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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer
Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher
definierten Art.
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Ein
gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem wird durch
die
DE 10 2007
003 144 A1 beschrieben. Das dortige Brennstoffzellensystem
umfasst eine Austauschvorrichtung, welche die beiden Funktionen „Kühlung” und „Befeuchtung” in
sich kombiniert. Diese in der dortigen Schrift als Funktionseinheit
bezeichnete Austauschvorrichtung lässt dabei einen Stoffstrom
von der Abluft der Brennstoffzelle zu der Zuluft zu der Brennstoffzelle
zu, während gleichermaßen ein Wärmeaustausch
von der durch eine Verdichtungsvorrichtung aufgeheizten Zuluft zu
der vergleichsweise kühlen Abluft erfolgt. Der Aufbau der
DE 10 2007 003 144
A1 zeigt dabei außerdem einen Aufbau, bei welchem
die Luftversorgung des Brennstoffzellensystems über einen
Verdichter realisiert wird, welcher von einer Turbine einerseits
und/oder einem Elektromotor andererseits angetrieben werden kann.
Dieser bei Brennstoffzellensystemen allgemein bekannte Aufbau wird
auch als elektrischer Turbolader bezeichnet und erlaubt den zumindest
unterstützenden Antrieb des Verdichters, und bei Leistungsüberschuss
der elektrischen Maschine als Generator, durch die Turbine.
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Außerdem
ist aus der
US2005/0019633
A1 ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenrezirkulationskreislauf
bekannt. Bei diesem System wird das von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf
abgelassene Abgas mit Abgas aus dem Bereich der Kathode, im allgemeinen
also Abluft, gemischt und in einem katalytischen Brenner verbrannt.
Bei der katalytischen Verbrennung der entfeuchteten Abluft und des
Abgases aus dem Anodenbereich entsteht eine entsprechende Wärmemenge,
welche genutzt werden kann, um den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems
aufzuheizen.
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Diese
Betriebsführung stellt für den Kaltstart eines
derartigen Brennstoffzellensystems sicherlich einen entsprechenden
Vorteil dar, für den regulären Betrieb ist es
jedoch sehr kritische diese Abwärme dem Kühlwasser
zuzuführen, da die beispielsweise beim Einsatz in einem
Fahrzeug zu Verfügung stehende Kühlfläche
eher nicht oder nur schlecht ausreicht, um die Brennstoffzelle ausreichend
zu kühlen. Außerdem wird bei dem Aufbau der
US 2005/0019633 A1 die
im Bereich des katalytischen Brenners entstehende Abwärme,
außer für den Kaltstartfall, nicht aktiv genutzt.
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Es
ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem
dahingehend zu verbessern, dass keine Wasserstoffemissionen an die
Umgebung gelangen, und dass das Brennstoffzellensystem mit einer
bestmöglichen Nutzung der zur Verfügung stehenden
Energie betrieben wird.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
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Durch
die Integration des katalytischen Materials in die Abluftseite der
Austauschvorrichtung wird ein zusätzliches Bauteil eingespart
und die Leitungsführung für das Abgas aus dem
Anodenbereich verkürzt. Dieser Aufbau ermöglicht
es nämlich, das Abgas unmittelbar in die Abluft nach dem
Kathodenbereich einströmen zu lassen, da dieses Gemisch aus
den Gasen dann gemeinsam in die Austauschvorrichtung gelangt, in
welcher im Bereich des katalytischen Materials der in dem Abgas
befindliche Restwasserstoff mit Restsauerstoff in der Abluft des Kathodenbereich
reagieren kann. Bei dieser Reaktion entstehen Wärme- und
Wasserdampf. Die Wärme ist hier besonders willkommen, da
sie zusätzlich zu dem Wärmeeintrag durch die nach
dem Verdichter sehr heiße Zuluft in der Austauschvorrichtung
zusätzliche Wärme in die Abluft einbringt, welche
aus der Austauschvorrichtung in Richtung der Turbine strömt.
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Der
Aufbau des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
erlaubt es somit, das wasserstoffhaltige Abgas aus dem Anodenbereich
zusammen mit Restsauerstoff in der Abluft aus dem Kathodenbereich
umzusetzen und somit eine Emission von Wasserstoff an die Umgebung
des Brennstoffzellensystems zu verhindern. Außerdem wird
durch die dabei entstehende Abwärme die Abluft nach der
Austauschvorrichtung deutlich heißer sein, als ohne das katalytische
Material in der Abluftseite der Austauschvorrichtung.
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Dadurch
kann erreicht werden, dass der Turbine zusätzliche Energie
zugeführt werden kann. Die aus der Umsetzung des wasserstoffhaltigen
Abgases entstehende Energie kann somit nutzbringend in dem Brennstoffzellensystem
verwendet werden, in dem diese den Antrieb der Turbine unterstützt.
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Gemäß einer
besonders günstigen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems
ist es vorgesehen, dass als brennstoffhaltiges Gas ein zusätzlicher Brennstoff,
insbesondere Wasserstoff zuführbar ist.
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Diese
Ausgestaltung erlaubt es, dass als brennstoffhaltiges Gas neben
dem Abgas aus dem Anodenbereich ein zusätzlicher Brennstoff
zugeführt wird. Prinzipiell könnte dieser Brennstoff
ein beliebiger Brennstoff sein. Wenn das Brennstoffzellensystem
jedoch mit Wasserstoff betrieben wird, und dieser Wasserstoff ohnehin
vorhanden ist, kann in idealer Weise dieser Wasserstoff als zusätzlicher
Brennstoff genutzt werden. Die Zufuhr des zusätzlichen Brennstoffs
zu der Austauschvorrichtung und damit zu dem katalytischen Material
in der Abluftseite der Austauschvorrichtung führt zu einer
erhöhten Umsetzung von Brennstoff mit dem Restsauerstoff
in der Abluft. Dies erzeugt zusätzliche Wärme,
welche die über die Turbine abrufbare Leistung dann deutlich
erhöht. Diese zusätzliche Energie kann dann zum
Antrieb des Verdichters genutzt werden.
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Gemäß einer
besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es
außerdem vorgesehen, dass der Verdichter von einer elektrischen
Maschine antreibbar ist, wobei bei Leistungsüberschuss
an der Turbine die Turbine die elektrische Maschine generatorisch
zur Erzeugung von elektrischer Leistung antreibt.
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Wird
nun bei dieser Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems mit einer
elektrischen Maschine in der oben genannten Art zusätzlicher
Brennstoff in den Bereich des katalytischen Materials auf der Abluftseite
der Austauschvorrichtung eingebracht, so kann durch die zusätzliche
entstehende Wärme auch direkt elektrische Energie erzeugt
werden, welche dann als zusätzliche elektrische Energie nicht
nur zum Antreiben des Verdichters sondern auch für weitere
elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Elektromotoren oder
dergleichen genutzt werden kann. Über die zusätzliche
Erzeugung von Abwärme kann also ein „Boost”-Betrieb
realisiert werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es
außerdem vorgesehen sein, dass der Bereich mit dem katalytischen
Material gegenüber der Zuluftseite der Austauschvorrichtung thermisch
abgeschirmt ist.
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Dies
kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die beiden Bereiche in
keinem oder nur einem indirekten thermischen Kontakt zueinander
stehen, beispielsweise in dem ein vergleichsweise schlecht wärmeleitendes
Material oder ein Luftspalt zwischen der Zuluftseite und der Abluftseite
der Austauschvorrichtung in diesem Bereich realisiert ist. Damit
kann vermieden werden, dass die im Bereich des katalytischen Materials
entstehende Abwärme, und hier insbesondere die beim Betrieb
mit zusätzlichem Brennstoff entstehende Wärme,
die Zuluft zu dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle unnötig
aufheizt.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem in allen
seinen dargelegten Varianten erlaubt somit einen einfachen, kompakten
und damit auch kostengünstigen Aufbau bei einer für
die Lebensdauer und den erzielbaren Wirkungsgrad idealen Ausgestaltung.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eignet
sich daher besonders gut zur Verwendung in einem Fortbewegungsmittel,
und hier zur Erzeugung von Leistung für den Antrieb und/oder
elektrische Nebenverbraucher in dem Fortbewegungsmittel. Dabei ist
unter einem Fortbewegungsmittel im Sinne der hier vorliegenden Erfindung
jede Art von Fortbewegungsmittel zu Lande, zu Wasser oder in der
Luft zu verstehen, wobei ein besonderes Augenmerk sicherlich in
der Nutzung derartiger Brennstoffzellensysteme für schienenlose
Kraftfahrzeuge liegt, ohne dass die Verwendung eines erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems hierauf eingeschränkt wäre.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen
und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend
unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
erste mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems; und
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2 eine
weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems.
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Die
Darstellung in den folgenden Figuren zeigt von dem an sich sehr
komplexen Brennstoffzellensystem lediglich die für das
Verständnis der hier vorliegenden Erfindung notwendigen
Bauteile in einer stark schematisierten Darstellung. Es sollte dabei für
das Brennstoffzellensystem selbstverständlich sein, dass
auch weitere Komponenten, wie beispielsweise ein Kühlkreislauf
und dergleichen in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sind, obwohl diese
in den nachfolgend dargestellten Figuren keine Berücksichtigung
finden.
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In 1 ist
nun ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 2 dargestellt.
Die Brennstoffzelle 2 soll dabei als in üblicher
Art und Weise aufgebaute Brennstoffzelle 2 aus einem Stapel
von Einzelzellen bestehen. In der Brennstoffzelle 2 ist
ein Kathodenbereich 3 und ein Anodenbereich 4 ausgebildet,
welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch
eine PE-Membran 5 voneinander getrennt sein sollen. In
dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird
dem Kathodenbereich 3 über einen Verdichter 6 ein
Zuluftstrom zugeführt. Der Verdichter 6 kann dabei
beispielsweise als Schraubenverdichter oder als Strömungsverdichter
ausgeführt sein, wie dies bei Brennstoffzellensystemen üblich ist.
Grundsätzlich sind jedoch auch andere Möglichkeiten
zum Verdichten des zugeführten Luftstroms, beispielsweise
durch eine Kolbenmaschine oder dergleichen, denkbar. Der dem Kathodenbereich 3 zugeführte
Zuluftstrom reagiert in der Brennstoffzelle 2 mit dem Anodenbereich 4 zugeführten
Wasserstoff zu Wasser, wobei elektrische Leistung frei wird. Dieses
an sich bekannte Prinzip der Brennstoffzelle 2 spielt für
die vorliegende Erfindung nur eine untergeordnete Rolle, weshalb
dies nicht näher erläutert werden soll.
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Dem
Anodenbereich 4 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
Wasserstoff aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 7,
beispielsweise einem Druckgasspeicher und/oder einem Hydridspeicher
zugeführt. Prinzipiell wäre es auch denkbar, die Brennstoffzelle 2 mit
einem wasserstoffhaltigen Gas zu versorgen, welches beispielsweise
aus kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen im Bereich des Brennstoffzellensystems
generiert wird.
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In
dem Ausführungsbeispiel der 1 wird der
Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 über
eine hier nur schematisch angedeutete Dosiervorrichtung 8 in
den Anodenbereich 4 geleitet. Das aus dem Anodenbereich 4 abströmende
Abgas, welches im Allgemeinen immer noch eine vergleichsweise große
Menge an Wasserstoff enthält, wird über eine Rezirkulationsleitung 9 sowie
eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10 in den
Anodenbereich 4 zurückgeführt. Im Bereich
dieser Rezirkulation wird dabei frischer aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 stammender
Wasserstoff zugeführt, so dass im Anodenbereich 4 immer
eine ausreichende Menge an Wasserstoff zur Verfügung steht.
Der Aufbau des Anodenbereichs 4 der Brennstoffzelle 2 mit
der Rezirkulationsleitung 9 und der Rezirkulationsfördereinrichtung 10 ist
an sich bekannt und üblich. Als Rezirkulationsfördereinrichtung 10 kann
dabei eine Gasstrahlpumpe zum Einsatz kommen, welche von dem frischen
aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 stammenden Wasserstoff
angetrieben wird. Alternativ dazu wäre auch ein Rezirkulationsgebläse
als Rezirkulationsfördereinrichtung 10 denkbar.
Selbstverständlich sind auch Kombinationen dieser verschiedenen
Fördereinrichtungen möglich, welche ebenfalls
unter die Definition der Rezirkulationsfördereinrichtung 10 gemäß der
hier vorliegenden Beschreibung fallen sollen. Außerdem
ist es beim Einsatz einer Rezirkulation von Anodenabgas bekannt,
dass sich im Bereich der Rezirkulationsleitung 9 mit der Zeit
inerte Gase, wie beispielsweise Stickstoff ansammeln, welche durch
die PE-Membran 5 hindurch von dem Kathodenbereich 3 in
den Anodenbereich 4 gelangen. Um in dem Anodenbereich 4 weiterhin eine
ausreichende Konzentration an Wasserstoff zur Verfügung
stellen zu können, ist es daher notwendig, das Abgas des
Anodenbereichs 4 in der Rezirkulationsleitung 9 von
Zeit zu Zeit abzulassen. Hierfür ist in dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ein Ablassventil 11 vorgesehen,
durch welches das Abgas aus dem Anodenbereich 4 von Zeit
zu Zeit abgeführt werden kann. Dieser Vorgang wird häufig
auch als „Purge” bezeichnet. Das Abgas enthält
dabei neben den inerten Gasen immer auch eine entsprechende Menge
an Restwasserstoff.
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Die
von dem Verdichter 6 zum Kathodenbereich 3 strömende
Zuluft durchströmt in dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 eine Austauschvorrichtung 12,
in welcher die Konditionierung der Zuluft erfolgt. Typischerweise
wird die Zuluft nach dem Verdichter 6 eine vergleichsweise
hohe Temperatur aufweisen. Da die Brennstoffzelle 2 und hier
insbesondere die PE-Membranen 5 der Brennstoffzelle 2 gegen
zu hohe Temperatur und zu trockene Gase sehr empfindlich reagieren,
wird die Zuluft in der Austauschvorrichtung 12 entsprechend
gekühlt und befeuchtet. Zur Kühlung und Befeuchtung
dient dabei der aus dem Kathodenbereich 3 kommende Abluftstrom.
Dieser strömt ebenfalls durch die Austauschvorrichtung 12.
Die Austauschvorrichtung 12 ist so aufgebaut, dass sie
die beiden Stoffströme der Zuluft und der Abluft grundsätzlich
voneinander trennt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass
einer der Stoffströme durch Hohlfasern strömt, während
der andere der Stoffströme die Hohlfasern umströmt.
Außerdem wäre es denkbar, die Austauschvorrichtung 12 in
der Art eines Plattenreaktors aufzubauen, bei dem die beiden Stoffströme
durch flächige Platten beziehungsweise Membranen voneinander
getrennt sind.
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Als
besonders günstig hat es sich erwiesen, die Austauschvorrichtung
12 in
Form eines Wabenkörpers aufzubauen, wie er beispielsweise
bei Abgaskatalysatoren von Kraftfahrzeugen üblich ist. Durch
eine entsprechende Ausgestaltung des Wabenkörpers kann
erreicht werden, dass der Zuluftstrom und der Abluftstrom in verschiedenen
benachbarten Kanälen des Wabenkörpers strömen.
Dabei ist grundsätzlich jede Art der Durchströmung
denkbar, beispielsweise eine Gleichstromführung oder eine
Kreuzstromführung der beiden Stoffströme. Als besonders
geeignet hat es sich jedoch herausgestellt, die Stoffströme
im Gegenstrom oder einer Strömungsführung mit
hohem Gegenstromanteil durch die Austauschvorrichtung
12 zu
führen. In der Austauschvorrichtung
12 kommt es
nun zu einem Wärmeaustausch von dem heißen Zuluftstrom
auf den kalten Abluftstrom des Kathodenbereichs
3. Durch eine
Gegenstromführung wird erreicht, dass der kühlste
Abluftstrom in wärmeleitendem Kontakt mit dem bereits am
stärksten abgekühlten Teil des Zuluftstroms steht,
während der bereits relativ stark aufgewärmte
Abluftstrom den noch sehr heißen Zuluftstrom beim Einströmen
in die Austauschvorrichtung
12 kühlt. Dadurch
wird eine sehr gute Abkühlung des Zuluftstroms erreicht.
Außerdem erlaubt das Material der Austauschvorrichtung,
beispielsweise temperaturbeständigen Membranen, porösen
Keramiken, Zeolithe oder dergleichen einen Durchtritt von Wasserdampf
aus dem sehr feuchten Abluftstrom des Kathodenbereichs
3,
welcher das in der Brennstoffzelle
2 entstehende Produktwasser
mit sich führt, in den Bereich des sehr trockenen Zuluftstroms
zum Kathodenbereich
3. Dadurch wird der Zuluftstrom entsprechend
befeuchtet, was sich positiv auf die Funktion und die Lebensdauer
der PE-Membranen
5 im Bereich der Brennstoffzelle
2 auswirkt.
Soweit der Aufbau und die Funktion der auch aus der eingangs bereits
genannten
DE 10
2007 003 144 A1 bekannten Austauschvorrichtung
12.
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In
dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die Austauschvorrichtung 12 zusätzlich
zu ihrem Aufbau gemäß dem Stand der Technik ein
katalytisches Material auf. Dieses katalytische Material, welches
in der Darstellung durch den Bereich 13 symbolisiert sein
soll, dient der Reaktion von Wasserstoff mit dem Sauerstoff in der
Zuluft. Der Wasserstoff stammt dabei aus der Rezirkulationsleitung 9 um
den Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2. Er
wird wie bereits erwähnt von Zeit zu Zeit über
das Ablassventil 11 abgelassen. Dieses wasserstoffhaltige
Abgas, welches auch als Purgegas bezeichnet wird, gelangt nun abluftseitig
in die Austauschvorrichtung 12. Das Abgas beziehungsweise
der in dem Abgas enthaltene Wasserstoff kann dort im Bereich des
katalytischen Materials 13 mit einem Teil des Restsauerstoffs
in der Abluft reagieren. Dabei entsteht Wärme und Wasser
in Form von Wasserdampf.
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Zusätzlich
kann es vorgesehen sein, dass der Austauschvorrichtung 12 abluftseitig
ein weiterer Brennstoff zugeführt wird. Bei in dem Brennstoffzellensystem 1 ohnehin
vorhandenem Wasserstoff könnte dies insbesondere Wasserstoff
sein. Es ist jedoch auch denkbar, einen Kohlenwasserstoff oder dergleichen
zuzuführen, falls dieser in dem Brennstoffzellensystem 1 verfügbar
wäre. Die Zufuhr des zusätzlichen Wasserstoffs
erfolgt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des
Brennstoffzellensystems 1 aus dem Bereich der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 über
eine Dosiereinrichtung 14 sowie ein entsprechendes Leitungselement 15.
Der optionale Wasserstoff kann wie auch das Abgas aus dem Anodenbereich 4,
entweder in die Zuleitung der Abluft vor der Austauschvorrichtung 12 eingebracht werden,
wie dies durch die 1 prinzipiell angedeutet ist.
Alternativ dazu wäre es selbstverständlich auch
denkbar, das Abgas und/oder den Wasserstoff direkt in die Austauschvorrichtung 12,
und hier insbesondere im Bereich des katalytischen Materials 13 einzubringen.
Der zusätzliche Wasserstoff kann nun genutzt werden, um
im Bereich des katalytischen Materials 13 zusätzliche
Wärme zu erzeugen. Um den Eintrag der erzeugten Wärme
aus dem Bereich des katalytischen Materials 13 in die Zuluft
zu dem Kathodenbereich 3 zu beschränken, kann
im Bereich des katalytischen Materials eine thermische Entkopplung zwischen
dem Abluftbereich und dem Zuluftbereich der Austauschvorrichtung 12 angeordnet
sein. Eine solche thermische Entkopplung kann beispielsweise durch
einen Luftspalt oder ein schlecht wärmeleitendes Material
realisiert werden. Es wäre auch denkbar, dass der Bereich
mit dem katalytischen Material 13 gegenüber dem
Zuluftbereich aus der Austauschvorrichtung 12 hervorsteht,
so dass die in die Austauschvorrichtung 12 zuströmende
Zuluft keinen direkten Kontakt mit dem Bereich des katalytischen Materials 13 auf
der Abluftseite erfährt.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 weist nun außerdem eine
Möglichkeit auf, die in der Abluft vorliegende Abwärme
und die in ihr enthaltene Druckenergie zu nutzen. Hierfür
durchströmt die Abluft nach der Austauschvorrichtung 12 eine
Turbine 16, in der sich insbesondere die in ihr enthaltene
Abwärme zu mechanischer Energie wandelt. Die Turbine 16 ist
dabei direkt oder mittelbar mit dem Verdichter 6 gekoppelt, so
dass die in der Turbine 16 anfallende Energie zum Betreiben
des Verdichters 6 genutzt werden kann. Da in den meisten
Betriebszuständen die über die Turbine 16 gelieferte
Energie nicht ausreichen wird, um den Verdichter 6 zu betreiben,
ist dieser zusätzlich mit einer elektrischen Maschine 17 gekoppelt. Über diese
elektrische Maschine 17 kann zusätzlich Antriebsenergie
für den Verdichter 6 bereitgestellt werden. Sollte
es in bestimmten Betriebszuständen zu einem Überschuss
an Leistung in der Turbine 16 kommen, so kann die Turbine 16 nicht
nur den Verdichter 6 antreiben, sondern treibt in diesem
Fall auch die elektrische Maschine 17 als Generator an. Die
dann von der elektrischen Maschine 17 erzeugte elektrische
Leistung kann in dem Brennstoffzellensystem 1 anderweitig
verwendet oder gespeichert werden. Auch dieser Aufbau eines sogenannten elektrischen
Turboladers ist aus dem Stand der Technik bei Brennstoffzellensystemen
an sich bekannt.
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Ein
besonderer Vorteil entsteht nun dadurch, dass über die
Turbine 16 die in der Abluft befindliche Abwärme
genutzt werden kann. Die bisher als eher problematisch empfundene
Erwärmung bei der katalytischen Reaktion von Abgas aus
dem Anodenbereich 4 mit Sauerstoff im kann mit diesem Aufbau nutzbringend
eingesetzt werden, da die auf die Abluft übertragene Wärme
nun in der Turbine 16 genutzt und zu mechanischer Energie
umgewandelt werden kann. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 erlaubt
somit durch die aktive Nutzung der im Bereich des katalytischen
Materials 13 entstehenden Abwärme eine nutzbringende
Anwendung derselben. Damit ist nicht mehr, wie beim Stand der Technik,
die Menge an Restwasserstoff aus thermischen Gründen beziehungsweise
Alterungsgründen oder aus systemtechnischen Gründen
eingeschränkt. Zwar ist es sinnvoll möglichst
viel Wasserstoff in der Brennstoffzelle 2 umzusetzen, der
Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 erlaubt es jedoch,
gegebenenfalls auch größere Mengen an Restwasserstoff
im Bereich des katalytischen Materials 13 in der Austauschvorrichtung 12 umzusetzen.
Dies ermöglicht überhaupt erst einen Verzicht
auf die Anodenrezirkulation. Auch kann durch die oben bereits erwähnte
optionale Zugabe von Brennstoff über die Dosiereinrichtung 14 und
das Leitungselement 15 nun ein gezieltes Betreiben der
Turbine 16 mittels der im Bereich des katalytischen Materials 13 entstehenden
Abwärme vorgenommen werden. Eine solcher Boostbetrieb kann
in bestimmten Betriebssituationen sehr sinnvoll sein. Ein Beispiel
für eine derartige Situation könnte es sein, dass
von der Brennstoffzelle 2 schlagartig eine erhöhte
Leistung abgefordert wird, welche eine entsprechend erhöhte
Leistung des Verdichters 6 zur Folge hat. In einem solchen
Fall könnte über eine Erhöhung der Abwärmemenge
in dem Abluftstrom eine größere Leistung an der
Turbine 16 bereitgestellt werden, welche zumindest aushilft,
die Leistungsanforderung des Verdichters 6 in dieser Situation
zu decken. Alternativ dazu kann über die Zugabe von optionalem
Brennstoff und den damit erfolgende Boost der Turbine 16 auch
direkt elektrisch Energie über die dann generatorisch betriebene
elektrischen Maschine 17 erzeugt werden. Die zusätzliche
elektrische Leistung kann beispielsweise einen sprunghaften Leistungsbedarf
im elektrischen ergänzend und/oder alternativ zu der eher
träge reagierenden Brennstoffzelle 2.
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Der
Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 1 könnte
außerdem über einen hier nicht dargestellten steuer-
oder regelbaren Bypass um die Austauschvorrichtung 12 herum
verfügen. Der Bypass könnte dabei sowohl zuluftseitig
als auch abluftseitig angeordnet sein. Er würde es erlauben,
einen Teil des Stoffstroms um die Austauschvorrichtung 12 herumzuführen,
um diesen dann im Falle der Zuluft oder anderweitig noch benötigter
Abluft nach der Austauschvorrichtung 12 wieder mit dem
ursprünglichen Stoffstrom zu mischen. Dadurch kann sehr
gezielt ein Befeuchtungsgrad eingestellt werden, oder es könnte
in Situationen, in denen keine Befeuchtung gewünscht ist,
eine solche vermieden werden. Da jedoch auch ein solcher Bypass
aus dem Stand der Technik bei Befeuchtern bekannt ist, soll hierauf
nicht näher eingegangen werden.
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In 2 ist
nun eine alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Dieselben
Bauteile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen und weisen
eine vergleichbare Funktionalität auf, wie die analogen
Bauteile in 1. Daher wird nachfolgend nur
auf die Unterschiede des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 2 gegenüber
dem bisher beschriebenen eingegangen. Das Brennstoffzellensystem 1 der 2 weist
im wesentlichen nur einen Unterschied gegenüber dem Brennstoffzellensystem 1 der 1 auf.
Dieser besteht darin, dass das Abgas aus dem Anodenbereich 4 nicht
im Kreislauf geführt wird, sondern dass dieses Abgas direkt
abluftseitig in die Austauschvorrichtung 12 einströmt.
Die Brennstoffzelle 2 wird in dem Ausführungsbeispiel
der 2 also nicht mit einem Anodenkreislauf betrieben,
sondern mit einer Anode, welche lediglich von Wasserstoff durchströmt
wird, wobei ein gewisser Überschuss an Wasserstoff als Abgas
aus dem Anodenbereich 4 wieder abströmt. Dieser
Aufbau, welcher aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt ist,
wird im Allgemeinen mit einer Aufteilung des Anodenbereichs in verschiedene
aktive Teilbereiche kombiniert, wobei die in Strömungsrichtung
des Wasserstoffs aufeinanderfolgenden Teilbereiche abnehmende aktive
Flächen aufweisen, so dass der verbleibende Wasserstoffstrom
weitestgehend umgesetzt werden kann, ohne ungenutzte aktive Fläche
vorhalten zu müssen. Bei der Verwendung eines solchen kaskadierten
Anodenbereichs 4 ist es bei der Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit
reinem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 dabei
möglich, mit einem sehr geringen Überschuss an
Wasserstoff von lediglich 3–5% zu fahren. Dieser Überschuss
an Wasserstoff wird dann als Abgas aus dem Anodenbereich 4 abgeführt
und gelangt abluftseitig in die Austauschvorrichtung 12 und
hier in den Bereich des katalytischen Materials 13. Es kommt
nun zu einer vergleichbaren Umsetzung des Wasserstoffs wie beim
Ausführungsbeispiel gemäß 1 bereits
beschrieben, mit allen Optionen, die dort bereits genannt wurden.
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Abschließend
soll noch angemerkt werden, dass auch das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Ausgestaltung
in 2 über weitere Komponenten verfügen
kann, welche allgemein bekannt und üblich sind. Beispielhaft
soll hier wieder ein Bypass um die Austauschvorrichtung 12 genannt
werden, welcher in analoger Art und Weise zu dem oben beschriebenen Aufbau
eingesetzt werden könne. Es kann außerdem ein
Wasserabscheider im Bereich zwischen der Austauschvorrichtung 12 und
der Turbine 16 in dem Abluftstrom vorgesehen werden, um
zu verhindern, dass flüssige Tröpfchen in den
Bereich der Turbine 16 gelangen und Komponenten derselben
gegebenenfalls schädigen können. Ansonsten lassen
sich die beiden Ausführungsformen selbstverständlich durch
einen einfachen Austausch von Teilen der beschriebenen Brennstoffzellensysteme
untereinander kombinieren. So wäre es beispielsweise denkbar
den Aufbau mit der Turbine 16 mit dem Aufbau der Rezirkulationsleitung 9 zu
kombinieren. Ebenso wäre es denkbar, in einem Brennstoffzellensystem 1,
wie es durch die 2 dargestellt ist, auf die Turbine 16 zu verzichten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007003144
A1 [0002, 0002, 0026]
- - US 2005/0019633 A1 [0003, 0004]