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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems nach der im
Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Luftversorgung
eines Brennstoffzellensystems läßt sich der EP 0 629 013 B1
entnehmen. Hier ist, wie es auch bei anderen
Brennstoffzellensystemen allgemein bekannt und üblich ist,
die Luftversorgung des Brennstoffzellensystems sowie
der Brennstoffzelle selbst über einen Aufbau gelöst,
welcher zumindest einen Verdichter aufweist. Dieser
Verdichter kann, wie in dem hier dargestellten Fall,
beispielsweise als über einen Expander zumindest
teilweise angetriebener Verdichter ausgebildet sein, es
sind jedoch auch sämtliche andere Ausführungsformen
denkbar, wie sie im allgemeinen als Verdichter und
Kompressoren bekannt sind.
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Die nicht vorveröffentlichte DE 10 01 6185.5-45
beschreibt ebenfalls ein Brennstoffzellensystem mit
einer Luftversorgung zum Bereitstellen eines
sauerstoffhaltigen Mediums für die Brennstoffzelleneinheit,
welche aus Brennstoffzelle und Gaserzeugungssystem
besteht. Die Luftversorgung wird auch hier über einen
Kompressor erreicht, welche gemäß den vorteilhaften
Weiterbildungen der oben genannten Erfindung als
Wankelverdichter, Schraubenverdichter oder dergleichen
ausgebildet sein kann.
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Die Arbeitsweise und die konstruktiven Anforderungen
an derartige Kompressoren oder Verdichter sind nun
vergleichsweise hoch, so daß immer Bauteile entstehen,
welche einen nicht unerheblichen Aufwand an Gewicht
und Kosten verursachen, was insbesondere für den
mobilen Einsatz nachteilig ist, da hier jede
Gewichtserhöhung einen negativen Einfluß auf den gesamten
Wirkungsgrad des Systems und damit letztendlich auf den
Kraftstoffverbrauch hat. Außerdem ist bei derartigen
Anwendungen von vergleichsweise hohen Stückzahlen
auszugehen, so daß auch der mit den entsprechenden
Kompressoren oder Verdichtern verbundene Kostenaufwand
als gravierender Nachteil zu sehen ist.
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Um diesen Gewichts- und Kostenaufwand einigermaßen in
Grenzen zu halten, ist es bei sämtlichen derartigen
Systemen im allgemeinen üblich, daß alle Luft
benötigenden und gegebenenfalls Sauerstoff verbrauchenden
Komponenten in Reihe hintereinander geschaltet sind,
wobei hier jeweils abzuwägen ist, welche der
Komponenten in Reihe als letztes kommt. Im allgemeinen wird
diese letzte Komponente ein Brenner bzw. ein
katalytischer Brenner sein, da dieser die Luft bzw. den in ihr
enthaltenen Sauerstoff wenigstens annähernd
vollständig verbraucht und die Luft darüber hinaus auf ein
sehr hohes Temperaturniveau bringt, so daß eine
nachfolgende Kühlung oder dergleichen nicht mehr möglich
ist. Bei diesem Aufbau ergeben sich entsprechende
Einschränkungen bei der Gestaltung der Luftversorgung
sowie der erforderlichen Leitungsführung zwischen den
einzelnen Komponenten. Besonders nachteilig ist es
auch, daß durch die Reihenschaltung vieler Komponenten
vergleichsweise hohe Druckverluste entstehen, die den
gesamten Wirkungsgrad des Systems nachteilig
beeinflussen.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine
Vorrichtung zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems
zu schaffen, welche die oben genannten Nachteile
vermeidet und einen einfachen, variablen, leichten und
besonders kostengünstigen Aufbau zur Verfügung stellt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
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Der Einsatz von wenigstens einem Gebläse ermöglicht es
dabei, gegenüber dem Einsatz von Kompressoren oder
Verdichtern eine ganz erhebliche Einsparung an Gewicht
zu erzielen.
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Neben dieser Einsparung an Gewicht läßt sich außerdem
eine erhebliche Kosteneinsparung erreichen.
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Das Gebläse kann einen Druck von ca. 100 bis 300 mbar
gegenüber dem Umgebungsdruck erzeugen. Bei
entsprechender Führung des Luftstroms und entsprechender
Ausgestaltung der mit dem Luftstrom zu versorgenden
Komponente, also einer Minimierung der Druckverluste in
diesen Komponenten, kann dieser Druck, welcher in
seinem Grenzfall noch unter den Fachbegriff des "ambient
air" fällt, bei entsprechend hohem Volumendurchsatz
ausreichend sein, die Komponenten des
Brennstoffzellensystems mit dem erforderlichen Luftstrom,
beispielsweise zu ihrer Kühlung oder dem erforderlichen
Volumenstrom an Sauerstoff zu versorgen. Dabei kann
die Erfindung nicht nur bei den sogenannten
"ambientair"-Systemen eingesetzt werden, die sehr geringe
Überdrücke von typischerweise unter 100 mbar
aufweisen, sondern auch in sogenannten Niederdrucksystemen
mit geringem, aber etwas höherem Überdruck von z. B.
100-300 mbar.
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In einer besonders günstigen Ausgestaltung der
Erfindung erfolgt die Luftversorgung mittels genau eines
Gebläses, wobei sich die zur Versorgung der
Komponenten dienenden Luftströme nach dem Gebläse in
wenigstens zwei Teilströme aufteilen. Dies ist auch in
Hochdrucksystemen günstig, bei denen mit mehreren bar
gearbeitet werden kann.
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Einer dieser Teilströme kann einen Kathodenraum der
Brennstoffzelle durchströmen. Bei entsprechender
Bauweise der Brennstoffzelle kann dabei der von dem
Gebläse erzeugte Druckunterschied z. B. praktisch auch
vollständig aufgebraucht werden. Der andere Teilstrom
kann durch eine zu kühlende Komponente, beispielsweise
einer selektiven Oxidationsstufe, geleitet werden, ehe
er in eine weitere, beispielsweise eine Sauerstoff
verbrauchende Komponente, wie ein Brenner,
insbesondere ein katalytischer Brenner, gelangt.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß durch die Kühlung
der zu kühlenden Komponente der Luftstrom bereits
vorgewärmt ist und somit beim Einströmen in den Brenner
bereits einen gewissen thermischen Energieinhalt
mitbringt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Brenners
entsprechend verbessert.
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In einer alternativen Ausführungsform kann es auch
vorgesehen sein, daß mehrere der Gebläse vorhanden
sind, wobei jeweils eine oder gegebenenfalls auch zwei
der Komponenten durch eines der Gebläse versorgt
werden.
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Um das oben bereits angeführte Ausführungsbeispiel
nochmals aufzunehmen, könnte es in diesem Fall heißen,
daß die Brennstoffzelle bzw. ihr Kathodenraum durch
eines der Gebläse versorgt wird, während das andere
Gebläse eine Reihenschaltung aus zu kühlender
Komponente und Sauerstoff verbrauchender Komponente, also
beispielsweise einer selektiven Oxidationseinrichtung
und einem katalytischen Brenner, versorgt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und aus
den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten
Ausführungsbeispielen.
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Es zeigt:
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Fig. 1a eine Prinzipskizze eines Teils eines
Brennstoffzellensystems mit einem Gebläse und mit
drei mit Luft zu versorgenden Komponenten;
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Fig. 1b eine schematische Darstellung der
Verschaltung gemäß Fig. 1a;
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Fig. 1c eine schematische Darstellung der
Verschaltung in einer alternativen Ausführungsform;
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Fig. 2 eine alternative Ausführungsform einer
Verschaltung bei drei mit Luft zu versorgenden
Komponenten und einem Gebläse;
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Fig. 3 eine Ausführungsform einer Verschaltung bei
drei mit Luft zu versorgenden Komponenten
und zwei Gebläsen;
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Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung einer
Verschaltung bei drei mit Luft zu versorgenden
Komponenten und zwei Gebläsen; und
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Fig. 5 eine mögliche Ausgestaltung einer
Verschaltung bei drei mit Luft zu versorgenden
Komponenten und drei Gebläsen.
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Fig. 1a zeigt eine prinzipmäßige Darstellung eines
Teils eines Brennstoffzellensystems mit einer
Brennstoffzelle 1, welche einen Kathodenraum 2 und einen
Anodenraum 3 aufweist. Außerdem ist ein Teil eines
Gaserzeugungssystems zu erkennen, von welchem hier nur
ein Brenner 4 und ein Wärmetauscher 5 prinzipmäßig
angedeutet sind.
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Über ein Gebläse 6 wird ein Luftstrom gefördert,
welcher dann mit einem Druck von ca. 1, 1 bis 1,3 bar
absolut, also ca. 100 bis 300 mbar Überdruck gegenüber
dem Umgebungsdruck, zur Verfügung steht. Der Luftstrom
wird dann im Bereich eines Knotenpunkts 7 in zwei
Teilströme 8a, 8b aufgeteilt. Der Teilstrom 8b
durchströmt dabei den Kathodenraum 2 der Brennstoffzelle 1
und versorgt diesen mit dem erforderlichen Sauerstoff
für den Betrieb der Brennstoffzelle 1. Da ein
derartiger Kathodenraum 2 der Brennstoffzelle 1, welche im
hier dargestellten Ausführungsbeispiel, einem
Anwendungsfall für ein Kraftfahrzeug, als PEM-
Brennstoffzellen-Stack ausgebildet sein soll, erzeugt
einen Druckverlust, welcher in etwa so groß ist, daß
die Luft nach dem Durchströmen des Kathodenraums 2
keinen nennenswerten Überdruck mehr aufweist.
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Über den zweiten Teilstrom 8a gelangt der Luftstrom
durch den Wärmetauscher 5, welcher beispielsweise eine
luftgekühlte selektive Oxidationseinrichtung oder
dergleichen sein kann. Der durch den Wärmetauscher 5,
welcher durch den Luftstrom gekühlt wird, angewärmte
Luftstrom gelangt dann zu einer Mischeinrichtung 9, in
welcher er in an sich bekannter Weise mit einem
Abgasstrom 10, welcher von dem Anodenraum 3 der
Brennstoffzelle 1 kommt oder auch einem anderen
brennmittelhaltigen Gasstrom, vermischt und dem katalytischen
Brenner 4 zugeführt wird, welcher beispielsweise einen
Reformer 11, welcher hier nur prinzipmäßig angedeutet
ist, oder dergleichen beheizt. Dabei kann der Brenner
4 direkt mit einer zu beheizenden Komponente, z. B. dem
Reformer 11, gekoppelt sein oder in sogenannter
adiabater Betriebsweise arbeiten, bei der die zu
beheizende Komponente, etwa ein Reformer und/oder ein
Verdampfer, stromab des Brenners 4 angeordnet ist.
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Dabei kann die Aufteilung der Volumenströme der Luft
in die einzelnen Teilströme 8a, 8b durch entsprechende
Drosseleinrichtungen in den Leitungen beeinflußt
werden. Die Drosseleinrichtungen, welche hier nicht
dargestellt sind, können fest oder auch betätigbar
ausgebildet sein, so daß sich eine vorgegebene oder eine
steuer-/regelbare Aufteilung der Volumina in die
Teilströme 8a, 8b ergibt.
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Wird die bevorzugte Anordnung in einem Hochdrucksystem
eingesetzt, ist es zweckmäßig, stromab des Brenners 4
einen Expander einzusetzen. Dabei kann die
Kathodenabluft vollständig oder teilweise in die dem Expander
zugeführte heiße Brennerabluft zugemischt werden.
Günstigerweise wird dem Expander eine zu beheizende
Komponente, etwa ein Reformer oder ein Verdampfer,
nachgeschaltet.
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In Fig. 1b sind die für die Erfindung relevanten
Bestandteile nochmals prinzipmäßig dargestellt. In dem
erkennbaren Beispiel ist, vergleichbar wie oben, die
Versorgung von drei Komponenten in dem
Brennstoffzellensystem beschrieben. Selbstverständlich lassen sich
auch weitere Komponenten versorgen, so daß
beispielsweise die Versorgung von vier, fünf oder mehr
Komponenten mit der hier beschriebenen Technik problemlos
möglich ist.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1b zeigt nun das
Gebläse, den zu dem Knotenpunkt 7 geförderten
Luftstrom, die beiden Teilströme 8a, 8b sowie die davon
vorsorgten Komponenten 2, 5, 4. In dem hier
dargestellten Ausführungsbeispiel versorgt der Teilstrom 8a
zwei Komponenten 5, 4, welche in Reihe hintereinander
geschaltet sind. Der Teilstrom 8b versorgt nur eine
der Komponenten, in diesem Fall den Kathodenraum 2 der
Brennstoffzelle 1, wie dies oben bereits beschrieben
wurde.
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Fig. 1c zeigt nun eine alternative Ausführungsform,
bei der durch den Teilstrom 8b der Kathodenraum 2 der
Brennstoffzelle 1 und der Wärmetauscher 5 über eine
Reihenschaltung versorgt werden, während parallel dazu
über den Teilstrom 8a der Brenner 4 versorgt wird.
Dies erfordert selbstverständlich eine entsprechende
Ausgestaltung des Kathodenraums 2 der Brennstoffzelle,
so daß die hier zu erwartenden Druckverluste so gering
sind, daß der Druckunterschied nach dem Kathodenraum 2
der Brennstoffzelle 1 ausreicht, den Wärmetauscher 5
zu durchströmen, und über die entsprechende
Geschwindigkeit des Volumenstroms die gewünschte Kühlung zu
erzielen.
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Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der
ebenfalls durch das eine Gebläse 6 beispielhaft die
eingangs bereits beschriebenen drei Komponenten 2, 4,
5 versorgt werden. Von dem Knotenpunkt 7 gehen
parallel drei Teilströme 8a, 8b, 8c, welche einmal den
Kathodenraum 2, einmal den Wärmetauscher 5 und einmal
den Brenner 4 mit der erforderlichen Luft bzw. dem
erforderlichen Sauerstoff versorgen, aus.
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Fig. 3 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform,
bei der zwei Gebläse 6a, 6b eingesetzt werden, um
jeweils einen der Teilströme 8a, 8b zu erzeugen. In dem
hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll der durch
das Gebläse 6a erzeugte Teilstrom 8a, vergleichbar wie
in Fig. 1a dargestellt, Komponenten des
Gaserzeugungssystems, also den Wärmetauscher 5 und danach den
Brenner 4, versorgen, während das Gebläse 6b den
Kathodenraum 2 der Brennstoffzelle 1 mit dem erforderlichen
Sauerstoff versorgt.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der
statt der oben beschriebenen Reihenschaltung im
Teilstrom 8a eine Parallelschaltung dargestellt ist. Das
Gebläse 6a erzeugt den Teilstrom 8a, welcher sich dann
im Knotenpunkt 7 in die beiden Teilströme 8a' und 8a"
aufteilt und einerseits den Brenner 4 und andererseits
den Wärmetauscher 5 mit der erforderlichen Luft
versorgt. Das Gebläse 6b ist unabhängig von dem Gebläse
6a ausgeführt und versorgt den Kathodenraum 2 der
Brennstoffzelle 1 mit dem Teilstrom 8b.
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Fig. 5 zeigt eine Weiterführung dieser Idee, wobei
hier drei Gebläse 6a, 6b, 6c ausgeführt sind, welche
jeweils eine der Komponenten 4, 5, 2 mit dem
erforderlichen Luftstrom versorgen.
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Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsformen
denkbar, beispielsweise daß sich an eines der Gebläse
eine Reihenschaltung von einer Komponente und einem
Verzweigungspunkt mit einer anschließenden
Parallelschaltung danach, also in einem der erzeugten
Luftströme bzw. Teilströme ergibt. Auch sind sämtliche
sich aus den Figuren und weiteren naheliegenden
Aufbauten ergebende Varianten denkbar.
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Durch die Verwendung eines oder mehrerer Gebläse 6
anstatt des einen Kompressors oder Verdichters lassen
sich erhebliche Kosten einsparen, da selbst eine
größere Anzahl an Gebläsen weitaus günstiger und auch
hinsichtlich ihres Gewichts weitaus leichter sind als
dies ein einziger Kompressor bzw. Verdichter wäre.