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Die
Erfindung betrifft eine Dämpfervorrichtung
eines Eduktversorgungssystems in einem Brennstoffzellensystem sowie
ein Zuführsystem nach
den Oberbegriffen der unabhängigen
Ansprüche.
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Brennstoffzellen
mit protonenleitenden Elektrolytmembranen (PEM-Brennstoffzellen)
eignen sich insbesondere für
mobile Anwendungen. Zum Betrieb derartiger Brennstoffzellen soll
Wasserstoff aus Methanol durch Wasserdampfreformierung und/oder partielle
Oxidation erzeugt werden. Bei beiden Prozessen ist die Förderung
und Dosierung der flüssigen Reaktanden
erforderlich. Einerseits muss Methanol und/oder Wasser in den Verdampfer
zudosiert werden, auf der anderen Seite muss zur Bereitstellung von
Prozesswärme
das Methanol zur anschließenden
Verbrennung zudosiert werden. Zudem ist eine ausreichende Befeuchtung
der bereitgestellten Prozessluft erforderlich. Insbesondere in dynamischen Betriebszuständen muss
das Wasser der geforderten Luftmenge so zudosiert werden, dass sich
immer eine gewünschte
relative Feuchte einstellt.
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Die
Versorgung der Brennstoffzelle mit Edukten bzw. Reaktanden wird
typischerweise durch mechanische Druckregler mittels Membransteuerung realisiert.
Bekannt ist auch eine Versorgung über elektronische Einspritzventile.
Bei mechanischen Dosiersystemen sind die Schwingungen zwar deutlich geringer
als die Druckstöße bei der
Dosierung mit Einspritzventilen. Einspritzventile wiederum haben gegenüber den
mechanischen Ventilen jedoch den Vorteil, dass der zu regelnde Differenzdruck
noch zusätzlich
variiert werden kann. Gerade bei elektronischen Einspritzventilen
kommt es jedoch durch die Taktung zu unerwünschten Druckstößen innerhalb des
Brennstoffzellensystems oder zu Druckschwingungen im Wasserstoffkreislauf.
Diese führen
zu einer mechanischen Belastung der Brennstoffzellenmembran, die
dadurch in ihrer Lebensdauer, beispielsweise aufgrund der Dauerschwingbelastung, eingeschränkt wird.
Im schlimmsten Fall kann dies nach längerer Belastung zu einem Membranbruch führen. Auch
kann es zu einer nachteiligen Durchmischung von Wasserstoff mit
Luft führen.
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In
der Patentschrift
DE
44 25 634 C1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
dosierten Zuführen
von Methanol und/oder Wasser aus einem Vorratsbehälter über eine
Zuführleitung
zu einem Brennstoffzellensystem offenbart, wobei in der Zuführleitung
ein Dosierventil vorgesehen ist. Es wird vorgeschlagen, dass stromauf
des Dosierventils eine Rückführleitung
von der Zuführleitung
abzweigt, und dass in der Rückführleitung
ein Differenzdruckregler vorgesehen ist, der einen Differenzdruck
zwischen Zuführleitung
und Brennstoffzellensystem auf einen vorgegebenen Wert einstellt.
Dadurch kann auf ein für
die Zufuhr aller Edukte einheitliches Dosiersystem bereitgestellt
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Dämpfervorrichtung
eines Eduktversorgungssystems in einem Brennstoffzellensystem zur
Verfügung
zu stellen, sowie ein Zuführsystem zum
dosierten Zuführen
von Edukten von einem Vorratsbehälter
zu einem Brennstoffzellensystem zu verbessern, um insbesondere die
unerwünschten Druckstöße zu vermeiden
oder zu reduzieren.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Bei
einer erfindungsgemäßen Dämpfervorrichtung
eines Eduktversorgungssystems in einem Brennstoffzellensystem mit
einer Brennstoffzelleneinheit sind ein in einem Hohlraum angeordnetes Dämpfervolumen
und ein ausgangsseitiger Strömungsquerschnitt
mit einem Drosselelement vorgesehen. Vorteilhaft dabei ist, dass
eine Druckbelastung der Brennstoffzellenmembran deutlich verringert
werden kann, wodurch deren Lebensdauer erhöht wird. Dies hat wiederum
günstige
Auswirkungen auf die Kosten. Zudem weist die erfindungsgemäße Dämpfervorrichtung
einen preisgünstigen
Aufbau auf. Hinzu kommt, dass eine bessere Regelbarkeit des Systems
erzielt werden kann, weil eventuell entstehende Schwingungen von
Systemdrücken
abgedämpft
werden können.
Diese können
zunächst durch
das im Zuführsystem
vorgesehene Dämpfervolumen
gepuffert und anschließend
durch das Drosselelement gedrosselt werden. Somit können durch Druckstöße entstehende
nachteilige Auswirkungen reduziert bzw. vermieden werden.
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Insbesondere
bei elektronischen Einspritzventilen ist das erfindungsgemäße Dämpfervolumen besonders
vorteilhaft, weil keine starken Druckpulse entstehen können, so
dass längere
Belastungen von vorneherein vermieden werden. Aber auch bei mechanischen
Dosiersystemen ist die erfindungsgemäße Dämpfervorrichtung günstig, denn
es kann damit eine Dauerschwingbelastung reduziert werden. Insbesondere
kann vermieden werden, dass sich derartige Systeme durch Eigenresonanzen
aufschwingen. Besonders geeignet ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Dämpfervorrichtung
bei der Dosierung von Wasserstoff als Edukt eines Brennstoffzellensystems.
Denkbar ist jedoch auch die Ausdehnung des Einsatzgebietes für alle anderen
flüssigen
und/oder insbesondere gasförmigen
Edukte, wie Luft oder auch Kühlwasser.
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In
einer vorteilhaften Weiterentwicklung kann das Drosselelement als
quer zur Strömungsrichtung angeordnete
Wandung mit wenigstens einem Loch ausgebildet sein. Durch das Loch
entsteht eine Verengung im Strömungsquerschnitt,
wodurch eine vorteilhafte Drosselwirkung hervorgerufen werden kann. In
einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung können mehrere
Löcher
in einer Wandung ausgebildet sein. Dadurch kann eine besonders günstige Abstimmung
der Druckverhältnisse
hervorgerufen werden.
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Bevorzugt
ist das Drosselelement als Zuschnürung ausgebildet, wodurch eine
erwünschte Verengung
des Strömungsquerschnitts
erzielt werden kann. Ist das Drosselelement betriebsparameterabhängig in
seiner Form und/oder Größe variabel, kann
eine besonders vorteilhafte Feinabstimmung mit der Wirkung eines
Feindosierventils erzielt werden.
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Günstigerweise
ist das Drosselelement aus einem flexiblen Material gebildet. Beispielsweise kann
die Wandung als Membran mit einem oder mehreren Löchern ausgebildet
sein.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung kann das Dämpfervolumen variabel einstellbar
sein, bevorzugt über
einen Kolben oder über
eine Membran, die mit einer Rücklaufleitung
verbunden sind. Hierdurch ist eine besonders sensible Einstellung
möglich.
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Besonders
bevorzugt sind mehrere strömungsmäßig jeweils
in Serie geschaltete Hohlräume und
Drosselelemente vorgesehen.
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In
einer bevorzugten Weitergestaltung kann ein Verhältnis der zu dosierenden Eduktmenge,
des Dämpfervolumens
und der Verengung so dimensioniert sein, dass ein Druckabfall über die
Verengung bei maximal dosierter Eduktmenge wesentlich größer ist
als ein im Betrieb zu erwartender Druckstoß durch Dosierung im Dämpfervolumen.
Der Druckstoß im Dämpfervolumen
berechnet sich dabei typischerweise nach der Formel
wobei Δt die Dauer des Dosierimpulses
angibt, P
system den Druck des Systems, V . den
dosierten Volumenstrom und V
Dämpf das Volumen des Dämpfers.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Zuführsystem
ist stromab einer Dosiereinrichtung eine Dämpfervorrichtung vorgesehen,
die wenigstens ein in einem Hohlraum angeordnetes Dämpfervolumen
und ein den Strömungsquerschnitt
der Zuführleitung
verengendes Drosselelement umfasst. Hierdurch können vergleichbare Vorteile
wie oben beschrieben erzielt werden.
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Der
Druckdämpfer
ist bevorzugt auf dem anodenseitigen Zuführsystem ausgebildet, wodurch eine
bei Wasserstoffzufuhr entstehende Druckbelastung der Brennstoffzellenmembran
reduziert wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Druckdämpfer auf
dem kathodenseitigen Zuführsystem ausgebildet
ist.
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Die
erfindungsgemäße Dämpfervorrichtung findet
bevorzugt Anwendung bei Brennstoffzellen für stationäre Anwendungen, für mobile
Anwendungen sowie für
Brennstoffzellensysteme zum Fahrzeugantrieb, z.B. zu Lande zu Wasser
oder auch in er Luft. Es sind jedoch auch andere Anwendungsbereiche möglich.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand
eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert, ohne
auf dieses Ausführungsbeispiel
beschränkt
zu sein.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Zuführsystems
von Edukten zu einem Brennstoffzellensystem;
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2a,
b eine Ausführungsform
einer Dämpfervorrichtung
eines Eduktversorgungssystems im Längsschnitt (2a)
und im Querschnitt (2b);
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3a,
b eine alternative Ausführungsform einer
Dämpfervorrichtung
eines Eduktversorgungssystems im Längsschnitt (3a)
und im Querschnitt (3b);
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4a,
b eine alternative Ausführungsform einer
Dämpfervorrichtung
eines Eduktversorgungssystems im Längsschnitt (4a)
und im Querschnitt (4b);
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5 eine
Ausführungsform
eines alternativen Zuführsystems
von Edukten; und
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6 eine
weitere Ausführungsform
gemäß 5.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Eduktversorgungssystems 10 zu
einer Brennstoffzelleneinheit 11. Eine bevorzugte Brennstoffzelleneinheit 11 umfasst
eine Mehrzahl von Brennstoffzellen, die vorzugsweise in Stapelbauweise
angeordnet sind, und bei dem ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel
in an sich bekannter Weise elektrisch in Serie und/oder parallel
geschaltet sein können,
um ein gewünschtes
Spannungs- und Stromniveau für
elektrische Verbraucher bereitstellen zu können. Die Brennstoffzelleneinheit 11 ist
vereinfacht durch eine Kathode 26 und eine Anode 27 dargestellt.
Der Kathode 26 wird über
eine kathodenseitige Zuführleitung 23a ein
Oxidationsmittel zugeführt, während die
Anode 27 über
eine anodenseitige Zuführleitung 23b ein
Reduktionsmittel zugeführt
wird. Reduktionsmittel und Oxidationsmittel reagieren in den Brennstoffzellen
der Brennstoffzelleneinheit miteinander, und Reaktionsprodukte werden über nicht näher dargestellte
kathodenseitige und anodenseitige Abführleitungen abgeführt. Bei
der Reaktion entsteht eine elektrische Spannung an der Brennstoffzelleneinheit,
die für
elektrische Verbraucher, insbesondere ein elektrischer Fahrantrieb,
zur Verfügung gestellt
werden kann.
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Weitere,
an sich bekannte Details eines Brennstoffzellensystems, wie z.B.
etwaige Vorratstanks für
die Betriebsmedien, eine etwaige Gaserzeugung zur Erzeugung von
Wasserstoff oder eines wasserstoffreichen Reformats als Brennmittel, Abgasnachbehandlung,
eine etwaige Kühlung
und dergleichen, sind nicht dargestellt, können jedoch vorgesehen sein.
Vorzugsweise werden Luft als Oxidationsmittel und Wasserstoff als
Brennmittel verwendet. Selbstverständlich sind auch andere geeignete
Betriebsmedien denkbar, wie etwa reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel
oder Methanol als Brennmittel, z.B. in so genannten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen
oder Dimethylether und weitere, an sich bekannte und übliche Betriebsmedien
zum Betreiben von Brennstoffzellen.
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In
dem dargestellten Zuführsystem
werden Edukte entlang einer Hauptströmungsrichtung 16 aus
einem Vorratsbehälter 22 über eine
Zuführleitung 23 mit
einem Strömungsquerschnitt 14 zu einer Brennstoffzelleneinheit 11 zugeführt. Zwischen
dem Vorratsbehälter 22 und
der Brennstoffzelleneinheit 11 ist eine Dosiereinrichtung 24 angeordnet.
In einem Hohlraum 12 ist ein Dämpfervolumen 13 angeordnet. Ausgangsseitig
ist ein Strömungsquerschnitt 14 mit einem
Drosselelement 15 vorgesehen. Mit dem Dämpfervolumen 13 im
Zuführsystem
sowie dem Drosselelement 15 in der Dämpfervorrichtung ist eine bessere
Regelbarkeit des Systems erzielbar, weil eventuell entstehende Schwingungen
von Systemdrücken
abgedämpft
werden können.
Diese werden zunächst
durch das im Zuführsystem
vorgesehene Dämpfervolumen 13 gepuffert
und anschließend durch
das Drosselelement 15 gedrosselt. Somit können durch
Druckstöße entstehende
nachteilige Auswirkungen reduziert bzw. vermieden werden.
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In
den 2 bis 4 sind
jeweils Dämpfervorrichtungen 25 in
alternativen Ausführungsformen dargestellt,
wobei die 2a, 3a, 4a jeweils einen
Längsschnitt
und die 2b, 2c und 2d einen Querschnitt zeigen. Das Drosselelement 15 kann
betriebsparameterabhängig
in seiner Form und/oder Größe variabel
ist. Das Drosselelement 15 ist bevorzugt jeweils aus einem
flexiblen Material gebildet. Die Dämpfervorrichtung 25 ist
hier insbesondere auf dem anodenseitigen Zuführsystem zum dosierten Zuführen von
Wasserstoff als Edukt ausgebildet. Denkbar ist auch eine kathodenseitige
Dämpfervorrichtung zur
Zufuhr von Oxidationsmittel.
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In
den 2a und 2b ist
das Drosselelement 15 als quer zur Strömungsrichtung 16 angeordnete
Wandung 17, insbesondere als Membran mit einem Loch 18,
ausgebildet, wobei das Loch 18 mittig angeordnet ist.
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Die 3a und 3b zeigen
ein Drosselelement 15 mit einer entsprechenden Wandung 17,
in welchen mehrere Löcher 18 angeordnet
sind. Es sind alternative Ausführungsformen
mit einer beliebigen Anzahl, Größe und Anordnung
von Löchern 18 denkbar,
um eine betriebsparameterabhängige
Einstellung zu erzielen.
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In
den 4a und 4b ist
das Drosselelement als Zuschnürung 19 ausgebildet,
die im Querschnitt eine zentrale Öffnung aufweist.
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Die
Darstellung in 5 entspricht jener in 1,
so dass zur Meidung von Wiederholungen auf die dortigen Ausführungen
verwiesen wird. Im Unterschied zu 1 ist das
Dämpfervolumen 13 variabel einstellbar,
und zwar insbesondere über
einen Kolben 20a und/oder eine Membran 20b, die
mit einer nicht näher
dargestellten Rücklaufleitung
verbunden sind. Hierdurch ist eine besonders sensible Einstellung
möglich.
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In 6 ist
schematisch eine alternative Anordnung eines Zuführsystems von Edukten zu einem Brennstoffzellensystem
dargestellt, wobei mehrere strömungsmäßig jeweils
in Serie geschaltete Hohlräume 12 und
Drosselelemente 15 vorgesehen sind. Ein Verhältnis der
zu dosierenden Eduktmenge, des Dämpfervolumens 13 und
der Verengung 21 ist bevorzugt so dimensioniert, dass ein
Druckabfall über die
Verengung 21 bei maximal dosierter Eduktmenge wesentlich
größer ist
als ein im Betrieb zu erwartender Druckstoß durch Dosierung im Dämpfervolumen 13.
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- 10
- Eduktversorgungssystem
- 11
- Brennstoffzelleneinheit
- 12
- Hohlraum
- 13
- Dämpfervolumen
- 14
- Strömungsquerschnitt
- 15
- Drosselelement
- 16
- Strömungsrichtung
- 17
- Wandung
- 18
- Loch
- 19
- Zuschnürung
- 20a
- Kolben
- 20b
- Membran
- 21
- Verengung
- 22
- Vorratsbehälter
- 23
- Zuführleitung
- 23a
- anodenseitige
Zuführleitung
- 23b
- kathodenseitige
Zuführleitung
- 24
- Dosiereinrichtung
- 25
- Dämpfervorrichtung
- 26
- Kathode
- 27
- Anode
