Mischgas mit einem konstanten Druck zur Verfügung steht.

[0030] Wird nun beispielsweise der erste Massenstromregler 20 auf einen Volumenstrom von 10l/min eingestellt und der zweite Massenstromregler 26 auf einen Volumenstrom von 1ml/min so entsteht ein Mischgas mit einer Zusatzgaskonzentration im Speicherbehälter 22 von 100 ppm.

Wird nun ein Volumenstrom dieses Mischgases von erneut 1ml/min einem Hauptstrom von ebenfalls 10l/min zugemischt, entsteht eine Konzentration des Zusatzgases im Bereich von etwa 10ppb.

[0031] Um zusätzlich hochdynamisch auf Verbrauchsänderungen des Verbrauchers 10 reagieren zu können, wird, wie es in Figur 2 dargestellt ist, in der Hauptgasleitung 12 vor der Massenstrommess- und Druckregeleinheit 16 ein Pufferbehälter 42 angeordnet, in dem das Messgas gespeichert wird und der die Mischzone 38 bildet. Hierzu ist in vorliegendem Ausführungsbeispiel die Mischgasleitung direkt mit dem Pufferbehälter 42 verbunden. Des Weiteren ist zwischen dem Pufferbehälter 42 und der Hauptgasquelle 14 in der Hauptgasleitung 12 ein Ausgangsdruckregler 43 angeordnet, über den der Hauptgasstrom auf einen konstanten Druck heruntergeregelt wird, so dass an den Massenstromreglern keine Druckschwankungen entstehen.

[0032] Treten plötzliche Verbrauchssprünge des Verbrauchers 10 auf, können die drei Massenstromregler 20, 26, 36 lediglich verzögert reagieren, wodurch sich ohne Pufferbehälter 42 die Zusammensetzung des Messgases kurzzeitig deutlich verändern würde. Durch eine ausreichend große Auslegung dieses Pufferbehälters 42 ist im Pufferbehälter 42 über einen gewissen Zeitraum eine weitestgehend konstante Konzentration enthalten, auch wenn kurzzeitig zu wenig oder zu viel Zusatzgas zudosiert wird, denn bevor sich im Pufferbehälter die Konzentration messbar ändert, reagieren die Massenstromregler 20, 26, 36 wieder so, dass die gewünschte Konzentration im Pufferbehälter 42 vorliegt, indem kurzzeitig eine etwas größere beziehungsweise kleinere Zusatzgasmenge zudosiert wird um anschließend wieder die gewünschte Konzentration im Pufferbehälter 42 vorliegen zu haben. Entsprechend kann die Größe des Pufferbehälters 42 in Abhängigkeit der maximal zulässigen Abweichung der Konzentration ausgelegt werden.

[0033] In der Figur 3 ist eine erweiterte Variante der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführung können mehrere verschiedene Zusatzgase dem Hauptgas zudosiert werden, indem mehrere Einheiten parallelgeschaltet werden. Die Dosiereinheit weist entsprechend zunächst drei parallele erste Hauptgasnebenleitungen 18, 18°, 18“ auf, die mit der Hauptgasquelle 14 verbunden sind. In jeder dieser Hauptgasnebenleitungen 18, 18°, 18“ ist jeweils ein erster Massenstromregler 20, 20°, 20“ angeordnet. Des Weiteren weist die Dosiereinheit drei verschiedene Zusatzgasleitungen 24, 24‘, 24“ auf, die mit verschiedenen Zusatzgasquellen 28, 28‘, 28‘ verbunden sind und in denen jeweils ein zweiter Massenstromregler 26, 26‘, 26“ angeordnet ist. Jeweils eine der Hauptgasnebenleitungen 18, 18‘, 18“ und der Zusatzgasleitungen 24, 24‘, 24“ münden in einen ersten Speicherbehälter 22, 22‘, 22“ mit je einer Entlüftungsleitung 30, 30‘, 30“, in der ein Rückschlagventil 32, 32‘, 32“ angeordnet ist. Von jedem dieser Speicherbehälter 22, 22‘, 22“ strömt das Mischgas in jeweils eine erste Mischgasleitung 34, 34‘, 34“, in der jeweils ein dritter Massenstromregler 36, 36‘, 36“ angeordnet ist.

[0034] Die Dosiereinheit weist zusätzlich auch eine weitere Mischstufe auf. Hierzu sind mit der Hauptgasquelle 14 drei zweite Hauptgasnebenleitungen 44, 44‘, 44‘ verbunden, in denen jeweils ein vierter Massenstromregler 46, 46‘, 46‘ angeordnet ist, die jeweils in einen zusätzlichen zweiten Speicherbehälter 48, 48‘, 48“ münden, in den auch jeweils eine der ersten Mischgasleitungen 34, 34‘, 34‘ mündet, in denen jeweils der dritte Massenstromregler 36, 36‘, 36“ angeordnet ist. Dieser zweite Speicherbehälter 48, 48‘, 48“ ist wiederum jeweils erneut mit einer zweiten Entlüftungsleitung 50, 50‘, 50“ verbunden, in der jeweils ein zweites Rückschlagventil 52, 52‘, 52“ angeordnet ist.

[0035] Vom jeweiligen zweiten Speicherbehälter 48, 48‘, 48“ führt jeweils eine zweite Mischgasleitung 54, 54‘, 54‘, in der jeweils ein fünfter Massenstromregler 56, 56‘, 56‘ angeordnet ist, zum Pufferbehälter 42. Somit wird eine zusätzliche Mischstufe geschaffen, die es ermöglicht, das Zusatzgas in noch kleineren Konzentrationen dem Hauptgas zuzuführen und so einen Messgasstrom mit extrem kleinen Konzentrationen an Schadgas zu erzeugen.

[0036] Der Pufferbehälter 42 und damit die Mischzone 38 ist in diesem Ausführungsbeispiel über den Ausgangsdruckregler 43 und ein weiteres Rückschlagventil 58 in der Hauptgasleitung 12 mit der Hauptgasquelle 14 verbunden, wobei das Rückschlagventil 58 dazu dient zu verhindern, dass Messgas aus dem Pufferbehälter 42 zurück in Richtung der Hauptgasquelle und in die Hauptgas-

nebenleitungen 18, 18°, 18“, 44, 44‘, 44“ strömt. Zusätzlich führt vom Pufferspeicher 42 eine Rezirkulationsleitung 60 über eine Pumpe 62 und einen Gasmischer 64 zu drei Gasanalysatoren, 66, 66‘, 66“, die Jeweils einem der Zusatzgase zugeordnet sind und diese entsprechend hochempfindlich chemisch beziehungsweise physikalisch im Messgas in ihrer Menge bestimmen können. Entsprechend kann die Mischung des Messgases im Pufferbehälter stetig überprüft werden und, falls notwendig, über die Massenstromregler 20, 20‘, 20“, 26, 26‘, 26“, 36, 36‘, 36“, 46, 46‘, 46“, 56, 56‘, 56“ nachgeregelt werden.

[0037] Stromabwärts des Pufferbehälters 42 ist die Massenstrommess- und Druckregeleinheit 16, über die der Verbraucher 10 mit dem Messgas versorgt wird.

[0038] Alternativ ist es möglich, wie dies in Figur 4 dargestellt ist, auf den Pufferbehälter 42 zu verzichten und die Mischzone 38 mit einer zusätzlichen Entlüftungsleitung 68 mit einem Rückschlagventil 70 zu verbinden, über die stetig in der Mischzone vorhandenes Messgas abgeführt wird. In diesem Fall ist vor dem Rückschlagventil 58 in der Hauptleitung 12 stromabwärts der Abzweigung der Hauptgasnebenstromleitung 18 eine verstellbare Drossel 57 angeordnet, die als Nadelventil ausgeführt sein kann, um den Massenstrom in der Hauptleitung 12 einstellen zu können, so dass kein zu großer Massenstrom über die Entlüftungsleitung 68 verloren geht. Alternativ kann auch ein Massenstromregler eingesetzt werden. Die Gasanalysatoren 66, 66‘, 66“ sind in diesem Ausführungsbeispiel in der Entlüftungsleitung 68 stromaufwärts des Rückschlagventils 70 angeordnet.

[0039] Diese Version eignet sich besonders für Hauptgasströme, deren Gas kostengünstig zu erhalten ist und in ausreichenden Mengen vorliegt. Ist dies der Fall kann die Dosiereinheit mit sehr geringer Verzögerung geregelt werden, so dass kurzfristig Konzentrationen im laufenden Messbetrieb geändert werden können. Bei ausreichend großem anliegenden Druckgefälle und somit hoher Gasmenge, die über das Rückschlagventil 70 und die Entlüftungsleitung 68 abgeführt wird, können auch Verbrauchssprünge ausgeglichen werden, so dass ein hochtransienter Betrieb erreicht wird, in dem maximal genau dosiert wird. Dies ist beispielsweise auf der Kathodenseite, also der Luftseite einer Brennstoffzelle als Verbraucher 10 interessant, da die Luft als Hauptgasstrom kostengünstig dosiert werden kann, wodurch der Verlust über die Entlüftungsleitung 68 nicht stört. Des Weiteren ist eine solche Dosiereinheit sehr klein ausführbar, da auch auf den Pufferbehälter verzichtet werden kann und somit in der Dosiereinheit keine größeren Behälter mehr erforderlich sind, in denen eine Entmischung entstehen könnte. Auch entfällt die Rezirkulationsleitung.

[0040] Die beschriebenen Ausführungsformen ermöglichen entsprechend durch die mehrstufige Ausbildung sehr genaue Dosierungen eines oder mehrerer Zusatzgase in einen Hauptgasstrom, wobei Reingase zugemischt werden können. Die große Genauigkeit ist dabei sowohl für Mischungen erreichbar, in denen ähnliche Anteile miteinander vermischt werden als auch bei Zumischung einer oder mehrerer Zusatzgase im ppm, ppb oder ppt Bereich.

[0041] Je nach Ausführungsform kann eine solche Dosiereinheit kontinuierlich betrieben werden, wobei die Konzentrationen im Betrieb geändert werden können. Auch kann eine Konzentration bei sich schnell ändernden Verbrauchsmengen weitestgehend konstant gehalten werden. Auch wird ein Entmischen des Messgases vermieden.

[0042] Es sollte deutlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt ist, sondern verschiedene Modifikationen möglich sind. So können die Rückschlagventile auch durch UÜberdruckventile ersetzt werden, die ab einem definierten Druck öffnen. Entscheidend ist, dass durch die Verwendung dieser Ventile in den Entlüftungsleitungen immer ein Mischgas beziehungsweise Messgas mit einem ausreichenden Druck und damit in gewünschter Menge vorliegt, ohne den Massenstrom erst mit Verzögerung regeln zu müssen. Die Anzahl der in Reihe geschalteten Kreise und der parallelen Kreise ist je nach Anwendung anpassbar.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases mit einer Hauptgasquelle (14), einer Hauptgasnebenleitung (18; 18‘; 18‘), über die Hauptgas aus der Hauptgasquelle (14) förderbar ist und in der ein erster Massenstromregler (20; 20‘; 20‘) angeordnet ist, einer Zusatzgasquelle (28; 28‘; 28"), einer Zusatzgasleitung (24; 24‘; 24‘), über die Zusatzgas förderbar ist, und in der ein zweiter Massenstromregler (26, 26‘, 26“) angeordnet ist, einem Speicherbehälter (22; 22‘; 22“), der mit der Hauptgasnebenleitung (18; 18‘; 18“) und der Zusatzgasleitung (24; 24‘; 24‘) verbunden ist und in dem ein Mischgas aus dem Hauptgas und dem Zusatzgas gespeichert ist, einer Entlüftungsleitung (30; 30‘; 30‘), über die das Mischgas aus dem Speicherbehälter (22; 22‘; 22“) abführbar ist, einem Rückschlagventil (32; 32‘; 32“) oder Überdruckventil mit einem definierten Öffnungsdruck, welches in der Entlüftungsleitung (30; 30°; 30“) angeordnet ist, einer Mischgasleitung (34; 34‘; 34“), über die das Mischgas aus dem Speicherbehälter (22; 22‘; 22“) förderbar ist und in der ein dritter Massenstromregler (36; 36‘; 36‘) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischgasleitung (34; 34‘; 34“) und eine Hauptgasleitung (12), über die das Hauptgas förderbar ist, mit einer Mischzone (38) fluidisch verbunden sind, in die das Hauptgas aus der Hauptgasleitung (12) und das Mischgas aus der Mischgasleitung (34; 34‘; 34‘) strömen und aus der ein Messgas über eine Auslassleitung (40) zu einem Verbraucher (10) führbar ist.

2. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischzone (38) in oder stromaufwärts eines Pufferbehälters (42) ausgebildet ist, in dem das Messgas gespeichert ist.

3. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferbehälter (42) mit einer Rezirkulationsleitung (60) verbunden ist, über welche das Messgas aus dem Pufferbehälter (42) heraus und wieder hereinführbar ist und in der ein Gasanalysator (66, 66‘, 66‘) für das Zusatzgas angeordnet ist.

4. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auslassleitung (40) ein Auslassdruckregler (43) angeordnet ist.

5. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hauptgasleitung (12) zwischen der Hauptgasquelle (14) und dem Pufferbehälter (42) ein Rückschlagventil (58) angeordnet ist.

6. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinheit mehrere Hauptgasnebenleitungen (18, 18‘, 18“) mit jeweils einem ersten Massenstromregler (20, 20‘, 20“) und mehrere Zusatzgasleitungen (24, 24‘, 24‘) aufweist, die mit jeweils einer anderen Zusatzgasquelle (28, 28‘, 28“) verbunden sind und in denen jeweils ein zweiter Massenstromregler (26, 26‘, 26‘) angeordnet ist, wobei jeweils eine der Hauptgasnebenleitungen (18, 18‘, 18“) und eine der Zusatzgasleitungen (24, 24‘, 24“) mit einem Speicherbehälter (22, 22‘, 22“) verbunden sind, der mit je einer Entlüftungsleitung (30, 30‘, 30“) verbunden ist, in der ein Rückschlagventil (32, 32‘, 32“) oder Überdruckventil angeordnet ist, über welches das jeweilige Mischgas aus dem Speicherbehälter (22, 22‘, 22“) abführbar ist, und mit je einer Mischgasleitung (34, 34‘, 34‘) verbunden ist, über die das jeweilige Mischgas aus dem jeweiligen Speicherbehälter (22, 22‘, 22“) förderbar ist und in der jeweils ein dritter Massenstromregler (36, 36‘, 36‘) angeordnet ist, wobei alle Mischgasleitungen (34, 34‘, 34“) In die Mischzone (38) mit der Hauptgasleitung (12) führen.

7. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptgasnebenleitungen (18, 18‘, 18‘) alle mit der einen Hauptgasquelle (14) verbunden sind.

8. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mischzone (38) und dem ersten Speicherbehälter (22, 22‘, 22“) ein zweiter Speicherbehälter (48, 48‘, 48“) mit einer Entlüftungsleitung (50, 50‘, 50“) angeordnet ist, in der ein Rückschlagventil (52, 52‘, 52“) oder Überdruckventil angeordnet ist und in den die erste Mischgasleitung (34, 34‘, 34“) und eine zweite Hauptgasnebenleitung (44, 44‘, 44“) münden und der über eine zweite Mischgasleitung (54, 54‘, 54‘) mit der Mischzone (38) verbunden ist.

9. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Hauptgasnebenleitung (44, 44‘, 44‘), der ersten Mischgasleitung (34, 34‘, 34“) und der zweiten Mischgasleitung (54, 54‘, 54‘) jeweils ein Massenstromregler (36, 36‘, 36“, 46, 46‘, 46‘, 56, 56‘, 56‘) angeordnet ist.

10. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Mischzone (38) des Messgases eine Entlüftungsleitung (68) abzweigt, in der ein Rückschlagventil (70) oder UÜberdruckventil angeordnet ist.

11. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Entlüftungsleitung (68) ein Gasanalysator (66, 66‘, 66“) für jedes Zusatzgas angeordnet ist.

12. Dosiereinheit zur Erzeugung eines Mischgases nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Hauptgasquelle (14) und dem Rückschlagventil (58) in der Hauptgasleitung (12) ein Auslassdruckregler (43) angeordnet ist.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen