-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung oder Energierückgewinnung in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Abluftkatalysators in einem Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher definierten Art.
-
Abluftkatalysatoren, beispielsweise in Form von katalytischen Brennern, sind bei Brennstoffzellensystemen aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie werden häufig eingesetzt, um Abluft und insbesondere wasserstoffhaltiges Gas aus der Brennstoffzelle nachzuverbrennen, um so einerseits Emissionen von Wasserstoff an die Umgebung zu verhindern und andererseits die dabei entstehende Energie nutzbar zu machen, insbesondere in einer Abgasturbine, welche vorzugsweise mit einer elektrischen Maschine und einem Verdichter für die der Brennstoffzelle bereitzustellende Luft verbunden sein kann. Ein Beispiel für eine Vorrichtung zum Bereitstellen von heißen Abgasen zum Antrieb einer Turbine ist aus der
DE 10 2010 010 272 A1 bekannt. Dabei ist ein Brenner bzw. katalytischer Brenner, welcher im Wesentlichen dem Abluftkatalysator der hier vorliegenden Beschreibung entspricht, in eine Turbineneinlassspirale eines Abgasturboladers integriert, um so mit minimalem Aufwand hinsichtlich des benötigten Bauraums eine Nutzung von Abgasen, insbesondere von Abgas eines Brennstoffzellensystems, zu ermöglichen. Um eine sichere und zuverlässige Zündung der katalytischen Verbrennung in dem Abluftkatalysator zu realisieren, kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung in der genannten Schrift vorgesehen sein, dass eine Zündeinrichtung vorliegt, über welche die katalytische Verbrennung mittels eines Zündfunkens gezündet werden kann. Diese ist insbesondere so ausgestaltet, dass sie in Strömungsrichtung vor dem eigentlichen katalytischen Material angeordnet ist, um beim Auftreffen des Stoffstroms auf das katalytische Material bereits eine vorbereitete Verbrennung zu realisieren. Der Aufbau kann dabei vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, wobei er mit Abluft aus der Brennstoffzelle, um die Brennstoffzelle herumgeleiteter Luft, Abgas aus der Brennstoffzelle oder frischem zugeführtem Brennstoff gleichermaßen betrieben werden kann.
-
Trotz der Zündeinrichtung kann es in bestimmten Situationen, insbesondere bei einem Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, nun dazu kommen, dass der Katalysator bzw. ein mit dem Katalysator versehenes Trägermaterial in dem Abluftkatalysator sehr kalt oder gegebenenfalls von gefrorener Feuchtigkeit überzogen ist. In diesen Situationen kann trotz der Zündeinrichtung ein sicherer und zuverlässiger Start der katalytischen Verbrennung nicht gewährleistet werden, wodurch es während einer verlängerten Aufwärmung des Systems zu Wasserstoffemissionen an die Umgebung kommen kann. Dies ist sowohl hinsichtlich des Energiebedarfs, als auch hinsichtlich des Zeitbedarfs und der verursachten Emissionen höchst unerwünscht.
-
Zum weiteren Stand der Technik wird außerdem auf die
JP 2006 139 991 A verwiesen, welche einen Kühlkreislauf für eine Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem beschreibt. Der Kühlkreislauf weist eine Heizeinrichtung zum Erwärmen des Kühlmediums für die Brennstoffzelle und damit zum Erwärmen der Brennstoffzelle beispielsweise unter Kaltstartbedingungen auf. Die Heizeinrichtung für das Kühlwasser ist so ausgebildet, dass diese entweder über eine elektrische Beheizung für eine Erwärmung des Kühlwassers sorgt oder über eine katalytische Verbrennung in der Heizeinrichtung heiße Abgase bereitstellt, welche das Kühlwasser erwärmen. Hierfür wird ein Luftstrom durch die Vorrichtung geleitet, welcher entweder von einer elektrischen Heizeinrichtung oder einem katalytischen Brenner erwärmt wird, bevor er in einem Wärmetauscher die Wärme an das Kühlmedium abgibt. Der Betrieb ist dabei so ausgestaltet, dass die Beheizung entweder über die katalytische Verbrennung, insbesondere beim Start des Brennstoffzellensystems, bevor die Brennstoffzelle selbst elektrische Leistung bereitstellt, realisiert sein kann, oder über eine elektrische Beheizung, insbesondere dann, wenn elektrische Leistung von der Brennstoffzelle bereits bereitgestellt wird und damit in ausreichendem Maße vorliegt. Die Integration der beiden Heizmöglichkeiten in eine einzige Heizeinrichtung dient dabei der Realisierung eines möglichst kompakten Aufbaus, sodass Bauraum eingespart werden kann.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung beziehungsweise Energierückgewinnung in einem Brennstoffzellensystem in der durch den zuerst genannten Stand der Technik beschriebenen Art zu schaffen, welche die dort beschriebenen Nachteile vermeidet und einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Vorrichtung gewährleistet. Außerdem ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Verfahren zum Starten eines Abluftkatalysators in einem Brennstoffzellensystem anzugeben, welches ebenfalls dazu geeignet ist, die eingangs genannten Nachteile zu vermeiden.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Energiegewinnung bzw. Energierückgewinnung in einem Brennstoffzellensystem. Sie weist, wie es bei derartigen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt ist, einen Abluftkatalysator sowie eine in Strömungsrichtung nach dem Abluftkatalysator angeordnete Abgasturbine auf. In dem Abgaskatalysator wird dann Luft, insbesondere Abluft aus einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems, sowie Brennstoff für die Brennstoffzelle bzw. Abgas aus der Brennstoffzelle, welche typischerweise eine Restmenge an Wasserstoff aufweist, umgesetzt. Die dabei entstehende thermische Energie wird in der Abgasturbine in Nutzleistung umgewandelt, welche beispielsweise unmittelbar zum Antrieb einer Luftversorgungseinrichtung und/oder einer elektrischen Maschine als Generator genutzt werden kann. Die Energiebilanz des Gesamtsystems wird hierdurch, im Vergleich zur reinen Verbrennung von ohnehin vorhandenen Abgasen aus dem Brennstoffzellensystem verbessert. Außerdem ist es möglich, in bestimmten Betriebssituationen, wenn zusätzliche Energie und/oder Wärme notwendig ist, diese über eine katalytische Verbrennung im Abluftkatalysator bereitzustellen, beispielsweise um das System in der Startphase zu erwärmen, aufzutauen oder um über einen mit der Abgasturbine verbundenen Generator kurzzeitig elektrische Leistung bereitzustellen, beispielsweise um einer Beschleunigungsanforderung eines mit einem derartigen Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeugs sehr schnell entsprechen zu können.
-
All dies ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Nun hat es sich jedoch gezeigt, dass es problematisch ist, dass der Abluftkatalysator in bestimmten Betriebssituationen, insbesondere bei einem Start, vor allem beim Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, nicht oder nicht ausreichend schnell seinen Betrieb aufnimmt. Hierdurch kann es zu Wasserstoffemissionen an die Umgebung kommen und die eigentlich benötigte Wärme und/oder elektrische Leistung, welche über die Abgasturbine und einen Generator bereitgestellt wird oder die an der Abgasturbine abgegriffene mechanische Energie, steht nicht bzw. im gewünschten Umfang zur Verfügung.
-
Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass der Abluftkatalysator eine elektrische Beheizung aufweist. Durch die elektrische Beheizung, welche zumindest zeitweise während des Betriebs des Brennstoffzellensystems, insbesondere jedoch beim Start des Brennstoffzellensystems, eingeschaltet werden kann, ist es nun möglich, insbesondere im Gefrierstart- oder im Kaltstartfall, den Abluftkatalysator zu beheizen, um so eine sichere und zuverlässige Funktionalität und Zündung der katalytischen Reaktion zu ermöglichen. Anders als bei einem nicht beheizten Abluftkatalysator oder einem lediglich mit einem Starter in Form eines Funkenerzeugers oder dergleichen versehenen Abluftkatalysator ist es so möglich, die für den Start der Reaktion notwendige Temperatur schnell und sehr zuverlässig zu erreichen, auch wenn der Katalysator selbst außerordentlich kalt oder gegebenenfalls sogar mit gefrorener Feuchtigkeit bedeckt sein sollte. Ein optimaler Funkenstarter kann dennoch weiterhin vorhanden sein.
-
In einer besonders günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass der Abluftkatalysator eine zumindest teilweise mit einem katalytischen Material beschichtete Trägerstruktur mit einer integrierten elektrischen Beheizung aufweist. Eine solche Integration der elektrischen Beheizung insbesondere in eine das katalytische Material aufweisende bzw. mit diesem beschichteten Trägerstruktur ermöglicht eine sehr energieeffiziente elektrische Beheizung, da die elektrische Beheizung unmittelbar an dem Ort angeordnet ist, an dem die durch sie erzeugte Wärme benötigt wird.
-
In einer besonders günstigen Weiterbildung hiervon ist es dabei vorgesehen, dass die elektrische Beheizung als Widerstandsheizung ausgebildet ist. Eine solche Widerstandsheizung lässt sich bei der Herstellung der Trägerstruktur für das katalytische Material problemlos in diese integrieren und ermöglicht so eine sehr direkte und energieeffiziente Beheizung der Trägerstruktur und des auf der Trägerstruktur aufgebrachten katalytischen Materials.
-
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass der Abluftkatalysator in eine Komponente des Brennstoffzellensystems integriert ausgebildet ist. Eine solche Integration des Abluftkatalysators in eine ohnehin vorhandene Komponente des Brennstoffzellensystems wirkt sich auf den innerhalb des Brennstoffzellensystems benötigten Bauraum sehr vorteilhaft aus und erlaubt eine einfache und kompakte Realisierung. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es dabei vorgesehen sein, dass die Komponente, in welche der Abluftkatalysator integriert ausgebildet ist, eine Turbineneinlassspirale der Abgasturbine ist. Eine solche Integration in die Turbineneinlassspirale der Abgasturbine ist besonders einfach und effizient, da hier der Bauraum typischerweise ohnehin vorhanden ist, und da die Wege für das heiße Abgas vom Abluftkatalysator zu der Turbine außerordentlich klein sind, wodurch Wärmeverluste, welche auf dem Weg zwischen dem Abluftkatalysator und der Turbine auftreten können, minimiert werden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten eines Abluftkatalysators in einem Brennstoffzellensystem zur Umsetzung von Abluft aus einer Brennstoffzelle mit Brennstoffzellenabgas und/oder Brennstoff der Brennstoffzelle ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Abluftkatalysator über eine elektrische Beheizung bei Bedarf erwärmt wird. Ein solcher Bedarf liegt typischerweise immer dann vor, wenn ein sogenannter Kaltstart, also ein Start des Brennstoffzellensystems ausgehend von der Umgebungstemperatur oder insbesondere ein Gefrierstart, also ein Start des Brennstoffzellensystems ausgehend von einer Umgebungstemperatur unter 0°C vorliegt. In diesem Fall kann aufgrund des sehr kalten Abluftkatalysators ein Start der katalytischen Umsetzung von Luft bzw. Abluft und Brennstoff bzw. Abgas nicht oder nur unter sehr erschwerten Bedingungen starten. Über die elektrische Beheizung kann dieser Problematik entgegengewirkt werden, indem der Abluftkatalysator auf eine geeignete Temperatur zum Start der katalytischen Reaktion erwärmt wird und gegebenenfalls ein Auftauen von eventuell gefrorener Feuchtigkeit im Bereich des Abluftkatalysators erfolgen kann, sodass hierdurch ein Start der katalytischen Reaktion nicht behindert wird.
-
In einer besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass das erzeugte heiße Abgas des Abluftkatalysators zumindest in einer Startphase des Brennstoffzellensystems zur Erwärmung von Systemkomponenten eingesetzt wird. Insbesondere in der Startphase kann die über den Abluftkatalysator erzeugte Wärme zum Erwärmen und Auftauen von Systemkomponenten verwendet werden, sodass ein schnellerer Start des Brennstoffzellensystems an sich möglich ist. Dies kann durch eine geeignete Führung der Abgase realisiert sein, beispielsweise in den Bereich einer Abgasturbine, welche in wärmeleitendem mechanischem Kontakt mit einer Luftfördereinrichtung für das Brennstoffzellensystem steht. In diesem Fall wird über das heiße Abgas sowohl die Abgasturbine als auch indirekt die Luftfördereinrichtung mit aufgewärmt, sodass ein schneller Start einer derartigen Komponente durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht wird.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass der Abluftkatalysator in der Startphase des Brennstoffzellensystems während oder nach der elektrischen Beheizung des Abluftkatalysators Luft und Brennstoff zugeführt wird. Insbesondere in der Startphase des Brennstoffzellensystems kann die direkte Zufuhr von Luft und Brennstoff, also ohne diese zuvor durch die Brennstoffzelle zu leiten, von besonderem Vorteil sein, da dann eine ausreichende Sauerstoffmenge und Brennstoffmenge zum Starten der katalytischen Reaktion zur Verfügung steht. Deren Start wird durch die elektrische Beheizung unabhängig von den vorliegenden Umgebungstemperaturen begünstigt und auf eine sehr kurze Startzeit verkürzt. Schnell und zuverlässig kann dann heißes Abgas erzeugt werden, um dieses beispielsweise zum Erwärmen von Systemkomponenten, insbesondere zur Erwärmung von Komponenten eines Luftversorgungssystems des Brennstoffzellensystems verwenden zu können.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
-
Dabei zeigen:
-
1 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
-
2 eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.
-
In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die Erfindung relevanten Ausschnitt dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 ist dabei schematisch angedeutet. Es kann vorzugsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Brennstoffzellenfahrzeug dienen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen aufgebaut ist. Dieser sogenannte Brennstoffzellenstack 2 weist in jeder der Einzelzellen einen Kathodenraum 3 und einen Anodenraum 4 auf, welche bei der bevorzugten Ausführung als PEM-Brennstoffzelle von einer protonenleitenden Membran 5 voneinander getrennt werden. In der schematischen Darstellung ist dabei lediglich einer der Anodenräume 4 und einer der Kathodenräume 3 sowie eine der Membranen 5 beispielhaft dargestellt. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff in nicht näher erläuterter Art und Weise zugeführt und wasserstoffhaltiges Abgas wird entsprechend dem mit 6 bezeichneten Pfeil aus dem Anodenraum 4 abgeführt. Verschiedene Möglichkeiten hierzu sind aus dem Stand der Technik bekannt.
-
Die Kathodenseite der Brennstoffzelle 2 ist so ausgebildet, dass Zuluft über einen Verdichter bzw. eine Luftfördereinrichtung 7, im dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise ein Strömungsverdichter 7, aus der Umgebung gefördert wird. Die verdichtete Zuluft strömt anschließend über einen Ladeluftkühler 8, welcher beispielsweise als Gas-Flüssig-Ladeluftkühler ausgebildet sein kann. Die so abgekühlte Zuluft strömt dann durch einen Befeuchter 9, welcher vorzugsweise als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet ist. In dem Befeuchter 9 wird die Zuluft befeuchtet und weiter abgekühlt, sodass eine feuchte und ausreichend kühle Luft in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 eintritt und dort, ohne eine Schädigung der Protonenaustauschmembranen 5 befürchten zu müssen, als Sauerstofflieferant für die in der Brennstoffzelle 2 ablaufende elektrochemische Reaktion dienen kann. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit dem Produktwasser der Brennstoffzelle 2 beladene Abluft gelangt ebenfalls in den Befeuchter 9 und gibt einen großen Teil der in ihr enthaltenen Feuchtigkeit durch für Wasserdampf durchlässige Membranen an den Zuluftstrom ab. Der Abluftstrom nach dem Befeuchter gelangt dann zuerst in einen Wasserabscheider 10, in dessen Bereich flüssige Tröpfchen zurückgehalten werden. Anschließend strömt die Abluft in einen Abluftkatalysator 11, in welchen sie zusammen mit Wasserstoff, welcher über die mit 12 bezeichnete Leitung zugeführt wird, entsprechend umgesetzt wird.
-
Über die Leitung 12 kann dabei das über die Leitung 6 abströmende Abgas des Anodenraums 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden. Das Abgas des Anodenraums 4 kann dabei direkt in den Abluftkatalysator 11 strömen. Falls ein sogenannter Anodenkreislauf vorhanden ist, in welchem Anodenabgas zum Eingang des Anodenraums 4 zurückgeführt wird, dann wird das Abgas über die Leitung 6 typischerweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Stoffkonzentration in diesem Anodenkreislauf abgelassen. Auch dieses Abgas kann dann dem Abluftkatalysator 11 zugeführt werden. Hierdurch werden Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert. Bei Bedarf, also wenn im Bereich des Abluftkatalysators 11 eine höhere Wärmemenge benötigt wird, was beispielsweise im Startfall des Brennstoffzellensystems 1 der Fall sein kann, dann kann über die Leitung 12 auch Wasserstoff, insbesondere aus derselben Quelle, aus der auch die Brennstoffzelle 2 mit Wasserstoff versorgt wird, zugeführt werden. Das Abgas nach dem Abluftkatalysator 11 ist dann typischerweise aufgrund der in dem Abluftkatalysator 11 stattfindenden katalytischen Reaktion bzw. Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff vergleichsweise heiß und energiereich. Es strömt in eine Abgasturbine 13 und gelangt nach der Abgasturbine 13 entspannt an die Umgebung. Im Bereich der Abgasturbine 13 wird dabei ein großer Teil der Druckenergie und der thermischen Energie in dem Abgas des Abluftkatalysators 11 zurückgewonnen, wodurch die Energiebilanz des Brennstoffzellensystems 1 insgesamt verbessert wird. Die im Bereich der Abgasturbine 13 zurückgewonnene Energie kann dabei insbesondere über eine gemeinsame Welle des Strömungsverdichters 7 und der Abgasturbine 13 direkt zum Antrieb des Strömungsverdichters 7 genutzt werden. In dem auch als elektrischer Turbolader bzw. ETC (Eletric Turbo Charger) bezeichneten Aufbau 14 aus Abgasturbine 13 und Strömungsverdichter 7 ist nun außerdem eine elektrische Maschine 15 angeordnet. Die elektrische Maschine 15 wird typischerweise motorisch betrieben und stellt für den Strömungsverdichter 7 die Energie zur Verfügung, die dieser benötigt, die aber nicht von der Abgasturbine 13 aufgebracht werden kann. In Sondersituationen kann es auch dazu kommen, dass im Bereich der Abgasturbine 13 mehr Leistung anfällt, als von dem Strömungsverdichter 7 benötigt wird. In diesem Fall kann die elektrische Maschine 15 auch generatorisch betrieben werden, um zusätzliche elektrische Leistung innerhalb des Brennstoffzellensystems 1, beispielsweise für von dem Brennstoffzellensystem 1 gespeiste Verbraucher, bereitzustellen. Hierdurch kann beispielsweise bei einem Fahrzeug eine elektrische Beheizung von Komponenten im Startfall des Brennstoffzellensystems 1 erfolgen und/oder es kann bei einer starken Beschleunigung eines mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs zusätzliche elektrische Leistung über die Abgasturbine 13 und den Generator 15 bereitgestellt werden, um sehr dynamisch auf eine Leistungsanforderung des Fahrzeugs reagieren zu können, bevor die Brennstoffzelle 2, welche vergleichsweise langsam reagiert, die erforderliche Leistung bereitstellen kann.
-
All dies ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass auf weitere Details nicht weiter eingegangen werden muss. Selbstverständlich ist der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 dabei rein beispielhaft zu verstehen. Übliche Abwandlungen des Aufbaus, wie sie aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt sind, können selbstverständlich auch hier vorgenommen werden, beispielsweise ein Verzicht auf den Befeuchter 9, eine Integration des Ladeluftkühlers 8 in den Befeuchter 9, eine Verwendung eines Gas/Gas-Ladeluftkühlers oder dergleichen.
-
Die Besonderheit bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem liegt nun in der Vorrichtung zur Energiegewinnung bzw. Energierückgewinnung mittels des Abluftkatalysators 11 und der Abgasturbine 13. Um immer und in allen Betriebssituationen eine sichere und zuverlässige Funktionalität des Abluftkatalysators 11 zu gewährleisten und insbesondere immer sicherstellen zu können, dass in diesem schnell und zuverlässig ein Start der katalytischen Reaktion stattfindet, ist im Bereich des Abluftkatalysators 11 eine elektrische Beheizung 16 vorgesehen, welche bei Bedarf eine Erwärmung des Abluftkatalysators 11 bewirkt, sodass dieser einfach und effizient vorgewärmt und/oder aufgetaut werden kann. Eine sichere Funktionalität der in ihm ablaufenden katalytischen Reaktion in allen Betriebssituationen, insbesondere auch beim Kaltstart bzw. Gefrierstart des Brennstoffzellensystems 1 kann so gewährleistet werden. Die elektrische Beheizung 16 soll insbesondere als Widerstandsbeheizung ausgebildet sein, welche vorzugsweise in eine in 2 erkennbare Trägerstruktur 17 integriert ausgeführt sein kann. Eine solche Trägerstruktur kann beispielsweise auf der Basis einer Keramik, vorzugsweise eines Aluminiumoxids oder dergleichen, ausgebildet sein. Sie ist typischerweise ganz oder teilweise mit einem katalytisch aktiven Material, beispielsweise Platin oder einem platinhaltigen Material beschichtet. In diese Trägerstruktur 17 kann dann die elektrische Beheizung 16 in Form einer Widerstandsheizung beispielsweise durch in die Tragstruktur integrierte Drähte oder in die Trägerstruktur 17 integrierte elektrisch leitende Bereiche mit vergleichsweise hohem Widerstand integriert sein. Hierdurch wird eine zuverlässige und sichere Beheizung der Tragstruktur 17 und damit des auf der Tragstruktur 17 angebrachten katalytisch aktiven Materials mit minimalem Energieaufwand möglich, da die Wärme unmittelbar dort erzeugt wird, wo diese auch gebraucht wird.
-
Der in 2 dargestellte Aufbau zeigt darüber hinaus die Integration des Abluftkatalysators 11 in eine weitere Komponente des Brennstoffzellensystems 1, in diesem Beispiel in die Abgasturbine 13 bzw. in eine Turbineneinlassspirale 18 der Abgasturbine 13. Hierdurch wird ein sehr einfacher und effizienter Aufbau bereitgestellt, welcher mit minimalem Bauraum auskommt, und welcher im Bereich des Abluftkatalysators 11 die heißen Abgase unmittelbar vor der Abgasturbine 13 bzw. bereits in der Turbineneinlassspirale 18 der Abgasturbine 13 bereitstellt. Die Abgase werden dadurch sehr effizient, und ohne dass diese sich unterwegs nennenswert abkühlen können, auf die Abgasturbine 13 geleitet, sodass diese mit maximaler Energieausbeute aus den Abgasen betrieben werden kann.
-
Durch die elektrische Beheizung 16 des Abluftkatalysators 11 ist es nun möglich im Gefrierstart, also bei einem Start des Brennstoffzellensystems 1 bei Temperaturen unterhalb von 0°C, wenn das System zum Teil oder ganz eingefroren ist, die Tragstruktur 17 in dem Abluftkatalysator 11 schnell auf Betriebstemperatur aufzuheizen und gegebenenfalls aufzutauen, sodass ein schnelles und zuverlässiges Startverhalten des Abluftkatalysators 11 erreicht werden kann. Der Wasserstoffumsatz findet damit schnell und effizient statt und Wasserstoffemissionen werden sicher und zuverlässig verhindert werden. Ferner kann es durch einen solchen sehr schnellen und zuverlässigen Start des Abluftkatalysators 11 beim Gefrierstart bzw. Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 erreicht werden, dass sowohl die nachgeschaltete Abgasturbine 13 als auch der typischerweise mit dieser in mechanischem und wärmeleitendem Kontakt stehende Strömungsverdichter 7 zusätzlich erwärmt und sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Im Falle, dass der Strömungsverdichter 7 über festgefrorene Tröpfchen in seiner Funktionalität blockiert ist, kann durch diesen Aufbau auch ein sehr schneller und zuverlässiger Start des Luftverdichters erzielt werden. Während der gesamten Startphase des Brennstoffzellensystems 1 muss die Luft dabei nicht zwangsläufig durch die Brennstoffzelle 2 strömen, insbesondere da diese gegebenenfalls noch sehr kalt ist und eventuelle Feuchtigkeit in der Luft im Bereich der Brennstoffzelle 2 auskondensieren kann. Hierfür ist in der Darstellung der 1 ein an sich bekannter Systembypass 19 mit einem Bypassventil 20 dargestellt, über welchen die Brennstoffzelle 2 im Startfall umgangen werden kann, ohne die Funktionalität des Abluftkatalysators 11 und seine vorteilhafte Funktionsweise zur Erwärmung von Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems 1 zu gefährden.
-
Insbesondere bei der Ausführungsform, bei welcher der Abluftkatalysator 11 in die Turbineneinlassspirale 18 der Abgasturbine 13 integriert ausgebildet ist, wird ein sehr effizienter und kompakter Aufbau erreicht, welcher sogar zusätzlichen Bauraum gegenüber herkömmlichen Komponenten einspart. Er kann durch die unmittelbare Erwärmung des elektrischen Turboladers 14 für eine Erwärmung weiterer Systemkomponenten, insbesondere aufgrund der Miterwärmung des Strömungsverdichters 7, sorgen. Für die Erwärmung wird dabei lediglich Wasserstoff benötigt, welcher zusammen mit Luft entsprechend umgesetzt wird. All dies ist zur Umsetzung in der Brennstoffzelle 2 ohnehin notwendig, sodass keine zusätzlichen Medien oder dergleichen mitgeführt werden müssen. Durch die Integration der elektrischen Beheizung 16 insbesondere in die Tragstruktur 17 des Abluftkatalysators 11 ist dabei eine sehr effiziente elektrische Beheizung des Abluftkatalysators 11 möglich, bis dieser die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, sodass der Aufbau auch sehr energieeffizient ist. Für die sehr effiziente elektrische Beheizung reicht ein kleiner Anteil der typischerweise in einer Starterbatterie vorhandenen elektrischen Energie problemlos aus.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010010272 A1 [0002]
- JP 2006139991 A [0004]
