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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens einen Brennstoffzellenstapel und einen internen 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 internen ersten Brennstoffspeicher und mindestens einen Brennstoffzellenstapel umfasst, die über eine Brennstoffleitung miteinander verbunden sind.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems.
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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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Die
DE 100 21 681 C2 offenbart ein Energiespeichersystem mit einem ersten Speicher, der mit einer Zuleitung für einen flüssigen Energieträger sowie mit einer Entnahmeleitung zum Transportieren des Energieträgers an einen Verbraucher versehen und der mit einem zweiten Speicher zum Speichern von im ersten Speicher verdampftem Energieträger strömungsverbunden ist.
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Die
DE 11 2005 001 903 T5 offenbart ein Wasserstoffliefersystem mit einem Fluidspeicherbehälter zur Aufnahme eines Wasserstoffspeichermaterials, das Wasserstoff speichert, einem Fluidballastbehälter zum Speichern und Liefern von Wasserstoff an zumindest eine Brennstoffzelle, und einer Druckbeaufschlagungsvorrichtung, die derart ausgebildet ist, um den von dem Speichermaterial freigesetzten Wasserstoff zur Lieferung an den Ballastbehälter druckzubeaufschlagen, wobei der Fluidspeicherbehälter einen Druck aufweist, der kleiner oder gleich dem des Ballastbehälters ist.
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Die
DE 10 2006 020 392 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Systems mit einer Wasserstoff konsumierenden Einheit und einem Wasserstoffspeichersystem, in welchem Wasserstoff mit wenigstens zwei unterschiedlichen Speichermechanismen in wenigstens einem ersten Speicherteil und einem zweiten Speicherteil gespeichert wird, wobei Wasserstoff wahlweise aus dem ersten oder zweiten Speicherteil entnommen wird.
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Die
US 6,651,701 B2 offenbart eine Wasserstoffspeichervorrichtung, umfassend einen Metallhydridspeicher und einen Hochdruckwasserstoffspeicher.
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Die
JP 2000-012062 A offenbart eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff, umfassend einen Haupttank sowie einen Untertank, der zum Starten der Brennstoffzelle dient.
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Der Erfindung liegt 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, die mit einem externen zweiten Brennstoffspeicher verbindbar ist, 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 erfindungsgemäß 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 Kohlegas 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 Entladen 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 befällt 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 aus einem externen zweiten Brennstoffspeicher 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 erfindungsgemäß aus einem zweiten Brennstoffspeicher zugeführt, der 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 Brennstoffzellensystems 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 Umgebungsluft 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.
