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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug,
insbesondere für einen LKW oder Truck, mit einem Nachbrenner,
der dazu ausgelegt ist, in einem Normalbetrieb in einem Abgas einer
oder mehrerer Brennstoffzellen vorhandenen Brennstoff vollständig
zu oxidieren.
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Weiterhin
bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung eines Brennstoffzellensystems
für ein Fahrzeug, insbesondere für einen LKW oder
Truck, mit einem Nachbrenner, der dazu betrieben wird, in einem
Normalbetrieb in einem Abgas einer oder mehrerer Brennstoffzellen
vorhandenen Brennstoff vollständig zu oxidieren.
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Beispielsweise
sind aus der
DE
10 2006 032 471 A1 ein gattungsgemäßes
Brennstoffzellensystem sowie eine gattungsgemäße
Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems bekannt. Das in
der
DE 10 2006
032 471 A1 beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst
in an sich bekannter Weise zumindest einen Reformer, einen Brennstoffzellenstapel
sowie einen Nachbrenner. Dabei ist insbesondere der Nachbrenner
derart ausgebildet, dass diesem über eine separate dem
Nachbrenner zugeordnete Brennstoffzuführung Brennstoff
zuführbar ist. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem
beispielsweise so betrieben werden, dass eine zusätzliche
thermische Leistung im Nachbrenner unabhängig von der Stromerzeugung
des Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt wird,
beispielsweise für Heizzwecke.
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Insbesondere
in Klimazonen, wie beispielsweise in Sibirien, mit extrem kalten
Wintern, bei den insbesondere Temperaturen zwischen –70
und –50°C herrschen können, kann in zumindest
einigen Fällen eine Nutzung der von dem Nachbrenner zur Verfügung
gestellten thermischen Leistung zu Heizzwecken sinnvoll sein. Der
aus der
DE 10
2006 032 471 A1 bekannte Nachbrenner ist jedoch für
derart extreme Umgebungsbedingungen ungeeignet.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen
Brennstoffzellensysteme und die gattungsgemäßen
Verwendungen solcher Brennstoffzellensysteme derart weiterzubilden, dass
die von dem Nachbrenner zur Verfügung gestellte thermische
Leistung auch unter extremen Umgebungsbedingungen sinnvoll genutzt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche
gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen Ansprüchen.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem baut auf
dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch
auf, dass der Nachbrenner weiterhin dazu ausgelegt ist, zusätzlichen
Brennstoff zumindest teilweise zu oxidieren, um einen Verbrennungsmotor
des Fahrzeugs zumindest zeitweise vorzuwärmen und/oder
dem Verbrennungsmotor Wärmeenergie permanent zuzuführen,
um einen Verbrennungsmotorstart zu gewährleisten. Beispielsweise
kann der Nachbrenner so überdimensioniert werden, dass
er auch bei äußerst tiefen Temperaturen eine thermische
Leistung zur Verfügung stellen kann, die ausreichend ist,
um eine Temperatur des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs, insbesondere
auch des Kühlsystems des Verbrennungsmotors wie dem Kühlkreis beziehungsweise
des Kühlwassers des Kühlkreises, auf einer Temperatur
von beispielsweise 0°C zu halten. Dadurch kann ein Einfrieren
von für den Betrieb des Verbrennungsmotors erforderlichen
Komponenten auch bei extrem tiefen Temperaturen verhindert und ein
Verbrennungsmotorstart sichergestellt werden. Insbesondere wird
durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
der Brennstoffverbrauch gesenkt, denn üblicherweise ist
es in Klimazonen mit diesen extrem niedrigen Umgebungstemperaturen erforderlich,
den Verbrennungsmotor permanent laufen zu lassen, da bei eine Abschaltung
des Verbrennungsmotors das erhöhte Risiko bestehen würde, dass
der Verbrennungsmotor nicht mehr angelassen werden kann. Daher wird
insbeson dere die Schadstoffemission verringert und eine unnötige
Lärmbelastung durch den laufenden Verbrennungsmotor vermieden.
Selbstverständlich kann die thermische Leistung des Nachbrenners
auch genutzt werden, um den Verbrennungsmotor und einer Ladung des LKWs
und/oder einer Kabine des LKWs permanent Wärmeenergie zuzuführen.
Zusätzlich kann die thermische Leistung des Nachbrenners
dazu verwendet werden, eine den Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems
zuzuführenden Kathodenluft zu erhitzten; beispielsweise
kann die den Brennstoffzellen zuzuführende Kathodenluft
vor Erreichen der Brennstoffzellen beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels zunächst
einen Wärmeübertrager durchströmen, über
den die Kathodenluft mit dem Nachbrenner in einer wärmeübertragenden
Beziehung steht. Dadurch kann eine effiziente Kathodenluftvorwärmung
erzielt werden. Die durch das Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische
Energie kann dabei unter anderem insbesondere zum Betreiben eines
Fernsehers, eines Handysenders, einer elektrischen Schiebetür, eines
Eisbereiters und/oder eines Getränkekühlers verwendet
werden.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in
vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass der Nachbrenner
dazu ausgelegt ist, eine thermische Leistung zwischen 5 kW und 15
kW, vorzugsweise zwischen 7 kW und 12 kW, noch bevorzugter zwischen
9 kW und 10 kW, insbesondere 9 kW oder 10 kW, zu erzielen. Beispielsweise
ist es besonders vorteilhaft, wenn der Nachbrenner dazu ausgelegt
ist, ein thermische Leistung von 9 kW bei Umgebungstemperaturen
von etwa –50°C zur Verfügung zu stellen,
um den Verbrennungsmotor sowie dem Verbrennungsmotor zugeordnete
Komponenten, die für dessen Betrieb erforderlich sind,
auf einer Temperatur von 0°C zu halten.
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Weiterhin
kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
derart realisiert werden, dass der Nachbrenner eine Brennstoffzuführeinrichtung zur
Zuführung des zusätzlichen Brennstoffs umfasst. Um
die entsprechenden thermischen Leistungen zur Verfügung
stellen zu können, kann dem Nachbrenner zusätzlicher
Brennstoff zugeführt werden, wobei eine separate Brennstoffzuführeinrichtung
für den Nachbrenner eine leicht konstruktiv umsetzbare
Lösung darstellt.
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Alternativ
kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
so ausgebildet werden, dass die Brennstoffzellen dazu ausgelegt
sind, dem Nachbrenner den zusätzlichen Brennstoff zuzuführen.
Dadurch kann beispielsweise auf die vorgenannte separate Brennstoffzuführeinrichtung
des Nachbrenners verzichtet werden. Insbesondere kann den Brennstoffzellen
gezielt ein gewisser Überschuss an Reformat zugeführt
werden, so dass dadurch vorhandener zusätzlicher Brennstoff
auch nach Durchströmen des Brennstoffzellenstapels den
Nachbrenner erreicht. Dabei ist der Überschuss des Reformats
so bemessen, dass der Nachbrenner die entsprechende notwendige zum
Verhindern des "Einfrierens" des Verbrennungsmotors erforderliche
thermische Energie zur Verfügung stellen kann.
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Vorzugsweise
wird das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
derart verwirklicht, dass die Brennstoffzellen als Hochtemperatur-Brennstoffzellen,
insbesondere SOFC-Brennstoffzellen, ausgebildet sind. Insbesondere
eignen sich in diesem Zusammenhang Hochtemperatur-Brennstoffzellen wie SOFC-Brennstoffzellen
bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem,
da somit die thermische Energie der Abgase der Brennstoffzellen über
den Nachbrenner zur zumindest zeitweisen Vorwärmung des
Verbrennungsmotors und/oder zur permanenten Wärmeenergieversorgung
des Verbrennungsmotors genutzt werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung eines Brennstoffzellensystems
baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik
dadurch auf, dass der Nachbrenner weiterhin dazu betrieben wird,
zusätzlichen Brennstoff zumindest teilweise zu oxidieren,
um einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zumindest zeitweise vorzuwärmen
und/oder dem Verbrennungsmotor Wärmeenergie permanent zuzuführen, um
einen Verbrennungsmotorstart zu gewährleisten. Dadurch
ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystem erläuterten Eigenschaften und Vorteile
auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung
von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im
Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
verwiesen wird. Darüber hinaus können sämtliche
vorgenannte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems auch im Rahmen der erfindungsgemäßen
Verwendung des Brennstoffzellensystems Anwendung finden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
stark schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems, das zur erfindungsgemäßen
Verwendung geeignet ist.
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1 zeigt
eine stark schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems 10, das zur erfindungsgemäßen
Verwendung geeignet ist. Das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel
in einem LKW oder Truck vorgesehen und umfasst einen nicht näher
interessierenden dem Fachmann bekannten Reformer 16, der
eine Oxidationsmittelzuführung 12 zur Oxidationsmittelzufuhr,
wie beispielsweise Luft, und eine Brennstoffzuführung 14 zur
Brennstoffzufuhr, beispielsweise Diesel, umfasst. Dadurch kann durch
den Reformer 16 ein wasserstoffreiches Synthesegas beziehungsweise
ein Reformat auf dem Fachmann bekannte Weise erzeugt werden. Das
Reformat ist in diesem Fall einem Brennstoffzellenstapel 18,
insbesondere einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 18,
zuführbar. Einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 18 wird
Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, über eine nicht
dargestellte Oxidationsmittelzuführung zugeführt,
so dass der Brennstoffzellenstapel 18 elektrische Energie
zur Verfügung stellen kann. Vorzugsweise ist der Kathodenseite
des Brennstoffzellenstapels 18 bereits vorgewärmte
Luft beziehungsweise Kathodenluft zuführbar. In diesem
Ausführungsbeispiel umfasst der Brennstoffzellenstapel 18 mehrere in
Reihe geschaltete Hochtemperatur-Brennstoffzellen, insbesondere
SOFC-Brennstoffzellen, durch die die elektrische Energie zur Verfügung
gestellt wird.
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Dem
Brennstoffzellenstapel 18 nachgeschaltet ist ein Nachbrenner 20,
der dazu ausgelegt ist, in einem Normalbetrieb in einem Abgas des
Brennstoffzellenstapels 18, insbesondere einem Abgas der
Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 18, vorhandenen
Brennstoff vollständig zu oxidieren. Unter Normalbetrieb
ist im Rahmen dieser Offenbarung zumindest jene Betriebsweise des
Nachbrenners zu verstehen, bei der der Brennstoffzellenstapel 18 zur
Erzeugung elektrischer Energie betrieben wird und dem Nachbrenner 20 in
dem Anodengas enthaltener Restbrennstoff zugeführt wird.
Der Nachbrenner 20 ist weiterhin dazu ausgelegt, ihm zusätzlich
zugeführten Brennstoff zumindest teilweise zu oxidieren, vorzugsweise
vollständig zu oxidieren, um einen Verbrennungsmotor 32 sowie
für den Betrieb des Verbrennungsmotors erforderliche Komponenten
wie dessen Kühlkreis zumindest zeitweise vorzuwärmen und/oder
dem Verbrennungsmotor 32 Wärmeenergie permanent
zuzuführen, um einen Verbrennungsmotorstart auch bei extrem
kalten Umgebungsbedingungen, beispielsweise bei Umgebungstemperaturen zwischen –70
und –50°C, zu gewährleisten. Zu diesem
Zweck umfasst der Nachbrenner 20 eine eigene dem Nachbrenner 20 zugeordnete
Brennstoffzuführeinrichtung 22, über
die dem Nachbrenner 20 der zusätzliche Brennstoff
zuführbar ist. Um den Verbrennungsmotorstart gewährleisten
zu können, ist der Nachbrenner 20 vorzugsweise
dazu ausgelegt ist, eine thermische Leistung zwischen 5 kW und 15
kW, vorzugsweise zwischen 7 kW und 12 kW, noch bevorzugter zwischen
9 kW und 10 kW, insbesondere 9 kW oder 10 kW, zu erzielen. Insbesondere
stellt der Nachbrenner 20 dem Verbrennungsmotor 32 die thermische
Leistung zum zumindest zeitweisen Vorzuwärmen für
eine vorbestimmte Zeitspanne oder permanent zur Verfügung.
Zusätz lich kann die thermische Leistung des Nachbrenners 20 auch
dazu verwendet werden, die dem Brennstoffzellenstapel 18 zuzuführende
Kathodenluft vorzuwärmen; beispielsweise dadurch, dass
die Kathodenluft vor Erreichen des Brennstoffzellenstapels 18 einen
Wärmeübertrager durchströmt, über
den die Kathodenluft mit dem Nachbrenner 20 in einer wärmeübertragenden Beziehung
steht.
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Alternativ
kann auch vorgesehen sein, dass dem Nachbrenner 20 der
zusätzliche Brennstoff über den Brennstoffzellenstapel 18,
insbesondere von der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 18,
zuführbar ist. Beispielsweise ist dem Brennstoffzellenstapel 18 ein
gewisser Überschuss an Reformat zuführbar, der
somit nicht zur Erzeugung von elektrischer Energie in dem Brennstoffzellenstapel
verbraucht wird und dadurch dem Nachbrenner 20 als zusätzlicher Brennstoff
zuführbar ist.
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Durch
diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10 kann
dieses somit dazu verwendet werden, den Nachbrenner 20 derart
zu betreiben, dass dieser in dem vorstehen erläuterten
Normalbetrieb in dem Abgas des Brennstoffzellenstapels 18 vorhandenen
Brennstoff vollständig oxidiert und den zusätzlichen
Brennstoff zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig,
oxidiert, um einen Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zumindest zeitweise
vorzuwärmen und/oder, dem Verbrennungsmotor Wärmeenergie
permanent zuzuführen, um einen Verbrennungsmotorstart in
jedem Fall auch bei extrem tiefen Umgebungstemperaturen zu gewährleisten.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die
Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 12
- Oxidationsmittelzuführung
- 14
- Brennstoffzuführung
- 16
- Reformer
- 18
- Brennstoffzellenstapel
- 20
- Nachbrenner
- 22
- Brennstoffzuführeinrichtung
- 24
- Wärmeübertrager
- 26
- Wärmekreis
- 28
- Pumpe
- 30
- Fahrzeugkühlkreis
- 32
- Fahrzeugverbrennungsmotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006032471
A1 [0003, 0003, 0004]