WO2025210022A1 - Dosing element, device for determining the hydrogen concentration of an exhaust gas in an exhaust gas line of a fuel cell system, and fuel cell system - Google Patents
Dosing element, device for determining the hydrogen concentration of an exhaust gas in an exhaust gas line of a fuel cell system, and fuel cell systemInfo
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- Dosing element device for determining the hydrogen concentration of an exhaust gas in an exhaust line of a fuel cell system and fuel cell system
- a valve with a purge line can lead from the anode side or from the circulation line to the exhaust line of the fuel cell to direct the anode gas containing a portion of nitrogen into the environment via the exhaust line.
- a hydrogen sensor is installed in the exhaust pipe.
- the metering element according to the invention, the device according to the invention for determining the hydrogen concentration of an exhaust gas in an exhaust line of a fuel cell system, and the fuel cell system with the features according to the independent claims have the advantage that the gases metered in through the metering element and the gases present in the pipe section mix better. In this way, the hydrogen content in the exhaust line can be determined with greater accuracy. This is important so that measures can be taken, if necessary, to avoid an excessively high hydrogen concentration and thus an explosive mixture.
- the metering element has at least one ring, in particular a first ring, since the gas is metered in through the ring.
- the ring increases the cross-sectional area of the opening through which the gas exits into the pipe section, thus reducing the velocity of the hydrogen-containing gas supplied to the metering element via the connection.
- the rings Since the mixing occurs via the momentum exchange between the fast-flowing exhaust gas in the pipe section and the slow-flowing hydrogen-containing gas, it is advantageous if the rings have a large diameter and a small gap height.
- the rings arranged on the dosing element cause only a small pressure loss in the flow in the pipe section due to their low gap height, at the same time the blockage accelerates the flow in the pipe section, which further improves the mixing
- the metering element has a first ring and at least one second ring, which are arranged concentrically to one another in the pipe section, since a higher number of rings increases the cross-sectional area of the openings and improves mixing across the pipe cross-section.
- Figure 2 shows a schematic representation of a device 1 for determining the hydrogen concentration.
- the device 1 is formed by a pipe section 2 with a sensor 14 that can measure the hydrogen concentration in a gas.
- the pipe section 2 has an inlet opening 5 and an outlet opening 6. Furthermore, the dosing element is arranged in the pipe section 2 and introduces a gas into the pipe section 2 via the connection 41.
- connection 41 can be connected to the purge line 40 of a fuel cell system 100.
- the ring 42 can be arranged concentrically around a center line of the pipe section 2.
- a further outlet opening 45 can be located in the center of the first ring 42. Gas is fed into the first ring 41 and/or the further outlet opening 45 via the connection 41.
- the first ring 41 is rectangular and has an opening located on the side of the first ring 45 facing away from the flow.
- Figures 4 and 5 show a second embodiment of a dosing element 4 in a first and second view.
- the dosing element 4 has a first ring 42, a second ring 43, and a further ring 44.
- the number of rings in the dosing element 4 can be arbitrary, so that the dosing element 4 can have a first ring 42 and at least one second ring 43.
- the first ring 42 and the at least one second ring 43 are preferably arranged concentrically with one another.
- the first ring 42 and the second ring 43 can also be arranged in any desired orientation.
- the length of the first ring 42 and at least one second ring 43 can be different.
- the length L of a ring 42, 43, 44 is the extension of the ring 42, 43, 44 along the flow direction of the pipe section 2.
- Throttle points 47 may be arranged between the connection 41 and the first ring 42 and/or at least one second ring 43.
- the throttle points 47 should be designed such that the gas distribution across the individual rings 42, 43, 44 is uniform.
- the opening cross-section of the first and/or at least one second ring 42, 43 can increase along the circumference with the distance from the connection 41.
- circular openings can be arranged along the circumference of the first and/or at least one second ring 42, 43, the opening cross-section of which increases with the distance from the connection 41.
- the metering element 4 can be arranged behind a turbine in the exhaust line in order to use any swirl that may be present in addition to the mixture.
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Abstract
Description
Beschreibung Description
Titel Title
Dosierelement, Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff- Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem Dosing element, device for determining the hydrogen concentration of an exhaust gas in an exhaust line of a fuel cell system and fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Dosierelement, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff- Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche. The invention relates to a metering element, a device for determining the hydrogen concentration of an exhaust gas in an exhaust line of a fuel cell system and a fuel cell system having the features of the preamble of the respective independent patent claims.
Stand der Technik State of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstack zusammengebaut. Die Brennstoffzellenstacks brauchen Sauerstoff, zumeist gewonnen aus der einfachen Luft aus der Umgebung, und Brennstoff, zumeist Wasserstoff, für die chemische Reaktion. Hydrogen-based fuel cells are considered the mobility concept of the future because they emit only water as exhaust gas and enable fast refueling times. Fuel cells are usually assembled into a fuel cell stack. The fuel cell stacks require oxygen, usually obtained from ambient air, and fuel, usually hydrogen, for the chemical reaction.
Es ist bekannt, dass über den Luftmassenstrom, welcher dem Brennstoffzellenstack über den Luftpfad zugeführt wird, Stickstoff an die Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks gelangt. Dieser Stickstoff diffundiert in Teilen über die Membran des Brennstoffzellenstacks auf die Anodenseite und verdrängt den Wasserstoff an der Anodenseite, so dass die normalen Reaktionen gehemmt werden. Um den Stickstoffanteil auf der Anodenseite zu reduzieren, kann ein Ventil mit einer Spülleitung von der Anodenseite bzw. von der Zirkulationsleitung zur Abgasleitung der Brennstoffzelle führen, um das Anodengas mit einem Anteil an Stickstoff über die Abgasleitung in die Umgebung zu leiten. Um den Anteil von Wasserstoff in der Abgasleitung zu überprüfen, ist in der Abgasleitung ein Wasserstoff-Sensor angeordnet. It is known that nitrogen reaches the cathode side of the fuel cell stack via the air mass flow supplied to the fuel cell stack via the air path. This nitrogen diffuses in part through the membrane of the fuel cell stack to the anode side and displaces the hydrogen on the anode side, thus inhibiting normal reactions. To reduce the nitrogen content on the anode side, a valve with a purge line can lead from the anode side or from the circulation line to the exhaust line of the fuel cell to direct the anode gas containing a portion of nitrogen into the environment via the exhaust line. To reduce the proportion of To check for hydrogen in the exhaust pipe, a hydrogen sensor is installed in the exhaust pipe.
Es ist außerdem bekannt, dass Wasserstoff von der Anoden- auf die Kathoden- seite gelangt. Dieser wird teilweise katalytisch verbrannt und teilweise gelangt er mit der abgereicherten Kathodenluft ins Kathodenabgas. It is also known that hydrogen flows from the anode to the cathode side. Part of this is burned catalytically, and part of it enters the cathode exhaust gas with the depleted cathode air.
In der Abgasleitung ist ein Sensor angeordnet, um den Anteil von Wasserstoff im Abgas zu bestimmen, bevor es aus dem Brennstoffzellensystem austritt. A sensor is located in the exhaust line to determine the proportion of hydrogen in the exhaust gas before it exits the fuel cell system.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Das erfindungsgemäße Dosierelement, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff- Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Ansprüchen haben den Vorteil, dass sich die Gase, die durch das Dosierelement zudosiert werden und die Gase, die sich im Rohrabschnitt befinden, besser durchmischen. Auf diese Weise lässt sich der Wasserstoffgehalt in der Abgasleitung mit höherer Genauigkeit bestimmen. Dies ist wichtig, damit gegebenenfalls Maßnahmen getroffen werden können, um eine zu hohe Konzentration an Wasserstoff und damit ein explosionsfähiges Gemisch zu vermeiden. The metering element according to the invention, the device according to the invention for determining the hydrogen concentration of an exhaust gas in an exhaust line of a fuel cell system, and the fuel cell system with the features according to the independent claims have the advantage that the gases metered in through the metering element and the gases present in the pipe section mix better. In this way, the hydrogen content in the exhaust line can be determined with greater accuracy. This is important so that measures can be taken, if necessary, to avoid an excessively high hydrogen concentration and thus an explosive mixture.
Es ist von Vorteil, dass das Dosierelement mindestens einen Ring, insbesondere einen ersten Ring aufweist, da über den Ring das Gas eindosiert wird. Durch den Ring erhöht sich die Querschnittsfläche der Öffnung, über die das Gas in den Rohrabschnitt austritt, so dass die Geschwindigkeit des wasserstoffhaltigen Gases, welches dem Dosierelement über den Anschluss zugeführt wird, reduziert wird. It is advantageous that the metering element has at least one ring, in particular a first ring, since the gas is metered in through the ring. The ring increases the cross-sectional area of the opening through which the gas exits into the pipe section, thus reducing the velocity of the hydrogen-containing gas supplied to the metering element via the connection.
Da die Mischung über den Impulsaustausch zwischen dem schnellströmenden Abgas im Rohrabschnitt und dem langsam strömenden wasserstoffhaltigen Gas erfolgt, ist es vorteilhaft, wenn die Ringe einen großen Durchmesser und eine geringe Spalthöhe aufweisen. Die am Dosierelement angeordneten Ringe verursachen durch ihre geringe Spalthöhe nur einen geringen Druckverlust in der Strömung im Rohrabschnitt, gleichzeitig wird durch die Versperrung die Strömung im Rohrabschnitt beschleunigt, was die Mischung zusätzlich verbessert Since the mixing occurs via the momentum exchange between the fast-flowing exhaust gas in the pipe section and the slow-flowing hydrogen-containing gas, it is advantageous if the rings have a large diameter and a small gap height. The rings arranged on the dosing element cause only a small pressure loss in the flow in the pipe section due to their low gap height, at the same time the blockage accelerates the flow in the pipe section, which further improves the mixing
Ohne das erfindungsgemäße Dosierelement und die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht die Gefahr, dass der Sensor eine zu geringe oder zu hohe Konzentration von Wasserstoff im Abgas detektiert und falsche Maßnahmen im Bezug auf die Betriebsführung des Brennstoffzellensystems abgeleitet werden. Without the metering element according to the invention and the device according to the invention, there is a risk that the sensor detects a concentration of hydrogen in the exhaust gas that is too low or too high and that incorrect measures are derived with regard to the operation of the fuel cell system.
Aus wirtschaftlicher Sicht kann bei gleichbleibender Messgenauigkeit mit dem erfindungsgemäßen Dosierelement und der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Genauigkeitsanforderung an den Sensor gesenkt werden, um damit Kosten zu sparen. From an economic point of view, the accuracy requirement for the sensor can be reduced with the dosing element according to the invention and the device according to the invention while maintaining the same measurement accuracy, thus saving costs.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Wasserstoff- Konzentration eines Abgases in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems und des Brennstoffzellensystems angegeben. The dependent claims specify advantageous embodiments and further developments of the device according to the invention for determining the hydrogen concentration of an exhaust gas in an exhaust line of a fuel cell system and of the fuel cell system.
Es ist von Vorteil, wenn das Dosierelement einen ersten Ring und mindestens einen zweiten Ring aufweist, welche konzentrisch zueinander im Rohrabschnitt angeordnet sind, da durch eine höhere Anzahl von Ringen die Querschnittsfläche der Öffnungen erhöht wird und die Durchmischung über den Rohrquerschnitt verbessert wird. It is advantageous if the metering element has a first ring and at least one second ring, which are arranged concentrically to one another in the pipe section, since a higher number of rings increases the cross-sectional area of the openings and improves mixing across the pipe cross-section.
Eine unterschiedliche Länge des ersten Ringes und mindestens eines zweiten Ringes, wobei die Länge, die Ausdehnung des ersten und/oder mindestens eines zweiten Ringes in Strömungsrichtung des Rohrabschnittes ist, ist vorteilhaft, da sich dadurch die Änderungen im Rohrquerschnitt verteilen und die Stoßverluste in der Strömung im Rohrabschnitt minimiert werden. A different length of the first ring and at least one second ring, wherein the length is the extension of the first and/or at least one second ring in the flow direction of the pipe section, is advantageous since this distributes the changes in the pipe cross-section and minimizes the shock losses in the flow in the pipe section.
Eine Anordnung von Drosselstellen zwischen dem Anschluss und dem ersten und/oder mindestens einem zweiten Ring ist vorteilhaft, um eine gleichmäßige Verteilung des Gases über die einzelnen Ringe und damit eine bessere Durchmischung der Gase sicherzustellen. An arrangement of throttle points between the connection and the first and/or at least one second ring is advantageous in order to ensure a uniform Distribution of the gas across the individual rings and thus ensuring better mixing of the gases.
Durch eine Zunahme der Öffnungsquerschnitte des ersten und/oder mindestens eines zweiten Ringes entlang des Umfanges mit der Entfernung vom Anschluss kann eine gleichmäßige Verteilung des Gases über den Umfang eines Ringes und damit eine bessere Durchmischung der Gase sichergestellt werden. By increasing the opening cross-sections of the first and/or at least one second ring along the circumference with the distance from the connection, a uniform distribution of the gas over the circumference of a ring and thus a better mixing of the gases can be ensured.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele: Preferred embodiments:
Das erfindungsgemäße Dosierelement, die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: The metering element according to the invention, the device according to the invention, and the fuel cell system according to the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. They show schematically:
Figur 1 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figure 1 shows a schematic topology of a fuel cell system according to a first embodiment of the invention,
Fig. 2 eine Vorrichtung zur Bestimmung der H2-Konzentration eines Fluides in einer Abgasleitung eines Brennstoffzellensystems in einer schematischen Darstellung. Fig. 2 shows a device for determining the H2 concentration of a fluid in an exhaust line of a fuel cell system in a schematic representation.
Figur 3 eine Dosierelement zum Einleiten eines Gases in einen Rohrabschnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer ersten Ansicht, Figure 3 shows a metering element for introducing a gas into a pipe section according to a first embodiment in a first view,
Fig. 4 eine Dosierelement zum Einleiten eines Gases in einen Rohrabschnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einer zweiten Ansicht, Fig. 4 shows a metering element for introducing a gas into a pipe section according to a first embodiment in a second view,
Fig. 5 eine Dosierelement zum Einleiten eines Gases in einen Rohrabschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer ersten Ansicht und Fig. 6 eine Dosierelement zum Einleiten eines Gases in einen Rohrabschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel in einer zweiten Ansicht Fig. 5 shows a metering element for introducing a gas into a pipe section according to a second embodiment in a first view and Fig. 6 a dosing element for introducing a gas into a pipe section according to a second embodiment in a second view
In der Figur 1 ist eine schematische Topologie eines BrennstoffzellensystemsFigure 1 shows a schematic topology of a fuel cell system
100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Brennstoffleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden. 100 according to a first embodiment is shown with at least one fuel cell stack 101. The at least one fuel cell stack 101 has an air path 10, an exhaust line 12, and a fuel line 20. The at least one fuel cell stack 101 can be used for mobile applications with high power requirements, e.g., in trucks, or for stationary applications, e.g., in generators.
Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um den Brennstoffzellenstack 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet, welche für den Betrieb des BrennstoffzellenstacksThe air path 10 serves as an air supply line to supply the fuel cell stack 101 with air from the environment via an inlet 16. Components required for the operation of the fuel cell stack are arranged in the air path 10.
101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter und/oder Kompressor 11 kann sich ein Befeuchter 15 befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 mit einer höheren Wasserdampfkonzentration versorgt. 101 are required. An air compressor and/or compressor 11 is arranged in the air path 10, which compresses or draws in the air according to the respective operating conditions of the fuel cell stack 101. Downstream of the air compressor and/or compressor 11, a humidifier 15 can be located, which supplies the air in the air path 10 with a higher water vapor concentration.
Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt. Further components, such as a filter and/or a heat exchanger and/or valves, may be provided within the air path 10. Oxygen-containing air is supplied to the fuel cell stack 101 via the air path 10.
Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Abgasleitung 12 auf, in welcher Wasser, sowie weitere Bestandteile der Luft aus dem Luftpfad 10, nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstack 101 über einen Auslass 18 in die Umgebung transportiert werden. Das Abgas der Abgasleitung 12 kann auch Wasserstoff (H2) enthalten, weil Teile des Wasserstoffes durch die Membran des Brennstoffzellenstacks 101 diffundieren können. Das Brennstoffzellensystem 100 kann des Weiteren einen Kühlkreislauf aufweisen, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist Der Kühlkreislauf ist in der Figur 1 nicht eingezeichnet, da er nicht Bestandteil der Erfindung ist Furthermore, the fuel cell system 100 has an exhaust line 12, in which water and other air components from the air path 10 are transported to the environment via an outlet 18 after passing through the fuel cell stack 101. The exhaust gas from the exhaust line 12 can also contain hydrogen (H2), because portions of the hydrogen can diffuse through the membrane of the fuel cell stack 101. The fuel cell system 100 may further comprise a cooling circuit which is designed to cool the fuel cell stack 101. The cooling circuit is not shown in Figure 1 since it is not part of the invention.
Im Eingang der Brennstoffleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffleitung 20 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen. A high-pressure tank 21 and a shut-off valve 22 are located at the inlet of the fuel line 20. Further components can be arranged in the fuel line 20 to supply the fuel cell stack 101 with fuel as needed.
Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einer Rezirkulationsleitung 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt. In order to always supply the fuel cell stack 101 with sufficient fuel, there is a need for a superstoichiometric metering of fuel via the fuel line 20. The excess fuel, as well as certain amounts of water and nitrogen that diffuse through the cell membranes to the anode side, are returned in a recirculation line 50 and mixed with the metered fuel from the fuel line 20.
Zum Antrieb des Rezirkulationskreises 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder ein Gebläse 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Gebläse 52 sind möglich. Various components, such as a jet pump 51 driven by the metered fuel or a blower 52, can be installed to drive the recirculation circuit 50. A combination of jet pump 51 and blower 52 is also possible.
Da die Menge an Wasser und Stickstoff mit der Zeit immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden, so dass die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstacks 101 aufgrund einer zu hohen Stickstoffkonzentration in der Brennstoffleitung 20 nicht abnimmt. Since the amount of water and nitrogen continues to increase over time, the recirculation circuit 50 must be flushed from time to time so that the performance of the fuel cell stack 101 does not decrease due to an excessively high nitrogen concentration in the fuel line 20.
Es ist eine Purgeleitung 40 zwischen der Zirkulationsleitung 50 und der Abgasleitung 12 angeordnet, so dass das Gasgemisch aus der Zirkulationsleitung 50 in die Abgasleitung 12 strömen kann. A purge line 40 is arranged between the circulation line 50 and the exhaust gas line 12 so that the gas mixture can flow from the circulation line 50 into the exhaust gas line 12.
In der Purgeleitung 40 kann ein Purgeventil 44 angeordnet sein, welches die Verbindung zwischen der Zirkulationsleitung 50 und der Abgasleitung 12 öffnen und schließen kann. Das Purgeventil 44 wird meist für eine kurze Zeit geöffnet, so dass das Gasgemisch über die Purgeleitung 40 in die Abgasleitung 12 geleitet wird. A purge valve 44 can be arranged in the purge line 40, which can open and close the connection between the circulation line 50 and the exhaust line 12. The purge valve 44 is usually opened for a short time, so that the gas mixture is passed via the purge line 40 into the exhaust gas line 12.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in der Abgasleitung 12 eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung der H2- Konzentration mit einem Dosierelement angeordnet. According to one embodiment of the invention, a device 1 for determining the H2 concentration with a dosing element is arranged in the exhaust line 12.
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Wasserstoff- Konzentration in schematischer Darstellung. Die Vorrichtung 1 wird durch einen Rohrabschnitt 2 mit einem Sensor 14, welcher die Wasserstoff- Konzentration in einem Gas messen kann, gebildet. Der Rohrabschnitt 2 weist eine Einströmöffnung 5 und eine Ausströmöffnung 6 auf. Des Weiteren ist im Rohrabschnitt 2 das Dosierelement angeordnet, welches ein Gas über den Anschluss 41 in den Rohrabschnitt 2 einleitet. Figure 2 shows a schematic representation of a device 1 for determining the hydrogen concentration. The device 1 is formed by a pipe section 2 with a sensor 14 that can measure the hydrogen concentration in a gas. The pipe section 2 has an inlet opening 5 and an outlet opening 6. Furthermore, the dosing element is arranged in the pipe section 2 and introduces a gas into the pipe section 2 via the connection 41.
Der Anschluss 41 kann mit der Purgeleitung 40 eines Brennstoffzellensystems 100 verbunden sein. The connection 41 can be connected to the purge line 40 of a fuel cell system 100.
Das Dosierelement 4 ist zwischen der Einströmöffnung 5 und dem Sensor 14 angeordnet ist, so dass der Sensor 14 bei der Messung sowohl die Wasserstoff- Konzentration aus der Abgasleitung 12, als auch aus der Purgeleitung 40 misst. The dosing element 4 is arranged between the inlet opening 5 and the sensor 14, so that the sensor 14 measures both the hydrogen concentration from the exhaust gas line 12 and from the purge line 40 during the measurement.
Figur 3 und 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dosierelementes 4 in einer ersten und zweiten Ansicht. Das Dosierelement 4 dient zum Einleiten eines Gases, insbesondere des Anodenabgases aus der Purgeleitung 40, in einen Rohrabschnitt 2. Das Dosierelement 4 weist mindestens einen Anschluss 41 Zuführen eines Gases auf. Um eine gleichmäßige Zudosierung des Gases in das den Rohrabschnitt 2 zu ermöglichen, weist das Dosierelement 4 einen ersten Ring 42 auf. Figures 3 and 4 show a first embodiment of a metering element 4 in a first and second view. The metering element 4 serves to introduce a gas, in particular the anode exhaust gas from the purge line 40, into a pipe section 2. The metering element 4 has at least one connection 41 for supplying a gas. To enable a uniform metering of the gas into the pipe section 2, the metering element 4 has a first ring 42.
Der Ring 42 kann konzentrisch um eine Mittellinie des Rohrabschnittes 2 angeordnet sein. Im Zentrum des erste Ringes 42 kann sich noch eine weitere Austrittsöffnung 45 befinden. Über den Anschluss 41 wird Gas in den ersten Ring 41 und/oder die weitere Austrittsöffnung 45 geleitet. Der erste Ring 41 ist rechteckig ausgestaltet und weist eine Öffnung auf, die sich auf der der Strömung abgewandten Seite des ersten Ringes 45 befindet. The ring 42 can be arranged concentrically around a center line of the pipe section 2. A further outlet opening 45 can be located in the center of the first ring 42. Gas is fed into the first ring 41 and/or the further outlet opening 45 via the connection 41. The first ring 41 is rectangular and has an opening located on the side of the first ring 45 facing away from the flow.
Figur 4 und 5 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Dosierelementes 4 in einer ersten und zweiten Ansicht. Figures 4 and 5 show a second embodiment of a dosing element 4 in a first and second view.
Das Dosierelement 4 weist im zweiten Ausführungsbeispiel einen ersten Ring 42, einen zweiten Ring 43 und einen weiteren Ring 44 auf. Die Anzahl der Ringe im Dosierelement 4 kann beliebig sein, so dass das Dosierelement 4 einen ersten Ring 42 und mindestens einen zweiten Ring 43 aufweisen kann. Der erste Ring 42 und der mindestens eine zweite Ring 43 sind bevorzugt konzentrisch zueinander angeordnet. Der erste Ring 42 und der zweite Ring 43 können aber auch in einer beliebigen Ausrichtung angeordnet sein. In the second exemplary embodiment, the dosing element 4 has a first ring 42, a second ring 43, and a further ring 44. The number of rings in the dosing element 4 can be arbitrary, so that the dosing element 4 can have a first ring 42 and at least one second ring 43. The first ring 42 and the at least one second ring 43 are preferably arranged concentrically with one another. However, the first ring 42 and the second ring 43 can also be arranged in any desired orientation.
Die Länge des ersten Ringes 42 und mindestens einen zweiten Ringes 43 kann unterschiedlich sein. Die Länge L eines Ringes 42, 43, 44 ist die Ausdehnung des Ringes 42, 43, 44 entlang der Strömungsrichtung des Rohrabschnittes 2. The length of the first ring 42 and at least one second ring 43 can be different. The length L of a ring 42, 43, 44 is the extension of the ring 42, 43, 44 along the flow direction of the pipe section 2.
Es können Drosselstellen 47 zwischen dem Anschluss 41 und dem ersten 42 und/oder mindestens einen zweiten Ring 43 angeordnet sein. Die Drosselstellen 47 sollten so ausgestaltet sein, dass die Verteilung des Gases über die einzelnen Ringe 42,43,44 gleichmäßig ist. Throttle points 47 may be arranged between the connection 41 and the first ring 42 and/or at least one second ring 43. The throttle points 47 should be designed such that the gas distribution across the individual rings 42, 43, 44 is uniform.
Um sicherzustellen, dass entlang des Umfanges des ersten und/oder mindestens einen zweiten Ringes 42, 43 immer eine ähnliche Menge an Gas austritt, kann der Öffnungsquerschnitt des ersten und/oder mindestens eines zweiten Ringes 42, 43 entlang des Umfanges mit der Entfernung vom Anschluss 41 zunehmen. In order to ensure that a similar amount of gas always escapes along the circumference of the first and/or at least one second ring 42, 43, the opening cross-section of the first and/or at least one second ring 42, 43 can increase along the circumference with the distance from the connection 41.
Alternativ können entlang des Umfanges des ersten und/oder mindestens einen zweiten Ringes 42, 43 kreisförmige Öffnungen angeordnet sind, deren Öffnungsquerschnitt mit der Entfernung vom Anschluss 41 zunehmen. Das Dosierelement 4 kann hinter einer Turbine in der Abgasleitung angeordnet sein, um einen eventuell vorhandenen Drall ergänzend zur Mischung zu verwenden. Alternatively, circular openings can be arranged along the circumference of the first and/or at least one second ring 42, 43, the opening cross-section of which increases with the distance from the connection 41. The metering element 4 can be arranged behind a turbine in the exhaust line in order to use any swirl that may be present in addition to the mixture.
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