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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer
Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Verfahren zum
Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems, sowie eine Verwendung
desselben.
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Ein
derartiger Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einer Rezirkulationsleitung
zum Zurückführen des Anodenabgases in den Anodeneingang ist
beispielsweise aus der
DE
101 15 336 A1 bekannt. Bei derartigen Systemen mit einer
sogenannten Anodenloop reichert sich im Laufe der Zeit Stickstoff
und Wasser in dem rezirkulierten Anodenabgas an. Daher ist es aus
dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und in der oben genannten
Schrift auch so beschrieben, dass im Bereich der Rezirkulationsleitung
Ventileinrichtungen angeordnet werden, welche von Zeit zu Zeit geöffnet
werden, um den Stickstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung und
dem Bereich des Anodenraums entsprechend abzublasen. Gemäß der
DE 101 15 336 A1 kann
die „Entsorgung” dieses Abgases aus dem Bereich
des Anodenloop in verschiedene Bereiche erfolgen, welche typischerweise
jeweils über eine katalytische Oberfläche verfügen
oder in Verbindung mit einer weiteren Komponente stehen, welche
eine solche katalytische Oberfläche aufweist. Dieser Aufbau
ist deshalb üblich, weil zusammen mit dem Stickstoff immer
auch eine geringe Menge an Wasserstoff in dem abgelassenen Gas sein
wird, welche auf diese Art unschädlich gemacht werden kann.
Um das im Bereich des Anodenabgases anfallende Produktwasser der
Brennstoffzelle abführen zu können, ist in der
DE 101 15 336 A1 ferner
ein Wasserabscheider im Bereich der Rezirkulationsleitung beschrieben.
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Der
oben genannte Aufbau erfordert dabei wenigstens eine Ventileinrichtung
für das Abblasen des Stickstoffs (Purge) und wenigstens
eine weitere Ventileinrichtung für das Ablassen des in
dem Wasserabscheider angesammelten Wassers (Drain). Neben dem Kostenaufwand,
diese Komponenten im System vorzusehen, verursachen die Komponenten weiteren
Aufwand hinsichtlich ihrer Ansteuerung und einer dafür
gegebenenfalls notwendigen Sensorik. Außerdem müssen
entsprechende Leitungselemente von den Ventileinrichtungen in die
jeweiligen Bereiche, in die die Medien ausgetragen werden, vorhanden
sein. Dies erfordert entsprechende Bauteile und entsprechenden Bauraum.
Um auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einen sicheren
Start und eine sichere Funktionalität des Systems gewährleisten
zu können, müssen diese Leitungselemente außerdem
entsprechend isoliert und/oder beheizbar ausgebildet werden. Auch
dies verursache großen Aufwand hinsichtlich Kosten, Komplexität
und Gewicht in dem oben dargestellten Brennstoffzellensystem.
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Aus
der internationalen Anmeldung
WO 2008/052578 A1 ist ebenfalls ein Brennstoffzellensystem
mit einem Anodenloop bekannt, welcher hierin als Brennstoffkreis
bezeichnet wird. Die Besonderheit bei diesem Aufbau besteht nun
darin, dass die Funktionalität des Wasserabscheiders mit
einem Ablassventil zum Ablassen des Wassers und die Funktionalität
des Abblasventils zum Abblasen des stickstoffhaltigen Gases kombiniert
werden. Der Aufbau sieht dabei vor, dass ein Wasserabscheider mit
einer entsprechenden Ventileinrichtung versehen ist. Immer, wenn
sich eine entsprechend große Menge an Wasser angesammelt
hat, wird diese über die Ventileinrichtung aus dem Wasserabscheider
abgelassen. Nachdem das Wasser abgelassen ist, tritt außerdem Gas
aus dem Anodenloop über die Ventileinrichtung des Wasserabscheiders
aus, ehe diese wieder geschlossen wird. Die Funktionalität,
welche bei der oben genannten Schrift auf zwei eigene Bauteile verteilt
war, wird dadurch in einem einzigen Bauteil integriert.
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Dieser
Aufbau stellt bereits eine deutliche Verbesserung gegenüber
dem oben genannten Aufbau dar. Allerdings ist auch hier weiterhin
ein entsprechender Sensor zur Erfassung des Wasserstands in dem
Abscheider notwendig. Die Erfahrung in der Praxis hat gezeigt, dass
dieser Sensor extrem leicht mit Ablagerungen aus dem Brennstoffzellensystem
verschmutzt wird, und dass dies sehr häufig zu einer Fehlfunktion
des Sensors und damit zu einem zu häufigen oder auch zu
seltenen Ablassen des anfallenden Wassers führt. Auch dies
ist hinsichtlich der Betriebssicherheit eines solchen Systems entsprechend
problematisch. Außerdem stellt die Verwendung eines derartigen
Sensors immer auch einen gewissen Aufwand dar, da insbesondere ein
Füllstandssensor im Wasserabscheider typischerweise in
Form von zwei einzelnen Sensoren ausgebildet sein muss, was wiederum
mit den entsprechenden Kosten verbunden ist.
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Aus
dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist ferner die
DE 103 11 785 A1 bekannt.
Darin ist eine Verbindung des Kathodenbereichs mit dem Anodenbereich
einer Brennstoffzelle beschrieben, insbesondere einer Brennstoffzelle,
welche mit einem wasserstoffhaltigen Gas aus einer Gaserzeugungseinrichtung
betrieben wird. Derartiger Wasserstoff weist üblicherweise
eine gewisse Verunreinigung mit Kohlenmonoxid auf, welche dem Katalysator
im Bereich des Anodenraums schadet. Daher wird über die
Verbindung bei Bedarf Luft in den Wasserstoff eingebracht, welcher
dieses Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid oxidiert und damit die Menge
des für den Katalysator schädlichen Kohlenmonoxids
minimiert. Die Ansteuerung erfolgt dabei über einen entsprechenden
Druckunterschied zwischen dem Bereich der Anode und dem Bereich
der Kathode, sodass bei geringerem Druck im Bereich der Anode Luft über
die Öffnung in den Bereich der Anode strömt (Airbleed).
Andersherum kann dieser Aufbau auch dazu genutzt werden, Gas aus
dem Bereich der Anode in den Bereich der Kathode strömen
zu lassen, nämlich immer dann, wenn die Druckverhältnisse umgekehrt
sind (Purge). Auch dies wird in dem Aufbau gemäß der
DE 103 11 785 A1 genutzt,
um beispielsweise das entstehende Kohlendioxid, oder im Falle eines
Anodenloop den sich anreichernden Stickstoff zusammen mit dem Kohlendioxid
in den Bereich der Kathode abzublasen.
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Es
ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
mit einem Anodenloop zu schaffen, bei welchem mit minimalem Aufwand
an Bauteilen und geringen Kosten Medien aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung
und/oder des Anodenraums sicher und zuverlässig ausgetragen
werden können.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben eines solchen
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wird
durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil von Anspruch 13 angegeben.
Eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem und/oder das erfindungsgemäße Verfahren
ist in Anspruch 18 genannt. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche
beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung.
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Dadurch,
dass das wenigstens eine Mittel gemäß der Erfindung
als Ventileinrichtung ausgebildet ist, welche neben ihrem üblicherweise
vorhandenen schaltbaren Strömungsweg auch einen Überströmweg
aufweist, entsteht eine Ventileinrichtung mit einem Bypass. Diese
Ventileinrichtung mit Bypass wird erfindungsgemäß nun
dazu genutzt, sowohl den Purge als auch den Drain in einer einzigen erfindungsgemäßen
Ventileinrichtung zu integrieren. Damit entsteht ein sehr einfacher
und kompakter Aufbau. Im üblicherweise vorliegenden Betrieb
wird der Austrag der Medien im Allgemeinen über den Überströmweg
stattfinden, welcher mit einem entsprechend engen Querschnitt versehen
ist. Außerdem kann beispielsweise eine Blende oder dergleichen
in den Überströmweg integriert werden, um einen
entsprechenden Querschnitt fest vorzugeben, welcher zu den Volumenströmen
in dem vorliegenden Brennstoffzellensystem passt. Damit kann eine
und dieselbe Ventileinrichtung für verschieden große
Brennstoffzellensysteme eingesetzte werden, indem einfach die Blende
ausgetauscht wird. Dabei ist darauf zu achten, dass der Durchflussfaktor
(kv-Wert) für den Überströmweg bzw. Bypass
passend zum jeweiligen Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist,
dass keine allzu hohen Wasserstoffkonzentrationen in dem abgelassenen
Gas auftreten.
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Das Öffnen
des schaltbaren Strömungswegs des Ventils wird typischerweise
immer nur dann erfolgen, wenn dies notwendig ist, also beispielsweise wenn
im Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums eine
zu geringe Wasserstoffkonzentration vorliegt, um die erforderliche
Stromerzeugung in der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems
realisieren zu können. Durch ein Öffnen des schaltbaren
Strömungswegs wird dann Drainwasser sehr schnell ausgetrieben
und die Purgefunktion sehr schnell gestartet.
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Grundsätzlich
können mehrere derartige Ventileinrichtungen im Bereich
der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums vorgesehen sein. Besonders
effizient, einfach und kostengünstig lässt sich
der Aufbau jedoch dann realisieren, wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung
und/oder des Anodenraums gemäß einer besonders
günstigen Ausgestaltung der Erfindung genau eine Ventileinrichtung
vorgesehen wird. Über diese eine Ventileinrichtung als kombiniertes
Drain-/Purge-Ventil kann dann mit minimalem Aufwand hinsichtlich
des Bauraums, der Sensorik und der Ansteuerung ein sehr einfacher,
kompakter und effizienter Aufbau realisiert werden. Aufgrund des Überströmwegs
in der Ventileinrichtung kommt es zu einem kontinuierlichen Abströmen, zuerst
des Wassers und dann einer entsprechenden Gasmenge. Damit kann auf
aufwendige Sensorik, wie beispielsweise Levelsensorik, für
den Wasserstand verzichtet werden. Dies spart einerseits Kosten und
erlaubt es andererseits sich von eventuellen Fehlfunktionen der
sehr leicht verschmutzenden Füllstandssensoren frei zu
machen.
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Der Überströmweg
kann dabei in der einfachsten Ausführungsform der Erfindung
einen festen, aber entsprechend des Brennstoffzellensystems vorgegebenen
durchströmbaren Querschnitt aufweisen. In einer besonders
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist es ferner vorgesehen,
dass dieser durchströmbare Querschnitt als Blende ausgebildet ist,
wobei die Blende als flexible Blende realisiert ist, deren Öffnungsquerschnitt
sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz auf den beiden
Seiten der Blende selbsttätig ändert. Eine solche
flexible Blende ist nach wie vor ein passives Bauelement, welches
keine aktive Ansteuerung oder dergleichen erfordert. Es ist damit
weiterhin sehr einfach, kostengünstig und ohne die Problematik
von Fehlfunktionen zu realisieren.
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Der
Aufbau kann beispielsweise in Form einer Membran aufgebaut sein,
welche sich in Abhängigkeit der Druckdifferenz zwischen
der einen Seite und der anderen Seite entsprechend auslenkt. Wenn im
Bereich der Membran nun eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen
sind, so wird deren Querschnitt bei ausgelenkter Membran entsprechend
größer ausfallen, als bei nicht ausgelenkter Membran.
Im Extremfall kann somit ein Verschließen des Überströmwegs
bei abgestelltem System erreicht werden, sodass über den Überströmweg
beispielsweise keine Gase zwischen den über die Ventileinrichtung
verbundenen Bereichen ausgetauscht werden. Erst wenn das System
in Betrieb genommen wird und eine entsprechende Druckdifferenz zwischen
der einen Seite und der anderen Seite auftritt, wird sich die Membran
entsprechend in Richtung des geringeren Drucks verformen und über
die flexible Blende entsteht der durchströmbare Öffnungsquerschnitt,
welcher ein Durchströmen des Überströmwegs,
beispielsweise durch Drainwasser und Purgegas erlaubt.
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Gemäß einer
besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung und
Weiterbildung der Erfindung weist der Bereich der Rezirkulationsleitung
dabei einen Wasserabscheider auf, wobei die Ventileinrichtung im
Auslassbereich des Wasserabscheiders angeordnet ist. Bei diesem
Aufbau kann die Zusammenlegung von Drain und Purge in einem einzigen Bauteil
besonders effizient realisiert werden. In dem Wasserabscheider sammelt
sich abgeschiedenes Wasser an, sodass davon ausgegangen werden kann,
dass die größte Menge an in dem Bereich der Rezirkulationsleitung
und/oder des Anodenraums vorliegenden Wassers sich im Bereich dieses
Abscheiders sammelt. Im Ausströmbereich des Abscheiders,
typischerweise in Richtung der Schwerkraft unten, ist dann die Ventileinrichtung
angeordnet, welche durch ihren Überströmweg ein
kontinuierliches Abfließen des Wassers erlaubt. Wenn kein Wasser
mehr in dem Abscheider vorhanden ist, so kommt es außerdem
zu einem Abblasen der sich im Bereich der Rezirkulationsleitung
angereicherten Gase, insbesondere Stickstoff sowie gegebenenfalls eine
gewisse Restmenge an Wasserstoff, kommen. Von der beschriebenen
Funktionalität kann auch der Aufbau mit dem Wasserabscheider
ohne die hinsichtlich Verschmutzung kritischen und kostenintensiven Levelsensoren
auskommen, da ein kontinuierliches Abfließen des sich ansammelnden
Wassers über den Überströmweg gewährleistet
ist. Bei entsprechender Auswahl des Durchmessers des Überströmwegs kann
so ein sehr einfacher und effizienter Aufbau erreicht werden, bei
dem nur minimale Mengen an Wasserstoff aus der Rezirkulationsleitung
abfließen.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren ist es dabei vorgesehen,
den Aufbau gemäß der Erfindung so zu nutzen, dass über
die Ventileinrichtung Medien in zwei verschiedenen Aggregatzuständen
ausgetragen werden. Aufgrund der Eigenschaft der Flüssigkeiten
und der Gase wird bei geeigneter Anordnung der Ventileinrichtung,
bevorzugt in einem Wasserabscheider, die Drainfunktion immer zuerst
ausgeführt, bis kein Wasser mehr in den entsprechenden
Leitungen zur Ventileinrichtung vorhanden ist. Erst nachdem das
Wasser über die Ventileinrichtung abgeströmt ist,
wird es zu einem Abblasen von Gasen aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung
und/oder des Anodenraums kommen. Durch eine entsprechende Auslegung
des Überströmwegs und hier insbesondere des durchströmbaren
Querschnitts kann dabei erreicht werden, dass keine großen
Mengen an Wasserstoff den Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder
des Anodenraums verlassen. Dadurch wird es zu einem kontinuierlichen
Abströmen des sich ansammelnden Wassers kommen, während
nur vergleichsweise geringe Mengen an angereichertem Stickstoff über
den Überströmweg abgeblasen werden. Da zusammen
mit dem Abblasen der inerten Gase immer auch eine gewisse Menge
an Wasserstoff verloren geht, ist dies besonders günstig,
da der Verlust an Wasserstoff selbstverständlich möglichst gering
gehalten werden soll.
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Typischerweise
wird daher der schaltbare Strömungsweg der Ventileinrichtung
im Normalbetrieb nicht oder nur in Ausnahmezuständen, wie
beispielsweise der Betrieb des Brennstoffzellensystems bei hoher
elektrischer Leistung, entsprechend geöffnet. Daher ist
es gemäß einer besonders günstigen und
vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, dass der
schaltbare Strömungsweg der Ventileinrichtung immer nur
dann geöffnet wird, wenn die Wasserstoffkonzentration im
Bereich der Rezirkulationsleitung und/oder des Anodenraums unter
einen vorgegebenen Wert fällt. Das Abfallen der Wasserstoffkonzentration
deutet auf das Vorhandensein eines großen Volumens an inertem
Gas, insbesondere Stickstoff, hin. Ist dies der Fall, dann kann über
ein Öffnen des schaltbaren Strömungswegs ein sehr schnelles
Abblasen dieses Gases erreicht werden. Nur in solchen Fällen
erfolgt daher das Öffnen des schaltbaren Strömungswegs,
sodass Verluste an Wasserstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung
und/oder des Anodenraums weitgehend minimiert werden können.
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Wie
oben dargelegt, zeichnet sich der Aufbau des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems sowie der Betrieb des erfindungsgemäßen
Verfahrens insbesondere durch Einfachheit, Zuverlässigkeit
und Kompaktheit aus. Daher ist sowohl das Brennstoffzellensystem
als auch das Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems besonders
geeignet, um in Transportmitteln auf dem Land, im Wasser und in
der Luft eingesetzt zu werden. Da derartige Transportmittel, insbesondere
Personenkraftwagen, immer unter hohem Kostendruck und eher geringem verfügbarem
Bauraum realisiert werden, spielen diese Vorteile hier eine besonders
große Rolle. Das Brennstoffzellensystem kann dabei typischerweise die
Antriebsenergie für ein derartiges Transportmittel zur
Verfügung stellen, es ist jedoch auch denkbar, über
das Brennstoffzellensystem lediglich elektrische Energie für
Hilfsantriebe zu erzeugen, während die Vortriebsenergie
anderweitig, beispielsweise durch Verbrennungskraftmaschinen, Strömungsmaschinen oder
dergleichen gewonnen wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels
deutlich, welches nachfolgend anhand der Figuren näher
erläutert wird.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems in einer
möglichen Ausführungsform gemäß der
Erfindung;
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2 einen
Aufbau einer Ventileinrichtung in einer ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
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3 einen
Aufbau einer Ventileinrichtung in einer zweiten Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
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4 einen
Aufbau einer Ventileinrichtung in einer dritten Ausführungsform
gemäß der Erfindung; und
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5 einen
Aufbau eines Umströmungswegs mit einer flexiblen Blende.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in
einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt
stark schematisiert angedeutet. Wichtigster Bestandteil des Brennstoffzellensystems 1 ist
dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als
Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack,
ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Anodenraum 3 und
einen Kathodenraum 4 auf, welche in den hier dargestellten
Ausführungsbeispielen jeweils durch eine protonenleitende
Membran voneinander getrennt sein sollen. Bei der Brennstoffzelle 2 handelt
es sich also um einen sogenannten PEM-Brennstoffzellenstack.
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Der
Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird aus einer
Wasserstoffspeichereinrichtung 5 über ein Dosierventil 6 sowie
ein Leitungselement mit Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 versorgt.
Im Bereich des Anodenraums 3 nicht umgesetzter Wasserstoff
gelangt über eine Rezirkulationsleitung 7 zurück
in den Bereich, in dem der frische Wasserstoff über das
Dosierventil 6 zu dem Anodenraum 3 strömt.
Die Rezirkulationsleitung 7 führt damit in an
sich bekannter Weise unverbrauchtes Gas aus dem Bereich des Anodenraums 3 zurück
in den Anodenraum, wobei sich das Gas mit frischem Wasserstoff aus
der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt. Um den
Druckverlust im Anodenraum 3 auszugleichen, ist im Bereich
der Rezirkulationsleitung 7 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 8 angeordnet, welche
für die Rückführung des unverbrauchten
Gases aus dem Anodenraum 3 sorgt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 8 kann
dabei als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet
sein, so wie dies in 1 angedeutet ist. Ergänzend
oder alternativ hierzu wäre auch eine Gasstrahlpumpe denkbar,
welche durch den Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 angetrieben
wird, und das Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 entsprechend
ansaugt, mit dem frischen Wasserstoff vermischt und dem Anodenraum 3 zuführt.
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Der
Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird im hier
dargestellten Ausführungsbeispiel mit Luft versorgt. Der
in der Luft enthaltende Sauerstoff dient als Oxidationsmittel für
die chemische Reaktion im Inneren der Brennstoffzelle 2 und
bildet zusammen mit dem Wasserstoff in an sich bekannter Weise Wasser,
wobei elektrische Leistung frei wird, welche an der Brennstoffzelle 2 entsprechend
abgegriffen werden kann. Die Luft für den Kathodenraum 4 wird dabei über
eine Luftfördereinrichtung 9 entsprechend verdichtet
und dem Kathodenraum 4 zugeführt. Zur Aufbereitung
der Luft können dabei weitere Komponenten, wie beispielsweise
Luftfilter oder dergleichen vorhanden sein, auf deren Darstellung
hier zur Vereinfachung verzichtet wurde. Die Luftfördereinrichtung 9 kann
dabei als Kompressor, beispielsweise als Schraubenkompressor, ausgebildet
sein. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll die
Luftfördereinrichtung 9 jedoch als Strömungsverdichter
ausgebildet sein, welcher über eine Welle mit einer elektrischen
Maschine 10 sowie einer Turbine 11 kombiniert
ist. Dieser aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannte Aufbau
wird auch als elektrischer Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger)
bezeichnet. Über die Turbine 11 kann in dem Abgas
aus dem Kathodenraum 4 vorhandene Energie in Form von Druck und
Wärme entsprechend zurückgewonnen werden. Die
Luftfördereinrichtung 9 kann dann über
die Turbine 11 betrieben werden oder der Betrieb kann zumindest über
die Turbine 11 unterstützt werden. Die weitere
verbleibende Energie, oder falls die Turbine 11 keine Energie
liefert die gesamte Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9,
kann außerdem über die elektrische Maschine 10 zur
Verfügung gestellt werden. Wenn die Turbine 11 einen
Energieüberschuss liefert, sodass mehr Energie an der Turbine 11 anfällt
als zum Betrieb des Luftverdichters 9 benötigt
wird, dann kann die elektrische Maschine 10 als auch als
Generator betrieben werden, um diese anfallende mechanische Energie
in elektrische Energie umzuwandeln, welche dann in z. B. einer Batterie des
Brennstoffzellensystems 1 entsprechend eingespeichert wird
oder anderen elektrisch betriebenen Nebenaggregaten zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Im
Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ist außerdem
ein Wasserabscheider 12 vorgesehen, welcher während
des Betriebs flüssiges Wasser, welches sich im Bereich
des Anodenraums 3 ansammelt und über die Rezirkulationsleitung 7 entsprechend ausgetragen
wird, sammelt. Dieses flüssige Wasser kann somit Gaskanäle
und dergleichen im Bereich des Anodenraums 3 nicht verstopfen,
sodass dessen sicherer und zuverlässiger Betrieb garantiert
werden kann. Im Bereich des Wasserabscheiders 12 ist zum Ablassen
dieses Wassers eine Ventileinrichtung 13 im Auslassbereich
des Wasserabscheiders 12, typischerweise also in Richtung
der Schwerkraft unten, vorgesehen. Diese Ventileinrichtung 13,
welche den Kern des hier beschriebenen Systemaufbaus darstellt,
hat dabei eine besondere Ausgestaltung, auf welche später
noch umfassend eingegangen werden wird.
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Im
Bereich der Zuleitung der Luft von der Luftfördereinrichtung 9 in
den Kathodenraum 4 ist außerdem ein weiteres Bauteil 14 angeordnet,
welches sowohl von dem Zuluftstrom zum Kathodenraum 4 als
auch dem Abluftstrom vom Kathodenraum 4 durchströmt
wird. Dieses Bauteil 14 soll dabei ein kombinierter Ladeluftkühler
und Befeuchter sein. Grundsätzlich wäre es auch
denkbar, die beiden Bauteile jeweils einzeln nacheinander auszubilden.
Die Aufgabe des Bauteils 14 besteht nun darin, die nach der
Luftfördereinrichtung 9 vergleichsweise heiße und
trockene Luft mit der eher kalten und feuchten Abluft aus dem Kathodenraum 4 entsprechend
abzukühlen und zu befeuchten. Hierfür durchströmen
die beiden Gasströme das Bauteil 14 in getrennten
Bereichen, welche über für Wärme und
Wasserdampf zumindest partiell durchlässige Trennwände
voneinander getrennt sind. Damit kann die Wärme der verdichteten
Zuluft auf die Abluft übertragen werden. Gleichzeitig wird
in der Abluft befindliche Feuchtigkeit, welche sich dort aufgrund
des primär im Bereich des Kathodenraums 4 entstehenden
Produktwassers befindet, auf die trockene Zuluft übertragen,
sodass diese entsprechend befeuchtet in den Kathodenraum 4 einströmt
und damit die empfindlichen Membranen nicht schädigt. Der
Vorteil des Aufbaus mit der Turbine 11 ist es dabei, dass
in dem Bauteil 14 vom Zuluftstrom auf den Abluftstrom übertragene
Energie im Bereich der Turbine 11 wieder genutzt und zumindest teilweise
wieder für die Luftfördereinrichtung 9 zur Verfügung
gestellt werden kann.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 zeigt
außerdem eine Steuerungselektronik 15, welche
hier exemplarisch angedeutet ist und mit entsprechenden Komponenten
des Brennstoffzellensystems 1 in Verbindung steht. Außerdem
sind beispielhaft drei Sensoren 16, 17, 18 dargestellt,
welche entsprechende Werte an die Steuerungselektronik 15 liefern,
welche dann zur Ansteuerung beispielsweise der Luftfördereinrichtung 9,
der Rezirkulationsfördereinrichtung 8, des Dosierventils 6,
der Turbine 11 oder dergleichen verwendet werden können.
Dabei sollen die Sensoren 16 und 17 entsprechende
Drucksensoren darstellen, während der Sensor 18 einen Wasserstoffkonzentrationssensor
symbolisiert. Die Steuerungselektronik 15 ist dabei in
an sich bekannter Weise auch mit der Brennstoffzelle 2 selbst
verbunden und kann die Funktionalität des gesamten Brennstoffzellensystems 1 überwachen
und steuern bzw. regeln. Beim Einsatz in einem Fahrzeug wird die Steuerungselektronik 15 außerdem
mit einer Fahrzeugsteuergerät in Verbindung stehen, um
die entsprechenden Anforderungen des Fahrzeugs an das Brennstoffzellensystem 1 entsprechend
umzusetzen, beispielsweise indem das Brennstoffzellensystem 1 die
vom Fahrzeug gestellte Leistungsvorgabe entsprechend umsetzt. Damit
kann die gewünschte Vortriebsenergie durch das Brennstoffzellensystem 1 erzeugt
werden, wenn dieses zumindest einen Teil der Antriebsenergie für
das Kraftfahrzeug liefert. Beim ebenso denkbaren Einsatz des Brennstoffzellensystems 1 als
Hilfsenergiesystem könnte eine entsprechende Anforderung
vom elektrischen Nebenaggregat des Fahrzeugs, z. B. einer Klimaanlage
oder einer entsprechenden Elektronikkomponente erfolgen.
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Dieser
bis hierher beschriebene Aufbau entspricht dabei dem entsprechenden
Teil eines Brennstoffzellensystems 1, wie es auch aus dem
Stand der Technik bekannt ist. Aufgrund der Tatsache, dass dem Kathodenraum 4 Luft
zugeführt wird, und dass der Wasserstoff über
die Rezirkulationsleitung 7, in einem sogenannten Anodenloop,
um den Anodenraum 3 geführt wird, kommt es mit
der Zeit zu einer Anreicherung von Stickstoff im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und
des Anodenraums 3, da Stickstoff durch die Membran hindurch
aus der Luft im Kathodenraum 4 in den Bereich des Anodenraums 3 diffundiert.
Außerdem wird ein Teil des entstehenden Produktwassers
im Bereich des Anodenraums 3 entstehen, wenn auch der größte
Teil des Produktwassers im Kathodenraum 4 anfällt.
Aufgrund der Kreislaufführung des Gases um den Anodenraum 3 kommt es
nun also zu einer Anreicherung von Stickstoff und Wasser im Bereich
des Anodenloops. Um dennoch eine ausreichende Menge an Wasserstoff
bzw. eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration im Anodenraum 3 der
Brennstoffzelle 2 sicherstellen zu können, muss
dieser Stickstoff in herkömmlichen Systemen von Zeit zu
Zeit abgeblasen werden (Purge). Auch das anfallende Wasser muss
von Zeit zu Zeit abgelassen werden (Drain). Der Drain und der Purge erfolgen
in dem Aufbau gemäß 1 mittels
der Ventileinrichtung 13, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
am Wasserabscheider 12 angebracht ist.
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In
der Darstellung der 2 ist der detaillierte Aufbau
der Ventileinrichtung 13 in einer schematisch dargestellten
Ausführungsform zu erkennen. Die Ventileinrichtung 13 verfügt
dabei über zwei Strömungswege, nämlich
einen schaltbaren Strömungsweg 19 mit einem Ventilelement 20 sowie
einen Überströmweg 21, welcher in dem
hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine
Blende 22 einen fest vorgegebenen durchströmbaren
Querschnitt haben soll. Der schaltbare Strömungsweg 19 und
der Überströmweg 21 sind dabei parallel
in der Ventileinrichtung 13 geführt, sodass auch
bei geschlossenem Ventil 20 eine Strömung durch
den Überströmweg 21, welcher auch als
Bypass bezeichnet werden könnte, auftreten kann. Über
die Ventileinrichtung 13 ist der Wasserabscheider 12 nun
mit dem Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 verbunden.
Im regulären Betrieb, bei geschlossenem schaltbarem Strömungsweg 19 wird
daher anfallendes und sich in dem Wasserabscheider 12 ansammelndes
Wasser über den Überströmweg 21 aus
dem Wasserabscheider abströmen und in den Bereich der Zuluft
zum Kathodenraum 4 gelangen. Insbesondere im Bereich der
Zusammenführung nach der Luftfördereinrichtung 9, wird
die Zuluft entsprechend heiß und trocken vorliegen, sodass
durch die eingebrachte Feuchtigkeit bzw. das eingebrachte Wasser
aus dem Bereich des Wasserabscheiders 12 eine Kühlung
und Befeuchtung der Zuluft erfolgt, was für die Konditionierung der
Zuluft, welche dann typischerweise noch einen Ladeluftkühler
und/oder einen Befeuchter durchströmt, durchaus von Vorteil
ist. Nachdem der Wasserabscheider durch den Überströmweg 21 entsprechend
leer ist, also das in ihm befindliche Wasser weitgehend abgelassen
wurde, wird außerdem ein Teil des Gases aus dem Bereich
der Rezirkulationsleitung 7 über den Überströmweg 21 der
Ventileinrichtung 13 mit abgeblasen, welches ebenfalls
in den Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 gelangt. Dieses
Gas wird primär aus inerten Gasen, insbesondere aus Stickstoff,
bestehen. Im Allgemeinen wird jedoch ein kleiner Teil an Wasserstoff
mit enthalten sein. Dieser wird im Bereich der Zuluft zum Kathodenraum 4 entsprechend
mit der Zuluft gemischt. An den im Kathodenraum 4 vorhandenen
Katalysatoren kann das Gemisch aus Sauerstoff und Restwasserstoff
in dem Purgegas dann zu Wasser reagieren, ohne dass über
die Abluftleitung aus dem Kathodenraum 4 Emissionen von
Wasserstoff an die Umgebung zu befürchten wären.
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Über
die Blende 22 im Überströmweg 21 der Ventileinrichtung 13 wird
typischerweise immer zuerst dass sich ansammelnde Wasser abströmen.
Erst dann erfolgt ein Abblasen von Gas aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7.
Dies ist bei den allgemeinen Betriebsbedingungen, insbesondere im
Teillastbereich des Brennstoffzellensystem 1 so gewollt
und typischerweise auch sowohl hinsichtlich des Drains als auch
hinsichtlich des Purgs ausreichend. In besonderen Situationen, wenn
sich entsprechend viel inertes Gas in der Rezirkulationsleitung 7 angesammelt
hat, kann über die Steuereinrichtung 15 das Ventil 20 des
schaltbaren Strömungswegs entsprechend geöffnet
werden. Dann kommt es zusätzlich zu einem Abblasen eines
größeren Volumens, auch hier zuerst des Wassers
und dann des Gases. Da über die Steuereinrichtung 15 entsprechende
Werte des Systems wie Drücke, Temperaturen und dergleichen bekannt
sind, kann ein Öffnen des Ventils 20 im schaltbaren
Strömungsweg 19 so gesteuert werden, dass dieses
zu einem Zeitpunkt erfolgt, in dem die geeigneten Bedingungen im
Kathodenraum 4 vorliegen, sodass einerseits die eingebrachte
Feuchtigkeit und andererseits der mit eingebrachte Restwasserstoff
in dem Purgegas in dem Kathodenraum 4 entsprechend umgesetzt
werden kann, ohne den Betrieb der Brennstoffzelle 2 massiv
zu beeinträchtigen. Als Auslöser für
einen derartigen Purge über das Ventil 20 im schaltbaren
Strömungsweg 9 kann beispielsweise die Wasserstoffkonzentration
im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 herangezogen werden. Eine
solche kann, wie hier beispielhaft dargestellt, über einen
Wasserstoffkonzentrationssensor 18 entsprechend gemessen
und in der Steuerungselektronik 15 verarbeitet werden.
Wenn die Wasserstoffkonzentration aufgrund einer großen
Menge an angereichertem Stickstoff in der Rezirkulationsleitung 7 sinkt, kann über
ein Öffnen des Ventils 20 im schaltbaren Strömungsweg 19 der
Ventileinrichtung 13 ein Abblasen dieses Stickstoffs parallel
zum ansonsten immer offenen Strömungsweg durch den Überströmweg 21 mit
seiner Blende 22 realisiert werden.
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Alternativ
oder ergänzend zur Messung der Wasserstoffkonzentration
kann ein Öffnen des Ventils 20 auch dann erfolgen,
wenn entsprechend viel Wasser im Bereich des Wasserabscheiders 12 und der
Rezirkulationsleitung 7 vorliegt. Da auf die typischerweise
sehr empfindlichen Levelsensoren im Bereich des Wasserabscheiders 12 verzichtet
werden soll, kann dann eine entsprechende Verschlechterung der Brennstoffzellenperformance
oder einfach eine zeitgesteuerte Öffnung des Ventils 20 für
den Drain vorgesehen werden.
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Die
Blende 22 wird hinsichtlich ihres durchströmbaren
Durchmessers entsprechend den jeweiligen Systembedingungen des vorliegenden
Brennstoffzellensystems 1 gewählt. Insbesondere
muss der Durchflussfaktor so gewählt werden, dass immer eine
bestmögliche Abfuhr des Wassers gewährleistet ist
und dass in Abstimmung mit dem Volumenstrom in der Rezirkulationsleitung 7 außerdem
dafür gesorgt ist, dass nur eine geringe Menge an Wasserstoff über den Überströmweg 21 aus
dem Bereich des Anodenraums 3 und der Rezirkulationsleitung 7 ausgetragen wird.
In einem kleinen Brennstoffzellensystem 1 wird daher eine
kleinere Blende eingesetzt sein als in einem großen Brennstoffzellensystem 1 mit
größeren Volumenströmen durch die Brennstoffzelle 2.
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Insgesamt
entsteht damit ein sehr einfacher und effizienter Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1,
welcher eine entsprechend sichere Funktionalität erlaubt
und insbesondere nicht in Abhängigkeit von sehr stark gegen
Verschmutzung anfälligen Levelsensoren gesteuert wird.
Der Aufbau der Ventileinrichtung 13 kann dabei entsprechend
der Darstellung in 2 realisiert werden. Dabei ist
sowohl ein Aufbau mit einem Ventil 20 und einer darum gelegten
Bypassleitung als Überströmweg 21 denkbar.
Parallel dazu kann der Überströmweg 21 auch
in das Ventil 20 integriert sein, beispielsweise als Bypasskanal
im Ventilgehäuse. Außerdem wäre es denkbar,
den Überströmweg 21 unmittelbar in das
Ventil 20 mit zu integrieren, sodass eine integrierte und äußerst
kompakte Ventileinrichtung 13 entsteht. Die 3 und 4 zeigen
mögliche Ausführungsformen einer derartigen Ventileinrichtung 13.
Die Darstellung der 3 und 4 zeigt
dabei ein Ventilgehäuse 23, in dem beispielhaft
ein Ventilsitz 24 und ein mit diesem Ventilsitz 24 korrespondierender
Ventilstößel 25 dargestellt sind. Wie
durch den Doppelpfeil in einem Schaft 26 des Ventilstößels 25 angedeutet,
kann der Ventilstößel 25 entsprechend
bewegt werden, sodass zwischen dem Ventilstößel 25 und
dem Ventilsitz 24 ein durchströmbarer Querschnitt
freigegeben wird. Der Ventilstößel 25 kann
beispielsweise über magnetische Kräfte entsprechend
bewegt werden, sodass ein Magnetventil vorliegt. In der Darstellung der 3 ist
nun zu erkennen, dass im Ventilstößel 25 eine
Nut 27 vorgesehen ist. Durch diese Nut 27 als
Ausnehmung entsteht der Überströmweg 21 auch bei
geschlossenem Ventil 20, also immer dann, wenn der Ventilstößel 25 – wie
in den 3 und 4 dargestellt – am
Ventilsitz 24 anliegt. Die Nut 27 kann dabei jeweils
einmal oder auch mehrfach in dem Ventilstößel 25 vorgesehen
sein. Ihr Querschnitt definiert dabei den Durchflussfaktor und ersetzt
die in 2 dargestellte Blende 22. Die Darstellung
in 4 ist im Wesentlichen analog der Darstellung in 3 zu verstehen.
Anstelle der Nut 27 ist hier eine Bohrung 28 in
dem Ventilstößel 25 angebracht. Die Bohrung 28 erlaubt
es einer geringen Menge an Medium kontinuierlich durch die Ventileinrichtung 13 zu
strömen, auch dann, wenn das Ventil 20 geschlossen
ist und der Ventilstößel 25 am Ventilsitz 24 dichtend
anliegt. Dabei können analog dem oben dargestellten Beispiel
auch mehrere Bohrungen 28 vorgesehen werden.
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Der
Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in der hier dargestellten
Ausführungsform ist nun hinsichtlich der Auslegung des Überströmwegs 21 vergleichsweise
kritisch, da dieser, wie bereits mehrfach erwähnt, so gestaltet
sein muss, dass nicht mehr Wasserstoff aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 7 verloren
geht als unbedingt notwendig. Nun ist es jedoch so, dass über
verschiedene Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 1 hinweg
unterschiedliche Mengen an Wasser und Stickstoff im Bereich der
Rezirkulationsleitung 7 anfallen werden. Es wäre
daher wünschenswert, verschiedene Durchmesser des Überströmwegs
für verschiedene Betriebszustände vorzusehen.
Grundsätzlich wäre dies möglich, indem
mehrere Überströmwege parallel vorgesehen sind,
wobei über entsprechende Ventileinrichtungen einzelne Überströmwege
entsprechend zugeschaltet bzw. abgeschaltet würden. Dadurch würde
jedoch der Vorteil der geringen Anzahl an Bauteilen und des einfachen
Systems weitgehend aufgebraucht. Daher kann es gemäß einer
besonders günstigen Ausgestaltung des Systems vorgesehen sein,
dass die Blende 22 als flexible Blende ausgestaltet ist.
In der Darstellung der 5 ist die Blende 22 als
eine solche flexible Blende beispielhaft dargestellt. Die flexible
Blende kann als Öffnung 29 in einer Membran 30 ausgebildet
sein. Die Membran 30 selbst ist dabei weder für
Wasser noch für Gas durchlässig, sodass der Querschnitt
des Überströmwegs 21 durch die Größe
der Öffnung 29 bestimmt wird. Tritt nun im Bereich
des Wasserabscheiders 12 ein entsprechender Druck auf,
welcher höher ist als der Druck im Bereich nach der Ventileinrichtung 13,
insbesondere also der Druck im Bereich der Kathodenzuluft, so wird
sich die Membran 30 entsprechend verformen und beispielhaft
die in 5 gestrichelt eingezeichnete Position 30' annehmen.
Wie zu erkennen ist, wird die dann mit 29' bezeichnete Öffnung größer,
sodass die Blende 22 in Abhängigkeit der Druckdifferenz
zwischen den beiden Seiten der Blende 22 ihren durchströmbaren Öffnungsquerschnitt 29, 29' entsprechend
verändert. Dies erfolgt passiv und ohne dass eine Ansteuerung
der Blende 22 beispielsweise mittels Magneten oder dergleichen
notwendig wäre. Der Vorgang kann allerdings gezielt beeinflusst
werden, indem über die Steuerungselektronik 15 die
Drücke im Bereich der Kathode 4 und der Anode 3 entsprechend
beeinflusst werden, sodass es zu einer Auslenkung der Membran 30, 30' im
Bereich der flexiblen Blende 22 kommt. Damit kann der Durchfluss
durch den Überströmweg 21 entsprechend
fein justiert werden. Da die Drücke zwischen Kathode 4 und
Anode 3 ohnehin ständig überwacht und über
die Luftfördereinrichtung 9, die Turbine 11, welche üblicherweise
ein variable Turbinengeometrie aufweist, und damit den Gegendruck
im Katzhodenraum regeln kann, sowie die Zufuhr von Wasserstoff über
die Dosiereinrichtung 6 entsprechend angepasst werden können,
stellt diese Regelung zur Feinanpassung der abgeführten
Menge an Wasser und Gas über die Ventileinrichtung 13 nur
einen minimalen zusätzlichen Aufwand dar, mit dem jedoch
die Funktionalität des Systems gegenüber der einfachen Variante
mit fester Blende 22 nochmals erhöht werden kann.
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Insbesondere
wenn der Druck im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und
damit auch im Bereich des Anodenraums 3 entsprechend erhöht
ist, ist eine größere Öffnung der flexiblen
Blende 22 wünschenswert. Im umgekehrten Fall jedoch
eher nicht. Um mit dem in 5 dargestellten
Aufbau zu erreichen, dass die Blende 22 sich nur dann weiter öffnet,
wenn im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 ein entsprechend
höherer Druck vorliegt, kann im Bereich der Blende 22 ein
Stabilisierungsmittel 31 beispielsweise in Form eines Gitters
oder Lochblechs eingebracht werden. Dieses Stabilisierungsmittel 31 kann
dabei so ausgebildet sein, dass die Membran 30 bei ausgeglichener
Druckdifferenz im Bereich des Stabilisierungsmittels 31 anliegt.
Kommt es nun zu einem Überdruck auf der Seite der Kathodenzuluft
bzw. des Kathodenraumes 4, so wird die Membran von dem Stabilisierungsmittel 31 in
ihrer Position gehalten und kann sich nicht in Richtung der Rezirkulationsleitung 7 und
des Wasserabscheiders 12 hin aufwölben. Damit
bleibt die Öffnung 29 in ihrem definierten Öffnungsquerschnitt,
obwohl eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten vorliegt.
Bei einer Druckdifferenz mit anderem Vorzeichen stört das
Stabilisierungsmittel 31 in seiner Anordnung gemäß 5 die oben
beschriebene Funktion nicht.
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In
einer Weiterbildung dieser Idee kann es außerdem vorgesehen
sein, dass in diesem Ruhezustand die Öffnung 29 der
flexiblen Blende 22 so gewählt ist, dass diese
sich erst öffnet, wenn eine gewisse Auslenkung der Membran 30 realisiert
ist. Damit könnte dann erreicht werden, dass die Ventileinrichtung 13 im
abgestellten Zustand des Brennstoffzellensystem 1, wenn
beide Seiten drucklos sind, entsprechend verschlossen ist, sodass
es nicht zu einer Mischung der Gase im Bereich der Rezirkulationsleitung 7 und
damit im Bereich des Anodenraums 3 sowie den Gasen im Bereich
des Kathodenraums 4 kommt.
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Die
konkreten Ausgestaltungen der 3, 4 und 5 sind
dabei lediglich Beispiele für mögliche Ausführungsformen
zur Realisierung. Es ist selbstverständlich, dass dem Fachmann
alternative Ausgestaltungen geläufig sind, oder durch diesen leicht
hergeleitet werden können, welche mit einem anderen konstruktiven
Aufbau denselben Zweck erfüllen. Es ist selbstverständlich,
dass auch diese alternativen Ausführungsformen unter die
Erfindung fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10115336
A1 [0002, 0002, 0002]
- - WO 2008/052578 A1 [0004]
- - DE 10311785 A1 [0006, 0006]