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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen, denen aus einem Brennstoffspeicher über eine Anodenzufuhrleitung ein Wasserstoff enthaltender Brennstoff und über eine Kathodengasleitung ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsmittel zuführbar ist zur Ermöglichung einer Produktwasser generierenden elektrochemischen Reaktion, mit einem von einer Turbine drehunterstützten Verdichter zur Förderung des Oxidationsmittels, mit einer durch den Brennstoffzellenstapel geführten Kühlmittelleitung, insbesondere eines Kühlmittelkreislaufs, und mit einem Reservoir für Flüssigkeit. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellen dienen zur Erzeugung elektrischer Energie in einer elektrochemischen Reaktion durch die Umsetzung zweier Reaktanten, in der Regel Wasserstoff und Sauerstoff, wobei ausgehend von diesen Edukten Produktwasser generiert wird. Für das Abführen von anodenseitig anfallenden Wassers aus der Brennstoffzelle wird häufig in der anodenseitigen und/oder in der kathodenseitigen Abgasleitung ein Wasserabscheider eingesetzt, der über ein Ablassventil verfügt, das bedarfsweise angesteuert und geöffnet werden kann.
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Die WO 2008 / 097 798 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der die Abwärme der Brennstoffzellenreaktion für den Antrieb einer Gasturbine genutzt wird. Auch aus den Druckschriften
DE 41 37 968 A1 und
EP 1 804 322 A1 ist es bekannt, die Abwärme der Brennstoffzelle für den Antrieb einer Gasturbine zu nutzen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen anzugeben, die nicht nur die Abwärme für den Antrieb der Gasturbine nutzen, sondern außerdem auch ein verbessertes Recyclingmanagement für das beim Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung anfallende Flüssigwasser bereitstellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Kühlmittelleitung stromab des Brennstoffzellenstapels durch das Reservoir derart stofflich getrennt geführt ist, dass es in einer wärmeleitenden Verbindung mit der im Reservoir befindlichen Flüssigkeit steht, und dass das Reservoir eine Auslassöffnung umfasst, welche strömungsmechanisch mit einem Einlass der Turbine verbunden ist.
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Auf diese Weise kann also die Abwärme der Brennstoffzelle für ein Verdampfen des sich im Reservoir befindlichen Flüssigwassers genutzt werden, wobei der Wasserdampf dann die Turbine antreiben und somit den Verdichter beim Fördern des Oxidationsmittels unterstützen kann. Dies ist selbstverständlich für Brennstoffzellen von Vorteil, die als Hochtemperatur-Brennstoffzellen ausgestaltet sind, wobei deren Betriebstemperaturen bei über 100 Grad Celsius liegen. Auf diese Weise ist es möglich, dass das Kühlmittel eine Temperatur annimmt, die ausreicht, um die sich im Reservoir befindliche Flüssigkeit zu verdampfen und damit den Wasserdampf auf die Turbine zu geben.
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Dieses erhöhte Drucklevel vor der Turbine sorgt dafür, dass das gesamte Druckniveau angehoben wird. Da die Reaktion auf einem höheren Druckniveau stattfindet, werden zudem auch die Stoffpartialdrücke erhöht. Dies erhöht den Wirkungsgrad zusätzlich.
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In Abhängigkeit der Temperatur des aus dem Reservoir (Druckbehälter) entweichenden Wasserdampfs, kann es von Vorteil sein, dass der Verdichter in die Kathodengasleitung und die Turbine in eine Kathodenabgasleitung eingebunden sind, und dass die Auslassöffnung des Reservoirs stromauf der Turbine mit der Kathodenabgasleitung verbunden ist.
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Um das Reservoir mit Flüssigwasser zu füllen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Einlassöffnung für Flüssigkeit vorhanden ist, die strömungsmechanisch mit einem in eine Abgasleitung des Brennstoffzellenstapels eingebundenen Wasserabscheiders verbunden ist.
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Dabei ist die Möglichkeit vorhanden, dass das Reservoir eine erste Einlassöffnung zur strömungsmechanischen Anbindung des Reservoirs an eine Kathodenabgasleitung umfasst. Damit kann also das bei der Brennstoffzellenreaktion erzeugte Produktwasser abgeschieden und im Reservoir gesammelt werden. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass das Reservoir eine zweite Einlassöffnung zur strömungsmechanischen Anbindung des Reservoirs an eine Anodenrezirkulationsleitung umfasst. Auf diese Weise kann auch das anodenseitig anfallende Flüssigwasser aus dem - aus Anodenzufuhrleitung und Anodenrezirkulationsleitung gebildeten - Anodenkreislauf entfernt und im Reservoir gesammelt werden.
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In diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit vorhanden, dass kein molekularer Wasserstoff in das Reservoir gelangen kann durch einen geeigneten Einsatz eines Spülventils oder andersartiger Filtermethoden zur Entfernung von Wasserstoff. Aus diesem Grunde kann es von Vorteil sein, ausschließlich in die Kathodenabgasleitung einen Wasserabscheider einzubinden, um das abgeschiedene Wasser in das Reservoir zu verbringen.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung kann auch bei Niedrigtemperatur-(PEM)-Brennstoffzellen Verwendung finden, die eine Betriebstemperatur von unter 100 Grad Celsius vorweisen. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass mit dem Reservoir ein Mikrowellengenerator derart verbunden ist, dass zumindest ein Teil des im Reservoir gespeicherten Flüssigwassers in die Gasphase überführbar ist, um Wasserdampf über die Auslassöffnung des Reservoirs auszugeben und damit die Turbine anzutreiben. Somit wird also die vom Mikrowellengenerator emittierte Mikrowellenstrahlung unterstützend zur Verdampfung des Flüssigwassers im Reservoir genutzt. Vorzugsweise ist dabei gewährleistet, dass der größere Anteil der in das Flüssigwasser einzubringenden Wärmemenge aus der Abwärme des Brennstoffzellenstapels stammt, die über die Kühlmittelleitung bereitgestellt wird.
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Es ist von Vorteil, wenn der Auslassöffnung ein Ventil zugeordnet ist, das erst bei Erreichen oder Überschreiten eines Druckschwellwerts in die geöffnete Stellung überführbar ist. Oftmals reicht ein nur sanftes Entweichen des Wasserdampfes nicht aus, um ein Turbinenrad einer Turbine anzutreiben, so dass erst abgewartet wird, bis der Druck im Reservoir über den Druckschwellwert angestiegen ist, der abgestimmt ist auf die Turbine für den Antrieb des Verdichters. Das Ventil kann aber auch als ein Dosierventil gebildet sein und dessen Öffnungsgrad gesteuert oder geregelt werden, um auch den Antrieb der Turbine variieren oder einstellen zu können.
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Um ein Turbinenrad einer Turbine gezielter antreiben zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Auslassöffnung mit einer Auslassleitung verbunden ist, die an ihrem freien Ende eine auf ein Turbinenrad der Turbine gerichtete Düse umfasst. Dabei ist die Möglichkeit vorhanden, dass die Auslassleitung mit einer Isolierschicht oder eine Isolierlage versehen ist, um zu gewährleisten, dass innerhalb der Auslassleitung der Wasserdampf nicht vorzeitig wieder kondensiert.
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Eine noch effizientere Möglichkeit zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung bietet der Einsatz eines elektromotorisch unterstützten Verdichtermoduls (ETL). In diesem Zusammenhang ist es daher vorteilhaft, wenn der Verdichter und die Turbine zusammen mit einem Elektromotor ein solches elektrisches Verdichtermodul zur Förderung des Oxidationsmittels bilden.
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Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung erläuterten Vorteile und vorteilhaften Wirkungen gelten in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Das Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen, denen aus einem Brennstoffspeicher über eine Anodenzufuhrleitung ein Wasserstoff enthaltender Brennstoff und über eine Kathodengasleitung ein Sauerstoff enthaltendes Oxidationsmittels zuführbar ist zur Ermöglichung einer Produktwasser generierenden elektrochemischen Reaktion, mit einem von einer Turbine drehunterstützten Verdichter zur Förderung des Oxidationsmittels, mit einer durch den Brennstoffzellenstapel geführten Kühlmittelleitung, die stromab des Brennstoffzellenstapels durch ein Reservoir zur Zwischenspeicherung von flüssigwasserstofflich getrennt geführt ist, umfasst insbesondere die folgenden Schritte:
- - Abscheiden von Flüssigwasser aus einem aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Abgasstrom mittels des Wasserabscheiders,
- - Zuführen des Flüssigwassers an das Reservoir,
- - Erzeugen von Wasserdampf durch Verdampfen zumindest eines Teils des Flüssigwassers in dem Reservoir mittels der Abwärme des Brennstoffzellenstapels, und
- - Zuführen von in Gasphase vorliegendem Wasser an einen stromauf der Turbine gelegenen Abschnitt der Kathodenabgasleitung oder unmittelbar auf ein Turbinenrad und Antreiben der Turbine mit dem erzeugten Wasserdampf.
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Mit dem Verfahren ist der Vorteil der Reduktion der Abwärme der Brennstoffzellenvorrichtung verbunden, wobei der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtungen erhöht ist.
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Das vorstehende Verfahren eignet sich insbesondere beim Einsatz einer Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtung, deren Betriebstemperaturen regelmäßig bei über 100 Grad Celsius liegen, da auf diese Weise das Kühlmittel in der Kühlmittelleitung eine entsprechend hohe Temperatur aufweist, um das im Reservoir befindliche Flüssigwasser zu verdampfen und das Turbinenrad der Turbine mit dem erzeugten Wasserdampf anzutreiben.
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Es ist jedoch auch die Möglichkeit vorhanden, dass das Verfahren auch bei Niedrigtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtungen Einsatz findet, deren Betriebstemperaturen regelmäßig unter 100 Grad Celsius liegen. In diesem Falle ist es von Vorteil, wenn der Wasserdampf unterstützt durch Mikrowellen eines Mikrowellengenerators erzeugt wird.
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Zur Regelung des Kathodenturbinendrucks sind unterschiedliche Strategien möglich: Der Druck innerhalb des Reservoirs kann beispielsweise auf einen konstanten Druckwert geregelt werden, wobei der Wasserdampfmassenstrom über das Öffnen und Schließen oder das Teilöffnen des Ventils / Dosierventils eingestellt werden kann. Ferner ist die Möglichkeit gegeben, dass der Druck innerhalb des Reservoirs (Druckbehälter) auf einen konstanten Wert geregelt wird, wobei der Wasserdampfmassenstrom in Abhängigkeit des an die Brennstoffzellenvorrichtungen gestellten Lastpunkt eingestellt wird. Letztlich ist auch die Möglichkeit vorhanden, den Wasserdampfmassenstrom über die Stromaufnahme des Mikrowellengenerators einzustellen, wobei der Öffnungsgrad des Ventils konstant beibehalten bleibt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem elektromotorisch unterstützten Verdichtermodul (ETL), dessen Turbine durch Kathodenabgas und durch Wasserdampf angetrieben wird, wobei der Wasserdampf durch die Abwärme des Brennstoffzellenstapels und den Mikrowellen eines Mikrowellengenerators erzeugt wird, und
- 2 eine schematische Detail-Darstellung, bei der an das Reservoir eine Ablassleitung angeschlossen ist, die eine Düse umfasst, um den Wasserdampf in Richtung eines Turbinenrads des Verdichtermoduls aus 1 auszugeben.
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In 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt. Eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel 2, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist. Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 4 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 5 verbunden. In der Anodenzufuhrleitung 4 ist ein Wärmeübertrager, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur (Vor-)Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 6 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Kathodenseitig ist ein Verdichter 7 vorhanden, mit dem die Luft stark verdichtet wird, um eine ausreichende Menge an Sauerstoff für die Vielzahl der Brennstoffzellen bereitstellen zu können, wobei der in einer Kathodengasleitung 16 eingebundene Verdichter 7 mit einer in eine Kathodenabgasleitung 10 eingebundenen Turbine 17 - zusammen mit einem schematisch gezeigten Elektromotor 18 - ein elektrisches Verdichtermodul (ETL) zur Förderung des Kathodengases bildet. Das Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 2 treibt dabei - anteilig - wenigstens ein Turbinenrad der Turbine 17 an, welches seinerseits über eine Welle - unterstützt durch den Elektromotor 18 - wenigstens ein Verdichterrad des Verdichters 7 antreibt, um das Oxidationsmittel zu fördern. Die Konditionierung des Oxidationsmittelstroms erfolgt in einem Wärmetauscher und einem lediglich Befeuchter 3, in welchem ein Teil der (Rest-)Feuchte aus dem Produktwasser des Kathodenabgases auf den Frischgasstrom übertragen wird.
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Um die bei der Brennstoffzellenreaktion entstandene Wärme abzuführen, ist der Brennstoffzellenstapel 2 in einen Kühlmittelkreislauf eingebunden. Dieser Kühlmittelkreislauf umfasst eine Kühlmittelleitung 19, wobei das sich darin befindliche Kühlmittel mit einer Kühlmittelpumpe zirkuliert und durch einen Hauptwasserkühler geleitet wird, wo es wieder heruntergekühlt wird, bevor es dem Brennstoffzellenstapel 2 stromauf erneut zugeführt wird. Vorliegend ist die Kühlmittelleitung 19 zusätzlich durch ein Reservoir 13 geführt, wobei die Kühlmittelleitung derart stofflich getrennt durch das Reservoir 13 geleitet ist, dass es in einer wärmeleitenden Verbindung mit der im Reservoir 13 befindlichen Flüssigkeit steht. Der Hauptwasserkühler ist stromab des Reservoirs 13 gelegen, so dass die Kühlmittelleitung 19 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 2 und dem Reservoir 13 kühlerfrei und pumpenfrei vorliegt.
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Die Flüssigkeit gelangt über eine Einlassöffnung 11 ins Gehäuse oder ins Innere des Reservoirs 13. Die Einlassöffnung 11 des Reservoirs 13 ist vorliegend strömungsmechanisch mit einem in die Kathodenabgasleitung 10 eingebundenen Wasserabscheider 8 verbunden, wobei die Zufuhr der Flüssigkeit in das Reservoir mittels eines Ablassventils 9 eingestellt werden kann. Es ist jedoch alternativ oder ergänzend möglich, dass der Wasserabscheider 8 auch in die Anodenrezirkulationsleitung 9 eingebunden ist, um das anodenseitig abgeschiedene Wasser dem Reservoir 13 zuzuleiten.
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Das Reservoir 13 umfasst außerdem eine Auslassöffnung 12, über die in Gasphase vorliegendes Flüssigwasser aus dem Reservoir 13 ausgetragen werden kann, wobei die Menge an ausgetragenem Wasserdampf mit einem Ventil 15 regelbar ist. Die Auslassöffnung 12 des Reservoirs 13 ist - über eine Auslassleitung 20 - mit einem Einlass der Turbine 17 verbunden, sodass aus dem Reservoir 13 austretender Wasserdampf für den Antrieb der Turbine 17 genutzt wird. Der Wasserdampf wird durch die Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel 2 erzeugt, die über das in der Kühlmittelleitung 19 strömende Kühlmittel an die Flüssigkeit innerhalb des Reservoirs 13 nach dem Prinzip der Wärmeleitung abgegeben wird.
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Bei Hochtemperatur-Brennstoffzellenvorrichtungen reicht die Abwärme des Brennstoffzellenstapels 2 aus, um die Flüssigkeit im Reservoir 13 zu verdampfen und damit die Turbine 17 anzutreiben. Bei Niedertemperatur-Brennstoffzellenvorrichtungen kann es sein, dass die Abwärme aus dem Brennstoffzellenstapel 2 nicht gänzlich ausreicht, um die Flüssigkeit im Reservoir 13 zu verdampfen, so dass vorliegend von der Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, dem Reservoir 13 ein Mikrowellengenerator 14 zuzuordnen, der ausgebildet ist, zumindest einen Teil des im Reservoir 13 gespeicherten Flüssigwassers in die Gasphase mittels Mikrowellen zu überführen, um Wasserdampf über die Auslassöffnung 12 des Reservoirs 17 auszugeben und damit die Turbine 17 anzutreiben. Der Wasserdampf kann beispielsweise durch ein Ventil 15 dosiert in die Kathodenabgasleitung 10 eingespeist werden, wobei dieses Ventil 15 auch ein Ventil sein kann, das erst bei Erreichen oder Überschreiten eines Druckschwellwerts in die geöffnete Stellung überführt wird. Dies ist dann sinnvoll, wenn ein nur sanftes Entweichen von Wasserdampf aus dem Reservoir 13 vorliegt, welches nicht gänzlich ausreichte um die Turbine 17 in dem gewünschten Maße anzutreiben.
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2 verweist auf die detailliert dargestellte Möglichkeit, dass die Auslassöffnung 12 mit einer Auslassleitung 20 verbunden ist, die an ihrem freien Ende eine auf ein Turbinenrad der Turbine 17 gerichtete Düse 21 umfasst. Auf diese Weise wird der Wasserdampf aus dem Reservoir 13 beschleunigt über die Düse 21 auf das Turbinenrad der Turbine 17 gegeben, um damit den Verdichter 7 bzw. sein Verdichterrad zur Förderung von frischem Oxidationsmittel anzutreiben.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 wird typischerweise folgendermaßen betrieben:
- - Abscheiden von Flüssigwasser aus einem aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretenden Abgasstroms mittels des Wasserabscheiders 8,
- - Zuführen des Flüssigwassers an das Reservoir 13,
- - Verdampfen zumindest eines Teils des Flüssigwassers in dem Reservoir 13 mit der über die Kühlmittelleitung 19 ausgeleiteten Abwärme des Brennstoffzellenstapels, ggfs. unterstützt durch die Mikrowellen des Mikrowellengenerators 14, und
- - Zuführen von in Gasphase vorliegendem Wasser an einen stromauf des Brennstoffzellenstapels 2 gelegenen Abschnitt der Kathodengasleitung 16 für den Antrieb der Turbine 17 und damit des Verdichters 7 zur Förderung des dem Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführenden Oxidationsmittels.
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Mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist ein energieoptimierter Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ermöglicht. Die Energie der Abwärme des Brennstoffzellenstapels 2 wird nämlich für die Förderung von frischem Oxidationsmittel genutzt. Dies senkt auch den Brennstoffverbrauch, da die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung 1 insgesamt gesteigert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Befeuchter
- 4
- Anodenzufuhrleitung
- 5
- Brennstoffspeicher
- 6
- Anodenrezirkulationsleitung
- 7
- Verdichter
- 8
- Wasserabscheider
- 9
- Ablassventil
- 10
- Kathodenabgasleitung
- 11
- Einlassöffnung
- 12
- Auslassöffnung
- 13
- Reservoir (Druckbehälter)
- 14
- Mikrowellengenerator
- 15
- Ventil / Dosierventil / Druckregelventil
- 16
- Kathodengasleitung
- 17
- Turbine
- 18
- Elektromotor
- 19
- Kühlmittelleitung
- 20
- Auslassleitung
- 21
- Düse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4137968 A1 [0003]
- EP 1804322 A1 [0003]