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Stand der Technik
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Es ist bereits eine Brennstoffzellenvorrichtung mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit vorgeschlagen worden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einer Brennstoffzellenvorrichtung mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit, welche dazu vorgesehen ist, wenigstens einen, vorteilhaft kontinuierlich zugeführten, Brennstoff mittels eines elektrochemischen Verfahrens umzusetzen.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung wenigstens eine Mischeinheit umfasst, die dazu vorgesehen ist, dem Brennstoff zur Veränderung wenigstens einer Umsetzungskenngröße der Brennstoffzelleneinheit zumindest ein, insbesondere von einem Oxidationsmittel verschiedenes, Hilfsfluid beizumischen. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt.
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Unter einer „Brennstoffzellenvorrichtung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere zumindest ein Teil, insbesondere eine Unterbaugruppe, eines Brennstoffzellensystems verstanden werden, welches insbesondere zu einer, insbesondere stationären und/oder mobilen, Gewinnung elektrischer und/oder thermischer Energie vorgesehen ist. Insbesondere ist die Brennstoffzelleneinheit zumindest dazu vorgesehen, zumindest eine chemische Reaktionsenergie des, vorteilhaft kontinuierlich zugeführten, Brennstoffs und zumindest eines Oxidationsmittels, wie beispielsweise Luft und/oder Sauerstoff, in elektrische und/oder thermische Energie umzuwandeln. Insbesondere kann die Brennstoffzelleneinheit genau eine Brennstoffzelle und/oder vorzugsweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisen, welche vorteilhaft in einem Brennstoffzellenstack angeordnet sein können. Ferner ist die zumindest eine Brennstoffzelleneinheit bevorzugt als alkalische Brennstoffzelle (AFC), als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC), als Magnesium-Luft-Brennstoffzelle (MAFC) und/oder vorteilhaft als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgebildet. Unter einem „Brennstoff“ soll insbesondere ein chemischer Stoff verstanden werden, dessen gespeicherte chemische Energie sich durch Verbrennung und/oder Umsetzung in einer Brennstoffzelleneinheit in nutzbare Energie, insbesondere in elektrische und/oder thermische Energie, umwandeln lässt. Der Brennstoff kann dabei als solider Brennstoff, als flüssiger Brennstoff und/oder vorteilhaft als gasförmiger Brennstoff, vorzugsweise als Brenngas, ausgebildet sein. Ferner soll unter einem „Hilfsfluid“ insbesondere ein, insbesondere von einem Oxidationsmittel, wie beispielsweise Luft und/oder Sauerstoff, verschiedenes, Fluid, insbesondere ein reaktives Hilfsfluid und vorteilhaft ein Hilfsgas, verstanden werden, welches insbesondere dem Brennstoff beigemischt wird, insbesondere in der Brennstoffzelleneinheit und/oder vorteilhaft vor einem Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit, insbesondere um eine Umsetzung des Brennstoffs, insbesondere in dem elektrochemischen Verfahren, insbesondere in elektrische und/oder thermische Energie zu verändern und vorteilhaft zu verbessern, zu optimieren und/oder zu erhöhen. Insbesondere ist das Hilfsfluid dabei zu einer Veränderung der Umsetzungskenngröße der Brennstoffzelleneinheit vorgesehen.
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Darüber hinaus soll unter einer „Mischeinheit“ insbesondere eine Einheit verstanden werden, welche zu einer Vermischung zumindest zweier, vorteilhaft verschiedener, insbesondere zumindest chemisch verschiedener, Fluide, insbesondere zumindest des Brennstoffs und des Hilfsfluids, vorgesehen ist. Die Mischeinheit kann dabei insbesondere als, insbesondere fluiddichte, Kammer und/oder Gasleitung ausgebildet sein, innerhalb welcher die Fluide insbesondere ein Fluidgemisch bilden. Insbesondere umfasst die Mischeinheit dabei wenigstens einen Fluideinlass und vorteilhaft zwei Fluideinlässe, in welchen/welche insbesondere die Fluide eingeleitet werden können. Vorzugsweise weist die Mischeinheit zudem wenigstens einen Fluidauslass, insbesondere für das Fluidgemisch, auf, welcher insbesondere mit der Brennstoffzelleneinheit fluidtechnisch verbunden ist. Unter einer „Umsetzungskenngröße“ soll ferner insbesondere eine charakterisierende Kenngröße der Brennstoffzelleneinheit verstanden werden, welche insbesondere mit der Umsetzung des Brennstoffs, insbesondere in dem elektrochemischen Verfahren, korreliert ist und vorteilhaft ein Verhältnis zwischen einem der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Energiebetrag und/oder einer der Brennstoffzelleneinheit zugeführten Brennstoffmenge und einem aus der Brennstoffzelleneinheit erhaltenen Energiebetrag und/oder einer aus der Brennstoffzelleneinheit erhaltenen Brennstoffkonzentration korreliert ist. Die Umsetzungskenngröße der Brennstoffzelleneinheit kann insbesondere mit einem Modulationsbereich, einem elektrischen Wirkungsgrad, einem thermischen Wirkungsgrad und/oder einem energetischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit korreliert sein. Unter einem „Wirkungsgrad“ soll dabei insbesondere ein Verhältnis zwischen einer ersten Energieform, insbesondere einer elektrischen, chemischen, thermischen und/oder alternativen Energieform, welche insbesondere für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit zur Umsetzung des Brennstoffs verbraucht wird, und einer, insbesondere aus der Umsetzung des Brennstoffs erzeugten, zweiten Energieform, insbesondere einer nutzbaren Energie, verstanden werden. Der Wirkungsgrad ist vorteilhaft in einem Bereich zwischen 0 % und 100 %, vorteilhaft zwischen 20 % und 100 %, bevorzugt zwischen 30 % und 100 % und besonders bevorzugt zwischen 40 % und 100 % angeordnet und vorzugsweise steuerbar, insbesondere mittels des Hilfsfluids. Unter einem „Modulationsbereich“ soll insbesondere ein Verhältnis einer aufgewendeten Fluid- und/oder Energiemenge zu einer insbesondere maximal anwendbaren Fluid- und/oder Energiemenge verstanden werden, welche insbesondere in zumindest einem Betriebszustand der Brennstoffzelleneinheit eingesetzt wird, um den Brennstoff in dem elektrochemischen Verfahren in Energie umzusetzen. Der Modulationsbereich ist insbesondere in einem Bereich zwischen 30 % und 100 % angeordnet und vorzugsweise steuerbar, insbesondere mittels des Hilfsfluids. Durch diese Ausgestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung kann insbesondere eine Effizienz, insbesondere eine Energieeffizienz, eine Heizeffizienz, eine Umsetzungseffizienz und/oder eine Kosteneffizienz, verbessert werden. Ferner können vorteilhaft auch bei verringerter Belastung der Brennstoffzellenvorrichtung hohe elektrische Wirkungsgrade und/oder eine hohe Brennstoffausnutzung erzielt werden. Außerdem kann insbesondere eine übermäßige Abkühlung der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft verhindert werden.
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Der Brennstoff könnte beispielsweise Magnesium und/oder Methansäure umfassen. Vorteilhaft wird jedoch vorgeschlagen, dass der Brennstoff Erdgas umfasst. Vorzugsweise ist der Brennstoff zu wenigstens einem Großteil und bevorzugt vollständig als Erdgas ausgebildet. Unter dem Ausdruck „zu wenigstens einem Großteil“ sollen dabei insbesondere zumindest 55 %, vorteilhaft zumindest 65 %, vorzugsweise zumindest 75 %, besonders bevorzugt zumindest 85 % und besonders vorteilhaft zumindest 95 % verstanden werden. Dadurch kann insbesondere ein vorteilhaft günstiger und/oder reiner Brennstoff bereitgestellt werden.
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Das Hilfsfluid könnte beispielsweise Magnesium, Kohlenstoff und/oder Methansäure umfassen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, dass das Hilfsfluid Wasserstoffgas umfasst. Insbesondere ist das Hilfsfluid zu wenigstens einem Großteil und bevorzugt vollständig als Wasserstoffgas ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Hilfsfluid aus reinem Wasserstoffgas ausgebildet. Unter einem „reinen Wasserstoffgas“ soll insbesondere ein Wasserstoffgas verstanden werden, welches höchstens zu 1 %, vorteilhaft höchstens zu 0,1 %, vorzugsweise höchstens zu 0,01 %, besonders bevorzugt höchstens zu 0,01 % und besonders vorteilhaft höchstens zu 0,0001 % aus einem von Wasserstoff chemisch verschiedenen fluiden und/oder soliden Stoff ausgebildet ist. Vorteilhaft kann hierdurch eine Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung erhöht werden.
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Eine besonders hohe Reinheit des Hilfsfluids kann insbesondere erreicht werden, wenn das Hilfsfluid von einem Rezirkulat verschieden ist. Insbesondere ist das Hilfsfluid dabei von einem Abgas der Brennstoffzelleneinheit verschieden und wird vorzugsweise räumlich getrennt von einem Rezirkulat der Brennstoffzellenvorrichtung geführt und/oder befördert. Insbesondere kann dadurch vorteilhaft eine Vermischung des Hilfsfluids und des Rezirkulats verhindert werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Umsetzungskenngröße zumindest mit einem Modulationsbereich der Brennstoffzelleneinheit korreliert ist. Dadurch kann vorteilhaft eine externe Kontrolle und/oder Steuerung einer Umsetzungsgröße erreicht werden.
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Weiter wird vorgeschlagen, dass die Umsetzungskenngröße zumindest mit einem Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit korreliert ist. Der Wirkungsgrad ist dabei vorteilhaft als Nutzungswirkungsgrad, als Wärmewirkungsgrad und/oder als elektrischer Wirkungsgrad ausgebildet. Dadurch kann insbesondere vorteilhaft eine externe Kontrolle der Umsetzungsgröße und damit der Effizienz erfolgen.
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Die Mischeinheit kann in die Brennstoffzelleneinheit integriert sein. Eine besonders kostengünstige Ausgestaltung und/oder einfache Nachrüstbarkeit kann jedoch insbesondere erreicht werden, wenn die Mischeinheit separat von der Brennstoffzelleneinheit ausgebildet ist. Hierdurch können vorteilhaft Herstellungs- und Materialkosten eingespart werden.
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Außerdem wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere das bereits zuvor genannte Brennstoffzellensystem, vorgeschlagen, welches zumindest eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere die bereits zuvor genannte Brennstoffzellenvorrichtung, umfasst. Hierdurch kann insbesondere eine Effizienz, insbesondere eine Energieeffizienz, eine Heizeffizienz, eine Umsetzungseffizienz und/oder eine Kosteneffizienz, verbessert werden. Ferner können vorteilhaft auch bei verringerter Belastung der Brennstoffzellenvorrichtung hohe elektrische Wirkungsgrade und/oder eine hohe Brennstoffausnutzung erzielt werden. Außerdem kann insbesondere eine übermäßige Abkühlung der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft verhindert werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass das Brennstoffzellensystem eine Elektrolyseeinheit umfasst, welche dazu vorgesehen ist, das Hilfsfluid zu erzeugen. Unter einer „Elektrolyseeinheit“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, in welcher mittels einer Elektrolysereaktion aus einem ersten Stoff und/oder einem ersten Fluid ein reiner zweiter Stoff und/oder ein reines zweites Fluid gewonnen wird. Bevorzugt ist die Elektrolyseeinheit dazu vorgesehen, aus einem Fluid, insbesondere Wasser, das Hilfsfluid, insbesondere reines Wasserstoffgas, zu erzeugen und insbesondere für die Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen. Dadurch kann vorteilhaft ein reines Hilfsfluid bereitgestellt werden. Zudem können insbesondere durch die Verwendung von Wasser vorteilhaft Kosten und Material gespart werden.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Brennstoffzellensystem, insbesondere das oben bereits eingeführte Brennstoffzellensystem, eine Elektrolyseeinheit, insbesondere die oben bereits eingeführte Elektrolyseeinheit, umfasst, welche fluidtechnisch mit der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden ist. Insbesondere ist die Elektrolyseeinheit über eine Fluidleitung mit der Brennstoffzelleneinheit verbunden und insbesondere ist die Fluidleitung als besonders kurze Fluidleitung ausgebildet. Vorteilhaft ist die Elektrolyseeinheit unmittelbar mit der Brennstoffzellenvorrichtung fluidtechnisch verbunden. Dadurch kann vorteilhaft eine Verunreinigung des Hilfsfluids verhindert und insbesondere ein reines Hilfsfluid bereitgestellt werden.
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Zudem wird ein Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, wobei in wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit wenigstens ein, vorteilhaft kontinuierlich zugeführter, Brennstoff mittels eines elektrochemischen Verfahrens umgesetzt wird und dem Brennstoff in zumindest einem Verfahrensschritt, insbesondere mittels einer Mischeinheit, zur Veränderung wenigstens einer Umsetzungskenngröße der Brennstoffzelleneinheit zumindest ein, insbesondere von einem Oxidationsmittel verschiedenes, Hilfsfluid beigemischt wird. Hierdurch kann insbesondere eine Effizienz, insbesondere eine Energieeffizienz, eine Heizeffizienz, eine Umsetzungseffizienz und/oder eine Kosteneffizienz, verbessert werden. Ferner können vorteilhaft auch bei verringerter Belastung der Brennstoffzellenvorrichtung hohe elektrische Wirkungsgrade und/oder eine hohe Brennstoffausnutzung erzielt werden. Außerdem kann insbesondere eine übermäßige Abkühlung der Brennstoffzelleneinheit vorteilhaft verhindert werden.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung, das Brennstoffzellensystem und das Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung sollen hierbei nicht auf die oben beschriebene Anwendung und Ausführungsform beschränkt sein. Insbesondere können die Brennstoffzellenvorrichtung, das Brennstoffzellensystem und das Verfahren zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung zu einer Erfüllung einer hierin beschriebenen Funktionsweise eine von einer hierin genannten Anzahl von einzelnen Elementen, Bauteilen und Einheiten abweichende Anzahl aufweisen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigt:
- 1 ein Schema des Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzellenvorrichtung und einer Elektrolyseeinheit.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 26. Das Brennstoffzellensystem 26 ist als ein System zu einer Gewinnung und/oder einer Bereitstellung von elektrischer und/oder thermischer Energie ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 26 umfasst eine Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung weist ein Gehäuse 50 auf. Das Gehäuse 50 ist als Außengehäuse ausgebildet. Das Gehäuse 50 ist als Aufnahmegehäuse ausgebildet. Das Gehäuse 50 ist geschlossen ausgebildet. Das Gehäuse 50 ist thermisch isoliert. Das Gehäuse 50 ist beispielhaft als Hotbox ausgebildet. Alternativ ist denkbar, auf ein Gehäuse vollständig zu verzichten.
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Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung zumindest eine Brennstoffzelleneinheit 10 auf. Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist innerhalb des Gehäuses 50 angeordnet. Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist hier vereinfacht als eine einzelne Brennstoffzelle dargestellt. Alternativ könnte eine Brennstoffzelleneinheit auch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen umfassen. Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist im vorliegenden Fall als Festoxid-Brennstoffzelle (SOFC) ausgeführt. Eine Brennstoffzelleneinheit kann alternativ auch als eine alkalische Brennstoffzelle (AFC), als Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (PEMFC) und/oder als Magnesium-Luft-Brennstoffzelle (MAFC) ausgebildet sein. Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist dazu vorgesehen, mit einem Brennstoff 12 und/oder einem Fluidgemisch 13, insbesondere einem Brennstoff-Gemisch, und einem Oxidationsmittel 31 betrieben zu werden. Die Brennstoffzelleneinheit 10 weist eine Fluidzufuhrleitung 38 für den Brennstoff 12 und/oder das Fluidgemisch 13 auf. Zusätzlich umfasst die Brennstoffzelleneinheit 10 eine weitere Fluidzufuhrleitung 44 für das Oxidationsmittel 31. Die Brennstoffzelleneinheit 10 ist dazu vorgesehen, zumindest den Brennstoff 12 mittels eines elektrochemischen Verfahrens umzusetzen und dabei insbesondere elektrische Energie zu erzeugen. Die Brennstoffzelleneinheit 10 weist ferner elektrische Leitungen 32, 34 zur Nutzung der in der Brennstoffzelleneinheit 10 erzeugten elektrischen Energie auf. Darüber hinaus umfasst die Brennstoffzelleneinheit 10 eine Fluidabfuhrleitung 42 für die Abführung von einem in der Brennstoffzelleneinheit 10 erzeugten Abgas. Das Abgas der Brennstoffzelleneinheit 10 wird dabei zumindest teilweise als Rezirkulat 20 wiederverwertet.
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Eine Effizienz der Umsetzung der Brennstoffzelleneinheit 10 ist charakterisiert durch zumindest eine Umsetzungskenngröße. Die Umsetzungskenngröße ist im vorliegenden Fall mit einem elektrischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit 10 verknüpft. Die elektrische Energie ist über die elektrischen Leitungen 32, 34 nutzbar. Der elektrische Wirkungsgrad liegt im vorliegenden Fall zwischen 40 % und 60 %. Alternativ kann ein elektrischer Wirkungsgrad in einem Bereich zwischen 0 % und 100 % liegen.
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Zudem ist die Umsetzungskenngröße mit einem Modulationsbereich der Brennstoffzelleneinheit 10 verknüpft. Der Modulationsbereich liegt in einem Bereich zwischen 30 % und 100 %. Alternativ oder zusätzlich kann ein Modulationsbereich in einem Bereich zwischen 0 % und 100 % liegen. Der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit 10 ist mit dem Modulationsbereich der Brennstoffzelleneinheit 10 verknüpft.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst ferner eine Mischeinheit 14. Die Mischeinheit 14 ist innerhalb des Gehäuses 50 angeordnet. Die Mischeinheit 14 ist als eine fluiddichte Kammer ausgebildet. Die Mischeinheit 14 ist aus einem chemisch nicht-reaktiven Material, beispielsweise aus einem Metall, insbesondere Edelstahl und/oder Aluminium, und/oder aus einer Keramik ausgebildet. Die Mischeinheit 14 ist fluidtechnisch mit der Brennstoffzelleneinheit 10 verbunden. Die Mischeinheit 14 ist dazu vorgesehen, dem Brennstoff 12 zumindest ein Hilfsfluid 18 beizumischen und insbesondere durch Vermischung des Brennstoffs 12 und des Hilfsfluids 18 das Fluidgemisch 13 zu erzeugen. Der Brennstoff 12 umfasst Erdgas. Das Hilfsfluid 18 ist von dem Brennstoff 12 verschieden. Das Hilfsfluid 18 ist von dem Oxidationsmittel 31 verschieden. Das Hilfsfluid 18 ist von dem Rezirkulat 20 verschieden. Das Hilfsfluid 18 umfasst Wasserstoffgas. Das Hilfsfluid 18 ist im vorliegenden Fall als reines Wasserstoffgas ausgebildet. Das Fluidgemisch 13 ist im vorliegenden Fall ein Gemisch aus dem Brennstoff 12 und dem Hilfsfluid 18.
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Die Mischeinheit 14 umfasst einen ersten Fluideinlass 52 für den Brennstoff 12. Die Mischeinheit 14 umfasst ferner einen zweiten Fluideinlass 54 für das Hilfsfluid 18. Die Mischeinheit 14 ist im vorliegenden Fall als Verbindungsstück zwischen dem ersten Fluideinlass 52 und dem zweiten Fluideinlass 54 ausgebildet. Zudem umfasst die Mischeinheit 14 einen ersten Fluidauslass 56 für das Fluidgemisch 13. Der erste Fluidauslass 56 der Mischeinheit 14 ist mit der Fluidzufuhrleitung 38 der Brennstoffzelleneinheit 10 fluidtechnisch verbunden. Alternativ könnte eine Mischeinheit auch in eine Brennstoffzelleneinheit integriert sein, sodass eine Mischung eines Brennstoffs und eines Hilfsfluids in einer Brennstoffzelleneinheit erfolgen könnte.
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Weiter umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung eine Fluidaufbereitungseinheit 46. Die Fluidaufbereitungseinheit 46 ist innerhalb des Gehäuses 50 angeordnet. Die Fluidaufbereitungseinheit 46 umfasst eine Mehrzahl von hier nicht weiter gezeigten Einheiten der Brennstoffzellenvorrichtung. Die Fluidaufbereitungseinheit 46 ist dazu vorgesehen, in einer Mehrzahl von chemischen und/oder physikalischen Prozessen den Brennstoff 12 für die Umsetzung in der Brennstoffzelleneinheit 10 zu erzeugen.
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Dazu umfasst die Fluidaufbereitungseinheit 46 einen dritten Fluideinlass 64 für einen unaufbereiteten Brennstoff 22. Ferner weist die Fluidaufbereitungseinheit 46 einen vierten Fluideinlass 30 für das Oxidationsmittel 31 auf. Zudem umfasst die Fluidaufbereitungseinheit 46 einen fünften Fluideinlass 62 für das Rezirkulat 20. Das Rezirkulat 20 ist dabei räumlich getrennt von dem Hilfsfluid 18. Eine Mischung des Hilfsfluids 18 mit dem Rezirkulat 20 ist hierdurch verhindert. Es ist alternativ möglich, vollständig auf ein Rezirkulat zu verzichten. Des Weiteren umfasst die Fluidaufbereitungseinheit 46 einen zweiten Fluidauslass 60 für den, insbesondere aufbereiteten, Brennstoff 12. Der zweite Fluidauslass 60 ist fluidtechnisch mit dem ersten Fluideinlass 52 der Mischeinheit 14 verbunden. Es ist alternativ auch möglich, einen, insbesondere aufbereiteten, Brennstoff aus einem Brennstoffbehälter, welcher fluidtechnisch mit einem Fluideinlass einer Mischeinheit verbunden ist, bereitzustellen.
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Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem 26 im vorliegenden Fall eine Elektrolyseeinheit 28. Die Elektrolyseeinheit 28 umfasst ein nicht näher dargestelltes Elektrolyseelement, welches zumindest zwei Elektroden, einen Fluidbehälter und eine Spannungsquelle umfasst. Die Elektrolyseeinheit 28 ist fluidtechnisch mit der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden. Die Elektrolyseeinheit 28 ist dazu vorgesehen, das Hilfsfluid 18, im vorliegenden Fall insbesondere reines Wasserstoffgas, in einem Elektrolyseprozess zu erzeugen. Die Elektrolyseeinheit 28 ist dazu vorgesehen, das Hilfsfluid 18 aus einer Reduktionsreaktion von Wasser zu erzeugen.
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Die Elektrolyseeinheit 28 umfasst dazu einen Elektrolyseeinlass 40 für Wasser. Zusätzlich umfasst die Elektrolyseeinheit 28 einen ersten Elektrolyseauslass 48 für das erzeugte Hilfsfluid 18. Der erste Elektrolyseauslass 48 ist fluidtechnisch mit dem zweiten Fluideinlass 54 der Mischeinheit 14 verbunden. Zusätzlich umfasst die Elektrolyseeinheit 28 einen zweiten Elektrolyseauslass 58 für ein Nebenprodukt 66 der Elektrolyseeinheit 28. Das Nebenprodukt 66 der Elektrolyseeinheit 28 ist als reines Sauerstoffgas ausgebildet. Das Nebenprodukt 66 wird aus einer Oxidation von Wasser in der Elektrolyseeinheit 28 gewonnen. Das Nebenprodukt 66 der Elektrolyseeinheit 28 kann mittels des zweiten Elektrolyseauslasses 58 als Oxidationsmittel 31 für die Brennstoffzelleneinheit 10 bereitgestellt werden. Alternativ ist jedoch auch denkbar, auf eine Verwendung eines Nebenprodukts einer Elektrolyseeinheit zu verzichten.
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Außerdem umfasst die Elektrolyseeinheit 28 eine elektrische Leitung 36. Die elektrische Leitung 36 der Elektrolyseeinheit 28 ist zu einer Verbindung mit einer extern vom Brennstoffzellensystem 26 angeordneten Energiequelle vorgesehen. Die elektrische Leitung 36 der Elektrolyseeinheit 28 ist zu einer Bereitstellung einer Energie für das Elektrolyseelement zur Durchführung der Elektrolyse vorgesehen. Es ist jedoch auch denkbar, eine elektrische Leitung einer Elektrolyseeinheit mit einer elektrischen Leitung einer Brennstoffzelleneinheit zu verbinden und insbesondere zu einer Durchführung einer Elektrolyse eine erzeugte elektrische Energie einer Brennstoffzelleneinheit zumindest teilweise einzusetzen. Alternativ zu einer Gewinnung eines Hilfsfluids in einer Elektrolyseeinheit könnte ein Hilfsfluid, insbesondere Wasserstoffgas, auch mittels eines Hilfsfluidbehälters, insbesondere eines Wasserstoffgasbehälters, bereitgestellt werden und zu einer Beimischung zu einem Brennstoff fluidtechnisch mit einer Mischeinheit verbunden sein.
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In einem Betriebszustand, in welchem die Brennstoffzelleneinheit 10 mit reinem Erdgas, insbesondere ohne Hilfsfluid, und in einem Modulationsbereich unterhalb von 30 % betrieben wird, sinkt die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 10 derart stark, dass eine Effizienz der Umsetzung des Brennstoffs 12 in elektrische Energie stark eingeschränkt ist. Durch die geringe Effizienz der Umsetzung des Brennstoffs 12 und/oder des Fluidgemischs 13 in elektrische Energie ist der elektrische Wirkungsgrad gering und sinkt ebenfalls ab.
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In einem weiteren Betriebszustand wird der Brennstoffzelleneinheit 10 das Fluidgemisch 13, insbesondere der Brennstoff 12 und das beigemischte Hilfsfluid 18, zugeführt. Dabei bewirkt eine Verbrennung des Hilfsfluids 18 in der Brennstoffzelleneinheit 10 insbesondere in einem Modulationsbereich unterhalb von 30 % eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 10, welche höher ist, als eine Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 10 in dem, insbesondere zuvor erwähnten, Betriebszustand. Dadurch ist die Umsetzung des Fluidgemischs 13 in elektrische Energie zur Energiegewinnung im Modulationsbereich unterhalb 30 % effizienter als die Umsetzung des reinen Brennstoffs 12 in elektrische Energie, sodass der elektrische Wirkungsgrad erhöht ist. Dabei sinkt der elektrische Wirkungsgrad bei der Umsetzung des Fluidgemischs 13 insbesondere in einem Modulationsbereich von unterhalb 30 % im Vergleich zum Betriebszustand mit reinem Brennstoff 12 kaum.
