DE102009009673A1 - Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle Download PDF

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1) umfasst wenigstens eine Brennstoffzelle (2), die einen Kathodenbereich (3) und einen Anodenbereich (4) aufweist. Das Brennstoffzellensystem (1) weist außerdem eine Austauschvorrichtung (12) auf, welche von einem zum Kathodenbereich (3) strömende Zuluftstrom einerseits und einem aus dem Kathodenbereich (3) stammenden Abluftstrom andererseits durchströmt ist. In der Austauschvorrichtung (12) wird Wärme vom Zuluftstrom auf den Abluftstrom und gleichzeitig Wasserdampf vom Abluftstrom auf den Zuluftstrom übertragen. Das Brennstoffzellensystem (1) weist außerdem einen Verdichter (6) auf, welcher zumindest unterstützend durch eine Turbine (16) antreibbar ist. Die Turbine (16) ist dabei stromabwärts der Austauschvorrichtung (12) angeordnet und von Abluft durchströmt. Außerdem ist stromaufwärts der Turbine (16) ein katalytisches Material angeordnet, welchem ein brennstoffhaltiges Gas zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist das katalytische Material (13) abluftseitig in die Austauschvorrichtung (12) integriert, wobei der Abluftseite der Austauschvorrichtung (12) ein Abgas aus dem Anodenbereich (4) zuführbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems ist es vorgesehen, dass als brennstoffhaltiges Gas ein zusätzlicher Brennstoff, insbesondere Wasserstoff zuführbar ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dabei zeigen:
  • 1 eine erste mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
  • 2 eine weitere alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102007003144 A1 [0002, 0002, 0026]
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Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, die einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich aufweist, mit einer Austauschvorrichtung, welche von einem zum Kathodenbereich strömenden Zuluftstrom einerseits und einem aus dem Kathodenbereich strömenden Abluftstrom andererseits durchströmt ist, und in welcher Wärme vom Zuluftstrom auf den Abluftstrom und gleichzeitig Wasserdampf von dem Abluftstrom auf den Zuluftstrom übergeht, mit einem Verdichter, welcher zumindest unterstützend durch eine Turbine antreibbar ist, welche von der Abluft stromabwärts der Austauschvorrichtung durchströmt ist, und mit einem katalytischen Material stromaufwärts der Turbine, welchem ein brennstoffhaltiges Gas zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytische Material (13) abluftseitig in der Austauschvorrichtung (12) angeordnet ist, wobei der Abluftseite der Austauschvorrichtung (12) ein Abgas aus dem Anodenbereich (4) zuführbar ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als brennstoffhaltiges Gas ein zusätzlicher Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zuführbar ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das katalytische Material (13) in Form einer Beschichtung in die Abluftseite der Austauschvorrichtung (12) eingebracht ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austauschvorrichtung (12) zumindest teilweise eine Wabenstruktur aufweist.
  5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austauschvorrichtung (12) im wesentlichen im Gegenstrom durchströmt ist, wobei das katalytische Material (13) abluftseitig in dem Bereich angeordnet ist, in dem die Abluft aus der Austauschvorrichtung (12) abströmt und in dem die Zuluft in die Austauschvorrichtung (12) einströmt.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenbereich (4) von Wasserstoff oder wasserstoffhaltigem Gas durchströmt ist, wobei der Ausgang des Anodenbereichs (4) mit dem abluftseitigen Eingang der Austauschvorrichtung (12) verbunden ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenbereich (4) aus mehreren hintereinander geschalteten Abschnitten besteht, deren aktive Fläche in Strömungsrichtung des Wasserstoffs oder des wasserstoffhaltigen Gases in dem Anodenbereich (4) jeweils kleiner ist als die aktive Fläche des vorangegangenen Abschnitts.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenbereich (4) von Wasserstoff durchströmt ist, wobei der Ausgang des Anodenbereichs (4) über eine Rezirkulationsleitung (9) und eine Fördereinrichtung (10) mit dem Eingang des Anodenbereichs (4) verbunden ist, wobei die Rezirkulationsleitung (9) über eine schaltbare Ventileinrichtung (11) mit dem abluftseitigen Eingang der Austauschvorrichtung (12) verbunden ist.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich mit dem katalytischen Material (13) gegenüber der Zuluftseite der Austauschvorrichtung (12) thermisch abgeschirmt ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (6) von einer elektrischen Maschine (17) antreibbar ist, wobei bei Leistungsüberschuss an der Turbine (16) die Turbine (16) die elektrische Maschine (17) generatorisch zur Erzeugung von elektrischer Leistung antreibt.
  11. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, in einem Fortbewegungsmittel zur Erzeugung von elektrischer Leistung für den Antrieb und/oder elektrische Nebenverbraucher des Fortbewegungsmittels.
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