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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode verlaufende Membran aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Austauschen einer Membran zwischen einer Anode und einer Kathode einer Brennstoffzelle.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Brennstoffzellen zeichnen sich durch eine besonders hohe Effizienz bei der Generierung elektrischer Leistung durch Oxidation eines Brennstoffzellenbrennstoffs aus. Es existieren mehrere Arten von Brennstoffzellen, bei denen abhängig von dem jeweiligen Temperaturbereich unterschiedliche Techniken zum Einsatz kommen. Brennstoffzellen mit einem niedrigen Temperaturniveau weisen eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode verlaufende Membran aus einem Kunststoff auf, die Betriebstemperaturen von bis zu etwa 100°C verkraftet. Die Membran ist dabei als eine sehr dünne Folie ausgeführt, die beim Betrieb der Brennstoffzelle einem Verschleiß unterliegt. Dies führt zur Notwendigkeit, die Membran je nach Nutzungsdauer in regelmäßigen Abständen, beispielsweise alle zwei Jahre, auszutauschen. Dafür muss die Brennstoffzelle aus ihrer Einsatzumgebung ausgebaut und zerlegt werden. Dies erschwert den Einsatz von Brennstoffzellen in einer Großserie, beispielsweise in Fahrzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode angeordnete Membran aufweist und ein Flugzeug mit einem derartigen Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, das einen möglichst einfachen Austausch der Membran ermöglicht, wobei die Zuverlässigkeit im Vergleich zu konventionellen Brennstoffzellensystems nicht beeinträchtigt sein sollte. Eine weitere Aufgabe liegt darin, ein verbessertes Verfahren zum Instandhalten einer Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Membraneinheit mit einem ersten Membranabschnitt und einem zweiten Membranabschnitt vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, das mindestens eine Brennstoffzelle aufweist, die eine Anode, eine Kathode und eine zwischen der Anode und der Kathode verlaufende Membraneinheit mit einem ersten Membranabschnitt und einem zweiten Membranabschnitt aufweist, besitzt ferner ein Aufnahmemittel zum Aufnehmen des ersten Membranabschnitts, ein Abgabemittel zum Abgeben des zweiten Membranabschnitts, eine Fördereinrichtung zum Bewegen der Membraneinheit von dem Abgabemittel zu dem Aufnahmemittel und ein Haltemittel zum Haltern der Anode und der Kathode. Das Haltemittel ist dazu eingerichtet, den Abstand zwischen der Anode und der Kathode zu ändern.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem bezieht sich demnach auf Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen oder -Brennstoffzellenstapel („stacks”), die aus derartigen Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen bestehen. Die Aufgabe der Membraneinheit zwischen der Anode und der Kathode liegt im Wesentlichen darin, das Brenngas an der Anode von dem Sauerstoff an der Kathode zu trennen, wobei jedoch ein Strom positiv geladener Wasserstoffionen möglichst ungehindert durch die Membran durchtreten muss. Die Membraneinheit ist dabei feucht zu halten, denn der Transport der Wasserstoffionen wird dadurch deutlich begünstigt. Aufgrund der Feuchtigkeit, der sehr geringen Dicke und der beim Betrieb entstehenden Betriebstemperatur ist die Membraneinheit einem Verschleiß unterworfen und muss regelmäßig ausgetauscht werden, so dass die Brennstoffzelle ihren maximalen Wirkungsgrad möglichst dauerhaft erreichen kann.
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Als Membraneinheit ist in dem Zusammenhang eine flächige, folienartige Membran zu verstehen, die einstückig oder mehrstückig als Aneinanderreihung von Membranen und/oder einem Trägermaterial ausgeführt ist und sich mit Hilfe einer Fördereinrichtung fördern lässt. Die Membraneinheit kann aktive, als Membran dienende Bereiche und inaktive Bereiche umfassen. Ein Trägermaterial kann unter anderem randseitig an der Membraneinheit angeordnet sein und dazu dienen, eine zuverlässige mechanische Verbindung zwischen einer Fördereinrichtung und der Membraneinheit herzustellen. Das Trägermaterial könnte sich beispielsweise von dem Membranmaterial unterscheiden und eine Reihe von zueinander beabstandeten Ausnehmungen aufweisen, in die eine Verzahnung der Fördereinrichtung eingreifen kann, um ein sicheres Fördern zu erreichen. Gleichzeitig gewährleistet das Trägermaterial eine geringere Beanspruchung des empfindlichen Membranmaterials bei durchzuführenden Umlenkungen oder der Führung durch mehrere Brennstoffzellen hindurch.
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Gemäß der Erfindung ist hierfür kein Ausbau der Brennstoffzelle aus ihrer Betriebsumgebung erforderlich, denn eine Membraneinheit zur Verwendung in einer Brennstoffzelle des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird in einem Abgabemittel gelagert und durch eine Fördereinrichtung zu einem Aufnahmemittel gefördert. In diesem Zusammenhang wird ein Membranstück, welches zwischen einer Anode und einer Kathode einer Brennstoffzelle oder das Stück, welches zwischen sämtlichen Anoden und Kathoden mehrerer Brennstoffzellen steckt, als erster Membranabschnitt bezeichnet. Wird beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel verwendet, der mehrere Brennstoffzellen aufweist, die voneinander durch bipolare Platten getrennt sind, kann sich die Membraneinheit bevorzugt einstückig mäanderförmig durch sämtliche Paarungen von Anode und Kathode hindurch erstrecken. Die gesamte dabei beaufschlagte Fläche der Membraneinheit ist dabei als der erste Membranabschnitt zu bezeichnen.
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In diesem Zusammenhang ist der zweite Membranabschnitt der längen- und flächenmäßige Abschnitt der Membraneinheit, die den ersten Membranabschnitt austauscht. Folglich ist der zweite Membranabschnitt gleich groß bemessen wie der erste Membranabschnitt, so dass durch Fördern des ersten Membranabschnitts in das Aufnahmemittel der zweite Membranabschnitt automatisch aus dem Abgabemittel gezogen wird und dann zwischen der Anode und der Kathode bzw. den Anoden und den Kathoden angeordnet ist.
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Insbesondere bei der Verwendung eines Brennstoffzellenstapels muss die Brennstoffzelle stets ihre strukturelle Integrität behalten, was häufig durch Verspannen der Kathode und der Anode und der dazwischenliegenden Membraneinheit erreicht wird. Brennstoffzellenstapel weisen zusätzlich zu den einzelnen Brennstoffzellen auch bipolare Platten auf, wobei dann sämtliche Brennstoffzellen und bipolaren Platten etwa durch Längsverschraubung oder andere Spannmittel zusammengehalten werden. Ein einfaches Durchfördern einer Membraneinheit ist bei einer solchen verspannten Bauweise nicht möglich, ohne die Membraneinheit zu beschädigen. Das Haltemittel zum Halten der Anode und der Kathode ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, den Abschnitt zwischen der Anode und der Kathode zu ändern. Dadurch kann zum Austausch der Membraneinheit jede einzelne Brennstoffzelle entspannt werden, insbesondere durch Vergrößern des Abstands zwischen der Anode und der Kathode. Die Membraneinheit ist dann nicht mehr zwischen Anode und Kathode eingeklemmt, sondern kann leicht zwischen diesen beiden Komponenten der Brennstoffzelle bewegt werden. Selbstverständlich ist nach Austausch der Membraneinheit und vollständigem Erreichen des zweiten Membranabschnitts in einer Gebrauchsposition der Abstand zwischen Anode und Kathode wieder zu verringern, so dass eine gasdichte Packung für einen ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzelle hergestellt ist.
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Wesentlich für die Erreichung des Erfolgs ist daher das Fördern einer Membraneinheit zwischen einer Anode und einer Kathode sowie das positionsvariable Haltern von Anode und Kathode, so dass eine Förderung der Membraneinheit ermöglicht ist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch deutlich besser für einen Großserieneinsatz beispielsweise in Fahrzeugen geeignet, denn es kann eine automatisierte Erneuerung einer Membraneinheit erfolgen, ohne das Brennstoffzellensystem aus seiner Betriebsumgebung ausbauen zu müssen. Das Brennstoffzellensystem kann weiterhin eine solche Menge an einer Membraneinheit mit sich führen, dass ein Austausch eines Abgabemittels oder die Wartung des Brennstoffzellensystems erst dann erforderlich wird, wenn ohnehin ein Wartungsintervall einer übergeordneten Einrichtung, etwa eines Fahrzeugs, insbesondere Flugzeugs, abgelaufen ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Aufnahmemittel einen ersten Wickelkörper zum Aufwickeln des ersten Membranabschnitts auf. Da Membrane zur Verwendung in Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen als Folien ausgeführt sind, die sich aufwickeln lassen, kann ein Wickelkörper ein besonders kompaktes Aufnahmemittel darstellen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist folglich auch das Abgabemittel einen zweiten Wickelkörper zum Abwickeln des zweiten Membranabschnitts auf.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Fördereinrichtung als eine Antriebseinheit zum Antreiben mindestens eines Wickelkörpers ausgebildet. Dadurch könnte beispielsweise das Abgabemittel angetrieben werden, alternativ dazu auch das Aufnahmemittel oder beide gleichzeitig. In diesem Zusammenhang muss darauf geachtet werden, dass der erste Wickelkörper und der zweite Wickelkörper nicht dauerhaft mit der exakt gleichen Drehzahl angetrieben werden, sondern eine Toleranz für eine gewisse Drehzahldifferenz bereitstellen müssen. Dies ist ein Schutz vor einer Beschädigung der Membraneinheit, insbesondere dann, wenn ein aufnehmender Wickelkörper eine Membranlänge aufweist, die deutlich von der Membranlänge des abgebenden Wickelkörpers abweicht. Bevorzugt ist hierfür entweder jeweils eine Antriebseinheit an jedem der Wickelkörper angeordnet, die ein gewisses Drehmoment auf den betreffenden Wickelkörper überträgt. Dieses Drehmoment sollte derart bemessen sein, dass ein zuverlässiges Einrollen der Membraneinheit auf einen Wickelkörper möglich ist. Bevorzugt sind die Antriebseinheiten nicht als Synchronmaschinen ausgeführt, die eine Rotation mit einer festen Drehzahl durchführen. Dadurch kann eine gewisse Elastizität zwischen den Drehzahlen des ersten Wickelkörpers und des zweiten Wickelkörpers erlaubt werden, was die unterschiedlichen aufgenommenen Membranlängen ausreichend berücksichtigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Abgabemittel derart ausgestaltet oder gelagert, dass der zweite Membranabschnitt nur dann abgegeben wird, wenn das Aufnahmemittel eine Zugkraft auf den ersten Membranabschnitt überträgt, die einen bestimmten Mindestwert überschreitet, um eine bestimmte Spannung auf der Membraneinheit zu erreichen. Dadurch erfolgt eine Straffung der Membraneinheit, so dass die Membraneinheit glatt zwischen die Anode und Kathode eingebracht wird. Die erforderliche Zugkraft kann beispielsweise durch eine bestimmte Haftreibung an dem Abgabemittel erreicht werden, die erst bei Erreichen einer bestimmten Zugkraft überwunden werden kann. Besonders bevorzugt ist der erste Wickelkörper des Aufnahmemittels angetrieben, während der zweite Wickelkörper des Abgabemittels nur eine gewisse Haftreibung gegen eine Rotation besitzt. Alternativ dazu kann das Abgabemittel auch mit einer Antriebseinheit versehen werden, die konstant ein geringes und zur Erreichung einer zur Straffung notwendigen Zugkraft notwendiges Drehmoment in einer zur Abgaberichtung entgegengesetzten Richtung ausübt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen in einer Reihenschaltung auf sowie mindestens eine Umlenkeinrichtung. Das Abgabemittel, das Aufnahmemittel und die mindestens eine Umlenkeinrichtung sind derart seitenversetzt an den hintereinander geschalteten Brennstoffzellen angeordnet, dass sich die Membraneinheit von dem Abgabemittel über die mindestens eine Umlenkeinrichtung durch jede Brennstoffzelle zu dem Aufnahmemittel hin erstreckt. Werden beispielsweise zwei nebeneinanderliegende Brennstoffzellen mit einer durchförderbaren Membraneinheit ausgestattet, ist eine Umlenkeinrichtung notwendig, über die sich eine Membraneinheit von einer Brennstoffzelle in die nächste Brennstoffzelle hinein erstrecken kann. Die Umlenkeinrichtung kann im Wesentlichen als eine Umlenkrolle oder dergleichen ausgeführt sein, die eine Umlenkung um etwa 180° erlaubt. Bei einer Vielzahl von hintereinander geschalteten Brennstoffzellen ist eine Anzahl von Umlenkeinrichtungen notwendig, die der Anzahl von Brennstoffzellen –1 entspricht. Es ist hierdurch nicht notwendig, mehrere Abgabe- und Aufnahmemittel vorzusehen und weiterhin eine Vielzahl von Fördereinrichtungen. Hierdurch kann Gewicht eingespart und die Komplexität verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Haltemittel einen Linearaktor zum linearen Beabstanden von Anode und Kathode auf. Der Linearaktor kann die Kathode oder die Anode oder beide dieser zu bewegenden Komponenten linear auseinanderbewegen. Der Linearaktor kann dabei durch völlig verschiedene Mechanismen gebildet oder angelenkt werden. Beispielsweise könnte das Haltemittel in einer vorteilhaften Ausführungsform eine Kniehebelanordnung mit mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Hebel umfassen, die unter Bildung eines Gelenkpunktes miteinander verbunden sind und der Gelenkpunkt zum Verkürzen oder Verlängern von einander entgegengesetzten Enden der Kniehebelanordnung mit dem Linearaktor verbunden ist und die einander entgegengesetzten Enden mit einer feststehenden Struktur und einer zu bewegenden Komponente der mindestens einen Brennstoffzelle verbunden sind. Bedingt durch die Kniehebelanordnung kann ein vergleichsweise geringer Weg zurückgelegt werden, wenn sich der Gelenkpunkt einem Totpunkt nähert. Weiterhin kann in einem Totpunkt eine sehr hohe Kraft senkrecht zu dem Linearaktor erreicht werden, durch die eine Verpressung von Anode und Kathode und einer dazwischen gelegenen Membraneinheit erreicht wird.
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Alternativ dazu kann der Linearaktor über eine Scherenmechanik bzw. eine Scherenanordnung an mehreren Brennstoffzellen eine Bewegung einer zu bewegenden Komponente verursachen. Eine derartige Scherenanordnung umfasst üblicherweise mindestens ein Paar von sich kreuzenden, gelenkig miteinander verbundenen Scherengliederpaaren. Durch gelenkiges Lager eines unteren Endes eines ersten Scherenglieds an einem ortsfesten Punkt kann durch Verschieben des benachbarten Endes eines zweiten Scherenglieds zu dem gelenkig gelagerten Ende des ersten Scherenglieds eine Parallelverschiebung der entgegengesetzten Enden des Scherengliedpaars hervorgerufen werden. Durch Anordnen weiterer Scherengliederpaare an den freien Enden des ersten Scherengliederpaars kann eine Erweiterung der Parallelverschiebung erreicht werden. Bevorzugt ist die zu bewegende Komponente der Brennstoffzelle an einem Kreuzungspunkt eines Scherengliederpaars gelagert. Durch eine etwaige Verschiebeführung kann eine exakte Parallelverschiebung zum Freigeben oder Verpressen der Membraneinheit erreicht werden. Wird ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen eingesetzt, kann in allen Schnittpunkten der Scherenmechanik eine Bewegung an sämtlichen Brennstoffzellen erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind zwischen Anoden und Kathoden mehrerer Brennstoffzellen Druckfedern angeordnet, die bei Fehlen einer von außen einwirkenden Presskraft die Anode und die Kathode auseinanderdrücken. Dies ist besonders bei der Kniehebelanordnung von Vorteil, die beispielsweise auf eine äußerste Anode oder Kathode eines Brennstoffzellenstapels einwirkt. Wird diese zu bewegende Komponente freigegeben, entspannen sich sämtliche Brennstoffzellen, indem die daran angeordneten Druckfedern die Anode und die Kathode auseinanderbewegen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann ein Linearaktor als ein Spindelgetriebe ausgeführt werden. Das Spindelgetriebe könnte mindestens eine Spindel umfassen, die mit einer Spindelmutter korrespondiert, wobei die Spindelmutter beispielsweise in der zu bewegenden Komponente angeordnet ist oder die Spindel mit einem Gewinde in einem Brennstoffzellengehäuse korrespondiert. Wahlweise kommen auch Doppelspindeln in Betracht, die zwei Gewindeabschnitte aufweisen, welche entgegengesetzt zueinander ausgeführt sind. Hierdurch kann durch Drehung in eine Richtung eine Beabstandung von zwei Komponenten erreicht werden oder ein Zusammenpressen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann auch ein Kurbeltrieb mit einer Exzenterscheibe und zwei Kurbeln eingesetzt werden, die an unterschiedlichen Positionen gelenkig an der Exzenterscheibe angeordnet sind, so dass durch Drehung der Exzenterscheibe eine Verkürzung oder eine Verlängerung des Abstands zwischen den freien Enden der Kurbeln erfolgt. Dadurch können die äußeren Segmente eines Brennstoffzellenstapels zusammengezogen werden, ohne dass über den Stapel hinausstehende Bauteile erforderlich wären.
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Die Aufgabe bezüglich des Flugzeugs wird durch ein Flugzeug mit den Merkmalen des weiteren unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Weiterhin wird die Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Instandhalten einer Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einer zwischen der Anode und der Kathode verlaufenden Membraneinheit mit einem ersten Membranabschnitt und einem zweiten Membranabschnitt weist die Schritte des Beabstandens von Anode und Kathode, des Förderns des zwischen der Anode und der Kathode angeordneten verbrauchten ersten Membranabschnitts der Mebraneinheit derart zu einem Aufnahmemittel, dass der unverbrauchte zweite Membranabschnitt aus einem Abgabemittel zwischen die Anode und die Kathode geführt wird und das Zusammenführen von Anode und Kathode auf. Dieses Verfahrensprinzip kann auf Brennstoffzellensysteme mit mehreren Brennstoffzellen in einer Reihenschaltung erweitert werden, indem sämtliche Brennstoffzellen eine Membraneinheit umschließen, die zwischen den Anoden und Kathoden von einem Abgabemittel zu einem Aufnahmemittel gefördert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Fördern ein Aufwickeln des ersten Membranabschnitts auf einen ersten Wickelkörper des Aufnahmemittels und ein Abwickeln des zweiten Membranabschnitts von einem zweiten Wickelkörper des Abgabemittels auf. Diese Art des Förderns ist mechanisch einfach und robust.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Membraneinheit vor dem Zusammenführen von Anode und Kathode durch das Aufnahmemittel gespannt.
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Dies kann insbesondere das Beaufschlagen der Membraneinheit mit einer Zugkraft durch das Aufnahmemittel realisiert werden, während das Abgabemittel arretiert wird oder durch eine vordefinierte Haftreibung der Drehung des Aufnahmemittels entgegenwirkt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1a und 1b zeigen ein Brennstoffzellensystem.
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2a bis 2f zeigen unterschiedliche Haltemittel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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3 zeigt ein Flugzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem.
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4 zeigt eine schematische, blockbasierte Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1a zeigt ein Brennstoffzellensystem 2, das aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen 4 besteht, welche eine Anode 6, eine Kathode 8 und eine dazwischen angeordnete Membraneinheit 10 aufweisen. Die Brennstoffzellen 4 sind in einer Reihenschaltung angeordnet und bilden damit einen Brennstoffzellenstapel. Die Verwendung einer Membraneinheit lässt darauf schließen, dass es sich um Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen handelt, die in einem Temperaturbereich von bis zu 100°C betrieben werden.
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Zum Austauschen der Membraneinheit 10 wird eine Fördereinrichtung 12 eingesetzt, die einen Wickelkörper 14 in Drehung versetzen kann, um die Membraneinheit 10 aufzuwickeln. Die Membraneinheit 10 verläuft zwischen sämtlichen Paaren von Anode 6 und Kathode 8 sämtlicher Brennstoffzellen 4 und wird über abwechselnd versetzt angeordnete Umlenkeinrichtungen 16 von einer Brennstoffzelle 4 zur nächsten umgeleitet. Durch Drehung des Wickelkörpers 14 wird der vorher im Einsatz befindliche Abschnitt der Membraneinheit 10 durch sämtliche Brennstoffzellen 4 hindurchbefördert, bis sämtliche Brennstoffzellen 4 einen unverbrauchten, frischen Membranabschnitt 10 umschließen.
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Der Wickelkörper 14 kann in diesem Zusammenhang als ein Aufnahmemittel angesehen werden, auf dem ein erster, verbrauchter Membranabschnitt aufgenommen werden kann. Ein zweiter Wickelkörper 18 weist einen unverbrauchten, frischen zweiten Membranabschnitt auf und kann als Abgabemittel angesehen werden. Bevorzugt ist der Wickelkörper 18 mit einem rotatorischen Widerstand, etwa durch eine leicht erhöhte Reibung eines Lagers, ausgestattet, so dass die Membraneinheit bei Aufrollung auf den ersten Wickelkörper 14 stets straff durch die Brennstoffzellen 4 verläuft.
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Die 1a zeigt die Brennstoffzellen 4 mit voneinander beabstandeten Anoden 6 und Kathoden 8, durch die die Membraneinheit 10 sehr leicht durchgefördert werden kann. Nach Austausch des verbrauchten Membranabschnitts werden die Anoden 6 und Kathoden 8 wieder zusammengebracht, so dass eine dichte Packungsgröße mit fest umschlossenen Membranen entsteht, wie in 1b gezeigt.
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Hierzu bedient sich das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 2 eines Haltemittels 20 aus 2a, das eine Scherenmechanik 22 mit ersten Scherengliedern 19 und zweiten Scherengliedern 21, die sich in Gelenkpuntken 17 kreuzen, an denen die zu bewegenden Komponenten der Brennstoffzellen 4 gelagert sind. Das Haltemittel 20 weist ferner eine doppelte Kniehebelanordnung 24 auf. Letztere besteht aus einem ersten Hebel 26 und einem zweiten Hebel 28, die unter Bildung eines Gelenkpunktes 30 miteinander verbunden sind. Ein äußerer Punkt des ersten Hebels 26 ist mit einem gehäusefesten Punkt verbunden, während der äußere Punkt des zweiten Hebels 28 mit einer ersten Brennstoffzelle 32 verbunden ist. Durch vertikales Verschieben des Gelenkpunktes 30 wird die äußere Brennstoffzelle 32 zu der Kniehebelanordnung 24 gezogen, wobei die übrigen Brennstoffzellen 34 durch die Scherenanordnung 22 dieser Bewegung gleichmäßig folgen und sich eine Reihe von Spalten 34 ausbilden, durch die der verbrauchte, erste Membranabschnitt gezogen werden kann. Nach Austausch dieses Membranabschnitts wird die Kniehebelanordnung wieder gestreckt, so dass gemäß 2a ein Zusammenführen bzw. eine Verpressung der Brennstoffzellen 32 erfolgt.
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Gemäß 2c und 2d kann eine ähnliche Variante eingesetzt werden, bei der allerdings die Scherenanordnung 22 fehlt und stattdessen Druckfedern 36 zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 32 eingesetzt werden.
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Statt einer Kniehebelanordnung 24 können auch Linearaktoren zum Beispiel in Form einer Spindel 38 ausgeführt werden, die zwei Spindelgewinde 40 und 42 aufweist, welche gegenläufig zueinander verlaufen und korrespondierend ausgeformter Gewinde 44 und 46 in Brennstoffzellen 32 bewegen können.
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Eine weitere Abwandlung zeigt 2f, bei der eine Exzenterscheibe 48 mit zwei Hebeln 50 und 52 verbunden ist, wobei durch Drehung der Exzenterscheibe 48 die gesamte Anordnung verkürzt oder verlängert werden kann. Mit einem derartigen Kurbeltrieb können die äußeren Segmente eines Brennstoffzellenstapels zusammengezogen werden, ohne dass über den Stapel hinausstehende Bauteile erforderlich wären.
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3 zeigt ein Flugzeug 54, welches ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 2 beherbergt. Das Flugzeug 54 zeichnet sich dadurch aus, dass durch Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 besonders effektiv elektrische Leistung an Bord generiert werden kann, ohne dass ein großer Wartungsaufwand zum Austauschen einer Membraneinheit 10 besteht.
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4 zeigt schließlich das erfindungsgemäße Verfahren in einer schematischen, blockbasierten Darstellung. Im Wesentlichen umfasst das Verfahren das Beabstanden 56 von Anode 6 und Kathode 8, das Fördern 58 eines zwischen der Anode 6 und der Kathode 8 angeordneten verbrauchten ersten Membranabschnitts einer einstückigen Membraneinheit 10 derart in ein Aufnahmemittel 14, dass ein unverbrauchter zweiter Membranabschnitt aus einem Abgabemittel 18 zwischen Anode 6 und Kathode 8 geführt wird. Anschließend werden Anode 6 und Kathode 8 wieder zusammengeführt 60, um die Betriebsbereitschaft herzustellen.
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Das Fördern 58 des erfindungsgemäßen Verfahrens kann weiterhin das Aufwickeln des ersten Membranabschnitts auf einen ersten Wickelkörper des Aufnahmemittels 14 und das Abwickeln des zweiten Membranabschnitts von einem zweiten Wickelkörper des Abgabemittels 18 umfassen. Besonders vorteilhaft wird die Membraneinheit 10 vor dem Zusammenführen von Anode 6 und Kathode 8 durch das Aufnahmemittel 14 gespannt 62 wird.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
