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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer
Brennstoffzelle.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Bereitstellung von Energie
an einem Brennstoffzellensystem.
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Ein
Brennstoffzellensystem weist interne Verbraucher auf. Deshalb muß beispielsweise
zur Inbetriebnahme oder Außerbetriebnahme
Energie bereitgestellt werden, um die Inbetriebnahme/Außerbetriebnahme
durchführen
zu können.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem
bereitzustellen, welches effektiv verwendbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß mindestens
ein Verbrennungsmotor vorgesehen ist, durch welchen thermische Energie
und/oder elektrische Energie und/oder mechanische Energie dem Brennstoffzellensystem
bereitstellbar ist.
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Durch
einen Verbrennungsmotor, der entsprechend klein ausbildbar ist,
läßt sich über die Wandlung
von chemischer Energie thermische Energie bereitstellen. Diese kann
beispielsweise dazu genutzt werden, aus einem Medium, bei dem es
sich auch um den gleichen Brennstoff wie für den Verbrennungsmotor handeln
kann, durch Reformierungsprozesse (einschließlich Crackprozessen) Wasserstoff
zu gewinnen. Weiterhin kann die durch einen Verbrennungsmotor bereitgestellte
mechanische Energie direkt genutzt werden, um beispielsweise eine
Pumpe oder einen Kompressor zu betreiben. Sie kann auch genutzt
werden, um über
einen Stromgenerator elektrische Energie zu erzeugen.
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Die
von dem Verbrennungsmotor erzeugte Energie muß nicht durch die Brennstoffzellen
des Brennstoffzellensystems geliefert werden. Dadurch ist eine Anpassung
bzw. Optimierung des oder der Brennstoffzellenblöcke des Brennstoffzellensystems an
die Erfordernisse eines externen Verbrauchers möglich, wobei die "eigenen Bedürfnisse" des Brennstoffzellensystems
zumindest partiell durch den mindestens einen Verbrennungsmotor
erfüllbar
sind.
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Beispielsweise
läßt sich
die Energie, die für einen
Luftverdichter, eine Reformereinrichtung oder eine Starterbatterie
benötigt
wird, mit dem Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors erzeugen und
damit von dem Brennstoffzellensystem selber abkoppeln. Es ist auch
möglich,
indem ein Verbrennungsmotor einer Reformereinrichtung thermische
Energie bereitstellt, diese auf einem idealen Betriebspunkt permanent
zu betreiben.
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Beispielsweise
ist ein elektrischer Generator (Stromgenerator) vorgesehen, welcher
durch den mindestens einen Verbrennungsmotor angetrieben ist. Dieser
elektrische Generator kann für
den Betrieb des Brennstoffzellensystems oder zur Inbetriebnahme
bzw. Außerbetriebnahme
elektrische Energie bereitstellen. Er kann auch einem Verbraucher
außerhalb
des Brennstoffzellensystems (externer Verbraucher) elektrische Energie
bereitstellen. Dies kann beispielsweise zur Notstromversorgung sinnvoll
sein bzw. zur Pufferung von Lastspitzen.
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Durch
den elektrischen Generator läßt sich die
elektrische Energie zur Inbetriebnahme und/oder Außerbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems und/oder zur Notstromversorgung des
Brennstoffzellensystems oder eines externen Verbrauchers bereitstellen,
wobei diese Energiebereitstellung mit dem Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors
erfolgen kann.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Reformereinrichtung zur
Bereitstellung von Wasserstoff an den mindestens einen Verbrennungsmotor gekoppelt
ist oder an dem Verbrennungsmotor gebildet ist. Zur Reformierung
von beispielsweise Kohlenwasserstoffen wird thermische Energie benötigt. Beim
Reformieren über
Cracken wird direkt thermische Energie benötigt. Diese thermische Energie
läßt sich
auf effektive Weise durch den Verbrennungsmotor bereitstellen. Mit
Hilfe des Verbrennungsmotors läßt sich
auch ein geschlossenes System zur Durchführung einer autothermen Reformierung
bilden, wobei die sonst auftretenden Verluste verringert sind, da es
in der Reformereinrichtung keine Mischreaktion zwischen dem zu reformierenden
Medium und dem Oxidator gibt.
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Günstigerweise
stellt der mindestens eine Verbrennungsmotor der Reformereinrichtung
thermische Energie und/oder mechanische Energie bereit. Beispielsweise
läßt sich
in Kolbenhubvorgängen
zu reformierendes Medium in ein Katalysatormodul einsaugen und Reformat
läßt sich
ausstoßen.
Dies kann die katalytische Reformierung (einschließlich des
katalytischen Crackens) von Kohlenwasserstoffen günstig beeinflussen.
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Vorteilhaft
ist es, wenn eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Wasserstoff
vorgesehen ist, wobei der Wasserstoff von der Reformereinrichtung
bereitgestellt ist. Wenn der Verbrennungsmotor zyklisch betrieben
wird (beispielsweise in einer Zweitakt-Arbeitsweise oder Viertakt-Arbeitsweise),
dann stellt eine Reformereinrichtung entsprechend zyklisch Wasserstoff
bereit. Durch die Speichereinrichtung läßt sich den Brennstoffzellen
kontinuierlich Wasserstoff bereitstellen; er dient als Puffer zu
der Reformereinrichtung. Weiterhin läßt sich überschüssiger Wasserstoff zwischenspeichern.
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Günstig ist
es, wenn ein Luftverdichter an den mindestens einen Verbrennungsmotor
gekoppelt ist oder an dem Verbrennungsmotor gebildet ist. Die durch
den Verbrennungsmotor bereitgestellte mechanische Energie läßt sich
dadurch effektiv nutzen, um komprimierte Luft bereitzustellen.
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Insbesondere
stellt der mechanische Verbrennungsmotor dem Luftverdichter mechanische Energie
bereit, um über
einen Kompressorbetrieb verdichtete Luft bereitzustellen, die dann
wiederum Kathoden von Brennstoffzellen zugeführt werden kann.
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Günstig ist
es, wenn eine Speichereinrichtung für komprimierte Luft vorgesehen
ist. Dadurch läßt sich
bei zyklischem Betrieb eines Luftverdichters Kathoden der Brennstoffzellen
kontinuierlich Luft zuführen;
die Speichereinrichtung kann als Puffer dienen.
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Günstig ist
es, wenn der mindestens eine Verbrennungsmotor einen Zylinder aufweist,
in welchem ein Brennraum gebildet ist. Dadurch läßt sich auf einfache Weise
mechanische Energie und thermische Energie im Verbrennungsmotor
erzeugen. Es ist dabei grundsätzlich
möglich,
daß der
Verbrennungsmotor eine Mehrzahl von Zylindern aufweist, die in Reihe
liegen. Dadurch läßt sich
auf einfache Weise mechanische Energie vom Verbrennungsmotor auskoppeln
und in entsprechende Anwendungen wie eine Reformereinrichtung und
einen Luftverdichter einkoppeln.
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Insbesondere
ist eine Reformereinrichtung an einem weiteren Zylinder gebildet.
An der Reformereinrichtung lassen sich Hube durchführen, um
einen Zylinderraum, in welchen zu reformierendes Medium einkoppelbar
ist, zyklisch zu vergrößern und
zu verkleinern. Dadurch kann unter Umständen die Reaktionskinetik beispielsweise
zum thermisch-katalytischen Cracken von Kohlenwasserstoffen verbessert werden.
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Insbesondere
weist der weitere Zylinder einen Einlaß für zu reformierendes Medium
und einen Auslaß für Wasserstoff
auf. Dadurch läßt sich
auf einfache Weise aus dem zu reformierenden Medium, beispielsweise
Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff erzeugen.
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Insbesondere
ist in dem Zylinder ein Kolben beweglich, welcher über den
Verbrennungsmotor angetrieben ist. Dadurch läßt sich auf einfache Weise eine
zyklische Vergrößerung und
Verkleinerung eines Zylinderraums der Reformereinrichtung erhalten.
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Günstig ist
es, wenn dem Kolben ein Katalysatormodul zugeordnet ist. Insbesondere
sitzt es fest in dem entsprechenden Zylinder, so daß über den Kolben
das zu reformierende Medium in das Katalysatormodul eingesaugt werden
kann und Reformat ausgepreßt
werden kann. Das Katalysatormodul weist beispielsweise eine offenporige
Struktur auf, so daß eine
große
Mediummenge mit Katalysatormaterial in Kontakt kommen kann.
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Ganz
besonders vorteilhaft ist es, wenn der weitere Zylinder für die Reformereinrichtung
und der Zylinder zu dem Brennraum benachbart sind. Dadurch läßt sich
auf effektive Weise thermische Energie von dem Zylinder mit dem
Brennraum auf die Reformereinrichtung übertragen.
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Bei
einer Ausführungsform
umgibt der weitere Zylinder für
die Reformereinrichtung den Zylinder mit dem Brennraum. Dadurch
ist eine große
Wärmeübergangsfläche bereitgestellt, über die
die Reformereinrichtung und insbesondere ein Katalysatormodul beheizbar
ist.
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Günstig ist
es, wenn der weitere Zylinder für die
Reformereinrichtung über
den Brennraum beheizt ist. Der Verbrennungsmotor bildet dadurch
eine direkte Wärmequelle
für die
Reformereinrichtung.
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Günstig ist
es, wenn ein weiterer Zylinder zur Ausbildung eines Luftverdichters
vorgesehen ist. Dieser ist insbesondere zu dem Zylinder mit dem Brennraum
in Reihe geschaltet. Dadurch läßt sich
auf einfache Weise, beispielsweise über ein Pleuel, ein Kolben
antreiben, um einen Luftkompressor auszubilden.
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Es
kann auch vorgesehen sein, daß ein
oder mehrere Verbraucher mechanischer Energie an eine Antriebseinrichtung
des mindestens einen Verbrennungsmotors gekoppelt sind. Dadurch
läßt sich
direkt mechanische Energie beispielsweise für eine Pumpe bereitstellen.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
läßt sich
auf vorteilhafte Weise in einem Fahrzeug verwenden. Der für den Betrieb
der Brennstoffzellen benötigte
Wasserstoff läßt sich
in situ am Brennstoffzellensystem bereitstellen, wobei sich eine entsprechende
Reformereinrichtung auf effektive Weise betreiben läßt. Es ist
dabei grundsätzlich
möglich,
daß derselbe
Brennstoff sowohl zum Betrieb des mindestens einen Verbrennungsmotors
als auch zur Herstellung von Wasserstoff verwendet wird.
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Insbesondere
läßt sich
das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
vorteilhaft in einem Luftfahrzeug wie einem Flugzeug einsetzen.
Es muß kein Wasserstoff
in einem entsprechend großen
Wasserstofftank bzw. in einer Mehrzahl von Wasserstofftanks mitgeführt werden,
sondern der Wasserstoff läßt sich
beispielsweise aus dem Flugzeugtreibstoff herstellen. Über den
mindestens einen Verbrennungsmotor läßt sich die entsprechende Reformereinrichtung
effektiv betreiben.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verbrennungsmotor zur Bereitstellung von thermischer Energie und/oder
mechanischer Energie und/oder elektrischer Energie an einem Brennstoffzellensystem
verwendet.
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Insbesondere
wird thermische Energie und/oder mechanische Energie an eine Reformereinrichtung
des Brennstoffzellensystems bereitgestellt, um das Brennstoffzellensystem
auf effektive Weise betreiben zu können.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bereitstellung
von Energie an ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, welches
auf einfache Weise durchführbar
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß ein
Verbrennungsmotor des Brennstoffzellensystems thermische Energie
und/oder mechanische Energie und/oder elektrische Energie bereitstellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
erläuterten
Vorteile auf.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
erläutert.
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Insbesondere
stellt der Verbrennungsmotor einer Reformereinrichtung thermische
Energie und/oder mechanische zur Herstellung von Wasserstoff bereit.
Der Verbrennungsmotor bildet eine Haupt-Wärmequelle für die Reformereinrichtung.
Dadurch läßt sich
die Reformereinrichtung auf effektive Weise betreiben. Ferner lassen
sich ein Brennstoffzellenblock bzw. Brennstoffzellenblöcke des
Brennstoffzellensystems auf effektive Weise betreiben.
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Günstig ist
es, wenn der Verbrennungsmotor einen elektrischen Generator antreibt,
welcher elektrische Energie bereitstellt. Diese elektrische Energie läßt sich
zur Inbetriebnahme und/oder Außerbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems verwenden. Es läßt sich eine Notstromversorung
realisieren, sowohl für
einen externen Verbraucher, wenn die Stromversorgung durch Brennstoffzellen
ausfallen sollte, als auch für
das Brennstoffzellensystem selber. Weiterhin lassen sich auch Lastspitzen
an einem externen Verbraucher abfangen.
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Günstig ist
es auch, wenn der Verbrennungsmotor einen Luftverdichter antreibt.
Die mechanische Energie, die der Verbrennungsmotor liefert, läßt sich dann
direkt dafür
nutzen, komprimierte Luft bereitzustellen.
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Es
kann auch vorgesehen sein, daß der
Verbrennungsmotor eine Auskopplungseinrichtung zur Auskopplung mechanischer
Energie antreibt. Durch die Auskopplungseinrichtung wird direkt
mechanische Energie bereitgestellt, um beispielsweise eine Pumpe
anzutreiben.
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
und
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2 eine
Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels
eines Verbrennungsmotors.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines Brennstoffzellensystems, welches in 1 gezeigt
und dort mit 10 bezeichnet ist, umfaßt einen Brennstoffzellenblock 12 (Brennstoffzellen-Stapel,
Brennstoffzellen-Stack) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 14.
Diese Brennstoffzellen 14 umfassen jeweils eine Anode und
eine Kathode. Die Gesamtheit der Anoden bildet eine Anodeneinrichtung 16 und
die Gesamtheit der Kathoden bildet eine Kathodeneinrichtung 18.
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Der
Anodeneinrichtung 16 ist ein Fluidverteiler 20 zugeordnet, über den
sich Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, der Anodeneinrichtung 16 und damit
den Anoden der Brennstoffzellen 14 zuführbar ist. Der Kathodeneinrichtung 18 ist
ein Fluidverteiler 22 zugeordnet, über den Oxidator insbesondere
in der Form von Luftsauerstoff der Kathodeneinrichtung 18 und
damit den Kathoden der Brennstoffzellen 14 zuführbar ist.
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Bei
den Brennstoffzellen 14 handelt es sich insbesondere um
Polymermembran-Brennstoffzellen (PMFC), bei welchen die jeweiligen
Kathoden und Anoden durch eine ionenleitende Polymermembran als
Elektrolyt getrennt sind.
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Es
ist beispielsweise auch möglich,
daß es sich
bei den Brennstoffzellen 14 um alkalische Brennstoffzellen
(AFC) oder Phosphorsäure-Brennstoffzellen
(PAFC) oder Karbonatschmelzen-Brennstoffzellen (MCFC) oder oxidkeramische
Brennstoffzellen (SOFC) handelt.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 umfaßt (mindestens) einen Verbrennungsmotor 24.
An dem Verbrennungsmotor 24 lassen sich Brennstoffe wie
Kohlenwasserstoffe verbrennen. Durch die Verbrennung läßt sich
chemische Energie in thermische Energie und gegebenenfalls mechanische
Energie und elektrische Energie wandeln. Die thermische Energie, mechanische
Energie und elektrische Energie wiederum lassen sich dem Brennstoffzellensystem 10 bereitstellen,
um dieses zu betreiben bzw. um dieses in Betrieb nehmen zu können oder
außer
Betrieb nehmen zu können.
Weiterhin läßt sich
eine elektrische Notstromversorgung für das Brennstoffzellensystem 10 und/oder
einen externen Verbraucher 26 bereitstellen. Im "Normalbetrieb" des Brennstoffzellensystems 10 stellt
dieses elektrische Energie dem externen Verbraucher 26 zur
Verfügung.
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Der
Verbrennungsmotor 24 umfaßt beispielsweise einen Zylinder 28,
in welchem ein Brennraum 30 gebildet ist. Dem Brennraum 30 ist
ein Einlaß 32 mit
einem Einlaßventil 34 zugeordnet. Über diesen
Einlaß ist
Brennstoff aus einem Brennstoffvorrat 36 oder ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch
in den Brennraum 30 einkoppelbar.
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Ferner
ist dem Brennraum 30 ein Auslaß 38 mit einem Auslaßventil 40 zugeordnet. Über diesen Auslaß 38 lassen
sich Verbrennungsabgase aus dem Brennraum 30 auskoppeln.
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Weiterhin
ist dem Brennraum 30 eine Zündeinrichtung 42 beispielsweise
in Form einer Zündkerze
zugeordnet, um ein Brennstoff-Oxidator-Gemisch in dem Brennraum 30 zünden zu
können.
Die Gemischbildung zur Erzeugung des Brennstoff-Oxidator-Gemischs
erfolgt außerhalb
der Brennraums 30 über
eine entsprechende Gemischbildungseinrichtung (in der Zeichnung
nicht gezeigt).
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Der
Verbrennungsmotor 24 ist beispielsweise als Hubkolbenmotor
ausgebildet mit einem Kolben 44, welcher in dem Brennraum 30 beweglich
angeordnet ist. Der Kolben 44 ist zwischen einem oberen Totpunkt
und einem unteren Totpunkt beweglich, wobei die Bewegung des Kolbens 44 über den
Impuls der bei der Verbrennung des Brennstoff-Oxidator-Gemischs
in dem Brennraum 30 entstehenden Verbrennungsgase angetrieben
ist.
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Der
Verbrennungsmotor 24 ist beispielsweise als Zweitakt-Motor
oder als Viertakt-Motor ausgebildet.
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Der
Kolben 44 treibt eine Antriebseinrichtung 46 an.
Dazu ist beispielsweise an dem Kolben 44 eine Pleuelstange 48 angeordnet,
welche an eine Kurbelwelle 50 gekoppelt ist, um diese rotatorisch
anzutreiben.
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Die
Antriebseinrichtung 46 ist in dem gezeigten Beispiel als
Kurbeltrieb ausgebildet. Es sind auch andere Arten von Antriebseinrichtungen
möglich. Beispielsweise
ist der Kolben 44 ein Freikolben.
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Der
Verbrennungsmotor 24 kann einen weiteren Zylinder 52 umfassen
bzw. der weitere Zylinder 52 ist außerhalb des Verbrennungsmotors 24 angeordnet,
jedoch diesem zugeordnet. In diesem Zylinder 52 ist ein
Kolben 54 beweglich, welcher an die Pleuelstange 48 gekoppelt
ist. Durch die Rotation der Pleuelstange 48 wird der Kolben 54 in
einer Linearbewegung in einem Zylinderraum 56 angetrieben. Der
Kolben 54 wird durch den Verbrennungsmotor 24 angetrieben,
d. h. der Verbrennungsmotor 24 stellt die mechanische Energie
zur Antriebsbewegung des Kolbens 54 bereit.
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An
dem Zylinderraum 56 ist ein Einlaß 58 mit einem Einlaßventil 60 angeordnet. Über das
Einlaßventil 60 läßt sich
ein Medium aus einem Vorrat 62 in den Zylinderraum 56 einkoppeln.
Bei dem Medium handelt es sich beispielsweise um einen Kohlenwasserstoff,
aus dem Wasserstoff extrahiert werden soll.
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Dem
Zylinderraum 56 ist ferner ein Auslaß 64 mit einem Auslaßventil 66 zugeordnet, über den Reformat
(mit hergestelltem Wasserstoff) dem Brennstoffzellenblock 12 zur
Verfügung
stellbar ist.
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An
dem Zylinder 52 ist eine Reformereinrichtung 68 gebildet, über die
Wasserstoff bereitstellbar ist.
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Es
ist grundsätzlich
möglich,
daß das
Medium zur Wasserstoffextraktion der gleiche Brennstoff ist, mit
welchem der Verbrennungsmotor 24 betrieben wird. Der Vorrat 62 kann
dann gleichzeitig der Brennstoffvorrat (entsprechend dem Brennstoffvorrat 36)
für den
Verbrennungsmotor 24 sein.
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Oberhalb
des oberen Totpunkts des Kolbens 54 sitzt in dem Zylinder 56 in
der Nähe
des Einlasses 54 und des Auslasses 64 ein Katalysatormodul 70 zur
Wasserstoffherstellung. Dieses Katalysatormodul 70 ist
offenkanalig bzw. offenporös
ausgebildet, um eine entsprechend große Oberfläche bereitzustellen, über die
das Medium in Kontakt mit Katalysatormaterial 72 kommen
kann. Durch die Kolbenhubbewegung kann zu reformierendes Medium
in das Katalysatormodul 70 eingesaugt werden und Reformat kann
ausgepreßt
werden.
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Der
Zylinder 52 der Reformereinrichtung 68 ist neben
und insbesondere in unmittelbarer Nachbarschaft des Brennraums 30 angeordnet,
so daß über den
Verbrennungsmotor 24 der Reformereinrichtung 68 thermische
Energie bereitstellbar ist. Insbesondere ist durch den Verbrennungsmotor 24 das Katalysatormodul 70 aufheizbar.
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In
der Reformereinrichtung 68 wird beispielsweise Kohlenwasserstoff
unter Zuführung
thermischer Energie (welche von dem Verbrennungsmotor 24 geliefert
wird) gecrackt. Bei diesem Cracken entsteht Wasserstoff. Es handelt
sich insbesondere um ein thermisch-katalytisches Cracken.
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Es
ist grundsätzlich
auch möglich,
daß beispielsweise
eine autotherme Reformierung des Mediums durchgeführt wird,
um Wasserstoff zu erzeugen.
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Der
Kolben 54 wird beispielsweise in Zweitakt-Arbeitsweise
betrieben. (Abhängig
von dem zu reformierenden Medium kann auch eine höhere Taktung
mit entsprechend erhöhter
Verweilzeit des Mediums im Zylinder sinnvoll sein.) Über den
Zylinder 52 mit dem Kolben 54 ist eine Pumpe zum
Ansaugen von Brennstoff und zum Ausstoßen von Wasserstoff (mit anderen
Reformierungsprodukten) über
den Auslaß 64 bereitgestellt.
Insbesondere wird bei der Einführung
von Brennstoff über
den Einlaß 58 der Kolben 54 in
einem oberen Totpunkt positioniert und dann in Richtung des unteren
Totpunkts bewegt. Bei dieser Bewegung vergrößert sich der Raum zwischen
dem Einlaß 58 und
dem Kolben 54 und zu reformierendes Medium wird in das
Katalysatormodul 70 eingesaugt. Dadurch läßt sich
die katalytische Reaktion an dem Katalysatormaterial 72 verbessern.
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Der
Kolben 54 wird dann von dem unteren Totpunkt in Richtung
des oberen Totpunkts bewegt, um insbesondere den hergestellten Wasserstoff
ausstoßen
zu können.
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Der
Auslaß 64 ist über eine
Leitung 74 an eine Speichereinrichtung 76 für Wasserstoff
gekoppelt. Über
diese Speichereinrichtung 76 wird der Anodeneinrichtung 16 des
Brennstoffzellenblocks 12 Wasserstoff bereitgestellt. Die
Speichereinrichtung 76 dient als Pufferspeicher, um eine
kontinuierliche Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellenblocks 12 zu
ermöglichen.
Ferner dient sie als Wasserstoff-Zwischenvorrat.
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Ein
weiterer Zylinder 78 ist an die Pleuelstange 48 gekoppelt.
Der Zylinder 78 umfaßt
einen Zylinderraum 80, in dem ein Kolben 82 beweglich
ist. Der Kolben 82 ist durch die Pleuelstange 48 und
damit durch den Verbrennungsmotor 24 angetrieben. Der Zylinder 78 kann
dabei Teil des Verbrennungsmotors 24 sein oder außerhalb
des Verbrennungsmotors 24 angeordnet sein.
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Dem
Zylinderraum 80 ist ein Einlaß 84 mit einem Einlaßventil 86 zugeordnet. Über diesen
Einlaß läßt sich
Luft in den Zylinderraum 80 einsaugen.
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Ferner
ist dem Zylinderraum 80 ein Auslaß 88 mit einem Auslaßventil 90 zugeordnet. Über diesen
Auslaß 88 läßt sich
komprimierte Luft dem Brennstoffzellenblock 12 bereitstellen.
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Über den
Zylinder 78 ist ein Luftverdichter 92 gebildet.
Der Luftverdichter 92 wird in Zweitakt-Arbeitsweise betrieben.
Insbesondere sind die Kolben 85 und 54 synchronisiert.
Wenn der Kolben 82 in einem oberen Totpunkt liegt, dann
wird das Einlaßventil 86 geöffnet und
Luft kann über
den Einlaß 84 angesaugt werden.
Der Kolben 82 bewegt sich vom oberen Totpunkt zum unteren
Totpunkt. Bei Erreichen des unteren Totpunkts wird das Auslaßventil 90 geschlossen.
Bei der Bewegung des Kolbens 82 vom unteren Totpunkt in den oberen
Totpunkt wird Luft komprimiert. Beim Öffnen des Auslaßventils 90 läßt sich
komprimierte Luft in eine Speichereinrichtung 94 fördern. Diese
bildet eine Quelle für
komprimierte Luft für
den Brennstoffzellenblock 12. Sie dient als Pufferspeicher,
um komprimierte Luft kontinuierlich der Kathodeneinrichtung 18 bereitstellen
zu können.
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Die
Zylinder 28, 52 und 78 liegen in einer Reihe.
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Es
kann vorgesehen sein, daß die
Antriebseinrichtung 46 (beispielsweise über die Pleuelstange 48)
an eine Auskopplungseinrichtung 96 für mechanische Energie gekoppelt
ist. An diese Auskopplungseinrichtung 96 läßt sich
ein interner Verbraucher des Brennstoffzellensystems 10 oder
auch ein externer Verbraucher für
mechanische Energie ankoppeln. Beispielsweise läßt sich an die Auskopplungseinrichtung 96 eine
Pumpe ankoppeln, die dann über
die Auskopplungseinrichtung 96 angetrieben wird.
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Die
Pleuelstange 48 ist ferner an einen elektrischen Generator
(Stromgenerator) 98 gekoppelt, welcher mechanische Energie
in elektrische Energie wandelt und dadurch elektrische Energie bereitstellt. Diese
elektrische Energie wird beispielsweise einer Steuerungs- und/oder
Regelungseinrichtung des Brennstoffzellensystems 10 bereitgestellt.
Beispielsweise wird diese elektrische Energie zur Inbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems 10 verwendet, wenn der Brennstoffzellenblock 12 noch
nicht genügend
elektrische Energie bereitstellt. Sie kann auch zur Außerbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems 10 verwendet werden, wenn der
Brennstoffzellenblock 12 nicht mehr ausreichende elektrische
Energie bereitstellt.
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Grundsätzlich ist
es auch möglich,
daß der elektrische
Generator 98 elektrische Energie für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 bereitstellt, so
daß eine
größere elektrische
Leistung durch den Brennstoffzellenblock 12 dem externen
Verbraucher 26 bereitstellbar ist. (Die vom Brennstoffzellenblock 12 dem
externen Verbraucher 26 bereitgestellte elektrische Energie
ist in 1 durch den Pfeil mit dem Bezugszeichen 102 angedeutet.)
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Es
ist auch möglich,
daß der
elektrische Generator 98 für den externen Verbraucher 26 eine
Notstromeinrichtung ist, wenn der Brennstoffzellenblock 12 keine
ausreichende elektrische Energie bereitstellt. Auf die gleiche Weise
ist es möglich,
daß der elektrische
Generator 98 eine Notstromeinrichtung für das Brennstoffzellensystem 10 ist.
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Es
ist auch möglich,
daß ein
elektrischer Generator integral an dem Verbrennungsmotor
24 gebildet
ist, indem beispielsweise der Verbrennungsmotor
24 als
Freikolbenmotor ausgebildet ist, an welchem ein Lineargenerator
angeordnet ist. Beispiele einer solchen Freikolbenvorrichtung mit
elektrischem Lineartrieb sind in der
EP 1 398 863 A1 und der WO 03/091556 A1 offenbart.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Verbrennungsmotors, welches in 2 gezeigt
und dort mit 104 bezeichnet ist, umfaßt einen inneren Zylinder 106 mit
einem Zylinderraum 108. In dem Zylinderraum 108 ist
ein Brennraum gebildet. Der innere Zylinder 106 ist von
einem äußeren Zylinder 110 mit
einem Zylinderraum 112, welcher einen ringförmigen Querschnitt
aufweist, umgeben.
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In
dem Zylinderraum 108 des inneren Zylinders 106 ist
ein Kolben 114 geführt,
welcher durch bei der Verbrennung von Brennstoff mit Oxidator entstehenden
Gasen angetrieben ist.
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Dem
Zylinderraum 112 ist ein Einlaß 116 für Brennstoff
zugeordnet. An dem Einlaß 116 sitzt
ein Einlaßventil 118.
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Ferner
ist dem Zylinderraum 108 ein Auslaß 120 zugeordnet,
an dem ein Auslaßventil 122 angeordnet
ist. Über
den Auslaß 120 sind
Abgase der Verbrennung abführbar.
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Der
Kolben 114 ist beispielsweise über eine Pleuelstange 124 an
eine Kurbelwelle 126 gekoppelt.
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In
dem ringförmigen
Zylinderraum 112, welcher zwischen einer Zylinderwand des äußeren Zylinders 110 und
einer äußeren Zylinderwand
des inneren Zylinders 106 gebildet ist, ist ein Ringkolben 128 geführt. Dem
Ringkolben 128 ist ein beispielsweise Katalysatormodul 130 zugeordnet,
welches fest in dem Zylinderraum 112 oberhalb des oberen Totpunkts
des Ringkolbens 128 sitzt. Dadurch ist eine Reformereinrichtung 132 gebildet.
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Dem
Zylinderraum 112 ist ein Einlaß 134 mit einem Einlaßventil 136 zugeordnet. Über diesen
Einlaß läßt sich
zu reformierendes Medium, aus welchem Wasserstoff extrahiert werden
soll, in den Zylinderraum 112 einkoppeln.
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Ferner
ist dem Zylinderraum 112 ein Auslaß 138 mit einem Auslaßventil 140 zugeordnet.
Erzeugter Wasserstoff läßt sich über den
Auslaß abführen.
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Der
Kolben 114 wird durch die Verbrennungsvorgänge in dem
Brennraum angetrieben und bringt dadurch die Kurbelwelle 126 zur
Rotation, d. h. er stellt mechanische Energie bereit. Diese mechanische
Energie ist durch den Kolben 114, welcher über eine
oder mehrere Pleuelstangen 142 an die Kurbelwelle 126 gekoppelt
ist, "abrufbar", d. h. der Kolben 128 kann
Energie aus der Kurbelwelle 126 aufnehmen. Dadurch läßt er sich
zwischen einem oberen Totpunkt und einem unteren Totpunkt bewegen.
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Da
der Zylinderraum 112 den Zylinderraum 108 umgibt,
läßt sich
thermische Energie effektiv von dem inneren Zylinder 106 auf
das Katalysatormodul 130 übertragen. Dadurch wird die
notwendige thermische Energie für
Reformierungsprozesse wie katalytische Crackprozesse beispielsweise
von Kohlenwasserstoffen bereitgestellt bzw. es wird die thermische
Energie insbesondere für
eine Vorwärmstufe
für einen
autothermen Reformerprozeß bereitgestellt.
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An
die Pleuelstange 126 kann auch ein Luftverdichter 144 gekoppelt
sein, welcher grundsätzlich gleich
ausgebildet ist wie der Luftverdichter 92.
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Weiterhin
kann ein elektrischer Generator 146 an den Verbrennungsmotor 104 gekoppelt
sein.
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Der
Verbrennungsmotor 24 bzw. 104 ist Teil des Brennstoffzellensystems 10.
Er liefert mechanische Energie und/oder thermische Energie und/oder elektrische
Energie, welche für
den Betrieb des Brennstoffzellensystems, für die Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems 10 und/oder
für die
Außerbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems 10 notwendig sein kann. Ferner
läßt sich
einem externen Verbraucher oder auch dem Brennstoffzellensystem 10 elektrische
Energie bereitstellen, wenn aus irgendwelchen Gründen der Brennstoffzellenblock 12 nicht
oder nicht ausreichend elektrische Energie erzeugen sollte.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 bildet ein geschlossenes System.
Der Wasserstoff, welcher zum Betrieb des Brennstoffzellenblocks 12 nötig ist,
wird in situ am Brennstoffzellensystem 10 durch die Reformereinrichtung 68 bzw. 132 erzeugt.
In Tanks 36 oder 62 wird Brennstoff wie beispielsweise
Kohlenwasserstoffe gespeichert, wobei diese Speicherung unkritischer
ist als die Speicherung größerer Mengen
an Wasserstoff.
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Dadurch
läßt sich
das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 auf
vorteilhafte Weise in einem Fahrzeug wie beispielsweise einem Luftfahrzeug
wie einem Flugzeug einsetzen. Beispielsweise kann der Wasserstoff
aus dem Fahrzeugbrennstoff hergestellt werden. Zur Wasserstoffbereitstellung wird
dabei insbesondere die durch den Verbrennungsmotor 24 bzw. 104 bereitgestellte
thermische Energie genutzt; sie stellt die Wärmequelle für die Reformereinrichtung 68 bzw. 102 dar.
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Die
Energie, die durch den Verbrennungsmotor 24 bzw. 104 bereitgestellt
wird, muß nicht
mehr durch den Brennstoffzellenblock 12 bereitgestellt werden.
Dadurch ist es möglich,
eine optimierte Anpassung an den externen Verbraucher 26 bezüglich der
elektrischen Energieabgabe und dem Wirkungsgrad zu erhalten bzw.
eine solche Steuerung oder Regelung der Brennstoffzellen 14 durchzuführen, daß eine optimierte
Energieabgabe an den externen Verbraucher 26 erreicht ist.
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Das
Brennstoffzellensystem läßt sich
auch auf vorteilhafte Weise für
stationäre
Anwendungen einsetzen.
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Wenn
einzelne Komponenten eines Brennstoffzellensystems mit Energie versorgt
werden müssen,
die ein Brennstoffzellenblock des Brennstoffzellensystems bereitstellt,
dann muß das
Gesamtsystem für
eine entsprechend höhere
Leistung ausgelegt werden, als es den Anforderungen eines externen
Verbrauchers entspricht. Beispielsweise liegt der Wirkungsgrad eines über eine
Reformereinrichtung betriebenen Brennstoffzellensystems in der Größenordnung
von ca. 20 %. Die Energie für
Luftverdichter, Reformereinrichtung und Starterbatterie werden entsprechend
diesem Wirkungsgrad durch das Brennstoffzellensystem erzeugt. Wenn
mindestens ein Teil der benötigten
Energie durch den Verbrennungsmotor 24 bzw. 104 erzeugt
wird, dann läßt sich
für diese Energieerzeugung
ein höherer
Wirkungsgrad erreichen. Außerdem
läßt sich
die Reformereinrichtung 68 bzw. 132 in einem idealen
Arbeitspunkt betreiben. (Beim Betrieb einer Reformereinrichtung
in Teillast verringert sich üblicherweise
die Effektivität,
wodurch die Qualität
des erzeugten Reformats beeinträchtigt wird;
insbesondere ist der CO-Gehalt im Reformat erhöht.) Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 lassen
sich die Reformereinrichtung 68 und der Luftverdichter
bezüglich
ihrer Leistungen direkt koppeln. Es lassen sich auch Lastspitzen
des externen Verbrauchers 26 abfangen (der elektrische Generator 98 kann
zur Lieferung elektrischer Energie beitragen). Weiterhin läßt sich
eine Notstromversorgungseinrichtung bereitstellen.