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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zufuhr wenigstens zweier flüssiger Medien zu Verbrauchern einer Brennstoffzellenanlage.
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Stand der Technik
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Besonders im Zusammenhang mit künftigen Antriebskonzepten von Fahrzeugen gewinnt die Brennstoffzellentechnologie immer mehr an Bedeutung. Brennstoffzellen bieten die Möglichkeit, chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln, die anschließend mit Hilfe eines Elektromotors in mechanische Antriebsenergie überführt werden kann. Im Gegensatz zu Wärmekraftmaschinen ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle nicht durch den Carnot'schen Wirkungsgrad begrenzt. Derzeit bevorzugte Brennstoffzellen verbrauchen Wasserstoff und Sauerstoff und setzen diese Elemente in das umweltfreundliche Endprodukt Wasser um.
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Auf Grund der technischen Probleme bei der Wasserstoffspeicherung in Fahrzeugen ist man dazu übergegangen, den Wasserstoff bei Bedarf durch eine sogenannte Reformierung oder partielle Oxidation von Kohlenwasserstoffen zu erzeugen. Derartige Kohlenwasserstoffe liegen in Form herkömmlicher Kraftstoffe wie Benzin oder Diesel vor, es könnten jedoch auch andere Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methan oder Methanol, hierzu verwendet werden.
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In Verbindung mit einem Brennstoffzellenantrieb stellen sich an die entsprechende Vorrichtung zur chemischen Umsetzung, d. h. der Reformierung der Kraftstoffe in Wasserstoff gegenüber bisherigen chemischen Anlagen, besondere Anforderungen.
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Eine derartige Anordnung muss einer erheblichen Lastspreizung, d. h. großer Unterschiede im benötigten Volumenstrom an Wasserstoff und dementsprechend auch der zur Erzeugung des Wasserstoffs erforderlichen Medien, gerecht werden, wobei ein entsprechendes dynamisches Verhalten zur Erzeugung der gewünschten Schwankungen im Volumenstrom der Medien innerhalb kurzer Zeit gewährleistet sein muss. Daneben muss eine solche Anordnung ein gutes Kaltstartverhalten und eine große Betriebssicherheit bieten. Weitere Anforderungen im Hinblick auf Wirtschaftlichkeit bedingen ein geringes Gewicht in Verbindung mit einem kleinen Volumen und insbesondere niedrigen Herstellungskosten.
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Bei Brennstoffzellenanordnungen der beschriebenen Art sind zum einen verschiedene Medien, d. h. beispielsweise Wasser, Kraftstoff sowie Luft, zuzuführen. Zum anderen muss ein und dasselbe Medium, beispielsweise Kraftstoff, an unterschiedliche Anlagenkomponenten angeliefert werden. Je nach Ausgestaltung der Brennstoffzellenordnung kann beispielsweise ein Brenner zur Erzeugung von Reaktionswärme zum Umformen des Kraftstoffs sowie der sogenannte Reformer, in dem der Kraftstoff umgeformt wird, oder ein etwaiger vorgeschalteter Verdampfer mit demselben Kraftstoff versorgt werden.
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Ebenso sind in der Regel verschiedene Komponenten mit Wasser zu versorgen, beispielsweise wiederum der Reformer zur Umsetzung des Kraftstoffs, dem hierzu wiederum gegebenenfalls ein Verdampfer vorgeschaltet sein kann, sowie beispielsweise eine dem Reformer nachgeschaltete Einheit zur Durchführung einer sogenannten ”Shift-Reaktion”, in der aus der Reaktion im Reformer resultierende Restmengen an CO unter Zusatz von Wasser zu CO2 aufoxidiert werden, wobei wiederum Wasserstoff freigesetzt wird.
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Hierbei wird für den Betrieb einer Brennstoffzellenanlage Reinstwasser benötigt. Dieses zeichnet sich durch seine schlechte Schmierfähigkeit und hohe Korrosivität aus, so dass extreme Anforderungen besonders an für die Förderung und Verdichtung benötigte Pumpen gestellt werden. Dies erhöht den technischen Aufwand und somit auch die Kosten für entsprechende Anlagen.
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Bislang werden für jeden einzurichtenden Mengenstrom bei derartigen Brennstoffzellenanordnungen separate Dosiersysteme einschliesslich separater Differenzdruckregler verwendet, beispielsweise jeweils für Methanol und für Wasser, mittels derer die jeweils benötigte Stoffmenge des jeweiligen Mediums zugeführt wird. Eine Vereinfachung derartiger Brennstoffzellenanordnungen wird lediglich durch die Verwendung eines gemeinsamen Pumpenmotors realisiert. Derartige Brennstoffzellenanordnungen sind sehr aufwendig und entsprechend kostenträchtig.
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Weiterhin sind aus der
US 3 505 119 A und der
US 3 468 713 A Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen eine Druckübertragungseinheit vorgesehen ist, mittels der die Druckenergie eines in einem Druckgasspeicher bevorrateten Gases auf weitere Fluide des Brennstoffzellensystems übertragen werden kann. Darüber hinaus ist aus der
DE 197 28 800 C1 ein System zur Dialyse bekannt, bei dem über eine bewegliche Membran das Volumen an Dialyseflüssigkeit, das einem Patienten entnommen wird mit dem Volumen an Dialyseflüssigkeit, das dem Patentieten wieder zugeführt wird, in ein genaues Verhältnis setzt.
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Vorteile der Erfindung
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Demgegenüber hat die Erfindung die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Zulieferung wenigstens zweier flüssiger Medien für eine Brennstoffzellenanlage vorzuschlagen, die den oben angeführten Anforderungen gerecht wird und eine kostengünstige Fertigung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Stand der Technik der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch aus, dass wenigstens eine Druckübertragungseinheit zwischen den jeweils wenigstens zwei Medien mit wenigstens einem Übertragungselement vorgesehen ist, das wenigstens zwei mit den flüssigen Medien in Verbindung stehende Druckflächen zur Druckbeaufschlagung aufweist. Hierbei wird ein Druckpotenzial für ein Medium erzeugt, beispielsweise für das Kraftstoffmedium, insbesondere Benzin oder Diesel, und auf ein anderes Medium übertragen, das möglicherweise extreme Anforderungen an die zur Förderung und Verdichtung benötigten Pumpen stellt wie das beispielsweise bei Reinstwasser zutrifft.
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Komponenten zur Förderung und Verdichtung von beispielsweise Benzin oder Diesel sind als handelsübliche Einheiten in Einspritzanlagen für Kraftfahrzeuge erhältlich. Zur Bereitstellung der innerhalb der Brennstoffzellenanordnung benötigten Druckpotenziale können aus diesem Grund ausschließlich Standardkomponenten verwendet werden. Dementsprechend wird durch das Entfallen zusätzlicher teurer Pumpen für die Kompression eines Mediums, z. B. des hochkorrosiven Reinstwassers, und der einfachen Verschaltung von kostengünstigen Standardkomponenten eine Brennstoffzellenanlage weniger aufwendig und folglich kostengünstiger realisierbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Übertragungselement teilweise beweglich und/oder teilweise dehnbar ausgebildet, so dass insbesondere auch bei einer Veränderung der Volumina der betreffenden Medien, beispielsweise durch deren Verbrauch innerhalb der Brennstoffzellenanlage, eine einfache Realisierung der Druckpotenzialübertragung erfolgt.
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Vorteilhafterweise wird das Übertragungselement als Trennwand zwischen zwei Druckkammern ausgebildet, so dass sich eine kompakte Übertragungseinheit realisieren lässt.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung umfasst das Übertragungselement einen Kolben, einen Balg und/oder eine Membran. Mit diesen Übertragungselementen ist eine vergleichsweise einfache Druckübertragung möglich.
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Vorteilhafterweise weist die Druckübertragungseinheit wenigstens zwei Druckkammern für die flüssigen Medien auf, die vorzugsweise durch das Übertragungselement miteinander in Verbindung stehen. Diese Druckkammern können grundsätzlich in voneinander separaten Behältern ausgebildet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird jedoch ein Druckbehälter vorgesehen, der beide Druckkammern umfasst und beispielsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist, so dass sich die Herstellung der Druckübertragungseinheit vereinfacht, wobei sich zudem eine besonders kompakte Bauform ergibt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine Druckübersetzung durch unterschiedlich große Druckflächen des Übertragungselementes vorgesehen, so dass vorteilhafterweise die Bereitstellung des einen Mediums, beispielsweise des Reinstwassers, auf einem von dem Druckpotenzial des anderen Mediums, beispielsweise des Kraftstoffmediums, verschiedenen Druckniveau erfolgt. Beispielsweise werden häufig an die Zerstäubungsqualität des Reinstwassers weniger hohe Anforderungen gestellt, als an die des Kraftstoffs. Mit der gerade erwähnten Ausführungsform kann beispielsweise das Druckniveau der Reinstwassers den entsprechenden Anforderungen angepasst werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Druckübertragungseinheit eine Anordnung, die den Druck von wenigstens einer Druckkammer auf zwei oder mehrere Druckkammern überträgt. Das Druckpotenzial wenigstens eines Mediums kann hierbei vorteilhafterweise auf ein weiteres Medium mit mindestens zwei unterschiedlichen Druckpotenzialen oder auf mindestens zwei weitere, verschiedene Medien mit gleichen oder unterschiedlichen Druckpotenzialen übertragen werden.
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Mittels der gerade zuerst genannten Ausführungsform kann beispielsweise eine besonders einfache Anpassung an unterschiedliche Druckniveaus verschiedener Verbraucher innerhalb der Brennstoffzellenanlage realisiert werden, so dass hierfür eine deutliche Verringerung des technischen Aufwands und somit der Kosten erreicht wird.
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Mit Hilfe der gerade zuletzt genannten Ausführungsform können beispielsweise eventuelle Zusatzmedien, ohne großen Aufwand, innerhalb der Brennstoffzellenanlage mit Druck beaufschlagt werden. Folglich wird für mögliche komplexere Brennstoffzellenanlagen eine weitere deutliche Reduktion sowohl des technischen Aufwands als auch der Kosten erreicht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Steuerventil für ein Medium vorgesehen, um eine Anschlussleitung einer Druckkammer zwischen der Druckseite und der Saugseite einer oder mehrerer Pumpen zu schalten. Hiermit kann in vorteilhafter Weise eine getaktete Druckbeaufschlagung der Druckübertragungseinheit erreicht werden.
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Vorteilhafterweise ist wenigstens ein Steuerventil für ein Medium vorgesehen, um die Anschlussleitung einer Druckkammer zwischen einer Mediendosierung und einem Medienvorrat zu schalten. In dieser vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann ein zweites Medium im Taktbetrieb aus dem Vorrat entnommen und der Mediendosierung zugeführt werden.
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In einer technisch vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind zwei oder mehrere Druckübertragungseinheiten phasenversetzt getaktet, so dass eine ununterbrochene dauerhafte Dosierung der Medien realisiert wird.
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Beim Umschalten der bereits erwähnten Steuerventile kann in einer besonderen Ausführung ein Druckabfall vermieden werden, indem zusätzlich ein entsprechender Druckspeicher in die Anordnung zwischen Steuerventil und Dosierung eingefügt wird.
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Werden beispielsweise die zwei oder mehreren phasenversetzt getakteten Übertragungseinheiten in einem gemeinsamen Druckbehälter angeordnet, wird eine besonders vorteilhafte Vereinfachung der Anordnung realisiert. Hierbei erfolgt sowohl eine enorme Verringerung des technischen Aufwands aufgrund der besonders kompakten Bauweise, als auch der Kosten für entsprechende Brennstoffzellenanlagen.
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In besonders vorteilhaften Ausführungsformen sind zwei oder mehrere Druckübertragungseinheiten vorgesehen und diese in einem oder mehreren Druckbehältern angeordnet, so dass sich je nach Verschaltung bzw. Anordnung entsprechender Steuerventile, beispielsweise bei zwei zu berücksichtigenden Medien, ein Betrieb der Brennstoffzellenanlage ergibt, bei dem die Medien verschiedenen Verbrauchern voneinander unabhängig zugeführt werden können, d. h. beispielsweise kann das zweite Medium durch verschiedene Druckübertragungseinheiten mit verschiedenen Druckpotenzialen versehen und entsprechenden verschiedenen Verbrauchern zugeführt werden.
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Weiterhin können in einer vorteilhaften Ausführungsform mit zwei oder mehreren Druckübertragungseinheiten verschiedene Medien unabhängig und/oder abhängig voneinander druckbeaufschlagt werden, d. h. beispielsweise kann ein Medium sein Druckpotenzial auf ein oder mehrere weitere Medien übertragen. Hiermit können besonders komplexe und/oder flexible Brennstoffzellenanlagen mit geringem Aufwand und folglich kostengünstig verwirklicht werden.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem beweglichen Kolben als Übertragungselement,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem beweglichen Balg als Übertragungselement,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer dehnbaren Membran als Übertragungselement,
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel mit einem dehnbaren Ballon als Übertragungselement,
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel mit einem beweglichen Kolben zur Druckübersetzung als Übertragungselement,
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6 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Druckübertragungseinheit mit beweglichen Kolben für drei verschiedene Medien,
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7 ein Fließbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Druckübertragungseinheit und
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8 ein Fließbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit zwei phasenversetzt getakteten Druckübertragungseinheiten.
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In 1 ist eine Druckübertragungseinheit 20 für zwei Medien M1, M2 dargestellt, die einen Zylinder 1, einen beweglichen Kolben 2 mit den beiden Druckflächen D1, D2 und zwei Druckkammern K1, K2 umfasst. Die Medien M1, M2 werden über die Anschlüsse A1, A2 der Druckübertragungseinheit 20 zu- bzw. abgeführt. Hiermit wird eine besonders kompakte Bauform der Druckübertragungseinheit 20 realisiert, wobei in dieser Ausführungsform aufgrund der gleich großen Druckflächen D1, D2 der auf das Medium M2 übertragene Druck dem Druck des Mediums M1 entspricht.
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In 2 ist eine Druckübertragungseinheit für zwei Medien M1, M2 dargestellt, die einen Zylinder 1a, einen beweglichen Balg 3 mit einer Platte 4 und zwei Druckkammern K1, K2 umfasst. Bei Lageveränderung der Platte 4 verhindert die Nut 5 den Einschluss des Mediums M1 in den äußeren Zwischenräumen des Balgs 3, da über die Nut 5 die äußeren Zwischenräume des Balgs 3 stets mit der Druckkammer K1 verbunden sind. Die Medien M1, M2 werden über die Anschlüsse A1, A2 der Druckübertragungseinheit 20 zu- bzw. abgeführt.
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In 3 ist eine Druckübertragungseinheit für zwei Medien M1, M2 dargestellt, die einen Zylinder 1b, eine dehnbare Membran 6 und zwei Druckkammern K1, K2 umfasst. Die gestrichelten Linien der 3 stellen verschiedene Lagen der Membran 6 bei verschiedenen Volumenverhältnissen zwischen den beiden Druckkammern K1, K2 dar. Die Medien M1, M2 werden über die Anschlüsse A1, A2 der Druckübertragungseinheit 20 zu- bzw. abgeführt.
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In 4 ist eine Druckübertragungseinheit für zwei Medien M1, M2 dargestellt, die einen Zylinder 1c, einen dehnbaren Ballon 7 und zwei Druckkammern K1, K2 umfasst. Die Nut 5a dient dazu, dass wenn der Ballon 7 bei Volumenzunahme des Mediums M1 gegebenenfalls die Druckkammer K2 in zwei Teilkammern aufteilt, diese Teilkammern miteinander zu verbinden. Die gestrichelten Linien der 4 stellen verschiedene Lagen des Ballons bei verschiedenen Volumina dar. Die Medien M1, M2 werden über die Anschlüsse A1, A2 der Druckübertragungseinheit 20 zu- bzw. abgeführt.
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In 5 ist eine Druckübertragungseinheit mit Druckübersetzung für zwei Medien M1, M2 dargestellt, die einen Zylinder 1d und einen beweglichen Kolben 2a mit zwei verschieden großen Druckflächen D1, D2 umfasst. Bei Lageveränderung des Kolbens 2a wird das Volumen der Innenkammer 28 verändert. Die Entlüftung 8 ermöglicht hierbei einen Druckausgleich der Innenkammer 28 mit dem Umgebungsdruck. Die Medien M1, M2 werden über die Anschlüsse A1, A2 der Druckübertragungseinheit 20 zu- bzw. abgeführt.
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In 6 ist eine Druckübertragungseinheit für drei Medien M1, M2, M3 dargestellt, die drei Zylinder 1e, f, g und drei starr miteinander verbundene bewegliche Kolben 2b umfasst. Die Medien M1, M2, M3 werden über die Anschlüsse A1, A2, A3 der Druckübertragungseinheit 20 zu- bzw. abgeführt. Mit dieser Ausführungsform können beispielsweise ausgehend von einem Medium M1 zwei verschiedene Medien M2, M3 erfindungsgemäß druckbeaufschlagt werden. weiterhin können beispielsweise zwei stofflich gleiche Medien M2, M3, bei unterschiedlich großen Druckflächen D2, D3 erfindungsgemäß mit unterschiedlichen Druckpotentialen beaufschlagt werden.
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In dem Fließbild gemäß 7 sind mit gestrichelten Linien Steuerleitungen und mit durchgezogenen Linien Medienleitungen dargestellt. Das Medium M1 wird aus dem Vorratstank 9 über ein Ventil 10 zur Füllpumpe 11 geleitet. Bezüglich der Förderrichtung hinter der Füllpumpe 11 ist die Verzweigung 12 so angeordnet, dass das Medium M1 mit dem Fülldruckpotenzial einerseits an der Stelle 13 für etwaige Niederdruckverbraucher zur Verfügung steht. Andererseits wird mit der Füllpumpe 11 der benötigte Vordruck der Hochdruckpumpe 14 erzeugt, wobei der Vordruck über das Steuerventil 15 eingestellt wird. Überschüssiges Medium M1 läuft über einen Bypass zurück in den Vorratstank 9. Die Einstellung des Hochdrucks erfolgt entsprechend über das Steuerventil 1b, wobei wiederum überschüssiges Medium M1 über einen Bypass zurück in den Vorratstank 9 läuft.
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Mit Hilfe der Verzweigung 17 wird vorteilhafterweise das Medium M1 einerseits zur Dosierung 18 und andererseits über das Steuerventil 19 zur Druckübertragungseinheit 20 weitergeleitet.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Druck mittels dem Zylinder 1h und dem beweglichen Kolben 2c auf das Medium M2 übertragen. Im Gegentakt wird das Medium M2 vom Vorratstank 21 über das Steuerventil 22 der Druckübertragungseinheit 20 zugeführt. Weiterhin besitzt der Vorratstank 21 einen Rücklauf 23 aus der Brennstoffzellenanlage.
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Der Zulauf des Mediums M2 zu den Verbrauchern der Brennstoffzellenanlage erfolgt schließlich von der Druckübertragungseinheit 20 über das Steuerventil 22 zur Dosierung 24.
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In einer vorteilhaften Ausführung kann beispielsweise über die Stelle 13, das Medium M1 mit dem Fülldruckpotenzial an beliebige Verbraucher der Brennstoffzellenanlage zur Verfügung gestellt werden. Weiterhin kann beispielsweise an der Stelle 13 eine zweite Druckübertragungseinheit für das Fülldruckpotenzial angeordnet werden, so dass das Medium M2 oder ein weiteres Medium mit dem Fülldruckpotenzial beaufschlagt werden kann, wobei der Anschluss des Medium M2 oder eines weiteren Mediums für diese Ausführungsform nicht dargestellt ist.
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In einer weiteren vorteilhaften technischen Ausführungform wird, sofern kein Hochdruck innerhalb der Brennstoffzellenanlage benötigt wird, die Hochdruckpumpe 14 sowie das Steuerventil 16 mit zugehörigem Bypass entfallen. Hiermit wird eine weitere Vereinfachung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht, die jedoch nicht in der Zeichnung dargestellt ist.
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Die Funktionsweise der dargestellten Ausführungsform wird nachfolgend näher erläutert.
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Wird in der Brennstoffzellenanlage das Medium M2 benötigt, so verschiebt sich der Kolben 2c in Richtung des Steuerventils 22. Das entnommene Volumen des Mediums M2 wird auf der Seite des Mediums M1 unter Verschiebung des Kolbens 2c über die Hochdruckpumpe 14 ersetzt.
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Vorteilhafterweise kann hierbei die Stellung oder die Geschwindigkeit des Kolbens 2c über einen Sensor 25 erfasst, beispielsweise über einen induktiven Aufnehmer, und zur Bestimmung des Volumenstromes des Mediums M2 an die Steuerung 26 weitergeleitet werden. Beispielsweise kann hiermit der Vorrat des Mediums M2 im Zylinder 1h in einfacher Weise ermittelt werden. Dies ist für die weitere Funktionsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung, vgl. unten, von entscheidender Bedeutung.
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Die Position des Kolbens 2c kann in einer weiteren Ausführungsform mit Hilfe eines in der Steuerung 26 abgelegten Kennfeldes bestimmt werden, das über die Kolbenfläche D2 und die Integration des Massenstromes über der Zeit die Verschiebung des Kolbens 2c ermittelt, wobei die Ermittlung des Massenstroms in der Zeichnung nicht aufgeführt ist. Hierbei kann vorteilhafterweise, bei bereits vorhandener Messung des Massenstroms von Medium M2 innerhalb der Brennstoffzellenanlage, die Bestimmung der Kolbenposition, und somit der Vorrat von Medium M2 im Zylinder 1h, ohne zusätzliche Komponenten realisiert werden.
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Ist der Vorrat des Mediums M2 im Zylinder 1h aufgebraucht, werden die Steuerventile 10, 19 und 22 über die Steuerung 26 geschaltet. Die Füllpumpe 14 saugt den Kraftstoff aus dem Zylinder 1h ab, der Kolben 2c bewegt sich in Richtung des Steuerventils 19, wodurch der Zylinder 1h aus dem Vorratstank 21 wieder mit dem Medium M2 gefüllt wird. Die Befüllung des Vorratstanks 21 kann beispielsweise über einen entsprechenden Medienkreislauf der Brennstoffzellenanlage erfolgen.
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Ist im Zylinder 1h wieder eine ausreichende Menge des Mediums M2 vorhanden, so werden die Steuerventile 10, 19 und 22 wieder geschaltet, so dass der Dosierung 24 erneut das Medium M2 unter Druck zur Verfügung steht.
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Die dargestellte Ausführungsform ermöglicht keine ständige Dosierung des Mediums M2, da der Zylinder 1h nach dem Leerlaufen wieder gefüllt werden muss. Dieser Füllvorgang kann zwar durch Steigerung der Förderleistung der Füllpumpe 11 verkürzt werden, dennoch bleibt eine gewisse Zeit, in der keine Dosierung 24 des Mediums M2 möglich ist. Für Anwendungen, bei denen das Medium M2 nur bei bestimmten Betriebszuständen dosiert werden muss, ist diese Ausführungsform ausreichend wie beispielsweise bei Kaltstart oder Lastwechsel.
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In 8 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform dargestellt, mit der eine dauerhafte Dosierung des Mediums M2 realisiert wird. Die Funktionsweise der in 7 dargestellten Ausführungsform wie beispielsweise der Steuerung, der Druckerzeugung oder der Druckübersetzung, gelten für die 8 im übertragenen Sinne.
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Im Ausführungsbeispiel der 8 wird eine besonders einfache Ausführungsform von zwei phasenversetzt getakteten Zylinderkammern verwendet. Hierbei wird ein entsprechender Zylinder 1i mit einem Doppelkolben 2d verwendet. Für die Befüllung des Zylinders 1i mit dem Medium M1 wird ein Steuerventil 19a verwendet. Für die Rückführung des Mediums M1 in den Vorratstank 9a wird ein Steuerventil 19b verwendet.
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Entsprechend wird für die Befüllung des Zylinders 1i mit dem Medium M2 ein Steuerventil 22a und für die Zufuhr des Mediums M2 zur Dosierung 24 ein Steuerventil 22b verwendet. Hierbei wird zwischen dem Steuerventil 22b und der Dosierung 24 ein Druckspeicher 27 eingefügt, der einen Druckabfall beim Umschalten der Steuerventile vermeidet.
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Die Funktionsweise der in 8 dargestellten Ausführungsform wird nachfolgend näher erläutert.
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In der vorteilhaften Ausführung des Zylinders 1i als Mehrkammerzylinder mit einem beweglichen Kolben 2d, der vorteilhafterweise als beweglicher Doppelkolben ausgeführt ist, wird eine ständige Versorgung der Brennstoffzellenanlage mit durckbeaufschlagtem Medium M2 sichergestellt.
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Das Medium M1 wird von der Hochdruckpumpe 14 oder der Füllpumpe 11 abwechselnd in die zwei Innenkammern 28a, b gefördert und das Druckpotenzial des Mediums M1 über den Kolben in die beiden Außenkammern 29a, b auf das Medium M2 übertragen.
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Während der Entnahme des Mediums M1 über die Dosierung 24 verschiebt sich der Kolben 2d. Das in der Innenkammer 28a befindliche Medium M1 wird zurück in den Vorratstank 9a gefördert und die Außenkammer 29a aus dem Vorratstank 21a mit Medium M2 gefüllt. Ein Schalten der Ventile bewirkt, dass sich die Bewegungsrichtung des Kolbens 2d umkehrt. Das Medium M2 wird nun aus der Außenkammer 29a entnommen, die Innenkammer 28a mit dem Medium M1 befüllt, die Innenkammer 28b in den Vorratstank 9a entleert und die Außenkammer 29b mit Medium M2 aus dem Vorratstank 21a aufgefüllt. Druckabfälle vor dem Dosiersystem werden mittels Druckspeicher 27 vermieden.
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Eine weitere Ausführungsform, die eine ständige Versorgung der Brennstoffzellenanlage mit druckbeaufschlagtem Medium M2 gewährleistet, wird auch mit zwei getrennten Zylindern 1 und entsprechender Verschaltung mittels verschiedener Steuerventile erreicht, die jedoch hier nicht näher dargestellt und erläutert wird.
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Für erfindungsgemäße Vorrichtungen sind alle Kombinationen der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen möglich. Bei allen Kombinationen werden vorteilhafterweise Massenströme des Mediums M1, die über die Bypässe in den Vorratstank 9 zurückfließen, über eine Anpassung der Pumpendrehzahlen an die Stoffströme so gering wie möglich gehalten, so dass Verluste durch überhöhte Pumpenleistung minimiert werden und einer nachteiligen Erwärmung des Vorratstanks 9 vorgebeugt wird, was gerade in Brennstoffzellenanlagen zu vermeiden ist.
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Weiterhin wird in einer vorteilhaften Ausführungsform durch Messung der Kolbengeschwindigkeit, beispielsweise über einen induktiven Aufnehmer, eine einfache Bestimmung der dosierten Menge des Mediums M2 erreicht. Vorteilhafterweise wird die Messung des Volumenstroms bei der Dosierung zur Massenstromregelung genutzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 2
- Kolben
- 3
- Balg
- 4
- Platte
- 5
- Nut
- 6
- Membran
- 7
- Ballon
- 8
- Entlüftung
- 9
- Vorratstank
- 10
- Steuerventil
- 11
- Füllpumpe
- 12
- Verzweigung
- 13
- Stelle
- 14
- Hochdruckpumpe
- 15
- Steuerventil
- 16
- Steuerventil
- 17
- Verzweigung
- 18
- Dosierung
- 19
- Steuerventil
- 20
- Druckübertragungseinheit
- 21
- Vorratstank
- 22
- Steuerventil
- 23
- Rücklauf
- 24
- Dosierung
- 25
- Sensor
- 26
- Steuerung
- 27
- Druckspeicher
- 28
- Innenkammer
- 29
- Außenkammer
- A1
- Anschluß
- A2
- Anschluß
- A3
- Anschluß
- D1
- Druckfläche
- D2
- Druckfläche
- D3
- Druckfläche
- K1
- Kammer
- K2
- Kammer
- K3
- Kammer
- M1
- Medium
- M2
- Medium
- M3
- Medium
