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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff des Anspruchs 5 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme sind zur Erzeugung von elektrischer Energie aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die nachfolgenden Ausführungen sollen sich dabei auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Stapel von einzelnen Brennstoffzellen beziehen, welche beispielhaft als PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sind. Grundsätzlich lassen sich die Ideen jedoch auch auf andere Brennstoffzellentypen analog übertragen. Die Brennstoffzelle beziehungsweise der Brennstoffzellenstapel weist typischerweise immer einen Kathodenbereich auf, welcher mit Sauerstoff, beispielsweise in zugeführter Luft, versorgt wird. Ferner weist die Brennstoffzelle einen Anodenbereich auf, welcher mit einem Brennstoff, typischerweise einem wasserstoffhaltigen Gas oder Wasserstoff, in gasförmiger Form versorgt wird.
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Für den Anodenbereich ist es nun so, dass dieser entweder von dem Brennstoff durchströmt wird, sodass eine Überschussmenge an Brennstoff als Abgas aus dem Anodenbereich kommt. Je nach Ausführungsform kann der Aufbau dabei so gewählt werden, dass nur eine minimale Menge an Brennstoff aus dem Anodenbereich austritt, während der größte Teil des Brennstoffs in dem Anodenbereich aufgebraucht wird. Man spricht dann von einem sogenannten „Near-Dead-End-Stack”. Die Alternative hierzu wäre eine Brennstoffzelle ohne Ausgang im Anodenbereich, ein sogenannter „Dead-End-Stack”, bei dem der gesamte zugeführte Brennstoff aufgebraucht wird. Als weitere sehr verbreitete Alternative beim Aufbau eines Anodenbereichs kann es außerdem vorgesehen sein, den Anodenbereich mit einem starken Überschuss an Brennstoff zu beaufschlagen. Dann wird eine vergleichsweise große Menge an Brennstoff als Abgas aus dem Anodenbereich herausströmen. Um diesen Brennstoff nicht zu vergeuden, wird dieser dann im Kreislauf, in einer sogenannten „Anodenloop”, zurück zum Eingang des Anodenbereichs geführt und dort mit dem frischen dem Anodenbereich zuströmenden Brennstoff vermischt.
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Mit der Zeit reichert sich im Anodenbereich Stickstoff an, welcher durch die Membranen der Brennstoffzellen von dem Kathodenbereich beziehungsweise der im Kathodenbereich befindlichen Luft in den Anodenbereich diffundiert. Außerdem bildet sich ein Teil des Produktwassers, welches bei der Stromerzeugung mit der Brennstoffzelle entsteht, im Anodenbereich. Bei den typischerweise bevorzugten Bauformen eines Anodenbereichs entweder mit Anodenloop oder in der Art eines Near-Dead-End-Stacks können diese unerwünschten Stoffe mit dem Abgas aus dem Anodenbereich abgeführt werden, oder werden im Falle einer Anodenloop über ein Ablassventil typischerweise von Zeit zu Zeit abgeführt. All diese Abgase, egal ob aus einem Anodenloop oder aus dem Anodenbereich direkt, weisen dabei neben Wasser und inerten Gasen immer auch einen Rest des Brennstoffs beziehungsweise Wasserstoffs auf. Es ist daher aus dem Stand der Technik bekannt, diese Stoffe über einen Brenner oder dergleichen nachzuverbrennen, um Brennstoffemissionen an die Umgebung zu vermeiden.
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Aus der
DE 11 2004 001 483 B4 ist in diesem Zusammenhang ein Aufbau bekannt, bei dem das Abgas aus dem Anodenbereich der Brennstoffzelle in einer Kammer beziehungsweise einem Speichervolumen zwischengespeichert wird, um dann – beispielsweise kontinuierlich – einem Brenner zugeführt zu werden.
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Ein ähnlicher Aufbau ist auch aus der
US 2005/0214617 A1 bekannt. Hier wird ebenfalls ein Sammelbehälter bzw. Speichervolumen für das Abgas aus dem Anodenbereich genutzt. Die Abgabe an die Umgebung erfolgt dabei ebenfalls kontinuierlich und vergleichsweise langsam, sodass eine entsprechende Mischung mit dem Abgas aus dem Kathodenbereich für ein Gesamtabgas sorgt, welches zu allen Zeiten unterhalb eines kritischen Brennstoff-Sauerstoff-Gemischs liegt und so unverbrannt an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Aus dem weiteren Stand der Technik ist es außerdem bekannt, dass, wie es beispielsweise in der
DE 103 06 234 B4 beschrieben wird, die Abgase einer Brennstoffzelle in einem Brenner nachverbrannt werden können. Die nachverbrannten Abgase beziehungsweise das heiße Abgas dieser Nachverbrennung kann dann in einer Expansionsvorrichtung, beispielsweise einer Turbine, genutzt werden. Die genannte Patentschrift beschreibt dabei den Aufbau eines Turboladers, bei dem diese Turbine einen Kompressor beziehungsweise Verdichter für die Zuluft zu dem Kathodenbereich antreibt. Außerdem kann eine elektrische Maschine vorgesehen sein, welche bei Bedarf zusätzliche Antriebsleistung für den Verdichter bereitstellt, und welche bei einem Energieüberschuss an der Turbine auch als Generator betrieben werden kann. Die so erzeugte elektrische Energie kann dann eingespeichert oder anderweitig genutzt werden. Dieser Aufbau wird auch elektrischer Turbolader oder ETC bezeichnet.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 103 25 452 A1 außerdem die Möglichkeit eines „Boost”-Betriebs, bei welchem zusätzlicher Brennstoff für den Brenner zugeführt wird, welcher dann im Bedarfsfall zusätzliche Energie an der Expansionsvorrichtung bereitstellt und so entweder die Luftzufuhr zum Kathodenbereich verbessern kann oder über die elektrische Maschine unmittelbar elektrische Energie erzeugt. Im Anwendungsfall bei einem Fahrzeug kann dieser Boostbetrieb beispielsweise dazu genutzt werden, im Falle einer Beschleunigungsanforderung des Fahrzeugs kurzfristig sehr schnell eine große Menge an elektrischer Energie bereitzustellen, bis die in ihrer Dynamik vergleichsweise langsame Brennstoffzelle die Anforderung entsprechend umsetzt und den Energiebedarf ihrerseits vollständig deckt. Über einen solchen Boostbetrieb kann also die Dynamik der elektrischen Leistungserzeugung durch das Brennstoffzellensystem verbessert werden.
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Die hier vorliegende Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches die Energienutzung und die Dynamik in dem Brennstoffzellensystem optimiert, und welches mit minimalem Bauraum und effizienter Nutzung der eingesetzten Energie die an das Brennstoffzellensystem gerichteten Leistungsanforderungen bedient.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Eine verfahrensgemäße Lösung zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems ergibt sich aus den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass ein Brennstoffzellensystem aufgebaut wird, bei welchem die Abgase aus dem Bereich der Anode in einem Speichervolumen zwischengespeichert werden, bevor sie von dort in den Bereich eines Brenners gelangen. In dem Brenner werden sie dann entsprechend umgesetzt und die heißen Abgase des Brenners treiben eine Expansionsvorrichtung an, in welcher die heißen Abgase entspannt werden. Damit kann mit der Expansionsvorrichtung der Energieinhalt in den Abgasen aus dem Bereich der Anode durch eine Verbrennung, beispielsweise zusammen mit den Abgasen aus der Kathode, welche Restsauerstoff enthalten, genutzt werden. Die Energiebilanz eines derartigen Systems wird also besser ausfallen als bei einem System, bei welchem die Abgase lediglich verbrannt werden, um das Austreten von Brennstoffemissionen zu verhindern. Außerdem ermöglicht der Einsatz eines Speichervolumens eine sehr effiziente Ansteuerung und einen sehr effizienten Betrieb der Expansionsvorrichtung beziehungsweise des Brenners, da Kathodenabgas gesammelt und gezielt dem Brenner zugeführt werden kann, insbesondere wenn ein entsprechender Energiebedarf vorhanden ist.
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In entsprechenden Weiterbildungen der Erfindung ist es hierfür vorgesehen, dass die Expansionsvorrichtung als Turbine in einem Turbolader ausgebildet ist. Wenn außerdem noch eine Ventileinrichtung zur Steuerung oder Regelung des aus dem Speichervolumen austretenden Volumenstroms, gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, vorgesehen ist, dann kann über die Turbine als Expansionsvorrichtung sehr gezielt immer dann die Verbrennung der Abgase aus dem Anodenbereich erfolgen, wenn die Energie zum Fördern von Zuluft zur Kathode ohnehin benötigt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sieht dabei eine Ventileinrichtung nach dem Speichervolumen vor. Die Strömung des Anodenabgases aus dem Speichervolumen kann so beeinflusst werden. Besonders bevorzugt kann diese in Abhängigkeit des Füllgrads in dem Speichervolumen eingestellt werden. So kann beispielsweise aus einem diskontinuierlichen Abströmen des Abgases aus dem Anodenbereich, welches insbesondere zum Entfernen von im Anodenbereich angesammeltem Wasser von besonderem Vorteil ist, ein entsprechendes Sammeln des diskontinuierlich abströmenden Abgases in dem Speichervolumen erfolgen. Von dort kann es dann kontinuierlich oder bei einem entsprechenden Energiebedarf über einen gewissen Zeitraum kontinuierlich dem Brenner zugeführt werden, um so im Bereich der Expansionsvorrichtung die angeforderte Leistung bereitstellen zu können.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich. Dieses wird unter Bezugnahme auf die Figuren nachfolgend näher beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines möglichen Aufbaus eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
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2 einen Ablaufplan zum Betreiben des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems.
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In der Darstellung der 1 ist beispielhaft ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Dieses besteht im Kern aus einer Brennstoffzelle 2, welche beispielhaft als Stapel von PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sein soll. Dieser Stapel 2 oder Stack von einzelnen Brennstoffzellen weist einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 auf. Dem Anodenbereich 3 wird Wasserstoff aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 5 zugeführt, wobei hier auf Druckminderer, Ventile und dergleichen in der Darstellung der 1 verzichtet wurde. Ungeachtet dessen sind diese in der an sich bekannten Art und Weise vorhanden. Dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 wird über einen Verdichter 6, welcher hier als Teil eines später noch näher beschriebenen elektrischen Turboladers 7 (ETC) ausgebildet ist, Luft zugeführt. Der Verdichter 6 ist beim hier dargestellten Aufbau bevorzugt als Strömungsverdichter ausgebildet, alternative Ausgestaltungen und Bauweisen des Verdichters 6 wären jedoch ebenso denkbar. Die über den Verdichter 6 angesaugte Luft strömt dann zu einem Ladeluftkühler 8 und von dort in den Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2. In der Brennstoffzelle 2 wird in an sich bekannter Art und Weise der Wasserstoff im Anodenbereich mit dem Sauerstoff der im Kathodenbereich 4 befindlichen Luft umgesetzt, wobei Wasser und elektrische Leistung erzeugt wird. Aus dem Kathodenbereich 4 strömt dann ein Abgas, welches im Wesentlichen eine an Sauerstoff abgereicherte Abluft zusammen mit einem gewissen Anteil an Wasser und Wasserdampf ist. Diese vergleichsweise kühle Abluft strömt dann wiederum durch den Ladeluftkühler 8 und kühlt dort die nach dem Verdichter 6 aufgeheizte Zuluft auf ihrem Weg zum Kathodenbereich 4. Nach dem Ladeluftkühler 8 strömt die Luft in einen Mischer 9 und von dort in einen Brenner 10, welcher beispielsweise als Porenbrenner, insbesondere jedoch als katalytischer Brenner ausgebildet ist.
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Um in dem Mischer 9 ein brennbares Gemisch zu erzeugen, strömt dem Mischer 9 außerdem ein Abgas aus dem Anodenbereich 3 der Brennstoffzelle in später noch näher beschriebener Art und Weise zu. Bei Bedarf kann außerdem über eine Ventileinrichtung 11 optionaler Wasserstoff zu dem Mischer 9 geleitet werden, sodass in dem Mischer 9 in jedem Fall ein Gemisch entsteht, welches in dem Brenner 10 verbrannt werden kann. Die heißen Abgase des Brenners 10 strömen dann in eine Expansionsvorrichtung 12, welche hier wiederum als Teil des elektrischen Turboladers 7 ausgebildet ist. Die Expansionsvorrichtung 12 wird typischerweise als Turbine ausgebildet, welche auf einer gemeinsamen Welle mit dem Verdichter 6 angeordnet ist. Bei der hier verwendeten Ausgestaltung als elektrischer Turbolader 7 ist auf der gemeinsamen Welle außerdem eine elektrische Maschine 13 angeordnet.
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Im Wesentlichen kann man dabei drei verschiedene Betriebsarten des elektrischen Turboladers 7 unterscheiden. Entweder die Expansionsvorrichtung 12 kann die gesamte für den Verdichter 6 benötigte Energie bereitstellen, dann wird die elektrische Maschine 13 lediglich leer mitlaufen. Bei einem Energieüberschuss im Bereich der Expansionsvorrichtung 12 kann die elektrische Maschine 13 als Generator betrieben werden. Dann kann zusätzlich elektrische Energie über die Expansionsvorrichtung 12 und die elektrische Maschine 13 erzeugt werden, welche alternativ oder ergänzend zur elektrischen Energie aus der Brennstoffzelle 2 zur Verfügung steht. Damit kann beispielsweise bei der Ausrüstung eines Fahrzeugs mit dem Brennstoffzellensystem 1 ein sprunghafter Anstieg der Leistungsanforderung innerhalb sehr kurzer Zeit erfüllt werden. Über die Ventileinrichtung 11 wird dann bei Bedarf optionaler Brennstoff für den Brenner 10 zur Verfügung gestellt werden, sodass über einen Boost beziehungsweise Turbo-Boost die elektrische Energie an der elektrischen Maschine 13 bereitsteht. Im letzten Anwendungsfall, in dem die Expansionsvorrichtung 12 nicht die gesamte für den Verdichter 6 benötigte Energie bereitstellen kann, kann die elektrische Maschine 13 auch motorisch betrieben werden, um so die benötigte Energiedifferenz auszugleichen.
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Im bevorzugten Aufbau der Erfindung soll der Anodenbereich 3 nun als sogenannter „Near-Dead-End”-Anodenbereich 3 ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass der Anodenbereich 3 von Wasserstoff durchströmt wird und so ausgestaltet ist, dass als Abgas lediglich ein sehr kleiner Anteil an Wasserstoff sowie gegebenenfalls durch die Membranen hindurchdiffundierter Stickstoff und eine gewisse Menge an Produktwasser anfällt. Solche Near-Dead-End-Anodenbereiche werden typischerweise als kaskadierte Anodenbereiche 3 aufgebaut, also so, dass von Abschnitt zu Abschnitt in Strömungsrichtung des Wasserstoffs die zur Verfügung stehende aktive Fläche des Anodenbereichs 3 abnimmt, insbesondere in ähnlichem Maß wie der Wasserstoff im Anodenbereich 3 aufgebraucht wird. Damit ist sichergestellt, dass in etwa dieselbe Menge beziehungsweise Konzentration an Wasserstoff je aktiver Flächeneinheit, welche von dem Wasserstoff überströmt wird, zur Verfügung steht. Derartige Aufbauten erlauben den Verzicht auf eine aufwändige Anodenloop, welche typischerweise über eine Fördereinrichtung, beispielsweise ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse oder dergleichen, betrieben wird, um unverbrauchten Wasserstoff zurück zum Anodeneingang zu führen.
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Ein Near-Dead-End-Anodenbereich 3 kann beispielsweise in kaskadierter Ausgestaltung mit einem Wasserstoffüberschuss von wenigen Prozent auskommen. Dieses Gas wird aus der Brennstoffzelle 2 abgelassen. Dies kann mit einer kontinuierlichen Strömung, beispielsweise durch eine Blende oder dergleichen erfolgen. Es kann insbesondere jedoch auch über eine Ventileinrichtung 14, ein sogenanntes Purge-Ventil, das Purge-Ventil 14 in getakteter Art und Weise erfolgen, sodass das Abgas aus dem Anodenbereich 3 diskontinuierlich beziehungsweise intermittierend abgegeben wird. Dies ermöglicht im Allgemeinen einen besseren Austrag des im Anodenbereich 3 anfallenden Produktwassers, da zum Abblasen dieses Produktwassers dann immer eine größere Druckdifferenz vorliegt, als bei einem kontinuierlichen Abströmen der Abgase aus dem Anodenbereich 3. Die Anodenabgase gelangen nach der Ventileinrichtung 14 dann beispielhaft in einen Wasserabscheider 15, welcher als einfache Wasserfalle ausgebildet ist. Vom Wasserabscheider 15 gelangt das Wasser über eine Ventileinrichtung 16 und ein entsprechendes Leitungselement in den Bereich der Abluft nach der Expansionsvorrichtung 12. Das vom flüssigen Wasser befreite Abgas gelangt über ein Rückschlagventil in ein Speichervolumen 17 und von dort über eine Ventileinrichtung 18 zu dem Mischer 9, um zusammen mit dem Abgas aus dem Kathodenbereich 4 und gegebenenfalls über die Ventileinrichtung 11 optional zugeführtem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 vermischt und dem Brenner 10 zugeführt zu werden.
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Diese Stoffströme sind in der Darstellung der 1 dabei als durchgezogene Linien dargestellt.
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In der Darstellung der 1 sind außerdem diverse Sensoren zu erkennen. Ein Drucksensor 19 ist im Bereich des Speichervolumens 17 angeordnet. Außerdem befindet sich ein Wasserstoffkonzentrationssensor 20 im Bereich der Strömung zwischen dem Mischer 9 und dem Brenner 10. Ein Durchflusssensor 21 für Wasserstoff befindet sich außerdem in dem Leitungselement, welches die Ventileinrichtung 11 mit dem Mischer 9 verbindet. Die Sensoren liefern ihre Werte, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt, an eine Steuerungselektronik 22. Von dieser Steuerungselektronik 22 aus werden dann die in dem Brennstoffzellensystem 1 vorhandenen Ventileinrichtungen 11, 14, 16 und 18 entsprechend gesteuert beziehungsweise die Durchflüsse durch diese Ventileinrichtungen 11, 14, 16 und 18 geregelt.
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Der erfindungsgemäße Aufbau sieht also ein Speichervolumen 17 zusammen mit dem Brenner 10 vor, dessen heiße Abgase in einer Expansionsvorrichtung 12 zusätzlich zur Erzeugung von Energie verwendet werden. Dieser Aufbau erlaubt einen sehr effizienten Betrieb des Brenners 10, da diesem der Wasserstoff aus dem Speichervolumen 17 kontinuierlich oder bei Bedarf kontinuierlich zugeführt werden kann. Außerdem ermöglicht das Speichervolumen 17 ein diskontinuierliches Ablassen der Anodenabgase über die Ventileinrichtung 14. Dies ist aufgrund der höheren Druckdifferenz im Vergleich zum auch denkbaren Abblassen über eine feste Blende zu bevorzugen, da aufgrund der höheren Druckdifferenz mehr Wasser aus dem Anodenbereich 3 ausgetragen wird. Dadurch wird die Systemperformance der Brennstoffzelle 2 verbessert. Der Aufbau mit dem Speichervolumen 17 kann dabei insbesondere über den Drucksensor 19 und die Ventileinrichtung 18 so gesteuert werden, dass der Abstrom des Abgases aus dem Speichervolumen 17 beispielsweise in Abhängigkeit des Drucks und damit in Abhängigkeit des Füllgrads des Speichervolumens 17 veränderbar ist. In der Steuerungselektronik 22 kann außerdem bei der diskontinuierlichen Abgabe von Abgas aus dem Anodenbereich 3 die Frequenz dieser intermittierenden Abgabe über die Ventileinrichtung 14 gespeichert werden. In Abhängigkeit des Lastzustands der Brennstoffzelle 2 kann so eine geeignete Strategie zum Ablassen des Abgases aus dem Anodenbereich 3 ausgewählt werden. Gleichzeitig kann über die Frequenz und die dem Lastpunkt entsprechende Menge an entstehenden Abgasen die Abgasmenge, welche in den Bereich des Speichervolumens 17 strömt, erfasst werden. Auf diese Art kann, ohne dass ein Drucksensor 19 zwingend notwendig ist, ebenfalls der Füllgrad des Speichervolumens bestimmt werden und so das Weiterführen des aus dem Speichervolumen ausströmenden Gases anhand des Füllgrads eingestellt werden.
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Insbesondere im Boost-Betrieb, also wenn über die Ventileinrichtung 11 zusätzlicher Wasserstoff zu dem Mischer 9 und damit zu dem Brenner 10 gefördert wird, weil im Bereich der Expansionsvorrichtung 12 zusätzliche Energie erforderlich ist, kann dieser Aufbau mit dem Speichervolumen 17 seine besonderen Vorteile ausspielen. Über den Wasserstoffsensor 20 kann die Wasserstoffkonzentration des zu dem Brenner 10 strömenden Gases bestimmt werden. Damit lässt sich eine zu erwartende Temperatur bei der Verbrennung im Brenner 10 über die Steuerungselektronik 22 vorausberechnen. Ergibt diese Berechnung, dass eine zulässige Maximaltemperatur droht überschritten zu werden, so kann über die Ventileinrichtung 11 der über den Durchflusssensor 21 erfasste Durchfluss von Wasserstoff entsprechend eingeschränkt beziehungsweise auf einen geringeren Durchfluss geregelt werden. Damit kann sichergestellt werden, dass die zu erwartende Temperatur im Brenner 10 die zulässige Maximaltemperatur nicht übersteigt. Dennoch kann aufgrund des zusätzlichen Wasserstoffs und des in dem Speichervolumen 17 zwischengespeicherten Wasserstoffs die Anforderung hinsichtlich der Leistung an den Boost-Betrieb bis hin zu einer systembedingten Obergrenze erfüllt werden. Dies ist bei vergleichsweise geringem Bedarf an zusätzlichem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 5 und damit sehr energieeffizient möglich.
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Die Größe des Speichervolumens 17 ist für die Funktionalität von entscheidender Bedeutung. Es kann durchaus angebracht sein, das Speichervolumen vergleichsweise groß zu wählen. Insbesondere beim Einsatz des Brennstoffzellensystems 1 in einem Kraftfahrzeug ist die Größe jedoch durch Bauraumeinschränkungen und den Wunsch nach einem geringen Gewicht des Brennstoffzellensystems 1 zu minimieren. Nimmt man eine Brennstoffzelle 2 in einem typischerweise für Kraftfahrzeuge eingesetzten Brennstoffzellensystem 1, beispielsweise eine PEM-Brennstoffzelle mit einer Leistung in der Größenordnung von 50 bis 90 kW, so ergeben sich pro Sekunde je nach Lastfall der Brennstoffzelle 2 Abgasvolumina aus dem Anodenbereich 3, wenn dieser als Near-Dead-End-Stack betrieben wird, welche in der Größenordnung von 0,2 bis ca. 10 Litern liegen. Nun ist es so, dass insbesondere für den Betrieb bei niedriger Last eine Zwischenspeicherung des Anodenabgases 3 über mehrere Sekunden möglich sein sollte. Bei voller Last entsteht neben dem Anodenabgas 3 auch vergleichsweise viel Wasser, welches zur Aufrechterhaltung der Funktionalität des Anodenbereichs 3 ausgetragen werden muss. Bei dieser Konstellation muss die Zwischenspeicherung des Anodenabgases 3 daher nur für einen eher geringen Zeitraum erfolgen. Setzt man nun für die niedrige Last einen Zeitraum von einigen Sekunden, beispielsweise 4 bis 8 Sekunden, an und für die Volllast einen Zeitraum von weniger als 1 Sekunde, so ergibt sich ein optimiertes Speichervolumen in der Größenordnung von 1 bis 3 Litern, insbesondere in der Größenordnung von ca. 2 Litern für das oben genannte System. Der Aufbau lässt sich also hinsichtlich der Funktionalität sowie des Bauraums mit einem Speichervolumen 17 mit einer Speicherkapazität von ca. 2 Litern optimieren.
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Nachfolgend ist nun anhand eines Ablaufdiagramms in 2 ein beispielhafter Betrieb für das in 1 dargestellte Brennstoffzeilensystem 1 dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert.
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In 2 startet der beschriebene Steuerungsablauf, welcher typischerweise in der Steuerungselektronik 22 ausgeführt werden wird, in der mit Start bezeichneten ovalen Box. Im Schritt A1 wird der Druck im Speichervolumen 17 erfasst. Im zweiten Verfahrensschritt A2 wird dieser nachfolgend als P17 bezeichnete Druck mit einem vorgegebenen Referenzdruck verglichen. Der Referenzdruck gibt dabei typischerweise den Druckwert für das volle Speichervolumen 17 an. Sobald der Druck P17 diesen Referenzdruck erreicht beziehungsweise übersteigt, ist das Speichervolumen 17 also gefüllt. Liegt der im Speichervolumen 17 erfasste Druck P17 über dem vorgegebenen Referenzdruck, so wird der Schritt A3 ausgelöst, in welchem der Durchfluss durch die Ventileinrichtung 18 vergrößert wird, das Speichervolumen 17 sich also leert oder der Füllgrad weniger schnell ansteigt. Wird der Druck P17 im Speichervolumen 17 kleiner als der vorgegebene Referenzdruck, so springt die Auswahl zum Verfahrensschritt A4 und die Ventileinrichtung 18 des Speichervolumens 17 wird geschlossen. Nach dem Schritt A4 ist das Verfahren beendet und kann direkt oder nach kurzer Wartezeit wieder gestartet werden.
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Im nachfolgenden Verfahrensschritt A5 wird dann der Betriebspunkt der Brennstoffzelle erfasst. Anhand des Betriebspunkts der Brennstoffzelle kann dann im Schritt A6 festgelegt werden, ob ein Ablassen von Anodenabgas erforderlich ist. Ist dies nicht der Fall, so wird die Ventileinrichtung 14 im Schritt A8 geschlossen. Wenn ein Ablassen erforderlich ist, wird nach dem Schritt A6 der Schritt A7 ausgelöst, in dem über die Ventileinrichtung 14 von dem Anodenbereich 3 Abgas in das Speichervolumen 17 abgelassen wird. Im nachfolgenden Schritt A9 wird dann hinterfragt, ob sich das Brennstoffzellensystem 1 augenblicklich im Boost-Betrieb befindet. Falls dies nicht der Fall ist, wird zurück zum Start beziehungsweise zum Verfahrensschritt A1 gesprungen. Ist dagegen das Brennstoffzellensystem 1 augenblicklich im Boost-Betrieb, so wird weiter zum Verfahrensschritt A10 gesprungen und mit dem Wasserstoffsensor 20 wird die Konzentration des Wasserstoffs, welcher zu dem Brenner strömt, erfasst. Im Verfahrensschritt A11 wird dann Wasserstoffvolumenstrom durch die Ventileinrichtung 11 zu dem Mischer 9 berechnet beziehungsweise erfasst und im Verfahrensschritt A12 entsprechend beeinflusst, typischerweise gedrosselt. Dann findet der Ablauf in der mit Ende bezeichneten ovalen Box sein Ende. Das Verfahren kann dann direkt oder nach kurzer Wartezeit wieder gestartet werden.
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Mit dem beschriebenen Aufbau und dem beschriebenen Verfahren lässt sich durch ein Speichervolumen 17 zur Zwischenspeicherung des Abgases aus dem Anodenbereich 3 und eine Expansionsvorrichtung 12 nach dem Brenner 10 die Brennstoffeffizienz des Brennstoffellensystems 1 steigern, insbesondere wenn es sich um einen Anodenbereich 3 in Near-Dead-End-Ausführung handelt. Durch die Nachverbrennung und die Nutzung der heißen Abgase in der Expansionsvorrichtung 12 lässt sich also Energie einsparen und der Wirkungsgrad des Gesamtsystems kann gesteigert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112004001483 B4 [0005]
- US 2005/0214617 A1 [0006]
- DE 10306234 B4 [0007]
- DE 10325452 A1 [0008]
