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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage
mit einem Gaserzeugungssystem nach der im Oberbegriff des Anspruchs
1 näher
definierten Art. Außerdem
betrifft die Erfindung eine Brennstoffzellenanlage nach der im Oberbegriff
des Anspruchs 7 näher
definierten Art.
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Grundlegend
sind derartige Brennstoffzellenanlagen aus dem allgemeinen Stand
der Technik bekannt und werden zu einem sehr großen Anteil in mobilen Systemen,
wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, eingesetzt. Das für die Brennstoffzelle
benötigte wasserstoffhaltige
Gas wird mittels eines Gaserzeugungssystems erzeugt. Derartige Gaserzeugungssysteme
verarbeiten flüssige
oder auch gasförmige Ausgangsstoffe
wie Wasser, Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Methanol, zu einem
wasserstoffhaltigen Gasstrom. Zum Umsetzen der Edukte werden meist
mehrere Stufen verwendet, in welchen eine Reformierung, beispielsweise
eine autotherme Reformierung und/oder eine partielle Oxidation sowie eine
anschließende
Reinigung des Gases, beispielsweise über selektive Oxidation von
unerwünschten Bestandteilen,
wie Kohlenmonoxid, erfolgt.
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Grundlegend
ist es auch bekannt, die flüssigen
Ausgangsstoffe für
derartige Gaserzeugungssysteme zu verdampfen und somit als Dampf
bzw. Heißdampf
dem eigentlichen Gaserzeugungssystem zur Verfügung zu stellen.
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Der
Stand der Technik kennt dabei zwei grundlegende Vorgehensweisen.
Bei der einen Vorgehensweise wird vor dem Verdampfer ein entsprechendes
Gemisch aus Wasser und Kohlenwasserstoff mit dem benötigten Verhältnis gebildet.
Dieses Gemisch, der sogenannte Premix, kann dabei bereits beim Betanken
des Systems gebildet werden und wird dann als Premix bevorratet.
Die Alternative dazu wäre
das Mischen des Premix vor Ort, bevor dieser den Verdampfer erreicht,
was nur bei mischbaren Flüssigkeiten
zweckmäßig ist.
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Der
Nachteil dieser Vorgehensweise liegt sicherlich darin, daß eine Anpassung
des Kohlenwasserstoff-Wasser-Verhältnisses
an entsprechende, sich dynamisch ändernde Lastzustände der
Brennstoffzelle und damit des Gaserzeugungssystems nicht oder nur
in sehr geringem Maße
möglich
ist.
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Bei
der Verwendung eines derartigen Premix muß also ein feststehendes Verhältnis von
Wasser zu Kohlenwasserstoff gewählt
werden, das in allen Lastpunkten und vor allem auch während der
Lastwechsel den optimalen Betrieb des Gaserzeugungssystems sicherstellt.
Das Hauptproblem stellt dabei, wie allgemein bekannt ist, die Austrittskonzentration an Kohlenmonoxid
aus dem Gaserzeugungssystem speziell aus dem Reformer dar, da dieses
Kohlenmonoxid für
die Brennstoffzelle, welche im allgemeinen als Brennstoffzelle mit
einer Protonen leitenden Membran (PEM) ausgebildet ist, schädlich ist.
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Um
nun vor allem auch während
der Lastwechsel eine entsprechend niedrige Austrittskonzentration
an Kohlenmonoxid aus dem Wasserstofferzeugungsprozeß zu gewährleisten,
muß vergleichsweise
viel Wasser in dem Premix enthalten sein. Dies bedeutet jedoch,
daß in
besonders nachteiliger Weise in den meisten Lastzuständen des
Gaserzeugungssystems ein unnötiger Überschuß an Wasser dosiert
und verdampft wird. Dieser Überverbrauch
an Wasser, welcher einen erheblichen Energiebedarf bei seiner Verdampfung
verursacht, führt
damit zu gravierenden Wirkungsgradeinbußen des Gaserzeugungssystems
und damit der Brennstoffzellenanlage an sich.
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Eine
Alternative stellt deshalb die Möglichkeit
dar, den Wasservolumenstrom und den Kohlenwasserstoffvolumenstrom
getrennt zu verdampfen und erst nach der Verdampfung der beiden
Volumenströme
vor dem Eintritt in das eigentliche Gaserzeugungssystem, also die
Reformer- oder Oxidationsstufen, zu mischen. Hier ist eine Anpassung
an verschiedene Anforderungen hinsichtlich des Wasser-Kohlenwasserstoff-Verhältnisses
grundlegend möglich,
da eine Dosierung der entsprechenden Stoffe in der gewünschten
Menge vor dem Verdampfer realisiert werden kann.
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Die
Einstellung des Wasser-Kohlenwasserstoff-Verhält nisses kann jedoch auch bei
diesem Aufbau im Vergleich zu den dynamischen Anforderungen des
Gaserzeugungssystems nur sehr schwerfällig und mit zeitlicher Verzögerung nachgeführt werden,
da die vor dem Verdampfer in der jeweils aktuell gewünschten
Menge dosierten Stoffe zuerst diesen Verdampfungsprozeß durchlaufen
müssen,
ehe sich im Bereich der Vermischung das gewünschte Kohlenwasserstoff-Wasser-Verhältnis mit
der entsprechenden zeitlichen Verzögerung einstellt.
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Des
weiteren kennt der Stand der Technik aus der
DE 38 12 812 C1 eine Einrichtung
zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Brennstoffen mit elektrochemisch
arbeitenden Brennstoffzellen. Dabei wird vorgeschlagen, daß der Brennstoffzelle
ein Wärmetauscher
zugeordnet ist, der zur Abkühlung
der aus der Brennstoffzelle abgeführten Stoffströme und zum
Abscheiden von darin enthaltenden Kondemsaten dienen soll. Außerdem wird
die aus diesem Kreislauf gewonnene Wärme zur Erwärmung und/oder Verdampfung
der der Brennstoffzelle zuzuführenden Stoffströme verwendet.
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Zum
weiteren allgemeinen Stand der Technik soll nachfolgend auf die
WO 99/0574 A1 verwiesen werden, welche ein System zum Betreiben
eines Brennstoffzellenaufbaus beschreibt. Einer der entscheidenden
Punkte dieses oben genannten Systems ist in der Befeuchtung von
Gasströmen
zu sehen. Die Befeuchtung der Gasströme, insbesondere des Kathodenluftstroms
für die
Brennstoffzelle mit einer Protonen leitenden Membran (PEM), erfolgt über ein
Enthalpierad, welches aufgrund seiner steuer- bzw. regelbaren Drehzahl
einen gezielten Enthalpiegehalt in die Kathodenluft einbringt. Der
Prozeß kann hochdynamisch
betrieben werden.
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Die
DE 198 23 499 A1 offenbart
eine Wasserstofferzeugungsvorrichtung und ein Wasserstofferzeugungsverfahren
durch partielle Oxidation sowie Dampfreformierung eines Kohlenwasserstoffenergieträgers zum
Einsatz in einem Brennstoffzellensystem. Bei einem in diesem Dokument
beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird Luft in einem Befeuchter durch in einem Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle zirkulierendes
warmes Wasser befeuchtet und anschließend mit einem Energieträgergas vermischt. Das
Mischungsverhältnis
von befeuchteter Luft und Energieträgergas wird durch eine entsprechende Einstellung
der Flussraten dieser beiden Komponenten mittels einer Luftpumpe
und eines Regulierungsventils gesteuert. Bei einem alternativen
Ausführungsbeispiel
wird dagegen eine Mischung aus dem Energieträgergas und Luft mit warmem
Wasser befeuchtet. Dabei kann die Menge an Dampf in der Mischung über eine
Steuerung der Temperatur des warmen Wassers, mit dem die Mischung
in Kontakt gebracht wird, eingestellt werden.
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Aus
der
US 6,120,923 ist
ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein Luftstrom mittels
eines Enthalpierads befeuchtet, mit einem Kohlenwasserstoffgas gemischt
und schließlich
einem autothermen Reformer zugeführt
wird.
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Es
ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenanlage
sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage bereitzustellen,
die es erlauben, das Verhältnis
von Wasser zu einem Medium, aus dem durch Reformierung Wasserstoff
gewinnbar ist, in einem in ein Gaserzeugungssystem der Brennstoffzellenanlage eingebrachten
Eduktstrom hochdynamisch an vorgegebene Lastbedingungen anzupassen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie durch eine Brennstoffzellenanlage mit den Merkmalen des
Anspruchs 7 gelöst.
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Durch
die Durchführung
des gasförmigen Kohlenwasserstoffs
durch einen Bereich, welcher mit Wasserdampf gesättigt ist, ergibt sich die
Möglichkeit,
daß sich
ein Wasser-Kohlenwasserstoff-Verhältnis in Abhängigkeit
von Temperatur, Druck und entsprechendem Wasserpartialdampfdruck
einstellt. Die notwendige Verdampfungsenergie hierfür wird über die
an sich bekannte Beheizung/Verdampfung des Wassers erreicht. Durch
die Regelung des Drucks nach diesem Bereich, in welchem sich der
gasförmige
Kohlenwasserstoff und der Wasserdampf treffen, läßt sich so hochdynamisch und
sehr genau das Verhältnis
von Wasser und Kohlenwasserstoff in dem zu dem eigentlichen Gaserzeugungssystem
strömenden
Eduktstrom einstellen.
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Die
hohe Dynamik wird möglich,
da keine weiteren Komponenten des Gaserzeugungssystems selbst durchströmt werden
müssen,
nachdem das entsprechende Wasser-Kohlenwasserstoff-Verhältnis eingestellt
wurde. Insbesondere Komponenten, welche einen vergleichsweise zeitaufwendigen
Phasenübergang
erforderlich machen, können
in diesem Bereich komplett entfallen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird über
ein Enthalpierad, wie es beispielsweise in der eingangs bereits
genannten WO 99/05741 A1 grundlegend beschrieben ist, eine Verbindung
zwischen dem Bereich mit dem gasförmigen Medium, aus dem durch
Reformierung Wasserstoff gewinnbar ist, und dem Bereich, welcher
mit Wasserdampf gesättigt
ist, erreicht. In der grundlegend von Enthalpierädern bekannten Art und Weise
erfolgt ein Wasser- und Energietransport über dynamische Ad- und Desorptionsprozesse. Über die
Drehzahl des Rades, welches in einer besonders günstigen Ausführungsform
der Erfindung drehzahlgesteuert über
einen Elektromotor angetrieben werden kann, kann die zu dosierende Wasserdampfmenge
und damit das Wasser-Medium-Verhältnis
hochdynamisch und sehr genau eingestellt werden.
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Diese
Lösung
der gestellten Aufgabe weist den entscheidenden Vorteil auf, daß das Wasser-Medium-Verhältnis je
nach Lastzustand bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Dies bezieht
sich insbesondere auf die vor allem beim Betrieb von derartigen Anlagen
in dem bevorzugten Anwendungsfall zur Energieversorgung eines Kraftfahrzeugs
häufig
auftretenden Lastwechsel. Durch dieses exakte und hochdynamische
Einstellen des Wasser-Medium-Verhältnisses kann ein Überverbrauch
von Wasser vermieden werden, welcher sich insbesondere in einem
gesteigerten Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanlage niederschlägt, da keine
Energie benötigt
wird, um dieses unnötige
Wasser zu verdampfen, welches nicht für den Prozeß der Gaserzeugung oder die
selektive Oxidation von Kohlenmonoxid benötigt wird.
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Das
nicht benötigte
Wasser wird bisher lediglich verdampft und durch das gesamte System
praktisch unverändert
hindurchgeleitet und an die Umgebung entlassen. Dieser unnötige Verbrauch
an Energie und Wasser kann gemäß der Erfindung,
also in besonders vorteilhafter Weise, gravierend eingeschränkt werden.
Weiterhin kann schon bei relativ niedrigen Brennstoffzellen-Temperaturen
Methanol verdampft werden, womit der Gesamtwirkungsgrad des Systems
steigt und die Kühlung
der Brennstoffzelle günstig
entlastet wird.
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Ein
weiterer entscheidender Vorteil ist darin zu sehen, daß durch
die hochdynamische Erhöhung der
Wassermenge in bestimmten Lastzuständen auftretende Erhöhungen der
CO-Konzentration nach dem Gaserzeugungssystem durch eben diese Erhöhung des
Wasseranteils in dem Eduktstrom vermieden oder hinsichtlich ihrer
auftretenden CO-Konzentrationen verringert werden können. Damit
ergeben sich entscheidende Vorteile, da die nachfolgenden Komponenten
keine stoßweisen CO-Belastungen
erfahren, welche sie in ihrem problemlosen und störungsfreien
Arbeiten stören
bzw. beeinträchtigen könnten.
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Ein
weiterer Vorteil ist sicherlich darin zu sehen, daß das Anodenlambda,
also das Luftverhältnis im
Bereich der Anode, entscheidend verringert werden kann, weil die
Energieanforderungen im Bereich eines solchen Gaserzeugungssystems
zur Erzeugung der Verdampfungsenergie an an sich bekannten und benötigten katalytischen
Brennern deutlich reduziert werden können. Dies liegt in besonders
vorteilhafter Weise daran, daß gemäß der Erfindung zum
Betrieb der Brennstoffzellenanlage weitaus weniger Wasser erforderlich
ist, welches entsprechend dem oben bereits genannten Mechanismus
dann auch nicht verdampft werden muß. Somit kann neben dem Anodenlambda
auch bei der Dimensionierung der zur Erzeugung der erforderlichen
Energie notwendigen Komponenten, wie beispielsweise dem eben beschriebenen
katalytischen Brenner, eine entsprechende Einsparung an katalytisch
beschichteter Fläche,
Bauraum und Kosten realisiert werden.
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In
einer besonders günstigen
Ausgestaltung der Erfindung wird die Überführung des Mediums von seinem
flüssigen
Zustand in seinen gasförmigen
Zustand mittels der Abwärme
der Brennstoffzelle durchgeführt.
Dies führt
zu einer zusätzlichen
Entlastung des katalytischen Brenners.
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Die
Brennstoffzelle liefert über
einen Kühlkreislauf
eine entsprechende Abwärme,
welche bisher jeweils über
einen Fahrzeugkühler
in der von Brennkraftmaschinen bekannten Art an die Umgebung abgegeben
wird. Die Abwärme
der Brennstoffzelle bzw. ihres Kühlkreislaufs
weist im allgemeinen ein vergleichsweise geringes Temperaturniveau
auf, so daß sich
lediglich ca. 80°C
Temperaturunterschied zu den üblichen
Umgebungstemperaturen ergeben. Damit ist einerseits die Kühlung vergleichsweise schwierig,
da diese mit steigender Temperaturdifferenz leichter zu bewältigen wird,
andererseits ist das Temperaturniveau in dem Kühlkreislauf jedoch zu gering,
um damit Wasser oder Premix verdampfen zu können.
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Nun
wird jedoch gemäß der erfindungsgemäßen Lösung in
der eben genannten sehr vorteilhaften Alternative diese Abwärme genutzt,
um das Medium, in den meisten realisierten Anlagen ist das derzeit
Methanol, zu verdampfen. Aufgrund des vergleichsweise geringen Siedepunkts
von Methanol und des gegenüber
dem Umgebungsdruck geringfügig
erhöhten
Systemdrucks in der Brennstoffzellenanlage ist eine Verdampfung
des Methanols problemlos möglich.
Dieses verdampfte Methanol kann in den entsprechenden oben bereits
beschriebenen erfindungsgemäßen Ablauf
geleitet werden, um dort das mittels anderer Energiequellen verdampfte
Wasser in der für
den jeweiligen Lastzustand idealen Menge aufzunehmen, so daß sich die
bereits erwähnte
hochdynamische Einstellung des Wasser-Medium-Verhältnisses
ergibt.
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Eine
erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage
ermöglicht
durch ihren Aufbau eine hochdynamische Einstellung des Wasser-Medium-Verhältnisses.
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Dadurch,
daß über den
entsprechenden Kontaktbereich jeweils die für den jeweiligen Lastzustand
genau passende Menge an Wasser durch den Volumenstrom an Medium
aufgenommen wird, kann man sich hier entsprechende Dosiereinrichtungen, wie
Wasserdosierpumpen oder dergleichen, ersparen, was insbesondere
bei Systemen für
die mobile Anwendung, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, entscheidende
Vorteile bringt, da hier sowohl in der Einsparung von Komponenten
als auch in der Einsparung von Bauraum entscheidende Vorteile hinsichtlich
einer Serienfertigung zu sehen sind.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und den
anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigt:
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1 eine
Brennstoffzellenanlage, die nicht Gegenstand der Erfindung ist und
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2 eine
erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage.
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Im
folgenden wird das Medium, aus dem in einem Gaserzeugungssystem
Wasserstoff zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gewonnen wird,
pauschal als Kohlenwasserstoff bezeichnet. Darunter ist jedoch nicht
nur Kohlenwasserstoff im engeren Sinne zu verstehen, wie etwa Benzin
oder Diesel, sondern auch Alkohole, wie etwa Methanol oder Ethanol,
Ether und/oder Ester, aus denen Wasserstoff durch Reformierung des
Mediums gewonnen werden kann.
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1 zeigt
den an sich bekannten Aufbau eines Gaserzeugungssystems, wobei das
eigentliche Gaserzeugungssystem 1 aus den an sich bekannten Komponenten,
wie autothermer Reformer, partielle Oxidationsstufe, selektive CO-Oxidatiosstufe
und dergleichen, besteht, welche nicht näher dargestellt sind. Von dem
Gaserzeugungssystem 1 gelangt ein wasserstoffhaltiger Reformatgasstrom
in eine Brennstoffzelle 2 und wird von dieser in an sich
bekannter und deshalb nicht näher
erläuterter
Weise in elektrische Energie und Abwärme umgewandelt. Der Abgasstrom
der Brennstoffzelle 2 führt
in ebenfalls nicht dargestellter, aber an sich bekannter Weise,
beispielsweise zu einem katalytischen Brenner 3, welcher
dem Gaserzeugungssystem 1 zuzurechnen ist. In dem katalytischen
Brenner 3 werden in dem Abgas enthaltende Reststoffe, wie
Restwasserstoff und/oder in dem Gaserzeugungssystem 1 nicht
umgesetzte Reste der Edukte in Wärmeenergie
umgewandelt, welche dann wiederum dem Gaserzeugungssystem 1 und/oder
der Bereitstellung von dampfförmigen
Edukten für
das Gaserzeugungssystem 1 zur Verfügung gestellt wird wie es allgemein bekannt
und üblich
ist.
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Neben
diesem bekannten Aufbau zeigt 1 einen Kontaktbereich 4,
in welchem gasförmiger
Kohlenwasserstoff, hier beispielsweise gasförmiges Methanol (MeOH), und
dampfförmiges
Wasser in Kontakt zueinander gebracht werden, um dann als gemeinsamer
Eduktstrom dem Gaserzeugungssystem 1 zugeführt zu werden.
Das flüssige
Methanol wird über
einen Wärmetauscher 5,
welcher Teil eines Brennstoffzellenkühlkreislaufs 6 ist,
durch die von der Brennstoffzelle 2 stammende Abwärme erhitzt
und verdampft. Der Wärmetauscher 5 kann
vorteilhaft auch zum Verdampfen von flüssigem Wasser eingesetzt werden.
Ein weiterer Bestandteil des Brennstoffzellenkühlkreislaufs 6 ist
ein herkömmlicher
Kühler 7,
welcher die nach dem Durchströmen
des Wärmetauschers 5 in
dem Kühlkreislauf 6 der
Brennstoffzelle 2 verbleibende Restwärme an die Umgebung abzugeben
vermag.
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Das
so verdampfte gasförmige
Methanol gelangt über
ein Leitungselement 8 zu einem Gefäß 9, welches den Kern
des Kontaktbereichs 4 darstellt. In dem Gefäß 9 befindet
sich flüssiges
Wasser (H2O) in einem unteren Bereich sowie
oberhalb der Wasseroberfläche 10 ein
Bereich mit dampfförmigem
bzw. gasförmigem
Wasser. Über
einen Wärmetauscher 11,
welcher mit Energie von dem katalytischen Brenner 3 betrieben
wird, wird das in dem Gefäß 9 befindliche
Wasser ständig
verdampft.
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In
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
des Gefäßes 9 kann
zusätzlich
eine optionale, hier dargestellte, vorzugsweise wasserdampfdurchlässige Membran 12 vorhanden
sein, welche insbesondere dazu dient, das gasförmige und flüssige Wasser
kontrolliert voneinander getrennt zu halten, so daß dieses beispielsweise
beim bevorzugten Einsatzfall in einem Kraftfahrzeug aufgrund von
Brems- und Beschleunigungsvorgängen,
Bodenunebenheiten oder dergleichen nicht zu schwappen beginnt.
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In
einer Verbindungsleitung 13 zwischen dem Gefäß 9 und
dem eigentlichen Gaserzeugungssystem 1, grundlegend könnte man
auch in einer erweiterten Definition die Bauteile 3, 5, 11, 9, 8, 4 zum Gaserzeugungssystem 1 dazu
zählen,
ist ein Druckregelventil 14 angebracht. Das Druckregelventil 14 spielt
dabei eine entscheidende Rolle für
das sich einstellende Verhältnis
von Wasser. und Methanol in dem durch die Leitung 13 strömenden Eduktgasstrom,
so daß dieses
zu dem durch die gestrichelte Linie angedeuteten Kontaktbereich 4 zu
zählen
ist.
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In
Abhängigkeit
der in dem Gaserzeugungssystem bzw. dem Gefäß 9 vorliegenden Temperatur und
dem durch das Druckregelventil 14 für diesen Bereich eingestellten
Druck wird sich ein entsprechender Wasserpartialdampfdruck einstellen. Über die
Einstellung des Systemdrucks durch das Druckregelventil 14 kann
somit hochdynamisch und sehr genau das sich jeweils einstellende
Verhältnis
von Wasser und Methanol festgelegt und nachgeregelt werden. Eine
Anpassung an den jeweiligen Lastzustand, insbesondere auch während Lastwechseln,
ist damit hochdynamisch möglich.
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Die
Vermeidung eines Überverbrauchs
von Wasser und die damit verbundene Vermeidung der hierfür benötigten Verdampfungsenergie
wird in der Praxis erst durch diese hoch dynamische Möglichkeit der
Einstellung des Wasser-Methanol-Verhältnisses ermöglicht.
Außerdem
läßt sich
somit auch die Entstehung von Kohlenmonoxidpeaks vermeiden, da diese
im allgemeinen mit dem jeweiligen Lastzustand und vor allem mit
den entsprechenden Lastwechseln einhergehen. Dadurch daß mit dem
Wasser-Methanol-Verhältnis
auf diese Lastwechsel sehr schnell reagiert werden kann, können aufgrund
des angepaßten
Wasseranteils auch die Kohlenmonoxidpeaks vermieden oder zumindest
gedämpft
werden.
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Außerdem wird
bei dem entsprechenden Aufbau durch die Nutzung der Abwärme der
Brennstoffzelle ein verbesserter Wirkungsgrad erreicht, da diese
Energie für
andere Zwecke aufgrund ihres vergleichsweise niedrigen Temperaturniveaus
nur schlecht oder gar nicht zu nutzen wäre.
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Außerdem ergeben
sich weitere sehr günstige
Eigenschaften hinsichtlich der Systemauslegung und des Packagings,
da hier die Dimensionierung des Kühlers 7 weitaus kleiner
ausfallen kann, ebenso wie die Dimensionierung des katalytischen
Brenners 3 aufgrund der Einsparungen der Energie für überflüssig verdampftes
Wasser.
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In 2 ist
nun eine alternative Ausführungsform
beschrieben. Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise ist
insoweit analog zu dem bereits zu 1 beschriebenen
zu verstehen.
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Lediglich
der Kontaktbereich 4 unterscheidet sich gegenüber dem
oben bereits beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Anstatt des direkten Kontakts zwischen gasförmigem Wasser und gasförmigem Methanol
im Bereich des Gefäßes 9,
weist das in 2 dargestellte Gefäß 9' ein Enthalpierad 15 auf, welches
den Bereich mit dem gas- bzw. dampfförmigen Wasser und den Bereich
mit dem gasförmigem Methanol
voneinander trennt bzw. miteinander verbindet. Das Enthalpierad 15 selbst,
welches aus einem porösen,
nach Möglichkeit
für die
mit ihm in Kontakt kommenden Stoffe, nicht korrosivem Material bestehen
sollte, sorgt für
den Transport von Wasser und Enthalpie über dynamische Ad- und Desorptionsprozesse.
Ein derartiges Enthalpierad ist grundlegend aus der oben bereits
erwähnten
WO 99/05741 A1 bekannt.
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Der
Transport von Wasser und Enthalpie in den Bereich des gasförmigen Methanols
und damit über
die Leitung 13 in den Bereich des eigentlichen Gaserzeugungssystems 1 hängt nun
von der Drehzahl des Enthalpierades 15 ab. Über einen
Elektromotor 16, welcher hinsichtlich der Drehzahl des über eine
Welle mit ihm verbundenen Enthalpierades 15 regelbar ausgeführt ist,
kann also nun das Wasser-Methanol-Verhältnis
in der Leitung 13 exakt und hochdynamisch eingestellt werden.
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Die
weiteren günstigen
Eigenschaften der in 2 dargestellten Einrichtung
sind dabei analog zu dem zu sehen, was zu 1 bereits
erwähnt
wurde.
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Beide
oben genannten Aufbauten erlauben es jeweils weitere sehr günstige Eigenschaften
für die
Brennstoffzellenanlage zu erschließen. Während des Betriebs ist es nun
nämlich
möglich,
in dem über den
Wärmetauscher 11 mit
dem Gefäß 9 bzw. 9' verbundenen katalytischen
Brenner 3 Überschußenergie
zur Verdampfung des in dem Gefäß 9 bzw. 9' befindlichen
Wassers einzusetzen. Damit ergibt sich durch das Wasser, insbesondere
das heiße
flüssige oder
das verdampfte Wasser in dem Gefäß 9 bzw. 9' die Möglichkeit
Energie in dem System zwischenzuspeichern.
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Hinsichtlich
des Kaltstartfalls, wo nach Möglichkeit
die gesamte Energie den möglichst
schnell zu erwärmenden
Komponenten des Gaserzeugungssystems 1 zugeführt werden
sollte, kann über
entsprechende Einstellungen die Wassermenge in dem Gefäß 9 bzw. 9' sehr gering
gehalten werden, so daß hier
nur ein minimaler Anteil an Energie während der Kaltstartphase der
Brennstoffzellenanlage zur Verdampfung von Wasser benötigt wird.
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Weiterhin
kann bei einer hohen überschüssigen Energiemenge,
wie etwa bei Lastsprüngen
nach unten oder bei schnellen Lastabwürfen, etwa bei Störungen,
diese Energiemenge zur Beheizung des Flüssigwassers im Gefäß 9 verwendet
werden, das günstig
als Wärmepuffer
dient. Nach erfolgter Temperaturveränderung des Wassers passt sich
die Druckregelung 14 der neuen Temperatur an. Zweckmäßigerweise
kann im Flüssigwasserbereich
ein Temperatursensor vorgesehen sein.