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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere
für die
Verwendung in einem Kraftfahrzeug oder auch für stationäre Anwendungen, z. B. als zusätzliche
Versorgung mit Strom und Wärme
beispielsweise in Haushalten oder industriellen Bereichen. Ferner
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines
derartigen Brennstoffzellensystems.
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Ein
Brennstoffzellensystem, das in einem Kraftfahrzeug als einzige oder
als zusätzliche
elektrische Energieversorgung angeordnet sein kann, umfasst üblicherweise
eine Brennstoffzelle, die in der Regel durch einen Stapel einzelner
Brennstoffzellenelemente gebildet ist und die zur Generierung von elektrischem
Strom ein Anodengas mit einem Kathodengas umsetzt bzw. verstromt.
Der Brennstoffzelle kann ein Restgasbrenner nachgeordnet sein, der
die Abgase der Brennstoffzelle, also Anodenabgas und Kathodenabgas
umsetzt, wobei Brennerabgas entsteht. Zur Generierung eines Reformatgases,
das der Brennstoffzelle als Anodengas zuführbar ist, kann das Brennstoffzellensystem
außerdem
mit einem Reformer ausgestattet sein. Im Nennbetriebszustand arbeitet
die Brennstoffzelle exotherm. Ebenso arbeitet der Reformer, wenn
er mit partieller katalytischer Oxidation des Brennstoffs arbeitet,
im Nennbetrieb exotherm.
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Während eines
Kaltstarts des Brennstoffzellensystems, bei dem die einzelnen Komponenten aus
der Umgebungstemperatur hochgefahren werden, muss der Brennstoffzelle
Wärme zugeführt werden,
damit sie ihre Betriebstemperatur erreicht. Ebenso muss einem mit
einem Katalysator arbeitenden Reformer Wärme zugeführt werden, damit dieser seine
Betriebstemperatur erreicht. Während
dieses Startvorgangs besitzt das Brennstoffzellensystem einen schlechten
energetischen Wirkungsgrad. Ebenso besitzt es dann vergleichsweise
hohe Schadstoffemissionswerte. Um den Startvorgang zeitlich möglichst
kurz realisieren zu können,
ist es möglich,
den Restgasbrenner und den Reformer speziell für den Startvorgang auszulegen,
derart, dass der Restgasbrenner und der Reformer während des
Kaltstartbetriebs möglichst
viel Wärme
erzeugen, die dann zum Aufwärmen
der Systemkomponenten genutzt werden kann. Eine derartige Auslegung
für den
Startvorgang führt
jedoch zwangsläufig
zu einer Falschauslegung bzw. Überdimensionierung
für den
Nennbetriebszustand. Hierdurch verschlechtert sich insbesondere
der energetische Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems für den Nennbetrieb.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit dem Problem, für
ein Brennstoffzellensystem der Eingangs genannten Art bzw. für ein zugehöriges Betriebsverfahren
eine verbesserte Ausführungsform anzugeben,
die sich insbesondere durch einen erhöhten Wirkungsgrad auszeichnet.
Ferner kann eine vereinfachte Herstellbarkeit bzw. eine vereinfachte Variantenbildung
für das
Brennstoffzellensystem von Vorteil sein.
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Dieses
Problem wird erfindungsgemäß durch
die Gegenstände
der unabhängigen
Ansprüche
gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Brennstoffzellensystem
mit einem Zusatzbrenner auszustatten, mit dem es möglich ist, während des
Kaltstartbetriebs die der Brennstoffzelle zugeführte Luft vorzuheizen. Durch
diese zusätzliche Wärmequelle
kann die Brennstoffzelle vergleichsweise rasch auf ihre Betriebstemperatur
gebracht werden. Hierdurch verkürzt
sich die Aufwärmehase. Gleichzeitig
ermöglicht
die Verwendung des Zusatzbrenners eine Auslegung des Restgasbrenners
auf den Nennbetrieb der Brennstoffzelle, da der Zusatzbrenner am
Ende des Kaltstarts ausgeschaltet werden kann. In der Folge ergibt
sich für
den Nennbetrieb des Brennstoffzellensystems ein verbesserter Wirkungsgrad.
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Zum
Vorheizen der Brennstoffzellenluft kann ein erster Wärmeübertrager
vorgesehen sein, der mediengetrennt eine wärmeübertragende Kopplung zwischen
der Brennstoffzellenluft und dem Brennerabgas, also dem Abgas des
Restgasbrenners ermöglicht.
Um das Zusatzbrennerabgas, also das Abgas des Zusatzbrenners zum
Aufheizen der Brennstoffzellenluft zu nutzen, kann nun ein zweiter
Wärmeübertrager
vorgesehen sein, der die Brennstoffzellenluft mediengetrennt mit
dem Zusatzbrennerabgas wärmeübertragend
koppelt. Zweckmäßig ist
der zweite Wärmeübertrager
luftseitig in einer Bypass-Luftleitung angeordnet, die den ersten
Wärmeübetrager
luftseitig umgeht. Auf diese Weise ist es grundsätzlich möglich, die gesamte Brennstoffzellenluft
ausschließlich über den
zweiten Wärmeübertrager
zu führen
und ausschließlich
durch den Zusatzbrenner aufzuheizen. Dies kann insbesondere dann von
Vorteil sein, wenn im Restgasbrenner, z. B. mangels Anodengas, eine
exotherme Reaktion noch nicht möglich
ist.
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Entsprechend
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann eine Zusatzabgasleitung, die das Zusatzbrennerabgas über den
zweiten Wärmeübertrager
vom Zusatzbrenner abführt,
ausgangsseitig stromab des ersten Wärmeübertragers an eine Abgasleitung
angeschlossen sein, die über
den ersten Wärmeübertrager
das Brennerabgas vom Restgasbrenner abführt. Die Restwärme des
Zusatzbrennerabgases steht dann stromab des ersten Wärmeübertragers
voll zur Verfügung,
bspw. um einen in der Abgasleitung angeordneten Oxidationskatalysator
aufzuheizen bzw. auf Betriebstemperatur zu bringen. Somit steht
der Oxidationskatalysator während
der Kaltstartphase relativ rasch zur Verfügung.
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Optional
kann die Zusatzabgasleitung oder ein Zweig der Zusatzabgasleitung
wärmeübertragend
mit einer Endplatte der Brennstoffzelle gekoppelt sein. Bei einem üblichen
Aufbau der Brennstoffzelle ist ein Stapel einzelner, plattenförmiger Brennstoffzellenelemente
zwischen zwei Endplatten angeordnet. Über eine dieser Endplatten,
die Anschlussplatte, erfolgt die Zuführung von Anodengas und Kathodengas
sowie die Abführung
von Anodenabgas und Kathodenabgas. Die gegenüberliegende andere Endplatte,
die Abschlussplatte, dient zur Blockbildung bzw. Stabilisierung
des Brennstoffzellenstapels. Die Aufheizung der Brennstoffzelle
während des
Kaltstartbetriebs beginnt an der Anschlussplatte und wandert mit
der Zeit zur Abschlussplatte. Durch die wärmeübertragende Kopplung der Abschlussplatte
mit der Zusatzabgasleitung ist es möglich, die Abschlussplatte
schon sehr früh
aufzuheizen, sodass auch von der Abschlussplatte eine Aufheizung
der Brennstoffzelle erfolgt, die sich dann in Richtung der Anschlussplatte
ausbreitet. Die Brennstoffzelle wird dadurch einerseits erheblich
schneller auf ihre Betriebstemperatur gebracht. Gleichzeitig erfolgt
ihre Aufheizung gleichmäßiger.
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Optional
kann ferner das Abgas des Zusatzbrenners zur Beheizung der Brennstoffzelle
und/oder des Restgasbrenners und/oder des ersten Wärmeübertragers
von außen
genutzt werden. Insbesondere wird ein die Brennstoffzelle, den Restgasbrenner
und den ersten Wärmeübertrager
umfassendes Brennstoffzellenmodul mit dem Zusatzabgas des Zusatzbrenners
beheizt. Beispielsweise kann das Abgas hierzu im Bereich der Brennstoffzelle
dem Brenstoffzellenmodul zugeführt
werden.
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Zusätzlich oder
alternativ kann die Zusatzabgasleitung oder ein Zweig der Zusatzabgasleitung wärmeübertragend
mit einem Gehäuse
eines Reformers gekoppelt sein. Hierdurch ist es möglich, über das
Zusatzbrennerabgas eine Vorheizung des Reformers zu realisieren,
wodurch dieser während
des Kaltstartbetriebs rascher seine Betriebstemperatur erreichen
kann.
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Besonders
vorteilhaft ist dabei die Bereitstellung eines modular aufgebauten
Brennstoffzellensystems. Dieses umfasst zumindest ein Brennstoffzellenmodul
und ein Zusatzbrennermodul. Ferner können noch ein Luftversorgungsmodul
und/oder ein Reformermodul vorgesehen sein. Darüber hinaus ist außerdem ein
Energiespeichermodul denkbar. Das Brennstoffzellenmodul kann in
einer eigenen thermisch isolierenden Hülle die Brennstoffzelle, den Restgasbrenner
und den ersten Wärmeübertrager aufweisen.
Das Zusatzbrennermodul kann in einer eigenen thermischen isolierenden
Hülle den
Zusatzbrenner und den zweiten Wärmeübertrager
aufweisen. Das Luftversorgungsmodul kann in einer eigenen akustisch
und/oder thermisch isolierenden Hülle eine Luftfördereinrichtung
aufweisen. Das Reformermodul kann in einer eigenen thermisch isolierenden Hülle einen
Reformer aufweisen. Das Energiespeichermodul kann einen elektrischen
Energiespeicher zur Versorgung elektrischer Verbraucher des Brennstoffzellensystems
mit elektrischem Strom aufweisen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus
den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand
der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert,
wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems,
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2 eine
Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen
Ausführungsform,
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3 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Detailansicht einer Brennstoffzelle
bei einer weiteren Ausführungsform,
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4 eine
Darstellung wie in den 1 und 2, jedoch
bei einer weiteren Ausführungsform.
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Entsprechend
den 1, 2 und 4 umfasst
ein Brennstoffzellensystem 1, das in einem Kraftfahrzeug
als einzige oder als zusätzliche
elektrische Energiequelle angeordnet sein kann, eine Brennstoffzelle 2 und
einen Restgasbrenner 3. Das Berennstoffzellensystem 1 kann
alternativ auch für stationäre Anwendungen
genutzt werden. Die Brennstoffzelle 2 generiert im Betrieb
aus Anodengas und Kathodengas elektrischen Strom, der über Elektroden 4 abgreifbar
ist. Die Brennstoffzelle 2 ist bevorzugt als SOFC-Brennstoffzelle
ausgestaltet. Der Restgasbrenner 3 setzt im Betrieb Anodenabgas
mit Kathodenabgas um, wobei er Brennerabgas erzeugt. Die Umsetzung
kann dabei mit offener Flamme erfolgen. Ebenso ist eine katalytische
Umsetzung denkbar.
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Eine
Anodenabgasleitung 5 verbindet eine Anodenseite 6 der
Brennstoffzelle 2 mit dem Restgasbrenner 3. Eine
Kathodenabgasleitung 7 verbindet eine Kathodenseite 8 der
Brennstoffzelle 2 mit dem Restgasbrenner 3. In
einem Brennraum 9 des Restgasbrenners 3 erfolgt
dann die Umsetzung der Brennstoffzellenabgase. Der Restgasbrenner 3 kann mit
der Brennstoffzelle 2 eine baulich integrierte Einheit
bilden. Die Anodenabgasleitung 5 und die Kathodenabgasleitung 7 sind
dann interne Leitungen bzw. Pfade.
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In
der Brennstoffzelle 2 trennt ein Elektrolyt 10 die
Anodenseite 6 von der Kathodenseite 8. Über eine
Reformatgasleitung 11 oder eine Anodengasleitung 11 erfolgt
die Zuführung
von Anodengas zur Anodenseite 6 der Brennstoffzelle 2. Über eine
Brennstoffzellenluftleitung 12 erfolgt die Zuführung von
Kathodengas zur Kathodenseite 8 der Brennstoffzelle 2. Beim
Kathodengas handelt es sich bevorzugt um Luft. Eine Brennerabgasleitung 13 führt das
vom Restgasbrenner 3 erzeugte Brennerabgas vom Restgasbrenner 3 bzw.
aus dessen Brennraum 9 ab. In diese Brennerabgasleitung 13 ist
ein erster Wärmeübertrager 14 eingebunden,
der außerdem
in die Brennstoffzellenluftleitung 12 eingebunden ist.
Der erste Wärmeübertrager 14 erzeugt
eine mediengetrennte wärmeübertragende
Kopplung zwischen der Brennstoffzellenluftleitung 12 und
der Brennerabgasleitung 13. Der erste Wärmeübertrager 14 kann
dabei baulich in den Restgasbrenner 3 integriert sein.
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Im
Beispiel ist das Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenmodul 15 ausgestattet, das
die Brennstoffzelle 2, den Restgasbrenner 3 und den
ersten Wärmeübertrager 14 umfasst.
Ferner ist dieses Brennstoffzellenmodul 15 mit einer thermisch isolierenden
Hülle 16 ausgestattet,
welche die Komponenten des Brennstoffzellenmoduls 15 umschließt.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem mit einer Luftfördereinrichtung 17 ausgestattet,
die bspw. ein Gebläse
oder ein Verdichter oder ein elektrisch betriebener Turbolader oder
eine Pumpe sein kann. Im Betrieb führt diese Luftfördereinrichtung 17 über die
Brennstoffzellenluftleitung 12 der Brennstoffzelle 2 Luft
als Kathodengas zu. Die Luftfördereinrichtung 17 ist
dabei Bestandteil eines Luftversorgungsmoduls 18, das über eine
eigene thermisch und/oder akustisch isolierende Hülle 19 verfügt, in welcher
die Luftfördereinrichtung 17 angeordnet
ist. Die Luftfördereinrichtung 17 kann
vorzugsweise mit einer hier nicht gezeigten Filtereinrichtung ausgestattet
sein, um Partikel und/oder Aerosole aus der geförderten Luft herauszufiltern.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem mit einem Zusatzbrenner 20 ausgestattet,
der so konfiguriert ist, dass er im Betrieb Luft mit einem Brennstoff
zu Zusatzbrennerabgas umsetzt. Besagtes Zusatzbrennerabgas wird
dabei über
eine Zusatzbrennerabgasleitung 21 oder kurz Zusatzabgasleitung 21 vom
Zusatzbrenner 20 bzw. von einem Brennraum 22 des
Zusatzbrenners 20 abgeführt.
Die Zusatzabgasleitung 21 enthält vorzugsweise ein Absperrorgan 75 zur
Entkopplung des Zusatzbrenners 20 während eines Normalbetriebs
des Brennstoffzellensystems 1, bei dem der Zusatzbrenner 20 ausgeschaltet
ist. Das Absperrorgan 75 wirkt dann als Rückschlagsperre.
In diese Zusatzabgasleitung 21 ist ein zweiter Wärmeübertrager 23 eingebunden.
Außerdem
ist der zweite Wärmeübertrager 23 in
eine Bypassluftleitung 24 eingebunden. Der zweite Wärmeübertrager 23 erzeugt
somit eine mediengetrennte, wärmeübertragende
Kopplung zwischen der Zusatzabgasleitung 21 und der Bypass-Luftleitung 24.
Der zweite Wärmeübetrager 23 kann
dabei baulich in den Zusatzbrenner 20 integriert sein.
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Die
Bypass-Luftleitung 24 umgeht den ersten Wärmeübertrager 14 luftseitig.
Hierzu ist die Bypass-Luftleitung 24 eingangsseitig über eine
Entnahmestelle 25 zwischen der Luftfördereinrichtung 17 und
dem ersten Wärmeübertrager 14 an
die Brennstoffzellenluftleitung 12 angeschlossen. Ausgangsseitig
ist die Bypass-Luftleitung 24 über eine
Einleitstelle 26 zwischen dem ersten Wärmeübertrager 14 und der
Brennstoffzelle 2 an die Brennstoffzellenluftleitung 12 angeschlossen.
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Die
Versorgung des Zusatzbrenners 20 mit Luft erfolgt über eine
Zusatzluftfördereinrichtung 27 und
eine entsprechende Luftversorgungsleitung 28. Die Zusatzfördereinrichtung 27 kann
vorzugsweise mit einer hier nicht gezeigten Filtereinrichtung ausgestattet
sein, um Partikel und/oder Aerosole aus der geförderten Luft herauszufiltern.
Die Luft für
den Zusatzbrenner 20 wird dabei bevorzugt aus einer Umgebung 52 des
Brennstoffzellensystems angesaugt. Die Versorgung des Zusatzbrenners 20 mit
Brennstoff erfolgt mit Hilfe einer Brennstofffördereinrichtung 29 über eine
entsprechende Brennstoffleitung 30. Beim Brennstoff kann
es sich bspw. um beliebige Kohlenwasserstoffe handeln. Bevorzugt
wird jedoch ein Kraftstoff, mit dem auch eine Brennkraftmaschine des
mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs
betrieben wird. Insbesondere handelt es sich beim Brennstoff somit
um Diesel oder Biodiesel oder Heizöl. Ebenso ist Benzin oder Erdgas
oder ein beliebiger Biokraftstoff denkbar. Folglich ist die Brennstoffleitung 30 zweckmäßig an einen
hier nicht näher
dargestellten Kraftstofftank 53 des Fahrzeugs angeschlossen.
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Der
Zusatzbrenner 20 und der zweite Wärmeübertrager 23 sind
hier Bestandteil eines Zusatzbrennermoduls 31, das über eine
eigene thermisch isolierende Hülle 32 verfügt, in welcher
der Zusatzbrenner 20 und der zweite Wärmeübertrager 23 angeordnet
sind. Außerdem
sind im Beispiel die Zusatzluftfördereinrichtung 27 und
die Brennstofffördereinrichtung 29 des
Zusatzbrenners 20 Bestandteil des Zusatzbrennermoduls 31.
Diese Bestandteile sind jedoch außerhalb der zugehörigen Hülle 32 angeordnet.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 ist auf dem gezeigten Beispiel
außerdem
mit einem Reformer 33 ausgestattet, der im Betrieb Luft
mit einem Brennstoff umsetzt und dabei wasserstoffhaltiges und kohlenmonoxidhaltiges
Reformatgas erzeugt. Dieses Reformatgas wird über die Reformatgasleitung 11 als
Anodengas der Anodenseite 6 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Zur
Versorgung des Reformers 33 mit Reformerluft ist eine Reformerluftleitung 34 vorgesehen, die
hier ebenfalls von der Luftfördereinrichtung 17 gespeist
wird. Darüber
hinaus ist bei der hier gezeigten Ausführungsform in der Reformerluftleitung 34 stromab
der Luftfördereinrichtung 17 eine
weitere Fördereinrichtung 35 angeordnet,
die im Folgenden als Reformerluftfördereinrichtung 35 bezeichnet
wird Mit Hilfe dieser Reformerluftfördereinrichtung 35 kann
die dem Reformer 33 zugeführte Luft auf ein erhöhtes Druckniveau
gebracht werden. Zusätzlich kann
diese Reformerluftfördereinrichtung 35 als Heißgasfördereinrichtung
ausgestaltet sein. Bspw. kann sie nach Art eines Gebläses, Kompressors,
Verdichters, elektrisch betriebenem Turboladers oder einer Pumpe
ausgestaltet sein.
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Zur
Versorgung des Reformers 33 mit Brennstoff ist eine Reformerbrennstoffversorgung 36 vorgesehen,
die über
eine entsprechende Brennstoffleitung 37 dem Reformer 33 einen
geeigneten Brennstoff zuführt.
Hierbei kann es sich wieder um einen beliebigen Kohlenwasserstoff
handeln. Bevorzugt wird derjenige Kraftstoff, der auch der Brennkraftmaschine
des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs
zugeführt
wird. Dementsprechend ist auch die zur Versorgung des Reformers 33 vorgesehene
Brennstoffleitung 37 zweckmäßig an den Tank 53 des
Fahrzeugs angeschlossen.
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Der
Reformer 33 enthält
einen Brennraum 38 bzw. Mischraum 38. Der Reformer 33 enthält außerdem einen
Katalysator 40, mit dessen Hilfe das Reformatgas mittels
partieller Oxidation erzeugt werden kann.
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Der
Reformer 33 ist Bestandteil eines Reformermoduls 41,
das eine separate bzw. eigene thermisch isolierende Hülle 42 aufweist,
in welcher der Reformer 33 angeordnet ist. Im Beispiel
gehört
die Reformerbrennstofffördereinrichtung 36 zum
Reformermodul 41. Besagte Fördereinrichtung 36 ist
hierzu jedoch außerhalb
der Hülle 42 des
Reformermoduls 41 angeordnet.
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Die
Brennerabgasleitung 13 oder kurz Abgasleitung 13 enthält stromab
des ersten Wärmeübertragers 14 einen
Oxidationskatalysator 43 zur Abgasnachbehandlung. In die
Abgasleitung 13 kann außerdem ein Heizungswärmeübertrager 44 eingebunden
sein, der im Betrieb einen durch einen Pfeil angedeuteten Fluidstrom 45 aufheizen
kann. Hierbei kann es sich um einen Luftstrom 45 handeln,
der einem hier nicht gezeigten Fahrzeuginnenraum zugeführt werden
kann. Alternativ kann der Fluidstrom 45 auch ein Kühlmittel
eines Kühlkreises
sein, wobei der Kühlkreis
einen Wärmeübertrager
zum Beheizen eines Luftstroms enthält, der dann z. B. zu einem
Fahrzeuginnenraum geführt
sein kann. Der Heizungswärmeübertrager 44 ist
dabei zweckmäßig stromab
des Oxidationskatalysators 43 angeordnet. Hierdurch kann
die im Oxidationskatalysator 43 beim Umsetzen von Schadstoffen
ggf. freigesetzte Wärme
zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums genutzt werden.
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Die
Entnahmestelle 25, bei welcher die Bypass-Luftleitung 24 von
der Brennstoffzellenluftleitung 12 abzweigt, ist zweckmäßig als
Ventil ausgestaltet bzw. an einem Ventil 46 angeordnet.
Dieses Ventil 46 ermöglicht
bspw. eine quasi beliebige Aufteilung des von der Luftfördereinrichtung 17 geförderten
Luftstroms auf den durch den ersten Wärmeübertrager 14 geführten Abschnitt
der Brennstoffzellenluftleitung 12 und auf die Bypass-Leitung 24.
Das Ventil 46 ist zweckmäßig Bestandteil einer Ventileinrichtung 47,
welche über
eine Verteilerleiste 48, die druckseitig von der Luftfördereinrichtung 17 geförderte Luft
auf die Brennstoffzellenluftleitung 12 und auf die Reformerluftleitung 34 aufteilt.
Zum Steuern der dem Reformer 33 zugeführten Luftmenge kann ein weiteres
Ventil 49 vorgesehen sein, das ebenfalls zur Ventileinrichtung 47 gehören kann.
Ferner ist im Beispiel eine Kühlgasleitung
oder Kühlluftleitung 50 vorgesehen, über die
dem Restgasbrenner 3 Kühlluft
zuführbar
ist. Die Kühlluftleitung 50 ist
mit einem Ventil 51 steuerbar, das im Beispiel ebenfalls
zur Ventileinrichtung 47 gehört. Die Luftfördereinrichtung 17 saugt
die Luft ebenfalls aus der Umgebung 52 des Brennstoffzellensystems 1 über eine
Saugleitung 53 an. Die Ventileinrichtung 47 ist
im Beispiel ebenfalls Bestandteil des Luftversorgungsmoduls 18 und
ist dabei innerhalb der zugehörigen
Hülle 19 angeordnet.
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Die
Ventile der Ventileinrichtung 47 und die Luftfördereinrichtungen 17, 35 sind
bevorzugt temperaturgesteuert bzw. temperaturgeregelt. Beispielsweise
werden das Ventil 49, die Fördereinrichtung 17 und
die Reformerluftfördereinrichtung 35 abhängig von
der Temperatur des Mischraums 38 und/oder abhängig von
der Temperatur des Katalysators 40 geregelt. Das Ventil 51 und
die Luftfördereinrichtung 17 können z.
B. abhängig
von der Temperatur des Brennraums 9 geregelt werden. Das
Ventil 46 und die Luftfördereinrichtung 17 können z.
B. abhängig
von der Temperatur der Kathodenseite 8 geregelt werden.
Die Luftfördereinrichtung 35 kann
z. B. abhängig von
der Temperatur des Mischraums 38 und/oder abhängig von
der Temperatur des Katalysators 40 geregelt werden.
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Der
mit Hilfe des Brennstoffzellensystems 1 generierte, elektrische
Strom dient zweckmäßig zur Versorgung
von elektrischen Verbrauchern 54 mit elektrischem Strom
bzw. mit elektrischer Energie. Dabei symbolisiert der in den 1 und 2 dargestellte
eine elektrische Verbraucher 54 sämtliche elektrischen Verbraucher, die
mit Hilfe des Brennstoffzellensystems 1 mit elektrischer
Energie versorgt werden können.
Dabei handelt es sich einerseits um externe Verbraucher, also um
elektrische Verbraucher 54 des Fahrzeugs, wie z. B. eine
Klimaanlage, ein Kühlschrank,
eine Kaffeemaschine, ein Fernseher etc.. Andererseits sind dabei
auch alle internen Verbraucher, also alle elektrischen Verbraucher 54 des
Brennstoffzellensystems 1 umfasst. Elektrische Verbraucher 54 des
Brennstoffzellensystems 1 sind z. B. die Fördereinrichtungen 17, 27, 29, 35, 36,
die Ventile 46, 49, 51 sowie Zündeinrichtungen,
wie z. B. Glühstifte
und Zündkerzen,
mit denen im Restgasbrenner 3, im Zusatzbrenner 20 und
im Reformer 33 eine Verbrennungsreaktion initiiert werden
kann. Ebenso kann eine Steuereinrichtung 55, mit deren Hilfe
die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 betätigt werden
können,
einen elektrischen Verbraucher 54 des Brennstoffzellensystems 1 repräsentieren.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 kann entsprechend der hier gezeigten
bevorzugten Ausführungsform
außerdem
einen elektrischen Energiespeicher 56 aufweisen, der bspw.
in Form einer Batterie oder eines Akkumulators ausgestaltet ist.
Ebenso sind Kondensatoren als elektrische Energiespeicher 56 denkbar.
Der Energiespeicher 56 dient zur Versorgung elektrischer
Verbraucher des Brennstoffzellensystems 1. Ferner kann
zumindest ein Spannungswandler 57 oder kurz Wandler 57 vorgesehen
sein, mit dessen Hilfe eine Spannungstransformation erfolgt. Beispielsweise
kann ein DC/DC-Wandler vorgesehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann – je nach
Anwendungsfall – auch
ein DC/AC-Wandler vorgesehen sein. Dabei transformiert der jeweilige Wandler 57 die
Spannung zwischen einem Spannungsniveau der Brennstoffzelle 2 einerseits
und einem Spannungsniveau der elektrischen Verbraucher 54 des
Brennstoffzellensystems 1 und/oder des Energiespeichers 56 andererseits.
Der Energiespeicher 56 und optional auch der Wandler 57 können in
einem Energiespeichermodul 58 untergebracht sein, das bspw. über ein
eigenes Gehäuse 59 verfügt. Das Gehäuse 59 kann
insbesondere auch als separate, thermisch und/oder elektromagnetisch
isolierende Hülle
ausgestaltet sein, die im Folgenden auch als Hülle 59 bezeichnet
sein kann. Insbesondere bei stationären Anwendungen kann ein vorstehend
genannter DC/AC-Wandler vorgesehen sein, der dann z. B. zwischen
dem Energiespeicher 56 und dem jeweiligen Wechselstromverbraucher 54 angeordnet
sein kann.
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Die
Zusatzabgasleitung 21 ist bei den hier gezeigten Ausführungsformen über eine
Einleitstelle 60 an die Abgasleitung 13 angeschlossen,
und zwar stromab des ersten Wärmeübetragers 14.
Dabei ist diese Einleitstelle 60 zweckmäßig so positioniert, dass sie
sich stromauf des Oxidationskatalysators 43 befindet. Hierdurch
kann die Restwärme
des Zusatzbrennerabgases zum Aufheizen des Oxidationskatalysators 43 genutzt
werden. Gleichzeitig kann die Restwärme des Zusatzbrennerabgases
zum Beheizen des Heizungswärmeübertragers 44 genutzt
werden.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform ist die Zusatzabgasleitung 21 vom
Zusatzbrenner 20 direkt zur Abgasleitung 13 geführt. Im
Unterschied dazu zeigt 2 eine Ausführungsform, bei welcher die
Zusatzabgasleitung 21 einen Reformerzweig 61 aufweist,
der mit einem Gehäuse 62 des
Reformers 33 wärmeübertragend
gekoppelt ist. Bspw. kann dieses Reformergehäuse 62 eine vom Zusatzbrennerabgas
durchströmbare
Hülle 63 ausbilden,
wodurch der Reformer 33 quasi von außen beheizt wird. Dieser Zweig 61 der
Zusatzabgasleitung 21 zweigt von der Zusatzabgasleitung 21 zweckmäßig über ein Ventil 64 ab,
das eine quasi beliebige Aufteilung des Zusatzabgasstroms auf den
Zweig 61 und auf den direkt zur Abgasleitung 13 führenden
Abschnitt der Zusatzabgasleitung 21 ermöglicht.
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Zusätzlich oder
alternativ kann besagter Zweig 61 gemäß 3 mit einer
Endplatte 65 der Brennstoffzelle 2 wärmeübertragend
gekoppelt sein. Ebenso können
zwei Zweige 61 vorgesehen sein, um den Reformer 33 und
die Endplatte 65 der Brennstoffzelle 2 unabhängig voneinander
mit dem Zusatzabgas des Zusatzbrenners 20 aufheizen zu
können.
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Gemäß 3 besitzt
die Brennstoffzelle 2 typischerweise einen stapelförmigen Aufbau,
bei dem eine Vielzahl plattenförmiger
Brennstoffzellenelemente 66 aufeinandergestapelt sind und
dadurch einen Brennstoffzellenstapel 67 oder Stack 67 bilden. An
seinen Enden ist der Brennstoffzellenstapel 67 durch zwei
Endplatten abgeschlossen, nämlich
durch besagte Endplatte 65 sowie durch eine weitere Endplatte 68.
Diese weitere Endplatte 68 weist im Beispiel einen Anodengasanschluss 69,
an den die Anodengasleitung 11 oder Reformatgasleitung 11 angeschlossen
ist, einen Kathodengaseinlass 70, an den die Kathodengasleitung 12 oder
Brennstoffzellenluftleitung 12 angeschlossen ist, einen
Anodenabgasauslass 71, an den die Anodenabgasleitung 5 angeschlossen
ist, sowie einen Kathodenabgasauslass 72 auf, an dem die
Kathodenabgasleitung 7 angeschlossen ist. Da sämtliche
Eduktanschlüsse
somit an dieser weiteren Endplatte 68 angeordnet sind, kann
diese auch als Anschlussplatte 68 bezeichnet werden. Im
Unterschied dazu bildet die andere Endplatte 65 lediglich
einen Abschluss des Brennstoffzellenstapels 67, sodass
sie auch als Abschlussplatte 65 bezeichnet werden kann.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform ist in der thermisch
isolierenden Hülle 16 des
Brennstoffzellenmoduls 15 eine weitere Hülle 39 angeordnet,
die insbesondere gasdicht ausgestaltet ist. Diese innere Hülle 39 kann
ebenfalls thermisch isolierend wirken. Ebenso ist denkbar, die äußere Hülle 16 gasdicht
auszugestalten. Ferner kann eine Hülle 16, 39 ausreichend
sein, wenn sie thermisch isolierend und gasdicht ausgestaltet ist.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform
ist der zuvor genannte Zweig 61 der Zusatzabgasleitung 21 an
einen von der inneren Hülle 39 umschlossenen
Innenraum 76 des Brennstoffzellenmoduls 15 angeschlossen.
Dabei mündet der
Zweig 61 bei 77 an einer Eintrittsstelle in besagten
Innenraum 76 ein und tritt bei 78 an einer davon entfernten
Austrittsstelle wieder aus dem Innenraum 76 aus. Hierdurch
kann mit dem Zusatzbrennerabgas das Brennstoffzellenmodul 15 beheizt
werden. Insbesondere kann dies mit der Beheizung der Brennstoffzelle 2 kombiniert
werden. Z. B. kann das Zusatzbrennerabgas zunächst über den Zweig 61 bis
zur Abschlussplatte 65 geführt sein und von dieser in
den Innenraum 76 austreten, um über die Austrittstelle 78 wieder
aus dem Innenraum 76 abgeführt zu werden.
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Das
Brennstoffzellensystem 1 ist bei den hier gezeigten bevorzugten
Ausführungsformen
ferner mit einer Rezirkulationsleitung 73 ausgestattet,
die eingangsseitig an die Anodenabgasleitung 5 und ausgangsseitig über eine
Einleitstelle 74 an die Reformerluftleitung 34 angeschlossen
ist, und zwar stromauf der Reformerluftfördereinrichtung 35.
Da das rückgeführte Anodenabgas
im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 vergleichsweise
hohe Temperaturen aufweisen kann, ist die Reformerluftfördereinrichtung 35 zweckmäßig für eine Beaufschlagung
mit heißen
Gasen ausgestaltet, wobei diese Gase außerdem toxisch und/oder explosiv
sein können.
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Die
Ventileinrichtung 47 ist im Beispiel dazu ausgestaltet,
die von der Luftfördereinrichtung 17 angesaugte
Luft druckseitig auf die Brennstoffzellenluftleitung 12,
auf die Bypass-Luftleitung 24, auf die Kühlluftleitung 50 und
auf die Reformerluftleitung 34 aufzuteilen.
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4 zeigt
außerdem
eine Ausführungsform,
bei welcher die Luftfördereinrichtung 17 über die
Ventileinrichtung 47 außerdem zur Luftversorgung des
Zusatzbrenners 20 verwendet wird. Hierzu kann an die Verteilerleiste 48 über ein
weiteres Ventil 79 die Zusatzbrennerluftleitung 28 angeschlossen sein.
Alternativ kann die Zusatzluftfördereinrichtung 27 in
der Zusatzbrennerluftleitung 28 auch entfallen.
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Die
Steuereinrichtung 55 ist zweckmäßig so ausgestaltet bzw. programmiert,
dass sie das nachfolgende Betriebsverfahren durchführen kann.
Hierzu kann sie an eine nicht näher
bezeichnete Sensorik angeschlossen sein, die mehrere Sensoren für Temperaturen
T, Drücke
p, Spannungen U, Ströme
I und elektrische Leistung Pel aufweisen
kann.
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Während eines
Startvorgangs des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere
während
eines Kaltstarts, wird das Zusatzbrennerabgas zum Vorheizen der
Brennstoffzellenluft genutzt, die hierzu durch die Bypass-Luftleitung 24 geführt ist.
Gleichzeitig kann während
des Startvorgangs das Zusatzbrennerabgas zum Vorheizen des Oxidationskatalysators 43 verwendet
werden. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform
kann das Zusatzbrennerabgas zusätzlich
zum Vorheizen des Reformers 33 genutzt werden. Alternativ
oder zusätzlich
kann gemäß der in 3 gezeigten
Ausführungsform
das Zusatzbrennerabgas auch zum Vorheizen der Endplatte 65 der Brennstoffzelle 2 genutzt
werden. Alternativ oder zusätzlich
kann gemäß der in 4 gezeigten
Ausführungsform
das Zusatzbrennerabgas auch zum Vorheizen des gesamten Brennstoffzellenmoduls 15 genutzt
werden. Sobald der Startvorgang beendet ist, kann der Zusatzbrenner 20 ausgeschaltet
werden. Insbesondere ist der Zusatzbrenner 20 während eines
Nennbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 ausgeschaltet.
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Während des
Startvorgangs startet der Reformer 33 als Brenner, was
insbesondere durch eine überstöchiometrische
Versorgung mit Luft realisierbar ist. Nach Erreichen der Aktivierungstemperatur des
Katalysators 40 des Reformers 33, erfolgt ein Übergang
vom Brennerbetrieb in den Reformerbetrieb. Hierzu wird das Luftverhältnis auf
einen geeigneten unterstöchiometrischen
Wert eingestellt. Während
des Startvorgangs des Brennstoffzellensystems 1 beginnt
der Reformer 33 mit einer vergleichsweise kleinen Reformerleistung,
die bspw. etwa einem Drittel der Reformerleistung beim Nennbetrieb
entspricht. Dabei ist das Luftverhältnis im Reformer zu Beginn
noch vergleichsweise hoch, um die. Anteile an Kohlenmonoxid und
Restkohlenwasserstoffen im Reformatgas gering zu halten. Sobald
die Brennstoffzellentemperatur eine Mindestbetriebstemperatur erreicht
hat, wird die Reformerleistung allmählich erhöht, wobei gleichzeitig das
Luftverhältnis
reduziert wird, um den Anteil an Wasserstoff und Kohlenmonoxid im
Reformatgas zu erhöhen.
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Der
Reformer 33 kann als selbst-startender Reformer 33 ausgestaltet
sein, wozu er insbesondere mit einem hier nicht gezeigten, geeigneten
Zündorgan ausgestattet
ist. Er kann als Brenner betrieben werden, um die Aktivierungstemperatur
seines Katalysators 40 zu erreichen. Im Reformerbetrieb
kann im Reformer 33 bzw. an dessen Katalysator 40 durch unterstöchiometrisches
Kraftstoff-Luft-Verhältnis
ein Reformatgas mit hohem Wasserstoffanteil und Kohlenmonoxidanteil
generiert werden.
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Bei
ausgeschaltetem Zusatzbrenner 20 kann die Bypass-Luftleitung 24 zur
Temperaturregelung der Brennstoffzelle 2 nutzbar sein.
Da die Bypass-Luftleitung 24 den ersten Wärmeübertrager 14 umgeht,
ist die darin transportierte Luft vergleichsweise kalt, zumindest
relativ zu der durch den ersten Wärmeübertrager 14 hindurchgeführten Luft.
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Insbesondere
bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem 1 kann der Zusatzbrenner 20 bspw. zur
Realisierung eines Standheizungsbetriebs genutzt werden. Die mit
Hilfe des Zusatzbrenners 20 erzeugten heißen Zusatzabgase
beheizen den Heizungswärmeübertrager 44 und
ermöglichen
dadurch ein Beheizen des Luftstroms 45.
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Der
Energiespeicher 56 kann einerseits dazu verwendet werden,
die elektrischen Verbraucher 54 des Brennstoffzellensystems 1,
insbesondere die diversen Fördereinrichtungen
zur Medienversorgungen, Zündorgane,
Heizelemente und das Steuergerät 55,
zu betreiben. Dies kann bspw. für
den Startvorgang erforderlich sein, solange die Brennstoffzelle 2 selbst
keinen elektrischen Strom generiert. Andererseits kann vom Brennstoffzellensystem 1 generierte
elektrische Energie in den Energiespeicher 56 eingespeist
werden. Bspw. kann der Energiespeicher 56 dadurch einfach
beladen werden. Sollte die Dynamik der externen elektrischen Verbraucher,
wie z. B. ein elektrisch betriebener Kompressor eines Klimasystems,
ein schnelleres Verhalten aufweisen als die Dynamik des Brennstoffzellensystems 1,
kann der Energiespeicher 56 außerdem als Puffersystem dienen. Dieses
Puffersystem könnte
einerseits den Bedarf an zusätzlicher
elektrischer Energie für
den jeweiligen externen Verbraucher 54 bereitstellen. Andererseits könnte das
Puffersystem überschüssige elektrische Energie
des Brennstoffzellensystems 1 aufnehmen, um bei einem sog. „Lastabwurf”, d. h.
bei einem abrupten Abschalten größerer elektrischer
Verbraucher 54, keinen Notstopp für das Brennstoffzellensystem 1 durchführen zu
müssen.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
kann vorgesehen sein, die thermisch isolierenden Hüllen 16, 42 und 32 miteinander
zu koppeln und/oder aneinander anzubauen. Ziel ist dabei die Einhaltung
eine möglichst
gleichen Temperaturniveaus in den genannten Hüllen 16, 32, 42 bzw.
in den zugehörigen Modulen 15, 31 und 41.
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Bei
den Ausführungsformen
der 1, 2 und 4 ist außerdem eine
Box 80 angedeutet, in welcher das gesamte Brennstoffzellensystem 1 untergebracht
ist. Diese Box 80 kann ein gemeinsames Gehäuse für die Komponenten
des Systems 1 bilden, was die Montage des Systems in der
jeweiligen mobilen oder stationären
Anwendung vereinfacht. Zum Beispiel kann das System 1 in
dieser Box 80 in ein Fahrzeug integriert werden oder bei
einer stationären
Anwendung an einem Träger
oder an einer Wand oder auf einem Sockel befestigt werden.