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Die
Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Zur
Regelung der Betriebstemperatur von Brennstoffzellen ist es bekannt,
diese mittels eines Kühlkreislaufs
zu kühlen.
Hierzu beschreibt die
DE 100
85 325 T1 ein mit Direktfrostschutzmittel gefülltes Brennstoffzellen-Kraftwerksystem.
Darin wird sowohl für
mobile als auch für
stationäre
Brennstoff-Kraftwerksysteme ein Kühlsystem vorgeschlagen, welches
auch bei sehr tiefen (arktischen) Umgebungstemperaturen funktionieren
soll. Dazu ist die Kühlflüssigkeit
mit Direktfrostschutzlösung
versetzt.
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Da
Brennstoffzellen aber sehr empfindlich auf chemisch verunreinigtes
Betriebswasser reagieren (Vergiftungsproblem), ist in dem vorgeschlagenen
Kühlsystem
eine Enthalpie-Austauschsperre vorgesehen,
um ein Desorbieren von Frostschutzlösung in den mit dem Kühlkreislauf
flüssigkeitsleitend verbundenen
Brennstoffzellen-Systemwasser-Kreislauf
zu verhindern. Um dieser Forderung einigermaßen gerecht zu werden, ist
jedoch ein sehr hoher technischer und finanzieller Aufwand erforderlich. Auch besteht
permanent die Gefahr einer Schädigung
der Brennstoffzellen durch ein Versagen dieser Enthalpie-Austauschsperre.
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Weiterhin
ist ein katalytischer Brenner vorgesehen, der noch unverbrannten
Brennstoff aus dem Abgas der Brennstoffzelle verbrennt und die dabei entstehende
Abwärme
in den Brennstoffzellen-Systemwasser-Kreislauf überträgt. Dieser katalytische Brenner
erhitzt und verdampft zur Regelung des Feuchtehaushalts in der Brennstoffzelle
das Systemwasser in einem entsprechenden Boiler. Zur Abfuhr von überschüssigem Wärmeintrag
durch fortlaufende Beheizung des Systemwassers sind zusätzliche Kühlvorrichtungen
mit Wärmetauscher,
Kühler,
Pumpe und entsprechenden Leitungen vorgesehen.
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Aufgabe und
Vorteile der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es nun, ein derartiges Brennstoffzellen-System
zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird, ausgehend von einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
genannten Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle
bzw. ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellen-System dadurch aus, dass
ein katalytischer Brenner an den Kühlmittelkreislauf zu- und/oder
von diesem abschaltbar ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass
die von dem katalytischen Brenner erzeugte Wärme durch Verbrennung von in
den Abgasen noch vorhandenen Brennstoffen gezielt nur dann zur Erwärmung der Brennstoffzelle
verwendet wird, wenn dies erforderlich ist. Insbesondere ist dies
im Anlaufbetrieb der Brennstoffzelle der Fall, in welchem auch der
höchste Anteil
an unverbranntem Brennstoff in den Abgasen auftritt.
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Somit
ist es erfindungsgemäß möglich, auch die
Wärme aus
kurzzeitiger überstöchiometrischer Zugabe
von Wasserstoff zur Reduzierung anodenseitig auftretender Stickstoffkonzentrationen
vorteilhaft für
den Betrieb der Brennstoffzelle zu nutzen.
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Dieser
Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch gezieltes
Zu- und/oder Einkoppeln der durch den katalytischen Brenner erzeugten Wärme in den
Kühlmittelkreislauf
eine rasche Erwärmung
der Brennstoffzelle auf ihre Betriebstemperatur möglich ist,
ohne den Kühlkreislauf
und damit auch die Brennstoffzelle durch eine permanente Wärmezufuhr über die
gesamte Betriebsdauer der Brennstoffzelle zu belasten.
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Insbesondere
wird es dabei als vorteilhaft angesehen, dass die Wärmeeinkopplung
beim Zu- und/oder Abschalten des katalytischen Brenners anhand der
ohnehin im Kühlkreislauf
angeordneten Kühlmittelpumpe
möglich
ist, so dass zusätzlich
Kosten und Raum für
eine weitere Pumpe eingespart werden können.
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Zur
Kontrolle des Schaltzustandes des katalytischen Brenners bezüglich des
Kühlmittelkreislaufes
ist im Weiteren eine Kontrolleinheit vorgesehen. Diese Kontrolleinheit
ist bevorzugt eine Ventileinheit. Insbesondere durch Verwendung
von zwei beispielsweise 2/2-Wegeventilen oder einem 3/2-Wegeventil kann diese
Kontrolleinheit sehr kostengünstig
realisiert werden.
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Vorzugsweise
ist es dabei vorgesehen, dass diese Wegeventile im nicht betätigten Zustand
geschlossen sind. Beispielsweise wäre also ein elektrisches Wegeventil
stromlos geschlossen, um den katalytischen Brenner vom Kühlmittelkreislauf
abzuschalten. Diese Schaltanordnung hat den Vorteil, dass bei gegebenenfalls
auftretendem Defekt des Wegeventils keine unvorhergesehene Wärmeeinspeisung
in den Kühlkreislauf
eintreten kann.
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Neben
einer Ausführung
mit zwei 2/2-Wegeventilen bzw. einem 3/2-Wegeventil kann die Ventileinheit
in einer demgegenüber
abgewandelten Ausführungsform
aber auch ein Proportionalventil umfassen.
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Grundsätzlich ist
auch die Verwendung einer Stellklappe als Kontrolleinheit denkbar.
Wichtig ist nur, dass die Kontrolleinheit ein Zu- und/oder Abschalten
des katalytischen Brenners zum Kühlmittelkreislauf
ermöglicht.
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In
einer nächsten
Ausführungsform
kann es vorgesehen sein, dass eine zusätzliche Wärmetransfervorrichtung vorgesehen
ist, die dem Kühlmittelkreislauf
zu- und/oder von diesem abschaltbar ist. Bei einer solchen Wärmetransfervorrichtung
kann es sich beispielsweise um eine Heizung bzw. eine Klimaanlage
handeln. Insbesondere bei einem mobilen Brennstoffzellensystem könnten dies
die Heizung und/oder die Klimaanlage des Fahrzeugs sein.
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Auch
bei stationären
Brennstoffzellensystemen kann eine solche Wärmetransfervorrichtung als Heizung,
beispielsweise für
Brauchwasser oder dergleichen, vorgesehen sein. Somit kann auch
hier während
des Betriebs der Brennstoffzelle auftretender, noch nicht vollständig verbrauchter
Brennstoff zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Brennstoffzelle
nutzbringend in das System eingespeist werden.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird anhand
der beigefügten
Figuren nachfolgend näher
erläutert.
Es zeigen
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1 einen
Kühlmittelkreislauf
einer Brennstoffzelle mit einem dazu zu- und/oder von diesem abschaltbaren katalytischen
Brenner, und
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2 eine
demgegenüber
abgewandelte Ausführungsform
mit einer zusätzlich
angeordneten Wärmetransfervorrichtung.
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1 zeigt
ein Brennstoffzellensystem 1, bestehend aus einer Brennstoffzelle 2 mit
einem Kühlmittelkreislauf 3 zur
Kühlung
der Brennstoffzelle 2 über
deren Wärmetauscher 7.
Der Kühlmittelkreislauf 3 besteht
aus einem Kurzschlusskreis 5 und einem Kühlzweig 8,
deren jeweilige Kühlmittelversorgung
durch die Kühlmittelpumpe 6 und
durch entsprechende Ansteuerung der Kontrolleinheit 12,
vorzugsweise in der Form eines 3/2-Proportionalventils, erfolgt.
Bei aktivem Kühlzweig 8 kann
der Kühler 9 mittels
eines Gebläses 10 mit
einem Luftstrom 11 zur besseren Kühlung beaufschlagt werden.
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Die Überwachung
und Kontrolle der einzelnen Einheiten kann mittels einer Überwachungsvorrichtung 13 erfolgen,
wobei die einzelnen Verbindungen in 1 lediglich
symbolisch durch gestrichelte Linien beispielhaft dargestellt sind.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich nun dadurch aus, dass ein katalytischer
Brenner 15 derart mit dem Kühlmittelkreislauf 3 verbunden
ist, dass er an diesen zu-und/oder
von diesem abschaltbar ausgebildet ist. Damit ist ein gezielter
Wärmeeintrag
nur zu den Zeiten möglich,
in welchen auch bei Startphase Wärmezufuhr
an der Brennstoffzelle erforderlich ist. Eine unnötige thermische
Belastung durch Wärmeeintrag
des katalytischen Brenners in Zeiten, in denen die Brennstoffzelle
ohnehin bereits ihre Betriebstemperatur erreicht hat, oder diese
gegebenenfalls sogar darüber
liegt, kann somit erfindungsgemäß vermieden
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, dass der Wärmeeintrag
durch die Zirkulation des Kühlmittels
durch den katalytischen Brenner 15 während dessen zum Kühlmittelkreislauf 3 zugeschalteten
Zustands durch die ohnehin im Kühlmittelkreislauf 3 vorhandene Kühlmittelpumpe 6 erfolgt,
und zwar ohne zusätzliche
Erfordernis von Kosten oder Platz für eine weitere Flüssigkeitsfördervorrichtung.
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Zur
Kontrolle des Schaltzustandes des katalytischen Brenners 15 bezüglich des
Kühlmittelkreislaufes 3 ist
eine Kontrolleinheit 16 vorgesehen. Vorzugsweise ist diese
Kontrolleinheit 16 eine Ventileinheit 16. Als
besonders geeignet zur Ausbildung der Ventileinheit 16 bieten
sich zwei 2/2-Wegeventile bzw. ein 3/2-Wegeventil an. Je nach Ausführungsform
ist es somit möglich,
den Kühlmittelstrom
durch die Leitung 4 bei dem Kühlmittelkreislauf 3 zugeschaltetem
katalytischen Brenner 15 vollkommen zu schließen oder
wahlweise auch im Parallelbetrieb, also im Bypassbetrieb zu betreiben.
Die Art der Schaltung kann je nach Anforderung an das System ausgewählt werden.
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Bei
vollständigem
Abschalten der Leitung 4 bei gleichzeitigem Zuschalten
der Leitung 19 durch den katalytischen Brenner in den Kühlmittelkreislauf 3 wird
der Wärmeübertrag
aus dem katalytischen Brenner in das Kühlmedium vollständig umgesetzt. Bei
Parallelbetrieb der Leitung 4 mit der Leitung 19 durch
den katalytischen Brenner 15 wird bereits eine Reduzierung
des Wärmeeintrags
in den Kühlmittelkreislauf 3 erzielt,
was beispielsweise beim Annähern an
die optimale Betriebstemperatur der Brennstoffzelle von Vorteil
sein könnte,
so dass eine schlagartige Änderung
der Wärmezufuhr
an Brennstoffzelle vermieden werden kann.
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Eine
solche, gegebenenfalls sogar stufenlose Beeinflussung des Wärmeeintrags
wäre beispielsweise
auch durch die Verwendung eines Proportionalventiles oder einer
Stellklappe als Kontrolleinheit 16 möglich. Entscheidend ist lediglich,
dass die durch den katalytischen Brenner 15 erzeugte Wärme beim Betrieb
der Brennstoffzelle 2 in oder über ihrem optimalen Betriebstemperaturbereich
verhindert werden kann, um eine unnötige thermische Belastung dieses Kühlsystems
zu vermeiden.
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2 zeigt
eine gegenüber
der 1 mit einer kühlmittelseitigen
Heizungs-Wärmetauschervorrichtung 21 erweiterten
Ausführungsform.
Die Bezugszeichen der bisher beschriebenen Komponenten der Brennstoffzelle
bzw. des Brennstoffzellensystems in der 1 entsprechen
auch den Komponenten in 2.
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Die
Heizungs-Wärmetauschervorrichtung 21 kann
beispielsweise eine Heizung oder ein Klimagerät sein. Im Fall eines mobilen
Brennstoffzellensystems kann sie beispielsweise die Heizung oder
eine Klimaanlage eines Fahrzeugs sein. Somit ist es insbesondere
bei niedrigen bis kalten Temperaturen möglich, die nicht mehr in den
Kühlkreislauf 3 eingespeiste
Wärme des
katalytischen Brenners 15 zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades
des Brennstoffzellensystems zu nutzen.
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Der
einfachen Darstellung halber sind sowohl die Heizung 22 als
auch der Verdampfer 23 als eine Einheit gezeigt. Sie werden
sowohl von der in 1 beschriebenen Leitung 19 zum
Zu- und/oder Abschalten des katalytischen Brenners 15 zum
Kühlmittelkreislauf 3 als
auch vom Luftstrom 25 beaufschlagt, welcher vom Gebläse 24 erzeugt
werden kann.
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In
der Darstellung in 2 ist noch zusätzlich eine Überwachungsvorrichtung 26 gezeigt,
die zur Ansteuerung des Gebläses 24 geeignet
ist. Darüber
hinaus kann das Gebläse 24 aber
auch von der Überwachungsvorrichtung 13 kontrolliert
werden.
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Des
Weiteren ist es auch möglich,
dass die Überwachungsvorrichtung 13 und
gegebenenfalls die Überwachungsvorrichtung 26 zusätzlich über Steuerungs-und/oder Energieversorgungsleitungen mit
weiteren Signal-und/oder
Energieversorgungseinheiten eines übergeordneten Systems, z.B.
eines Kraftfahrzeugs verbunden sind.