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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung
einer elektrischen Leistung durch Wasserstoff und Sauerstoff und
insbesondere auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Druckluft-Beschickungssystem
zum Zuführen
von Luft zur Brennstoffzelle.
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Aus
der
US 5 434 016 A ist
ein Druckluft-Beschickungssystem für eine Brennstoffzelle bekannt, bei
welchem aus der Atmosphäre
angesaugte Luft verdichtet und der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Da das Abgas aus dem Brennstoffzellengehäuse einen Druck hat, der höher als
der Atmosphärendruck
ist, wird Leistung wiedergewonnen, wenn das Abgas in die Atmosphäre freigegeben
wird, wobei die zurückgewonnene
Leistung zum Verdichten der angesaugten Luft wiederverwendet wird.
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Aus
der
DE 199 44 296
A1 ist eine Brennstoffzellenanlage bekannt, in welcher
eine Expansionsvorrichtung vorgesehen ist, um die Druckenergie des
Abgases als mechanische Energie zur Unterstützung des Antriebs eines Verdichters
zu nutzen, wobei zwischen einem elektrischen Motor zum Antrieb des Verdichters
und der Expansionsmaschine zur Verbindung/Trennung der Expansionsmaschine
mit/von dem elektrischen Motor eine Kupplung vorgesehen ist. Zur
Steuerung dieser Kupplung ist ferner eine Steuereinrichtung vorgesehen,
die einen Druck in der Abgasleitung zwischen der Brennstoffzelle
und der Expansionsmaschine erfasst.
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Aus
der
DE 197 01 560
C2 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, dessen Kathodenraum
mit einem sauerstoffhaltigen Gas mit Hilfe eines mittels eines Elektromotors
angetriebenen Kompressors auf das erforderliche Druckniveau verdichtet
wird. Ein Teil der für
die Komprimierung der Umgebungsluft benötigten Energie wird dabei mit
Hilfe eines in der Kathodenabgasleitung angeordneten Expanders zurückgewonnen,
wobei der Kompressor, der Expander und der Elektromotor auf einer
gemeinsamen Welle angeordnet sind. Die Regelung der Brennstoffzellenleistung
erfolgt dabei durch Steuerung der Kompressordrehzahl. Das Brennstoffzellensystem
weist ferner in der Kathodenabgasleitung zwischen Kathodenraum und
Expander einen Wärmetauscher
auf, mit Hilfe dessen die Kathodenabluft auf ein vorgegebenes Temperaturniveau
heruntergekühlt
wird.
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Aus
der
US 6 283 723 B1 ist
eine Vorrichtung in Verdrängerbauweise
bekannt, die als ein Kompressor und/oder eine Expansionseinrichtung
in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden kann. Diese Vorrichtung
ist durch zwei Paar von gegenüberliegenden
Kammern gebildet, die als Zylinderwände ausgeführt sind, in denen jeweils
ein Kolben angeordnet ist, dessen Verschiebung durch ein exzentrisches
System vorgegeben werden kann. In dieser Vorrichtung können zwei
Kammern als Kompressor und zwei Kammern als Expander dienen. Eine Änderung
der Volumenverhältnisse
zwischen Kompressorkammern und Expanderkammern lässt sich durch Änderung
des Exzentrizitätsgrades
erreichen.
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Aus
der JP 2001-93553 A ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Spiralströmungsmaschine
bekannt, bei der die Spiralwände
auf beiden Seiten einer Stirnplatte angeordnet sind. Eine der Spiralwände wird
dabei zum Verdichten der Luft verwendet, während die andere zur Rückgewinnung
von Leistung aus dem Abgas aus der Brennstoffzelle eingesetzt wird.
Zwischen dem Kompressor und der Expansionseinrichtung wird ein Volumenverhältnis bestimmt.
Der Innendruck in einer Luftkammer der Brennstoffzelle wird so eingestellt,
dass er sich nahe bei einem vorgegebenen Wert befindet, der auf
dem Volumenverhältnis
basiert, um einen hohen Energiewirkungsgrad zu erhalten.
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Ein
geeigneter Wert für
den Druck der der Luftkammer der Brennstoffzelle zugeführten Luft hängt von
der Art und den Spezifikationen der Brennstoffzelle ab. Wenn lediglich
der Leistungserzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenkörpers in Betracht
gezogen wird, verwendet man vorzugsweise einen hohen Luftzuführdruck,
da der Sauerstoffteildruck in der Luftkammer umso höher wird,
je höher
der Luftzuführdruck
ist, so dass dadurch die Reaktion umso mehr beschleunigt werden
kann. Dies ermöglicht
eine Größenreduzierung
der Vorrichtung, wodurch das Bordgewicht verringert wird, wenn das Brennstoffzellensystem
in einem Fahrzeug montiert wird. Die Erhöhung des Luftzuführdrucks
erhöht
jedoch auch die zum Verdichten der Luft erforderliche Leistung.
Außerdem
muss die Brennstoffzellenvorrichtung eine ausreichende Druckwiderstandsfähigkeit
bei erhöhten
Drucken haben. Dies führt
zu einem erhöhten
Gewicht der Brennstoffzellenanordnung, was sich für die Fahrzeugmontage
als nachteilig erweist. Der optimale Luftdruck wird dann festgelegt, wenn
diese im Gegensatz zueinander stehenden Bedingungen sowie die Eigenschaften
der eigentlichen Brennstoffzelle in Betracht gezogen werden. Die Brennstoffzelle
hat nicht nur einen optimalen Luftzuführdruck, vielmehr gibt es auch
einen Optimalwert für
den Luftdurchsatz. Wenn der für
die Reaktion eingesetzte Sauerstoff nicht in ausreichender Menge
zugeführt
wird, wird die Reaktion verzögert.
Andererseits erhöht
die Zuführung
von Luft mit einem Überschussvolumen
die Menge an nicht für
die Reaktion verwendetem und somit vergeudetem Sauerstoff.
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Der
Einsatzzustand der Brennstoffzelle ist außerdem nicht immer der gleiche.
Die Umgebungsbedingungen, beispielsweise Druck, Temperatur und Feuchte
der Atmosphäre ändern sich
entsprechend der Jahres- und Tageszeit, während sich die Anforderungen
an die elektrische Leistungsabgabe der Brennstoffzelle ebenfalls
jede Minute ändern.
So ändert
sich bei der Montage der Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug
die Betriebsbedingung in starkem Ausmaß, wenn das Fahrzeug aus großer Höhe nach unten
auf eine niedrigere Höhe
fährt,
wenn das Fahrzeug in einen Tunnel einfährt oder aus ihm heraus fährt, wenn
es eine Steigung hinauf oder nach unten fährt oder wenn eine starke Beschleunigung
erforderlich ist. Wenn sich diese Einsatzbedingungen ändern, ändert sich
auch der Innendruck der Luftkammer. Zu diesem Zeitpunkt ändern sich
auch aus den oben angegebenen Gründen
die Optimalwerte für
den Druck und den Durchsatz der zugeführten Luft. Die erwähnten herkömmlichen
Technologien nehmen überhaupt keinen
Bezug auf Änderungen
der Betriebsbedingungen und stellen auch kein Druckluftzuführsystem
bereit, das mit beträchtlichen Änderungen
der Einsatzbedingung der am Fahrzeug montierten Brennstoffzelle
fertig wird.
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Die
JP 60-160573 A beschreibt ein Turboverdichter-System für Brennstoffzellen,
das einen Turbinenluftstrom dadurch steuert, dass ein Druck in einer Kompressorkammer
gemessen wird. Dieses Brennstoffzellensystem verwendet einen Turboverdichter, so
dass eine Verwendung dieses Systems für ein brennstoffzellengetriebenes
Fahrzeug nicht geeignet ist, das abrupten Laständerungen ausgesetzt ist. Die bekannte
Anordnung ist für
ein stationäres
System vorgesehen und bewirkt die Steuerung basierend auf dem Druck
in der Druckkammer. Als Folge ist die Entfernung zwischen einem
Druckbestimmungspunkt und einem Steuerventil lang, so dass es sehr
lange dauert, ehe sich die Steuerung stabilisiert.
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Die
der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein
Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in der Lage ist, schnell
verdichtete Luft zuzuführen,
wenn sich die Umgebungsbedingungen und die Arbeitsleistungsanforderungen ändern, wobei
das Brennstoffzellensystem montiert an einem Fahrzeug dessen Betriebszuverlässigkeit
verbessern und einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen soll.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem, das ein Brennstoffzellengehäuse mit
einer Luftkammer, einen Verdrängerkompressor zum
Zuführen
verdichteter Luft zu der Luftkammer und eine Expansionseinrichtung
zur Expansion des von der Luftkammer abgeführten Abgases aufweist, bereitgestellt,
das sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet,
dass es eine Rohrverbindung zwischen dem Kompressor und der Expansionseinrichtung über die
Luftkammer des Brennstoffzellengehäuses sowie einen Drucksensor
aufweist, der den Druck der durch die Rohrverbindung strömenden Luft
misst, wobei wenigstens ein Durchsatz der Luft aus dem Kompressor
oder ein Durchsatz des in die Expansionseinrichtung angesaugten
Abgases entsprechend dem Luftdruck gesteuert wird, der von dem Drucksensor
gemessen wird.
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Die
Expansionseinrichtung ist in Verdrängerbauweise ausgeführt, wobei
eine Leistungsabtriebswelle der Expansionseinrichtung und eine Leistungsantriebswelle
des Kompressors eine gemeinsame Welle bilden, so dass das bei jeder
Wellenumdrehung von wenigstens dem Kompressor oder der Expansionseinrichtung
angesaugte Volumen variabel ist und das angesaugte Volumen entsprechend
dem von dem Drucksensor gemessenen Druck geändert wird.
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Der
Drucksensor ist zwischen der Luftkammer der Brennstoffzelle und
der Expansionseinrichtung angeordnet.
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Stromab
von dem Drucksensor ist vorzugsweise ein Steuermechanismus mit variabler
Drossel vorgesehen, der eine Rückkoppelungssteuerung
auf wenigstens den Durchsatz der Luft aus dem Kompressor oder den
Durchsatz des in die Expansionseinrichtung angesaugten Abgases bewirkt.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems weist einen Wärmeaustauscher mit variabler
Kapazität
auf, der in der Rohrverbindung vorgesehen ist, die sich von der
Luftkammer zur Expansionseinrichtung erstreckt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt wird nach der Erfindung das Brennstoffzellensystem
mit einem Brennstoffzellenpaket bzw. -stapel bereitgestellt, dessen
Steuervorrichtung ein Ventil aufweist, das in dem Rohr angeordnet
ist, welches das Abgas zu der Energierückgewinnungsvorrichtung führt, einen
ersten Wärmeaustauscher
aufweist, der stromab von dem Steuerventil angeordnet ist, um das
Abgas abzukühlen
und Wasser aus dem Abgas zu kondensieren; sowie einen zweiten Wärmeaustauscher
aufweist, der Wärme
zwischen dem mit dem ersten Wärmeaustauscher
in Wärmeaustausch
stehendem Abgas und dem Abgas austauscht, das an dem Steuerventil
vorbeigeführt
wurde.
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Anhand
von Zeichnungen werden Ausführungsformen
der Erfindung beispielsweise näher
erläutert.
Es zeigt:
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1 schematisch
eine Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems nach einem Aspekt der Erfindung,
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2 schematisch
eine Ausführungsform
eines Brennstoffzellensystems nach einem weiteren Aspekt der Erfindung,
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3 eine
geschnittene Draufsicht auf eine Luftkompressor-/Expansionseinrichtung
für ein Brennstoffzellensystem
nach der Erfindung und
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4 eine
geschnittene Seitenansicht der Luftkompressor-/Expansionseinrichtung
von 3.
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In 1 ist
ein Brennstoffzellensystem 51 gezeigt, das eine Brennstoffzelle 52 bzw.
ein Brennstoffzellenpaket, eine Wasserstoffelektrode 54,
die in Kontakt mit einer Wasserstoffkammer 53 für den Durchgang
von Wasserstoff oder von mit Wasserstoff angereichertem Gas und
eine Sauerstoffelektrode 56 aufweist, die in Kontakt mit
einer Luftkammer 55 steht, in die verdichtete Luft zugeführt wird,
wobei dazwischen eine für
Wasserstoff-Ionen durchlässige Membran 57 angeordnet
ist.
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Aus
der von der Atmosphäre
angesaugten Luft werden Staub und Teilchen durch eine Luftreinigungseinrichtung 58 entfernt.
Die Luft wird dann auf einen erhöhten
Druck durch einen Kompressor 59 in Verdrängerbauweise
verdichtet und über
eine stromauf befindliche Rohrverbindung 65 zu der Luftkammer 55 gefördert. Der
Sauerstoff, der in die Luftkammer 55 eingeführten Luft
verringert sein Volumen aufgrund der Reaktion in der Brennstoffzelle 52,
wobei Wasser oder Wasserdampf aus dem Wasserstoff und Sauerstoff
erzeugt wird, die bei der Reaktion verwendet werden.
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Der
Druckverlust oder Druckabfall, der eintritt, wenn die verdichtete
Luft durch die Brennstoffzelle 52 hindurchgeht, ist nicht
groß.
Auch wenn beispielsweise der Atmosphärendruck von 0,1 MPa auf 0,3
MPa durch den Kompressor 59 gesteigert wird, beträgt der durch
diesen Durchgang verursachte Druckverlust nur etwa 0,02 MPa. Der
Druck des von der Luftkammer 55 abgeführten Abgases liegt bei etwa
0,28 MPa, der, auch wenn er nur teilweise wiedergewonnen wird, den
Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessern kann. Deshalb wird das
Abgas aus der Luftkammer in eine Expansionseinrichtung 60 über ein
stromab befindliches Druckverbindungsrohr 66 eingeführt, um
Leistung wiederzugewinnen. Die Innendrucke in den Verbindungsrohren 65, 66, die
von einer Auslassöffnung
des Kompressors 59 durch die Luftkammer 55 zur
Einlassöffnung
der Expansionseinrichtung 60 führen, sind höher als
der Atmosphärendruck,
so dass diese Verbindungsrohre so gebaut sind, dass sie diesen hohen
Drucken standhalten.
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Die
wiedergewonnene Leistung wird auf den Kompressor 59 über eine
Kupplungswelle 61 überführt, die
die Expansionseinrichtung 60 mit dem Kompressor 59 verbindet.
Die wieder gewonnene Leistung ist nicht ausreichend, um die der Brennstoffzelle 52 zuzuführende Luft
zu verdichten, so dass ein Motor 62 auf der der Expansionseinrichtung 60 gegenüberliegenden
Seite des Kompressors 59 vorgesehen wird, um die Leistung
bereitzustellen, die erforderlich ist, um die der Luftkammer zuzuführende Luft
zu verdichten.
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Der
Zustand der in die Brennstoffzelle angesaugten Luft ändert sich
abhängig
von den Umgebungsbedingungen, wie der Temperatur, der Feuchte und
dem Druck der Atmosphäre.
Die Anforderungen an die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung ändern sich
entsprechend den Bedingungen, die von einem Benutzer gefordert werden.
Deshalb ändern
sich der optimale Innendruck der Luftkammer und der optimale Durchsatz
der zugeführten Luft,
die den Umgebungsbedingungen und den Benutzeranforderungen genügen, ebenfalls.
Der Luftdurchsatz kann relativ einfach dadurch gesteuert werden,
dass die Drehzahl des Kompressors geändert wird. Der Druck der verdichteten
Luft wird jedoch durch die Durchsätze der durch den Kompressor strömenden verdichteten
Luft und des durch die Expansionseinrichtung strömenden Abgases sowie durch
die Wassererzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellengehäuse und
die Kondensation des erzeugten Wasserdampfs beeinflusst. Es ist
deshalb schwierig, die Drucke der verschiedenen Teile in dem Brennstoffzellensystem
zu optimieren.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist darauf gerichtet, die Drucke der verschiedenen
Teile in dem Brennstoffzellensystem zur Erhöhung ihres Wirkungsgrads optimal
zu gestalten. Der erhöhte
Wirkungsgrad ermöglicht
es seinerseits dem Brennstoffzellensystem, dass seine Größe verringert
wird und es somit optimal für
Kraftfahrzeuganwendungen eingesetzt werden kann.
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In 1 ist
ein Drucksensor (Druckmesser) 1 in dem stromab gelegenen
Druckverbindungsrohr 66a vorgesehen. In dem gleichen Verbindungsrohr ist
stromab von dem Drucksensor 1 ein elektrisch angetriebenes
Drosselventil 2 vorgesehen. Der Drucksensor 1 ist
senkrecht zu einer Wand des stromab gelegenen Druckverbindungsrohrs 66 fixiert,
so dass ein dynamischer Druck des Abgases aus der Luftkammer 55 vermieden
werden kann. Ein zu dem von dem Drucksensor 1 gemessenen
Druck proportionales Spannungssignal bildet das Ausgangssignal aus dem
Drucksensor 1. Entsprechend dem Ausgangssignal aus dem
Drucksensor 1 wird die Öffnung
des motorgetriebenen Drosselventils 2 geändert. Das elektrisch
angetriebene Drosselventil 2 ist mit einem Motor 2a versehen,
der das Ventil 2 elektrisch öffnet oder schließt.
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Zur
Aktivierung des Brennstoffzellensystems wird das Drosselventil 2 auf
eine Minimalöffnung
in seinem variablen Bereich geschlossen. Diese Minimalöffnung ist
nicht der voll ge schlossene Zustand. Wenn der Kompressor 59 anläuft, wird
Luft aus der Atmosphäre
angesaugt. Die angesaugte Luft wird durch den Kompressor 59 unter
Druck gesetzt und in die stromauf gelegene Verbindungsleitung 65 gefördert. Die
verdichtete Luft geht durch die Luftkammer 55 mit einem
geringen Druckabfall hindurch und wird dann in das stromab gelegene
Druckverbindungsrohr 66 gefördert.
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Der
Drucksensor 1 misst den Druck der verdichteten Luft, die
in das stromab gelegene Druckverbindungsrohr 66 strömt. Unmittelbar
nach dem Anlauf des Kompressors 59 ist die Öffnung des
Drosselventils 2 klein und somit nimmt der Druck stromauf von
dem Drosselventil 2 allmählich zu. Wenn der von dem
Drucksensor 1 gemessene Druck auf einen ausreichenden Wert
ansteigt, wird der Motor 2a des Drosselventils 2 betätigt, um
das Drosselventil 2 langsam zu öffnen. Wenn das Drosselventil 2 mit dem Öffnen fortfährt, kommen
ein Luftvolumen, das von dem Kompressor 59 verdichtet wird,
und ein Luftvolumen, das aus der Expansionseinrichtung 60 abgeführt wird,
ins Gleichgewicht, wodurch der von dem Drucksensor 1 gemessene
Druck stabilisiert wird. Während
das System bei dem stabilisierten Druck läuft, kann, wenn sich irgendeine Änderung
im Druck, der Temperatur oder der Feuchte der Atmosphäre ergibt,
der Druck der Luftkammer 55 nahezu konstant gesteuert werden,
indem einfach das Drosselventil 2 geöffnet oder geschlossen wird.
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Obwohl
bei dieser Ausführungsform
das Ausgangssignal des Drucksensors 1 direkt dem Drosselventil 2 aufgegeben
wird, kann die Bauweise auch so vorgesehen werden, dass das Ausgangssignal
des Drucksensors 1 einer Steuereinrichtung, beispielsweise
einem Mikrocomputer, zugeführt
wird, der in 1 durch die gestrichelte Linie 1a dargestellt
ist, und dann das elektrisch angetriebene Drosselventil 2 steuert.
Die Verwendung der Steuereinrichtung 1a ermöglicht eine
nicht-lineare Steuerung und lässt
auch den Einsatz von elektrischer Leistung als Steuervariable zu,
die von dem Brennstoffzellengehäuse 52 erzeugt
wird.
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Es
soll nun angenommen werden, dass ein auf dem oberen Niveau befindliches
System bei der Steuerung der Brennstoffzelle Instruktionen liefert, die
von der Brennstoffzelle 52 eine Steigerung der erzeugten
elektrischen Leistung verlangen. Normalerweise wird die Drehzahl
des Kompressors 59 erhöht, um
den Luftdurchsatz zu steigern, dies erfordert jedoch Zeit und erlaubt
kein schnelles Ansprechen auf den Bedarf. Dieses Verfahren ist für eine Anwendung im
Kraftfahrzeug nicht praktisch. Vor der Erhöhung der Drehzahl des Kompressors
wird deshalb das Drosselventil 2 etwas geschlossen, um
den Innendruck der Luftkammer 55 zu erhöhen und um dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit
des Brennstoffzellengehäuses 52 zu
steigern. Wenn danach die Drehzahl des Kompressors 59 ansteigt,
wird die Öffnung
des Drosselventils 2 auf den ursprünglichen Wert zurückgeführt. Diese
Arbeitsfolge ermöglicht
ein schnelles Ansprechen auf eine Anforderung aus dem System auf
oberem Niveau.
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Bei
dieser Ausgestaltung ist die Entfernung längs des Strömungswegs zwischen dem Druckmesspunkt
und dem zu steuernden Drosselventil kurz, wodurch die Zeitverzögerung von
der Druckmessung zur Betätigung
des gesteuerten Gegenstands verringert wird, was das Ansprechvermögen verbessert und
es gleichzeitig unmöglich
macht, dass instabile Erscheinungsformen, wie ein Oszillieren bzw.
Nachpendeln auftreten. Obwohl der Drucksensor 1 dazu verwendet
wird, das elektrisch angetriebene Drosselventil 2 zu steuern,
ist es möglich,
statt des Drucksensors 1 ein Abzweigrohr und ein Drosselventil
in Kolben-Zylinder-Bauweise
anstelle des Drosselventils 2 zu verwenden, das von einem
Druck betätigt wird,
der von dem Abzweigrohr zugeführt
wird.
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Mit
dieser Anordnung lassen sich Vorrichtungen vermeiden, die mit Elektrizität arbeiten,
so dass eine unerwünschte
Funktion oder eine Betriebsstörung
aufgrund von elektromagnetischem Rauschen oder eines gebrochenen
Kabels vermieden werden kann. Man möchte, dass der Drucksensor
so nahe wie möglich
am Drosselventil in einem Bereich angeordnet ist, der eine gewünschte Messgenauigkeit
gewährleistet.
Indem die Druckmessposition und der Durchsatzsteuerabschnitt nahe
beieinander angeordnet werden, kann ein schnelles Ansprechen auch dann
gewährleistet
werden, wenn eine abrupte Laständerung
vorliegt, wie sie bei einer am Fahrzeug montierten Brennstoffzelle
auftreten kann, wobei auch instabile Steuerzustände, wie ein Oszillieren bzw.
Nachpendeln, vermieden werden können.
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Die
in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich
von der in 1 durch eine Durchsatzsteuereinrichtung
am Auslass der Luftkammer 55. Am Auslass der Luftkammer 55 ist
in dem stromab gelegenen Druckverbindungsrohr 66a ein Abzweigstück 11 vorgesehen.
Das stromab befindliche Druckverbindungsrohr 66a hat ein
Steuerventil 12, das in einem Rohrabschnitt 66c angeordnet
ist, und einen Wärmeaustauscher 16 in
einem anderen Rohrstück 66b.
Die Rohrstücke 66c und 66b sind
an der Auslassseite des Steuerventils 12 und des Wärmeaustauschers 16 zusammengeschlossen.
Stromab von dem Punkt des Zusammenschlusses ist ein Wassersammler 13 angeordnet,
der aus einem Druckbehälter
besteht, in dem sich ein Wärmeaustauscher (erster
Wärmeaustauscher 14)
befindet, der Wärme mit
Kühlwasser
austauscht. Ein unterer Teil des Wassersammlers 13 dient
als Wasserspeicher für
das Auffangen von kondensiertem Wasser 15. Das aus dem
Wassersammler 13 kommende Abgas tritt in den Wärmetauscher
(zweiter Wärmeaustauscher) 16 ein,
wo ein Wärmeaustausch
mit dem Abgas stattfindet, das an dem Steuerventil 12 vorbeigeführt ist
und dann durch ein Rohrstück 66e in
die Expansionseinrichtung 60 strömt.
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Die
Ausführungsform
von 2 arbeitet wie folgt. Das Steuerventil 12 ist
normalerweise geschlossen. Das Abgas, das aus der Luftkammer 55 mit
einem hohen Wasserdampfgehalt kommt, tritt in den Wassersammler 13 durch
den Wärmeaustauscher 16 ein.
Das Abgas wird gekühlt,
wenn es durch den Wärmeaustauscher 16 hindurchgeht.
Das vom Wärmeaustauscher 16 abgekühlte Abgas
wird durch Kühlwasser
in dem Wärmeaustauscher 14 weiter
abgekühlt,
der in den Wassersammler 13 eingebaut ist, wodurch darin
enthaltener Wasserdampf kondensiert. Das kondensierte Wasser 15 wird
am Boden des Wassersammlers 13 gesammelt. Das Abgas wird
erwärmt,
wenn es anschließend
durch den Wärmeaustauscher 16 hindurch
und in die Expansionseinrichtung 60 geführt wird.
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An
dem stromab befindlichen Druckverbindungsrohr 66a ist ein
Drucksensor 1 installiert, dessen Ausgangssignal zum elektrisch
angetriebenen Drosselventil 12 geleitet wird, das von einem
Motor 12a angetrieben wird. Wenn der Innendruck des stromab
befindlichen Druckverbindungsrohrs 66a, gemessen von dem
Drucksensor 1, zu hoch ist, bringt ein Drucksignal als
Eingangssignal am elektrisch angetriebenen Drosselventil 2 das
Ventil dazu, mit dem Öffnen
zu beginnen, um den in den Wärmeaustauscher 16 strömenden Abgasmengenstrom
zu begrenzen. Gleichzeitig wird der Kühlwasserdurchsatz gesteigert,
um die Kühlkapazität des Wärmeaustauschers 14 in
dem Wassersammler 13 zu steigern.
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Das
Abgas, dessen Temperatur in dem Wassersammler 13 ausreichend
abgesenkt worden ist, wird in dem Wärmeaustauscher 16 mit
dem Abgas in Wärmeaustausch
gebracht, das an dem Drosselventil 12 vorbeigeführt wurde.
Das Volumen des Abgases, das an dem Drosselventil 12 vorbeigeführt wird, wird
verringert und die Menge der ausgetauschten Wärme nimmt ebenfalls ab. Deshalb
wird das Abgas auf eine Temperatur erhitzt, die niedriger ist als
sie normalerweise erwartet würde,
und wird dann in die Expansionsvorrichtung 60 gesaugt.
Da die Temperatur der in die Expansionsvorrichtung 60 angesaugten Luft
niedrig ist, ist die Luftdichte hoch und ihr Volumen entsprechend
verringert. Als Folge nimmt die Masse der in die Expansionseinrichtung 60 pro
Zeiteinheit eingeführten
Luft zu. Das von der Expansionseinrichtung geförderte Luftvolumen nimmt deshalb
zu und es wird ein Druckanstieg in der Druckkammer verhindert, wodurch
es möglich
wird, den Innendruck der Druckkammer auf einen stabilisierten Wert
zu regulieren.
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Bei
dieser Ausführungsform
gibt es kein Drosselelement mit einem großen Druckverlust in dem Luftweg
von dem Kompressor zur Expansionseinrichtung. Die verdichtete Luft
wird einem geringeren Luftdruckabfall ausgesetzt, was wiederum den Wirkungsgrad
verbessert. Insbesondere im Normalbetrieb wird Wasser aus dem Abgas
in dem Wassersammler wie dergewonnen und das Abgas mit einem reduzierten
Wassergehalt von dem Wärmeaustauscher
erwärmt
und dann in der Expansionseinrichtung expandiert, so dass die von
der Expansionseinrichtung wiedergewonnene Leistung gesteigert werden
kann.
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Wie
in 3 und 4 gezeigt ist, werden der Kompressor
und die Expansionseinrichtung von einem einstückigen Aufbau in Form einer
Kompressor-/Expansionseinrichtung 31 gebildet, bei der
ein Kompressor 32 in Schraubenbauweise mit einem Paar von
männlichen
und weiblichen Rotoren und eine Expansionseinrichtung 33 in
Schneckenbauweise mit einem Paar von männlichen und weiblichen Rotoren
miteinander an ihren Wellenabschnitten gekoppelt sind.
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Der
Kompressor 32 hat eine Einlassöffnung 37 in der Nähe eines
Wellenendes und eine Auslassöffnung 38 in
der Nähe
eines zentralen Abschnitts. Durch die Einlassöffnung 37 angesaugte
Luft wird verdichtet, wenn das Volumen einer Kompressionskammer
abnimmt, und durch die Auslassöffnung 38 abgeführt. Die
Expansionseinrichtung 33 hat einen Schieber 34,
der die Ansaugabschlussposition ändern
kann. Der Schieber 34 ist mit einer Ansaugöffnung 35 versehen.
Der Schieber 34 ist über
einem Eingriffsabschnitt zwischen den männlichen und weiblichen Rotoren
angeordnet und steht in Kontakt mit den Zahnenden der weiblichen
und männlichen Rotoren.
In 3 sind nur vereinfachte Umrisslinien des Schiebers 34 und
der Ansaugöffnung 35 gezeigt. Der
Schieber 34 hat einen Kolben 36 an seinem Ende,
der in einen Zylinder 36a eingepasst ist. Eine Druckdifferenz
zwischen den auf die vordere und hintere Fläche des Kolbens 36 wirkenden
Drucken veranlasst den Schieber 34 zu einer Bewegung in
Axialrichtung (in der Figur nach links oder rechts). Eine Ansaugöffnung 39 der
Expansionseinrichtung steht mit der Ansaugöffnung 35 in Verbindung.
Die Expansionseinrichtung 33 hat eine Auslassöffnung 40 auf einer
der Ansaugöffnung 39 gegenüberliegenden Seite.
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Wenn
festgestellt wird, dass der Innendruck der Luftkammer, gemessen
von dem Drucksensor 1, nicht ausreicht, wird der Innendruck
des Zylinders 36a so gesteuert, dass der Kolben 36 in 3 und 4 nach
links bewegt wird. Dadurch wird der Schieber 34 ebenfalls
nach links bewegt. Bei der Bewegung des Schiebers 34 nach
links wird eine Fläche, über die
die in dem Schieber 34 gebildete Ansaugöffnung 35 zu den Rotoren
hin mündet,
fortschreitend verringert:
Eine von den weiblichen und männlichen
Rotoren gebildete Expansionskammer und ein sie umschließendes Gehäuse hat
ein Volumen, das am Ende des Ansaugvorgangs durch die Umrisslinie
der Ansaugöffnung 35 begrenzt
ist. Wenn die in dem Schieber 34 gebildete An saugöffnung 35 sich
nach links bewegt, wird das Volumen des angesaugten Abgases verringert.
Die Reduzierung der Menge des in die Expansionseinrichtung 33 durch
Bewegen des Schiebers 34 nach links angesaugten Abgases
führt dazu,
dass der Druck in der Luftkammer 55 des Brennstoffzellengehäuses progressiv
ansteigt. Wenn der Druck in der Luftkammer in die Nähe eines
geeigneten Bereichs kommt, wird der Schieber 34 in seine
Ausgangsstellung zurückgeführt und
die Kompressor-/Expansionseinrichtung 31 arbeitet so, dass
der Luftkammerdruck in dem geeigneten Bereich gesteuert wird.
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Bei
diesem Beispiel gibt es keine Drossel in dem Weg der verdichteten
Luft, der sich vom Kompressor zur Expansionseinrichtung erstreckt.
Es ergibt sich kein verschwenderischer Druckabfall, so dass der
Leistungswirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten wird. Da der
Kompressor und die Expansionseinrichtung in eine einzige Vorrichtung
integriert sind, kann die Brennstoffzelle in ihrer Größe reduziert
werden, wobei man davon ausgehen kann, dass ein mechanischer Verlust
entsprechend reduziert ist.