AT521065A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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AT521065A1 ATA50892/2018A AT508922018A AT521065A1 AT 521065 A1 AT521065 A1 AT 521065A1 AT 508922018 A AT508922018 A AT 508922018A AT 521065 A1 AT521065 A1 AT 521065A1
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1a; 1b), aufweisend eine Brennstoffzelle (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Anodengaswärmetauscher (5) mit einer kalten Seite (6) zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (3) und einer heißen Seite (7) zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), einen Kathodengaswärmetauscher (8) mit einer kalten Seite (9) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (4) und einer heißen Seite (10) zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), wobei die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder die heiße Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) jeweils einen Katalysator (27, 28) aufweisen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Aufheizen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a) sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a; 1b) in einem Kraftfahrzeug (40).

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein SOFC-System, aufweisend eine Brennstoffzelle mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, einem Anodengaswärmetauscher mit einer kalten Seite zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt und einer heißen Seite zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt, einen
Kathodengaswärmetauscher mit einer kalten Seite zum Zuführen von
Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt und einer heißen Seite zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Aufheizen eines gattungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie die Verwendung eines Brennstoffzellensystems.
Im Stand der Technik sind SOFC-Systeme mit einem oder mehreren
Brennstoffzellenstapel zum Umwandeln von chemischer Energie in elektrische Energie bekannt. Bei solchen Brennstoffzellensystemen ist es ferner bekannt, einen zweistufigen Startbrenner zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems zu verwenden. Dies ist insbesondere bei einem wasserhaltigen Brennstoff wie einem Ethanol-Wasser-Gemisch notwendig. Während eines Aufheizvorgangs werden die zwei Kammern des Startbrenners in einem ersten Schritt von beispielsweise Luft auf eine Betriebstemperatur des darin vorgesehenen katalytischen Materials gebracht, wobei zwischen den beiden Kammern ein Wärmetauscher vorgesehen ist, in welchen der Brennstoff verdampft und überhitzt wird, bevor dieser in die erste bzw. von dort anschließend in die zweite Kammer geleitet wird. Der Brennstoff wird dann in der ersten Kammer unter Zuführung von Luft katalytisch verbrannt und tritt mit einer Temperatur von beispielsweise 900 °C aus derselben aus. Da das verbrannte Gemisch stromabwärts der ersten Kammer zum Aufheizen des Brennstoffes im Wärmetauscher verwendet werden muss, beträgt eine Temperatur des verbrannten Gemisches dann jedoch nur mehr etwa 600 °C. Deshalb ist die zweite Brennkammer notwendig. In dieser wird das Abgas aus der ersten Brennkammer wieder auf die gewünschten 900°C erhitzt, sodass durch das aus der zweiten Brennkammer austretende Gemisch alle Komponenten des Brennstoffzellensystems auf Betriebstemperatur gebracht werden können.
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Die jeweiligen Temperiervorrichtungen nehmen im Brennstoffzellensystem einen wesentlichen Bestandteil des zur Verfügung stehenden Bauraums ein. Insbesondere bei mobilen Anwendungen gilt es diesen stets klein zu halten bzw. möglichst effizient auszunutzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein möglichst kompaktes
Brennstoffzellensystem mit zufriedenstellenden Heizeigenschaften zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Aufheizen eines Brennstoffzellensystems zu schaffen. Darüber hinaus ist es ein Ziel, eine Verwendung für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystems anzugeben.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, das Verfahren gemäß Anspruch 9 sowie die Verwendung gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, der erfindungsgemäßen Verwendung und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt auf. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Anodengaswärmetauscher mit einer kalten Seite zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt und einer heißen Seite zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt auf. Darüber hinaus weist das Brennstoffzellensystem einen Kathodengaswärmetauscher mit einer kalten Seite zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt und einer heißen Seite zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt auf. Erfindungsgemäß weist die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder die heiße Seite des
Kathodengaswärmetauschers jeweils einen Katalysator, insbesondere einen Oxidationskatalysator, auf.
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Das heißt, erfindungsgemäß wurde die bisher bekannte zweite Stufe des
Startbrenners direkt in die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder die heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers implementiert. Auf die zweite Stufe im Startbrenner kann entsprechend verzichtet werden. Der Startbrenner kann dadurch deutlich kompakter als bisher möglich zur Verfügung gestellt werden. In verschiedenen Ausführungsformen könnte auf einen Startbrenner sogar komplett verzichtet werden. Dies schafft zusätzlichen Bauraum und spart Gewicht bei gleichzeitiger Herabsetzung der Aufheizdauer.
Auf einen Startbrenner kann abhängig vom verwendeten Brennstoff verzichtet werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn ein rein gasförmiger Brennstoff oder ein flüssiger Brennstoff mit geringem Wasseranteil verwendet wird. Bei der Verwendung des flüssigen Brennstoffs mit geringem Wasseranteil ist lediglich eine Überführung des flüssigen Brennstoffes in eine Gasphase notwendig. Dies kann beispielsweise durch einen ohnehin im Brennstoffzellensystem vorhandenen Verdampfer durchgeführt werden. Bei Verwendung des gasförmigen Brennstoffs direkt an der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder an der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers kann es von Vorteil sein, die
Wärmetauscher bzw. das katalytische Material derselben jeweils auf eine notwendige Betriebstemperatur zu bringen.
Darunter, dass die heiße Seite des Anodenwärmetauschers und/oder die heiße Seite des Kathodenwärmetauschers jeweils einen Katalysator aufweisen ist zu verstehen, dass die heiße Seite des Anodenwärmetauschers einen Katalysator aufweist und/oder die heiße Seite des Kathodenwärmetauschers einen Katalysator aufweist. Die heiße Seite des Anodenwärmetauschers und/oder die heiße Seite des Kathodenwärmetauschers sind vorzugsweise dahingehend ausgestaltet, dass die Seiten jeweils mit einem Katalysator beschichtet sind. D.h., gemäß dieser Ausführungsform können die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder die heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers zumindest abschnittsweise katalytisch beschichtet sein. Durch die katalytische Beschichtung der heißen Seite des Anodenwärmetauschers und/oder der heißen Seite des
Kathodenwärmetauschers werden grundsätzlich keine neuen oder speziellen Bauteile benötigt. Der benötigte Bauraum hinsichtlich des Anodenwärmetauschers und/oder des Kathodenwärmetauschers wird demnach nicht oder kaum beeinflusst.
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Die heiße Seite des Anodenwärmetauschers und/oder die heiße Seite des Kathodenwärmetauschers können beispielsweise katalytisch gesintert oder durch Eintauchen in eine katalytische Lösung katalytisch beschichtet sein bzw. werden.
Erfindungsgemäß kann Brennstoff direkt auf die heiße Seite des
Anodengaswärmetauschers und/oder die heiße Seite des
Kathodengaswärmetauschers geleitet werden. Durch die katalytische Beschichtung der Wärmetauscher selbst wird die notwendige Wärme zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems bzw. der gewünschten Funktionsbauteile erzeugt.
Darunter, dass der Anodengaswärmetauscher zum Aufheizen des
Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt ausgestaltet ist, soll nicht verstanden werden, dass der Anodengaswärmetauscher zum Aufheizen des
Anodenzuführgases ausschließlich durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt ausgestaltet ist. Vielmehr soll das Anodenzuführgas zumindest durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt durch den
Anodengaswärmetauscher aufheizbar sein. Entsprechend soll darunter, dass der Kathodenabgaswärmetauscher zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt ausgestaltet ist, nicht verstanden werden, dass der Kathodengaswärmetauscher zum Aufheizen des
Kathodenzuführgases ausschließlich durch Kathodenabgas aus dem
Kathodenabschnitt ausgestaltet ist. Vielmehr soll das Kathodenzuführgas zumindest durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt durch den Kathodengaswärmetauscher aufheizbar sein.
Unter dem Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise ein SOFC-System, also ein Hochtemperatur-Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Festoxidbrennstoffzelle zu verstehen.
Unter einer heißen Seite ist vorliegend eine Seite bzw. ein Bereich eines Wärmetauschers zu verstehen, welche bzw. welcher zumindest während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems überwiegend heißer als eine kalte Seite bzw. ein kalter Bereich desselben Wärmetauschers ist. Zum Zuführen des / 24
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Anodenzuführgases zum Anodenabschnitt ist eine Anodenzuführgasleitung ausgestaltet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es bei einem Brennstoffzellensystem möglich, dass die kalte Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder die kalte Seite des Kathodengaswärmetauschers jeweils einen Katalysator aufweisen. Insbesondere sind die kalte Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder die kalte Seite des Kathodengaswärmetauschers jeweils katalytisch beschichtet. Durch die katalytische Beschichtung der kalten Seite des Anodenwärmetauschers bzw. dadurch, dass auch die kalte Seite des Anodenwärmetauschers einen Katalysator aufweist, kann bereits das Anodenzuführgas auf besonders platzsparende und einfache Weise erhitzt werden. Mit Hilfe eines Katalysators auf der kalten Seite des Kathodenwärmetauschers dann dieser mit Hilfe eines geeigneten Brennstoffs auf eine vorbestimmte Temperatur vorgeheizt werden.
Weiterhin ist es möglich, dass bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die kalte Seite des Anodengaswärmetauschers einen Reformer zum Reformieren des Anodenzuführgases für den Anodenabschnitt aufweist und die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers einen Nachbrenner zum Verbrennen von Anodenabgas und/oder Kathodenabgas aufweist, wobei der Reformer zumindest abschnittsweise direkt am Nachbrenner angeordnet ist. Durch die Integration des Reformers und des Abgaswärmetauschers in den Anodengaswärmetauscher kann das
Brennstoffzellensystem besonders kompakt bereitgestellt werden. Zudem können thermische Wechselwirkungen besonders effizient und effektiv erreicht werden.
Unter dem Reformer ist insbesondere ein Reformer für ein SOFC-System zur Herstellung von Wasserstoff im Brennstoffzellensystem bzw. von Wasserstoff für den Anodenabschnitt der Brennstoffzelle zur Stromerzeugung zu verstehen. Der Nachbrenner und der Reformer können zumindest abschnittsweise direkt nebeneinander bzw. aneinander angeordnet sein. Hierzu können der Reformer und der Nachbrenner jeweils plattenförmig oder im Wesentlichen plattenförmig ausgestaltet sein und sandwichartig aufeinander liegen. Außerdem ist es möglich, dass der Nachbrenner zumindest teilweise ringförmig um den Reformer herum angeordnet ist. Ebenso ist es möglich, dass der Reformer zumindest teilweise ringförmig um den Nachbrenner herum angeordnet ist. Durch die zumindest / 24
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AVL List GmbH abschnittsweise direkte Kontaktierung zwischen Nachbrenner und Reformer kann ein besonders effektiver Wärmeübergang bzw. Wärmetausch zwischen den diesen Funktionsbauteilen erreicht werden. Entsprechend wirkungsvoll kann der Anodengaswärmetauscher betrieben werden.
Von weiterem Vorteil kann es sein, wenn bei einem Brennstoffzellensystem an der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers ein AnodengaswärmetauscherHeizmittel zum Aufheizen der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder an der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers ein
Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel zum Aufheizen der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers angeordnet sind. Dadurch können der Anodengaswärmetauscher und/oder der Kathodengaswärmetauscher auch ohne Verwendung eines dedizierten Startbrenners schnell und einfach auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht werden. Das Anodengaswärmetauscher-Heizmittel und das Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel sind bevorzugt als elektrisches Heizmittel, insbesondere in Form einer elektrischen Widerstandsheizung, ausgestaltet. Vorteilhaft können das Anodengaswärmetauscher-Heizmittel und das Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel auch in Form oder als Teil eines elektrisch beheizbaren Metallkatalysators ausgestaltet sein.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung kann bei einem Brennstoffzellensystem stromaufwärts des Anodengaswärmetauschers und/oder stromaufwärts des Kathodengaswärmetauschers ein Verdampfer zum Verdampfer eines Brennstoffgemisches angeordnet sein, wobei der Verdampfer zum Zuführen des verdampften Brennstoffgemisches in fluidkommunizierender Verbindung mit der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder mit der heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers steht. Der Verdampfer übernimmt in diesem Fall die Aufgabe des sonst üblichen Startbrenners. Der Verdampfer ist vorzugsweise als der Verdampfer ausgestaltet, der auch das Brennstoffgemisch für einen Reformer des Brennstoffzellensystems verdampft. Damit kann das Brennstoffzellensystem bei kompakter Bauweise besonders effizient betrieben werden.
Weiterhin ist es möglich, dass bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung stromaufwärts der heißen Seite des Anodengaswärmetauschers und stromaufwärts der heißen Seite des / 24
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Kathodengaswärmetauschers ein Startbrenner zum Zuführen eines erhitzen Startbrennerabgases durch eine erste Heizgasleitung zur heißen Seite des Anodengaswärmetauschers sowie durch eine zweite Heizgasleitung zur heißen Seite des Kathodengaswärmetauschers angeordnet ist, wobei der Startbrenner einstufig mit nur einer einzigen Startbrenner-Brennkammer ausgestaltet ist. Wie vorstehend bereits erläutert, kann durch den Katalysator direkt im Anodengaswärmetauscher und/oder direkt im Kathodengaswärmetauscher auf die zweite Stufe im Startbrenner verzichtet werden. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem im Vergleich zu herkömmlichen Systemen kompakter und energieeffizienter realisiert werden.
Darüber hinaus ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass die Startbrenner-Brennkammer einen Katalysator aufweist. D.h., im Startbrenner muss keine offene Verbrennung mehr zwischen einem Brennstoff und Sauerstoff stattfinden. Die Verbrennung kann auf eine katalytische und demnach flammenlose Verbrennung reduziert werden. Dies lässt eine noch kompaktere und gewichtssparendere Bauweise des Brennstoffzellensystems zu.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann es zudem von Vorteil sein, wenn der Startbrenner einen Brenngaseingang und einen Startbrennerausgang aufweist und der Startbrenner-Wärmetauscher eine kalte Seite und eine heiße Seite aufweist, wobei der Brenngaseingang mit der kalten Seite des StartbrennerWärmetauschers in fluidkommunizierender Verbindung steht und der
Startbrennerausgang mit der heißen Seite des Startbrenner-Wärmetauschers in fluidkommunizierender Verbindung steht. Dadurch wird ein Rezirkulationsabschnitt geschaffen, über welchen sich der Startbrenner während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems selbst aufheizen kann. Mit anderen Worten kann damit ein sich selbst rekursiv aufheizender Startbrenner zur Verfügung gestellt werden. Dadurch kann auf zusätzliche Heizsysteme verzichtet werden bzw. zusätzliche Heizsysteme können entsprechend kleiner ausfallen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Aufheizen eines wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Aufheizen der Starbrenner-Brennkammer auf eine vordefinierbare Zieltemperatur oder darüber hinaus, / 24
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- Zuführen von Brennstoff auf die kalte Seite des Startbrenner-Wärmetauscher und von dort durch eine Brenngaszuführleitung und den Brenngaseingang des Startbrenners in die Startbrenner-Brennkammer, und
- Zuführen von Startbrennerabgas durch die heiße Seite des Startbrenner5 Wärmetauschers auf die heiße Seite des Anodengaswärmetauschers und/oder auf die heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers.
Damit bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Im Rahmen des Verfahrens kann der Startbrenner durch das rezirkulierte Startbrennerabgas rekursiv und entsprechend effizient aufgeheizt werden.
Eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erfolgt mit Vorteil zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der 15 nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Figuren hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein.
Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine Detailansicht eines Anodengaswärmetauschers gemäß einer erfin25 dungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 3 ein Blockdiagramm zum Erläutern eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
Figur 4 ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 4 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 1a gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1a weist eine Brennstoffzelle 2 mit einem Anodenabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4 auf. Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1a einen Anodengaswärmetauscher 5 mit einer kalten Seite 6 zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt 3 und einer heißen Seite 7 zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt 3 und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt 4, sowie einen Kathodengaswärmetauscher 8 mit einer kalten Seite 9 zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt 4 und einer heißen Seite 10 zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt 4, auf.
Die heiße Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 weist einen Katalysator 27 auf. Zudem weist auch die heiße Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 einen Katalysator 28 auf. Genauer gesagt sind die heiße Seite 7 des
Anodengaswärmetauschers 5 und die heiße Seite 10 des
Kathodengaswärmetauschers 8 jeweils katalytisch beschichtet. Ebenso weist die kalte Seite 6 des Anodengaswärmetauschers 5 einen Katalysator 29 auf.
Die kalte Seite 6 des Anodengaswärmetauschers 5 weist einen in Fig. 2 dargestellten Reformer 11 zum Reformieren des Anodenzuführgases für den Anodenabschnitt 3 auf und die heiße Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 weist einen ebenfalls in Fig. 2 dargestellten Nachbrenner 12 zum Verbrennen von Anodenabgas und Kathodenabgas auf, wobei der Reformer 11 direkt am Nachbrenner 12 angeordnet ist. Stromaufwärts des Anodengaswärmetauschers 5 ist ein Verdampfer 26 zum Verdampfen von Anodenzuführgas und zum Zuführen des verdampften Anodenzuführgases zum Anodengaswärmetauscher 5 bzw. zum Reformer 11 des Anodengaswärmetauschers 5 angeordnet.
Stromaufwärts der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 und stromaufwärts der heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 ist ein Startbrenner 15 zum Zuführen eines erhitzen Startbrennerabgases durch eine erste Heizgasleitung 16 zur heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 sowie durch / 24
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AVL List GmbH eine zweite Heizgasleitung 17 zur heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 angeordnet. Der Startbrenner 15 ist einstufig mit einer einzigen StartbrennerBrennkammer 18 ausgestaltet. Die Startbrenner-Brennkammer 18 weist ebenfalls einen Katalysator 30 auf.
Der Startbrenner 15 weist außerdem einen Brenngaseingang 20 und einen Startbrennerausgang 21 auf. Der Startbrenner-Wärmetauscher 22 weist eine kalte Seite 23 und eine heiße Seite 24 auf, wobei der Brenngaseingang 20 mit der kalten Seite 23 des Startbrenner-Wärmetauschers 22 in fluidkommunizierender Verbindung steht und der Startbrennerausgang 21 mit der heißen Seite 24 des StartbrennerWärmetauschers 22 in fluidkommunizierender Verbindung steht. Zum Zuführen von Brennstoff von der kalten Seite 23 des Startbrenner-Wärmetauschers 22 in die Startbrenner-Brennkammer 18 ist am Startbrenner 15 eine Brenngaszuführleitung 25 ausgestaltet, die als Rezirkulationsleitung verstanden werden kann.
Zum Zuführen eines Brennstoffs bzw. eines Brennstoffgemisches zum
Anodenabschnitt 3 ist eine Anodenzuführgasleitung 31 ausgestaltet. Zum Zuführen von Sauerstoff bzw. eines sauerstoffhaltigen Fluids wie Luft zum Kathodenabschnitt ist eine Kathodenzuführgasleitung 32 ausgestaltet. Die Anodenzuführgasleitung 31 weist zum Zuführen von Brennstoff zur kalten Seite 23 des StartbrennerWärmetauschers 22 eine Abzweigungsleitung 33 auf. Die Kathodenzuführgasleitung 21 weist zum Zuführen von Sauerstoff zu einem Sauerstoffeingang 19 des Startbrenners 15 bzw. der Startbrenner-Brennkammer 19 eine Abzweigungsleitung auf.
In einem Auslassbereich der Brennstoffzelle 2 sind ein Anodenabgasleitabschnitt 35 und ein Kathodenabgasleitabschnitt 36 ausgestaltet. Der Anodenabgasleitabschnitt steht zum Zuführen von Anodenabgas vom Anodenabschnitt 3 zur kalten Seite 6 des Anodengaswärmetauschers 5 sowie zur heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 mit der kalten Seite 6 des Anodengaswärmetauschers sowie der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 in fluidkommunizierender Verbindung. Der Kathodenabgasleitabschnitt 36 steht zum Zuführen von Kathodenabgas vom Kathodenabschnitt 4 zur heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 sowie zur heißen Seite 10 des
Kathodengaswärmetauschers 8 mit der heißen Seite 7 des / 24
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Anodengaswärmetauschers 5 sowie der heißen Seite 10 des
Kathodengaswärmetauschers 8 in fluidkommunizierender Verbindung.
Die heiße Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 steht mit dem Verdampfer 26 zum Zuführen von verbranntem und/oder verarbeitetem Anodenabgas und Kathodenabgas vom Anodengaswärmetauscher 5 zum Verdampfer 26 durch eine Abgasleitung 37 in fluidkommunizierender Verbindung.
Fig. 2 zeigte eine detaillierte Darstellung einer möglichen Ausführungsvariante des Anodengaswärmetauschers 5. Gemäß Fig. 2 weist der Anodengaswärmetauscher 5 einen Reformer 11 und einen Nachbrenner 12 auf, wobei der Nachbrenner 12 ringförmig um den Reformer 11 und dabei in direktem Kontakt zu dem Reformer 11 angeordnet ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, weist der Reformer 11 einen Katalysator 29 in Form eines Oxidationskatalysators auf. Der Nachbrenner 12 weist ebenfalls einen Katalysator 27 in Form eines Oxidationskatalysators auf.
Mit Bezug auf Fig. 3 wird anschließend ein Brennstoffzellensystem 1b gemäß einer weiteren Ausführungsform beschrieben. Gemäß der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird auf die Verwendung des Startbrenners 15 verzichtet. Verdampfter Brennstoff wird der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 direkt vom Verdampfer 16 zugeführt. Genauer gesagt ist der Verdampfer 26 zum Verdampfen eines Brennstoffgemisches stromaufwärts des
Anodengaswärmetauschers 5 und stromaufwärts des Kathodengaswärmetauschers 8 angeordnet, wobei der Verdampfer 26 zum Zuführen des verdampften Brennstoffgemisches in fluidkommunizierender Verbindung mit der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 und der heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 steht.
An der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 ist ein elektrisches Anodengaswärmetauscher-Heizmittel 13 zum Aufheizen der heißen Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 angeordnet. Außerdem ist an der heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 ein elektrisches KathodengaswärmetauscherHeizmittel 14 zum Aufheizen der heißen Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 angeordnet.
In Fig. 4 ist ein Kraftfahrzeug 40 mit einem Steuergerät 38, einem Elektromotor 39 und einem wie in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1a in einer / 24
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AVL List GmbH bestimmungsgemäßen Verwendung dargestellt. Genauer gesagt ist das Brennstoffzellensystem 1a zur Verwendung als Stromquelle für den Elektromotor 39 mit diesem sowie dem Steuergerät 38 verbunden.
Mit Rückbezug auf Fig. 1 wird anschließend ein Verfahren zum Aufheizen des
Brennstoffzellensystems 1a beschrieben. Hierzu wird in einem ersten Schritt die Starbrenner-Brennkammer 18 mit Luft auf eine Zieltemperatur von ca. 300°C aufgeheizt. Anschließend wird in einem zweiten Schritt Brennstoff auf die kalte Seite 23 des Startbrenner-Wärmetauschers 22 und von dort durch eine Brenngaszuführleitung 25 und den Brenngaseingang 20 des Startbrenners 15 in die
Startbrenner-Brennkammer 18 geleitet. Daraufhin wird in einem dritten Schritt
Startbrennerabgas durch die heiße Seite 24 des Startbrenner-Wärmetauschers 22 auf die heiße Seite 7 des Anodengaswärmetauschers 5 und auf die heiße Seite 10 des Kathodengaswärmetauschers 8 geleitet.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere
Gestaltungsgrundsätze zu. D. h., die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden. So können der Reformer 11 und der Nachbrenner 12 beispielsweise auch plattenförmig ausgestaltet sein. Außerdem ist es möglich, dass bei einer Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1b ohne Startbrenner 15 der Brennstoff nicht durch den
Verdampfer 26 stromaufwärts des Reformers 11, sondern durch einen separaten Verdampfer verdampft wird. Bei Verwendung eines bereits gasförmigen Brennstoffs kann auf das Verdampfen des Brennstoffs selbstverständlich verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
Brennstoffzellensystem
Brennstoffzelle
Anodenabschnitt
Kathodenabschnitt
Anodengaswärmetauscher kalte Seite des Anodengaswärmetauschers heiße Seite des Anodengaswärmetauschers
Kathodengaswärmetauscher kalte Seite des Kathodengaswärmetauschers heiße Seite des Kathodengaswärmetauschers
Reformer
Nachbrenner
Anodengaswärmetauscher-Heizmittel
Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel
Startbrenner erste Heizgasleitung zweite Heizgasleitung
Startbrenner-Brennkammer
Sauerstoffeingang
Brenngaseingang
Startbrennerausgang
Startbrenner-Wärmetauscher kalte Seite des Startbrenner-Wärmetauschers heiße Seite des Startbrenner-Wärmetauschers
Brenngaszuführleitung
Verdampfer
Katalysator
Katalysator
Katalysator / 24
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Katalysator
Anodenzuführgasleitung
Kathodenzuführgasleitung
Abzweigungsleitung
Abzweigungsleitung
Anodenabgasleitabschnitt
Kathodenabgasleitabschnitt
Abgasleitung
Steuergerät
Elektromotor
Kraftfahrzeug / 24
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Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1a; 1b), aufweisend eine Brennstoffzelle (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Anodengaswärmetauscher (5) mit einer kalten Seite (6) zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (3) und einer heißen Seite (7) zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), einen Kathodengaswärmetauscher (8) mit einer kalten Seite (9) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (4) und einer heißen Seite (10) zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder die heiße Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) jeweils einen Katalysator (27, 28) aufweisen.
2. Brennstoffzellensystem (1a; 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Seite (6) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder die kalte Seite (9) des Kathodengaswärmetauschers (8) jeweils einen Katalysator (29) aufweisen.
3. Brennstoffzellensystem (1a; 1b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Seite (6) des Anodengaswärmetauschers (5) einen Reformer (11) zum Reformieren des Anodenzuführgases für den Anodenabschnitt (3) aufweist und die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) einen Nachbrenner (12) zum Verbrennen von Anodenabgas und/oder Kathodenabgas aufweist, wobei der Reformer (11) zumindest abschnittsweise direkt am Nachbrenner (12) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) ein Anodengaswärmetauscher-Heizmittel (13) zum Aufheizen der heißen Seite (7) / 24
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AVL List GmbH des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder an der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel (14) zum Aufheizen der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) angeordnet sind.
5. Brennstoffzellensystem (1b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder stromaufwärts des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Verdampfer (26) zum Verdampfer eines Brennstoffgemisches angeordnet ist, wobei der Verdampfer (26) zum Zuführen des verdampften Brennstoffgemisches in fluidkommunizierender Verbindung mit der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder mit der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) steht.
6. Brennstoffzellensystem (1a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und stromaufwärts der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Startbrenner (15) zum Zuführen eines erhitzen Startbrennerabgases durch eine erste Heizgasleitung (16) zur heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) sowie durch eine zweite Heizgasleitung (17) zur heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) angeordnet ist, wobei der Startbrenner (15) einstufig mit einer einzigen Startbrenner-Brennkammer (18) ausgestaltet ist.
7. Brennstoffzellensystem (1a) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Startbrenner-Brennkammer (18) einen Katalysator (30) aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (1a) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Startbrenner (15) einen Brenngaseingang (20) und einen Startbrennerausgang (21) aufweist und der Startbrenner-Wärmetauscher (22) eine kalte Seite (23) und eine heiße Seite (24) aufweist, wobei der Brenngaseingang (20) mit der kalten Seite (23) des StartbrennerWärmetauschers (22) in fluidkommunizierender Verbindung steht und der / 24
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Startbrennerausgang (21) mit der heißen Seite (24) des StartbrennerWärmetauschers (22) in fluidkommunizierender Verbindung steht.
9. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (1a) nach Anspruch 8, aufweisend die Schritte:
- Aufheizen der Starbrenner-Brennkammer (18) auf eine vordefinierbare Zieltemperatur oder darüber hinaus,
- Zuführen von Brennstoff auf die kalte Seite (23) des StartbrennerWärmetauscher (22) und von dort durch eine Brenngaszuführleitung (25) und den Brenngaseingang (20) des Startbrenners (15) in die StartbrennerBrennkammer (18), und
- Zuführen von Startbrennerabgas durch die heiße Seite (24) des Startbrenner-Wärmetauschers (22) auf die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder auf die heiße Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8).
10. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1a; 1b) nach einem der Ansprüche bis 8 zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug (40).
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Fig. 4
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Recherchenbericht zu A 50892/2018 österreichisches
Patentamt
Klassifikation des Anmeldungsgegenstands gemäß IPC: H01M 8/06 (2016.01); H01M 8/1246 (2016.01); H01M 8/04007 (2016.01); H01M 8/04014 (2016.01); H01M 8/04225 (2016.01)
Klassifikation des Anmeldungsgegenstands gemäß CPC: H01M 8/06 (2016.02); H01M 8/1246 (2016.02); H01M 8/04007 (2016.02); H01M 8/04014 (2016.02); H01M 8/04225 (2016.02); H01M 8/04074 (2016.02)
Recherchierter Prüfstoff (Klassifikation): H01M
Konsultierte Online-Datenbank: EPODOC, TXTE, TXTG
Dieser Recherchenbericht wurde zu den am 15.10.2018 eingereichten Ansprüchen 1-10 erstellt.
Kategorie*) Bezeichnung der Veröffentlichung: Ländercode, Veröffentlichungsnummer, Dokumentart (Anmelder), Veröffentlichungsdatum, Textstelle oder Figur soweit erforderlich Betreffend Anspruch
A A A WO 2014117952 Al (AVL LIST GMBH [AT]) 07. August 2014 (07.08.2014) gesamtes Dokument WO 2004095618 A2 (BAYERISCHE MOTOREN WERKE AG [DE], LAMP PETER [DE], KÄMMERER JUERGEN [DE], EDLINGER BERNHARD [DE]) 04. November 2004 (04.11.2004) gesamtes Dokument JP H05129029 A (MITSUBISHI HEAVY IND LTD) 25. Mai 1993 (25.05.1993) gesamtes Dokument Beschreibung und Ansprüche EPODOCZusammenfassung [online] [ermittelt am 13.02.2019] ermittelt in: EPOQUE EPODOC Datenbank 1-10 1-10 1-10
Datum der Beendigung der Recherche: „ .. . . Prüfer(in): 13.02.2019 beite Ί von Ί HUNGER Ursula
*> Kategorien der angeführten Dokumente: A Veröffentlichung, die den allgemeinen Stand der Technik definiert. X Veröffentlichung von besonderer Bedeutung: der Anmeldungs- P Dokument, das von Bedeutung ist (Kategorien X oder Y), jedoch nach gegenständ kann allein aufgrund dieser Druckschrift nicht als neu bzw. auf dem Prioritätstag der Anmeldung veröffentlicht wurde. erfinderischer Tätigkeit beruhend betrachtet werden. E Dokument, das von besonderer Bedeutung ist (Kategorie X), aus dem Y Veröffentlichung von Bedeutung: der Anmeldungsgegenstand kann nicht ein „älteres Recht“ hervorgehen könnte (früheres Anmeldedatum, jedoch als auf erfinderischer Tätigkeit beruhend betrachtet werden, wenn die nachveröffentlicht, Schutz ist in Österreich möglich, würde Neuheit in Frage Veröffentlichung mit einer oder mehreren weiteren Veröffentlichungen stellen). dieser Kategorie in Verbindung gebracht wird und diese Verbindung für & Veröffentlichung, die Mitglied der selben Patentfamilie ist. einen Fachmann naheliegend ist.
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Claims (10)

1. Brennstoffzellensystem (1a; 1b), aufweisend eine Brennstoffzelle (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), einen Anodengaswärmetauscher (5) mit einer kalten Seite (6) zum Leiten von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (3) und einer heißen Seite (7) zum Aufheizen des Anodenzuführgases durch Anodenabgas aus dem Anodenabschnitt (3) und/oder Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), einen Kathodengaswärmetauscher (8) mit einer kalten Seite (9) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (4) und einer heißen Seite (10) zum Aufheizen des Kathodenzuführgases durch Kathodenabgas aus dem Kathodenabschnitt (4), dadurch gekennzeichnet, dass die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder die heiße Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) jeweils einen Katalysator (27, 28) aufweisen.
2. Brennstoffzellensystem (1a; 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Seite (6) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder die kalte Seite (9) des Kathodengaswärmetauschers (8) jeweils einen Katalysator (29) aufweisen.
3. Brennstoffzellensystem (1a; 1b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kalte Seite (6) des Anodengaswärmetauschers (5) einen Reformer (11) zum Reformieren des Anodenzuführgases für den Anodenabschnitt (3) aufweist und die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) einen Nachbrenner (12) zum Verbrennen von Anodenabgas und/oder Kathodenabgas aufweist, wobei der Reformer (11) zumindest abschnittsweise direkt am Nachbrenner (12) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) ein Anodengaswärmetauscher-Heizmittel (13) zum Aufheizen der heißen Seite (7)
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AVL List GmbH des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder an der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Kathodengaswärmetauscher-Heizmittel (14) zum Aufheizen der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) angeordnet sind.
5. Brennstoffzellensystem (1b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder stromaufwärts des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Verdampfer (26) zum Verdampfer eines Brennstoffgemisches angeordnet ist, wobei der Verdampfer (26) zum Zuführen des verdampften Brennstoffgemisches in fluidkommunizierender Verbindung mit der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder mit der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) steht.
6. Brennstoffzellensystem (1a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und stromaufwärts der heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) ein Startbrenner (15) zum Zuführen eines erhitzen Startbrennerabgases durch eine erste Heizgasleitung (16) zur heißen Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) sowie durch eine zweite Heizgasleitung (17) zur heißen Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8) angeordnet ist, wobei der Startbrenner (15) einstufig mit einer einzigen Startbrenner-Brennkammer (18) ausgestaltet ist.
7. Brennstoffzellensystem (1a) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Startbrenner-Brennkammer (18) einen Katalysator (30) aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (1a) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Startbrenner (15) einen Brenngaseingang (20) und einen Startbrennerausgang (21) aufweist und der Startbrenner-Wärmetauscher (22) eine kalte Seite (23) und eine heiße Seite (24) aufweist, wobei der Brenngaseingang (20) mit der kalten Seite (23) des StartbrennerWärmetauschers (22) in fluidkommunizierender Verbindung steht und der
23 / 24 [ ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE ]
PP32027AT
AVL List GmbH
Startbrennerausgang (21) mit der heißen Seite (24) des StartbrennerWärmetauschers (22) in fluidkommunizierender Verbindung steht.
9. Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems (1a) nach Anspruch 8, aufweisend die Schritte:
- Aufheizen der Starbrenner-Brennkammer (18) auf eine vordefinierbare Zieltemperatur oder darüber hinaus,
- Zuführen von Brennstoff auf die kalte Seite (23) des StartbrennerWärmetauscher (22) und von dort durch eine Brenngaszuführleitung (25) und den Brenngaseingang (20) des Startbrenners (15) in die StartbrennerBrennkammer (18), und
- Zuführen von Startbrennerabgas durch die heiße Seite (24) des Startbrenner-Wärmetauschers (22) auf die heiße Seite (7) des Anodengaswärmetauschers (5) und/oder auf die heiße Seite (10) des Kathodengaswärmetauschers (8).
10. Verwendung eines Brennstoffzellensystems (1a; 1b) nach einem der Ansprüche
1 bis 8 zur Bereitstellung von elektrischer Energie in einem Kraftfahrzeug (40).
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