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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Mischeinheit für eine Brennstoffzelle nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige
Mischeinheiten werden zur Entnahme von Reaktionsstoffen aus einem
jeweiligen Vorratsbehälter,
zum Mischen und Dosieren von Reaktionsstoffen sowie zur Zuführung dieses
Stoffgemisches in eine Brennstoffzelle, insbesondere in eine Direktmethanol-Brennstoffzelle
eingesetzt.
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Eine
Brennstoffzelle wird als umweltfreundliche und einen hohen Wirkungsgrad
aufweisende Stromquelle genutzt, bei der durch eine elektrochemische
Oxidation einer leicht oxidierbaren Substanz (z. B. Wasserstoff,
Hydrazin, Methanol) mit einem Oxidationsmittel (z. B. Sauerstoff,
Luft) chemische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt wird.
Dazu besitzt die Brennstoffzelle ein Elektrolyt und zwei Elektroden,
wobei an der Anode die oxidierbare Substanz und an der Kathode das
Oxidationsmittel kontinuierlich zugeführt werden. Bei einer Niedertemperaturbrennstoffzelle
und einer Mitteltemperaturbrennstoffzelle (0–150°C und 150–250°C) werden als Reaktionsstoffe
Sauerstoff und Wasserstoff oder Methanol verwendet. In einer Hochtemperaturbrennstoffzelle
werden dagegen bei 500 bis 1100°C reaktionsfähige Kohlenwasserstoffe
oder Stickstoff-Wasserstoff-Verbindungen (Ammoniak, Hydrazin) als
Brennstoffe eingesetzt.
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Der
Gegenstand der hier vorgestellten Vorrichtung betrifft vorzugsweise
die Direktmethanol-Brennstoffzelle.
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Eine
Direktmethanol-Brennstoffzelle besitzt einen Reformer mit einem
Anodenraum und einem Kathodenraum, die durch eine protonenleitende Membran
voneinander getrennt sind. In den Anodenraum wird kontinuierlich
ein verdampftes Methanol/Wasser-Gemisch
und in den Kathodenraum kontinuierlich Luft zugeführt, wobei
das verdampfte Methanol/Wasser-Gemisch zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid
und Kohlendioxid umgesetzt wird. Dabei wird das Mischen und die
kontinuierliche Zufuhr des verdampften Methanol/Wasser-Gemisch sowie
der Luft durch Pumpen realisiert.
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So
wird z. B. in der
DE
197 01 560 C2 auf der Anodenseite das Methanol/Wasser-Gemisch mit Hilfe
einer rotierenden Pumpe bei einem vorgegebenen Druck zirkuliert,
um an der Anode ständig
ein Überangebot
an Brennmittel zu gewährleisten.
Dabei wird in einem geschlossenem Regelkreis das Verhältnis von
Wasser zu Methanol in der Anodenzuleitung durch einen Sensor eingestellt,
der die Methanolkonzentration in der Anodenzuleitung misst. In Abhängigkeit
von diesem Sensorsignal erfolgt dann eine Konzentrationsregelung
für das
Methanol/Wasser-Gemisch, wobei das flüssige Methanol durch eine zweite
rotierende Pumpe aus einem Methanoltank über eine Methanolzuführungsleitung
angesaugt und in die Anodenzuleitung gedrückt wird.
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Weiterhin
ist bekannt, anstelle der rotierenden Pumpen Membranpumpen einzusetzen,
weil Membranpumpen gegenüber
rotierenden Pumpen einen geringeren mechanischen Verschleiß aufweisen,
da die mechanischen Teile nicht in direktem Kontakt mit dem zufördernden
Medium kommen und durch eine Membran geschützt sind. In der
EP 12 88 498 B1 wird ein
Anodenstromzirkulationssystem vorgestellt, bei dem Wasserstoff als
Brennmittel für
die Bereitstellung einer ausreichend hohen Konzentration mit einer
Membranpumpe um die Anode zirkuliert wird. Eine Zugabe von Wasserstoff
in diesen Zirkulationskreis erfolgt mit einer zweiten Pumpe aus
einem Wasserstoffvorratsbehälter.
Dazu wird die Wasserstoffkonzentration im Zirkulationskreis durch
einen Sensor gemessen. Die im Zirkulationskreis verwendete Membranpumpe
besteht aus einer einen Innenraum umgebenen Wand und einem in diesem
Innenraum befindlichen Kolben, wobei der Innenraum durch eine quer
angeordnete Membran in einen Teil mit und einem anderen Teil ohne
Kolben getrennt wird.
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Bei
beiden Ausführungsformen
ist aber von Nachteil, dass zwei Pumpen sowie ein Sensor benötigt werden.
Daraus resultiert eine große,
in der Herstellung aufwendige und teuere Vorrichtung.
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Von
besonderem Nachteil bei der Verwendung der beiden Ausfürungsformen
ist aber der mechanische Verschleiß der rotierenden Teile und
ihrer Lager, wodurch die rotierenden Pumpen wie auch die Membranpumpen
wartungsintensiv sind und eine relativ geringe Lebensdauer besitzen.
Außerdem
weisen sie einen relativ hohen Stromverbrauch auf und sind deshalb
für den
Einsatz zur Versorgung der Brennstoffzellen uneffizient. Da die
Pumpen und der Sensor im Normalbetrieb von der eigenen Brennstoffzelle
versorgt werden, belastet das den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
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Von
entscheidendem Nachteil beider zuvor genannten Vorrichtungen ist
aber die separate Bauform, in der alle Bauteile durch Leitungen
oder Schläuche
verbunden sind. Dadurch wird die gesamte Apparatur zu groß, was die
Einsatzfälle
einschränkt.
Auch wird dadurch die Herstellung zu aufwendig. Außerdem ist
sie durch Verwendung von flexiblen Schläuchen als Zuleitungen störanfälliger,
da sich die Schläuche
durch Erschütterungen
leicht von den Anschlüssen
lösen können. Auch
werden derartige Schläuche
schnell porös,
so dass die Brennstoffzelle häufig
nicht mit dem Brennmittel versorgt wird und deshalb ausfällt. Das
verringert die Verfügbarkeit der
Brennstoffzelle und erhöht
die Reparatur- und Wartungsleistung.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Mischeinheit
für eine Brennstoffzelle
zu entwickeln, bei der die Bauausführung platzsparend und kompakt
ist, wobei das maximale Füllvolumen
des Brennstoffvorratsbehälters ausgenutzt
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
2 bis 6.
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Die
lösungsgemäße Mischeinheit
für eine Brennstoffzelle
beseitigt die genannten Nachteile des Standes der Technik.
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Vorteilhaft
bei der Anwendung der lösungsgemäßen Mischeinheit
für eine
Brennstoffzelle ist es, dass die Fördereinrichtungen über eine
Steuereinheit angesteuerte Piezopumpen sind, mit denen eine vordefinierte
Methanolkonzentration des Methanol/Wasser-Gemisches in der Mischleitung
erreicht wird. Dadurch wird eine offene Steuerung realisiert, bei
der kein störungsanfälliger Sensor
zur Messung der Methanolkonzentration benötigt wird. Dabei wird die vordefinierte
Methanolkonzentration über
ein Bedienfeld eingegeben und von der Steuereinheit durch die Ansteuerung
der Piezopumpen umgesetzt, so dass die Mischeinheit im Aufbau einfach
und störungsfrei
ist.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn die Piezopumpen und die Mischleitung in
einem Pumpenmodul mit der Steuereinheit integriert sind, wobei das
Pumpenmodul mit der Steuereinheit auf ein die Methanolvorratskammer
und die Wasservorratskammer umfassendes Tankmodul aufgesetzt ist
und mit diesem eine kompakte Einheit bildet. Durch die kompakte
Bauart ist die Mischeinheit in der Herstellung einfach und kostengünstig sowie
für extreme
klimatische Umweltbedingungen geeignet.
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Dabei
ist es von besonderem Vorteil, wenn dann noch die Ansaugstutzen
der Piezopumpen jeweils mit einem in der Wandung des Tankmoduls
integrierten Saugkanal verbunden sind. Dadurch ist die kompakte
Mischeinheit platzsparend mit dem Tankmodul verbunden, wobei die
Wandung des Tankmoduls als Begrenzung der Vorratskammer und als
Träger
der Saugkanäle
eine Doppelfunktion übernimmt.
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Von
Vorteil ist es auch, wenn das Pumpenmodul und das Tankmodul über die
Dichtfläche
durch mehrere Verschraubungen kraftschlüssig miteinander verbunden
sind sowie die Vorratskammern des Tankmoduls nach oben offen sind
und durch jeweils eine Deckfläche
des Pumpenmoduls abgedeckt werden. Dadurch sind beide Module z.
B. zum Reinigen der Vorratskammer voneinander trennbar.
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Vorteilhaft
bei der Anwendung des Verfahrens zur Ansteuerung der Mischeinheit
ist es, dass mindestens eine Pumpe zur Förderung von Methanol aus der
Methanolvorratskammer mit einem veränderbaren Sollwert über die
Steuereinheit angesteuert, weil dadurch eine offene Steuerung realisiert
wird und ein Methanolsensor nicht benötigt wird. Von Vorteil ist
es auch, wenn der Sollwert konstant und über eine Zeitsteuerung oder über eine
manuelle Eingabe vorgebbar ist. Dadurch ist die Brennstoffzelle
ansteuerbar, wobei zu vorgegebenen Tageszeiten die Leistung auf
ein Minimum gedrosselt wird, wenn keine elektrische Energie benötigt wird.
Oder die Leistung der Brennstoffzelle ist auf einem Mittelwert einstellbar,
wenn nur ein Teil der durch die Brennstoffzelle maximal lieferbaren
elektrischen Energie benötigt wird.
Eine manuelle Eingabe kann zur kurzfristigen Änderung der Zeitsteuerung oder
zu Wartungszwecken genutzt werden. Von Vorteil ist es aber auch, wenn
der Sollwert in Abhängigkeit
von Betriebs- und Umweltmessdaten veränderbar ist, wobei die Sollwertvorgabe
durch ein in der Steuereinheit integriertes Künstlich-neuronales Netz erfolgt.
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Die
Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Dazu
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer neuen Mischeinheit für eine Brennstoffzelle
mit einem Vorratsbehälter
in einer Forderansicht,
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2 eine
schematische Darstellung der neuen Mischeinheit für eine Brennstoffzelle
mit einem Vorratsbehälter
in einer Seitenansicht,
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3 eine
schematische Darstellung der neuen Mischeinheit für eine Brennstoffzelle
mit einem Vorratsbehälter
in einer Draufsicht und
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4 Künstlich-neuronales
Netz der Steuereinheit.
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Diese
Figuren zeigen die neue Mischeinheit für eine Brennstoffzelle, die
aus einem quaderförmigen
Tankmodul 1 und einem quaderförmigen Pumpenmodul 2 mit
einer Steuereinheit 3 besteht. Das Pumpenmodul 2 mit
der Steuereinheit 3 ist derart auf das Tankmodul 1 aufgesetzt,
dass drei Außenseiten 4, 5 des
Pumpenmoduls 2 und des Tankmoduls 1 jeweils plan
miteinander abschließen
und eine längere Außenseite 5' des Pumpenmoduls 2 gegenüber der dazugehörigen längeren Außenseite 5' des Tankmoduls 1 übersteht.
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In
dem Tankmodul 1 sind nebeneinander eine Methanolvorratskammer 6 und
eine Wasservorratskammer 7 integriert, die jeweils nach
oben offen und durch das Pumpenmodul 2 abgeschlossen sind. Die
Methanolvorratskammer 6, die im Querschnitt kreisförmig ist,
weist einen Methanolzulauf 8 und einen Methanolüberlauf 9 auf.
Dabei befinden sich in gleichen Höhen der Methanolzulauf 8 im
oberen rechten Bereich der nicht überstehenden längeren Außenseite 5 und
der Methanolüberlauf 9 auf
der angrenzenden kürzeren
Außenseite 4 des
Tankmoduls 1.
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Die
in der Querschnittform eines Langloches ausgeführte Wasservorratskammer 7 besitzt
einen Wasserzulauf 10 und einen Wasserüberlauf 11. Der Wasserzulauf 10 ist
in gleicher Höhe
auf der dem Methanolüberlauf 9 gegenüberliegenden
kürzeren
Außenseite 4 des
Tankmoduls 1. Der Wasserablauf 10 befindet sich
ebenfalls im oberen rechten Bereich der nicht überstehenden längeren Außenseite 5 in
gleicher Höhe
neben dem Methanolzulauf 8, wobei der Wasserablauf 10 näher am Wasserzulauf 10 angeordnet
ist.
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Dabei
ist das Füllvolumen
der Wasservorratskammer 7 ungefähr doppelt so groß, wie das
Füllvolumen
der Methanolvorratskammer 6.
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In
der Wandung des Tankmoduls 1 sind zwischen der Methanolvorratskammer 6 und
der Wasservorratskammer 7 einerseits und der längeren Außenseite 5' anderseits
ein Methanolsaugkanal 12 und zwei Wassersaugkanäle 13 angeordnet.
Der Methanolsaugkanal 12 und die Wassersaugkanäle 13 sind über die
längere
Außenseite 5' gleichmäßig verteilt
und beginnen auf einer Dichtfläche 14.
Dabei mündet
der Methanolsaugkanal 12 in Bodennähe in die Methanolvorratskammer 6.
Die beiden Wassersaugkanäle 13 münden ebenfalls
bodennah jeweils in die Wasservorratskammer 7.
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Auf
der Dichtfläche 14 des
Tankmoduls 1 liegt eine Dichtfläche 14' des Pumpenmoduls 2 auf, wobei
zwischen den Dichtflächen 14, 14' ein Dichtungselement 15 angeordnet
ist und die beiden Module 1, 2 durch mehrere Verschraubungen 16 kraftschlüssig miteinander
verbunden sind.
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Das
Pumpenmodul 2 besitzt auf der Dichtfläche 14', jeweils in der Verlängerung
des Methanolsaugkanals 12 und der beiden Wassersaugkanäle 13 angeordnet,
einen Methanolansaugstutzen 17 und zwei Wasseransaugstutzen 18 sowie
zwei in der Verlängerung
der Methanolvorratskammer 6 und der Wasservorratskammer 7 ausgeformte
Kammerdeckflächen 19.
Dabei ragen der Methanolansaugstutzen 17 und die zwei Wasseransaugstutzen 18 sowie auch
die Kammerdeckflächen 19 geringfügig in das Tankmodul 1 hinein
und dienen als Führung
des Pumpenmoduls 2.
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Innerhalb
des Pumpenmoduls 2 sind drei Piezopumpen 20 derart
integriert, das sich ihr jeweiliger Sauganschluss 21 in
der Verlängerung
des Methanolsaugkanals 12 und des Methanolansaugstutzen 17 sowie
in der Verlängerung
der beiden Wassersaugkanäle 13 und
der beiden Wasseransaugstutzen 18 befindet.
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Die
Druckanschlüsse 22 der
drei Piezopumpen 20 sind über eine Mischleitung 23 mit
einem Methanol/Wasser-Gemischausgang 24 verbunden, der oberhalb
des Wasserzulaufes 10 auf der kürzeren Außenseite 4 des Pumpenmoduls 2 mündet.
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Während mit
der einen Piezopumpe 20 Methanol aus der Methanolvorratskammer 6 in
die Mischleitung 23 gefördert
wird, dienen die beiden anderen Piezopumpen 20 der Förderung
von Wasser aus der Wasservorratskammer 7 in die Mischleitung 23.
Dabei sind die Förderleistungen
der Piezopumpen 20 auf eine vordefinierte Methanolkonzentration des
Methanol/Wasser-Gemisches in der Mischleitung 23 zwischen
3 und 30 Ma.-%, also zwischen 3 und 30 kg Methanol in 100 kg Methanol/Wasser-Gemisch,
abgestimmt. Im Normalbetrieb liegen die Förderleistungen der Piezopumpen 20 zwischen
3 und 10 Ma.-%. Bei starkem Frost können die Förderleistungen der Piezopumpen 20 bis
auf 30 Ma.-% ansteigen.
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Auf
das Pumpenmodul 2 ist die Steuereinheit 3 zur
Ansteuerung der Piezopumpen 20 form- und kraftschlüssig befestigt.
Dazu weist die Steuereinheit 3 zur Stromversorgung der
Piezopumpen 20 einen Akkumulator 25 und einen
Spannungseingang 26 sowie zur manuellen Eingabe eingangsseitig
ein Bedienfeld 27 auf. Ausgangsseitig ist die Steuereinheit 3 elektrisch
mit den Piezopumpen 20 verbunden. Dabei werden die Piezopumpen 20 getrennt
voneinander angesteuert.
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In
die Steuereinheit 3 ist ein Künstlich-neuronales Netz 28 integriert,
womit die Piezopumpen 20 in Abhängigkeit von Betriebs- und
Umweltmessdaten angesteuert werden. Wie in 4 dargestellt
ist, sind die Betriebsmessdaten z. B. die Zellspannung der Brennstoffzelle
UZell und die berechneten Füllstände in der
Methanolvorratskammer 6 FCH3OH und
der Wasservorratskammer 7 FH2O.
Zu den Umweltdaten können
die Außentemperatur
TA und die Uhrzeit t zählen. Dabei sind als Betriebs-
und Umweltmessdaten auch andere Zustands- oder Prozessgrößen verwendbar.
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Alle
Betriebs- und Umweltmessdaten dienen als gleichgewichtete Eingangsgrößen in das
Künstlich-neuronale
Netz 28. Als Künstlich-neuronales Netz 28 ist
in 4 beispielhaft ein vorwärtsgerichtetes Multilager-Pereptron-Netz
dargestellt, wobei aber auch der Einsatz eines jeden anderen geeigneten Künstlich-neuronalen
Netzes denkbar ist.
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Die
Methanolvorratskammer 6, die Wasservorratskammer 7,
die Kammerdeckflächen 19,
der Methanolsaugkanal 12, die Wassersaugkanäle 13, der
Methanolansaugstutzen 17, die Wasseransaugstutzen 18,
die Piezopumpen 20, die Mischleitung 23 sowie
der Methanol/Wasser-Gemischausgang 24 bestehen aus einem
oder mehreren nichtrostenden und methanolresistenten Material.
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Um
die Mischeinheit für
eine Brennstoffzelle einsetzen zu können, sind die Methanolvorratskammer 6 und
die Wasservorratskammer 7 zu füllen. Dazu wird Methanol über den
Methanolzulauf 8 in die Methanolvorratskammer 6 und
Wasser über
den Wasserzulauf 10 in die Wasservorratskammer 7 gefüllt, bis
die jeweiligen Füllvolumen
erreicht sind. Dabei dienen der Methanolüberlauf 9 und Wasserüberlauf 11 der
Entlüftung.
Außerdem
ist einmalig das Künstlich-neuronale
Netz 28 zu trainieren. Dazu werden dem Künstlich-neuronalen
Netz 28 Lemdatensätze
vorgesetzt, die aus den Eingangs größen (Betriebs- und Umweltmessdaten)
sowie den dazugehörigen
Ausgangsgrößen (Förderleistungen
der Piezopumpen 20) bestehen. Aus diesen Lerndatensätzen wird
die optimale Netzstruktur des Künstlich-neuronalen
Netzes 28 ermittelt, wobei das Künstlich-neuronale Netz 28 mit
der optimalen Netzstruktur einen minimalen Fehler zwischen jedem
Lerndatensatz und der Nachbildung des jeweiligen Datensatzes durch
das Künstlich-neuronale
Netz 28 ist.
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Um
die Mischeinheit für
eine Brennstoffzelle in Betrieb zu nehmen, wird über das Bedienfeld 27 die
Steuereinheit 3 des Pumpenmoduls 2 eingeschaltet,
wobei die Steuereinheit 3 durch den Akkumulator 25 mit
einem elektrischen Strom versorgt wird. Ausgangsseitig werden nun
die Piezopumpen 20 voneinander getrennt und in Abhängigkeit
vom Künstlich-neuronalen
Netz 28 angesteuert, so dass die Piezopumpe 20 mit
unterschiedlichen Massenströmen
Methanol aus der Methanolvorratskammer 6 und Wasser aus
der Wasservorratskammer 7 in die Mischleitung 23 fördern. Das
in der Mischleitung 23 entstandene Methanol/Wasser-Gemisch
wird gleichzeitig über
den Methanol/Wasser-Gemischausgang 24 in einen Anodenraum
einer in den Figuren nicht dargestellten Brennstoffzelle gefördert.
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Mit
dem Erreichen des Anodenraumes der Brennstoffzelle wird das Methanol/Wasser-Gemisch, unter gleichzeitiger
Zufuhr von Luft in den Kathodenraum zu Wasserstoff, Kohlenmonoxid
und Kohlendioxid umgesetzt. Dabei entsteht elektrische Energie, von
der ein geringer Teil über
den Spannungseingang 26 von der Steuereinheit 3 zur
Stromversorgung genutzt wird. Der restliche Teil der elektrischen Energie
steht einem in den Figuren nicht dargestellten Verbraucher zur Verfügung.
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- 1
- Tankmodul
- 2
- Pumpenmodul
- 3
- Steuereinheit
- 4
- kürzere Außenseite
- 5,
5'
- längere Außenseite
- 6
- Methanolvorratskammer
- 7
- Wasservorratskammer
- 8
- Methanolzulauf
- 9
- Methanolüberlauf
- 10
- Wasserzulauf
- 11
- Wasserüberlauf
- 12
- Methanolsaugkanal
- 13
- Wassersaugkanal
- 14,
14'
- Dichtfläche
- 15
- Dichtungselement
- 16
- Verbindungsschraube
- 17
- Methanolansaugstutzen
- 18
- Wasseransaugstutzen
- 19
- Kammerdeckfläche
- 20
- Piezopumpe
- 21
- Sauganschluss
der Piezopumpe
- 22
- Druckanschluss
der Piezopumpe
- 23
- Mischleitung
- 24
- Methanol/Wasser-Gemischausgang
- 25
- Akkumulator
- 26
- Spannungseingang
- 27
- Bedienfeld
- 28
- Künstlich-neuronales
Netz