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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Versorgung eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie (im Folgenden Energieversorgungssystem). Derartige Energieversorgungssysteme werden auch als "Auxiliary Power Unit" (APU) bezeichnet, wenn sie zusätzlich zu einem Hauptaggregat vorgesehen sind, welches Hauptaggregat für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Energieversorgungssystem, welches eine Hochtemperaturbrennstoffzelle verwendet. Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um ein verbrennungsmotorisch betriebenes Fahrzeug, ein mittels eines Elektromotors betriebenes Fahrzeug oder ein Fahrzeug mit einem Hybridantrieb (insbesondere einem Hybridantrieb aus einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor) handeln.
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Unabhängig von der verwendeten Antriebsart weisen Fahrzeuge einen hohen Bedarf an elektrischer Energie auf. Wird die elektrische Energie auch zum Antrieb verwendet, ist der Bedarf besonders hoch.
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Bereitgestellt wird diese elektrische Energie bei verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen und bei Fahrzeugen mit einem Hybridantrieb üblicherweise mittels eines Generators, der von dem Verbrennungsmotor mechanisch angetrieben wird. Ein solcher Generator wird auch als Lichtmaschine bezeichnet. Der Wirkungsgrad bei dieser Art der Erzeugung elektrischer Energie ist jedoch relativ niedrig, da Verbrennungsmotoren selbst im stationären Betrieb nur einen Wirkungsgrad von zwischen 36 % und 43 % aufweisen. Weiter besteht das Problem, dass bei abgeschaltetem Verbrennungsmotor keine elektrische Energie erzeugt werden kann, und somit die ganze benötigte Energie von Batterien bereitgestellt werden muss. Dies kann beispielsweise bei Lastkraftwagen mit Kühlaggregaten dazu führen, dass der Verbrennungsmotor auch bei Stillstand des Fahrzeugs weiter betrieben werden muss, um die für den Betrieb des Kühlaggregats benötigte elektrische Leistung bereitzustellen. Kühlaggregate stellen die für die Klimatisierung eines Fahrzeugsinnenraums oder eines gekühlten Laderaums benötigte Kälte zur Verfügung.
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Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wird die elektrische Energie üblicherweise aus Batterien bereitgestellt. Diese weisen jedoch ein vergleichsweise hohes Gewicht auf und sind – je nach verwendeter Technologie – sehr teuer. Dabei ist das Gewicht häufig umgekehrt proportional zu den Kosten.
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Es ist auch bekannt, elektrische Energie durch Verwendung von Brennstoffzellen bereitzustellen. Dabei sind Niedertemperaturbrennstoffzellen und Hochtemperaturbrennstoffzellen bekannt. Unter einer Niedertemperaturbrennstoffzelle soll eine Brennstoffzelle mit einer Arbeitstemperatur unter 200° und unter einer Hochtemperaturbrennstoffzelle eine Brennstoffzelle mit einer Arbeitstemperatur über oder gleich 200° verstanden werden. Beispiele für Niedertemperaturbrennstoffzellen sind die Alkalische Brennstoffzelle (AFC), die Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC, PEFC), die Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), die Ameisensäure-Brennstoffzelle und die Magnesium-Luft-Brennstoffzelle (MAFC). Beispiele für Hochtemperaturbrennstoffzellen sind die Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) und die Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC). Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese beispielhaft genannten Brennstoffzellen beschränkt. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen liegt derzeit bei bis zu 60 %.
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Bei Niedertemperaturbrennstoffzellen besteht der Nachteil, dass häufig große Anforderungen an die Reinheit des Brennstoffs (z. B. Wasserstoff) und des mit dem Brennstoff reagierenden Sauerstoffs gestellt werden, und die verwendeten Katalysatoren häufig sehr teuer sind.
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Bei Hochtemperaturbrennstoffzellen besteht der Nachteil, dass die Brennstoffzelle erst auf ihre Betriebstemperatur gebracht werden muss und die hohen Temperaturen beim Betrieb der Brennstoffzelle kontrolliert werden müssen. Weiter weist eine Hochtemperaturbrennstoffzelle aufgrund ihrer hohen Betriebstemperatur thermische Verluste auf. Dafür sind die Anforderungen an die Reinheit des Brennstoffs und des mit dem Brennstoff reagierenden Sauerstoffs niedriger als bei der Niedertemperaturbrennstoffzelle.
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Hinsichtlich des einer Brennstoffzelle zugeführten Brennstoffes ist es bekannt, diesen entweder unmittelbar mitzuführen, oder im Fahrzeug mittels eines Reformers aus einem anderen Stoff zu erzeugen. Beispielsweise ist es bekannt, mittels eines Reformers aus Benzin, Dieselkraftstoff oder Erdgas ein wasserstoffhaltiges Gas zu erzeugen, und das wasserstoffhaltige Gas einer Brennstoffzelle zuzuführen. Herkömmliche Reformer weisen häufig den Nachteil auf, dass bei einem Kaltstart unerwünschte Beiprodukte entstehen können. Zur Lösung dieses Problems ist aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2011 088 566 A1 bekannt, in einem Brennstoffzellensystem einen Zusatzbrenner vorzusehen und von dem Zusatzbrenner erzeugtes Zusatzbrennerabgas zu nutzen, um den Reformer auf Betriebstemperatur aufzuwärmen.
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Aus der europäischen Patentschrift
EP 1 855 342 B2 ist es bekannt, in einem Abgasstrang eines Brennstoffzellensystems stromabwärts eines einer Brennstoffzelle nachgeschalteten Restgasbrenners eine Turbine anzuordnen, welche einen Heißgasförderer betreibt. Der sich aus Turbine und Heißgasförderer ergebende Aufbau soll einem Abgasturbolader nachempfunden sein. Der Heißgasförderer führt einen Teil des ungekühlten Anodenabgases der Brennstoffzelle unter Umgehung des Restgasbrenners zu einem Reformer. Dieser Aufbau weist den Nachteil auf, dass die Turbine den Heißgasförderer nur dann antreiben kann, wenn der Restgasbrenner eine ausreichend große Menge Anodengas verbrennt. Zur Lösung dieses Problems wird in der Patentschrift vorgeschlagen, die Turbine alternativ durch einen Elektromotor zu ersetzen.
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Ausführungsformen sind auf ein System zur Versorgung eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie gerichtet, welches die vorstehenden Nachteile vermeidet und eine verbesserte Energieausbeute aufweist.
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Ausführungsformen eines Energieversorgungssystems zur Versorgung eines Fahrzeugs mit elektrischer Energie weisen eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, einen Brenner, einen ersten Wärmeübertrager, eine Turbine und einen Generator auf. Die Hochtemperaturbrennstoffzelle ist ausgebildet, einen ihr zugeführten ersten Brennstoff und ein ihr zugeführtes erstes Oxidationsmittel zumindest teilweise in elektrische Energie und damit elektrischen Strom umzuwandeln. Im Rahmen dieser Umwandlung fällt zudem noch ein Brennstoffzellenabgas an, bei welchem es sich beispielsweise um Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasser handeln kann. Der Brenner ist ausgebildet, einen ihm zugeführten zweiten Brennstoff und ein ihm zugeführtes zweites Oxidationsmittel mittels einer (chemischen) Verbrennungsreaktion zumindest teilweise in thermische Energie und damit Wärme umzuwandeln. Weiter ist der Brenner ausgebildet, einen Teil dieser thermischen Energie mit Hilfe eines bei der Verbrennungsreaktion erzeugten Brennerabgases (beispielsweise Kohlendioxid und Wasser) aus dem Brenner abzuführen. Der erste Wärmeübertrager ist ausgebildet, im Brennerabgas enthaltene thermische Energie zumindest teilweise auf eines von dem der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführten ersten Brennstoff und dem der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführten ersten Oxidationsmittel zu übertragen. Diese Übertragung erfolgt vor einer Zufuhr des ersten Brennstoffes bzw. des ersten Oxidationsmittels zur Hochtemperaturbrennstoffzelle. Damit wird der Hochtemperaturbrennstoffzelle erwärmter erster Brennstoff und/oder erstes Oxidationsmittel zugeführt, und wird die Hochtemperaturbrennstoffzelle so erwärmt. Die Turbine ist ausgebildet, zumindest einen Teil einer im Brennerabgas enthaltenen Energie in kinetische Energie und insbesondere Rotationsenergie umzuwandeln. Der Generator ist mit der Turbine mechanisch verbunden und ausgebildet, die von der Turbine erzeugte kinetische Energie zumindest teilweise in elektrische Energie und damit Strom umzuwandeln.
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Damit wird die von dem Brenner erzeugte thermische Energie nicht nur dafür genützt, die Hochtemperaturbrennstoffzelle auf eine Betriebstemperatur vorzuheizen, sondern wird die im Brennerabgas enthaltene thermische Energie zudem dafür genutzt, elektrische Energie zu erzeugen. Auf diese Weise werden die Verluste des Energieversorgungssystems reduziert und wird der Wirkungsgrad erhöht. Weiter wird die während eines Startvorgangs von einer Batterie bereitzustellende Energiemenge reduziert.
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In diesem Dokument wird unter einem "Brennstoff" ein chemischer Stoff verstanden, dessen gespeicherte Energie sich in nutzbare Energie umwandeln lässt, wobei Kernbrennstoffe in diesem Dokument nicht unter den Begriff "Brennstoff" fallen sollen. Dabei kann es sich bei einem Brennstoff beispielsweise um einen organischen oder anorganischen Brennstoff handeln, der beispielsweise flüssig oder gasförmig vorliegen kann. Beispiele für Brennstoffe sind Erdöl und Erdölderivate (wie beispielsweise Motorbenzin und Dieselkraftstoff), methanhaltige Gase (wie beispielsweise Erdgas und Biogas), Kohle, Wasserstoff, Methanol oder Ethanol. Insbesondere kann es sich bei dem ersten Brennstoff um einen elektrochemischen Brennstoff handeln. Weiter wird in diesem Dokument unter einem "Oxidationsmittel" ein Stoff verstanden, der andere Stoffe oxidieren kann und dabei selbst reduziert wird. Insbesondere kann es sich bei dem Oxidationsmittel um ein sauerstoffhaltiges Fluid, wie beispielsweise Luftsauerstoff oder reinen Sauerstoff, handeln, welches beispielsweise flüssig oder gasförmig vorliegen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Brennstoff und dem zweiten Brennstoff um chemisch identische Substanzen. Dies weist den Vorteil auf, dass keine unterschiedlichen Brennstoffe und kein Reformer mitgeführt werden müssen.
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Gemäß einer ersten alternativen Ausführung handelt es sich bei dem ersten Brennstoff und dem zweiten Brennstoff um chemisch unterschiedliche Substanzen. Dies erlaubt es beispielsweise, einen chemisch reineren und/oder schwieriger zu speichernden Brennstoff (z. B. Wasserstoff) für die Hochtemperaturbrennstoffzelle und einen chemisch weniger reinen und/oder leichter zu speichernden Brennstoff (z. B. Dieselkraftstoff) für den Brenner zu verwenden. Dabei kann der erste Brennstoff (z. B. wasserstoffhaltiges Gas) auch mittels eines Reformers aus dem zweiten Brennstoff (z. B. Dieselkraftstoff oder methanhaltiges Gas) gebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Oxidationsmittel und dem zweiten Oxidationsmittel um chemisch identische Substanzen. Dies weist den Vorteil auf, dass keine unterschiedlichen Oxidationsmittel mitgeführt werden müssen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Oxidationsmittel und dem zweiten Oxidationsmittel um chemisch unterschiedliche Substanzen. Dies erlaubt es, ein chemisch reineres Oxidationsmittel (z. B. reinen Sauerstoff) für die Hochtemperaturbrennstoffzelle und ein chemisch weniger reines Oxidationsmittel (z. B. Luftsauerstoff) für den Brenner zu verwenden. Alternativ kann es sich bei dem ersten und zweiten Oxidationsmittel auch um chemisch identische Substanzen handeln, die in unterschiedlichen Zuständen (z. B. unterschiedlichen Drücken) bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Verbrennungsreaktion im Brenner überstöchiometrisch und damit unter Überschuss an zweitem Oxidationsmittel. Man spricht auch von einer "mageren Verbrennung", da mehr Oxidationsmittel als Brennstoff vorhanden ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Generator mechanisch über eine gemeinsame Welle mit der Turbine verbunden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind der Brenner, der erste Wärmeübertrager und die Turbine über eine mit dem Brennerabgas beaufschlagte Leitung miteinander verbunden. Dabei ist die Turbine bezogen auf in der Leitung geführtes Brennerabgas stromabwärts des Brenners und stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers angeordnet. Somit ist die Turbine zwischen dem Brenner und dem ersten Wärmeübertrager angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform weist der Brenner einen Auslass für Brennerabgas, der erste Wärmeübertrager einen Einlass für Abgas und die Turbine einen Einlass und einen Auslass für Abgas auf. Dabei ist der Einlass der Turbine mit dem Auslass des Brenners und der Auslass der Turbine mit dem Einlass des ersten Wärmeübertragers verbunden. Bei einer derartigen Anordnung weist das Brennerabgas in der Turbine eine besonders hohe Temperatur und damit einen besonders hohen Energiegehalt auf, wodurch die Turbine mit einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform sind der Brenner, der erste Wärmeübertrager und die Turbine über eine mit dem Brennerabgas beaufschlagte Leitung miteinander verbunden. Dabei ist der erste Wärmeübertrager bezogen auf in der Leitung geführtes Brennerabgas stromabwärts des Brenners und stromaufwärts der Turbine angeordnet. Somit ist der erste Wärmeübertrager zwischen Brenner und Turbine angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform weist der Brenner einen Auslass für Brennerabgas, die Turbine einen Einlass für Abgas und der erste Wärmeübertrager einen Einlass und einen Auslass für Abgas auf. Dabei ist der Einlass des ersten Wärmeübertragers mit dem Auslass des Brenners und der Auslass des ersten Wärmeübertragers mit dem Einlass der Turbine verbunden. Bei dieser Anordnung weist das dem ersten Wärmeübertrager zugeführte Brennerabgas eine besonders hohe Temperatur auf, so dass die Hochtemperaturbrennstoffzelle besonders schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem weiter einen Restgasbrenner auf, der ausgebildet ist, von der Hochtemperaturbrennstoffzelle nicht umgewandelten ersten Brennstoff und nicht oxidiertes erstes Oxidationsmittel zu empfangen und mittels einer Verbrennungsreaktion zumindest teilweise in thermische Energie und damit Wärme umzuwandeln. Dabei kann die Verbrennungsreaktion insbesondere überstöchiometrisch und damit mit Sauerstoffüberschuss erfolgen. Weiter ist der Restgasbrenner ausgebildet, zumindest einen Teil der von ihm erzeugten thermischen Energie mit Hilfe eines während der Verbrennungsreaktion erzeugten Restgasbrennerabgases aus dem Restgasbrenner abzuführen und der Turbine zuzuführen. Dann ist die Turbine ausgebildet, zumindest einen Teil der im Restgasbrennerabgas enthaltenen Energie in kinetische Energie umzuwandeln und an den Generator auszugeben. Da von dem Restgasbrenner auch die von der Hochtemperaturbrennstoffzelle nicht umgewandelten Anteile des ersten Brennstoffs thermisch verwertet werden ist es möglich, den der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführten ersten Brennstoff vollständig oder nahezu vollständig zu verwerten, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Energieversorgungssystems weiter erhöht und Verluste reduziert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann dann das Energieversorgungssystem weiter einen zweiten Wärmeübertrager aufweisen, der ausgebildet ist, im Restgasbrennerabgas enthaltene thermische Energie zumindest teilweise auf wenigstens eines von dem der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführten ersten Brennstoff und dem der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführten ersten Oxidationsmittel zu übertragen. Diese Übertragung erfolgt vor einer Zufuhr des ersten Brennstoffs bzw. des ersten Oxidationsmittels zur Hochtemperaturbrennstoffzelle. Auf diese Weise kann auch die von dem Restgasbrenner erzeugte thermische Energie für ein Aufheizen der Hochtemperaturbrennstoffzelle verwendet werden, so dass diese besonders schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Gemäß einer Ausführungsform sind der Restgasbrenner, der zweite Wärmeübertrager und die Turbine über eine mit dem Restgasbrennerabgas beaufschlagte Leitung miteinander verbunden und ist der zweite Wärmeübertrager bezogen auf in der Leitung geführtes Restgasbrennerabgas stromabwärts des Restgasbrenners und stromaufwärts der Turbine angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform weist der Restgasbrenner einen Auslass für Restgasbrennerabgas, die Turbine einen Einlass für Abgas und der zweite Wärmeübertrager einen Einlass und einen Auslass für Abgas auf. Dabei ist der Einlass des zweiten Wärmeübertragers mit dem Auslass des Restgasbrenners und der Auslass des zweiten Wärmeübertragers mit dem Einlass der Turbine verbunden. Bei dieser Anordnung weist das Restgasbrennerabgas, welches dem zweiten Wärmeübertrager zugeführt wird, eine besonders hohe Temperatur und damit einen besonders hohen Energiegehalt auf. Auf diese Weise kann der Hochtemperaturbrennstoffzelle besonders viel thermische Energie zugeführt werden und kann die Hochtemperaturbrennstoffzelle besonders schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem weiter einen dritten Wärmeübertrager auf, der ausgebildet ist, von der Hochtemperaturbrennstoffzelle ausgegebenes Brennstoffzellenabgas zu empfangen. Weiter ist der dritte Wärmeübertrager ausgebildet, im Brennstoffzellenabgas enthaltene thermische Energie zumindest teilweise auf wenigstens eines von dem der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführten ersten Brennstoff und dem der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführten ersten Oxidationsmittel zu übertragen. Diese Übertragung erfolgt vor einer Zufuhr des ersten Brennstoffes bzw. des ersten Oxidationsmittels zur Hochtemperaturbrennstoffzelle. Auf diese Weise kann selbst die Abwärme der Hochtemperaturbrennstoffzelle zum Heizen der Hochtemperaturbrennstoffzelle verwendet werden, so dass die Verluste des Energieversorgungssystems weiter reduziert und der Wirkungsgrad des Energieversorgungssystems weiter erhöht werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem weiter einen Luftverdichter auf, der mechanisch mit der Turbine verbunden ist. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt diese mechanische Verbindung über eine gemeinsame Welle. Zusätzlich oder alternativ kann der Luftverdichter mechanisch mit dem Generator verbunden sein. Gemäß einer Ausführungsform erfolgt diese Verbindung über eine gemeinsame Welle. Der Luftverdichter ist ausgebildet, mittels der von der Turbine erzeugten kinetischen Energie oder einer von dem Generator in einem Motorbetrieb des Generators erzeugten kinetischen Energie Luft zu verdichten und so wenigstens einen von dem Brenner, der Hochtemperaturbrennstoffzelle und dem Restgasbrenner Oxidationsmittel zuzufügen. Die Verwendung eines Luftverdichters erleichtert beispielsweise die Verwendung von Luftsauerstoff als Oxidationsmittel. Gemäß einer Ausführungsform kann der Generator wahlweise als Generator oder als Motor betrieben werden, je nachdem ob dem Generator elektrischer Strom oder kinetische Energie zugeführt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist wenigstens eines von dem Brenner und dem Restgasbrenner und der Turbine eine Mikrogasturbine, welche ausgebildet ist, den zugeführten Brennstoff und das zugeführte Oxidationsmittel zumindest teilweise sowohl in thermische Energie als auch in kinetische Energie umzuwandeln. Dabei wird unter einer Mikrogasturbine eine Turbine verstanden, in welcher eine Verbrennungsreaktion stattfindet. Somit unterscheidet sich die Mikrogasturbine durch das Vorhandensein einer Brennkammer von einer normalen Turbine, welche üblicherweise keine Brennkammer aufweist. Entsprechend wird der Mikrogasturbine Brennstoff und Oxidationsmittel zugeführt. Bei dem Brennstoff kann es sich insbesondere um den zweiten Brennstoff handeln, welcher auch dem Brenner zugeführt wird. Ebenso kann es sich bei dem Oxidationsmittel insbesondere um das zweite Oxidationsmittel handeln, welches auch dem Brenner zugeführt wird. Die Mikrogasturbine ist mechanisch beispielsweise über eine gemeinsame Welle mit dem Generator verbunden und der Generator ist ausgebildet, die von der Mikrogasturbine erzeugte kinetische Energie zumindest teilweise in elektrische Energie umzuwandeln. Auf diese Weise kann eine besonders hohe Menge an elektrischer Energie bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem weiter eine erste Bypassleitung auf, um von dem Brenner ausgegebenes Brennerabgas unter Umgehung der Turbine direkt dem Wärmeübertrager zuzuführen. Somit verbindet die erste Bypassleitung einen Auslass des Brenners mit einem Einlass des ersten Wärmeübertragers. Dabei kann die erste Bypassleitung wenigstens eines von einem Bypassventil und wenigstens einem Dreiwegeventil aufweisen, um die Menge des der Turbine direkt zugeführten Brennerabgases steuern zu können. Anstelle von Ventilen können alternativ auch Klappen verwendet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem weiter eine zweite Bypassleitung auf, um von dem Restgasbrenner ausgegebenes Restgasbrennerabgas unter Umgehung des zweiten Wärmeübertragers direkt der Turbine zuzuführen. Somit verbindet die zweite Bypassleitung einen Auslass des Restgasbrenners mit einem Einlass der Turbine. Dabei kann in der zweiten Bypassleitung wenigstens ein Abgas von einem Bypassventil und wenigstens einem Dreiwegeventil vorgesehen sein, um eine Menge des der Turbine direkt zugeführten Restgasbrennerabgases zu steuern.
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Durch das Vorsehen von Bypassleitungen ist es möglich, beispielsweise beim Aufheizen während der Inbetriebnahme der Hochtemperaturbrennstoffzelle sicher zu stellen, dass das dem jeweiligen Wärmeübertrager zugeführte Abgas eine möglichst hohe Temperatur aufweist und die Hochtemperaturbrennstoffzelle so besonders schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Gleichzeitig kann durch Verwendung des Bypassventils und/oder des wenigstens einen Dreiwegeventils beispielsweise in einem späteren Stadium des Aufheizens oder während eines stationären Betriebs der Hochtemperaturbrennstoffzelle sichergestellt werden, dass das der Turbine zugeführte Abgas eine möglichst hohe Temperatur aufweist und die Turbine so mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann. Auch durch diese Maßnahme wird der Wirkungsgrad des Energieerzeugungssystems insgesamt erhöht und erreicht, dass die dem System beim Start beispielsweise aus einem Energiespeicher (z. B. einer Batterie) zuzuführende Energie möglichst niedrig ist. Hierdurch ergeben sich niedrigere Kosten für den benötigten Energiespeicher und ein kleineres Volumen des benötigten Energiespeichers.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem weiter einen Spannungswandler auf, der ausgebildet ist, die von dem Generator ausgegebene elektrische Energie zu empfangen und in eine Gleichspannung umzuwandeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Spannungswandler um einen Gleichspannungswandler handeln.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem dann weiter eine Batterie auf, welche mit dem Spannungswandler verbunden und ausgebildet ist, von dem Spannungswandler ausgegebene Gleichspannung zu speichern.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Hochtemperaturbrennstoffzelle und/oder die Batterie ausgebildet, elektrische Energie an einen elektrischen Antriebsmotor eines elektromotorisch betriebenen Fahrzeugs auszugeben.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Energieversorgungssystem weiter einen vierten Wärmeübertrager auf, der ausgebildet ist, von der Turbine ausgegebenes Abgas zu empfangen und dem Abgas thermische Energie zu entziehen und diese thermische Energie einer Innenraumheizung eines Fahrzeugs bereitzustellen.
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Ausführungsformen eines elektromotorisch betriebenen Fahrzeugs weisen einen elektrischen Antriebsmotor und ein Energieversorgungssystem wie vorstehend beschrieben auf. Dabei ist das Energieversorgungssystem ausgebildet, dem Antriebsmotor elektrische Energie zuzuführen.
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Ausführungsformen eines verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugs, insbesondere eines Lastkraftwagens, weisen einen Verbrennungsmotor und ein Energieversorgungssystem wie vorstehend beschrieben auf. Das Energieversorgungssystem ist ausgebildet, dem Fahrzeug beispielsweise bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor elektrische Energie bereitzustellen, oder die Lichtmaschine des Fahrzeugs während des Betriebs des Fahrzeuges zu entlasten.
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Bei dem Fahrzeug kann es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen handeln.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung und den Ansprüchen zur Aufzählung von Merkmalen verwendeten Begriffe "umfassen", "aufweisen", "beinhalten", "enthalten" und "mit", sowie deren grammatikalische Abwandlungen, generell als nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen, wie z. B. Verfahrensschritten, Einrichtungen, Bereichen, Größen und dergleichen aufzufassen sind, und in keiner Weise das Vorhandensein anderer oder zusätzlicher Merkmale oder Gruppierungen von anderen oder zusätzlichen Merkmalen ausschließen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen sowie den Figuren. In den Figuren werden gleiche bzw. ähnliche Elemente mit gleichen bzw. ähnlichen Bezugszeichen bezeichnet. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen der beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern durch den Umfang der beiliegenden Patentansprüche bestimmt ist.
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Insbesondere können die einzelnen Merkmale bei erfindungsgemäßen Ausführungsformen in anderer Anzahl und Kombination als bei den untenstehend angeführten Beispielen verwirklicht sein. Bei der nachfolgenden Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen, von denen
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1A und 1B zwei schematische Blockdiagramme eines Energieversorgungssystems gemäß einer ersten und zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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2A und 2B zwei schematische Blockdiagramme eines Energieversorgungssystems gemäß einer dritten und vierten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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3A und 3B zwei schematische Blockdiagramme eines Energieversorgungssystems gemäß einer fünften und sechsten Ausführungsform der Erfindung zeigen;
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4 schematisch ein Energieversorgungssystem gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
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5 schematisch ein Fahrzeug zeigt, welches das Energieversorgungssystem aus einem der 1A bis 4 verwendet.
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In den folgenden Figuren symbolisieren die Pfeile gleichzeitig Ströme an Fluid bzw. elektrischem Strom und die diese führenden Leitungen. Dabei geben die Pfeilrichtungen die Strömungsrichtung des Fluids bzw. die Richtung an, in welche eine Energieübertragung mittels elektrischem Strom stattfindet.
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Gemäß einer in 1A schematisch gezeigten ersten Ausführungsform weist ein Energieversorgungssystem 1 eine Hochtemperaturbrennstoffzelle in Form einer Festoxidbrennstoffzelle (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC) 60, einen Brenner 20, eine Bypassleitung mit einem Bypassventil 86, eine Turbine 90, einen Generator in Form einer Gleichstrommaschine 80, einen Spannungswandler in Form eines Gleichspannungswandlers 110, eine Batterie 120, einen ersten Wärmeübertrager 70 sowie einen vierten Wärmeübertrager 72 auf.
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Die Festoxidbrennstoffzelle 60 ist ausgebildet, ihr aus einem in den Figuren nicht gezeigten Reservoir zugeführten ersten Brennstoff in Form von Erdgas 31 und ihr von einem in den 1A und 1B nicht gezeigten Luftzuführeinheit (welche beispielsweise einen Kompressor und ein Klappensystem umfassen kann) zugeführtes erstes Oxidationsmittel in Form von in Druckluft enthaltenem Luftsauerstoff 40, 41 zumindest teilweise in elektrische Energie und Brennstoffzellenabgas umzuwandeln. Hierfür muss die Festoxidbrennstoffzelle 60 zunächst durch Zufuhr externer Energie auf Temperaturen von etwa 600°C gebracht werden. Im regulären Betrieb liegt die Betriebstemperatur der Festoxidbrennstoffzelle 60 bei zwischen 650°C und 900°C.
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Das in den 1A und 1B nicht gezeigte Brennstoffzellenabgas besteht im Wesentlichen aus Wasserdampf und Kohlendioxid. Wie in 2C und 3 gezeigt, kann das Brennstoffzellenabgas 33, 43 jedoch auch noch Reste von unoxidiertem ersten Brennstoff und ersten Oxidationsmittel aufweisen.
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Der Brenner 20 ist ausgebildet, ihm zugeführten zweiten Brennstoff in Form von Erdgas 32 und ihm zugeführtes erstes Oxidationsmittel in Form von in Druckluft enthaltenem Luftsauerstoff 42 durch eine Verbrennungsreaktion zumindest teilweise in thermische Energie umzuwandeln. Dabei stammen in dieser Ausführungsform das dem Brenner 20 zugeführte Erdgas 32 und die dem Brenner zugeführte Druckluft 42 aus der selben Quelle, welche auch die Festoxidbrennstoffzelle 60 versorgt.
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Die vom Brenner 20 erzeugte thermische Energie wird zum größten Teil über heißes Brennerabgas 50 aus dem Brenner 20 abgeführt und einem aus der Gleichstrommaschine 80, der Turbine 90 und der Bypassleitung mit dem Bypassventil 86 gebildeten Turbogenerator 85 zugeführt. In der gezeigten Ausführungsform ist das Bypassventil 86 stufenlos regelbar.
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Die Bypassleitung mit dem Bypassventil 86 (die auch als "Wastegate" bezeichnet wird) ist zu der Turbine 90 parallel geschaltet. Hierfür sind am Anfang und am Ende der Bypassleitung jeweils T-Stücke vorgesehen, deren einer Arm mit einem Einlass bzw. Auslass des Bypassventils 86 und deren anderer Arm mit einem Einlass bzw. Auslass der Turbine 90 verbunden ist. Der verbleibende Arm des einen T-Stücks ist mit einem Auslass des Brenners 20 verbunden. Der verbleibende Arm des anderen T-Stücks ist mit einem Einlass des ersten Wärmeübertragers 70 verbunden. Da das geöffnete Bypassventil 86 für das von dem Brenner 20 ausgegebene Brennerabgas 50 einen geringeren Strömungswiderstand als die Turbine 90 aufweist, ist es mittels des Bypassventils 86 möglich, das Brennerabgas 50 dem ersten Wärmeübertrager 70 wahlweise direkt oder indirekt über die Turbine 90 zuzuführen (auch beides ist möglich).
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Die Turbine 90 ist über eine gemeinsame Welle (doppelte Linie in den Figuren) mechanisch mit der Gleichstrommaschine 80 verbunden, und dreht so die Gleichstrommaschine 80. Die Gleichstrommaschine 80 ist mit einem Gleichspannungswandler 110 verbunden, der den von der Gleichstrommaschine 80 erzeugten elektrischen Strom 81 in eine konstante Spannung umwandelt und an eine mit dem Gleichspannungswandler 110 verbundene Batterie 120 ausgibt. Die Batterie 120, bei welcher es sich vorliegend um eine Blei-Gel-Batterie handelt, speichert den vom Gleichspannungswandler 110 ausgegebenen elektrischen Strom 82.
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Der erste Wärmeübertrager 70 ist ausgebildet, im Brennerabgas 50 enthaltene thermische Energie zumindest teilweise an von dem Kompressor empfangene Druckluft 40 zu übertragen, und der Festoxidbrennstoffzelle 60 so heißen Luftsauerstoff 41 zur Verfügung zu stellen, um die Festoxidbrennstoffzelle 60 zu erwärmen.
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Der vierte Wärmeübertrager 72 ist in Serie mit dem ersten Wärmeübertrager 70 geschaltet und empfängt von dem ersten Wärmeübertrager 70 ausgegebenen Brennerabgas 52. Der vierte Wärmeübertrager 72 ist ausgebildet, dem Brennerabgas 52 weitere thermische Energie zu entziehen und diese einer Innenraumheizung 140 (siehe 4) eines Fahrzeugs bereitzustellen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 1B eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert. Da diese Ausführungsform der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sehr ähnlich ist, wird im Folgenden nur auf Unterschiede eingegangen und ansonsten auf das zur ersten Ausführungsform Gesagte verwiesen.
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Das Energieversorgungssystem 1' gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehenden ersten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass die Bypassleitung kein Bypassventil 86 aufweist. Vielmehr sind die T-Stücke zu Beginn und am Ende der Bypassleitung durch zwei schrittweise regelbare Dreiwegeventile 87, 88 ersetzt. Es wird jedoch betont, dass die Verwendung von zwei Dreiwegeventilen 87, 88 nur optional ist. Die volle Funktionalität wird bereits dann bereitgestellt, wenn lediglich eines der beiden Dreiwegeventile 87, 88 vorhanden ist.
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Weiter ist der Generator in der zweiten Ausführungsform ein Wechselstromgenerator 80', der Spannungswandler ein Gleichrichter 110', und die Batterie eine Lithium-Ionen Batterie 120'.
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Zudem ist in der zweiten Ausführungsform die Hochtemperaturbrennstoffzelle eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC) 60', der aus einem (nicht gezeigten) Reservoir reiner Wasserstoff als erster Brennstoff 31 und aus einem (nicht gezeigten) weiteren Reservoir reiner Sauerstoff 40, 41 als erstes Oxidationsmittel zugeführt wird. Dem Brenner 20 wird aus einem weiteren (nicht gezeigten) Reservoir Diesel als zweiten Brennstoff 32 zugeführt. Als zweites Oxidationsmittel 42 verwendet der Brenner 20 in der zweiten Ausführungsform Luft. In der zweiten Ausführungsform arbeitet der Brenner 20 mit Luftüberschuss und damit überstöchiometrisch.
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Schließlich ist in der zweiten Ausführungsform kein vierter Wärmeübertrager 72 vorgesehen.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2A eine dritte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Da diese Ausführungsform der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform sehr ähnlich ist, wird im Folgenden nur auf Unterschiede eingegangen und ansonsten auf das zur ersten Ausführungsform Gesagte verwiesen.
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Das Energieversorgungssystem 1'' gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehenden ersten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass keine Bypassleitung vorgesehen ist. Vielmehr ist die Turbine 90 immer zwischen einem Auslass des Brenner 20 und einem Einlass des ersten Wärmeübertragers 70 angeordnet. Somit ist die Turbine 90 bezogen auf eine Strömungsrichtung des Brennerabgases 50 stromabwärts des Brenners 20 und stromaufwärts des ersten Wärmeübertragers 70 angeordnet.
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Schließlich ist in der dritten Ausführungsform kein vierter Wärmeübertrager 72 vorgesehen, und ist die Hochtemperaturbrennstoffzelle eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) 60'', die wie die Festoxidbrennstoffzelle aus der ersten Ausführungsform ebenso wie der Brenner mit Erdgas und in Druckluft enthaltenem Luftsauerstoff betrieben wird.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2B eine vierte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Da diese Ausführungsform der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform sehr ähnlich ist, wird im Folgenden nur auf Unterschiede eingegangen und ansonsten auf das zur dritten Ausführungsform Gesagte verwiesen.
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Das Energieversorgungssystem 1''' gemäß der vierten Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehenden dritten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass die Turbine 90 bezogen auf eine Strömungsrichtung des Brennerabgases 50 stromabwärts des Brenners 20 und stromabwärts des ersten Wärmeübertragers 70 angeordnet ist. Somit ist der erste Wärmeübertrager 70 zwischen einem Auslass des Brenners 20 und einem Einlass der Turbine 90 angeordnet. Entsprechend wird der Turbine 90 Brennerabgas 50 nicht direkt zugeführt, sondern durch den ersten Wärmeübertrager 70 ausgegebenes Brennerabgas 53 mit einem niedrigeren Energiegehalt.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 3A eine fünfte Ausführungsform der Erfindung erläutert. Da diese Ausführungsform der vorstehend beschriebenen vierten Ausführungsform sehr ähnlich ist, wird im Folgenden nur auf Unterschiede eingegangen und ansonsten auf das zur vierten Ausführungsform Gesagte verwiesen.
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Das Energieversorgungssystem 1'''' gemäß der fünften Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehenden vierten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass ein Restgasbrenner 21 vorgesehen ist, welcher das von der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) 60'' enthaltene Brennstoffzellenabgas verwertet. Das Brennstoffzellenabgas enthält unverbranntes Erdgas 43 und noch nicht oxidierten Luftsauerstoff 33.
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Der Restgasbrenner 21 ist ausgebildet, das unverbrannte Erdgas 43 und den noch nicht oxidierten Luftsauerstoff 33 mittels einer Verbrennungsreaktion zumindest teilweise in thermische Energie umzuwandeln. Diese Wärme wird zu einem großen Teil mit Restgasbrennerabgas 55 aus dem Restgasbrenner 21 abgeführt, und über einen zweiten Wärmeübertrager 71 der Turbine 90 zugeführt. Die Turbine 90 wird somit sowohl mit vom ersten Wärmeübertrager 70 ausgegebenem Brennerabgas 53 als auch vom zweiten Wärmeübertrager 71 ausgegebenem Restgasbrennerabgas 55 betrieben.
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Der zweite Wärmeübertrager 71 ist ausgebildet, im Restgasbrennerabgas 55 enthaltene thermische Energie zumindest teilweise auf die der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) 60'' als erstes Oxidationsmittel zugeführte Druckluft 44 zu übertragen, und der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) 60'' so erwärmte Druckluft 45 bereitzustellen. Auf diese Weise wird die Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) 60'' weiter erwärmt.
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Schließlich ist in der Ausführungsform der 3A entsprechend der 1A parallel zum zweiten Wärmeübertrager 71 eine Bypassleitung mit einem stufenlos regelbaren Bypassventil 86 vorgesehen, welche es erlaubt, Restgasbrennerabgas 55 unter Umgehung des zweiten Wärmeübertragers 71 direkt zur Turbine 90 zu führen. Alternativ zum Bypassventil kann auch wenigstens ein Dreiwegeventil verwendet werden, wie es in 1B gezeigt ist. Das Dreiwegeventil kann ebenfalls stufenlos regelbar sein. Alternativ können das Bypassventil und das Dreiwegeventil auch schrittweise regelbar sein.
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Es wird betont, dass der in der fünften Ausführungsform gezeigte Restgasbrenner 21 nur optional ist. Alternativ kann das von der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) 60'' ausgegebene Brennstoffzellenabgas auch direkt dem zweiten Wärmeübertrager zugeführt werden.
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Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf 3B eine sechste Ausführungsform der Erfindung erläutert. Da diese Ausführungsform der vorstehend beschriebenen fünften Ausführungsform sehr ähnlich ist, wird im Folgenden nur auf Unterschiede eingegangen und ansonsten auf das zur fünften Ausführungsform Gesagte verwiesen.
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Das Energieversorgungssystem 1* gemäß der sechsten Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehenden fünften Ausführungsform insbesondere dadurch, dass ein Luftverdichter 91 vorgesehen ist, der über eine gemeinsame Welle mechanisch mit der Gleichstrommaschine 80 gekoppelt ist. Die Gleichstrommaschine 80 kann wahlweise durch die Turbine 90 gedreht werden, und so Strom erzeugen, oder von der Batterie 120 über den Gleichspannungswandler 110 mit Strom versorgt werden, und den Luftverdichter 91 antreiben. Der Gleichspannungswandler 110 ist somit ein bidirektionaler Gleichspannungswandler. Damit die Gleichstrommaschine 80 im Motorbetrieb nicht auch die Turbine 90 antreibt, ist zwischen Gleichstrommaschine 80 und Turbine 90 ein nicht gezeigter Freilauf bzw. eine Kupplung vorgesehen. Der Luftverdichter 91 empfängt über einen nicht gezeigten Luftfilter Umgebungsluft 46, verdichtet diese, und speist diese in ein Druckluftnetz ein, welches den Brenner 20, den Restgasbrenner 21 und über die ersten und zweiten Wärmeübertrager 70, 71 auch die der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) 60'' mit Luftsauerstoff versorgt.
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Weiter unterscheidet sich das Energieversorgungssystem 1* gemäß der sechsten Ausführungsform von der vorstehenden fünften Ausführungsform dadurch, dass parallel zum zweiten Wärmeübertrager 71 keine Bypassleitung vorgesehen ist.
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Es wird betont, dass in der sechsten Ausführungsform wahlweise auch eine Bypassleitung mit einem insbesondere stufenlos regelbaren Bypassventil oder wenigstens einem insbesondere schrittweise regelbaren Dreiwegeventil vorgesehen sein kann, wie es in den 1A und 1B gezeigt ist.
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Weiter kann die Reihenfolge, in der die Turbine und der erste Wärmetauscher mit Brennerabgas beaufschlagt werden, in der fünften und sechsten Ausführungsform auch vertauscht werden, wie dies in den 2A und 2B gezeigt ist.
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Weiter wird betont, dass in jeder der ersten mit sechsten Ausführungsform anstelle eines Brenners und/oder Restgasbrenners und/oder Turbine jeweils eine Mikrogasturbine verwendet werden kann. Die Mikrogasturbine ist dann mit dem Generator gekoppelt, und gibt zusätzlich zur im Abgas enthaltenen thermischen Energie, welche an die Wärmetauscher ausgegeben wird, kinetische Energie an den Generator aus. Alternativ können die Mikrogasturbinen auch eigene Generatoren aufweisen, und so anstelle von kinetischer Energie direkt elektrischen Strom ausgeben.
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Die in 4 gezeigte siebte Ausführungsform eines Energieversorgungssystems 1** ist den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sehr ähnlich. Deshalb wird im Folgenden nur auf Unterschiede zur sechsten Ausführungsform eingegangen und ansonsten auf das zu den vorstehenden Ausführungsformen Gesagte verwiesen.
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In der sechsten Ausführungsform ist die Hochtemperaturbrennstoffzelle 60 wie in der in 1A gezeigten ersten Ausführungsform eine Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), die aber anders als in der ersten Ausführungsform nicht Erdgas als ersten Brennstoff verwendet, sondern wasserstoffhaltiges Gas 31. Dem Brenner 20 wird in dieser Ausführungsform als zweiter Brennstoff Dieselkraftstoff 32 zugeführt.
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Das wasserstoffhaltige Gas 31 wird in dieser Ausführungsform von einem Reformer 150 bereitgestellt. Der Reformer 150 erzeugt das wasserstoffhaltige Gas 31 aus Dieselkraftstoff, welcher dem Reformer 150 mittels einer ersten Kraftstoffpumpe 131 aus einem Kraftstofftank 130 zugeführt wird. Dabei wird dem Reformer 150 mittels eines Heißgasförderers 91 auch mit Brennstoffzellenabgas vermischtes Oxidationsmittel in Form von Druckluft zugeführt.
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Um zu vermeiden, dass der Reformer 150 beim Kaltstart unerwünschte Nebenprodukte erzeugt, kann er mittels von dem Brenner 20 ausgegebenem heißem Brennerabgas beheizt werden. Hierfür weist der Reformer 150 einen Heizvorlauf auf, der zwischen dem Auslass des Brenners 20 und dem Einlass des ersten Wärmeübertragers 70 mit einer das Brennerabgas führenden Leitung verbunden ist. Weiter weist der Reformer 150 einen Heizrücklauf auf, der stromabwärts eines Auslasses des ersten Wärmeübertragers 70 mit einer das Brennerabgas führenden Leitung verbunden ist. Im regulären Betrieb des Reformers 150 ist es in der Regel nicht mehr nötig, den Reformer 150 zu beheizen. Vielmehr kann vom Reformer 150 im Betrieb erzeugte überschüssige Wärme über den Heizrücklauf des Reformer 150 abgeführt werden.
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Der im Kraftstofftank 130 enthaltene Dieselkraftstoff 32 wird dem Brenner 20 über eine zweite Kraftstoffpumpe 132 als zweiter Brennstoff zugeführt und in dem Brenner 20 verbrannt.
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In der siebten Ausführungsform sind schematisch weiter ein Luftverteiler 47, ein Kompressor 146 zur Erzeugung von Druckluft aus zugeführter Umgebungsluft 46 und zum Zuführen der Druckluft zu dem Luftverteiler 47, diverse Auslassventile V des Luftverteilers sowie diverse Mischventile M gezeigt.
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Über die Auslassventile V wird dem Reformer 150, dem Brenner 20, dem Nachbrenner 21 und dem ersten und zweiten Wärmeübertrager 70, 71 Oxidationsmittel in Form von Druckluft zugeführt.
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Mittels der Mischer M ist es möglich, der dem Reformer 150 zugeführten Druckluft heißes Brennstoffzellenabgas zuzuführen, und die Druckluft so vorzuheizen. Weiter ist es mittels der Mischer M möglich, das von den ersten und zweiten Wärmetauschern 70, 71 vorgeheizte Oxidationsmittel zu mischen und der Festoxidbrennstoffzelle 60 zuzuführen. Schließlich ist es mittels der Mischer M möglich, das vom Brenner 20 ausgegebene Brennerabgas mit dem im Heizrücklauf des Reformers 150 geführten Abgas und dem vom Restgasbrenner 21 ausgegebenen Abgas zu mischen.
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Die in den vorangegangenen Figuren gezeigte Turbine 90 und der Generator 80 sowie der Gleichspannungswandler 110 und die Batterie 120 sind in 4 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Dafür sind in 4 drei mögliche Positionen P1, P2 und P3 angegeben, an welchen die mit dem Generator 80 gekoppelte Turbine 90 angeordnet sein kann. Der Generator 80 kann dann jeweils über einen Spannungswandler mit einer Batterie verbunden sein oder im Fall eines Gleichspannungsgenerators auch unter Verzicht auf einen Spannungswandler direkt mit einer Batterie verbunden sein.
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Schließlich ist in 4 stromabwärts der Position P3 und stromaufwärts des aus der ersten Ausführungsform bekannten vierten Wärmeübertragers 72 ein Abgaskatalysator 160 gezeigt.
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In der 5 ist schematisch ein Automobil gezeigt, welches das vorstehend beschriebene Energieversorgungssystem 1 verwendet. Das Automobil weist einen Antriebsmotor in Form eines Elektromotors 145 auf, der von der Batterie 120 des Energieversorgungssystems 1 gespeist wird. Weiter ist eine Innenraumheizung 140 vorgesehen, welche von dem in 1A gezeigten vierten Wärmetauscher 72 mit thermischer Energie versorgt wird. Schließlich weist das Automobil eine Abgasanlage 55 auf, über welche das über die Turbine 90 geführte Brennerabgas und Restgasbrennerabgas als Abgas 54 abgeführt wird.
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Auch wenn in 5 ein elektromotorisch betriebenes Automobil gezeigt ist, kann das Fahrzeug alternativ beispielsweise auch ein verbrennungsmotorisch betriebener Lastkraftwagen oder ein verbrennungsmotorisch betriebenes Schiff sein. In diesem Fall kann das Energieversorgungssystem 1 eine "Auxiliary Power Unit" (APU) sein, die zusätzlich zu einem als Hauptaggregat vorgesehenen Verbrennungsmotor 145 vorgesehen ist, um beim Stillstand des Hauptaggregats elektrische Energie bereit zu stellen.
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Obwohl die voranstehenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lediglich beispielhaft erläutert worden sind, werden die Fachleute erkennen, dass zahlreiche Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Schutzbereich und Geist der in den nachfolgenden Ansprüchen offenbarten Erfindung abzuweichen. So ist es beispielsweise in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele möglich, eine beliebige Art an Hochtemperaturbrennstoffzelle zu verwenden, der dann geeigneter Brennstoff und geeignetes Oxidationsmittel zuzuführen ist. Auch die für den Betrieb der Brenner verwendeten Brennstoffe und Oxidationsmittel können ausgetauscht werden. Zudem kann in jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele ein Reformer verwendet werden, welcher den ersten Brennstoff bereitstellt, welcher der Hochtemperaturbrennstoffzelle zugeführt wird. Insbesondere kann der Reformer ausgebildet sein, den ersten für den Betrieb der Hochtemperaturbrennstoffzelle verwendeten Brennstoff aus dem zweiten für den Betrieb der Brenner verwendeten Brennstoff zu erzeugen. Auch kann von dem Reformer erzeugte Abwärme verwendet werden, um die Temperatur des der Turbine zugeführten Abgases zu erhöhen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011088566 A1 [0008]
- EP 1855342 B2 [0009]
