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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere
auf der Basis von Wasserstoff, für
einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen
von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen
eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich sowie ein Verfahren zum
Betreiben dieser Vorrichtung.
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Aus der
US 6,210,820 B1 ist es bekannt
dem Brennstoffzustrom einer Brennstoffzelle Sauerstoff oder Luft
als Oxidationsmittel einzubringen um, in dem Brennstoff enthaltene
Verunreinigungen, insbesondere Kohlenmonoxid (CO), zu oxidieren.
Durch diesen sogenannten „Airbleed" wird vermieden,
dass sich die Verunreinigungen Katalysatoren im Bereich der Elektroden
der Brennstoffzelle, und hier insbesondere die Katalysatoren im
Bereich der Anode von PEM-Brennstoffzellen, vergiften. Die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle kann damit auch bei vergleichsweise hohen Konzentrationen
an Kohlenmonoxid, beispielsweise von 1000 bis 5000 parts per million
(ppm) aufrecht erhalten werden.
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Durch diesen Airbleed erkauft man
sich allerdings die Anwesenheit von inerten und anderen durch die
Brennstoffzelle nicht umzusetzenden Gasbestandteilen im Brennstoff,
so dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle mit höherem Airbleed sinkt. Die
oben genannte US-Schrift bedient sich daher eines Airbleeds, welcher
in Abhängigkeit
von der Verschmutzung des Brennstoffes erfolgt, und durch welchen
möglichst
kleine Sauerstoff- oder Luftmengen in den Brennstoff dosiert werden.
Als Sensor für
die Verschmutzung des Brenngases bedient man sich einer speziellen
Brennstoffzelle als Sensorzelle unter vielen anderen Brennstoffzellen
eines Brennstoffzellenstapels bzw. -stacks, welche entsprechend
empfindlicher als die anderen Brennstoffzellen auf die Vergiftung
ihrer Katalysatoren mit Kohlenmonoxid reagiert. Wird an dieser einen
Sensorzelle ein Leistungseinbruch verzeichnet, so dient dieser als
Maß für den Start
des Airbleeds.
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Betreibt man ein Brennstoffzellensystem
anodenseitig im Dead-End-Betrieb
oder mit einer Rückführung des
nach der Anode noch vorliegenden Brenngases in den Bereich vor die
Anode, einem sogenannten Anodenkreislauf, so werden sich aufgrund
des Airbleeds im Bereich der Anode mit zunehmender Betriebsdauer
inerte Gase, wie z.B. entstehendes Kohlendioxid, Stickstoff etc.
anreichern. Die Konzentration des Brennstoffes sinkt. Um wieder eine
ausreichend hohe Brennstoffkonzentration für den Betrieb der Brennstoffzelle
zu erhalten, muss in regelmäßigen Abständen „gepurged", d. h. die Gase aus
der Rückführung bzw.
dem Bereich der Anode abgelassen, werden.
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Sowohl dieses sogenannte Purging,
als auch der Airbleed erfordern dabei gemäß dem Stand der Technik, wie
er neben der oben genannten US-Schrift z.B. auch in den beiden Patentabstracts
of Japan 10-284098 und 08-241726 beschreiben ist eine entsprechende
Sensorik und mehrere davon angesteuerte aktive Ventile, meist Magnetventile,
zur Durchführung
sowohl des Purgings, also des Ablassens der Mediums aus dem Bereich
der Anode, als auch des Airbleeds, also des Einbringens von Oxidationsmittel
in den Bereich der Anode.
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Neben dem Aufwand an Sensorik ist
der hauptsächliche
Nachteil eines derartigen Aufbaus darin zu sehen, dass die aktiven Ventile
aufwändig, störanfällig und
teuer sind. Außerdem
benötigen
sie einen großen
Bauraum und müssen
mit entsprechenden Steuerleitungen versehen werden, um sie zu betätigen. Bei
komplex aufgebauten Systemen stellt sowohl der Bauraum, als auch
die Verlegung von derartigen Steuerleitungen, welche außerdem unter
Beachtung der jeweiligen Temperaturen und Umgebungsbedingungen verlegt
werden müssen,
einen erheblichen Aufwand und damit einen gravierenden Nachteil
dar. Legt man den Überlegungen
des weiteren Systeme mit höheren
Stückzahlen
zugrunde, so stellen auch die mit den aktiven Ventilen und den Leitungen
verbundenen Kosten einen erheblichen Nachteil dar.
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Daher ist es die Aufgabe der Erfindung,
diese Nachteile zu vermeiden und eine entsprechenden Vorrichtung
zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere
auf der Basis von Wasserstoff, für
einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen
von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen
eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich sowie ein Verfahren
zum Betreiben dieser Vorrichtung zu schaffen, welche einen einfachen,
wenig Bauraum benötigenden,
robusten und kostengünstigen
Betrieb ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Der
kennzeichnende Teil des Anspruchs 10 gibt ein Verfahren zum betreiben einer
solchen Vorrichtung gemäß der Erfindung
an.
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Durch die Ausbildung der Mittel als
wenigstens eine passive Ventileinrichtung wird erreicht, dass keinerlei
aktiven und damit per se störanfälligen und
teuren Elemente benötigt
werden. Sofern überhaupt
eine Betätigung
der Ventileinrichtungen notwendig wird bzw. erfolgen soll, so wird
diese durch die Eigenschaften bzw. Zustandsgrößen des im Anodenbereich befindlichen
Mediums zum jeweiligen Zeitpunkt selbst bewirkt.
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Mit einer derartigen Vorrichtung
wird also die Bereitstellung des zu reduzierenden Reaktionsstoffs für den Anodenbereich
der Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem
Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels
in den Anodenbereich realisiert, ohne dass dafür aktive Elemente und/oder
Steuerleitungen notwendig wären.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
stellt einen einfachen, wenig Bauraum benötigenden, robusten und kostengünstigen
Aufbau dar.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei mit
praktisch jeder Art einer Brennstoffzelle, welche Purge und Airbleed
benötigt,
eingesetzt werden. Der bevorzugte Einsatz kann z.B. im Bereich des
Anodenraums einer PEM-Brennstoffzelle liegen, wobei dann der zu
reduzierende Reaktionsstoff üblicherweise
Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas mit geringfügigen Verunreinigungen,
z.B. durch Kohlenmonoxid, sein wird.
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Im wesentlichen lassen sich die passiven Ventileinrichtungen
der Erfindung dabei in zwei Gruppen unterteilen.
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Zuerst wäre da die Ausgestaltung als
reine Öffnung,
wie Sie durch den kennzeichnenden Teil des Unteranspruchs 2 beschreiben
wird.
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Diese Öffnung kann als einfache Bohrung, als
mit einer Querschnittsverengung versehene Düse oder dergleichen ausgebildet
sein. Sie verfügt über keinerlei
bewegliche Elemente, ist ausgesprochen robust und kostengünstig. Eine "Betätigung" kann hier durch
die Veränderungen
des Druckes des Mediums im Anodenbereich erfolgen. Liegt dieser
Druck über
dem Umgebungsdruck der wenigstens einen Öffnung, also dem Druck auf
der dem Anodenbereich angewandten Seite der Öffnung, so wird Medium abgeblasen,
liegt er darunter, so wird Medium aus der Umgebung in den Anodenbereich
eingesaugt. Durch eine Variation in der Anzahl der Öffnungen
und durch die dauerhafte passive Verbindung der Öffnungen mit bestimmten "Umgebungen", z.B. einem Druckluftreservoir,
einem Brenner, etc., wird ein sehr flexibler Einsatz dieser Ausgestaltung
der Erfindung möglich.
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Als zweite Gruppe, wäre hier
auf die Öffnungen
zu verweisen, welche eine im Querschnitt variable Öffnung aufweisen,
wie es im Unteranspruch 3 beschreiben ist.
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Die Veränderung des Querschnitts erfolgt
bei dieser Art der passiven Ventileinrichtungen dann durch die Eigenschaften
des Mediums selbsttätig. Für die Eigenschaften
des Mediums, welche die passiven Ventileinrichtungen entsprechend
betätigen, können beispielhaft
wieder der Druck, die Temperatur oder die Feuchtigkeit des Mediums
genannt werden.
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Eine besonders günstige Ausgestaltung dieser
Idee der Öffnung
mit variablem Querschnitt, bei welcher der Druck als das die Ventileinrichtung
betätigende
Medium genannt werden kann, wird durch den kennzeichnenden Teil
des Unteranspruchs 4 beschrieben.
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Die Rückschlagklappe stellt eine
der einfachsten Lösungen
zur Erhöhung
der Flexibilität
der Vorrichtung dar. Sowohl das Ansaugen von Oxidationsmittel, als
auch das Abblasen von Medium kann dabei über eine Rückschlagklappe erfolgen. Durch die
beiden Rückschlagklappen
wird dann während des
Airbleeds das Purging unterbunden und umgekehrt. Je nach Auslegung
der Rückschlagklappen kann
außerdem
ein gewisser Zwischenbereich des Druckniveaus geschaffen werden,
in welchem werden Airbleed noch Purging erfolgt.
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Durch den kennzeichnenden Teil des
Unteranspruchs 6 wird eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung
der Idee die Öffnung
mit variablem Querschnitt auszubilden, beschreiben, bei welcher
die Temperatur als das die Ventileinrichtung betätigende Medium genannt werden
kann.
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Als sich temperaturabhängig bewegendes Element
könnte
z.B. ein Bimetallstriefen eingesetzt werden, welcher die Öffnung je
nach Medientemperatur mehr oder weniger verschließt. Die
Beeinflussung der Medientemperatur kann beispielsweise durch die
Variation einer ohnehin vorhandenen Kühlung der Brennstoffzelle und/oder
des zugeführten
zu reduzierenden Reaktionsstoffes erfolgen. Auch wären hier
in der Brennstoffzelle ohnehin ablaufenden Vorgänge zur Variation der Temperatur
denkbar, z.B. eine Hemmung der Anodenreaktion durch zunehmende Vergiftung
der Elektroden mit Kohlenmonoxid, welche gleichzeitig eine Ansenkung
der Wärmeentwicklung
bewirkt. Durch die so sinkende Temperatur könnte ein Querschnitt für den Airbleed
vergrößert werden.
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Eine besonders günstige Weiterbildung der Idee
die Öffnung
mit variablem Querschnitt auszubilden, bei welcher die Feuchtigkeit
des Mediums als das die Ventileinrichtung betätigende Medium genutzt werden
kann, wird durch den kennzeichnenden Teil des Unteranspruchs 7 beschrieben.
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Denkbar wäre hier z.B. eine Membran oder dergleichen,
welche z.B. ihre Länge
in Abhängigkeit der
Feuchtigkeit des Sie umgebenden Mediums ändert. Diese könnte dann
das Öffnen
und Schließen bzw.
eine Querschnittsveränderung
der Öffnung
bewirken. Würde
z.B. das Oxidationsmittel für
den Airbleed aus dem Bereich der, zumindest bei einer Ausgestaltung
der Brennstoffzelle als PEM-Brennstoffzelle, befeuchteten Luft für den Kathodenraum stammen,
so könnte
sich die mit einer derartigen Membran betätigte Öffnung zeitverzögert öffnen und so
das eine gewisse Zeit nach dem Airbleed erforderliche Purging ermöglichen.
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Sämtliche
der beschriebenen Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Anspruchs
1 lassen sich sowohl alleine, als auch in allen denkbaren Kombinationen
untereinander, jeweils für
eine, mehrere oder alle der gegebenenfalls vorhandenen passiven Ventileinrichtungen,
nutzen.
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Ein mögliches sowie besonders günstiges und
vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben einer der oben genannten Vorrichtungen
ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 10.
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Das einfachste Verfahren benötigt dafür lediglich
eine einfache Öffnung,
z.B. eine Bohrung im Anodenbereich der Brennstoffzelle. Zum Ablassen von
Medium aus dem Anodenbereich wird dann der Druck des Mediums im
Anodenbereich erhöht,
während
zum Einbringen des Oxidationsmittels in den Anodenbereich der Druck
des Mediums im Anodenbereich gesenkt wird.
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Für
einen Airbleed wird der Druck im Anodenbereich also relativ zur
Umgebung gesenkt, z.B. 0,1 bar "Unterdruck". Für ein Purging
wird der Druck entsprechende erhöht,
also z.B. 0,1 bar "Überdruck", jeweils relativ
zur Umgebung. In seiner einfachsten vorrichtungsgemäßen Ausgestaltung
mit nur einer Öffnung,
wird das erfindungsgemäße Verfahren
also immer entweder im Airbleed oder im Purging befindlich sein.
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Entsprechende Ausgestaltungen, bei
denen mehrere passive Ventileinrichtungen vorhanden sind, welche
z.B. mit unterschiedlichen Umgebungen, welche jeweils unterschiedliche
Druckniveaus aufweisen, verbunden sind, erhöhen die Flexibilität des Verfahrens.
So lassen sich beispielsweise Druckbereiche schaffen, in welchen
das Verfahren weder im Airbleed und im Purging befindlich ist.
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Noch weiter unterstützt werden
kann diese Flexibilität
durch die oben bereits als Ausgestaltungen der Vorrichtung beschreiben
Maßnahmen,
wie z.B. Rückschlagklappen.
Dadurch entstehen dann vergleichsweise große bzw. – über die Konstruktion der Rückschlagklappen – leicht
zu beeinflussenden Druckbereiche für die drei möglichen
Betriebszustände
Normalbetrieb, Airbleed, Purging.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften
Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird der Druck im Anodenbereich über
ein Druckregelventil geregelt.
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Der Vorteil dieser einfachen Möglichkeit
zur Druckregelung liegt vor allem darin, dass derartige Druckregelventile
allgemein bekannt und üblich
sind. Sie sich daher in großen
Stückzahlen
kostengünstig verfügbar. Sie
sind robust und zuverlässig.
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Falls ein Anodenkreislauf eingesetzt
wird, so spielt außerdem
der Ort, an welchen das Druckregelventil in dem Anodenkreislauf
eingebaut wird praktisch keine Rolle, so dass hinsichtlich der räumlichen Optimierung
des Aufbaus wenig Einschränkungen
zu erwarten sind.
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Eine günstige Weiterbildung des Verfahrens zum
Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht
vor, dass der Druck im Anodenbereich über die Menge an zu reduzierendem
Reaktionsstoff variiert wird.
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Auf diese Art und Weise wird ohne
einen weiteren aufwändigen
und Bauraum benötigenden
Aufbau im Anodenbereich eine effektive und einfache Art der Druckregelung
gefunden. Die Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff, welche in
Abhängigkeit der
Last der Brennstoffzelle meist ohnehin variiert wird, kann so sehr
einfach für
eine Druckvariation zwecks Airbleed bzw. Purging genutzt werden.
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In Endeffekt bestehen dabei zwei
Möglichkeiten
für eine
derartige Variation des Drucks über die
Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff. Zum Einen kann der Druck über die
angebotene Menge an Reaktionsstoff variiert werden. Dies würde bedeuten, das
mehr zu reduzierender Reaktionsstoff aus einem Speicher oder aus
einem Gaserzeugungssystem zugeführt
wird. Zum Anderen kann jedoch auch – z.B. bei konstanter Zufuhr
an zu reduzierendem Reaktionsstoff – die Menge an verbrauchtem
zu reduzierenden Reaktionsstoff verändert werden, z.B. durch gezieltes
elektrisches Abschalten der Brennstoffzelle. Entsprechende Mechanismen
hierzu sind bereits bekannt, z.B. aus der
DE 100 56 429 A1 . Diese
können auch
für die
hier benötigte
Druckregelung adaptiert bzw. mit ihr überlagert werden.
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Das Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht gemäß einer
weiteren Ausgestaltung vor, dass die Variation des Drucks im Anodenbereich
in einem sich periodisch wiederholenden zeitlichen Ablauf erfolgt.
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Üblicherweise
sind die Reinheiten des Reaktionsstoffes bekannt und bleiben meist
konstant. Es kann daher mit einer vorgegebnen Menge an Oxidationsmittel
für den
Airbleed gearbeitet werden. Diese erzwingt dann wieder eine bestimmte
Menge an abzublasendem Medium aus dem Anodenbereich. Es kann daher
sehr einfach und effektiv mit einer periodischen Wiederholung eines
zeitlichen zyklischen Ablaufs für
die Druckänderungen
gearbeitet werden.
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In der Kombination mit der zuvor
genannten Ausgestaltung könnte
so z.B. der Regelmechanismus für
die lastabhängige
Zugabe der Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff von einem zyklisch periodischen
Profil für
die Druckänderungen
für Purging
und Airbleed überlagert
werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und
aus dem anhand einer Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Dabei zeigen:
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1 eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich und/oder
zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich;
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2a bis 2c verschiedene mögliche Ausgestaltung
eines der Mittel;
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3a bis 3c ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betreiben einer entsprechenden Vorrichtung.
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4 eine
alternative Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Mitteln
zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich und/oder zum Einbringen
eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich;
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5a, 5b weitere verschiedene Ausgestaltung
der Mittel;
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6 eine
weitere alternative Ausgestaltungsmöglichkeit der Mittel.
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In 1 ist
zeigt eine Brennstoffzelle 1, welche beispielhaft als PEM-Brennstoffzelle
aufgebaut sein soll. Dementsprechend sind ein Anodenraum 2 und
ein Kathodenraum 3 durch eine protonenleitfähige Membran 4,
welche z.B. Bestandteil einer sogenannten MEA (Membran Elektroden
Anordnung/membrane electrode assembly) sein kann, voneinander getrennt.
Dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 1 wird
in bekannter Weise ein zu oxidierenden Reaktionsstoff, beispielsweise
Sauerstoff, insbesondere in Form von Luft zugeführt. Dieser Reaktionsstoff
wird nach dem Kathodenraum 3 wieder abgeführt und
kann dann z.B. noch als Oxidationsstoff für eine Verbrennung oder dergleichen
dienen.
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Auf der Seite des Anodenraums 2 wird
ebenfalls ein Reaktionsstoff zugeführt, wobei dieser jedoch zu
reduzieren ist. In üblicher,
jedoch nicht zwingender Weise, handelt es ich bei diesem zu reduzierenden
Reaktionsstoff um Wasserstoff. Der Wasserstoff kann dabei aus vielfältigen Quellen
stammen und entweder unmittelbar für die – und im Bereich der – Brennstoffzelle 1 erzeugt
oder in Speichereinrichtungen, z.B. Drucktanks, Metallhydriden,
oder dergleichen bevorratet werden. Der Wasserstoff, wie er in der
hier dargestellten Brenn stoffzelle 1 Verwendung finden
soll, ist relativ rein und weist nur einen geringen Anteil (üblicherweise
wenige hundert bis einige tausend ppm) an Verunreinigungen, z.B.
CO oder dergleichen und an inerten Stoffen, wie H2O, CO2, etc. auf. Wird der Wasserstoff, z.B. durch
ein Gaserzeugungssystem aus einem Kohlenwasserstoff- oder kohlenwasserstoffderivathaltigen
Einsatzstoff erzeugt, so können
derartige Reinheiten über
in bekannter Weise über
Membranreinigungsverfahren oder Druckwechseladsorption erzielt werden.
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Wird die Brennstoffzelle 1 mit
einem derartigen, nahezu reinen Wasserstoff betreiben, so ist ein sogenannter
Dead-End-Betrieb
möglich.
Das bedeutet, dass der in den Bereich des Anodenraums 2 gelangende
Wasserstoff dort komplett umgesetzt wird, ohne das Abgas abgeführt werden
müsste.
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Da sich im Bereich des Anodenraums 2 über längere Betreibezeiten
dennoch die Verunreinigungen und inerten Stoffe ansammeln, ist von
Zeit zu Zeit ein sogenanntes Purging notwendig. Dabei wird das in
dem Anodenraum 2 befindliche Medium aus dem Bereich des
Anodenraums 2 abgelassen. Dazu soll in der Darstellung
gemäß 1 das Mittel 5 dienen.
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Neben dem Ablassen von Medium aus
dem Bereich des Anodenraums 2 kann über das Mittel 5 auch
ein Oxidationsmittel in den Bereich des Anodenraums 2 eingebracht
werden. Dieser Vorgang des sogenannten Airbleeds bewirkt die Vermischung des
Wasserstoffs mit dem Oxidationsmittel, z.B. Luft. Durch die Luft
bzw. den in ihr enthaltenen Sauerstoff werden dann oxidierbare Verunreinigungen
in dem Wasserstoff, insbesondere CO, zu inerten Bestandteilen aufoxidiert.
Im speziell kritischen Fall des Kohlenmonoxids, kann dadurch eine
Anlagerung des Kohlenmonoxids an den Elektrokatalysatoren des Anodenraums 2 vermieden
und/oder rückgängig gemacht
werden. Durch den Airbleed lässt
sich also eine mit einer Leistungsverringerung verbundene "Vergiftung" der Brennstoffzelle 1 verhindern
bzw. regenerieren. Um die sich dabei ansammelnden inerten Gasbe standteile
aus dem Anodenraum 2 zu entfernen, bedient man sich dann
wieder des oben bereits beschriebenen Purgings.
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Das Mittel 5 der 1 kann nun so ausgebildet
sein, dass es in Abhängigkeit
von entsprechenden Zustandsgrößen, z.B.
einem Druck pA im Bereich des Anodenraums 2,
welcher über
einen schematisch angedeuteten Sensor 6 erfasst wird, entsprechende
variiert wird.
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Die Variation des Drucks p
A im Bereich des Anodenraums
2 kann,
wie in
1 prinzipmäßig angedeutet,
in einfachster Weise durch eine Variation der Menge des an den Anodenraum
2 zugeführten bzw.
des in ihm verbrauchten Wasserstoffs beeinflusst werden. Diese Beeinflussung
der Menge z.B. in Abhängigkeit
des Sensors
6 kann beispielsweise durch die Beeinflussung
der Menge an in einem Gaserzeugungssystem
7 erzeugten Wasserstoff oder
in Abhängigkeit
der aus einem Wasserstoffspeicher
8 zugeführten Menge
an Wasserstoff erfolgen. Alternativ dazu kann auch der Verbrauch
an Wasserstoff in dem Anodenraum zur Variation des Drucks p
A genutzt werden, z.B. in der o.g. Art der
DE 100 56 429 A1 .
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Die einfachste Ausgestaltung des
Mittels 5 ist eine einfache Öffnung bzw. Bohrung 9,
wie sie in einer ersten möglichen
Ausgestaltung des Mittels 5 in 2a dargestellt ist. Eine ebenfalls recht
einfache Alternative zu der Öffnung 9 kann
beispielsweise auch eine Querschnittsverengung 10 sein,
wie sie in der alternativen Ausgestaltung des Mittels 5 in 2b zu erkennen ist.
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Zum Durchführen eines Purges oder eines Airbleeds
reicht es bei einer derartigen Ausgestaltung des Mittels 5 als
passive Öffnung 9 bzw.
Querschnittsverengung 10 aus, den Druck pA im
Bereich des Anodenraums 2 bzw. in der oben genannten Art entsprechend
zu variieren, um zum jeweiligen Zeitpunkt einen Airbleed oder einen
Purge zu bewirken. Eine derartige Varia tion des Drucks pA im Anodenraum 2 über der
Zeit t ist in 3 exemplarisch
dargestellt.
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Der Druck pA im
Bereich des Anodenraums 2 wird dabei um einen vorgegebenen
Standardbetriebsdruck (Zustand 0) variiert. Wird der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 dabei über einen
Druck (Zustand I) im Bereich der Umgebung der Brennstoffzelle 1 bzw.
auf der dem Anodenraum 2 abgewandten Seite des Mittels 5 erhöht, so kommt
es zu einem Abblasen von Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2,
also einem Purge. Dieser Purge ist in 3b prinzipmäßig angedeutet.
Er wird so lange andauern, wie sich der Druck pA im
Bereich des Anodenraums 2 oberhalb des den Umgebungsdruck symbolisierenden
Zustands I in 3a befindet. Analog
dazu wird durch ein Absenken des Drucks pA unter
einen Zustand II und damit unter einen Umgebungsdruck ein Ansaugen
von Medium aus der Umgebung, z.B. Luft, erreicht. Dieser Airbleed
ist in 3c prinzipmäßig dargestellt
und wird ebenfalls so lange andauern, wie sich der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 unterhalb
des Zustands II befindet.
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Die Menge an abgeblasenem Medium
bzw. eingebrachtem Oxidationsmittel lässt sich dabei, wie aus den
Diagrammen der 3 erkennbar
ist, entweder anhand der zeitlichen Länge des Auftretens des entsprechenden
Ereignisses oder mittels des Druckniveaus des Drucks pA im
Bereich des Anodenraums 2 entsprechend variieren.
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Bei den in den 2a und 2b beschriebenen einfachen
Ausgestaltungen des Mittels 5 als Öffnung 9 bzw. Querschnittsverengung 10 wird
der Abstand der Zustände
I und II um den Zustand 0 minimal bzw. verschwindend klein
sein. Ein derartig aufgebautes System wird sich damit also immer
entweder im Zustand des Purges oder im dem des Airbleeds befinden.
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Um die Variabilität des Systems und letztendlich
den Wirkungsgrad zu steigern, so dass nicht immer Oxidationsmittel eingebracht
oder Medium abgeblasen wird, wäre
es wünschenswert,
zwischen den beiden Zuständen
I und II eine entsprechende Bandbreite für einen Standardbetrieb ohne
Purge bzw. Airbleed zu gewinnen, wie dies in den Diagrammen der 3 dargestellt ist. Einen
derartigen Abstand zwischen den Zuständen I und II kann man z.B. erzielen,
wenn entsprechende passive Ventileinrichtungen als Mittel 5 eingesetzt
werden, welche in Abhängigkeit
des Drucks selbsttätig öffnen bzw.
schließen.
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In 2c ist
eine beispielhafte Möglichkeit einer
derartigen Ausgestaltung des Mittels 5 angedeutet. Das
Mittel 5 besitzt bei dieser Ausgestaltung gemäß 2c eine Membran 11 mit
einer darin befindlichen Öffnung 12.
Bei geeigneter Ausgestaltung der Dicke der Membran 11 kann
nun erreicht werden, dass in eine im Ruhezustand, in welchem die
Membran 11 in 2 durchgezogen
dargestellt ist, die Öffnung 12 einen
sehr kleinen bis verschwindenden Querschnitt aufweist. Wird die
Membran 11 nun aufgrund einer Änderung des Drucks ausgelenkt,
in 2c ist dies gestrichelt
beispielhaft für
eine Erhöhung
des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 dargestellt,
so wird die Querschnittsfläche
der Membran 11 entsprechend vergrößert und die Öffnung 12 vergrößert bzw. öffnet sich
dadurch. Der Öffnungsquerschnitt
der Öffnung 12 hängt also
der aktuell vorliegenden Form des flexiblen Materials der Membran 11 ab.
Da sich diese Form in Abhängigkeit
des Drucks pA ändert, ändert sich also auch der Querschnitt
der Öffnung 12 in
Abhängigkeit
des Drucks pA.
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Nun kann es entsprechend dem vorliegenden
Druck pA in dem in 2c gestrichelt dargestellten Fall, zu
einem Purge kommen. Bei einer Absenkung des Drucks wird sich die
Membran 11 wieder entspannen und die Öffnung 12 wird verkleinert
bzw. geschlossen. Analog zu der in 2c dargestellten Variante
würde bei
einer Absenkung des Drucks pA im Bereich
des Anodenraums 2, also einem geplanten Airbleed, die Auslenkung
der Membran 11 in der entgegengesetzten Richtung erfolgen,
was, analog zu dem oben beschriebenen Fall, ebenfalls mit dem vergrößern bzw. öffnen der Öffnung 12 und
damit mit einem Airbleed verbunden wäre.
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In 4 ist
eine alternative Ausgestaltung der Brennstoffzelle 1 dargestellt.
Anstatt des in 1 beschriebenen
Dead-End-Betriebs weist die Brennstoffzelle 1 bzw. der
Bereich des Anodenraums 2 einen sogenannten Anodenkreislauf 13 auf.
Dieser Anodenkreislauf 13 bewirkt dabei, dass der Wasserstoff,
welcher aus dem Bereich des Anodenraums 2 austritt, über den
Anodenkreislauf 13 und eine optionale Kreislaufpumpe 14,
welche z.B. auch als Jetpump ausgebildet sein kann, in den Bereich
des in den Anodenraum 2 eintretenden Wasserstoffs zurückgeführt wird.
Ein derartiger Aufbau der Brennstoffzelle 1 bzw. des Bereichs
des Anodenraums 2 mit einem solchen Anodenkreislauf 13 ist
an sich bekannt, so dass hier nicht näher auf dessen Funktionsweise
eingegangen werden muss.
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Ein weiterer Unterschied der Variante
der Brennstoffzelle gemäß 4 liegt in der Gestaltung der
Druckregelung des Drucks pA im Bereich des
Anodenraums 2 bzw. bei der Ausgestaltung gemäß 4 im Bereich des mit dem
Anodenraum 2 kommunizierenden Anodenkreislaufs 13.
Der Sensor 6' in 4 ist hier nicht im Bereich
des Anodenraums 2 selbst, sondern im Bereich des Anodenkreislaufs 13 angeordnet.
Die von dem Sensor 6' erfassten
Signale, beeinflussen nicht wie in 1 die
Menge an zugeführtem
bzw. verbrauchtem Wasserstoff, sondern über ein prinzipmäßig angedeutetes
Druckregelventil 15 den Druck im Anodenkreislauf 13 und
damit auch im Bereich des Anodenraums 2 unmittelbar.
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Die Verwendung eines derartigen Druckregelventils 15 kann
dabei im Prinzip auch bei der Ausgestaltung gemäß 1 in der Zuleitung oder Falls Druckregelung
und Purge kombiniert werden durch ein Druckregelventil oder ein Überdruckventil
im Bereich des Mittels 5 erfolgen, während der Einsatz der Regelung
des Drucks pA im Bereich,, des Anodenraums 2 über die
Men ge an zugeführtem
Wasserstoff selbstverständlich
auch bei der Ausgestaltung gemäß 4 unter Verzicht auf das
Druckregelventil 15 oder gegebenenfalls auch gemeinsam
mit dem Druckregelventil 15 erfolgen kann.
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Ein weiterer Unterschied des Aufbaus
gemäß 4 gegenüber dem Aufbau gemäß 2 ist in dem Mittel 5 begründet, welches
in der Ausgestaltung gemäß 4 durch zwei diskrete Mittel 5a, 5b ersetzt
ist. Analog zu der oben bereits beschriebenen Möglichkeit in der Variation
der Druckregelung ist auch eine derartige Ausgestaltung des Mittels 5 über die
beiden diskreten Mittel 5a, 5b analog für die Ausgestaltung
gemäß 1 verwendbar, während die dort
beschriebene Ausgestaltung mit dem einen Mittel 5 auch
für die
Ausgestaltung gemäß 4 denkbar wäre.
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Der Kerngedanke und der besondere
Vorteil einer derartigen Ausgestaltung mit zwei diskreten Mitteln 5a, 5b besteht
darin, dass eines der Mittel 5a für das Purging und das andere
der Mittel 5b für
den Airbleed genutzt wird. Der entsprechende Vorteil ist dabei,
dass die Verbindung des jeweiligen Mittels 5a, 5b mit
jeweils unterschiedlichen Räumen,
beispielsweise einer Luftversorgung im Falle des Airbleeds und einem
Brenner oder katalytischen Brenner im Falle des Purgings, von noch
brennbaren und gegebenenfalls mit der Umgebungsluft explosive Gemische
bildenden Stoffen, dienen kann. Dadurch, dass diese unterschiedlichen "Umgebungen" für die jeweiligen
Mittel 5a, 5b auf unterschiedlichen Druckniveaus
liegen können,
ergeben sich hier außerdem entsprechende
Möglichkeiten
bei der Variation des Betriebs.
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Im Falle, dass auch hier Purge und
Airbleed in Abhängigkeit
des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 erfolgen
sollen, können
hier insbesondere relativ große
Abstände
der Zustände
I und II gemäß 3a erzielt werden. Bei der
hier dargestellten Wahl von zwei verschiedenen Mitteln 5a, 5b können diese
außerdem
so ausgebildet werden, dass sie eine Durch strömung in nur einer Richtung
erlauben. 5a zeigt nun
einen derartigen Aufbau, bei dem die beiden Mittel 5a, 5b die
jeweils als Rückschlagventile 16 ausgebildet
sind. Dabei sind die Rückschlagventile 16 jeweils
so ausgebildet, dass im Falle des Airbleeds ein Ausströmen von
Medium aus dem Bereich des Anodenraums 12 bzw. Anodenkreislaufs 13 verhindert
wird. Im Falle des für
den Vorgang des Purgings verwendeten Rückschlagventils 16 ist
dieses dann selbstverständlich
so ausgebildet, dass ein Zurückströmen von
Medium aus der Umgebung in den Bereich des Anodenraums 2 bzw.
Anodenkreislaufs 3 verhindert wird. Neben der hier gewählten schematischen
Darstellung der Rückschlagventile 16 können auch
entsprechende, einfach ausgestaltete Rückschlagklappen oder dergleichen
eingesetzt werden. Sind zu ihrer Betätigung entsprechende Kräfte bzw.
Druckunterschiede notwendig, z.B. um Reibungen zu überwinden
oder dergleichen, so kann sich auch durch die konstruktive Ausgestaltung
der Rückschlagventile 16 eine
weitere Möglichkeit
ergeben, die beiden Zustände
I und II gemäß 3a für den jeweiligen Fall entsprechend
anzupassen.
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In 5b ist
eine weitere Ausgestaltung der Mittel 5a, 5b vorgeschlagen.
Die hier zum Öffnen
der Mittel 5a, 5b, welche als Überdruckventile 17 ausgebildet
sind, benötigten
Kräfte
sind sehr exakt einstellbar bzw. definierbar. Dadurch, dass zwei Überdruckventile 17 so
eingesetzt werden, dass diese nur in einer Richtung öffnen können, und
dass zum Öffnen
in dieser Richtung eine vorgegebene Kraft, bei der hier dargestellten
prinzipiellen Ausführung
die Kraft einer Feder 18 überwunden werden muss, kann
durch die Auslegung der Feder 18 eine entsprechende konstruktive
Beeinflussung des Überdruckventils 17 erfolgen.
Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten hinsichtlich
der Variation der Zustände
I und II gemäß 3a neben diesen bisher beschriebenen
passiven Ventileinrichtungen, welche jeweils auf Basis des Drucks
im Bereich des Anodenraums 2 und/oder des Anodenkreislaufs 13 betätigt werden,
können
auch andersartige passive Ventileinrichtungen eingesetzt werden.
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Diese sollen beispielhaft durch den
prinzipmäßig dargestellten
Aufbau gemäß 6 beschrieben werden. Hierbei
ist jedes der Mittel 5a, 5b so ausgebildet, dass
eine Öffnung 19 durch
eine Lasche 20 oder dergleichen zumindest teilweise abgedeckt wird.
Die Form dieser Lasche 20 kann sich dabei in Abhängigkeit
von bestimmten Zustandsgrößen im Bereich
der Mittel 5a und 5b und damit letztendlich auch
im Bereich des Anodenraums 2 und/oder des Anodenkreislaufs 13 entsprechend
verändern.
Durch die Veränderung
der Gestalt der Laschen 20 ergibt sich dann eine Variation
des durchströmbaren
Querschnitts der Öffnung 19.
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Beispielsweise könnten die Laschen 20 aus einem
bimorphen Material ausgebildet sein. Als klassisches Beispiel für ein solches
bimorphes Material wäre
sicherlich ein Bimetall zu nennen, welches sich unter Einfluss von
Temperaturänderungen
entsprechend verbiegt und durch diese Verformung einen mehr oder
weniger großen
Bereich der Öffnung 19 freigeben
kann. Dieser bimorphe Effekt des Bimetalls, welcher auf der festen
Verbindung von zwei Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften,
hier unterschiedlichen Längenausdehnung,
in Abhängigkeit
der Temperatur basiert, kann selbstverständlich auch für andersartige
Materialien und Eigenschaften eingesetzt werden. Beispielsweise
könnte
hier an einen Aufbau aus einer sich mit der Aufnahme von Feuchtigkeit
dehnenden Polymermatrix oder dergleichen gedacht werden, welche
mit einem entsprechenden Material verbunden ist, welches derartige Eigenschaften
nicht aufweist. Analog zu der Änderung
der Form des Bimetalls, wenn sich die Temperatur ändert, wird
sich bei einem derartigen Aufbau dann die Form des bimorphen Materials
mit zunehmender bzw. abnehmender Feuchtigkeit ändern, so dass hier eine Variation
des durchströmbaren
Querschnitts der Öffnung 19 in
Abhängigkeit
von der Feuchtigkeit erfolgen kann.
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Neben diesen beschriebenen Beispielen sind
selbstverständlich
auch alle weiteren Mittel 5a, 5b geeignet, welche
als passive, also nicht durch zugeführte Energie aktive angesteuerte Ventileinrichtungen
darstellen. Ebenso ist die Kombination von sämtlichen Mitteln denkbar, z.B.
auch die eines Bimetalls, welches in seiner Art außerdem so
aufgebaut ist, dass es gleichzeitig als eine Art Rückschlagklappe 16 funktioniert,
und/oder welches in seiner Materialstärke so ausgebildet ist, dass
ab einem bestimmten Druckniveau die Verformung durch den Druck pA und damit die Betätigung der Rückschlagklappe 16 gegenüber der
Verformung aufgrund der Temperatur überwiegt.
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Hinsichtlich des zugeführten Oxidationsmittels,
bei welchem es sich im allgemeinen um Luft handeln wird, lassen
sich verschiedene, an sich bekannte Ansätze verfolgen. Entweder kann
lediglich die Luft aus der Umgebung der Brennstoffzelle 1 angesaugt
werden. In bevorzugter Weise wird jedoch Luft verwendet, welche
bereits gereinigt und entsprechend den Erfordernissen im Bereich
des Anodenraums 2 konditioniert worden ist. Diese Luft
kann beispielsweise aus dem Bereich der Luftversorgung des Kathodenraums 3 der
Brennstoffzelle 1 stammen, in welchem sie im allgemeinen
gereinigt und befeuchtet für
die Verwendung als zu oxidierender Reaktionsstoff zur Verfügung gestellt
wird. Vergleichbares gilt auch für
die Luftversorgung, welche im Bereich des gegebenenfalls vorhandenen
Gaserzeugungssystems 7 eingesetzt wird, um dort Luft bzw.
Sauerstoff für
partielle Oxidationsvorgänge,
selektive Oxidationsvorgänge
etc., bereitzustellen. Auch diese Luftversorgung kann als "Umgebung" für den Airbleed Verwendung
finden, so dass dieser die Luft als Oxidationsmittel aus einem derartigen
System bzw. einem davon gespeisten Druckreservoir bekommt.
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Bei dem Medium, welches aus dem Bereich des
Anodenraums 2 und/oder des Anodenkreislaufs 13 abgeblasen
wird, handelt es sich selbstverständlich um ein Medium, welches
Wasserstoff und gegebenenfalls Reste von Kohlenwasserstoffen und
dergleichen enthält.
Aus Sicherheitsgründen
kann dieses Medium nicht an die Umgebung abgegeben werden, sondern
wird üblicherweise einer
Verbrennung, z.B. in einem katalytischen Brenner, zugeführt, welcher
wiederum thermische Energie erzeugt, die im Bereich z.B. des Gaserzeugungssystems 7 oder
im Bereich einer Turbine zum Antreiben einer Kompressionseinrichtung
für das
oben bereits genannte Lufterzeugungssystem Verwendung finden kann.