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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines modular aufgebauten Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein modular aufgebautes Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Mit Hilfe einer Brennstoffzelle kann unter Verwendung eines Brennstoffs, beispielsweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, beispielsweise Sauerstoff, chemische in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden. Die auf diese Weise gewonnene elektrische Energie kann sowohl in stationären als auch in mobilen Anwendungen genutzt werden. Zur Leistungssteigerung werden in der Regel mehrere Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung, das heißt in Form eines Brennstoffzellenstapel bzw. „Stacks“ eingesetzt.
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Der in einem Brennstoffzellensystem benötigte Brennstoff wird in der Regel in einem geeigneten Tank bevorratet. Als Sauerstofflieferant kann Umgebungsluft dienen. Bevor die Umgebungsluft einem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, wird sie mit Hilfe eines Luftverdichters verdichtet. Denn die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen erfordert einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau. Als Luftverdichter kann insbesondere eine thermische Strömungsmaschine eingesetzt werden. Diese kann ein- oder mehrstufig und/oder ein- oder mehrflutig aufgebaut sein. Zur Energierückgewinnung kann der Luftverdichter mit einer Turbine gekoppelt werden, der dann die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende feuchte Kathodenabluft zugeführt wird.
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In der Regel wird die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft nicht nur verdichtet, sondern zusätzlich befeuchtet, um die richtige Feuchte bei vorgegebener Temperatur einzustellen. Zum Befeuchten kann insbesondere im Betrieb des Brennstoffzellensystems anfallendes Wasser, sogenanntes Produktwasser, genutzt werden, das hierzu abgeschieden und in einem Wasserspeicher gesammelt wird. Bei Bedarf kann Produktwasser aus dem Wasserspeicher entnommen und mit Hilfe der Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten der verdichteten Luft genutzt werden.
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Je nach Betriebspunkt wird jedoch mehr Wasser benötigt als Produktwasser entsteht und abgeschieden werden kann. Daher muss der Wasserspeicher derart groß gewählt werden, dass schwierige Betriebspunkte, das heißt Phasen mit hohem Wasserbedarf nach Phasen mit geringer Wasserproduktion, gepuffert werden können. Ist das Brennstoffzellensystem modular aufgebaut und umfasst mehr als nur einen Brennstoffzellenstapel, vervielfältigt sich diese Problematik.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, das Wassermanagement in einem modular aufgebauten Brennstoffzellensystem zu optimieren. Unter einem „modular aufgebauten Brennstoffzellensystem“ wird vorliegend ein System verstanden, das aus mehreren im Wesentlichen gleichartigen Modulen gebildet ist, von denen jedes einen Brennstoffzellenstapel sowie die zur Medienversorgung des Brennstoffzellenstapels erforderlichen Komponenten umfasst. Die einzelnen Module bilden somit eigenständige Systeme aus, die getrennt voneinander betreibbar sind.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das modular aufgebaute Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines modular aufgebauten Brennstoffzellensystems, das mindestens zwei Module mit jeweils einem Brennstoffzellenstapel umfasst, wird jeder Brennstoffzellenstapel über einen separaten Kathodenzuluftpfad mit Luft versorgt, die zuvor mit Hilfe eines in den Kathodenzuluftpfad integrierten Luftverdichters verdichtet und bei Bedarf mit Hilfe einer in den Kathodenzuluftpfad integrierten Befeuchtungseinrichtung befeuchtet wird. Zum Befeuchten wird dabei aus einem Kathodenabluftpfad und/oder einem Anodenabgaspfad abgeschiedenes Produktwasser verwendet. Erfindungsgemäß wird das abgeschiedene Produktwasser der mehreren Module in einem gemeinsamen Wasserspeicher gesammelt und mit Hilfe mindestens einer Fördereinrichtung den Befeuchtungseinrichtungen der Module zugeführt.
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Dadurch, dass das im Betrieb der Module anfallende Produktwasser einem gemeinsamen Wasserspeicher zugeführt wird, steht den Befeuchtungseinrichtungen der Module ein größeres Wasserreservoir zur Verfügung. Wird zeitweise ein Brennstoffzellenstapel in einem Betriebspunkt mit erhöhtem Wasserbedarf betrieben, während er selbst nicht genug Wasser produziert, kann die fehlende Menge durch Produktwasser des mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstapels abgedeckt werden. Auf diese Weise können Betriebszeiten mit negativer Wasserbilanz überbrückt bzw. gepuffert werden.
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Das vorgeschlagene Verfahren besitzt zudem den Vorteil, dass je nach Betriebsführung zumindest ein Modul derart betrieben werden kann, dass mehr Wasser produziert wird als es selbst benötigt. Der Überschuss kann dann im gemeinsamen Wasserspeicher gesammelt und den Befeuchtungseinrichtungen der übrigen Module zur Verfügung gestellt werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der gemeinsame Wasserspeicher kleiner als die Summe der sonst üblichen einzelnen Wasserspeicher ausgelegt werden kann. Ferner müssen eventuell im Wasserspeicher vorhandene Einbauten nur einmal bzw. einfach vorgesehen werden. Im Ergebnis können somit Bauraum und Kosten eingespart werden.
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Bevorzugt wird in Abhängigkeit von der im gemeinsamen Wasserspeicher vorhandenen Wassermenge mindestens ein Modul in eine Betriebsart überführt, in der das Modul mehr Wasser produziert und abscheidet als es selbst benötigt. Der auf diese Weise produzierte Wasserüberschuss kann, insbesondere bei Wasserknappheit, zum Befüllen des gemeinsamen Wasserspeichers genutzt werden. Um den Wasserüberschuss zu produzieren, kann beispielsweise ein Modul auf einem hohen Lastpunkt betrieben werden. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn mit Hilfe des Moduls eine Batterie geladen wird. Die übrigen Module können frei, beispielsweise auf einem niedrigen Lastpunkt, betrieben werden.
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Des Weiteren bevorzugt wird zum Abscheiden von Produktwasser jeweils ein in den Kathodenabluftpfad und/oder in den Anodenabgaspfad integrierter Wasserabscheider verwendet. Mit Hilfe eines Wasserabscheiders kann in der Kathodenabluft bzw. im Anodengas enthaltenes Produktwasser passiv und damit energieeffizient abgeschieden werden. Da sowohl Kathodenabluft als auch aus dem Brennstoffzellenstapel austretendes Anodenabgas Wasser in flüssiger Form enthalten kann, ist vorzugsweise jeweils ein Wasserabscheider im Kathodenabluftpfad und im Anodenabgaspfad eines Moduls vorgesehen. Weiterhin vorzugsweise sind alle Wasserabscheider mit dem gemeinsamen Wasserspeicher verbunden, um diesen mit Produktwasser zu befüllen.
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Zur weiteren Effizienzsteigerung wird vorgeschlagen, dass eine Dosiereinrichtung, insbesondere ein Dosierventil, als Befeuchtungseinrichtung verwendet wird. Das Befeuchten der Kathodenzuluft und damit der Wasserverbrauch können auf diese Weise exakt gesteuert werden.
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Vorteilhafterweise wird der gemeinsame Wasserspeicher beheizt, insbesondere elektrisch beheizt. Auf diese Weise kann bei niedrigen Außentemperaturen ein Gefrieren von Wasser verhindert bzw. bereits gefrorenes Wasser schnell wieder aufgetaut werden. Damit verbessert sich die Kaltstartfähigkeit des Brennstoffzellensystems. Im Unterschied zu einer Vielzahl von Einzeltanks benötigt der gemeinsame Wasserspeicher nur eine Heizeinrichtung.
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Darüber hinaus wird ein modular aufgebautes Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Modulen vorgeschlagen, von denen jedes einen Brennstoffzellenstapel, einen Kathodenzuluftpfad mit integriertem Luftverdichter und integrierter Befeuchtungseinrichtung sowie mindestens einen Wasserabscheider zum Abscheiden von Produktwasser umfasst. Erfindungsgemäß sind die Wasserabscheider zum Sammeln von Produktwasser an einen gemeinsamen Wasserspeicher angeschlossen, aus dem mit Hilfe mindestens einer Fördereinrichtung die Befeuchtungseinrichtungen mit Produktwasser versorgbar sind.
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Das vorgeschlagene modular aufgebaute Brennstoffzellensystem ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. es kann insbesondere nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden. Somit sind die in Verbindung mit dem Verfahren beschriebenen Vorteile auch mit dem vorgeschlagenen Brennstoffzellensystem erreichbar. Insbesondere kann der vorgeschlagene gemeinsame Wasserspeicher zur Überbrückung von Betriebszeiten mit negativer Wasserbilanz genutzt werden. Ferner kann mit Hilfe mindestens eines Moduls die Wasserproduktion gezielt gesteigert werden, so dass ein Wasserüberschuss zum Befüllen des gemeinsamen Wasserspeichers zur Verfügung steht. Da der gemeinsame Wasserspeicher kleiner ausgelegt werden kann als viele einzelne Wasserspeicher in Summe, können zudem Bauraum und Kosten eingespart werden.
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Die Wasserabscheider zum Abscheiden von Produktwasser sind vorzugsweise in mindestens einen Kathodenabluftpfad und/oder Anodenabgaspfad integriert. Um möglichst viel Produktwasser abzuscheiden und zu sammeln, ist vorzugsweise in jeden Kathodenabluftpfad und in jeden Anodenabgaspfad ein Wasserabscheider integriert. Alle Wasserabscheider sind zudem an den gemeinsamen Wasserspeicher angeschlossen.
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Des Weiteren bevorzugt sind die Befeuchtungseinrichtungen zum Befeuchten der Kathodenzuluft jeweils als Dosiereinrichtung, insbesondere als Dosierventil, ausgeführt. Die zum Befeuchten der Kathodenzuluft benötigte Wassermenge kann somit exakt eindosiert werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der gemeinsame Wasserspeicher mit Hilfe einer Heizeinrichtung, insbesondere einer elektrischen Heizeinrichtung, beheizbar ist. Auf diese Weise kann ein Gefrieren von Wasser im Wasserspeicher verhindert bzw. bereits gefrorenes Wasser bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems schnell wieder aufgetaut werden. Da nur ein gemeinsamer Wasserspeicher vorhanden ist, muss auch nur eine Heizeinrichtung vorgesehen werden. Die Kosten können somit weiter gesenkt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit zwei Brennstoffzellenstapeln.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Das in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 umfasst zwei Module 11, 11' mit jeweils einem Brennstoffzellenstapel 2, 2'. Die Module 11, 11' sind getrennt voneinander betreibbar.
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Zur Versorgung der Brennstoffzellenstapel 2, 2' der Module 11, 11' mit Luft umfasst jedes Modul 11, 11`einen Kathodenzuluftpfad 3, 3' mit integriertem Luftverdichter 4, 4' sowie integrierter Befeuchtungseinrichtung 5, 5'. Den Brennstoffzellenstapeln 2, 2' ist somit über den jeweiligen Kathodenzuluftpfad 3, 3' verdichtete und bei Bedarf befeuchtete Luft zuführbar.
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Darüber hinaus weisen die Module 11, 11' jeweils einen Kathodenabluftpfad 6, 6' auf, über den aus dem jeweiligen Brennstoffzellenstapel 2, 2' austretende Luft einem Wasserabscheider 10, 10' zugeführt wird. Mit Hilfe des Wasserabscheiders 10, 10' kann der Kathodenabluft flüssiges Wasser entzogen werden, das bei der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen der Brennstoffzellenstapel 2, 2' als Nebenprodukt anfällt. Die entfeuchtete Kathodenabluft wird anschließend einer Turbine 12, 12' zur Energierückgewinnung zugeführt. Die Turbine 12, 12' ist hierzu über eine gemeinsame Welle 13, 13' mit dem Luftverdichter 4, 4' des jeweiligen Moduls 11, 11' verbunden.
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Die jeweils in den Kathodenabluftpfad 6, 6' eines Moduls 11, 11' integrierten Wasserabscheider 10, 10' sind mit einem gemeinsamen Wasserspeicher 8 verbunden, so dass dieser nur einmal vorhanden ist. Gleiches gilt für eventuelle in den Wasserspeicher 8 integrierte Einrichtungen, wie beispielsweise eine Heizeinrichtung (nicht dargestellt). Neben den Wasserabscheidern 10, 10', die in den jeweiligen Kathodenabluftpfad 6, 6' integriert sind, sind ferner weitere, jeweils in einen Anodenabgaspfad 7, 7' integrierte Wasserabscheider 10, 10' mit dem gemeinsamen Wasserspeicher 8 verbunden. Somit wird auch anodenseitig im Betrieb der beiden Brennstoffzellenstapel 2, 2' anfallendes Produktwasser dem gemeinsamen Wasserspeicher zugeführt. Um dieses Wasser zum Befeuchten der Luft im Kathodenzuluftpfad 3, 3' eines Moduls 11, 11' zu nutzen, sind die Befeuchtungseinrichtungen 5, 5' der beiden Module 11, 11' an den gemeinsamen Wasserspeicher 8 angeschlossen. Mit Hilfe einer Fördereinrichtung 9, 9' kann Wasser aus dem Wasserspeicher 8 entnommen und der jeweiligen Befeuchtungseinrichtung 5, 5' zugeführt werden.
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Um sicherzustellen, dass im gemeinsamen Wasserspeicher 8 stets eine ausreichende Menge an Wasser zur Verfügung steht, kann zumindest einer der beiden Brennstoffzellenstapel 2, 2' gezielt zur Wasserproduktion eingesetzt werden. Der Brennstoffzellenstapel 2, 2' wird hierzu in einem Betriebspunkt betrieben, in dem mehr Wasser als benötigt produziert und abgeschieden wird. Der Überschuss steht dann zur Überbrückung von Betriebszeiten mit negativer Wasserbilanz zur Verfügung.
