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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines heißen Abgasstroms in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme mit Brennern als Vorrichtung zur Bereitstellung eines heißen Abgasstroms sind aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die
DE 103 06 234 A1 eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle. Diese ist als Turbolader mit elektrischer Unterstützung ausgebildet. Im Bereich des Expanders beziehungsweise der Turbine werden dazu heiße Gase entspannt, um zumindest einen Teil der für die Luftversorgung benötigten Energie bereitzustellen. Zur Erzeugung der heißen Gase ist ein Brenner in Form eines Porenbrenners oder eines katalytischen Brenners vorgesehen. Dieser verbrennt die Abgase der Brennstoffzelle und kann bei Bedarf zusätzlich mit dem Brennstoff der Brennstoffzelle versorgt werden. Aus dem japanischen Abstract
JP 59075571 A ist ein vergleichbarer Aufbau ebenfalls bekannt.
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Die Aufbauten sind zwar in der Lage heiße Gase in dem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, es ist jedoch häufig nicht sichergestellt, dass die gesamten in dem Abgas der Brennstoffzelle enthaltenen unerwünschten Reste, beispielsweise Reste von Kohlenwasserstoff beim Einsatz eines Gaserzeugungssystems, wie in dem JP-Abstract, oder Reste vom Wasserstoff beim Einsatz eines Wasserstoffspeichers, wie in der DE-Schrift dargestellt, vollständig umgesetzt werden. Dies wird typischerweise daran liegen, dass ein sicheres und zuverlässiges Zünden der katalytischen Reaktion in dem Brenner häufig nur schwer oder nicht ausreichend reproduzierbar erreicht werden kann.
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Die Veröffentlichung
US 2005/0255352 A1 beschäftigt sich daher mit einem katalytischen Brenner, welcher in einem Brennstoffzellensystem angeordnet wird und die Abgase der Brennstoffzelle verbrennt. Um eine sichere und zuverlässige Zündung zu gewährleisten, insbesondere um Wasserstoffemissionen zu vermeiden, wird ein vergleichsweise aufwändiges Verfahren vorgeschlagen, um sicher und zuverlässig eine Entzündung und eine entsprechende katalytische Umsetzung in dem Brenner zu erreichen. Das Verfahren ist dabei entsprechend aufwändig und fehleranfällig, sodass ein sicheres und zuverlässiges Arbeiten, wie es insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug, in welchem das Brennstoffzellensystem die Antriebsenergie bereitstellen soll, benötigt wird, nicht sichergestellt ist.
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Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines heißen Abgasstroms in einem Brennstoffzellensystem anzugeben, welche in jedem Fall sicher und zuverlässig gezündet werden kann, um die sichere und zuverlässige Funktionalität zum Erzeugen eines heißen Abgasstroms einerseits und zum Umsetzen des kompletten der Vorrichtung zugeführten Abgases andererseits zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Brenner sieht es nun vor, dass dieser Brenner eine Verbrennungszone hat, welche ein offenporiges Material mit hoher spezifischer Oberfläche aufweist. Der Brenner kann also beispielsweise als Porenbrenner oder Matrixbrenner beziehungsweise Matrix-Strahlungsbrenner ausgebildet sein. Diesem Brenner wird nun, zusätzlich zu dem Abgas der Brennstoffzelle und der zumindest zeitweisen Zufuhr von Brennstoff, Frischluft zugeführt. Diese Frischluft, welche bevorzugt zusammen mit dem Brennstoff zugeführt wird, ermöglicht es dann, über eine in dem Brenner angeordneten Zündeinrichtung ein Stoffgemisch der Frischluft und des Brennstoffs zu zünden. Durch diese Zündung in beispielsweise Strömungsrichtung vor der eigentlichen Verbrennungszone, also beispielsweise dem porösen Aufbau eines Porenbrenners, gelingt es, in dem Brenner immer sicher und zuverlässig eine Verbrennung durch die vorgelagerte Zündung zu starten. Damit wird sichergestellt, dass die gewünschten heißen Gase, welche beispielsweise zum Antrieb einer Turbine genutzt werden können, immer dann bereitstehen, wenn diese benötigt werden. Außerdem wird erreicht, dass der Brennstoff und das Abgas aus der Brennstoffzelle immer vollständig im Bereich des Brenners umgesetzt werden kann, sodass keine Emissionen an Wasserstoff, Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid Stickoxiden (NOx) oder Ähnlichem an die Umgebung des Brennstoffzellensystems gelangen.
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Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass Frischluft und Brennstoff der Brennstoffzelle in Strömungsrichtung nach der Zündeinrichtung und vor der Verbrennungszone mit den Abgasen aus der Brennstoffzelle zusammengeführt sind. Dieser Aufbau erlaubt eine sehr kontrollierbare und zuverlässige Zündung des Brennstoff zusammen mit der zugeführten Frischluft, während die Abgase dann erst nach erfolgter Zündung vor oder beim Erreichen der Verbrennungszone mit diesem bereits brennenden Gemisch zusammengeführt sind. Dies hat den Vorteil, dass unabhängig von der Zusammensetzung der Abgase in jedem Fall ein zündfähiges Gemisch erreicht werden kann, da im Bereich der Zündeinrichtung lediglich der Brennstoff und die Frischluft vorliegt, deren Mischungsverhältnis entsprechend leicht kontrollierbar ist, ohne dass über eine aufwändige Sensorik beispielsweise der Restbrennstoffgehalt und der Restsauerstoffgehalt in den Abgasen ermittelt werden müsste.
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In einer alternativen Ausführungsform hiervon ist es vorgesehen, dass die Frischluft und der Brennstoff der Brennstoffzelle so in den Bereich der Zündeinrichtung geführt sind, dass lokal ein zündfähiges Gemisch vorliegt. Anstelle der oben beschriebenen Zusammenführung der Gasströme erst nach der Zündung durch eine entsprechende Trenneinrichtung oder getrennte Leitungselemente ist es gemäß der alternativen Ausführungsform vorgesehen, dass durch eine gerichtete Zufuhr der Frischluft und des Brennstoffs in den Bereich der Zündeinrichtung an der Zündeinrichtung lokal ein zündfähiges Gemisch vorliegt. Die Frischluft und der Brennstoff können beispielsweise über düsenähnliche Elemente oder einen gerichteten Zustrom unter erhöhtem Druck so zugeführt werden, dass diese so in den Bereich der Zündeinrichtung strömen, dass hier eine höhere Konzentration an Frischluft und Brennstoff vorliegt als in den umgebenden Bereichen, in denen mehr Abgase aus der Brennstoffzelle vorhanden ist.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass das offenporige Material mit hoher spezifischer Oberfläche zumindest ein katalytisch aktives Material aufweist. Der Brenner ist dann also nicht als reiner Porenbrenner, Matrixbrenner oder dergleichen ausgeführt, sondern gleichzeitig als katalytischer Brenner, welcher ohne offene Flamme die entsprechenden Ausgangsstoffe sicher und zuverlässig umsetzt.
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Die Zündeinrichtung kann dabei grundsätzlich auf verschiedene Arten ausgebildet sein. So sind beispielsweise Zündeinrichtung in Form von Glühelementen, beispielsweise als keramischer Glühzünder oder als Glühwendel, denkbar. Besonders effizient ist jedoch eine Zündeinrichtung, welche das Stoffgemisch über Funken zündet. Über einen solchen Funken wird sicher und zuverlässig mit vergleichsweise kleiner Energiemenge eine Zündung des zündfähigen Gemischs aus Luft und Brennstoff erreicht, wobei über eine Zündeinrichtung, welche mit Funken arbeitet, die Zündung sehr schnell erreicht werden kann, ohne dass eine Vorglühdauer oder Ähnliches notwendig ist.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Zündeinrichtung ist es vorgesehen, dass diese als Funkenbandzünder ausgebildet ist. Ein solcher aus dem Bereich der Heiztechnik an sich bekannter Funkenbandzünder erlaubt es über eine Vielzahl von nacheinander erfolgenden Funken sicher und zuverlässig eine Zündung herbeizuführen, auch dann, wenn die Gase an dem Funkenbandzünder vorbeiströmen und dadurch im Bereich des eigentlichen Funkens schwankende Konzentrationen der einzelnen Bestandteile des Gasgemischs vorliegen. Durch die fortwährende Bereitstellung von Funken kann auch in solchen einem strömenden Gemisch in jedem Fall eine Zündung erreicht werden.
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Gemäß einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es vorgesehen, dass der Funkenbandzünder als Hochfrequenzfunkenbandzünder ausgebildet ist. Ein solcher Hochfrequenzfunkenbandzünder, auch als HF-Zünder bezeichnet, hat dabei gegenüber dem normalen Funkenbandzünder den Vorteil, dass er sehr schnell startet und aufgrund der sehr hohen Frequenzen anstelle eines vergleichsweise lauten Funkengeräusches nur ein leises Surren von sich gibt, sodass, insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug, eine Verminderung der anfallenden Geräusche erreicht werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert wird.
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Dabei zeigen:
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1 eine erste mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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2 eine weitere mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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3 eine erste mögliche Ausführungsform eines Brenners für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung;
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4 eine alternative Ausführungsform eines Brenners für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung; und
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5 eine weitere alternative Ausführungsform eines Brenners für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 2, welche beispielsweise als Stapel von PEM-Brennstoffzellen aufgebaut ist. Dabei wird ein Kathodenraum 3 und ein Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 durch protonenleitende Membranen 5 voneinander getrennt. Als Oxidationsmittel zum Betrieb der Brennstoffzelle 2 dient typischerweise der Sauerstoff in der Luft, wozu Luft über eine Luftfördereinrichtung 6 in den Kathodenraum 3 gefördert wird. Dem Anodenraum 4 wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt werden. Der in diesem Druckgasspeicher 7 unter einem hohen Druck gespeicherte Wasserstoff wird über eine Ventileinrichtung 8 dem Anodenraum 4 zugeführt und dabei auf ein Druckniveau entspannt, welches für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 geeignet ist. Beim Einsatz von reinem Wasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzelle 2 wird dieser dem Anodenraum 4 typischerweise mit einem höheren Volumenstrom zur Verfügung gestellt, als in dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 umgesetzt werden kann. Dies dient einer möglichst gleichmäßigen Versorgung der gesamten zur Verfügung stehenden aktiven Fläche der protonenleitenden Membranen 5 mit einer ausreichenden Menge an Wasserstoff. Der unverbrauchte Wasserstoff wird dann aus dem Anodenraum 4 über eine Rezirkulationsleitung 9 abgeführt und mittels einer Rezirkulationsfördereinrichtung 10, beispielsweise einem Wasserstoffrezirkulationsgebläse und/oder einer Gasstrahlpumpe oder dergleichen, zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 7 wieder dem Anodenbereich 4 zugeführt. Mit der Zeit reichert sich im Bereich der Rezirkulationsleitung 9 Stickstoff an, welcher durch die Membranen 5 hindurch in den Anodenraum 4 gelangt ist, ebenso eine geringe Menge an Produktwasser, welche im Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 entsteht. Da diese inerten Stoffe in der Brennstoffzelle nicht umgesetzt werden können, verringern diese die Wasserstoffkonzentration in dem Volumen der Rezirkulationsleitung 9 und des Anodenraums 4 mit der Zeit. Von Zeit zu Zeit werden daher die im Bereich der Rezirkulationsleitung 9 befindlichen Stoffe über eine Ablassleitung 11 und eine darin angeordnete Ventileinrichtung 12 abgelassen, um die Wasserstoffkonzentration im Anodenraum 4 aufrechterhalten zu können. Da bei diesem Ablassen über die Ablassleitung 11, die sogenannte Purge-Leitung, immer auch eine gewisse Menge an Restwasserstoff aus dem System entweicht, muss der abgelassene Stoffstrom in der später noch näher beschriebenen Art und Weise nachbehandelt werden, um keine Emissionen an die Umgebung zuzulassen.
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Die Membranen 5 der Brennstoffzelle 3 sind vergleichsweise empfindlich gegen eine Austrocknung. Da der über die Luftfördereinrichtung 6 geförderte Volumenstrom an Luft typischerweise trocken ist, kann ein entsprechend hoher Luftvolumenstrom die Austrocknung der Membranen 5 beschleunigen. Daher kann in dem Brennstoffzellensystem 1 ein Befeuchter 13 vorgesehen sein, welcher beispielsweise als Gas-Gas-Befeuchter ausgebildet ist. Der Kern eines solchen Befeuchters 13 sind für Wasserdampf durchlässige Membranen. Auf der einen Seite der Membranen strömt der trockene von der Luftfördereinrichtung 6 geförderte Gasstrom. Auf der anderen Seite der Membranen strömt der Abgasstrom aus dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2. Da der größte Teil des Produktwassers im Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 entsteht, ist dieser Abgasstrom entsprechend mit Flüssigkeit in Form von Wasserdampf und Tröpfchen beladen. Der Wasserdampf kann durch die Membranen hindurch in dem Befeuchter 13 die trockene Zuluft befeuchten, sodass einerseits die Abluft entfeuchtet und andererseits durch die befeuchtete Zuluft eine Befeuchtung der Membranen 5 der Brennstoffzelle 2 sichergestellt werden kann. Da nicht in allen Situationen die volle Befeuchtung gewünscht ist, kann außerdem um den Befeuchter 13, hier beispielhaft im Bereich der Zuluftleitung zum Kathodenraum 3, prinzipiell ist dies aber auch analog im Bereich der Abluftleitung vom Kathodenraum 3 möglich, ein Bypass 14 angeordnet sein. Dieser kann über eine Ventileinrichtung 15 so gesteuert werden, dass der durch den Befeuchter 13 strömende zu befeuchtende Volumenstrom entsprechend aufgeteilt wird. Damit kann eine einstellbare Feuchte im Bereich des Kathodenraums 3 erzielt werden.
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Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in 1 zeigt außerdem einen Ladeluftkühler 16, welcher ebenfalls von der Zuluft nach der Luftfördereinrichtung 6 einerseits und der Abluft aus dem Kathodenraum 3 andererseits durchströmt wird. Nach der Luftfördereinrichtung 6 wird die geförderte Luft entsprechend heiß sein, da diese sich bei der Verdichtung entsprechend erhitzt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 3 ist dagegen kühler. Durch den Ladeluftkühler 16 kommt es nun zu einem Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Gasströmen, sodass die zu dem Kathodenraum 3 geförderte Luft abgekühlt in die von dem Kathodenraum 3 abströmende Luft erwärmt wird. Durch die abgekühlte Luft nach der Luftfördereinrichtung 6 wird die Gefahr eines Austrocknens der Membranen 5 der Brennstoffzelle weiter verringert. Die in den Ladeluftkühler 16 in die Abluft von dem Kathodenraum 3 eingetragene Wärme kann hier nutzbringend genutzt werden, wie es später noch näher beschrieben wird.
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Die erwärmte Abluft aus dem Ladeluftkühler 16 strömt über eine Abluftleitung 18 dann in einen Brenner 17, in welchem sie zusammen mit Restwasserstoff aus der Ablassleitung 11 und bei Bedarf über eine Wasserstoffleitung 19 und eine Ventileinrichtung 20 mit zugeführten Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 7 umgesetzt werden kann. Außerdem wird dem Brenner 17 Frischluft über eine Frischluftleitung 21 mit einer Ventileinrichtung 22 zugeführt, welche dem Zuluftstrom zum Kathodenbereich nach der Luftfördereinrichtung 6 entnommen ist. In dem Brenner 17 werden nun in einer Verbrennungszone 23 diese Ausgangsstoffe in einer Verbrennung umgesetzt. Die Verbrennungszone 23 kann dabei insbesondere mit einem offenporigen Material mit hoher spezifischer Oberfläche ausgestattet sein. Der Brenner 17 kann also beispielsweise als Porenbrenner oder Matrixbrenner ausgebildet sein.
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Die aus den beschriebenen Ausgangsstoffen erzeugten heißen Abgase 30 gelangen bei dem Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 in 1 dann in den Bereich einer Turbine 24 und werden im Bereich dieser Turbine 24 entspannt und abgekühlt. Dadurch lässt sich über die Turbine 24 mechanische Energie aus dem heißen Abgasstrom 30 des Brennstoffzellensystems zurückgewinnen. Über die Turbine 24 kann in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar die Luftfördereinrichtung 6 mit mechanischer Energie versorgt werden. Außerdem kann eine elektrische Maschine 25 vorgesehen sein, welche bei entsprechendem Energieüberschuss im Bereich der Turbine 24 generatorisch betrieben werden kann, um zusätzlich elektrische Energie aus dem heißen Abgasstrom 30 zurückzugewinnen. Wird durch die Luftfördereinrichtung mehr Energie benötigt als durch die Turbine 24 bereitgestellt werden kann, dann kann die elektrische Maschine 25 auch motorisch betrieben werden. In diesem Fall würde sie die benötigte Energiedifferenz zur Förderung des Luftstroms über die Luftfördereinrichtung 6 bereitstellen. Dieser Aufbau aus Turbine 24, elektrischer Maschine 25 und Luftfördereinrichtung 6, welche bei diesem Aufbau typischerweise als Strömungsverdichter ausgebildet ist, wird im Allgemeinen auch als elektrischer Turbolader 26 oder ETC (Electric Turbo Charger) 26 bezeichnet.
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Neben einem solchen ETC 26 wäre selbstverständlich auch eine andere Nutzung der heißen Abgase 30 denkbar, beispielsweise in einem System zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff über Dampfreformierung, autotherme Reformierung oder dergleichen. Außerdem wäre es selbstverständlich denkbar, die Turbine 24 nicht in einem ETC anzuordnen, sondern in einem freilaufenden Turbolader, welcher auf der einen Seite die Turbine 24 und auf der anderen Seite lediglich die Luftfördereinrichtung 6 als Strömungsverdichter aufweist. Der Strömungsverdichter des freilaufenden Turboladers könnte beispielsweise eine Stufe der Luftfördereinrichtung 6 bilden. Außerdem wäre es natürlich denkbar, den Strömungsverdichter auf beliebige andere Art anzutreiben und die Turbine 24 lediglich mit einer elektrischen Maschine 25 beziehungsweise einem elektrischen Generator 25 zu koppeln. In diesem Fall könnte über die Turbine 24 elektrische Energie bereitgestellt werden. Ebenso wäre es denkbar, die von der Turbine 24 erzeugte mechanische Energie über eine entsprechende Getriebeeinheit direkt mechanisch zum Antrieb von Hilfsaggregaten und/oder zur Unterstützung des Antriebs eines Fahrzeugs zu nutzen.
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Dabei wird in dem Brenner 17 das gesamte Abgas aus dem Bereich der Brennstoffzelle 2 genutzt. Durch die optionale Zufuhr von Wasserstoff über die Wasserstoffleitung 19 und die Ventileinrichtung 20 ist es auch möglich, die Turbine gezielt zu beheizen. In solchen Fällen ließe sich beispielsweise ein Boostbetrieb des Brennstoffzellensystem 1 realisieren, bei dem durch die Zugabe von Wasserstoff in den Brenner 17 vorübergehend eine vergleichsweise hohe Energiemenge über die Turbine 24 bereitgestellt werden kann. Diese könnte über die elektrische Maschine 25 als Generator dann in Strom umgewandelt werden, welcher beispielsweise in einem Fahrzeugsystem genutzt werden könnte, um dynamische Leistungsanforderungen zu befriedigen, welche die Brennstoffzelle 2 so nicht ausreichend schnell decken kann. Dies erlaubt beispielsweise einen Boostbetrieb oder im Notfall auch einen Betrieb bei abgeschalteter Brennstoffzelle 2.
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In der Darstellung der 2 ist nun ein vergleichbarer Systemaufbau zu erkennen, welcher so alternativ zu dem oben dargestellten Brennstoffzellensystem 1 eingesetzt werden könnte. Der Aufbau unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch, dass keine Rezirkulationsleitung 9 um den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 existiert. Bei diesem Aufbau wird der Anodenraum 4 also nur mit einem geringen Überschuss an Wasserstoff versorgt, welcher durch die analog vorhandene Ablassleitung 11, welche hier kein Ventil aufweist, direkt dem Brenner 17 zugeführt und zusammen mit der Abluft aus dem Kathodenraum 3 in diesem umgesetzt wird. Es kommt hier also zu einer kontinuierlichen Umsetzung der beiden Abgasströme aus der Brennstoffzelle 2, wobei auch hier zusätzliche Luft und/oder zusätzlicher Wasserstoff über die Wasserstoffleitung 19 beziehungsweise die Frischluftleitung 21 zugeführt werden kann. Bei dem Aufbau wurde außerdem auf einen Befeuchter 13 sowie Bypassleitung 14 und Ventileinrichtung 15 verzichtet. Je nach Typ der eingesetzten Membranen 5 ist ein solcher Betrieb ohne Befeuchtung mittlerweile auch bei PEM-Brennstoffzellen denkbar. Prinzipiell sind sicher auch Aufbauten denkbar, bei denen auf einen Ladluftkühler 16 verzichtet werden kann. Dieser hat bei dem hier beschriebenen Aufbau jedoch den Vorteil, dass die Abluft aus dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 entsprechend erwärmt wird, sodass dem Brenner 17 bereits ein warmer Abgasstrom zur Verfügung gestellt werden kann. Außerdem schont ein entsprechend abgekühlter Zuluftstrom zum Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 die Membranen 5, was insbesondere beim Einsatz ohne einen Befeuchter 13 von Vorteil für die Lebensdauer der Membranen 5 ist. Damit lässt sich die Energieausnutzung und die Abgastemperatur des Brenners 17 steigern, sodass der Ladeluftkühler 16 hier hinsichtlich der Lebensdauer der Membranen 5 und der Ausnutzung der eingesetzten Energie Vorteile bietet.
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Auch bei der Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 in der Ausführungsform gemäß 2 ist der Aufbau mit einem elektrischen Turbolader 26 versehen, wobei auch hier für den elektrischen Turbolader 26 das oben bereits ausgeführte gilt und dieser rein beispielhaft zu verstehen ist.
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Der wesentliche Aspekt bei den in den 1 und 2 beschriebenen Brennstoffzellensystemen liegt nun im Aufbau des Brenners 17. Dieser Brenner 17 ist, wie bereits erwähnt, mit einer Verbrennungszone 23 versehen, welche ein offenporiges Material mit hoher spezifischer Oberfläche aufweist. Die Verbrennungszone 23 kann dabei beispielsweise als Verbrennungszone eines Porenbrenners ausgebildet sein, welcher poröse, keramische oder metallische Strukturen, beispielsweise offenporige Sinterstrukturen oder Schäume aufweist. Ebenso sind metallische oder keramische Gewirke denkbar. Auch Faserpakete mit einer orientierten Ausrichtung der Fasern, im Gegensatz zu der nicht orientierten Ausrichtung der Fasern bei Gewirken, sind möglich. Der Brenner 17 kann alternativ dazu auch als Matrixbrenner mit keramischen oder metallischen Geweben oder Netzen als Verbrennungszone 23 ausgebildet sein. Der Brenner 17 sorgt in dem Aufbau der Brennstoffzellensysteme 1 gemäß den 1 und 2 nicht nur für die Bereitstellung von heißen Abgasen 30 zum Betrieb der Turbine 24, sondern auch für eine vollständige Verbrennung der Abgase aus der Brennstoffzelle 2, sodass sichergestellt ist, dass kein Wasserstoff oder beim prinzipiell auch möglichen Aufbau mit einem wasserstoffhaltigen Gas aus einem Gaserzeugungssystem keine Kohlenwasserstoffe und kein Kohlemonoxid an die Umgebung gelangt.
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Die Verbrennungszone 23 des Brenners 17 kann dafür in der oben genannten Art als Porenbrenner oder Matrixbrenner ausgebildet sein. Zusätzlich ist der Aufbau als katalytischer Brenner 17 denkbar und geeignet, bei welchen die Verbrennungszone 23 wenigstens ein katalytisch aktives Material, bevorzugt Palladium, aufweisen kann, um so eine flammenlose katalytische Verbrennung an der hohen spezifischen Oberfläche des offenporigen Materials der Verbrennungszone 23 zu gewährleisten. Damit lassen sich sämtliche dem Brenner 17 zugeführten Stoffe sicher und zuverlässig umsetzen, sodass keine Emissionen an die Umgebung zu befürchten sind.
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Problematisch bei derartigen Brennern 17, insbesondere katalytischen Brennern 17 ist es nun, dass diese entsprechende Temperaturen und Bedingungen benötigen, um sicher und zuverlässig zu zünden. Wie im eingangs beschriebenen Stand der Technik ausgeführt, kommt es häufig zu einem Ausbleiben der Zündung oder die gewünschte Zündung tritt nicht zum gewünschten Zeitpunkt auf. Damit kommt es dann zu unerwünschten Emissionen, welche es zu verhindern gilt. Außerdem wird der Energieinhalt in den zur Verbrennung eingesetzten Stoffströmen nicht vollständig genutzt. Der in den 3 und 4 detailliert beschriebene mögliche Aufbau des Brenners 17 sieht daher eine Zündeinrichtung 27 vor. Über diese Zündeinrichtung 27, welche bevorzugt als hochfrequenter schnellstartender Funkenbandzünder ausgebildet ist, kann eine sichere und zuverlässige Zündung erreicht werden, sodass durch den katalytischen Brenner 17 in allen Betriebszuständen Emissionen, insbesondere auch NOx-Emissionen sicher und zuverlässig unterbunden werden können.
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In der Darstellung der 3 ist dieser Aufbau des Brenners 17 nochmals im Detail dargestellt. Die Zufuhr von Luft und Wasserstoff aus der Frischluftleitung 21 und der Wasserstoffleitung 19 erfolgt bei dem in 3 dargestellten Aufbau des Brenners 17 in einem eigenen Leitungselement, während die Zufuhr des Abgasstroms aus der Brennstoffzelle 2, also der Abluft aus der Abluftleitung 18 und des über die Ablassleitung 11 zugeführten Restwasserstoffs über einen weiteren Leitungsbereich erfolgt. In Strömungsrichtung dieser Gasströme vor der Verbrennungszone 23, welche hier beispielhaft als die Verbrennungszone 23 eines Porenbrenners angedeutet ist, befindet sich die Zündeinrichtung 27, welche hier durch zwei beispielhafte Elektroden symbolisiert ist. Im Bereich der Zündeinrichtung 27 sind die beiden Gasströme, also der vermischte Strom aus der Wasserstoffleitung 19 und der Frischluftleitung 21 und auf der anderen Seite die Abluft aus dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 in der Abluftleitung 18 und der Restwasserstoff aus der Ablassleitung 11 noch getrennt. In der Darstellung der 3 erfolgt diese Trennung der beiden Gasströme im Bereich der Zündeinrichtung 27 über eine entsprechende Zwischenwand 28. Dies stellt jedoch lediglich eine konstruktive beispielhafte Ausführung dar, selbstverständlich wäre als weiteres Beispiel auch die Zufuhr in getrennten Rohrleitungen bis unmittelbar vor den Bereich der Verbrennungszone 23 denkbar, wobei in nur einer der Rohrleitungen die Zündeinrichtung 27 angeordnet ist.
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Der Aufbau, wie der in 3 dargestellt ist, erlaubt es, im Bereich der Zündeinrichtung 27 ein zündfähiges Gemisch aus Wasserstoff und Luft bereitzustellen, welches unabhängig von den Stoffkonzentrationen im Bereich des Abgasstroms von der Brennstoffzelle 2 sicher und zuverlässig gezündet werden kann. Die Zündeinrichtung 27 ist dabei, wie bereits erwähnt, bevorzugt als hochfrequenter schnellstartender Funkenbandzünder ausgebildet. Damit lässt sich das Gasgemisch aus Wasserstoff und Luft in Strömungsrichtung vor der Verbrennungszone 23 sicher und zuverlässig in allen Betriebssituationen zünden, um so eine zuverlässige Zündung des Stoffgemischs zur katalytischen Verbrennung im Bereich der Verbrennungszone 23 zu erreichen. Damit wird in allen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 1 immer eine vollständige Umsetzung der Reststoffe erreicht und insbesondere werden Emissionen verhindert. Durch die Zündung des Luft-Wasserstoff-Gemischs vor Erreichen der eigentlichen Verbrennungszone 23 wird außerdem ein sehr schnelles Erreichen der sogenannten Light-off-Temperatur des Katalysators erreicht. Damit lässt sich über alle Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 1 hinweg eine optimale Ausnutzung des Energiepotentials in den Abgasen der Brennstoffzelle 2 erreichen. Der Aufbau lässt sich dabei klein und kompakt realisieren, sodass der Brenner 17 mit geringem Bauraumbedarf auskommt. Es können außerdem aus dem Bereich der Heiztechnik bekannte Komponenten eingesetzt werden, welche in hoher Stückzahl kostengünstig am Markt verfügbar sind.
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Um die sichere und zuverlässige Zündung bei Bedarf überwachen zu können, ist in der Darstellung des Brenners 17 in 3 außerdem eine Überwachungselektrode 29 vorgesehen, welche die durch die Zündeinrichtung 27 erfolgte Zündung überwachen kann. Nach der Verbrennungszone 23 liegt nun der heiße Abgasstrom vor, welcher hier durch den Pfeil 30 näher bezeichnet ist. Dieser heiße Abgasstrom 30, welcher typischerweise Temperaturen in der Größenordnung von ca. 600°C beim Einsatz eines katalytischen Brenners 17 erreicht, kann dann wie eingangs bereits beschrieben der Turbine 24 zugeführt werden, um dort in mechanische und mittels der elektrischen Maschine 25 gegebenenfalls elektrische Energie umgewandelt zu werden. Damit lässt sich das Energiepotenzial in den Abgasen der Brennstoffzelle 2 ideal nutzen und gleichzeitig wird sichergestellt, dass keine beziehungsweise keine unerwünschten Emissionen in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 gelangen.
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In der Darstellung der 4 ist nun eine alternative Ausführungsform für den Aufbau des Brenners 17 zu erkennen. Dem Brenner 17 werden auch hier wieder ein Abgasstrom aus der Abluftleitung 18 und der Ablassleitung 11 zugeführt. Außerdem Wasserstoff aus der Wasserstoffleitung 19 und Luft aus der Frischluftleitung 21, welche in diesem Ausführungsbeispiel getrennt zugeführt werden. Die Gase gelangen dann in eine Mischzone 31 und werden über Prallbleche 32 oder alternativ hierzu auch über entsprechende Düsen so in den Bereich der Zündeinrichtung 27 geleitet, dass hier immer eine ausreichende Konzentration an Luft und Wasserstoff vorliegt, um ein sicheres und zuverlässiges Zünden zu erreichen. Auch hier kann die Zündung wieder über eine Überwachungselektrode 29 überwacht werden. In dem Ausführungsbeispiel des Brenners 17 gemäß 4 wird also nicht durch eine Trennwand 28 beziehungsweise getrennte Rohrleitungen eine sicher und zuverlässige Zündung im Bereich der Zündeinrichtung 27 erreicht, sondern durch eine gezielte Führung der Gasströme, beispielsweise über die Prallbleche und/oder über hier nicht dargestellte Düsen. Der heiße Abgasstrom 30 gelangt auch hier wieder in den Bereich der Turbine 24.
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In der Darstellung der 5 ist der Aufbau des Brenners 17, wie er im Rahmen der 3 beschrieben wurde, nochmals in einer weiteren alternativen Ausführungsform dargestellt. Die Zufuhr der Abgase aus Abluftleitung 18 und Ablassleitung 11 sowie die Zufuhr von Wasserstoff aus der Wasserstoffleitung 19 und Frischluft aus der Frischluftleitung 21 sind dabei analog dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 ausgestaltet. Die Verbrennungszone 23 ist hier jedoch nicht als Verbrennungszone mit einem offenporigen porösen Material, sondern als Verbrennungszone 23 eines Matrixbrenners beziehungsweise Matrix-Strahlungsbrenners ausgeführt. Sie besteht aus einem Netz oder Gewebe aus metallischem oder keramischem Material. Bei Matrixbrennern üblich erfolgt die Zündung auf der den anströmenden Gasen abgewandten Seite der Oberfläche der Verbrennungszone 23 wiederum durch die Zündeinrichtung 27, welche auch hier in bevorzugter Art und Weise als Hochfrequenzfunkenbandzünder ausgebildet ist. Die Überwachungselektrode 29 ist ebenso vorhanden. Zusätzlich zu dem beschriebenen Aufbau ist außerdem eine sogenannte Flammensperre 33 zu erkennen, welche ein Zurückschlagen von Flammen aus dem Bereich der Verbrennungszone 23 in den Bereich der anströmenden Gase sorgt. Eine solche Flammensperre 33, welche an sich ebenfalls bekannt und Brennern üblich ist, könnte analog dazu auch in den beiden zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der 3 und 4 vorgesehen sein.
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Der Aufbau des Brenners 17 in einer der hier prinzipmäßig angedeuteten grundlegenden Ausführungsvarianten erlaubt, wie bereits erwähnt, einen sehr kompakten Aufbau. Damit ergibt sich die Möglichkeit, dass der Brenner 17 nicht nur in Strömungsrichtung vor der Turbine 24 angeordnet werden kann, sondern dass der Brenner 17 auch in den Bereich der Turbine 24, und hier insbesondere in den Bereich der Einströmleitung, welche typischerweise als Spiralleitung ausgebildet ist, integriert werden kann. Damit geht in dem Abgasstrom 30 keine oder nur sehr wenig Wärme an notwendige Leitungselemente zwischen der Verbrennungszone 23 und der Turbine 24 verloren. Außerdem kann der teure und aufwändige Einsatz von hochtemperaturbeständigen Materialien minimiert werden, da der Abstand zwischen der Verbrennungszone 23 und der Turbine 24 entsprechend verringert werden kann. Insbesondere reicht es aus, dass Einlassgehäuse der Turbine 24 aus hochtemperaturbeständigen Materialien anzufertigen, wenn der Brenner 17 unmittelbar an dieses Einlassgehäuse anschließt oder in dieses integriert ausgeführt ist. Alternativ oder ergänzend kann ein katalytisch aktives Material auch im Bereich der Wände des Einlassgehäuses der Turbine 24 vorgesehen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10306234 A1 [0002]
- JP 59075571 A [0002]
- US 2005/0255352 A1 [0004]
