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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme mit wenigstens einer Brennstoffzelle, typischerweise einem Brennstoffzellenstapel, sowie weiteren Komponenten und Leitungselementen, welche die Brennstoffzelle und die weiteren Komponenten fluidisch untereinander verbinden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Brennstoffzellensysteme werden beispielsweise für den Einsatz zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen ständig weiterentwickelt und insbesondere hinsichtlich ihrer Funktionalität und des von ihnen benötigten Bauraums weiter optimiert.
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Bei der Weiterentwicklung und Optimierung derartiger Brennstoffzellensysteme ist es nun häufig notwendig oder sinnvoll, dass die zur Versorgung der Brennstoffzelle notwendigen Gase einen entsprechenden Feuchtegehalt aufweisen. Sie dürfen weder zu trocken noch zu feucht sein. Vor allem darf darin aber flüssiges Wasser nur sehr begrenzt vorhanden sein. An bestimmten Stellen des Systems wird dies über Wasserabscheider sichergestellt. An anderen Stellen des Systems müsste dies nach Möglichkeit in allen auftretenden Betriebssituationen durch die Betriebsführung und den konstruktiven Aufbau des Systems verhindert werden. Ein Ziel der laufenden Entwicklungsarbeiten ist es eben dies zu gewährleisten. Dafür ist es notwendig, während des Betriebs des Brennstoffzellensystems, und zwar nach Möglichkeit in allen Lastzuständen, zu überprüfen, ob Wasser an den entsprechenden Stellen beispielsweise in den Leitungselementen oder Komponenten des Brennstoffzellensystems vorhanden ist. Dies wird bei herkömmlichen Aufbauten typischerweise über Schaugläser realisiert.
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Eine derartige Möglichkeit ist beispielsweise in der
US 2011/0159388 A1 beschrieben. In dieser Schrift ist ein transparentes Element innerhalb einer Brennstoffzelle in der Art eines Schauglases beschrieben, über welches Einsicht in die Brennstoffzelle bzw. die Gaszuführung zu oder von der Brennstoffzelle genommen werden kann.
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Die Problematik bei derartigen Aufbauten liegt nun insbesondere darin, dass mit zunehmender Kompaktheit des Brennstoffzellensystems, und dies ist insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen ein sehr wichtiges Entwicklungsziel, die entsprechenden Komponenten und Leitungselemente sehr dicht gepackt in dem Brennstoffzellensystem vorliegen. Über herkömmliche Schaugläser ist damit im Normalfall keine Einsichtnahme in die entsprechenden Gasströme mehr möglich, da die Zugängigkeit der Schaugläser typischerweise nicht oder nur in sehr eingeschränktem Umfang gegeben ist.
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Eine weitere prinzipielle Möglichkeit, welche in der Praxis durchaus auch eingesetzt wird, besteht nun darin, dass Endoskope fest in die entsprechenden Leitungselemente, Komponenten oder in die Brennstoffzelle eingebaut werden. Diese können beispielsweise durch eine seitliche Bohrung mit einer entsprechenden Verschraubung und Abdichtung zugeführt werden. Über ein solches Endoskop kann dann die Einsichtnahme von einem weiter entfernten Ort aus erfolgen, sodass auch in dicht gepackten Systemen eine Einsichtnahme weiterhin möglich ist. Nun ist es jedoch so, dass Endoskope sehr teuer sind, und dass beispielsweise zur Einsichtnahme an einer Vielzahl von verschiedenen Stellen innerhalb des Brennstoffzellensystems eine entsprechende Vielzahl von Endoskopen notwendig ist, da während des Betriebs kein Einbau und Ausbau erfolgen kann. Dies macht die Entwicklung außerordentlich aufwändig und teuer.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen Nachteil zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches hinsichtlich der Weiterentwicklung und der Einsichtnahme in seine Gasströme außerordentlich einfach und effizient realisiert ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Ansprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass anstelle eines an sich bekannten und üblichen Schauglases zur Einsichtnahme in das Innere des Brennstoffzellensystems dieses Schauglas erfindungsgemäß in der Form eines einstückig geschlossenen aus einem zumindest teilweise transparenten Material bestehenden Rohrendes ausgebildet ist. Dieses zumindest teilweise transparente Rohrende ragt dann mit seinem geschlossenen Ende in die Brennstoffzelle, die Komponente oder das Leitungselement. Es ermöglicht dann insbesondere die Einsichtnahme durch ein Endoskop, welches sehr einfach in das jeweilige Rohrende während des Betriebs des Brennstoffzellensystems eingebracht werden kann, um an dieser Stelle die Gase und insbesondere die Ansammlung von Flüssigkeit in Form von Tröpfchen beobachten zu können. Das Endoskop kann dann sehr einfach entnommen werden, ohne dass eine Beeinträchtigung des Brennstoffzellensystems auftritt, da das geschlossene Rohrende an Ort und Stelle verbleibt. Sind mehrere derartige geschlossene Rohrenden an allen relevanten Stellen des Brennstoffzellensystems angeordnet, dann kann mit einem einzigen Endoskop während des Betriebs des Brennstoffzellensystems an verschiedenen Stellen eine Einsichtnahme vorgenommen werden. Der Aufbau mit dem einseitig verschlossenen Rohrende aus einem transparenten oder zumindest in Teilbereichen transparenten Material ist dabei außerordentlich einfach und effizient, da in dem Brennstoffzellensystem lediglich diese Rohrenden fest eingebaut werden müssen. Dies ist in den meisten Situationen auch hinsichtlich des vorhandenen Bauraums problemlos möglich. Das Endoskop kann dann in diese Rohrenden eingesteckt werden, sodass ohne den Kostenaufwand einer Vielzahl von Endoskopen eine sichere und zuverlässige Beobachtung des Inneren des Brennstoffzellensystems während des Betriebs möglich ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist dabei das gesamte Rohrende aus einem transparenten Kunststoff, insbesondere aus Polymethylmetacrylat, ausgebildet. Dies ermöglicht einen einfachen und sicheren Zugang und stellt einen vergleichsweise robusten Aufbau dar, welcher anders als beim Einsatz von Gläsern außerordentlich beständig beispielsweise gegen Vibrationen, Stöße, Schläge oder dergleichen ist.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung ist es ferner vorgesehen, dass das Rohrende am offenen Ende trichterförmig angefast ausgebildet ist. Diese trichterförmige Anfasung ermöglicht insbesondere das einfache und leichte Einführen des Endoskops zur Beobachtung des Inneren des Brennstoffzellensystems.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es außerdem vorgesehen sein, dass an dem offenen Ende des Rohrendes ein flexibles Rohr bzw. ein flexibler Schlauch angeordnet ist. Dieser ist beim Zuführen des Endoskops außerordentlich hilfreich. Er kann insbesondere aus Polytetrafluorethylen ausgebildet sein, was ein leichtes Gleiten des Endoskops innerhalb des flexiblen Rohrs ermöglicht, sodass das Endoskop leicht auch um Ecken und Kurven geführt werden kann, bevor es das transparente Rohrende erreicht. Ist gleichzeitig die bereits angesprochene Anfasung vorhanden, dann ist ein sehr einfaches Zuführen des Endoskops in das transparente Rohrende möglich, sodass mit minimalem Aufwand eine zuverlässige Beobachtung des Inneren des Brennstoffzellensystems während allen Betriebssituationen möglich wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand eines Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug; und
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2 eine mögliche Ausgestaltung einer Stelle zur Einsichtnahme in das Innere des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem stark schematisierten Fahrzeug 2 angedeutet. Das Brennstoffzellensystem 1 ist dabei stark vereinfacht dargestellt. Der Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack 3, ausgebildet sein soll. Die Brennstoffzellen sollen, wie bei derartigen Anwendungen sehr oft üblich, als PEM-Brennstoffzellen auf der Basis einer Protonenaustauschmembran zwischen den Elektrodenräumen ausgebildet sein. Der Brennstoffzellenstack 3 umfasst einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5, welche durch die Protonenaustauschmembranen als Teil einer nicht explizit dargestellten Membranelektrodeneinheit (MEA) 6 voneinander getrennt sind.
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Dem Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstacks 3 wird Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Dieser entstammt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel einem Druckgasspeicher 7 und wird über ein Druckregel- und Dosierventil 8 dem Anodenraum 5 zugeführt. Unverbrauchter Brennstoff strömt über eine Rezirkulationsleitung 9 wieder zurück und wird vermischt mit frischem Brennstoff dem Anodenraum 5 erneut zugeführt. Um Druckverluste auszugleichen, befindet sich im Bereich der Rezirkulationsleitung 9 außerdem eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10. Außerdem ist dort ein Wasserabscheider 11 angeordnet, welcher über eine Ventileinrichtung 12 zum Ablassen von Wasser und/oder inerten Gasen, welche sich in der Rezirkulationsleitung 9 mit der Zeit anreichern, ausgebildet ist. Dieser Aufbau in einem sogenannten Anodenkreislauf ist aus dem allgemeinen Stand der Technik an sich bekannt. Er ist für das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 dabei rein beispielhaft zu verstehen.
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Dem Kathodenraum 4 des Brennstoffzellenstacks 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 13 zugeführt. Diese Zuluft, welche vor der Luftfördereinrichtung über einen nicht dargestellten Luftfilter typischerweise gefiltert wird, gelangt über einen Gas/Gas-Befeuchter 14 in den Kathodenraum 4 und dient dort als Sauerstoff lieferndes Edukt. Die Abluft, also das Produkt, wird zusammen mit entstandenem Produktwasser aus dem Kathodenraum 4 über eine Abluftleitung abgeführt. Die Abluft strömt dabei wiederum über den Gas/Gas-Befeuchter 14 und gibt ihre dampfförmige Feuchtigkeit an den trockenen und typischerweise warmen Zuluftstrom zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 ab. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 strömt die Abluft nach dem Gas/Gas-Befeuchter 14 über einen Wasserabscheider 16 und anschließend über eine Turbine 17, in welcher ein Teil der in der Abluft enthaltenen Druckenergie und thermischen Energie zurückgewonnen wird. Die Turbine 17 steht dabei über eine gemeinsame Welle mit der Luftfördereinrichtung 13 in Verbindung. Auf der gemeinsamen Welle ist außerdem eine elektrische Maschine 18 angeordnet, welche zusammen mit der Turbine 17 zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 13 dient. Sollte in Sonderfällen im Bereich der Turbine 17 mehr Energie bereitstehen, als durch die Luftfördereinrichtung 13 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 18 auch generatorisch zur Erzeugung von elektrischer Leistung mittels der Turbine 17 genutzt werden. Auch dieser kathodenseitige Aufbau ist so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass auch hierauf nicht in allen Details eingegangen wird.
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Bei der Weiterentwicklung des Brennstoffzellensystems 1 ist es in vielen Situationen wichtig, flüssiges Wasser in den zu und von dem Brennstoffzellenstack 3 abgeführten Gasen zu erkennen. Deshalb sind in dem Brennstoffzellensystem 1 mehrere mit 15 bezeichnete Stellen zur Einsichtnahme in das Innere des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet. Diese Stellen 15, welche in einer beispielhaften Ausgestaltung in der Darstellung der 2 näher dargestellt sind, weisen ein Schauglas in Form eines einseitig geschlossenen Rohrendes 19 auf, welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in ein einen Gasstrom A führendes Leitungselement 20 eingebracht ist. Das Rohrende 19 ist dabei über eine Verschraubung 21, welche vorzugsweise als genormte oder standardisierte Verschraubung ausgebildet sein kann, dicht in das Leitungselement 20 eingebracht. Das Rohrende 19 muss zum Erfüllen seiner Aufgabe zumindest teilweise aus transparentem Material ausgebildet sein. Insbesondere ist es als Rohrende aus Polymethylmetacrylat ausgebildet. Das Rohrende weist an seinem offenen Ende eine trichterförmige Fase 22 auf, sodass ein hier nicht dargestelltes Endoskop entlang des Pfeils E sehr einfach in das Rohrende 19 eingeführt werden kann, um das Innere des Leitungselements 20 zu beobachten. Um auch an unzugänglichen Stellen eine einfache und sichere Zuführung des Endoskops entlang des Pfeils E zu gewährleisten, kann außerdem ein flexibles Rohr 23, beispielsweise ein Rohr aus Polytetrafluorethylen, auf das Rohrende 19 aufgebracht und mit diesem entsprechend verbunden sein. Das flexible Rohr 23 kann dann auch bei einer komplexen und sehr dicht gepackten Geometrie des Brennstoffzellensystems 1 einfach und effizient nach außen geführt werden. Ein flexibles Endoskop kann in das Rohr 23 eingeführt und bis zum Ende geschoben werden. Es wandert dann entsprechend dem Pfeil E durch das flexible Rohr 23 und wird über die Fase 22 sauber in dem Rohrende 19 zentriert und kann bis zum Anschlag in dieses eingeführt werden. Dann ist eine Beobachtung des Inneren des Leitungselements 20 problemlos möglich.
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Die verschiedenen in der Darstellung der 1 beispielhaft gezeigten Stellen 15 mit einem derartigen Rohrende 19 können dabei auch in einem sehr dicht gepackten System einfach und mit minimalem Eingriff in die Systemarchitektur platziert werden. Über ein einziges Endoskop können dann all diese Stellen 15 nacheinander begutachtet und beobachtet werden, sodass mit minimalem Aufwand eine sehr gute und zuverlässige Beobachtung der Gasströme in dem Brennstoffzellensystem 1 möglich wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0159388 A1 [0004]
