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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend
mindestens einen Brennstoffzellenstapel und einen ersten Brennstoffspeicher,
der über
eine Brennstoffleitung mit dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel
verbunden ist, sodass ein Brennstoff aus dem ersten Brennstoffspeicher
dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel anodenseitig zuführbar ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems,
welches einen ersten Brennstoffspeicher und mindestens einen Brennstoffzellenstapel
umfasst, die über
eine Brennstoffleitung miteinander verbunden sind.
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Der
Einsatz von Brennstoffzellensystemen zur Bereitstellung von elektrischer
Energie zeichnet sich insbesondere durch einen hohen Wirkungsgrad aus
sowie durch den fehlenden bzw. geringeren Ausstoß von Schadstoffen. Durch eine
Steigerung der Leistungsfähigkeit
bei gleichzeitig relativ kompakter Bauweise sind Brennstoffzellensysteme
in den letzten Jahren für
einen Einsatz in Fahrzeugen und mobilen Geräten wie z. B. Computern immer
interessanter geworden. Eine Stromversorgung durch Brennstoffzellen
bietet aber auch bei komplexen Vorrichtungen, die sowohl stationäre als auch
mobile Komponenten umfassen, erhebliche Vorteile. Als Beispiel für solche
Systeme sind z. B. industrielle Fertigungslinien für automatisierte
Produktionsabläufe
zu nennen, bei denen die Versorgung der mobilen Komponenten durch
ein stationäres
Stromleitungsnetz (mittels Kabeln oder auch Stromschienen) sehr
umständlich
ist und die Freiheitsgrade der mobilen Komponenten zwangsläufig einschränkt.
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Ein
Faktor, der für
den Einsatz von Brennstoffzellensystemen in vielen Fällen limitierend
ist, ist die Brennstoffversorgung, d. h. bei Fahrzeugen, mobilen
Vorrichtungen oder Komponenten insbesondere die Speicherung des
Brennstoffs in einem mitgeführten
Speicher. Ein solcher Speicher muss zum Teil häufig nachgefüllt werden,
da seine Kapazität
durch entsprechende Vorgaben bezüglich
der Abmessungen und/oder des Gewichts begrenzt ist.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensysteme sind
so konzipiert, dass während
der Befüllung
des Brennstoffspeichers die Versorgung des oder der Brennstoffzellenstapel
mit Brennstoff unterbrochen werden muss. Dadurch wird während des
Befüllvorgangs
auch die Stromversorgung der angeschlossenen Verbraucher unterbrochen
bzw. das ganze System muss heruntergefahren werden. In vielen Fällen ist
dies jedoch aus Gründen der
Effektivität
und/oder der Betriebssicherheit nicht wünschenswert.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem
zur Verfügung
zu stellen, mit dem mobile Vorrichtungen und/oder Komponenten kontinuierlich
mit elektrischer Energie versorgt werden können.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Brennstoffleitung oder der erste Brennstoffspeicher eine
Einrichtung zur Einkopplung von Brennstoff umfasst, derart, dass gleichzeitig
dem ersten Brennstoffspeicher und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel
Brennstoff zuführbar
ist.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
erlaubt eine simultane Befüllung
des Brennstoffspeichers und Versorgung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels
mit Brennstoff, sodass das gesamte System und die angeschlossenen
Verbraucher kontinuierlich betrieben werden können. Durch die vorgesehene
Einrichtung zur Einkopplung von Brennstoff kann der Brennstoffspeicher
während
des laufenden Betriebs befüllt
werden, ohne dass dieser dem System entnommen werden muss, oder
dass eine Trennung des Brennstoffspeichers von dem oder den Brennstoffzellenstapeln
mittels eines Absperrventils oder dergleichen erfolgen muss.
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Durch
die erfindungsgemäße Lösung kann insbesondere
auch auf einen Akkumulator zur Zwischenversorgung der Verbraucher
während
der Befüllung
des Brennstoffspeichers verzichtet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die Brennstoffleitung die Einrichtung zur
Einkopplung von Brennstoff. Die Befüllung des Brennstoffspeichers
erfolgt in diesem Fall über den
Teil der Brennstoffleitung, der zwischen dem Brennstoffspeicher
und der Einkopplungseinrichtung liegt, entgegen der üblichen
Fließrichtung
des Brennstoffs. Die Entnahme und die Zuführung von Brennstoff erfolgen
an derselben Stelle des Brennstoffspeichers, was insbesondere im
Falle eines Metallhydrid-Wasserstoffspeichers besonders vorteilhaft
ist. Hierauf wird weiter unten noch im Detail eingegangen. Alternativ
kann jedoch auch der Brennstoffspeicher die Einkopplungseinrichtung
umfassen, in diesem Fall erfolgt die Befüllung des Brennstoffspeichers
unabhängig
von der Brennstoffleitung, über
die während
des Befüllvorgangs
der mindestens eine Brennstoffzellenstapel weiter mit Brennstoff
versorgt wird.
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Die
Einrichtung zur Einkopplung von Brennstoff ist günstigerweise mit einem zweiten
Brennstoffspeicher verbindbar. Hierbei ist der erste Brennstoffspeicher
ein interner Speicher des Brennstoffzellensystems und der zweite
Brennstoffspeicher ist ein externer Speicher, aus dem der erste
Brennstoffspeicher in regelmäßigen Abständen oder
bei Bedarf nachgefüllt
wird. Der zweite Brennstoffspeicher kann z. B. in die stationäre Komponente
einer Vorrichtung wie z. B. einer industriellen Fertigungslinie
integriert sein, oder es handelt sich um einen zentralen Brennstoffspeicher,
der über
eine Versorgungsleitung mit der Einrichtung zur Einkopplung von
Brennstoff verbindbar ist.
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Der
für das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
eingesetzte Brennstoff umfasst vorzugsweise Wasserstoff. Die große Mehrzahl
der in der Praxis eingesetzten Brennstoffzellentypen können mit
Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden. Gegenüber alternativen
Brennstoffen wie z. B. Erdgas oder Kohle gas hat Wasserstoff den
Vorteil, dass das Brennstoffzellensystem ohne Schadstoffemissionen
betrieben werden kann.
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Bei
Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff umfasst der mindestens
eine Brennstoffzellenstapel insbesondere eine alkalische Brennstoffzelle (AFC),
eine Membranbrennstoffzelle (PEFC), eine Phosphorsäurebrennstoffzelle
(PAFC), eine Carbonatschmelzenbrennstoffzelle (MCFC) oder eine oxidkeramische
Brennstoffzelle (SOFC).
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Die
Speicherung von Wasserstoff kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung
auf verschiedene Weise erfolgen, insbesondere in gasförmiger oder in
flüssiger
Form. Der erste Brennstoffspeicher des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
umfasst dementsprechend bevorzugt einen Druckgasbehälter bzw.
einen Flüssiggasbehälter. Die
Energiedichte ist bei flüssigem
Wasserstoff (bezogen auf das Volumen) deutlich höher, sodass ein Flüssiggasspeicher
bei gleichem Volumen weniger häufig
nachgefüllt
werden muss als ein Druckgasbehälter.
Allerdings muss bei einem Flüssiggasbehälter für eine gute
thermische Isolierung gesorgt werden, da flüssiger Wasserstoff einen Siedepunkt
von –253°C aufweist.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst der erste Brennstoffspeicher einen Metallhydridspeicher.
Bei derartigen Speichern wird die Fähigkeit bestimmter Metalllegierungen
(z. B. LaMg2Ni) ausgenutzt, Wasserstoff
in die Lücken des
Metallgitters einzulagern. Die in einem beladenen Metallhydridspeicher
erzielbare Dichte an Wasserstoff ist hierbei sogar höher als
diejenige von flüssigem
Wasserstoff.
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Bei
der Verwendung eines Metallhydridspeichers im Rahmen der vorliegenden
Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zuführung (Adsorption)
und die Entnahme (Desorption) von Wasserstoff an derselben Stelle
des Speichers erfolgen, d. h. wenn die Brennstoffleitung die Einrichtung
zur Einkopplung von Brennstoff umfasst. Dieser Vorteil beruht auf
der Tatsache, dass beim Entla den des Metallhydridspeichers eine
Abkühlung
erfolgt, während bei
der Beladung mit Wasserstoff Wärme
freigesetzt wird. Da jedoch die Adsorption von Wasserstoff bei niedrigen
Temperaturen begünstigt
ist, ist die Zuführung
von Wasserstoff an derjenigen Stelle des Metallhydridspeichers besonders
effizient, an der zuvor durch die Entnahme von Wasserstoff eine
Abkühlung erfolgte,
d. h. die Desorptionskälte
und die Adsorptionswärme
gleichen sich zumindest teilweise gegenseitig aus.
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Als
Alternative zu Wasserstoff kann der Brennstoff insbesondere auch
Methanol umfassen, welches ohne Weiteres in flüssiger Form gespeichert werden
kann. Bei Verwendung von Methanol umfasst der mindestens eine Brennstoffzellenstapel
vorzugsweise eine Direktmethanolbrennstoffzelle (DMFC).
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Günstig ist
es, wenn die Einrichtung zur Einkopplung von Brennstoff eine Schnellkupplung
umfasst. Auf diese Weise kann ein zweiter Brennstoffspeicher bzw.
eine entsprechende Versorgungsleitung schnell und einfach während des
laufenden Betriebs des Brennstoffzellensystems angeschlossen werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn beim Verbinden der miteinander
korrespondierenden Kupplungselemente der Schnellkupplung die Verbindung zur
Brennstoffleitung oder zum ersten Brennstoffspeicher geöffnet wird,
sodass die Einkopplungseinrichtung kein zusätzliches Absperrventil umfassen muss.
Das Verbinden der Einkopplungseinrichtung mit dem zweiten Brennstoffspeicher
kann z. B. bei einer industriellen Fertigungslinie automatisch erfolgen,
sobald eine das Brennstoffzellensystem umfassende mobile Komponente
sich an einer bestimmten Position befindet.
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Vorzugsweise
umfasst die Brennstoffleitung zwischen der Einrichtung zur Einkopplung
von Brennstoff und dem mindestens einem Brennstoffzellenstapel einen
Druckminderer. Der Druck des Brennstoffs, der dem mindestens einen
Brennstoffzellenstapel anodenseitig zugeführt wird, muss in der Regel
gegenüber
dem im Brennstoffspeicher vorherrschenden Druck reduziert werden,
insbesondere bei Verwendung eines Druckgasspeichers z. B. für Wasserstoff.
Da bei der Befüllung
des ersten Brennstoffspeichers gleichzeitig eine direkte Versorgung
des mindestens einen Brennstoffzellenstapels mit Brennstoff aus
dem zweiten Brennstoffspeicher erfolgt, ist der Druckminderer vorzugsweise
auf den maximalen Druck des Brennstoffs im zweiten Brennstoffspeicher ausgelegt,
der in der Regel höher
ist als derjenige im ersten Brennstoffspeicher. Auf diese Weise
kann die Brennstoffzelle stets mit einem konstanten Druck an Brennstoff
versorgt werden, unabhängig
davon, ob der Brennstoff aus dem ersten oder dem zweiten Brennstoffspeicher
zugeführt
wird.
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Der
Oxidator, mit dem der mindestens eine Brennstoffzellenstapel kathodenseitig
versorgt wird, umfasst üblicherweise
Sauerstoff. In vielen Fällen kann
dabei der Luftsauerstoff aus der Umgebung als Oxidator eingesetzt
werden.
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In
den Fällen,
in denen ein Oxidatorspeicher vorgesehen ist, der z. B. reinen Sauerstoff
enthält, stellt
sich bezüglich
der Befüllung
des Oxidatorspeichers während
des Betriebs des Brennstoffzellensystems dieselbe Problematik wie
in Bezug auf den Brennstoff. Die erfindungsgemäße Lösung ist dabei auf die Versorgung
mit dem Oxidator in derselben Weise anwendbar. Gemäß dieser
Ausführungsform umfasst
das Brennstoffzellensystem ferner einen ersten Oxidatorspeicher,
der über
eine Oxidatorleitung mit dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel verbunden
ist, sodass ein Oxidator aus dem ersten Oxidatorspeicher dem mindestens
einen Brennstoffzellenstapel kathodenseitig zuführbar ist, wobei die Oxidatorleitung
oder der erste Oxidatorspeicher eine Einrichtung zur Einkopplung
von Oxidator umfasst, derart, dass gleichzeitig dem ersten Oxidatorspeicher
und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel Oxidator zuführbar ist.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
ist vorzugsweise Teil einer mobilen Vorrichtung oder einer mobilen
Komponente einer Vorrichtung. Bei derartigen mobilen Anwendungen
ist die Größe des ersten
Brennstoffspeichers (und gegebenenfalls des ersten Oxidatorspeichers)
regelmäßig limitiert, sodass
ein mehr oder weniger häufiges
Befüllen
des Speichers erforderlich ist.
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Aus
den bereits oben erwähnten
Gründen
ist dabei ein Herunterfahren des Brennstoffzellensystems während der
Befüllung
des Brennstoffspeichers in der Regel nicht wünschenswert.
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Bei
der mobilen Komponente kann es sich insbesondere um eine Komponente
einer Fertigungslinie handeln, wobei die Komponente gegenüber einem
stationären
Teil der Fertigungslinie verfahrbar ist und z. B. dazu dient, an
definierten Punkten der Fertigungslinie Arbeiten durchzuführen. Derartige
Fertigungsanlagen werden in der industriellen Produktion in großem Umfang
eingesetzt.
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Des
Weiteren bietet sich der Einsatz des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
z. B. auch bei Aufzügen
an, wobei die mobile Komponente eine Aufzugskabine umfasst. Insbesondere
bei sehr hohen Gebäuden
bringt eine Versorgung der Aufzugskabine über Stromkabel ein erhebliches
Problem bezüglich
der Kabelführung
mit sich, sodass eine Versorgung mittels einer Brennstoffzelle eine vorteilhafte
Alternative darstellt. Eine Befüllung
des ersten Brennstoffspeichers kann dann insbesondere beim Halt
des Aufzugs an bestimmten Etagen erfolgen, wobei die Brennstoffzelle
gleichzeitig weiter mit Brennstoff versorgt wird und daher die Stromversorgung
der Aufzugskabine nicht unterbrochen werden muss.
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Mobile
Vorrichtungen, bei denen das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eingesetzt werden
kann, umfassen vorzugsweise Fahrzeuge. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen
kann vorgesehen sein, dass der erste Brennstoffspeicher während eines
Halts des Fahrzeugs an einer Station befüllt wird.
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In
den Fällen,
in denen das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
Teil einer mobilen Komponente einer Vorrichtung ist, ist der zweite
Brennstoffspeicher bevorzugt Teil einer stationären Komponente der Vorrichtung,
also z. B. der stationären
Komponente einer Fertigungslinie oder eines Aufzugssystems.
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Der
Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb
eines Brennstoffzellensystems vorzuschlagen, bei dem mobile Vorrichtungen
und/oder Komponenten kontinuierlich mit elektrischer Energie versorgt
werden können.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
ein Verfahrensschritt vorgesehen ist, bei dem gleichzeitig dem ersten
Brennstoffspeicher und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel
Brennstoff zugeführt
wird.
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Die
Vorteile eines solchen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
erläutert,
zu dessen Betrieb es sich insbesondere eignet.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das gleichzeitige Zuführen von Brennstoff über die
Brennstoffleitung erfolgt. In diesem Fall wird der Brennstoff in die
Brennstoffleitung eingekoppelt, z. B. mit Hilfe einer Schnellkupplung,
und ein Teil des eingekoppelten Brennstoffs wird dann unmittelbar
dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel zugeführt und
mit dem anderen Teil wird der erste Brennstoffspeicher befüllt. Die
besonderen Vorteile dieser Ausgestaltung des Verfahrens, insbesondere
bei Verwendung eines Metallhydridspeichers als erstem Brennstoffspeicher, wurden
bereits oben beschrieben.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
des Verfahrens wird dem ersten Brennstoffspeicher Brennstoff direkt
zugeführt
und gleichzeitig wird Brennstoff aus dem ersten Brennstoffspeicher über die
Brennstoffleitung dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel zugeführt. In
diesem Fall erfolgt die Befüllung
des ersten Brennstoffspeichers unabhängig von der Brennstoffleitung,
d. h. der erste Brennstoffspeicher umfasst eine zusätzliche
Einrichtung zur Einkopplung von Brennstoff.
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Der
Brennstoff wird vorzugsweise aus einem zweiten Brennstoffspeicher
zugeführt,
der in der Regel ein externer Brennstoffspeicher ist. Eine bevorzugte
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
läuft dann
so ab, dass (i) der zweite Brennstoffspeicher mit der Brennstoffleitung
oder mit dem ersten Brennstoffspeicher verbunden wird, (ii) dem ersten
Brennstoffspeicher und gleichzeitig dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel
Brennstoff zugeführt
wird, und (iii) der zweite Brennstoffspeicher von der Brennstoffleitung
oder dem ersten Brennstoffspeicher getrennt wird. Die Verbindung
des zweiten Brennstoffspeichers mit der Brennstoffleitung oder dem
ersten Brennstoffspeicher erfolgt dabei über eine Einkopplungseinrichtung,
wie dies im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
beschrieben wurde. Die Schritte dieses Verfahrens können vollautomatisiert
durchgeführt
werden, z. B. in regelmäßigen Abständen und/oder
wenn ein bestimmter Füllstand
des ersten Brennstoffspeichers unterschritten wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist alternativ oder zusätzlich
auch auf die Versorgung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels
mit einem Oxidator anwendbar. Bei dieser Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem
ferner einen ersten Oxidatorspeicher, der über eine Oxidatorleitung mit
dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel verbunden ist, und das
Verfahren umfasst einen Verfahrensschritt, bei dem gleichzeitig
dem ersten Oxidatorspeicher und dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel
Oxidator zugeführt
wird.
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Weitere
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
und deren Vorteile wurden bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
beschrieben.
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Diese
und weitere Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden
Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
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1A und 1B:
schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand
der Technik;
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2:
schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
und
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3:
schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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In
der 1A ist ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand
der Technik dargestellt und als Ganzes mit 10 bezeichnet.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12,
dem auf Seiten der Kathode 14 Sauerstoff aus der Umgebungsluft
als Oxidator zugeführt
wird (dargestellt durch den Pfeil 16). Auf Seiten der Anode 18 wird
der Brennstoffzellenstapel 12 mit einem Brennstoff versorgt.
Der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, wird dem Brennstoffzellenstapel 12 aus
einem ersten Brennstoffspeicher 20 über eine Brennstoffleitung 22 zugeführt.
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Die
Brennstoffleitung 22 umfasst zwischen dem ersten Brennstoffspeicher 20 und
dem Brennstoffzellenstapel 12 ein erstes Absperrventil 24,
eine Einrichtung 26 zur Einkopplung von Brennstoff, ein zweites
Absperrventil 28 und einen Druckminderer 30. Der
Druckminderer 30 ist auf den maximalen Druck des aus dem
ersten Brennstoffspeicher 20 austretenden Brennstoffs ausgelegt,
wobei es sich bei dem ersten Brennstoffspeicher 20 insbesondere um
einen Druckgasspeicher, einen Flüssiggasspeicher
oder einen Metallhydridspeicher handeln kann.
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In
der 1A ist das Brennstoffzellensystem 10 während des
normalen Betriebs dargestellt. Die Absperrventile 24 und 28 sind
geöffnet
und das Absperrventil 32 der Einkopplungseinrichtung 26 ist
geschlossen, sodass der Brennstoff aus dem ersten Brennstoffspeicher 20 über den
Druckminderer 30 dem Brennstoffzellenstapel 12 auf
Seiten der Anode 18 zugeführt werden kann (dargestellt
durch entsprechende Pfeile). Wenn der erste Brennstoffspeicher 20 nachgefüllt werden
muss, erfolgt dies durch die Zuführung
von Brennstoff aus einem zweiten Brennstoffspeicher 34.
Der zweite Brennstoffspeicher 34 ist in der 1A als
externer Brennstoffspeicher mit einem Absperrventil 36 und
einem Druckminderer 38 dargestellt, es kann sich jedoch
auch um einen zentralen Speicher handeln, aus dem der Brennstoff über eine
Versorgungsleitung zugeführt
wird.
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Die 1B zeigt
das Brennstoffzellensystem 10 in dem Zustand, in dem der
erste Brennstoffspeicher 20 mit Brennstoff aus dem zweiten
Brennstoffspeicher 34 befüllt wird. Hierzu wird der zweite Brennstoffspeicher 34 mit
der Einrichtung 26 zur Einkopplung von Brennstoff verbunden
und das Absperrventil 32 der Einkopplungseinrichtung 26 wird geöffnet. Der
Brennstoff wird somit in die Brennstoffleitung 22 eingekoppelt
und über
das erste Absperrventil 24 in den ersten Brennstoffspeicher 20 geleitet (dargestellt
durch entsprechende Pfeile).
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Während der
Befüllung
des ersten Brennstoffspeichers 20 muss jedoch das zweite
Absperrventil 28 geschlossen werden, da der Druckminderer 30 nicht
auf den höheren
Druck des aus dem zweiten Brennstoffspeicher 34 austretenden
Brennstoffs ausgelegt ist. Die Brennstoffzuführung zum Brennstoffzellenstapel 12 muss
also während
der Befüllung
des ersten Brennstoffspeichers 20 unterbrochen werden, sodass
der Brennstoffzellenstapel 12 während dieser Zeit keine elektrische
Energie liefert bzw. heruntergefahren werden muss. Dies ist in vielen
Fällen äußerst nachteilig.
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Die 2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffzeilensystems 40,
bei dem das zuvor beschriebene Problem vermieden werden kann. Das
Brennstoffzellensystem 40 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 42,
dem auf Seiten der Kathode 44 Sauerstoff aus der Umge bungsluft
als Oxidator zugeführt
wird (dargestellt durch den Pfeil 46). Auf Seiten der Anode 48 wird
der Brennstoffzellenstapel 42 über eine Brennstoffleitung 50 mit
Brennstoff aus einem ersten Brennstoffspeicher 52 versorgt.
Bei dem Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff,
wobei der erste Brennstoffspeicher 52 einen Druckgasbehälter, einen Flüssiggasbehälter oder
einen Metallhydridspeicher umfassen kann.
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Die
Brennstoffleitung 50 des Brennstoffzellensystems 40 umfasst
eine Einrichtung 54 zur Einkopplung von Brennstoff, die
mit einem zweiten Brennstoffspeicher 56 verbunden werden
kann, wie dies in der 2 gezeigt ist. Der zweite Brennstoffspeicher 56 ist
beispielsweise ein Druckgasbehälter und
umfasst ein Absperrventil 58 und einen Druckminderer 60.
Die Brennstoffleitung 50 umfasst zwischen der Einkopplungseinrichtung 54 und
dem Brennstoffzellenstapel 42 ebenfalls einen Druckminderer 62,
der auf den maximalen Druck des aus dem zweiten Brennstoffspeicher 56 austretenden
Brennstoffs ausgelegt ist, sodass gleichzeitig dem ersten Brennstoffspeicher 52 und
dem Brennstoffzellenstapel 42 Brennstoff zuführbar ist.
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Bei
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 40 wird der zweite
Brennstoffspeicher 56 mit der Einkopplungseinrichtung 54,
welche z. B. eine Schnellkupplung umfasst, verbunden. Anschließend wird über die
Brennstoffleitung 50 dem ersten Brennstoffspeicher 52 und
gleichzeitig dem Brennstoffzellenstapel 42 Brennstoff zugeführt, wie
dies durch die entsprechenden Pfeile dargestellt ist. Somit kann
der Brennstoffzellenstapel 42 kontinuierlich, also auch während der
Befüllung
des ersten Brennstoffspeichers 52, mit Brennstoff versorgt
und weiter betrieben werden. Zusätzliche
Absperrventile oder dergleichen innerhalb der Brennstoffleitung 50 sind
hierbei nicht erforderlich.
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Das
Brennstoffzellensystem 40 gemäß der vorliegenden Erfindung
kann beispielsweise als Teil einer mobilen Komponente einer industriellen
Fertigungslinie eingesetzt werden, während der zweite Brennstoffspeicher 56 dann
Teil der stationären
Komponente der Fertigungslinie ist. An definierten Positionen der
mobilen Komponente kann dann der erste Brennstoffspeicher 52 nachgefüllt werden,
wobei dies vollautomatisiert erfolgen kann.
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Die
Befüllung
des ersten Brennstoffspeichers 52 über die Brennstoffleitung 50 ist
insbesondere bei einem Metallhydridspeicher besonders vorteilhaft,
da in diesem Fall die Desorptionskälte zumindest teilweise durch
die Adsorptionswärme
kompensiert werden kann, wie dies weiter oben bereits im Einzelnen
beschrieben wurde.
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Die 3 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
welches als Ganzes mit 70 bezeichnet ist. Das Brennstoffzellensystem 70 ist ähnlich wie
das Brennstoffzellensystem 40 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
der 2 aufgebaut, wobei gleiche Komponenten jeweils
mit demselben Bezugszeichen versehen sind. Bei dem Brennstoffzellensystem 70 umfasst
der erste Brennstoffspeicher 52 die Einrichtung 54 zur
Einkopplung von Brennstoff, d. h. die Befüllung des ersten Brennstoffspeichers 52 erfolgt nicht über die
Brennstoffleitung 50, sondern über eine hiervon unabhängige Zuführung.
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Bei
der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 70 wird der zweite
Brennstoffspeicher 56 über die
Einkopplungseinrichtung 54, z. B. eine Schnellkupplung,
mit dem ersten Brennstoffspeicher 52 verbunden. Während des
Befüllvorgangs
kann weiter Brennstoff über
die Brennstoffleitung 50 und den Druckminderer 62 der
Anode 48 des Brennstoffzellenstapels 42 zugeführt werden.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 70 ist
also ein kontinuierlicher Weiterbetrieb des Brennstoffzellenstapels 42 während der
Befüllung
des ersten Brennstoffspeichers 52 möglich.