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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Leistung und mit wenigstens einer Verbrauchs- und/oder einer Speichereinrichtung für die elektrische Leistung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Brennstoffzellenanlagen sind zur Bereitstellung von elektrischer Leistung beispielsweise im stationären Bereich, insbesondere aber auch im Bereich von Fahrzeugen, und hier vorzugsweise von Straßenfahrzeugen wie beispielsweise Nutzfahrzeugen, Personenkraftwagen oder dergleichen, allgemein bekannt und üblich.
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Neben der Bereitstellung und Umsetzung der Ausgangsstoffe, typischerweise gespeicherten Wasserstoff und Sauerstoff aus der Umgebungsluft, spielt bei derartigen Anlagen immer auch die Verteilung der elektrischen Leistung, welche als Gleichstrom innerhalb der Anlage verteilt wird, eine wichtige Rolle. Die Verteilung von elektrischer Leistung führt dabei durch den Widerstand der elektrischen Leitungselemente zu entsprechenden Leistungsverlusten und einer Wärmeentwicklung.
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Die
DE 10 2015 220 301 A1 schlägt deshalb eine Energieübertragungseinrichtung für ein Fahrzeug, hier insbesondere ein Luftfahrzeug vor, bei welchem Teile der Leistungsübertragung in einem supraleitenden Leitungselement stattfinden. Über eine aufwändige Prozedur wird dafür gesorgt, dass dieses supraleitende Leitungselement unter seiner sogenannten Sprungtemperatur T
c bleibt und damit die elektrische Leistung quasi ohne ohmsche Verluste leitet. Der Aufbau ist dabei relativ aufwändig, soll aber sicherstellen, dass über eine relativ große Strecke in dem Luftfahrzeug die elektrische Leistung weitgehend verlustfrei übertragen werden kann. Zur Kühlung der Supraleiter dient beispielsweise flüssiges Helium. Es wird jedoch auch erwähnt, dass bei sogenannten Hochtemperatursupraleitern andere flüssige Stoffe wie beispielsweise der leichter verfügbare flüssige Stickstoff eingesetzt werden können. Der Einsatz einer derartigen Technologie wird für verschiedene Arten der Energieübertragung, unter anderem auch im Zusammenhang mit Brennstoffzellen, erwähnt.
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Insgesamt ist dies alles außerordentlich aufwändig und komplex. Der Einsatz von speziellen thermisch isolierten Umgebungen, in welchen die supraleitenden Leitungselemente angeordnet sind, ist außerordentlich aufwändig und erfordert einen Kühlkreislauf für die entsprechenden Medien, um das Temperaturniveau für die Supraleitung zu gewährleisten.
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Auch die in der
DE 10 2015 220 301 A1 genannte kontaktlose Energieübertragung über Spulen verursacht entsprechende Verluste, was ebenfalls unerwünscht ist.
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Die
DE 11 2005 002 769 T5 beschreibt einen Aufbau, bei welchem flüssiger Wasserstoff genutzt wird, um Helium in einem Kreislauf herunterzukühlen, so dass über dieses flüssige Helium ein Supraleiter unter die Sprungtemperatur gekühlt werden kann. Die von dem flüssigen Helium aufgenommene Wärme wird dann an den flüssigen Wasserstoff abgegeben, welcher dabei verdampft wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine verbesserte Brennstoffzellenanlage mit der Möglichkeit einer einfachen Steigerung des elektrischen Wirkungsgrads anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffzellenanlage mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Wie im Stand der Technik nutzt die Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung wenigstens ein elektrisches Leitungselement, welches ein supraleitendes Material aufweist.
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Im Gegensatz zu dem sehr komplexen Aufbau im Stand der Technik wird bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage nun die Tatsache genutzt, dass diese mit Wasserstoff aus einer Speichereinheit für kryogenen flüssigen Wasserstoff betrieben wird. Dieser kryogene Wasserstoff, welcher eine Temperatur von circa - 253° C (also in etwa 20 K) aufweist, ist in einer derartigen Brennstoffzellenanlage ohnehin vorhanden. Dieser Wasserstoff wird nun zu dem Brennstoffzellensystem der Brennstoffzellenanlage geleitet, wobei er durchaus erwärmt werden soll, so dass im Bereich des Brennstoffzellensystems gasförmiger Wasserstoff vorliegt. Diese Tatsache wird nun genutzt, um das supraleitende Material in wärmeleitenden Kontakt mit einer von dem kryogenen Wasserstoff aus der Speichereinrichtung durchströmten Leitung anzuordnen. Der kryogene Wasserstoff kühlt damit das supraleitende Material stark ab, so dass dieses unter seine Sprungtemperatur gelangt und Gleichstrom durch dieses elektrische Leitungselement mit dem supraleitenden Material ohne nennenswerte Verluste geleitet werden kann. Der als Treibstoff ohnehin vorhandene kryogene Wasserstoff wird also genutzt, um die Supraleitung zu ermöglichen.
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Prinzipiell ist es dabei ausreichend, ein supraleitendes Material beispielsweise vom Typ Nb3Ge einzusetzen. Dessen Sprungtemperatur liegt knapp oberhalb der 20 Kelvin, welche durch den kryogenen Wasserstoff prinzipiell zu erreichen sind.
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Für den praktischen Einsatz kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass sogenannte Hochtemperatursupraleiter, z.B. (La/Sr) CuO4, YBa2CU3O7-x oder vergleichbare Materialien eingesetzt werden. Deren Sprungtemperatur liegt in der Größenordnung von 40 bzw. 90 Kelvin, so dass auch in einem gewissen Abstand von der Speichereinheit für den kryogenen Wasserstoff trotz potentieller thermischer Einflüsse aus der Umgebung noch eine ausreichend niedrige Temperatur vorliegt, um die Sprungtemperatur des entsprechenden Materials zu unterschreiten. Derartige Materialien werden in der Praxis auch als sogenannte Hochtemperatursupraleiter bezeichnet. Auch andere Hochtemperatursupraleiter mit Sprungtemperaturen in der Größenordnung von mehr als 100 Kelvin, ließen sich hier einfach und effizient einsetzen, um mit dem ohnehin als Treibstoff vorhandenen kryogenen Wasserstoff das supraleitende Material des elektrischen Verbindungselements herunterzukühlen.
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Das supraleitende Material kann dabei gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage als Draht oder Band in der Leitung für den kryogenen Wasserstoff ausgebildet sein. Das Material wird dann unmittelbar von dem kryogenen Wasserstoff umströmt, um so sehr effizient die erforderliche Abkühlung zu gewährleisten.
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Ergänzend oder alternativ kann das supraleitende Material auch als Draht oder Band außen auf der Leitung für den kryogenen Wasserstoff angeordnet sein, so dass quasi durch das Material im Leiter hindurch die Kühlung des elektrischen Leitungselements erfolgt und der Effekt der Supraleitung für eine effiziente Leistungsverteilung in der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage ausgenutzt werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage und ihrer Verwendung ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung;
- 2 eine erste mögliche Ausführungsform einer Leitung mit elektrischem Verbindungselement;
- 3 eine zweite mögliche Ausführungsform einer Leitung mit elektrischem Verbindungselement;
- 4 eine dritte mögliche Ausführungsform einer Leitung mit elektrischem Verbindungselement;
- 5 eine vierte mögliche Ausführungsform einer Leitung mit elektrischem Verbindungselement; und
- 6 eine fünfte mögliche Ausführungsform einer Leitung mit elektrischem Verbindungselement.
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In der Darstellung der 1 ist einer in der Gesamtheit mit 1 bezeichnete Brennstoffzellenanlage zu erkennen. Diese umfasst ein Brennstoffzellensystem 2, dessen Kern eine mit 3 bezeichnete Brennstoffzelle bildet. Diese kann beispielsweise in Form einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln, vorzugsweise in PEM-Bauweise ausgeführt sein. Einem mit 4 bezeichneten Anodenraum in diesem Brennstoffzellenstapel wird Wasserstoff aus einer Speichereinrichtung 5 zugeführt. Einem Kathodenraum 6 wird Sauerstoff in Form von Luft über eine Luftfördereinrichtung 7 zugeführt.
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Häufig ist es so, dass in derartigen Brennstoffzellenanlagen 1 die Speichereinrichtung 5 für den Wasserstoff als kryogener Wasserstoffspeicher ausgebildet ist. Der Wasserstoff wird dort also in Flüssigzustand, also bei in etwa 20K gespeichert. Er gelangt über eine hier mit 8 bezeichnete Leitung und eine mit 9 bezeichnete Einrichtung zur Vergasung des flüssigen Wasserstoffs sowie zur Dosierung und Druckregelung des Wasserstoffs in den Anodenraum 4. Restwasserstoff und Abluft gelangen in der Darstellung der 1 einfach in die Umgebung. Dem Fachmann ist klar, dass hier weitere Maßnahmen wie beispielsweise eine Kreislaufführung des Wasserstoffs um die Anode 4 und dergleichen vorgesehen sein können, wie dies bei Brennstoffzellensystemen 2 allgemein bekannt und üblich ist.
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Die von der oder den Brennstoffzellen 3 bereitgestellte elektrische Leistung gelangt über elektrische Leitungselemente 10 in den Bereich einer Leistungselektronik 11, welche auch als Leistungsverteiler dient. Über diese sind ein beispielhaft angedeuteter Verbraucher 12 sowie eine Batterie 13 angebunden. Zwischen all diesen Komponenten wird Leistung typischerweise in Form von Gleichstrom ausgetauscht. Dies geht mit unweigerlichen Verlusten einher, da in herkömmlichen elektrischen Leitungselementen durch den ohmschen Widerstand Verluste unvermeidbar sind. Nun ist es so, dass in der Brennstoffzellenanlage gemäß 1 rein beispielhaft eines der elektrischen Leitungselemente 10 in dem mit X markierten Bereich in wärmeleitender Verbindung mit der Leitung 8 für den kryogenen Wasserstoff steht. Dabei ist im Bereich X rein beispielhaft das elektrische Leitungselement 10 zwischen der Brennstoffzelle 3 und der Leistungselektronik 11 in diesem Bereich angedeutet. Auch alle anderen elektrischen Leitungselemente 10 der Figur könnten ganz oder teilweise in diesem Bereich X angeordnet sein.
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Die Wirkung dieser wärmeleitenden Kontaktierung des elektrischen Leitungselements 10 mit der von dem kryogenen flüssigen Wasserstoff durchströmten Leitung 8 liegt nun darin, dass das elektrische Leitungselement 10 durch den flüssigen oder zumindest noch teilweise flüssigen Wasserstoff auf eine sehr niedrige Temperatur in der Größenordnung von bis zu 20K abgekühlt wird. Für das entsprechende elektrische Leitungselement 10 lässt sich nun ein Supraleiter einsetzen. Ein solcher Supraleiter kann beispielsweise aus einem oder mehreren Drähten ausgebildet sein und hat unterhalb einer sogenannten Sprungtemperatur Tc quasi keinen elektrischen Widerstand für Gleichstrom. Dies lässt sich nun ausnutzen, indem ein geeignetes supraleitendes Material wie beispielsweise ein sogenannter Hochtemperatursupraleiter, eingesetzt wird, um das elektrische Leitungselement 10 im Bereich der Leitung 8 auszubilden. Hierdurch wird der Effekt der Supraleitung durch den ohnehin vorhandenen kryogenen Wasserstoff „aktiviert“ und zumindest im Bereich des in wärmeleitendem Kontakt mit der Leitung 8 stehenden elektrischen Leitungselements 10 werden die elektrischen Verluste quasi vermieden und damit im Gesamtsystem der Brennstoffzellenanlage 1 insgesamt deutlich verringert.
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Der Aufbau kann dabei, wie es rein beispielhaft in der Darstellung der 2 fortfolgende angedeutet ist, in verschiedenen Arten realisiert werden. 2 zeigt beispielsweise das elektrische Leitungselement 10 mit dem supraleitenden Material innerhalb der Leitung 8, welche von dem flüssigen Wasserstoff (H2(fl)) durchströmt wird. In der Darstellung der 3 ist eine Alternative zu erkenne, bei welcher das supraleitende Material des elektrischen Leitungselements 10 nicht im Inneren der Leitung 8 angeordnet ist, sondern in der Art eines Drahts außen auf die Leitung aufgewickelt wurde.
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In 4 ist eine weitere Alternative zu erkennen, bei welcher die gesamte Leitung 8 aus dem supraleitenden Material hergestellt wird, so dass diese von dem in der Leitung strömenden Wasserstoff entsprechend gekühlt wird. Dabei ist es selbstverständlich auch denkbar, die Leitung selbst aus einem anderen Material herzustellen, welches die Wärme gut von innen nach außen leitet und dieses Material lediglich mit dem supraleitenden Material der elektrischen Leitungselemente 10 zu ummanteln.
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Wie es in einer schematischen Schnittdarstellung in der 5 zu erkennen ist, muss die Ummantelung dabei nicht über den gesamten Umfang reichen, sondern kann beispielsweise auch in Form von zwei bandartigen, auf die Leitung 8 aufgebrachten elektrischen Leitungselement, bestehen.
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Auch beim Einsatz der Drähte ist es selbstverständlich denkbar, mehrere der elektrischen Leitungselemente 10 entlang der Leitung 8 zu führen, wie es in der Schnittdarstellung der 6 entsprechend angedeutet ist, wobei hier nur einige dieser Drähte als elektrische Leitungselemente 10 mit dem Bezugszeichen versehen sind.
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Unabhängig von der konkreten Ausführungsform lassen sich so Leistungsverluste bei der Leitung von elektrischer Leistung zwischen den elektrischen Komponenten der Brennstoffzellenanlage 1, also der oder den Brennstoffzellen 3, der Leistungselektronik 11, dem oder den Verbraucher/n 12 und/oder der elektrischen Energiespeichereinrichtung 13 effizient minimieren ohne dass für den Effekt der Supraleitung eigene Kühlkreisläufe vorgesehen werden müssen oder eigene zusätzliche Medien in der Brennstoffzellenanlage 1 mit geführt werden müssen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015220301 A1 [0004, 0006]
- DE 112005002769 T5 [0007]
