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Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungseinrichtung.
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Stand der Technik
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Die Energiewende führt auch zum zunehmenden Einsatz von Brennstoffzellen zur Bereitstellung von elektrischer Energie. Gerade Festoxidbrennstoffzellen benötigen eine Mindesttemperatur zum Betrieb zwischen 500° Celsius und 1000° Celsius, insbesondere zwischen 600° Celsius und 700° Celsius.
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Bis diese Temperatur erreicht wird ist sehr viel Wärmeenergie notwendig die bei bekannten Systemen aus Verbrennung von fossilen Energieträgern oder Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme erzeugt wird.
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Hat eine Brennstoffzelle die Betriebstemperatur erreicht und arbeitet im Normalbetrieb, so ist normalerweise keine zusätzliche Wärmeenergie notwendig. Stattdessen erzeugt sie zusätzliche Wärmeenergie, die abgeführt werden muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung mit mehreren Brennstoffzelleneinheiten sowie Prozessoreinheiten. Die Prozessoreinheiten sind zum Betreiben der Brennstoffzelleneinheiten notwendig. Sie bilden insbesondere die Peripherie einer Brennstoffzelleneinheit. Die Brennstoffzelleneinheiten sind auf mindestens zwei Teilsystem aufgeteilt. Jedes Teilsystem weist zumindest zwei Brennstoffzelleneinheiten auf. Vorzugsweise benötigt jede Brennstoffzelleneinheiten zum Betrieb eine Mindesttemperatur.
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Vorteilhaft ist, dass zumindest ein Wärmeübertrager ausgebildet ist. Der Wärmeübertrager transportiert Wärme von einer Wärmequelle zu eine Wärmesenke. Die Wärmequelle ist eine Brennstoffzelleneinheit und/oder Prozessoreinheit, die sich insbesondere im Normalbetrieb befindet und dabei Wärme erzeugt. Vorzugsweise ist die Brennstoffzelleneinheit und/oder Prozessoreinheit, welche Wärme abgibt Teil eines ersten Teilsystems. Die Wärmesenke ist Teil des zweiten Teilsystem. Die Wärmesenke wird gebildet durch die Brennstoffzelleneinheit und/oder Prozessoreinheit des zweiten Teilsystems. Der Wärmeübertrager führt die von zumindest einer ersten Brennstoffzelleneinheit und/oder Prozessoreinheit erzeugte Wärme zumindest einer Brennstoffzelleneinheit und/oder Prozessoreinheit eines zweiten Teilsystems zu.
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Vorzugsweise befindet sich mindestens eine der Brennstoffzelleneinheit des zweiten Teilsystems in der Aufwärmphase, insbesondere im Anfahrbetrieb. Das bedeutet, dass das zweite Teilsystem und/oder zumindest eine der Brennstoffzelleneinheit die Mindesttemperatur noch nicht erreicht hat. Erst mit dem Erreichen der Mindesttemperatur kann die Brennstoffzelleneinheit, bzw. das zweite Teilsystem in den Normalbetrieb wechseln. Die Brennstoffzelleneinheit wechselt dann vom Anfahrbetrieb in den Normalbetrieb.
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Das erste Teilsystem steht insbesondere für das Teilsystem, dem Wärme entnommen wird (Wärmequelle). Das zweite Teilsystem steht insbesondere für das Teilsystem, dem die entnommene Wärme zugeführt wird (Senke). Bei Ausbildung von mehreren Teilsystem verhalten sich Teilsysteme die Wärme abgeben entsprechend dem ersten Teilsystem und Teilsystem die Wäre aufnehmen entsprechend dem zweiten Teilsystem.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Energieversorgungseinrichtung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass der Wärmeübertrager einen Wärmetauscher aufweist. Vorteilhaft kann mittels eines Wärmetauschers die Wärme abgeführt und/oder zugeführt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zumindest ein Nachbrenner ausgebildet ist, der die Abgase zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten des ersten Teilsystems verbrennt. Vorzugsweise ist der Nachbrenner des Teilsystems gemeint, von dem die Wärmeenergie abgeführt wird. Der Nachbrenner erzeugt Wärme und oder erwärmte Abgase. Der Wärmetauscher führt Wärme von den Abgasen ab. Der Wärmetauscher führt Wärme dem Brennstoff und/oder dem Oxidationsmedium zu.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Wärmetauscher ausgebildet die Wärme, die der Nachbrenner erzeugt zumindest in Teilen abzuführen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass der Wärmeübertrager ein Wärmeleitmittel aufweist, welches Wärme, von zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten des ersten Teilsystems an zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten und/oder einer Prozessoreinheit des zweiten Teilsystems leitet. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Wärmeleiter um einen Körper. Der Wärmeleiter überträgt Wärme durch den Körper hindurch von Bereichen höherer Temperatur zu Bereichen niedrigerer Temperatur.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass der Wärmeübertrager eine Führung aufweist, welche Wärme, von zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten des ersten Teilsystems direkt an zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten des zweiten Teilsystems leitet. Bei der Führung handelt es sich insbesondere um eine Fluidführung, die insbesondere Fluide, vorzugsweise Gase oder Flüssigkeiten führt. Beispielsweise bildet ein Rohr oder Schlauch eine solche Führung. Bei den geführten Fluiden handelt es sich insbesondere um Luft, Abgase, Wasser, Kühlmittel usw.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass zumindest eine der Brennstoffzelleneinheiten des zweiten Teilsystem mittels der Wärme zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten des ersten Teilsystem derart Vortemperiert ist, dass diese in Abhängigkeit von einem Steuersignal kurzfristig in den regulären Betrieb wechseln kann. Das Teilsystem ist hierbei derart vorgewärmt, dass eine zeitintensive Aufwärmphase entfallen kann. Insbesondere wird die Brennstoffzelle in einem Minimalbetrieb betrieben. Das bedeutet, dass der Brennstoffzelleneinheit Brennstoff und Oxidationsmedium zugeführt werden. Vorzugsweise befindet sich zumindest eine Brennstoffzelleneinheiten des zweiten Teilsystem im Hot-Idle Betrieb ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung ist, dass die Aufwärmphase bis zum Erreichen der Mindesttemperatur besteht. Mit dem Erreichen der Mindesttemperatur kann die Brennstoffzelleneinheit elektrischen Strom erzeugen.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung ist, dass der Wärmeübertrager einen Fluidkreislauf aufweist. Der Fluidkreislauf transportiert die Wärmeenergie von der Wärmequelle zu der Wärmesenke. Die Wärmequelle ist hierbei eine Brennstoffzelleneinheit oder eine Prozessoreinheit des ersten Teilsystems. Die Wärmesenke ist eine Brennstoffzelleneinheit oder eine Prozessoreinheit des zweiten Teilsystems. Kühlmittelkreislauf aufweist. Vorzugsweise ist ein Fan oder eine Pumpe ausgebildet, um das Fluid zu bewegen. Optionale Ventile oder Klappen ermöglichen einleiten des Ventils zu weiteren Teilsystemen oder Komponenten von Teilsystemen.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Energieversorgungseinrichtung mit zwei Brennstoffzelleneinheiten;
- 2 ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Energieversorgungseinrichtung mit zwei Teilsystemen mit jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten; und
- 3 ein schematisches Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Energieversorgungseinrichtung mit zwei Teilsystemen mit jeweils zwei Brennstoffzelleneinheiten.
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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung 1. Die Energieversorgungseinrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12.
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In 1 ist beispielhaft der Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 dargestellt. Eine Brennstoffzelleneinheiten 12 benötigt zum Betrieb zumindest eine, insbesondere eine Vielzahl an Prozessoreinheiten 14. Die Prozessoreinheiten 14 und die Brennstoffzelleneinheiten 12 können eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 entsprechend 1 bilden. Die Prozessoreinheiten 14 werden im Folgenden in 1 näher beschrieben. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 und die Prozessoreinheiten 14 beliebig zu Brennstoffzellenvorrichtung 10 zusammengefasst sein.
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In 2 ist beispielhaft der Aufbau einer Energieversorgungseinrichtung 1 mit vier Brennstoffzelleneinheiten 12, die in zwei Teilsysteme 50, 60 aufgeteilt sind, dargestellt.
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In 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 10 gezeigt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 10 umfasst beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12. Vorzugsweise können mehr als die zwei in 1 gezeigten Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sein. Eine solche Brennstoffzellenvorrichtung 10 bildet jeweils ein Teilsysteme. Auch können mehrere Brennstoffzellenvorrichtungen 10 ein Teilsystem bilden.
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Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Brennstoffzellenstack ausgeführt, welche eine Vielzahl von Brennstoffzellen, im vorliegenden Fall Festoxidbrennstoffzellen (englisch: solid oxide fuel cell, SOFC), aufweisen.
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Des Weiteren umfasst die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Vielzahl von Prozessoreinheiten 14. Die Anzahl und Skalierung der Prozessoreinheiten 14 hängt von der Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 ab sowie von dem Aufbau und der Struktur der gesamten Energieversorgungseinrichtung 1.
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Unter einer „Prozessoreinheit“ 14 soll im Rahmen dieser Erfindung insbesondere eine Einheit oder Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 10, bzw. der Energieversorgungseinrichtung 1 verstanden werden, bei der es sich nicht um eine Brennstoffzelleneinheit 12 handelt. In dem vorliegenden Fall handelt es sich bei den Prozessoreinheiten 14 um Einheiten zur chemischen und/oder thermischen Vor- und/oder Nachbereitung zumindest eines in einer Brennstoffzelleneinheit 12 umzusetzenden und/oder umgesetzten Mediums, wie beispielsweise eines Oxidationsmedium, insbesondere Luft und/oder Sauerstoff, und/oder eines Abgases und/oder eines Brennstoffs, vorzugsweise eines Brenngases, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff.
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Bei einer der Prozessoreinheiten 14 handelt es sich um einen in einer Luftzuführung 16 angeordneten Wärmeübertrager 18 zur Erwärmung einer den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere sauerstoffhaltigen Luft L. Im vorliegenden Fall wird das Oxidationsmedium, insbesondere die Luft L, beispielsweise in einem Normalbetrieb, jeweils einem Kathodenraum 20 der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, während jeweils einem Anodenraum 22 reformierter Brennstoff RB, im vorliegenden Wasserstoff oder Erdgas, zugeführt wird. In den Brennstoffzelleneinheiten 12 wird der reformierte Brennstoff RB durch Mitwirkung von Sauerstoff aus der Luft L unter Erzeugung von Strom und Wärme elektrochemisch umgesetzt. Es wird elektrische Energie erzeugt.
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Der reformierte Brennstoff RB wird erzeugt, indem der Brennstoffzellenvorrichtung 10 über eine Brennstoffzuführung 24 Brennstoff B, insbesondere Erdgas oder Wasserstoff oder Methan oder Kohlegas, zugeführt wird, welcher in einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einem Reformer 26, reformiert wird.
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Des Weiteren sind die Brennstoffzelleneinheiten 12 abgasseitig mit einer weiteren Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall mit einem Nachbrenner 28, verbunden. Dem Nachbrenner 28 wird Abgas der Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführt, im vorliegenden Fall Kathodenabgas KA über eine Kathodenabgasführung 30 und ein Teil des Anodenabgas AA über eine Anodenabgasführung 32. Das Kathodenabgas KA enthält unverbrauchtes Oxidationsmedium, insbesondere Luft L, bzw. unverbrauchten Sauerstoff, während das Anodenabgas AA ggf. nicht-umgesetzten, reformierten Brennstoff RB und/oder ggf. nicht-reformierten Brennstoff B enthält. Mittels des Nachbrenners 28 wird das Anodenabgas AA, bzw. der ggf. darin enthaltene nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB und/oder der ggf. darin enthaltende nicht-reformierte Brennstoff B, unter Beimischung des Kathodenabgases KA, bzw. des darin enthaltenen Sauerstoffs des Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L, verbrannt, wodurch zusätzliche Wärme erzeugt werden kann.
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Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 34 über eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall über einen Wärmeübertrager 36, vom Nachbrenner 28 abgeführt. Der Wärmeübertrager 36 ist dabei wiederum mit dem Reformer 26 strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A, auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 genutzt werden.
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Stromabwärts des Wärmeübertragers 36 befindet sich eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 18, in der Abgasführung 34, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf das zugeführte Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Entsprechend kann die verbleibende Wärme des heißen Abgases für ein Vorwärmen des zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.
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Darüber hinaus weist die Brennstoffzellenvorrichtung 10 eine Rückführung 38 auf, mittels welcher ein Teil des Anodenabgas AA aus der Anodenabgasleitung 32 abgezweigt und einem Anodenrezirkulationskreis 40 zugeführt werden kann. Dabei passiert das abgezweigte Anodenabgas AA eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall einen weiteren Wärmeübertrager 39.
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Mittels des Anodenrezirkulationskreises 40 kann der abgezweigte Teil des Anodenabgas AA dem jeweiligen Anodenraum 22 der Brennstoffzelleneinheiten 12 und/oder dem Reformer 26 rückgeführt, bzw. erneut zugeführt, werden, so dass der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-umgesetzte, reformierte Brennstoff RB im Nachgang in der Brennstoffzelleneinheit 12 umgesetzt und/oder der ggf. im abgezweigten Anodenabgas AA enthaltene, nicht-reformierte Brennstoff B im Nachgang im Reformer 26 reformiert werden kann. Dadurch kann der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung 10 weiter erhöht werden. Zudem kann über die Brennstoffzuführleitung 24 frischer Brennstoff B dem im Anodenrezirkulationskreis 40 rezirkuliertem, abgezweigten Anodenabgas AA beigemischt werden. Mittels des Weiteren Wärmeübertragers 39 kann dann zur thermischen Aufbereitung Wärme von dem abgezweigten Anodenabgas AA aus der Rückführleitung 38 auf das durch die Beimischung des frischen Brennstoffs B entstehende Brennstoffgemisch im Anodenrezirkulationskreis 40 übertragen werden.
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Über Verdichter 42 in den jeweiligen Leitungen, kann die Zufuhr eines Oxidationsmediums, insbesondere von Oxidationsmedien, vorzugsweise Luft L in der Luftzuführung 16, die Zufuhr von Brennstoff B in der Brennstoffzuführung 24 und die Rezirkulationsrate des Anodenabgases AA im Anodenrezirkulationskreis 40 geregelt und/oder aufeinander abgestimmt werden.
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Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenvorrichtung ein Heizelement 44 zur, im vorliegenden Fall zusätzlichen, Erwärmung der den Brennstoffzelleneinheiten 12 zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in einer Bypassleitung 46, wodurch die Betriebseffizienz der Brennstoffzellevorrichtung 10 gesteigert wird.
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Die Erfindung ist nicht auf Festoxidbrennstoffzellen beschränkt. Vielmehr können beliebige Brennstoffzellen ausgeführt sein. Beispielsweise können die Brennstoffzellen auch als alkalische Brennstoffzelle (AFC), Niedertemperatur-Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle (NT-PEMFC), Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEMFC), Direktmethanol-Brennstoffzelle (DMFC), Phosphorsäure-Brennstoffzelle (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) ausgeführt sein. Entsprechend unterscheiden sich die verwendeten Brennstoffe oder das Oxidationsmedium. Beispiel für Brennstoffe sind Wasserstoff, Alkohole (Ethanol, Propanol, Glycerin, Methanol), Methan, Kohlegas, Ammoniak Reformatgas, insbesondere Methanol. Beispiels für Oxidationsmedien sind Luft, insbesondere der Luftsauerstoff der Luft, Sauerstoff, Wasserstoffperoxid, Salpertersäure oder Halogene.
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Abhängig von der verwendeten Brennstoffzelle der Brennstoffzelleneinheit 12 sind die Prozesseinheiten 14 angepasst.
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In 2 ist ein Energieversorgungseinrichtung 1 dargestellt. Die Energieversorgungseinrichtung 1 weist beispielhaft vier Brennstoffzelleneinheiten 12 auf. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 sind auf ein erstes Teilsystem 50 und ein zweites Teilsystem 60 aufgeteilt. Beispielhaft sind die beiden Teilsysteme 50, 60 jeweils als Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit jeweils beispielhaft zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet.
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Die Anzahl der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems 50, 60 ist nicht auf zwei beschränkt. Auch ist die Anzahl an Teilsystemen nicht auf zwei Teilsysteme 50, 60 beschränkt. Beispielhaft ist ein weiteres Teilsystem als Blackbox mit dem Bezugszeichen 70 angedeutet. Das Teilsystem 70 kann insbesondere wie das zweite Teilsystem 60 ausgebildet sein.
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Die Wärmeverwertung zwischen den Teilsystemen ist in der 2 serielle angedeutet. Diese kann auch parallel sowie serielle und parallel ausgebildet sein.
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Unter seriell wird hierbei verstanden, dass die Wärme erste durch das zweite Teilsystem und anschließend durch das dritte Teilsystem verwertet wird. Vorzugsweise können mehrere Teilsysteme ausgebildet sein. Vorzugsweise verhält sich das dritte Teilsystem, wenn es Wärme aufnimmt, wie das zweite Teilsystem.
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Erreicht das zweite Teilsystem die Mindesttemperatur und wechselt dann das zweite Teilsystem in den Normalbetrieb, so kann es ebenfalls Wärme zur Verfügung stellen. Aus einem dem zweiten Teilsystem kann somit ein erstes Teilsystem werden.
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Vorzugsweise kann ein Teilsystem als Brennstoffzellenvorrichtung 10 mit zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 ausgebildet sein. Die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems 50, 60 sind seriell und/oder parallel elektrisch miteinander verschaltet.
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Erfindungsgemäß kann die Anzahl der Teilsysteme 50, 60 beliebig gewählt werden. Auch kann die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 je Teilsystem beliebig gewählt werden.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform bilden die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems 50, 60 eine Brennstoffzellenvorrichtung 10.
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung 10 kann auch entgegen dem Beispiel in 1 mehr oder weniger, als die in 1 angegebenen zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 aufweisen.
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Die Prozessoreinheiten 14, die die Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems benötigen, sind in Anzahl, Leistung und Abmessung an die Anzahl an Brennstoffzelleneinheiten 12 angepasst. Vorzugsweise benötigt jede Brennstoffzelleneinheit 12 eine Vielzahl von sich unterscheidenden Prozessoreinheiten 14 entsprechend 1.
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Einzelne der Prozessoreinheiten 14 können derart ausgebildet und eingerichtet sein, dass sie sich mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 eines Teilsystems teilen. Beispielsweise sind in 1 zwei Brennstoffzelleneinheiten 12 sowie eine Vielzahl an Prozessoreinheiten 14, die zu deren Betrieb notwendig sind, dargestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung können einzelne Prozessoreinheiten 14, gleichzeitig mehrere Brennstoffzelleneinheiten 12 versorgen. Insbesondere kann ein Verdichter 42 für zwei oder mehr Brennstoffzelleneinheiten 12 vorgesehen sein. Auch kann die Luftzuführung 16 für mehrere, insbesondere alle, Brennstoffzelleneinheiten 12 verwendet werden.
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Erfindungsgemäß weist die Energieversorgungseinrichtung 1 zumindest einen Wärmeübertrager 80 auf. Vorzugsweise sind x-1 Wärmeübertrager 80 ausgebildet. Das x steht für die Anzahl an Teilsysteme.
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Beispielhaft ist ein Wärmeübertrager 80 in 2 dargestellt. Der Wärmeübertrager 80 umfasst insbesondere eine Gasführung 82, eine Wärmetauscher 84 und einen Wärmetauscher 86. Die Gasführung 82 führt Gas, insbesondere Abgas. Die Gasführung 82 greift die erwärmten Abgase von dem Nachbrenner 28 des ersten Teilsystems 50 ab.
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Die Gasführung 82 schließt sich in 1 beispielhaft an den Wärmetauscher 18 des ersten Teilsystems 50 an.
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Das bei der Verbrennung im Nachbrenner 28 einer Brennstoffzelleneinheiten 12 entstehende heiße Abgas A wird über eine Abgasführung 82 über eine Prozessoreinheit 14, insbesondere über einen Wärmeübertrager 84, 86, zumindest einer der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines zweiten Teilsystems zugeführt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Gasführung 82 auch direkt das heiße Abgas A am Nachbrenner 28 des ersten Teilsystems 50 zum Wärmetauscher 84 und/oder Wärmetauscher 86 führen. Ein entsprechender Verlauf ist gestrichelt in 2 dargestellt. Vorzugsweise ist ein Verteiler 88 ausgebildet. Dieser verteilt das Abgas A auf die Gasführung 82 und die Abgasführung 34. Der Verteiler 88 kann noch weitere Anschlussmöglichkeiten für weitere Gasführungen 82 zu weiteren Teilsystemen aufweisen. Der Verteiler wirkt insbesondere wie ein Ventil, welches mit seinem, bzw. seinen Ventilmittelen den Wärmestrom leitet. Vorzugsweise weist der Verteiler 88 zumindest eine Klappe, die als Ventilmittel wirkt, auf, welche den Wärmestrom leitet.
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Gemäß einer Weiterbildung kann einen Wärmetauscher ausgebildet sein. Der Wärmetauscher ist nach dem Nachbrenner 28 angeordnet, insbesondere entsprechend dem Bezugszeichen 80. Der Wärmetauscher entnimm dem Abgas Wärme und erwärmt ein Gas, insbesondere Luft. Anschließend wird die erwärmte Luft mittels der Gasführung 82 zu den weiteren Teilsystemen geleitet. Die erwärmte Luft wird mittels eines Lüfters und mittels der Führung der Gasführung 82 zu den Wärmetauschern 84 und/oder 86 transportiert.
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Der Wärmeübertrager 84 ist mit dem Reformer 26 einer der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines zweiten Teilsystems strömungstechnisch verbunden, so dass Wärme von dem heißen Abgas A, auf den dem Reformer 26 zugeführten Brennstoff B übertragen wird. Entsprechend kann die Wärme des heißen Abgases A für die Reformierung des zugeführten Brennstoffs B im Reformer 26 einer der Brennstoffzelleneinheiten 12 eines zweiten Teilsystems genutzt werden.
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Stromabwärts des Wärmetauscher 84 befindet sich beispielhaft eine weitere Prozessoreinheit 14, im vorliegenden Fall der Wärmeübertrager 86, so dass die verbleibende Wärme des heißen Abgases A auf das zugeführte Oxidationsmedium, insbesondere Luft L in der Luftzuführung 16 übertragen werden kann. Die Wärme des heißen Abgases A kann für ein Vorwärmen des zugeführten Oxidationsmedium, insbesondere der Luft L in der Luftführung 16 genutzt werden.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform wie in 3 dargestellt, ist der Verteiler 88 ebenfalls als Wärmetauscher ausgebildet. Der Wärmetauscher 88 entnimmt dem Abgas A Wärme und führt dieses einem Fluid zu. Insbesondere ist das Fluid als Flüssigkeit, vorzugsweise als Kühlmittel, ausgebildet. Das Fluid zirkuliert mittels einer Pumpe 87 in einem Kühlkreislauf 85. In dem Kühlmittelkreislauf ist einer oder mehrere Wärmetauscher 84 und 86 ausgebildet. Sie entnehmen die Wärme von dem Kühlmittel und führen diese beispielsweise dem Brennstoff oder dem Oxidationsmedium zu.
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Vorzugsweise können über den Kühlmittelkreislauf 85 auch weitere Teilsysteme mit Wärme versorgt werden.
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Vorzugsweise können Ventile ausgebildet sein, welche den Fluidstrom zu weiteren Kühlkreisen und/oder Teilsystemen leiten. Entsprechend können in der Gasführung 84 auch Klappen ausgebildet sein, welche die Wärme zu weiteren Teilsystemen leiten.
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Ferner können an dem Kühlmittelkreis 85 oder dem Gasführung 84 auch weitere Verteiler 88 von weiteren Teilsystemen angeschlossen sein. So kann beispielsweise das zweite Teilsystem, wenn es die Mindesttemperatur erreicht hat und im Normalbetrieb arbeitet, selbst Wärme abgegeben, um ein weitere Teilsystem zu erreichen.
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Beispielhaft kann über ein Ventil der Verteiler 88 des zweiten Teilsystems durchströmt werden. Ein entsprechender alternativer Verlauf des Kühlmittelkreises 85 zwischen der Pumpe 87 und dem dritten Teilsystem 70 ist in 3 dargestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung ist ein Wärmeleiter ausgebildet. Der Wärmeleiter ist insbesondere aus Aluminium oder einem vergleichbar guten oder besseren Wärmeleiter ausgebildet. Insbesondere leitet es Wärme von den Brennstoffzelleneinheit 12 eines ersten Teilsystems 50 den Brennstoffzelleneinheit 12 eines weiteren Teilsystems.
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Gemäß einer Weiterbildung kann über die Wärmeversorgung ein Teilsystem auch im Hot-Idle Betriebsmodus gehalten werden. In diesem Betriebsmodus befindet sich das Teilsystem, wenn es im Teillastbetrieb arbeitet oder lediglich einen vernachlässigbaren Strom produziert. Das Teilsystem weist eine Temperatur auf, welche im Bereich der Mindesttemperatur liegt, insbesondere minimal unter der Mindesttemperatur liegt oder die Mindesttemperatur aufweist. Im Hot-Idle Betriebsmodus muss die Brennstoffzelleneinheit 12 nicht die Aufwärmphase durchlaufen. Grund ist, dass die Brennstoffzelle bereits auf im Bereich er Mindesttemperatur ist. Die Brennstoffzelleneinheit 12 kann somit kurzfristig Strom bereitstellen und/oder in den Vollastbetrieb wechseln. Ein Aufwärmphase, also der Zeitraum bis zum Erreichen der Mindesttemperatur, kann bis zu 5h dauern. Die Aufwärmphase entfällt im Hot-Idle Betriebsmodus.
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Bei einem Teilsystem im Hot-Idle Betriebsmodus kann die Leistungsabgabe aktiviert oder deaktiviert werden. Das Aktivieren oder Deaktivieren erfolgt insbesondere innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums, insbesondere vergleichbar zu dem Regulierungszeitraum. Bei einem Hot-Idle-Betriebsmodus bleibt die Brennstoffzelleeinheit 12 bei deaktivierter Leistungsabgabe auf Betriebstemperatur. Die Brennstoffzelleeinheit 12 wird insbesondere minimal weiter mit Brennstoff und/oder dem Oxidationsmedium versorgt.
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Vorzugsweise kann eine Brennstoffzelleneinheit 12 im Normalbetrieb Wärme entnommen werden und einer Brennstoffzelleneinheit 12, die im Anfahrbetrieb ist, zugeführt werden. Im Anfahrbetrieb wird die Brennstoffzelleneinheit erwärmt, bis dies die für den Betrieb notwendige Temperatur aufweist.
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Vorzugsweise kann eine Brennstoffzelleneinheit 12 im Abfahrbetrieb Wärme entnommen werden und einer Brennstoffzelleneinheit 12, die im Anfahrbetrieb ist, zugeführt werden.
