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Die
Erfindung betrifft ein Energieerzeugungssystem mit einem Antriebsaggregat
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten
Art.
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Energieerzeugungssysteme,
wie sie beispielsweise als Antriebssysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik vielfältig
bekannt. Insbesondere kann es sich bei dem Antriebsaggregat eines
solchen Systems dabei um einen Verbrennungsmotor handeln, welcher
in dem hier dargestellten Fall ein Gas, beispielsweise Erdgas oder
insbesondere Wasserstoff verbrennt und damit über Hubkolben
und eine Kurbelwelle mechanische Antriebsleistung erzeugt. Ebenso
wäre es denkbar, als Antriebsaggregat eine Brennstoffzelle
einzusetzen, welche ebenfalls ein Brenngas, insbesondere Wasserstoff,
in an sich bekannter Art und Weise mit Sauerstoff, welcher beispielsweise
der Luft entnommen wird, zu elektrischer Energie und Wasser umsetzt.
Die elektrische Energie kann dann über einen elektrischen
Fahrmotor zum Antrieb eines Fahrzeugs eingesetzt werden.
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Bei
Brenngasen, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas, die in Drucktanks
gespeichert werden, kommt es bei der Entnahme der Brenngase aus
dem Drucktank üblicherweise zu einer Abkühlung
des Gases beziehungsweise des Drucktanks und/oder einer Ventileinrichtung, über
welche das Brenngas entnommen und entspannt wird. Wird nun ein entsprechend
hoher Volumenstrom des Brenngases entnommen und/oder ist der Druck,
unter dem das Brenngas in dem Drucktank gespeichert ist, sehr hoch,
dann kann es zu einer sehr starken Abkühlung des Drucktanks
und insbesondere der Ventileinrichtungen kommen. Für bestimmte
Bauteile der Ventileinrichtung, insbesondere die Dichtungen und
dergleichen, ist dies außerordentlich nachteilig, da durch die
extreme Kälte eine Versprödung des Dichtungsmaterials
auftreten kann. Im weiteren Betrieb kann dies dann zu Undichtheiten
führen.
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Eine
Möglichkeit, um zu verhindern, dass es beispielsweise bei
der Entnahme von Wasserstoff aus einem Hochdrucktank zu einer extremen
Abkühlung kommt, kann darin liegen, dass die Leistung des Antriebsaggregats,
also beispielsweise eines Brennstoffzellensystems oder eines Verbrennungsmotors, entsprechend
gedrosselt wird, wenn eine zu starke Abkühlung des Drucktanks
und/oder der Ventileinrichtung zu befürchten ist. Eine
solche Leistungsreduzierung kann über einen geeigneten
Eingriff in eine Steuerungssoftware des Antriebsaggregats vergleichsweise
einfach realisiert werden. Sie verhindert dann eine zu starke Abkühlung,
hat jedoch den gravierenden Nachteil, dass die Leistungserzeugung des
Energieerzeugungssystems vorübergehend eingeschränkt
wird. Insbesondere beim Einsatz als Antriebssystem in einem Kraftfahrzeug
ist dies unerwünscht.
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In
der starken Abkühlung des Drucktanks für das Brenngas
kann außerdem ein weiteres Problem liegen. Wenn das Brenngas
unter einem entsprechend hohen Druck gespeichert ist, dann kann
eine sehr starke Abkühlung des Tanks beispielsweise auf bis
zu –30°C bis –40°C auftreten.
Auf der anderen Seite kommt es bei einer Betankung des Drucktanks mit
dem Brenngas zu einer deutlichen Erwärmung, beispielsweise
auf 70°C bis 80°C. Nun erfolgt die Berechnung
des Tankinhalts typischerweise über den Druck, die Temperatur
und das im Tank verfügbare Speichervolumen. Unter den oben
beschriebenen, sehr stark schwankenden Bedingungen, ist diese Berechnung
entsprechend schwierig und ungenau. Die zur Erfassung von Druck
und Temperatur an dem Drucktank angebrachten Sensoren müssen
einen relativ großen Messbereich abdecken. Außerdem
treten entsprechend starke Wechselwirkungen zwischen dem Druck und
der Temperatur über diesen relativ großen zu messenden
Temperaturbereich hinweg auf. Dadurch kommt es zu Ungenauigkeiten
bei der Berechnung des Tankinhalts. Wird das Energiesystem einem
Kraftfahrzeug eingesetzt, so stellt die Berechnung des Tankinhalts
einen entscheidenden Punkt dar, da über den Tankinhalt
die Restreichweite des Fahrzeugs und damit der geeignete Zeitpunkt zum
Nachtanken ermittelt werden kann. Kommt es nun zu sehr starken Schwankungen
in der Genauigkeit der Berechnung des Inhalts des Drucktanks, so ist
der errechnete Wert jeweils mit einer entsprechenden Sicherheit
zu versehen. Diese Sicherheit verursacht dann aber sehr häufig
das Problem, dass viel früher nachgetankt werden muss,
als dies eigentlich notwendig wäre. Damit leidet unter
den Temperaturschwankungen des Drucktanks letztlich der Bedienungskomfort
des Fahrzeugs.
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Aus
dem Stand der Technik zu dieser Thematik ist die
DE 10 2007 034 147 A1 bekannt.
Sie beschäftigt sich mit einem Abwärmestrom eines
Antriebsaggregats, welcher über entsprechende Leiteinrichtungen
zu Drucktanks für ein Brenngas geleitet wird und damit
für eine nicht zu starke Abkühlung der Drucktanks
sorgt. Nachteilig daran ist, dass sich der Abwärmestrom
eher gleichmäßig und breit über die Drucktanks
verteilt. Der maximale Abkühlungsgradient des Tanks ist
damit nicht nur von dem Abgaswärmestrom, sondern auch vom
Fahrtwind und damit letztlich der Fahrtgeschwindigkeit abhängig.
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Es
ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Energieerzeugungssystem
zu schaffen, welches diese Nachteile vermeidet, und welches einen
sehr guten Betrieb seiner Drucktanks zur Speicherung von Brenngas
gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
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Der
warme Abgasstrom des Antriebsaggregats wird also erfindungsgemäß so
geleitet, dass er in zumindest mittelbarem wärmeleitenden
Kontakt mit der Ventileinrichtung des Drucktanks steht. Diese wenigstens
eine Ventileinrichtung des Drucktanks ist die Stelle, an der das
Brenngas aus dem Drucktank entnommen wird und sich entsprechend
entspannt. Insbesondere an dieser Stelle entsteht also die unerwünschte
Kälte. Durch den zumindest mittelbaren wärmeleitenden
Kontakt eben dieser Stelle mit dem warmen Abgasstrom des Antriebsaggregats
wird ein erfindungsgemäßes System geschaffen,
welches die oben genannten Nachteile vermeidet und die erfindungsgemäße
Aufgabe löst. Die Verwendung des Abgasstroms hat dabei
den entscheidenden Vorteil, dass der Massenstrom des Abgases praktisch
proportional zu der über die Energieerzeugungseinrichtung
gewonnenen Leistung ist, da bei erhöhter Leistung ein erhöhter
Brenngasbedarf besteht, welcher dementsprechend einen erhöhten
Abgasstrom generiert. Nun kühlt sich jedoch der Drucktank
beziehungsweise die Ventileinrichtung genau dann am stärksten
ab, wenn eine hohe Entnahme von Brenngas erfolgt, also eine entsprechend
hohe Leistung des Energieerzeugungssystems gefordert ist. Da in diesen
Fällen dann auch der Abgasstrom entsprechend größer
wird, ergänzen sich diese Mechanismen ideal.
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Der
Abgasstrom ist im Allgemeinen außerdem mit Feuchtigkeit
beladen. Dies ist bei Verbrennungskraftmaschinen ebenso der Fall
wie bei Brennstoffzellen, wobei die Menge an Feuchtigkeit bei der Brennstoffzelle
entsprechend höher und die Abgastemperatur niedriger ist.
Nun ist es insbesondere bei Energieerzeugungssystemen mit Brennstoffzellen als
Antriebsaggregaten unerwünscht, dass flüssiges Produktwasser
mit dem Abgas an die Umgebung ausgetragen wird. Insbesondere beim
Einsatz in Fahrzeugen könnte dies bei Temperaturen unterhalb des
Gefrierpunkts zu einem Vereisen der mit dem Fahrzeug befahrenen
Straßen führen. Ein Austrag von flüssigem
Wasser ist daher in jedem Fall zu vermeiden. Nun entsteht bei dem
erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem jedoch
die vorteilhafte Möglichkeit, dass im Bereich der abgekühlten
Ventileinrichtungen beziehungsweise der zumindest mittelbar wärmeleitend
mit diesen verbundenen Bereichen Flüssigkeit in dem Abgasstrom
auskondensiert. Die Flüssigkeit kann dann, gemäß einer
besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Energiesystems, über
einen Flüssigkeitsabscheider in flüssiger Form
aus dem Gasstrom abgeschieden und beispielsweise anderweitig im
System verwendet werden.
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Außerdem
erzeugt die Kondensation der Flüssigkeit in dem zumindest
mittelbar mit der Ventileinrichtung wärmeleitend verbundenen
Bereich eine entsprechende Erwärmung dieses Bereichs, da
bei der Kondensation der Flüssigkeit eine vergleichsweise
hohe Wärmemenge frei wird. Der wärmeleitende Bereich
und damit die Ventileinrichtung und letztlich der Drucktank werden
hierdurch entsprechend erwärmt. Auch die Menge an entstehendem
Produktwasser ist bei einem Brennstoffzellensystem in etwa proportional
zur angeforderten Leistung, sodass auch hier ein idealer Zusammenhang
zwischen der Erwärmung der Ventileinrichtungen durch Kondensation
und der in dem Abgasstrom auftretenden zu kondensierenden Feuchtigkeit
besteht.
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Dies
bedeutet, dass praktisch eine Art Selbstregelung entsteht. Dies
hat den entscheidenden Vorteil gegenüber dem Stand der
Technik, dass die Funktionalität weitgehend frei von äußeren
Einflüssen ist. So ist sie beispielsweise vollkommen unabhängig
von Fahrtrichtung, Fahrtgeschwindigkeit, Fahrtwind und/oder der
Tatsache, dass überhaupt gefahren wird.
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In
dem erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystem
ist es daher möglich, die Temperatur im Bereich der Drucktanks
weitgehend konstant oder zumindest in einem relativ eng begrenzten
Temperaturbereich zu halten. Dieser Temperaturbereich wird typischerweise
ein eher warmer Temperaturbereich sein und sicherlich nicht im Bereich
unterhalb des Gefrierpunkts liegen. Hat der Drucktank nun jedoch beispielsweise
eine Temperatur in der Größenordnung von 30°C
bis 50°C, so wird der Druck in dem Tank auf einem entsprechend
hohen Niveau gehalten. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn
der Tank nahezu entleert ist. Durch eine starke Entnahme von Brenngas
aus dem Drucktank kühlt sich das Brenngas entsprechend
stark ab und damit sinkt der Druck. Unterschreitet der Druck dabei
einen Mindestdruck der notwendig ist, um das Antriebsaggregat mit einem
ausreichenden Volumenstrom an Brenngas zu versorgen, dann ist der
weitere Betrieb der Energieerzeugungseinrichtung so nicht mehr möglich. Über die
erfindungsgemäße Erwärmung wird der Drucktank
beziehungsweise sein Inhalt jedoch deutlich länger auf
einem entsprechend hohen Druckniveau gehalten, sodass eine deutlich
bessere Entleerung und damit eine bessere Ausnutzung des vorhandenen Tankvolumens
möglich ist. Dies erhöht beim Einsatz des Energieerzeugungssystems
in einem Fahrzeug die Reichweite und stellt einen erheblichen Nutzen für
einen Betreiber eines solchen Fahrzeugs dar.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Energieerzeugungssystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen
Ansprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele
deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher
beschrieben sind.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Energieerzeugungssystem;
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2 ein
schematisiertes Brennstoffzellensystem als Energieerzeugungssystem;
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3 eine
erste Ausführungsform der Leitungsführung des
Abgases in thermischem Kontakt mit Ventileinrichtungen;
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4 eine
zweite Ausführungsform der Leitungsführung des
Abgases in thermischem Kontakt mit Ventileinrichtungen;
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5 eine
dritte Ausführungsform der Leitungsführung des
Abgases in thermischem Kontakt mit Ventileinrichtungen;
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6 eine
vierte Ausführungsform der Leitungsführung des
Abgases in thermischem Kontakt mit Ventileinrichtungen;
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7 eine
erste mögliche Ausführungsform einer thermischen
Anbindung von Ventileinrichtungen an einen Abgasstrom;
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8 eine
Darstellung gemäß 7 in eine Querschnitt;
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9 eine
zweite mögliche Ausführungsform einer thermischen
Anbindung von Ventileinrichtungen an einen Abgasstrom;
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10 eine
dritte mögliche Ausführungsform einer thermischen
Anbindung von Ventileinrichtungen an einen Abgasstrom;
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11 eine
vierte mögliche Ausführungsform einer thermischen
Anbindung von Ventileinrichtungen an einen Abgasstrom;
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12 eine
fünfte mögliche Ausführungsform einer
thermischen Anbindung von Ventileinrichtungen an einen Abgasstrom;
und
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13 eine
Darstellung gemäß 12 in
einem Querschnitt.
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In
der Darstellung der 1 ist ein angedeutetes Fahrzeug 1 zu
erkennen, welches mit einem Verbrennungsmotor 2 als Antriebsaggregat
ausgestattet sein soll. Der Verbrennungsmotor 2 als Antriebsaggregat
bezieht als Brennstoff ein Brenngas aus einem Drucktank 3.
Das Brenngas aus dem Drucktank 3 wird in einer Ventileinrichtung 4 entspannt
und auf dem für das Antriebsaggregat 2 benötigten
Druckniveau diesem über eine Gasleitung 5 zugeführt.
Außerdem erhält das Antriebsaggregat 2 über
einen Luftfilter 6 und eine Luftleitung 7 Luft,
um den darin enthaltenen Sauerstoff in der Verbrennung umzusetzen.
Das im Verbrennungsmotor entstehende Abgas wird über eine
Abgasleitung 8 aus dem Fahrzeug geleitet, wobei es an der
Ventileinrichtung 4 vorbeiströmt und dabei in
direktem oder über wärmeleitende Elemente hergestellten
thermischen Kontakt zur Ventileinrichtung kommt. Das warme Abgas erwärmt
also die Ventileinrichtung 4, welche sich bei der Entnahme
und beim Entspannen des Brenngases aus dem Drucktank 3 entsprechend
abkühlt.
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In
der Darstellung der 2 ist ein weiteres Beispiel
für ein Energieerzeugungssystem dargestellt. In diesem
Fall handelt es sich bei dem Antriebsaggregat 2 um eine
Brennstoffzelle 2, beispielsweise eine PEM-Brennstoffzelle.
Der Brennstoffzelle wird in an sich bekannter Art und Weise über
eine Luftfördereinrichtung 9 und die Luftleitung 7 Luft
zugeführt, welche in einem Kathodenraum 10 der Brennstoffzelle
anlangt. Dieser Kathodenraum 10 der Brennstoffzelle 2 ist über
protonenleitende Membranen von einem Anodenraum 11 der
Brennstoffzelle 2 getrennt. Diesem Anodenraum 11 wird
in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Wasserstoff
aus dem Drucktank 3 über die Ventileinrichtung 4 und
die Gasleitung 5 zugeführt. In der Brennstoffzelle 2 werden
diese Medienströme dann entsprechend umgesetzt, wobei Produktwasser
und elektrische Energie entsteht. Die elektrische Energie kann dann
beispielsweise über einen hier nicht dargestellten elektrischen
Antriebsmotor zum Antrieb des Fahrzeugs 1 genutzt werden.
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Das
Abgas der Brennstoffzelle 2 gelangt aus dem Anodenraum 11 und
dem Kathodenraum 12 und enthält typischerweise
an Sauerstoff abgereicherte Luft und das Produktwasser, welches
teilweise in flüssiger, überwiegend aber in gasförmiger
Form vorliegt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden
die beiden Abgasströme der Brennstoffzelle 2,
also das Anodenabgas und das Kathodenabgas, miteinander vermischt
und gelangen dann als gemeinsamer Abgasstrom über die Abgasleitung 8 aus dem
Energieerzeugungssystem. Auch hier steht die Abgasleitung 8,
wie angedeutet, in zumindest mittelbarer thermisch leitender Verbindung
mit der Ventileinrichtung 4. Neben dem Mischen der Abgase
aus Anodenraum 11 und Kathodenraum 10 wäre
es selbstverständlich denkbar, nur eines der Abgase in thermischem
Kontakt mit der Ventileinrichtung 4 abzuführen,
beispielsweise das Kathodenabgas, welches durch den unverbrauchten
Stickstoff den größeren Volumenstrom aufweist
und in welchem sich die größere Menge an Produktwasser
sammelt. Außerdem wird das Abgas aus dem Anodenraum 11 häufig im
Kreislauf um den Anodenraum 11 geführt und zusammen
mit frischem Brenngas dem Anodenraum 11 immer wieder zugeführt,
bis es weitgehend aufgebraucht ist. In diesem Fall ist nur von Zeit
zu Zeit das Ablassen von Flüssigkeit und inertem Restgas
notwendig. Dieser diskontinuierliche Volumenstrom wäre
für die erfindungsgemäße Anwendung nicht ausreichend.
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Unabhängig
davon, welcher der Volumenströme verwendet wird, soll nun
nachfolgend anhand diverser Ausführungsbeispiele erläutert
werden, wie der Abgasstrom des Antriebsaggregats 2 mit
der Ventileinrichtung 4 des Drucktanks 3 in thermischen Kontakt
gebracht werden kann.
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In
der Darstellung der 3 ist dazu ein erster Aufbau
zu erkennen, welcher wiederum das Antriebsaggregat 2 und
die Abgasleitung 8 zeigt. Der Drucktank 3 ist
in diesem Fall aus drei einzelnen Volumen ausgebildet, welche jeweils über
eine Ventileinrichtung 4 verfügen. Der warme Abgasstrom
aus dem Antriebsaggregat 2, welcher durch die Abgasleitung 8 strömt,
steht dabei in später noch näher beschriebener
Art und Weise in wärmeleitendem Kontakt mit den Ventileinrichtungen 4 der
einzelnen Volumina des Drucktanks 3. Auf eine Darstellung
der Leitungen für das Brenngas zu dem Antriebsaggregat 2 wurde
hier aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
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Außerdem
ist in der Darstellung der 3 eine weitere
Komponente in der Rohrleitung 8 zu erkennen, welche in
Strömungsrichtung nach den Ventileinrichtungen 4 angeordnet
ist. Diese Komponente soll insbesondere ein Flüssigkeitsabscheider,
und hier insbesondere ein Wasserabscheider 12 sein. Dieser
Wasserabscheider 12 ist dabei in Strömungsrichtung
nach den Ventileinrichtungen 4 angeordnet. Da die Ventileinrichtungen 4 sich
beim Entspannen des Brenngas aus den Drucktanks 3 entsprechend abkühlen,
wird Feuchtigkeit in dem Abgasstrom im Bereich der kühlen
Ventileinrichtungen 4 auskondensieren und mit der Kondensationsenergie
die Ventileinrichtungen 4 beheizen. Nachdem der Abgasstrom die
Ventileinrichtungen 4 passiert hat, liegt das Wasser dann
flüssig in dem Abgasstrom vor und kann in dem Wasserabscheider 12,
welcher in an sich bekannter Bauart beispielsweise mit Prallblechen,
Gestricken, als Zyklonabscheider oder dergleichen ausgebildet sein
kann, entsprechend abgeschieden werden. Das System wird dann von
einem frei von flüssigem Wasser abströmenden Abgasstrom
verlassen.
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Das
auskondensierte Produktwasser, welches insbesondere beim Einsatz
einer Brennstoffzelle als Antriebsaggregat 2 eine vergleichsweise
große Menge sein wird, kann dann aus dem Wasserabscheider 12 abgeleitet
und anderweitig verwendet werden, beispielsweise zur Befeuchtung
von Gasströmen oder für Kühlzwecke, beispielsweise
zum Einspritzen in die Luftfördereinrichtung 9 oder
für sonstige Anwendungen. Außerdem ist es denkbar, dass
nicht nur das auskondensierte Produktwasser verwendet wird, sondern
dass der Abgasstrom nach dem Auskondensieren des Produktwassers
und dem Passieren des Wasserabscheiders 12 als dann trockener
Gasstrom verwendet wird, um beispielsweise Gehäuseteile
zu spülen oder mit einem sehr reaktionsträgen,
da an Sauerstoff abgereichertem Gas, zu befüllen. Hierzu
wäre beispielsweise beim Einsatz des Energieerzeugungssystems
in einem Flugzeug die Befüllung von entleerten Kerosintanks
mit dem Gas als trockenes annähernd inertes Gas denkbar, um
so eventuellen Bränden oder Explosionen vorzubeugen, wie
dies im Bereich der Luftfahrt üblich ist.
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Anstelle
des Wasserabscheiders 12 wäre auch der Einsatz
anderer Komponenten in der Abgasleitung 8 denkbar und möglich.
Insbesondere beim Einsatz eines Verbrennungsmotors als Antriebsaggregat 2 könnte
an dieser Stelle beispielsweise ein Abgaskatalysator, ein Rußfilter
oder Ähnliches angeordnet werden. Eine solche Komponente
kann dabei nicht nur anstelle des Wasserabscheiders 12, sondern
auch zusammen mit diesem, beispielsweise in einer Reihen- oder Parallelschaltung
zu diesem, eingesetzt werden.
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In
der Darstellung der 4 ist nun eine alternative Ausführungsform
des soeben beschriebenen Aufbaus gezeigt. Hierbei ist der Drucktank 3 wiederum
als einziges Volumen ausgebildet und die Ventileinrichtung 4 ist
dem Antriebsaggregat 2 zugewandt. Dieses soll in dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel wiederum eine Brennstoffzelle 2 sein. Das
Abgas des Antriebsaggregats strömt durch die Rohrleitung 8 in
diesem Fall sehr direkt und über sehr kurze Wege auf die
Ventileinrichtung 4 zu, sodass die gesamte in dem Abgas
enthaltene Wärme weitestgehend der Ventileinrichtung 4 zugute
kommt. In der Darstellung der 4 ist außerdem
die Gasleitung 5, also die Leitung, die das in der Ventileinrichtung 4 entspannte
Gas zu dem Antriebsaggregat 2 führt, beispielhaft
zu erkennen.
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In
der Darstellung der 5 ist nochmals ein Aufbau zu
erkennen, bei dem das Antriebsaggregat 2 ebenfalls als
Brennstoffzelle ausgebildet ist. Das Abgas gelangt ähnlich
wie in der Darstellung der 2 sowohl
vom Kathodenraum 10 als auch vom Anodenraum 11 in
einen Brenner beziehungsweise katalytischen Brenner 13.
In diesem katalytischen Brenner 13 wird der in dem Abgas
aus dem Anodenraum 11 enthaltene Restwasserstoff entsprechend umgesetzt,
sodass keine Wasserstoffemissionen an die Umgebung erfolgen. Zur
katalytischen oder direkten Verbrennung des Wasserstoffs dient dabei
der in dem Abgas aus dem Kathodenraum 10 enthaltene Restsauerstoff.
Um die Temperatur entsprechend einstellen zu können, ist
eine Bypassleitung 14 vorgesehen, welche typischerweise
noch mit einer hier nicht dargestellten Ventileinrichtung versehen
ist. Damit lässt sich ein Teil des Abgases aus dem Kathodenraum 10 im
Bypass um den Brenner 13 führen, um so die Verbrennung
und damit die Temperatur des Abgases nach dem Brenner 13 in
der Abgasleitung 8 beeinflussen zu können. Ansonsten
werden auch hier wieder drei einzelne Volumen des Drucktanks 13 mit
je einer Ventileinrichtung 4 durch das in der Abgasleitung 8 an
den Ventileinrichtungen 4 vorbeiströmende durch
die Verbrennung noch zusätzlich aufgeheizten Abgas entsprechend
erwärmt.
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In 6 ist
eine weitere alternative Ausführungsform zu erkennen. Der
Abgasstrom in der Abgasleitung 8 wird dabei auf zwei Teilströme
in zwei aufgeteilten Abgasleitungen 8.1und 8.2 aufgeteilt. Der
Drucktank 3 ist wieder in Form von drei einzelnen Volumina
ausgebildet. Auch hier ragen für jedes der Volumina eine
Ventileinrichtung 4 in den Bereich der Abgasleitung 8.1 und
wird von dem in diesem Teil der Abgasleitung strömenden
Gasstrom erwärmt. Auf der anderen Seite der Speichervolumina
des Drucktanks 3 sind Tankverschlüsse 15 angeordnet.
Diese Tankverschlüsse 15 dienen typischerweise
dem Verschluss des Tankvolumens gegenüber der Umgebung
und können beispielsweise einen Betankungsanschluss oder Ähnliches
enthalten. Diese sind im Allgemeinen aus Metall gefertigt, um den
sehr hohen Drücken in derartigen Tankanlagen standhalten
zu können. Sie sind damit ebenfalls sehr gut wärmeleitend
und geeignet, um außer im Bereich der Ventileinrichtungen
auch noch in einem anderen Bereich sehr gezielt eine Erwärmung
der Drucktanks 3 durch den warmen Abgasstrom des Antriebsaggregats,
in diesem Fall den durch die Leitung 8.2 strömenden Teilstrom,
vorzunehmen.
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In
der Darstellung der 7 ist nun ein Aufbau zu erkennen,
bei dem die Anbindung der Abgasleitung 8 an die Ventileinrichtungen 4 entsprechend dargestellt
ist. Die Ventileinrichtungen 4 können in diesem
Fall so ausgebildet sein, dass die Ventilkörper Öffnungen 16 aufweisen,
um so von dem Abgasstrom in der Abgasleitung 8 durchströmt
werden zu können. Dabei gibt der Abgasstrom Wärme
an die Ventileinrichtungen 4 ab und es kommt gegebenenfalls
zu einer Auskondensation von Feuchtigkeit an den kalten Ventileinrichtungen 4 im
Bereich der Öffnungen 16, sodass weitere Wärme
an die Ventileinrichtungen 4 abgegeben wird. In der Darstellung
der 8 ist dieser Aufbau nun in einem Querschnitt zu erkennen.
Dabei ist außerdem die Gasleitung 5 mit dargestellt,
welche die Ventileinrichtung 4 entsprechend verlässt.
Deutlich ist zu sehen, dass die Öffnung 16 einstückig
mit dem Ventilkörper der Ventileinrichtung 4 ausgebildet
ist, sodass ein idealer Wärmeübergang zwischen
dem Ventilkörper der Ventileinrichtung 4 und dem
durch die Öffnung 16 strömenden Abgas
gewährleistet ist.
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Eine
alternative Ausführungsform hierzu ist in der Darstellung
der 9 zu erkennen. Auch hier ist der Ventilkörper
an dem Drucktank 3 angeordnet und es ist außerdem
die Gasleitung 5 zu erkennen. Der Ventilkörper
der Ventileinrichtung 4 selbst ist dabei wärmeleitend
mit der hier im Querschnitt zu erkennenden Abgasleitung 8 verbunden,
sodass das warme in dieser Abgasleitung 8 strömende
Abgas die Ventileinrichtung 4 ebenfalls erwärmen
kann. In den 10 und 11 sind
entsprechende Alternativen hierzu dargestellt, bei denen lediglich
die Anordnung der Abgasleitung 8 im Bezug zum Ventilkörper
der Ventileinrichtung 4 anders gewählt wurde.
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In
der Darstellung der 12 ist eine andere alternative
Ausführungsform der zumindest mittelbaren thermischen Anbindung
der Ventileinrichtungen 4 an den in der Abgasleitung 8 strömenden
Abgasstrom zu erkennen. Die Draufsicht mit geschnittener Abgasleitung 8 zeigt
dabei Wärmeleitrippen 17, welche aus einem gut
wärmeleitenden Material ausgeführt und wärmeleitend
mit der Ventileinrichtung 4 verbunden sind. Diese Wärmeleitrippen 17 ragen
in die Abgasleitung 8 und werden von dem warmen Abgasstrom
umströmt. Dies ist auch in der Schnittdarstellung der 13 nochmals
zu erkennen, welche darüberhinaus wiederum die Gasleitung 5 zeigt.
Der Aufbau der Abgasleitung 8 kann in diesem Fall so gewählt
werden, dass für jede der Ventileinrichtungen und damit
für jeden der einzelnen Speichervolumen des Drucktanks 3 jeweils
ein T-Stück im Bereich der Abgasleitung 8 angeordnet
ist. In dieses T-Stück kann dann die Ventileinrichtung 4 über
eine in 13 mit 18 bezeichnete
Dichtung eingebracht werden. Die Dichtung 18 sorgt dabei
für eine entsprechende Abdichtung, sodass kein Volumen
des Abgasstroms aus der Abgasleitung 8 herausgelangt. Die
Wärmeleitrippen 17 werden dann von dem warmen
Abgas umströmt und erwärmen dadurch die Ventileinrichtungen 4,
um die bereits mehrfach und ausführlich erläuterten
Vorteile zu erzielen.
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Dieser
Aufbau lässt sich bei allen Drucktanks 3 für
Gase, beispielsweise für Wasserstoff oder auch für
Erdgas, entsprechend einsetzen. Je höher die in dem Drucktank 3 auftretenden
Drücke sind, und bei Wasserstoff sind Drücke üblich,
welche in jedem Fall oberhalb von 350 bar, typischerweise auch oberhalb von
700 bar liegen, desto größer ist der Vorteil,
welcher durch die Beheizung der Ventileinrichtungen 4 über
den warmen Abgasstrom erzielt wird. Die bevorzugte Ausführungsform
stellt daher die Anwendung in einem mit Wasserstoff betriebenen
Energiesystem dar. Das Antriebsaggregat 2 kann wie bereits
mehrfach erwähnt als Verbrennungsmotor oder insbesondere
als Brennstoffzelle ausgebildet sein. Da insbesondere bei einer
Brennstoffzelle der Abgasstrom neben der reinen Abwärme
auch eine entsprechend große Menge an Feuchtigkeit enthält,
kann diese beim Erwärmen der Ventileinrichtungen 4 auskondensiert
werden, was weitere entscheidende Vorteile beispielsweise zur Verwendung
des auskondensierten Wassers und/oder durch den dann weitgehend von
Wasser freien Abgasstrom mit sich bringt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007034147
A1 [0006]
