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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung bzw. ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer und einer Brennstoffzelle. Der Reformer erzeugt ein Reformatgas, das der Brennstoffzelle über eine Reformatgasleitung zugeführt wird. In der Brennstoffzelle wird aus dem Reformatgas elektrische Energie erzeugt.
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Als Reformer kann beispielsweise ein Dampfreformer eingesetzt werden. Der Reformer verfügt über einen Brenner zur Erzeugung von Wärme, um das Reformatgas bilden zu können. Die gesamte Brennstoffzellenvorrichtung erzeugt mithin Wärme und elektrische Energie.
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In der Brennstoffzelle wird die im Wasserstoff enthaltene Energie sowohl in elektrischer Energie, als auch in Wärme umgewandelt. Um ein unkontrolliertes Aufheizen der Brennstoffzelle zu vermeiden, ist eine Kühlung notwendig.
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Um das Beaufschlagen der Brennstoffzelle mit einer Flüssigphase des Reformatgases zu vermeiden, kann der Reformatgasleitung ein Kondensator zugeordnet sein. Zur Kühlung des Reformatgases ist der Kondensator mit einem Kühlmittelkreis verbunden.
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Eine derartige Brennstoffzellenvorrichtung ist beispielsweise aus
DE 103 58 744 B3 bekannt. Der Reformatgasleitung ist ein Kondensator in Form eines Wärmetauschers mit einem nachgeschalteten Kondensatableiter zugeordnet. Das aus der Brennstoffzelle austretende Anodenrestgas wird über einen weiteren Kondensator mit Wärmetauscher und Kondensatableiter wieder dem Reformer zugeführt. Außerdem ist vorgeschlagen, den Kondensatoren jeweils einen weiteren Wärmetauscher nachzuschalten, um die Temperatur des betreffenden Gases nach dem Ableiten des Kondensats wieder zu erhöhen, so dass das betreffende Gas eine ausreichende Temperaturdifferenz zum jeweiligen Taupunkt aufweist. Dadurch wird ein weiteres Auskondensieren des Gases vermieden.
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DE 10 2007 023 376 A1 beschreibt eine Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung. Diese Vorrichtung weist einen Reformer, sowie eine Brennstoffzelle auf. An die Brennstoffzelle ist ein Kühlkreislauf mit einer Pumpe angeschlossen. An den Reformer ist ein Systemkühlkreislauf mit einer weiteren Pumpe und einem Ventil angeschlossen. Die beiden Kühlkreisläufe sind zum Temperaturaustausch der Medien über einen gemeinsamen Wärmetauscher miteinander gekoppelt. Ein gemeinsames Ventil zur Steuerung der Strömung durch beide Kühlkreisläufe ist nicht vorhanden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, die bekannte Brennstoffzellenvorrichtung zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Patenanspruches 1 gelöst.
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Wie eingangs geschildert, weist die Brennstoffzellenvorrichtung einen Reformer und eine Brennstoffzelle auf, die über eine Reformatgasleitung miteinander verbunden sind. Der Reformatgasleitung ist ein erster Wärmetauscher zur Kühlung des Reformatgases zugeordnet. Stromabwärts zum ersten Wärmetauscher ist in der Reformatgasleitung vorzugsweise ein Kondensatableiter angeordnet, so dass der erste Wärmetauscher mit dem Kondensatableiter einen Kondensator bildet. Der erste Wärmetauscher ist stromaufwärts an eine erste Zufuhrleitung und stromabwärts an eine erste Rücklaufleitung eines ersten Kühlmittelkreises angeschlossen, durch den ein Kühlmittel strömt.
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Der Brennstoffzelle ist ein zweiter Wärmetauscher zugeordnet, der Wärme an das durch einen zweiten Kühlmittelkreis strömende Kühlmittel abgibt oder Wärme von diesem durch den zweiten Kühlmittelkreis strömenden Kühlmittel aufnimmt. Stromaufwärts des zweiten Wärmetauschers weist der zweite Kühlmittelkreis eine zweite Zufuhrleitung und stromabwärts des zweiten Wärmetauschers eine zweite Rücklaufleitung auf. Die zweite Rücklaufleitung ist insbesondere mit einem Kühlmittelreservoir verbunden. Eine Kühlmittelquelle, beispielsweise eine an das Kühlmittelreservoir angeschlossene Kühlmittelpumpe, kann das Kühlmittel in einer Ausgangsleitung fördern. Die Kühlmittelquelle kann beispielsweise auch einen Druckspeicher aufweisen.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung weist außerdem ein Zentralventil auf, das den Kühlmittelfluss im ersten Kühlmittelkreis sowie im zweiten Kühlmittelkreis steuert. Hierfür sind beide Kühlmittelkreise an das Zentralventil angeschlossen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Zufuhrleitungen, die erste Rücklaufleitung des ersten Kühlmittelkreises sowie die mit der Kühlmittelquelle und beispielsgemäß der Kühlmittelpumpe verbundene Ausgangsleitung an das Zentralventil angeschlossen. Somit kann über ein einziges gemeinsames Zentralventil der Kühlmittelfluss sowohl im ersten Kühlmittelkreis, als auch im zweiten Kühlmittelkreis beeinflusst werden. Das Zentralventil dient dabei als Umschaltventil bzw. Wegeventil, über das Verbindungen zu angeschlossenen Leitungen freigegeben oder gesperrt werden können. Außerdem kann der Strömungsquerschnitt bei zumindest einer im Zentralventil hergestellten Fluidverbindung gesteuert oder geregelt werden, so dass das Zentralventil auch die Funktion eines Proportionalventils beinhaltet.
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In einem ersten Betriebszustand verbindet das Zentralventil die erste Rücklaufleitung des ersten Kühlmittelkreises mit der zweiten Zufuhrleitung des zweiten Kühlmittelkreises. In diesem ersten Betriebszustand wird die vom ersten Wärmetauscher an das Kühlmittel abgegebene Wärme über den der Brennstoffzelle zugeordneten zweiten Wärmetauscher an die Brennstoffzelle abgegeben. Dadurch kann ein Vorheizen der Brennstoffzelle realisiert werden. Auf diese Weise lässt sich sehr effizient die beim Kondensieren des Reformatgases entstehende Wärme zum Vorheizen verwenden. In diesem ersten Betriebszustand ist es möglich, dass der Strömungsquerschnitt im Zentralventil in der Fluidverbindung zwischen der ersten Rücklaufleitung und der zweiten Zufuhrleitung eingestellt bzw. gesteuert oder geregelt wird.
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Dadurch, dass lediglich ein Zentralventil für beide Kühlmittelkreise verwendet wird, verringert sich der konstruktive Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung. Vorzugsweise weist das Zentralventil lediglich ein einziges Ventilstellglied auf. Es weist außerdem einen einzigen, dem Ventilstellglied zugeordneten, vorzugsweise elektrisch betriebenen, Stellantrieb auf. Dadurch lässt sich auch die Energieeffizienz der Brennstoffzellenvorrichtung verbessern.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform verbindet das Zentralventil im ersten Betriebszustand die erste Zufuhrleitung des ersten Kühlmittekreises mit der Ausgangsleitung von der Kühlmittelquelle. Das Kühlmittel fließt dabei von der Ausgangsleitung über das Zentralventil in die erste Zufuhrleitung und von dort zum ersten Wärmetauscher. Nach dem ersten Wärmetauscher strömt das Kühlmittel über die erste Rücklaufleitung durch das Zentralventil zum zweiten Wärmetauscher, über den die Brennstoffzelle vorgewärmt wird.
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Der zweite Wärmetauscher kann über einen dritten Kühlmittelkreis mit einem dritten Wärmetauscher verbunden sein. Vorzugsweise befindet sich der zweite Wärmetauscher außerhalb der Brennstoffzelle, während der dritte Wärmetauscher innerhalb Brennstoffzelle angeordnet ist. Der dritte Kühlmittelkreis ist insbesondere fluidisch von den beiden anderen Kühlmittelkreisen getrennt.
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Das Zentralventil kann zwischen dem ersten Betriebszustand und einem zweiten Betriebszustand umgeschaltet werden. In diesem zweiten Betriebszustand verbindet das Zentralventil die erste Rücklaufleitung des ersten Kühlmittelkreises mit dem Kühlmittelreservoir. Insbesondere wird außerdem die erste und/oder die zweite Zufuhrleitung mit der Ausgangsleitung verbunden, über die Kühlmittel von der Kühlmittelquelle zugeführt wird. In diesem zweiten Betriebszustand wird die Brennstoffzelle anderes als im ersten Betriebszustand nicht vorgewärmt, sondern gekühlt. In diesem zweiten Betriebszustand wird der Strömungsquerschnitt in der Fluidverbindung zwischen der Ausgangsleitung und dem ersten Wärmetauscher eingestellt, beispielsweise gesteuert oder geregelt. Auf diese Weise lässt sich die Kühlung des Reformatgases anpassen, so dass der Taupunkt zur Abscheidung von Kondensat erreicht wird.
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Vorzugsweise sind die beiden Zufuhrleitungen, sowie die beiden Rücklaufleitungen der beiden Kühlmittelkreise zur Kühlmittelflusssteuerung nur an das gemeinsame Zentralventil ohne weitere Ventile, Drosseln oder Pumpen ausgeführt. Beiden Kühlmittelkreisen ist vorzugsweise lediglich eine gemeinsame Kühlmittelquelle zugeordnet, die über das Zentralventil fluidisch mit der ersten Zufuhrleitung und/oder der zweiten Zufuhrleitung verbunden werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Zentralventil einen Ventilkörper mit einem Ventilraum auf, in dem ein Verstellglied bewegbar angeordnet ist. Das Ventilstellglied wird von einem zugeordneten Stellantrieb betätigt, der vorzugsweise einen elektrischen Motor, beispielsweise einen Linearmotor oder einen Schrittmotor aufweist. Insbesondere sind mehrere und beispielsgemäß zumindest sechs Fluidanschlüsse vorhanden, die in den gemeinsamen Ventilraum münden. Abhängig von der Stellung des Ventilstellgliedes kann dann eine fluidische Verbindung zwischen zwei oder mehr Ventilanschlüssen hergestellt werden.
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Vorzugsweise weist das Ventilstellglied ein erstes Absperrteil auf. Die Position des ersten Absperrteils gibt im ersten Betriebszustand des Zentralventils den Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilraum und der zweiten Zufuhrleitung des zweiten Kühlmittelkreises vor. Auf diese Weise kann die Proportionalfunktion zur Einstellung des Volumenstromes des Kühlmittels erfolgen.
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Das Ventilstellglied kann ein zweites Absperrteil aufweisen. Im zweiten Betriebszustand des Zentralventils kann über die Position des zweiten Absperrteils der Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilraum und der ersten Zufuhrleitung des ersten Kühlmittelkreises eingestellt werden. Auf diese Weise kann der Volumenstrom des Kühlmittels über die erste Zufuhrleitung zum ersten Wärmetauscher eingestellt werden. Dadurch lässt sich die Kühlung des Reformatgases beeinflussen, um eine Kühlung zumindest bis zum Taupunkt sicherzustellen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ventilstellglied als linear bewegbarer Stößel ausgeführt. Alternativ hierzu wäre es auch möglich, das Ventilstellglied um eine Drehachse innerhalb des Ventilraumes drehbar zu lagern, ähnlich wie bei einem Kugelhahn. Der linear bewegbare Stößel des Ventilstellgliedes und insbesondere dessen Absperrteile lassen sich sehr einfach mit herkömmlichen Dichtungen fluiddicht gegenüber der Wand des Ventilraumes lagern, weshalb diese Ausführungsform bevorzugt wird.
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Es ist außerdem von Vorteil, wenn der Stellantrieb selbsthemmend ausgeführt ist. Hierfür kann er beispielsweise ein selbsthemmendes Getriebe, beispielsweise eine Gewindespindel oder Kugelumlaufspindel aufweisen. Durch diese Ausführung ist es möglich, die Position des Ventilstellgliedes unverändert aufrechtzuerhalten, auch wenn ein elektrischer Motor des Stellantriebs nicht bestromt wird. Das Ventilstellglied behält somit seine Position, auch wenn das Kühlmittel durch den Druck im Ventilraum eine Kraft auf das Ventilstellglied ausübt und zwar ohne dass eine entgegengerichtete Haltekraft durch den Motor des Stellantriebes erzeugt wird. Dies verbessert die Energieeffizienz der Brennstoffzellenvorrichtung.
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Weitere Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen der Brennstoffzellenvorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Zentralventil in einem ersten Betriebszustand,
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2 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung des Zentralventiles nach 1 im ersten Betriebszustand,
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3 ein Blockschaltbild der Brennstoffzellenvorrichtung gemäß 1 mit dem Zentralventil in einem zweiten Betriebszustand und
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4 eine schematische blockschaltbildähnliche Darstellung des Zentralventils aus 3 im zweiten Betriebszustand.
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In den 1 und 3 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 bzw. eines Brennstoffzellensystems dargestellt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist eine Brennstoffzelle 11 mit einem Anodenbereich 12 und einem Kathodenbereich 13 auf. Die Brennstoffzelle 11 dient zur Erzeugung von elektrischer Energie und/oder Wärme.
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Der Brennstoffzelle 11 wird ein Wasserstoff enthaltendes Refermatgas über eine Reformatgasleitung 14 zugeführt. Zur Erzeugung des Reformatgases dient ein Reformer und beispielsgemäß ein Dampfreformer 15. Der Dampfreformer 15 weist einen Brenner 16 auf. Zur Erzeugung des Reformatgases wird dem Dampfreformer Wasser aus einem Tank 17 über eine Wasserleitung 18 und mit Hilfe einer Wasserpumpe 19 zugeführt.
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Das Wasser für den Dampfreformer kann in der Brennstoffzellenvorrichtung 10 gewonnen werden. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird das Brennerabgas BG des Brenners 16 und/oder die Kathodenabluft KL der Brennstoffzelle 11 einem Abgaskondensator 23 zugeführt und das durch die Kondensation erhaltene Wasser wieder dem Tank 17 zugeführt. Der Abgaskondensator 23 weist einen Abgas-Wärmetauscher 23a und einen Abgas-Kondensatableiter 23b auf, der mit dem Tank 17 verbunden ist.
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Um zu vermeiden, dass die Brennstoffzelle 11 mit der Flüssigphase des Reformatgases und insbesondere mit Wasser beaufschlagt wird, ist der Reformatgasleitung 14 zur Kühlung des Reformatgases ein erster Wärmetauscher 26 zugeordnet. Stromabwärts des ersten Wärmetauschers 26 sitzt in der Reformatgasleitung 14 ein erster Kondensatableiter 27. Der erste Wärmetauscher 26 und der erste Kondensatableiter 27 bilden gemeinsam einen Kondensator. Das im ersten Kondensatableiter 27 aus dem Reformatgas entfernte Wasser wird dem Tank 17 zugeführt.
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Zur Versorgung des ersten Wärmetauschers 26 mit Kühlmittel ist dieser an einen ersten Kühlmittelkreis 28 angeschlossen. Der erste Kühlmittelkreis 28 weist eine erste Zufuhrleitung 29 stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 26 und eine erste Rücklaufleitung 30 stromabwärts des ersten Wärmetauschers 26 auf. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist in die erste Zufuhrleitung 29 außerdem der Abgas-Wärmetauscher 23a des Abgaskondensators 23 eingesetzt. Das Kühlmittel strömt daher in der ersten Zufuhrleitung 29 zunächst durch den Abgas-Wärmetauscher 23a und anschließend durch den ersten Wärmetauscher 26, der der Reformatgasleitung 14 zugeordnet ist, und von dort aus über die erste Rücklaufleitung 30 zurück.
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Die erste Zufuhrleitung 29 ist an einen ersten Fluidanschluss F1 eines Zentralventils 31 angeordnet. Die erste Rücklaufleitung 30 ist an einen zweiten Fluidanschluss F2 des Zentralventils 31 angeschlossen. Ein dritter Fluidanschluss F3 des Zentralventils 31 ist mit einer Ausgangsleitung 32 verbunden, die den dritten Fluidanschluss F3 mit der Ausgangsseite einer Kühlmittelquelle 33 verbindet. Beim Ausführungsbeispiel ist die Kühlmittelquelle 33 von einem Kühlmittelreservoir 34 und einer Kühlmittelpumpe 35 gebildet. Die Kühlmittelpumpe 35 fördert Kühlmittel aus dem Kühlmittelreservoir 34 in die Ausgangsleitung 32.
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An das Zentralventil 31 ist neben dem ersten Kühlmittelkreis 28 auch ein zweiter Kühlmittelkreis 39 angeschlossen. An einem vierten Fluidanschluss F4 ist eine zweite Zufuhrleitung 40 des zweiten Kühlmittelkreises 39 angeschlossen. Die zweite Zufuhrleitung 40 ist fluidisch mit einer zweiten Rücklaufleitung 41 des zweiten Kühlmittelkreises verbunden. Die zweite Rücklaufleitung 41 führt zum Kühlmittelreservoir 34. An der Verbindungsstelle zwischen der zweiten Zufuhrleitung 40 und der zweiten Rücklaufleitung 41 ist dem zweiten Kühlmittelkreis 39 ein zweiter Wärmetauscher 42 zugeordnet. Dieser zweite Wärmetauscher 42 dient abhängig vom Betriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung 10 entweder dazu, dem durch den zweiten Kühlmittelkreis 39 strömenden Kühlmittel Wärme zu entziehen oder an das durch den zweiten Kühlmittelkreis 39 strömende Kühlmittel Wärme abzugeben.
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Der zweite Wärmetauscher 42 ist Teil eines dritten Kühlmittelkreises 43. Der dritte Kühlmittelkreis 43 ist fluidisch von den beiden anderen Kühlmittelkreisen 28, 39 getrennt und beim Ausführungsbeispiel in sich geschlossen. Beispielsgemäß besteht der dritte Kühlmittelkreis 43 aus dem zweiten Wärmetauscher 42, einem dritten Wärmetauscher 44 sowie einer Umwälzpumpe 45, die in eine der den zweiten und den dritten Wärmetauscher 42, 44 verbindenden Fluidleitungen eingesetzt ist. Das im dritten Kühlmittelkreis 43 vorhandene Kühlmittel zirkuliert daher zwischen dem zweiten Wärmetauscher 42 und dem dritten Wärmetauscher 44. Wie in den 1 und 3 veranschaulicht, ist der dritte Wärmetauscher 44 innerhalb der Brennstoffzelle 11 angeordnet, während sich der zweite Wärmetauscher 42 außerhalb der Brennstoffzelle befindet.
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Bei dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Zentralventil 31 außerdem einen fünften Fluidanschluss F5 auf, der über eine Abzweigleitung 47 mit der ersten Rücklaufleitung 30 des ersten Kühlmittelkreises 28 fluidisch verbunden ist. Ein sechster Fluidanschluss F6 ist über eine Ablaufleitung 48 fluidisch mit dem Kühlmittelreservoir 34 verbunden.
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Das für die Brennstoffzellenvorrichtung 10 gemäß der 1 und 3 bevorzugte Zentralventil 31 ist in den 2 und 4 schematisch nach Art eines Blockschaltbildes veranschaulicht. Das Zentralventil 31 weist einen Ventilkörper 52 auf, in dem ein beispielsgemäß zylindrischer Ventilraum 53 vorhanden ist. In diesem Ventilraum 53 ist ein Ventilstellglied 54 angeordnet, das über einen Stellantrieb 55 betätigbar ist. Der Ventilraum 53 erstreckt sich in einer Längsrichtung L, wobei beispielsgemäß die Längsachse des zylindrischen Ventilraumes in Längsrichtung L ausgerichtet ist.
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Der Stellantrieb 55 weist beispielsgemäß einen elektrisch ansteuerbaren Motor, wie etwa einen Linearmotor oder vorzugsweise einen Schrittmotor 56 auf (2). Die Drehbewegung des Schrittmotors 56 kann über ein Getriebe 57 auf das Ventilstellglied 54 übertragen werden. Beim Ausführungsbeispiel ist das Ventilstellglied 54 als Stößel 58 ausgeführt, der sich in Längsrichtung L bzw. entlang seiner eigenen Längsachse linear durch den Stellantrieb 55 bewegen lässt.
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Das Getriebe 57 und mithin der Stellantrieb 55 sind vorzugsweise selbsthemmend ausgeführt. Der Stößel 58 bleibt somit unverändert in seiner aktuellen Lage, auch wenn über den Schrittmotor 56 keine Haltekraft erzeugt wird. Die Selbsthemmung des Getriebes 57 ist so gewählt, dass bei den üblicherweise im Ventilraum herrschenden Drücken und den dadurch auf den Stößel 58 ausgeübten Kräften keine Verschiebung des Stößels 58 erfolgt. Beispielsweise kann das Getriebe 57 eine Gewindespindel 59 aufweisen, die mit dem Stößel 58 verbunden ist. Die Gewindespindel 59 kann beispielsweise als Kugelumlaufspindel ausgeführt sein.
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Der Stößel 58 weist ein erstes zylindrisches Absperrteil 60, ein zweites zylindrisches Absperrteil 61 und beispielsgemäß auch noch ein drittes zylindrisches Absperrteil 62 auf. Die drei Absperrteile 60, 61, 62 haben jeweils einen Außendurchmesser, der im Wesentlichen dem Durchmesser des Ventilraumes 53 entspricht. Im Umfangsbereich jedes Absperrteils 60, 61, 62 ist vorzugsweise zumindest eine Dichtung 63, beispielsweise ein O-Ring angeordnet, der an der Wand des Ventilraums 53 anliegt. Dadurch wird der Ventilraum 53 in mehrere fluidisch voneinander abgedichtete Bereiche unterteilt. Die Dichtung am dritten Absperrteil 62 ist zu Abdichtung des Ventilraumes 53 nach außen in der Regel notwendig. Die Dichtungen an den anderen beiden Absperrteilen 60, 61 können entfallen, wenn deren Außenkontur ausreichend genau an die Innenkontur des Ventilraumes 53 angepasst ist. Dabei können gewisse Leckströme im Bereich von bis zu 2 bis 5% des Massen- oder Volumenstromes zwischen den fluidisch getrennten Bereichen des Ventilraumes 53 toleriert werden.
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Das Zentralventil 31 kann zwischen zwei Betriebszuständen I, II umgeschaltet werden. Der erste Betriebszustand I ist in den 1 und 2 dargestellt. Der zweite Betriebszustand II ist in den 3 und 4 veranschaulicht. Im ersten Betriebszustand I des Zentralventils 31 strömt am ersten Wärmetauscher 26 erwärmtes Kühlmittel zur Abgabe seiner Wärme durch den zweiten Wärmetauscher 42 und erwärmt dort das Kühlmittel im dritten Kühlmittelkreis 43 zur Vorwärmung der Brennstoffzelle 11. Im zweiten Betriebszustand II wird die Brennstoffzelle 11 über den zweiten Wärmetauscher 42 und den dritten Kühlmittelkreis 43 gekühlt.
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Die beiden Betriebszustände I, II des Zentralventils 31 werden beim Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, dass sich das erste Absperrteil 60 und das zweite Absperrteil 61 in den beiden Betriebszuständen I, II in unterschiedlichen Bereichen und beispielsgemäß in unterschiedlichen Längsabschnitten des Ventilraumes 53 befinden. Insbesondere befindet sich das Absperrteil 60 im ersten Betriebszustand zwischen dem dritten Fluidanschluss F3 und dem vierten Fluidanschluss F4. Das zweite Absperrteil 61 sperrt im ersten Betriebszustand I den fünften Fluidanschluss F5 und den sechsten Fluidanschluss F6 ab. Im zweiten Betriebszustand II befindet sich das erste Absperrteil 60 zwischen dem zweiten Fluidanschluss F2 und dem vierten Fluidanschluss F4. Das zweite Absperrteil 63 gibt im zweiten Betriebszustand II die Fluidverbindung zwischen dem fünften Fluidanschluss F5 und dem sechsten Fluidanschluss F6 frei und befindet sich vorzugsweise im Bereich des ersten Fluidanschlusses F1.
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Um diese beiden unterschiedlichen Stellbereiche im ersten Betriebszustand I und im zweiten Betriebszustand II zu erreichen, muss das Zentralventil 31 bzw. das Ventilstellglied 54 einen ausreichend großen Stellweg aufweisen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Stellweg mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser D1 der Strömungsverbindung vom Fluidraum 53 zum vierten Fluidanschluss F4. Insbesondere ist der Stellweg des Ventilstellgliedes 54 bzw. des Stößels 58 größer als die Summe des doppelten Durchmessers D1 der Strömungsverbindung vom Ventilraum 53 zum vierten Fluidanschluss F4 plus dem Durchmesser D2 der Strömungsverbindung vom Ventilraum 53 zum ersten Fluidanschluss F1: Stellweg > 2·D1 + k·D2; mit einem Faktor k mit 0 < k ≤ 1.
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Wenn die Strömungsverbindungen im Querschnitt nicht kreisrund sind, können analog hierzu anstelle des Durchmesser D1, D2 die Abmessungen in Längsrichtung L verwendet werden.
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Der Abstand zwischen dem ersten Absperrteil 60 und dem zweiten Absperrteil 61 in Bewegungsrichtung des Stößels 58 gemessen ist mindestens so groß, dass der Zwischenraum zwischen dem ersten Absperrteil 60 und dem zweiten Absperrteil 61 ausreicht, um den ersten Fluidanschluss F1 und den vierten Fluidanschluss F4 gleichzeitig mit dem maximal möglichen Strömungsquerschnitt mit dem dritten Fluidanschluss F3 zu verbinden.
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Das dritte Absperrteil 63 dient beim Ausführungsbeispiel lediglich dazu, den Ventilraum 53 nach außen hin abzudichten. Alle drei Absperrteile 60, 61, 63 sind relativ zueinander unbeweglich über ein stabförmiges Verbindungsteil 64 angeordnet.
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Wie in den 2 und 4 veranschaulicht, sind die Fluidanschlüsse F1 bis F6 in Längsrichtung L gesehen zumindest teilweise versetzt zueinander angeordnet. Der zweite Fluidanschluss F2 mündet im Bereich des einen Endabschnittes des Ventilraumes 53 in diesen ein. Jeweils mit Abstand in Längsrichtung L münden der vierte Fluidanschluss F4, der dritte Fluidanschluss F3 und der erste Fluidanschluss F1 jeweils versetzt zueinander in den Ventilraum 53 ein. Wiederum mit Abstand zum ersten Fluidanschluss F1 münden beispielsgemäß auf gleicher Höhe der fünfte und der sechste Fluidanschluss F5, F6 in den Ventilraum 53 ein.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit dem Zentralventil 31 arbeitet wie folgt:
Im ersten Betriebszustand I des Zentralventils 31 ist der zweite Fluidanschluss F2 mit dem vierten Fluidanschluss F4 fluidisch verbunden, so dass eine Fluidverbindung zwischen der ersten Rücklaufleitung 30 des ersten Kühlmittelkreises 28 und der zweiten Zufuhrleitung 40 des zweiten Kühlmittelkreises 39 besteht. Das durch den ersten Wärmetauscher 26 bei der Kühlung des Reformatgases erwärmte Kühlmittel wird somit über das Zentralventil 31 vom ersten Kühlmittelkreis 28 zum zweiten Kühlmittelkreis 39 geleitet und gibt am zweiten Wärmetauscher 42 Wärme an das Kühlmittel im dritten Kühlmittekreis 43 ab. Diese Wärme wird über den dritten Wärmetauscher 44 in der Brennstoffzelle 11 zu deren Vorwärmung abgegeben.
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In diesem ersten Betriebszustand I kann der Strömungsquerschnitt zwischen dem Ventilraum 53 und dem vierten Fluidanschluss F4 über das erste Absperrteil 60 verändert werden, wie dies in 2 veranschaulicht ist. Somit kann der Volumenstrom an in den zweiten Kühlmittelkreis 39 strömendem Kühlmittel eingestellt werden. Das Zentralventil 31 kann somit im ersten Betriebszustand I auch eine Steuer- oder Regelfunktion ausführen. Die Steuer- oder Regelfunktion beim Vorwärmen kann dazu dienen, die Brennstoffzelle 11 auf eine bestimmte Solltemperatur, beispielsweise 70°C bei einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, vorzuwärmen und/oder zu hohe Vorwärmtemperaturen über einem Temperaturgrenzwert zu vermeiden. Dadurch kann Lebensdauer der Brennstoffzelle 11 erhöht werden.
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Während des Betriebs der Brennstoffzelle 11 wird neben elektrischer Energie auch Wärme erzeugt. Um ein unkontrolliertes Aufwärmen der Brennstoffzelle 11 zu vermeiden ist es notwendig, über den dritten Kühlmittelkreis 43 die Brennstoffzelle 11 zu kühlen. Hierfür wird das Zentralventil 31 in seinen zweiten Betriebszustand II umgeschaltet, was in den 3 und 4 dargestellt ist. In diesem zweiten Betriebszustand wird Kühlmittel aus der Kühlmittelquelle 33 vom dritten Fluidanschluss F3 zum ersten Fluidanschluss F1 und auch zum vierten Fluidanschluss F4 geleitet, so dass beiden Zufuhrleitungen 29, 40 Kühlmittel von der Kühlmittelquelle 33 zugeführt wird. Dieses Kühlmittel wird jeweils im ersten Wärmetauscher 26 bzw. im zweiten Wärmetauscher 42 erwärmt, so dass eine Kühlung des Reformatgases in der Reformatgasleitung 14 bzw. des im dritten Kühlmittelkreislauf 43 enthaltenen Kühlmittels gewährleistet ist. Das Kühlmittel im dritten Kühlmittelkreislauf 43 zirkuliert zwischen dem zweiten Wärmetauscher 42 und dem dritten Wärmetauscher 44. Der dritte Wärmetauscher 44 entzieht der Brennstoffzelle 11 Wärme und gibt dieses an das im dritten Kühlmittelkreis 43 zirkulierende Kühlmittel ab, das dann wiederum im zweiten Wärmetauscher 42 gekühlt und erneut dem dritten Wärmetauscher 44 in der Brennstoffzelle 11 zur Verfügung gestellt wird. Im zweiten Betriebszustand II sind die beiden Rücklaufleitungen 30, 41 jeweils fluidisch mit dem Kühlmittelreservoir 34 verbunden.
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Im zweiten Betriebzustand II kann über das zweite Absperrteil 61 der Strömungsquerschnitt zum ersten Fluidanschluss F1 und mithin der Volumenstrom an Kühlmittel zum ersten Wärmetauscher 26 eingestellt und beispielsweise gesteuert oder geregelt werden. Dadurch lässt sich die Kühlung des Reformatgases beeinflussen, so dass die Kühlung ausreichend groß ist, um den Taupunkt zu erreichen, bzw. zu unterschreiten. Nur dann kann das Abtrennen der Flüssigphase des im Reformatgas enthaltenen Wassers gewährleistet werden.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 weist vorzugsweise lediglich ein einziges Ventil, nämlich das Zentralventil 31, zur Beeinflussung der Fluidverbindungen und Fluidströmungen im ersten Kühlmittelkreislauf 28 sowie im zweiten Kühlmittelkreislauf 39 auf. Zusätzliche Ventile, Absperrorgane oder Drosseln können im ersten und im zweiten Kühlmittelkreislauf 28, 39 entfallen. Dadurch lassen sich die Fluidströme des Kühlmittels durch ein einziges Zentralventil 31 mit einem einzigen Stellantrieb 55 steuern oder regeln. Dies vereinfacht nicht nur den konstruktiven Aufwand und führt zu einer Bauteileinsparung bei der Brennstoffzellenvorrichtung. Zusätzlich wird auch die Energieeffizienz erhöht, weil die Kühlmittelströmungen im ersten und im zweiten Kühlmittekreis 28, 39 mit Hilfe eines einzigen elektrisch ansteuerbaren Stellantriebs 55 gesteuert oder geregelt werden können. Auch bei der Steuerung oder Regelung von Volumenströmen im ersten Betriebszustand I oder im zweiten Betriebszustand II benötigt das Zentralventil 31 nur wenig elektrische Energie, da der Stellantrieb 55 beispielsgemäß selbsthemmend ausgeführt ist und eine dauerhafte Bestromung des Stellantriebes 55 entfallen kann. Im zweiten Betriebszustand II beträgt die Aktivierungsdauer des Stellantriebs 55 maximal etwa 30 bis 35% der Betriebszeit der Brennstoffzellenvorrichtung 10.
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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit einem Dampfreformer 15, der ein Reformatgas erzeugt und einer Brennstoffzelle 11 über eine Reformatgasleitung 14 zuführt. Zur Kühlung des Reformatgases in der Reformatgasleitung 14 ist ein erster Wärmetauscher 26 vorgesehen. Der erste Wärmetauscher 26 ist in einen ersten Kühlmittelkreislauf 28 geschaltet. Über ein gemeinsames Zentralventil 31 kann der erste Kühlmittelkreislauf 28 mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf 39 gekoppelt werden. Dem zweiten Kühlmittelkreislauf 39 ist ein zweiter Wärmetauscher 42 zugeordnet, über den das Kühlmittel im zweiten Kühlmittelkreislauf gekühlt oder erwärmt werden kann. Über diesen zweiten Wärmetauscher 42 ist es somit möglich, die Brennstoffzelle 11 zur Vorwärmung aufzuwärmen oder während des Betriebs zu kühlen. Ein einziges Zentralventil 31 ist zur Beeinflussung der Fluidverbindungen und/oder der Volumenströme des Kühlmittels in den beiden Kühlmittelkreisläufen 28, 39 ausreichend, was den Aufwand und die Kosten für die Brennstoffzellenvorrichtung 10 reduziert und auch die Energieeffizienz verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 11
- Brennstoffzelle
- 12
- Anodenbereich
- 13
- Kathodenbereich
- 14
- Reformatgasleitung
- 15
- Dampfreformer
- 16
- Brenner
- 17
- Tank
- 18
- Wasserleitung
- 19
- Wasserpumpe
- 23
- Abgaskondensator
- 23a
- Abgas-Wärmetauscher
- 23b
- Abgas-Kondensatableiter
- 26
- erster Wärmetauscher
- 27
- erster Kondensatableiter
- 28
- erster Kühlmittelkreis
- 29
- erste Zufuhrleitung
- 30
- erste Rücklaufleitung
- 31
- Zentralventil
- 32
- Ausgangsleitung
- 33
- Kühlmittelquelle
- 34
- Kühlmittelreservoir
- 35
- Kühlmittelpumpe
- 39
- zweiter Kühlmittelkreis
- 40
- zweite Zufuhrleitung
- 41
- zweite Rücklaufleitung
- 42
- zweiter Wärmetauscher
- 43
- dritter Kühlmittelkreis
- 44
- dritter Wärmetauscher
- 45
- Umwälzpumpe
- 47
- Abzweigleitung
- 48
- Ablaufleitung
- 52
- Ventilkörper
- 53
- Ventilraum
- 54
- Ventilstellglied
- 55
- Stellantrieb
- 56
- Schrittmotor
- 57
- Getriebe
- 58
- Stößel
- 59
- Gewindespindel
- 60
- erstes Absperrteil
- 61
- zweites Absperrteil
- 62
- drittes Absperrteil
- 63
- Dichtung
- 64
- Verbindungsteil
- I
- erster Betriebszustand
- II
- zweiter Betriebszustand
- BG
- Brennerabgas
- D1
- Strömungsquerschnitt zum vierter Fluidanschluss
- D2
- Strömungsquerschnitt zum ersten Fluidanschluss
- F1
- erster Fluidanschluss
- F2
- zweiter Fluidanschluss
- F3
- dritter Fluidanschluss
- F4
- vierter Fluidanschluss
- F5
- fünfter Fluidanschluss
- F6
- sechster Fluidanschluss
- KL
- Kathodenabluft
- L
- Längsrichtung
