DE102009030236A1

DE102009030236A1 - Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren

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Publication number: DE102009030236A1
Application number: DE102009030236A
Authority: DE
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2029-06-24
Also published as: US20100323256A1; DE102009030236B4; US8563184B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einer Brennstoffzelle (2), die im Betrieb aus Anodengas und Kathodengas elektrischen Strom generiert, mit einem Restgasbrenner (3), der im Betrieb Anodenabgas mit Kathodenabgas zu Brennerabgas umsetzt, mit einer Luftfördereinrichtung (17), die im Betrieb über eine Brennstoffzellenluftleitung (12) der Brennstoffzelle (2) Luft als Kathodengas zuführt, und mit einem ersten Wärmeübertrager (14), der eine Brennerabgas vom Restgasbrenner (3) wegführende Abgasleitung (13) wärmeübertragend mit der Brennstoffzellenluftleitung (12) koppelt. Das Startverhalten des Systems (1) lässt sich verbessern mit einem Zusatzbrenner (20), der im Betrieb Luft mit einem Brennstoff zu Zusatzbrennerabgas umsetzt, mit einer Bypass-Luftleitung (24), die eingangsseitig zwischen der Luftfördereinrichtung (17) und dem ersten Wärmeübertrager (14) an die Brennstoffzellenluftleitung (12) angeschlossen ist und die ausgangsseitig zwischen dem ersten Wärmeübertrager (14) und der Brennstoffzelle (2) an die Brennstoffzellenluftleitung (12) angeschlossen ist, und mit einem zweiten Wärmeübertrager (23), der eine Zusatzbrennerabgas vom Zusatzbrenner (20) wegführende Zusatzabgasleitung (21) wärmeübertragend mit der Bypass-Luftleitung (24) koppelt.

Description

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.
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.
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.
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.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch bei einer anderen Ausführungsform,
3 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Detailansicht einer Brennstoffzelle bei einer weiteren Ausführungsform,
4 eine Darstellung wie in den 1 und 2, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 P_el aufweisen kann.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem Kraftfahrzeug oder für eine stationäre Anwendung, – mit einer Brennstoffzelle (2), die im Betrieb aus Anodengas und Kathodengas elektrischen Strom generiert, – mit einem Restgasbrenner (3), der im Betrieb Anodenabgas mit Kathodenabgas zu Brennerabgas umsetzt, – mit einer Luftfördereinrichtung (17), die im Betrieb über eine Brennstoffzellenluftleitung (12) der Brennstoffzelle (2) Luft als Kathodengas zuführt, – mit einem ersten Wärmeübertrager (14), der eine Brennerabgas vom Restgasbrenner (3) wegführende Abgasleitung (13) wärmeübertragend mit der Brennstoffzellenluftleitung (12) koppelt, – mit einem Zusatzbrenner (20), der im Betrieb Luft mit einem Brennstoff zu Zusatzbrennerabgas umsetzt, – mit einer Bypass-Luftleitung (24), die eingangsseitig zwischen der Luftfördereinrichtung (17) und dem ersten Wärmeübetrager (14) an die Brennstoffzellenluftleitung (12) angeschlossen ist und die ausgangsseitig zwischen dem ersten Wärmeübertrager (14) und der Brennstoffzelle (2) an die Brennstoffzellenluftleitung (12) angeschlossen ist, – mit einem zweiten Wärmeübertrager (23), der eine Zusatzbrennerabgas vom Zusatzbrenner (20) wegführende Zusatzabgasleitung (21) wärmeübertragend mit der Bypass-Luftleitung (24) koppelt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzabgasleitung (21) ausgangsseitig stromab des ersten Wärmeübertragers (14) an die Abgasleitung (13) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzabgasleitung (21) ein Absperrorgan (75) enthält, das zumindest bei ausgeschaltetem Zusatzbrenner (20) eine Rückströmung von Abgas des Restgasbrenners (3) zum Zusatzbrenner (20) verhindert oder behindert.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasleitung (13) stromab des ersten Wärmeübertragers (14) ein Oxidationskatalysator (43) eingebunden ist, wobei die Zusatzabgasleitung (21) ausgangsseitig zwischen dem Oxidationskatalysator (43) und dem ersten Wärmeübertrager (14) an die Abgasleitung (13) angeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzabgasleitung (21) oder ein Zweig (61) der Zusatzabgasleitung (21) wärmeübertragend mit einer Endplatte (65) der Brennstoffzelle (2) gekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzabgasleitung (21) oder ein Zweig (61) der Zusatzabgasleitung (21) wärmeübertragend mit einem Gehäuse (62) eines Reformers (33) gekoppelt ist, der im Betrieb Luft mit einem Brennstoff zu Reformatgas umsetzt, das der Brennstoffzelle (2) als Anodengas zugeführt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (17) im Betrieb über eine Reformerluftleitung (34) einem Reformer (33) Luft zuführt, der im Betrieb Luft mit einem Brennstoff zu Reformatgas umsetzt, das der Brennstoffzelle (2) als Anodengas zugeführt ist.
Brennstoffzellensystem Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Reformerluftleitung (34) eine Reformerluftfördereinrichtung (35) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rezirkulationsleitung (73) vorgesehen ist, die Anodenabgas in die Reformerluftleitung (34) rückführt, insbesondere stromauf der Reformerluftfördereinrichtung (35).
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Ventileinrichtung (47), die von der Luftfördereinrichtung (17) angesaugte Luft druckseitig auf die Brennstoffzellenluftleitung (12) und die Bypass-Luftleitung (24) und ggf. auf eine Kühlluft dem Restgasbrenner (3) zuführende Kühlluftleitung (50) und/oder auf eine Reformerluftleitung (34) zur Luftversorgung eines Reformers (33) aufteilt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abgasleitung (13), insbesondere stromab eines Oxidationskatalysators (43), ein Heizungswärmeübertrager (44) eingebunden ist, der im Betrieb einen Fluidstrom (45), z. B. einen Luftstrom (45), aufheizt, der einem Wärmeverbraucher, z. B. einem Fahrzeuginnenraum, zugeführt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen elektrischen Energiespeicher (56) zur Versorgung elektrischer Verbraucher (65) des Brennstoffzellensystems (1) mit elektrischem Strom.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch wenigstens einen Spannungwandler (57) zur Spannungstransformation zwischen einem Spannungsniveau der Brennstoffzelle (2) einerseits und einem Spannungsniveau elektrischer Verbraucher (54) des Brennstoffzellensystems (1) und/oder eines elektrischen Energiespeichers (56) des Brennstoffzellensystems (1) andererseits, wobei der Spannungswandler (57) insbesondere als DC/DC-Wandler oder als DC/AC-Wandler ausgestaltet sein kann.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch ein Brennstoffzellenmodul (15), das in einer eigenen thermisch isolierenden Hülle (16) die Brennstoffzelle (2), den Restgasbrenner (3) und den ersten Wärmeübertrager (14) aufweist..
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzabgasleitung (21) oder ein Zweig (61) der Zusatzabgasleitung (21) wärmeübertragend mit dem Brennstoffzellenmodul (15) gekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch ein Zusatzbrennermodul (31), das in einer eigenen thermisch isolierenden Hülle (32) den Zusatzbrenner (20) und den zweiten Wärmeübertrager (23) aufweist, wobei das Zusatzbrennermodul (31) insbesondere außerdem eine Zusatzluftfördereinrichtung (27) zur Luftversorgung des Zusatzbrenners (20) und/oder eine Brennstoffversorgungseinrichtung (29) zur Brennstoffversorgung des Zusatzbrenners (20) aufweisen kann.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch ein Luftversorgungsmodul (18), das in einer eigenen akustisch und/oder thermisch isolierenden Hülle (19) die Luftfördereinrichtung (17) aufweist, wobei das Luftversorgungsmodul (18) insbesondere außerdem die Ventileinrichtung (47) und/oder die Reformerluftfördereinrichtung (35) aufweisen kann.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch ein Reformermodul (41), das in einer eigenen thermisch isolierenden Hülle (42) einen Reformer (33) aufweist, der im Betrieb Luft mit einem Brennstoff zu Reformatgas umsetzt, das der Brennstoffzelle (2) zugeführt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch ein Energiespeichermodul (58), das, insbesondere in einer eigenen thermisch und/oder elektromagnetisch isolierenden Hülle (59), einen elektrischen Energiespeicher (56) zur Versorgung elektrischer Verbraucher (54) des Brennstoffzellensystems (1) mit elektrischem Strom aufweist, wobei das Energiespeichermodul (58) insbesondere außerdem einen Spannungswandler (57) zur Spannungstransformation zwischen einem Spannungsniveau der Brennstoffzelle (2) einerseits und einem Spannungsniveau der elektrischen Verbraucher (54) des Brennstoffzellensystems (1) und/oder des elektrischen Energiespeichers (56) andererseits aufweisen kann.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (17) im Betrieb über eine Zusatzbrennerluftleitung (24) dem Zusatzbrenner (20) Luft zuführt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (55) zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (1), die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie das Brennstoffzellensystem (1) entsprechend einem Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25 betreiben kann.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Startvorgangs des Brennstoffzellensystems (1) das Zusatzbrennerabgas zum Vorheizen von durch die Bypass-Luftleitung (24) geführter Brennstoffzellenluft verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass während des Startvorgangs das Zusatzbrennerabgas zum Vorheizen des Oxidationskatalysators (43) und/oder des Reformers (33) und/oder der Endplatte (65) der Brennstoffzelle (2) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbrenner (20) während eines Nennbetriebs des Brennstoffzellensystems (1) ausgeschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbrenner (20) bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem (1) zur Realisierung eines Standheizbetriebs verwendet wird.
Modular aufgebautes Brennstoffzellensystem, – mit einem Brennstoffzellenmodul (15) nach Anspruch 14, – mit einem Zusatzbrennermodul (31) nach Anspruch 16, – mit einem Luftversorgungsmodul (18) nach Anspruch 17, – mit einem Reformermodul (41) nach Anspruch 18 und optional – mit einem Energiespeichermodul (58) nach Anspruch 19.