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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreislauf zur Rückführung von Abgasen aus einem Anodenraum in den Eingangsbereich des Anodenraums, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme mit einem Anodenkreislauf sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Beispielhaft wird hierzu auf die
JP 2007-200725 A verwiesen. In der japanischen Schrift ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle gezeigt. Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem einen sogenannten Anodenkreislauf, welcher den Ausgang der Anode mit dem Eingang der Anode verbindet. In dieser sogenannten Rezirkulationsleitung des Anodenkreislaufs ist eine Rezirkulationsgasfördereinrichtung angeordnet, um das Abgas vom Ausgang des Anodenraums zum Eingang des Anodenraums zurückzufördern. Das Abgas wird dem Eingang des Anodenraums dann vermischt mit frischem Gas, beispielsweise aus einem Druckgasspeicher, erneut zugeführt.
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Es ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass durch diesen Anodenkreislauf eine bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden aktiven Fläche der Brennstoffzelle im Anodenraum erzielt wird, da mit einem Überschuss an Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, gearbeitet werden kann. Hierdurch wird die zur Verfügung stehende Fläche ideal ausgenutzt. Der Überschuss von beispielsweise 10 bis mehrere 100 Prozent des benötigten Brennstoffs wird über die Rezirkulationsleitung zurückgeführt, geht also nicht verloren. Der zurückgeführte Brennstoff enthält außerdem Feuchtigkeit, sodass die Membranen in der Brennstoffzelle, welche typischerweise als PEM-Brennstoffzelle aufgebaut ist, ideal befeuchtet werden. Von Zeit zu Zeit reichert sich in dem Anodenkreislauf eine unerwünscht große Menge an Wasser und inerten Gasen, welche wie Stickstoff z. B. durch die Membranen der Brennstoffzelle aus einem Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren, oder als Verunreinigungen im Brennstoff selbst vorliegen. Diese können über einen Wasserabscheider und/oder ein Ventil von Zeit zu Zeit abgelassen werden.
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Nun ist es so, dass sich im Bereich der Brennstoffzelle Produktwasser sammelt, welches bei hohen Lasten und einem hohen Volumenstrom an Brennstoff und an rezirkuliertem Abgas aus den vergleichsweise engen Gasverteilungskanälen des Anodenraums problemlos ausgetragen wird. Bei niedrigeren Lasten kann dies unter Umständen jedoch zu Problemen führen, da flüssiges Wasser aufgrund des geringen Volumenstroms des durchströmenden Gases Kanäle und/oder Teile der Membranen beziehungsweise der sogenannten Gasdiffusionselektroden blockieren kann. Hierdurch geht aktive Zellfläche verloren und die Performance der Brennstoffzelle sinkt.
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Um den Wasseraustrag zu verbessern ist es in der genannten japanischen Schrift
JP 2007-200725 A vorgeschlagen, über einen pulsierenden Betrieb eines Gebläses als Rezirkulationsgasfördereinrichtung größere Druckunterschiede in dem Anodenraum und der Rezirkulationsleitung zu schaffen, sodass der Austrag von flüssigem Wasser aus dem Anodenraum verbessert wird. Der Aufbau ist dabei vergleichsweise aufwändig, da er eine gezielte Ansteuerung des Rezirkulationsgebläses erforderlich macht. Außerdem wird aufgrund der Trägheit des typischerweise elektromotorisch angetriebenen Rezirkulationsgebläses der Druck lediglich vergleichsweise langsam ansteigen und wieder abfallen, sodass der Austrag von Wasser durch die in der JP-Schrift beschriebene Vorrichtung nicht optimal ist.
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Eine weitere Problematik legt darin, dass durch ein ständiges Abbremsen und Wiederbeschleunigen des Rezirkulationsgebläses ein erhöhter Energiebedarf im Bereich des Rezirkulationsgebläses auftritt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verschlechtert.
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Ferner ist aus der
JP 2010-044911 A ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreislauf bekannt. Im Anodenkreislauf dieses Brennstoffzellensystems ist ein Zwischenspeicher für das rezirkulierte Abgas angeordnet. Über Ventileinrichtungen, welche entsprechend geöffnet und wieder geschlossen werden, wird eine Druckpulsation in dem Anodenkreislauf aus denselben Gründen, wie beim zuvor genannten Stand der Technik, erzeugt. Auch hier ist der Aufbau relativ komplex, da er entsprechend viel Bauraum und viele Bauteile erforderlich macht, welche alle gegenüber dem im Abgas vorhandenen Wasserstoff dicht ausgebildet werden müssen. Dies ist bekanntermaßen aufwändig und teuer. Außerdem erfordert die Ansteuerung der Ventileinrichtungen zur Erzeugung der Pulsation ein komplexes Steuerungssystem. Ferner wird Energie zur Ansteuerung der Ventileinrichtungen benötigt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem mit einer Anodenrezirkulation, in welcher eine Pulsationseinrichtung angeordnet ist, anzugeben, welches die oben genannten Nachteile umgeht und ein einfaches, kostengünstiges und energieeffizientes System gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Pulsationseinrichtung ist also so aufgebaut, dass diese ein bewegliches Element aufweist. Das bewegliche Element beeinflusst den durchströmbaren Querschnitt für den Gasstrom mehr oder weniger stark. Durch die Anordnung an beliebiger Stelle in dem Anodenkreislauf kann es sich bei diesem Gasstrom entweder um das zurückgeführte Abgas alleine oder das bereits wieder mit frischem Brennstoff gemischte Abgas handeln. Soweit entspricht die Pulsationseinrichtung einer Ventileinrichtung, welche geöffnet und geschlossen wird, so wie dies im Stand der Technik ausgeführt ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es nun jedoch vor, dass das bewegliche Element sich selbsttätig durch eine über die Strömung verursachte veränderliche Kraft und eine Gegenkraft pulsierend bewegt. Die Pulsationseinrichtung erlaubt also die Erzeugung eines pulsierenden Gasstroms, ohne dass aktiv durch eine Steuerung beziehungsweise Regelung in die Strömung des Gasstroms eingegriffen werden muss. Der pulsierende Gasstrom wird über ein bewegliches Element, welches sich aufgrund einer durch die Strömung verursachten veränderlichen Kraft und einer Gegenkraft, welche gegeneinander wirken und eine schwankende Kraft beziehungsweise Druckdifferenz einmal in Richtung der einen Kraft und einmal in Richtung der anderen Kraft verursachen, erzeugt.
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Die Pulsationseinrichtung mit dem sich selbsttätig bewegenden Element gemäß der Erfindung ist dabei außerordentlich einfach und effizient. Sie benötigt keinerlei zusätzliche Ansteuerung und kann somit als passive Pulsationseinrichtung sehr platzsparend an beliebiger Stelle in den Anodenkreislauf eingebaut werden.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass das bewegliche Element als Klappe ausgebildet ist, welche an einem in Strömungsrichtung des Gasstroms vorderen Ende außerhalb der Mitte der Strömung des Gasstroms drehbeweglich befestigt ist. Eine solche außermittig befestigte Klappe wird immer eine resultierende Kraft aufgrund der An- bzw. Umströmung in eine Richtung erfahren. Dadurch wird die Klappe zunächst in der einen Richtung abgelenkt, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt. Von der Trägheit wird sie etwas über dieses Kräftegleichgewicht hinausbewegt. Dann erfährt sie eine resultierende Kraft in die andere Richtung und bewegt sich wieder zurück. Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung kann dabei zusätzlich die Gewichtskraft der Klappe und/oder die Kraft einer Feder als Gegenkraft ausgebildet sein, um die Klappe in die Strömung zu drücken. In beiden Fällen ergibt sich eine pulsierende Bewegung der Klappe. Sie gibt dadurch den durchströmbaren Querschnitt abwechselnd mehr oder weniger stark frei, sodass dies einen pulsierenden Gasstrom zur Folge hat.
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In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es vorgesehen sein, dass die Pulsationseinrichtung eine Austrittsdüse und ein Umlenkelement aufweist, welches in seinem Abstand zur Austrittsdüse zumindest zwischen einer die Austrittsdüse verschließenden und einer von der Austrittsdüse beabstandeten Position frei beweglich ist, wobei die Austrittsdüse eine Austrittsöffnung und einen mit dem Umlenkelement korrespondierenden Fortsatz aufweist, sodass sich zwischen dem Umlenkelement und dem Fortsatz der Austrittsdüse in Abhängigkeit der sich selbsttätig verändernden Position des Umlenkelements ein mehr oder weniger großer durchströmter Spalt ausbildet.
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Diese Ausgestaltung der passiven Pulsationseinrichtung nutzt dabei das sogenannte hydrodynamische Paradoxon, um eine pulsierende Strömung zu erzielen. Das Umlenkelement ist so vor der Austrittsdüse angeordnet, dass es die Strömung umlenkt, wodurch diese durch einen schmalen Spalt zwischen dem Umlenkelement und der Austrittsdüse strömt. Je schmaler dieser Spalt ist, desto höher ist die Strömungsgeschwindigkeit. Dadurch ergibt sich im Bereich zwischen dem Spalt und dem Fortsatz der Austrittsdüse ein geringerer Druck als in der Umgebung. Das Umlenkelement wird dadurch in Richtung der Austrittsöffnung der Austrittsdüse bewegt, wodurch der Spalt noch kleiner und die Wirkung noch weiter verstärkt wird. Irgendwann verschließt das Umlenkelement die Austrittsdüse. Die Strömung bricht dann schlagartig ab, es stellt sich überall der Umgebungsdruck ein, wodurch des Umlenkelement wieder von dem Fortsatz der Austrittsdüse abgehoben wird. Der sich wieder ausbildende Strömungsspalt wird dann wieder von Gas durchströmt, der beschriebene Vorgang beginnt von Neuem. Der Vorgang ruft dadurch eine pulsierende Strömung des Treibgasstroms hervor, die mit steigender Strömungsgeschwindigkeit des Gases hochfrequenter wird.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, kann es für beide oben beschriebenen Ausführungsformen der Pulsationseinrichtung vorgesehen sein, dass eine Feststelleinrichtung zur Fixierung des beweglichen Elements vorgesehen ist. Über eine solche Feststelleinrichtung, welche insbesondere aktiv schaltbar ausgestattet sein kann, kann das bewegliche Element fixiert werden. Damit ist eine Abschaltung der Pulsation möglich. Dies kann beispielsweise bei höheren Lasten beziehungsweise höheren Volumenströmen in dem Anodenkreislauf sinnvoll sein.
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In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung hiervon ist es dementsprechend vorgesehen, dass die Fixierung des beweglichen Elements in einer die Strömung weitgehend freigebenden Position erfolgt. Die Fixierung erfolgt also so, dass das bewegliche Element vorzugsweise in seiner den maximalen Strömungsquerschnitt freigebenden Endposition fixiert wird, umso von einem pulsierenden Gasstrom auf einen kontinuierlichen Gasstrom wechseln zu können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;
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2 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine mögliche Ausführungsform einer Pulsationseinrichtung einer Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung;
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4 eine mögliche alternative Ausführungsform einer Pulsationseinrichtung einer Gasstrahlpumpe gemäß der Erfindung; und
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5 eine mögliche Ausführungsform einer Feststelleinrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer ersten möglichen Ausführungsform dargestellt. Es soll in einem beispielhaft angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein. Der Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3. Diese ist als PEM-Brennstoffzellenstack ausgebildet. Die Brennstoffzelle 3 umfasst einen Anodenraum 4 sowie einen Kathodenraum 5. Über eine angedeutete Luftfördereinrichtung 6 soll dem Kathodenraum 5 Luft als Sauerstofflieferant in an sich bekannter Art und Weise zugeführt werden. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt dann an die Umgebung. Dies ist sehr stark vereinfacht und rein beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich könnte zwischen Zuluft und Abluft noch ein Modul zum Austausch von Wärme und/oder Feuchtigkeit angeordnet sein, oder es kann im Bereich der Abluft eine Turbine angeordnet sein, um Energie aus der Abluft zurückzugewinnen. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird als Brennstoff Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt über ein Druckregel- und Dosierventil 8 in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit Inertgas, insbesondere Stickstoff, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 vom Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert ist, und zusammen mit einem Teil des Produktwassers der Brennstoffzelle 3 über eine Rezirkulationsleitung 9 zurück zum Eingang des Anodenraums 4, welchem das rezirkulierte Abgas zusammen mit frischem Wasserstoff wieder zugeführt wird. Dieser Aufbau wird auch als Anodenkreislauf bezeichnet und ist in der Darstellung der 1 mit dem Bezugszeichen 10 versehen.
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Um die Druckverluste im Anodenraum 4 und im Anodenkreislauf 10 auszugleichen, ist in an sich bekannter Art und Weise eine Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 vorgesehen. Diese ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Rezirkulationsgebläse 12 ausgebildet. Nun ist es so, dass sich in den Anodenkreislauf 10 mit der Zeit Wasser und inerte Gase anreichern. Diese müssen beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit von entstandenen Stoffmengen und/oder Stoffkonzentrationen abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der 1 ein Wasserabscheider 13 mit einem Ablassventil vorgesehen. In dem Anodenkreislauf 10 ist außerdem eine Pulsationseinrichtung 14 angeordnet, auf welche später noch näher eingegangen wird.
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In der Darstellung der 2 ist ein vergleichbares Brennstoffzellensystem 1 in einem Fahrzeug 2 dargestellt. Soweit die Bauteile dieselben sind, tragen diese auch dieselben Bezugszeichen. Nachfolgend wird daher lediglich auf die Unterschiede im Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 nochmal näher eingegangen. Der erste Unterschied ist im Bereich der Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 zu finden. Die Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als sogenannte Jet-Pump oder Gasstrahlpumpe 15 ausgeführt. Die Gasstrahlpumpe 15 wird dabei von dem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 7 als Treibgasstrom angetrieben und sorgt durch Impulsaustausch und/oder einen durch den Treibgasstrom erzeugten Unterdruck dafür, dass das Abgas aus der Rezirkulationsleitung 9 zusammen mit dem Treibgasstrom dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wieder zugeführt wird. Neben der Verwendung eines Rezirkulationsgebläses 12 oder einer Gasstrahlpumpe 15 als Rezirkulationsgasfärdereinrichtung 11 wäre auch die Verwendung einer Kombination dieser beiden Ausführungsformen denkbar.
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Ein weiterer Unterschied des in 2 dargestellten Brennstoffzellensystems 1 ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 9 zu erkennen. Diese teilt sich nach dem Ausgang des Anodenraums 4 in zwei mit 9.1 und 9.2 bezeichnete Strömungszweige auf. Diese beiden Strömungszweige 9.1 und 9.2 laufen dann vor der Gasstrahlpumpe 15 wieder zusammen um zusammen mit dem frischen als Treibgasstrom dienenden Wasserstoff dem Eingang des Anodenraums 4 erneut zugeführt zu werden. Die beiden Strömungszweige 9.1 und 9.2 sind nun so ausgebildet, dass der Wasserabscheider 13 mit seinem Ablassventil im Bereich des einen Strömungszweigs 9.1 angeordnet ist, während die Pulsationseinrichtung 14 in dem parallel hierzu verlaufenden Strömungszweig platziert ist.
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Hierdurch werden die Pulsationen im Bereich des Wasserabscheiders 13 selbst gegenüber den Pulsationen im Rest des Anodenkreislaufs 10 reduziert, wodurch insbesondere die Funktionalität beim Ablassen von Wasser und/oder Gas aus dem Wasserabscheider 13 verbessert wird, da in dessen Bereich dann weniger Pulsationen auftreten.
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Für die hier vorliegende Erfindung ist nun insbesondere die bereits erwähnte und in den 1 und 2 dargestellte Pulsationseinrichtung 14 von entscheidender Bedeutung. Sie dient dazu, den Gasstrom in dem Anodenkreislauf in einen pulsierenden Gasstrom zu verwandeln, um den Austrag von Wasser aus dem Anodenraum 4 zu verbessern. Die Ausgestaltung der Pulsationseinrichtung 14 ist dabei so ausgebildet, dass ein bewegliches Element sich selbsttätig durch eine über die Strömung verursachte veränderliche Kraft und eine sich dann aufbauende Gegenkraft pulsierend bewegt. Es handelt sich also um eine passive Pulsationseinrichtung 14.
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In der Darstellung der 3 ist ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel für eine solche Pulsationseinrichtung 14 zu erkennen. Die Pulsationseinrichtung 14 in der Ausgestaltung gemäß 3 besteht im Wesentlichen aus einer Klappe 16, welche das bewegliche Element bildet. Die Klappe 16 ist in idealer Weise auf einer Seite, und zwar aus Richtung des anströmenden Gasstroms vorne, kugelgelagert drehbeweglich befestigt. Über ihre Gewichtskraft und eventuell die Kraft einer hier beispielhaft angedeuteten Feder 17, welche vorzugsweise als Torsionsfeder im Bereich der Lagerung ausgebildet ist, wird sich die Klappe 16 im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 nach unten bewegen. Sie ragt dann aus der Stoßdruckkammer 18, in welcher sie angeordnet ist, über die Verbindung zu dem Leitungselement 19 für den Gasstrom in die Strömung des Gasstroms hinein. Sie staut die Strömung des Gasstroms dadurch auf. Mit höherem sich ausbildendem Staudruck nimmt die Kraft auf die Klappe 16 entgegen der Gewichtskraft und der Federkraft entsprechend zu, sodass die Klappe 16, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, in Richtung der Stoßdruckkammer 18 nach oben und in diese hinein bewegt wird. Dadurch kann der Gasstrom frei durch das Leitungselement 19 strömen und der Staudruck, welcher sich in Strömungsrichtung vor der Klappe 16 aufgebaut hat, baut sich entsprechend ab. Dadurch gewinnt wieder die Gegenkraft, hier also die Gewichtskraft und die Federkraft auf die Klappe, die Überhand, sodass die Klappe wiederum in die Strömung hineingedrückt wird und der Ablauf von vorne beginnt. Dadurch ergibt sich ein pulsierender Gasstrom. Bei niedrigen Lasten funktioniert dies hervorragend und die Klappe 16 führt eine pulsierende Bewegung aus, welche den pulsierenden Gasstrom erzielt. Bei höheren Lasten, bei denen eine Pulsation des Gasstroms nicht mehr unbedingt notwendig und teilweise sogar unerwünscht ist, wird die Klappe 16 durch den Strömungsdruck weitgehend offengehalten und verbleibt überwiegend im Bereich der Stoßdruckkammer 18. Sie beeinflusst die Strömung des Gasstroms dann nur noch minimal, sodass die Druckpulsationen mit höherer Strömungsgeschwindigkeit und höherem Volumenstrom des rezirkulierten Gasstroms selbstregelnd abnehmen. Die Pulsationseinrichtung 14 ist dabei selbsttätig und benötigt keinerlei Einfluss über eine Steuerung oder Regelung von außen. Lediglich Federkraft und Gewichtskraft der Klappe 16 müssen auf den jeweiligen Anwendungsfall bei der Konstruktion der Pulsationseinrichtung 14 abgestimmt und ausgelegt werden.
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In der Darstellung der 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Pulsationseinrichtung 14 zu erkennen. Diese nutzt das sogenannte hydrodynamische Paradoxon. An das Leitungselement 19 für den anströmenden Gasstrom schließt sich hierbei eine Austrittsdüse 20 an. Diese besteht aus einer Düsenöffnung 21, hier praktisch das Ende des Leitungselements 19, sowie einem als Fortsatz 22 bezeichneten Teil. Dieser kann beispielsweise als kreisringförmige Scheibe ausgebildet sein. Es wäre auch denkbar, dass der Fortsatz 22 eine andere Form, beispielsweise die Form eines Trichters, aufweist. In Strömungsrichtung auf die Austrittsöffnung folgend befindet sich ein Umlenkelement 23. Dieses korrespondiert in seiner Form mit dem Fortsatz 22, ist also in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als kreisförmige Scheibe ausgebildet. Bei der prinzipiell ebenso möglichen Ausgestaltung des Fortsatzes 22 in der Art des bereits erwähnten Trichters müsste das Umlenkelement 23 dann dementsprechend in der Art eines Kegels ausgebildet sein.
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Die Funktionalität der Pulsationseinrichtung 14 ist nun die, dass durch das Umlenkelement 23 die Strömung nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung 22 entsprechend umgelenkt wird. Die umgelenkte Strömung strömt dann durch den in 4 erkennbaren Spalt 24 zwischen dem Umlenkelement 23 und dem Fortsatz 22 der Austrittsdüse 21 hindurch. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit in dem Spalt 24 herrscht im Bereich des Spalts 24 ein kleinerer Druck als in der Umgebung des Aufbaus, und insbesondere im Bereich des Umlenkelements 23 auf seiner der Austrittsöffnung 21 abgewandten Seite. Das Umlenkelement 23 wird dadurch mit steigender Strömungsgeschwindigkeit zunehmend in Richtung der Austrittsöffnung 21 gedrückt. Sobald der Druck so hoch wird, dass das Umlenkelement 23 den Fortsatz 22 berührt, verschließt es die Austrittsöffnung 21 und der Spalt 24 fällt weg. Dadurch gleicht sich der Druck zwischen dem Fortsatz 22 und dem Umlenkelement 23 sofort auf den in der Umgebung herrschenden Druck an. Das Umlenkelement 23 wird dadurch nicht mehr in Richtung des Fortsatzes 22 gedrückt, sodass der Spalt 24 wieder entsteht und die Strömung durch den Spalt 24 von Neuem beginnt. Mit zunehmender Strömung verringert sich dann der Druck im Spalt 24 wieder, dieser wird entsprechend kleiner und der beschriebene Vorgang wiederholt sich. Das Ergebnis ist ein nach der Pulsationseinrichtung 14 pulsierender Gasstrom.
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in beiden beschriebenen Ausführungsformen der Pulsationseinrichtung 14 ist es denkbar und möglich, eine Feststelleinrichtung 25 vorzusehen, über welche sich das bewegliche Element, also die Klappe 16 oder das Umlenkelement 23, fixieren lässt. Beispielsweise könnte die Feststelleinrichtung 25 als Elektromagnet ausgebildet sein, wenn das bewegliche Element 16, 23 aus einem magnetisierbaren Material besteht. So könnte beispielsweise die Klappe 16 in ihrer oberen Position festgehalten werden, oder das Umlenkelement 23 in der den maximalen durchströmbaren Spalt 24 freigebenden Position. Alternativ zu einer solchen Feststelleinrichtung 25 ist in der Darstellung der 5 eine mögliche Ausführungsform einer mechanischen Feststelleinrichtung 25 dargestellt. Eine solche Feststelleinrichtung 25 kann beispielsweise bei der Ausgestaltung des beweglichen Elements als Klappe 16 auf der der drehbaren Lagerung der Klappe 16 abgewandten Seite der Stoßdruckkammer 18 angeordnet sein. Bei der Ausgestaltung des beweglichen Elements als Umlenkelement 23 wären idealerweise drei oder mehr gleichmäßig über den Umfang des Umlenkelements 23 verteilt angeordnete Feststelleinrichtungen 25 möglich. In der Darstellung der 5 ist die Ausrichtung der Darstellung so gewählt, dass diese im Wesentlichen der Darstellung in 3 entspricht. Bei der Verwendung mit dem Umlenkelement 23 als beweglichem Element wäre der Spalt 24 in der in 5 dargestellten Ausführungsform unterhalb des dort in seiner Endposition gezeichneten beweglichen Elements 16, 23 zu verstehen. Die Pulsation des beweglichen Elements 16, 23 ist durch den Doppelpfeil angedeutet. Die Feststelleinrichtung 25 weist eine Sperrklinke 26 auf, welche beispielsweise durch die Kraft einer Feder 27 in Richtung des beweglichen Elements 16, 23 gedrückt wird, wenn das bewegliche Element 16, 23 fixiert werden soll. Da typischerweise die Position des beweglichen Elements 16, 23 zum Zeitpunkt der Aktivierung der Feststelleinrichtung 25 nicht bekannt ist, ist der in 5 dargestellte Aufbau von besonderem Vorteil. Befindet sich das bewegliche Element 16, 23 bereits oberhalb der Sperrklinke 26, dann wird es dort verbleiben. Befindet es sich noch unterhalb der Sperrklinke 26, dann wird es nach oben gegen eine schräge Fläche 28 der Sperrklinke 26 bewegt. Die Sperrklinke 26 wird gegen die Kraft der Feder 27 zurückgeschoben und das bewegliche Element 16, 23 kann die Sperrklinke 26 passieren. Durch die Kraft der Feder 27 wird die Sperrklinke dann wieder in die in 5 dargestellte Position gedrückt und das bewegliche Element 23 wird oberhalb der Sperrklinke 26 festgehalten. Zusätzlich kann über einen Aktuator 29 eine aktive Ansteuerung der Sperrklinke 26 erfolgen, sodass diese beispielsweise gegen die Kraft der Feder 27 aus dem Eingriffsbereich des beweglichen Elements 16, 23 bewegt werden kann, wenn die Pulsation nicht unterbrochen werden soll. Auch eine Bewegung in die in 5 dargestellte Position durch den Aktuator 29 bei Bedarf ist möglich.
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Die Feststelleinrichtung 25 kann nun vorzugsweise so verwendet werden, dass diese ab einem gewissen vorgegebenen Volumenstrom, welcher typischerweise einer vorgegebenen Last der Brennstoffzellensystems 1 entspricht, in die in 5 dargestellte Position bewegt wird. Sobald das bewegliche Element 16, 23 die Sperrklinke 26 passiert, wird das bewegliche Element fixiert und kann nicht wieder in den Bereich der Strömung zurückfallen. Die Pulsation der Strömung in dem Leitungselement 19 wird dann aufgehoben und es kommt zu einer kontinuierlichen Durchströmung des Leitungselements 19. Sinkt der Volumenstrom in dem Leitungselement 19 beziehungsweise die Last der Brennstoffzelle 3 wieder ab, dann kann über den Aktuator 29 das bewegliche Element 16, 23 wieder freigegeben werden und es kann wieder ein pulsierter Treibgasstrom durch die Pulsationseinrichtung 14 in dem Leitungselement 19 bereitgestellt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2007-200725 A [0002, 0005]
- JP 2010-044911 A [0007]
