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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage
mit einer Brennstoffzelleneinheit, einem Brennstoffdruckspeicher
zur Speicherung eines mit Speicherdruck beaufschlagten Brennstoffs
und einer Druckmindereinheit zur Verminderung des Speicherdrucks
auf einen Betriebsdruck nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Das Interesse an Wasserstoff als
Energieträger
für die
Zukunft hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Vor allem
mit Wasserstoff betriebenen Brennstoffzellen kann umweltschonend
elektrische Energie und Wärme
erzeugt werden. Der Wirkungsgrad von Brennstoffzellen ist nicht
durch den Carnot-Prozess begrenzt. Mit entsprechend hohen Wirkungsgraden
können
beispielsweise fossile Ressourcen geschont und bei der Verwendung
von Brennstoffzellen in Fahrzeugen oder Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen reduziert
werden.
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Mit Brennstoffzellen wird die chemisch
gebundene Energie des Wasserstoffs direkt in elektrische Energie
umgewandelt, die z.B. bei Fahrzeuganwendungen mit Hilfe eines Elektromotors
in mechanische Antriebsenergie überführt werden
kann.
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Darüber hinaus werden gerade moderne Kraftfahrzeuge
in zunehmendem Maß mit
einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern ausgestattet, um Zusatzfunktionen
zur Verbesserung der Motorsteuerung, des Komforts und/oder der Sicherheit
anzubieten. Der sich hieraus ergebende höhere elektrische Energiebedarf
kann mittels einer entsprechenden Brennstoffzelle in Kombination
mit dem Verbrennungsmotor bzw. dessen sogenannter Lichtmaschine
gedeckt werden.
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Insbesondere für Fahrzeuganwendungen werden
derzeit unter anderem sogenannte PEM-Brennstoffzellen (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen)
eingesetzt, bei denen protonenleitende Polymermembranen eingesetzt
werden und die gegenwärtig
möglichst
reinen Wasserstoff als Brennstoff benötigen.
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Generell kann Wasserstoff und/oder
ein anderer Druck beaufschlagter Brennstoff wie Erdgas, etc. in
Verbrennungsmotoren, insbesondere Hubmotoren, zur Erzeugung mechanischer
Antriebsenergie chemisch umgesetzt werden.
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Vor allem bei Fahrzeuganwendungen
oder anderen Inselsystemen wird der Wasserstoff bzw. der wasserstoffhaltige
Brennstoff in Drucktanks gespeichert. Zur Zeit sind entsprechende
Druckbehälter für Speicherdrücke von
ca. 200 bis 300 bar ausgelegt, wobei mittels neuartiger Kompositmaterialien Speicherdrücke von
bis zu 700 bar angestrebt werden.
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Neben der Speicherung des Wasserstoffs
in Drucktanks wird bei Fahrzeuganwendungen bereits das Verfahren
der Reformierung oder dergleichen von Kohlenwasserstoffen, wie z.B.
Benzin oder Diesel, "on board" eingesetzt. Hierbei sind insbesondere zur
Verbesserung der Anpassung an Lastwechsel, des Kaltstartverhaltens,
bei Betriebsstörungen
des Reformierungsprozesses oder dergleichen mit Druck beaufschlagte
Wasserstoffspeicher im Einsatz.
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Beispielsweise bei der großtechnischen
Herstellung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen, z.B. durch
Dampf oder autotherme Reformierung, steht der Wasserstoff meist
bei Drücken
zwischen 20 und 40 bar zur Verfügung.
Mittels mehrstufiger Kompressoren wird im Allgemeinen der Wasserstoff
anschließend
auf den Speicherdruck von ca. 300 bar gebracht. Dies ist mit einem
Energieeinsatz von mindestens 5 % des gespeicherten Wasserstoffs
verbunden. Auch bei anderen Verfahren zur Druckbeaufschlagung des
zu speichernden Wasserstoffs wird ein entsprechender Energieeinsatz
notwendig, so dass der Gesamtwirkungsgrad der Wasserstoffnutzung,
d.h. von der Erzeugung bis zum Gebrauch, entsprechend verringert
wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Brennstoffzellenanlage vorzuschlagen, mit der der Gesamtwirkungsgrad
der Anlage gegenüber
dem Stand der Technik erhöht
wird.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von
einer Brennstoffzellenanlage der einleitend genannten Art, durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch die in den Unteransprüchen genannten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Ausführungen
und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich eine
erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage
dadurch aus, dass die Druckmindereinheit als Kühlvorrichtung zur Kühlung wenigstens
eines Kühlelementes
ausgebildet ist.
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Mit Hilfe einer entsprechend ausgebildeten Kühlvorrichtung
kann in vorteilhafter Weise das bei der Druckminderung erzeugte
vergleichsweise niedere Temperaturniveau bzw. die Expansionskälte mittels
dem Kühlelement
zur Kühlung
unterschiedlichster Verbraucher bzw. Komponenten der Brennstoffzellenanlage
und/oder anderer Anlagen bzw. Räume
verwendet werden. Durch Verringerung der parasitären Leistungen (z.B. Kühlerlüfter) erhöht sich in
vorteilhafter Weise der System- und Gesamtwirkungsgrad der Anlage,
wodurch eine besonders effiziente Nutzung der im Brennstoff enthaltenen
Gesamtenergie realisiert wird.
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Möglicherweise
steht das Kühlelement
mit der Druckmindereinheit in thermischem Kontakt. Vorteilhafterweise
ist das Kühlelement
als Wärmetauscher
ausgebildet. Beispielsweise wird die Expansionskälte der Kühlvorrichtung mittels einem
Kühlfluid des
Kühlelements
wie z.B. einer Kühlflüssigkeit
oder einem Kühlgas
wie z.B. Kühlluft übertragen.
Dies ermöglicht
eine besonders einfache bzw. vorteilhafte Kühlung eines entsprechenden
Verbrauchers bzw. Kühlkomponente
insbesondere der Brennstoffzellenanlage.
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Vorzugsweise umfasst die Kühlvorrichtung wenigstens
zwei Wärmetauscher.
Hierdurch wird eine vorteilhafte Kühlung eines Kühlfluids
der Kühlvorrichtung
mittels einem ersten Wärmetauscher
und in bevorzugter Weise mittels einem zweiten Wärmetauscher eines Verbrauchers
bzw. einer Kühlkomponente
unter anderem der Brennstoffzellenanlage eine Wärmeaufnahme des Kühlfluids
und somit Kühlung
des Verbrauchers bzw. der Kühlkomponente
realisierbar.
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In einer besonderen Weiterbildung
der Erfindung ist das Kühlelement
als Kondensationselement zur Kondensation eines Betriebstoffs vor
allem der Brennstoffzellenanlage ausgebildet. Beispielsweise wird
Wasserdampf, der auf der Kathodenseite der Brennstoffzelleneinheit
entsteht, mittels der Kondensationseinheit bzw. einem Abscheider
auskondensiert, so dass vorzugsweise flüssiges Wasser beispielsweise
zur Befeuchtung eines bzw. der Eduktströme der Brennstoffzelleneinheit
verwendbar ist. Im Allgemeinen wird hierdurch in vorteilhafter Weise
ein neutraler Wasserhaushalt der Brennstoffzellenanlage realisierbar.
D.h., dass Wasser im normalen Betriebsfall nicht als Betriebsmedium
nachgetankt werden muss. Dementsprechend verringert sich insbesondere
der Aufwand zum Betreiben der Brennstoffzellenanlage.
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Alternativ oder in Kombination hierzu
ist das Kühlelement
als Klimaanlage zur Klimatisierung eines Raumes ausgebildet. Beispielsweise
kann hiermit ein Fahrgastraum eines Fahrzeuges oder wenigstens ein
Innenraum eines Gebäudes
in vorteilhafter Weise gekühlt
werden. Möglicherweise
kann eine separate Klimaanlage für
entsprechende Räume
entfallen oder kleiner dimensioniert werden, wodurch sich der konstruktive
sowie wirtschaftliche Aufwand entsprechender Anlagen deutlich reduziert.
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Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung
als spezieller und/oder separater Kühlkreislauf vor, allem mit
den vorgenannten Verbrauchern bzw. Komponenten verwirklicht werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Kühleinheit
bzw. der Kühlkreislauf
der Brennstoffzellenanlage wenigstens die Kühlvorrichtung. Im Allgemeinen
werden derzeit verwendete Brennstoffzelleneinheiten mittels der
Kühleinheit
der Brennstoffzellenanlage bzw. eines entsprechenden Kühlkreislaufes
gekühlt.
Häufig
werden ca. 50 % der Enthalpie im Stoffzustrom von derzeitigen Brennstoffzelleneinheiten mittels
einem entsprechenden Hauptkühlkreislauf
weggekühlt
bzw. abtransportiert. Da die Betriebstemperatur einiger Brennstoffzellentypen
etwa zwischen 60°C
und 90°C
liegt, ist die Temperaturdifferenz zur Umgebung relativ klein, wodurch entsprechende
Kühler
bislang vergleichsweise groß dimensioniert
werden müssen.
Gemäß der Erfindung kann
hingegen ein vergleichsweise geringes Temperaturniveau bzw. eine
relativ große
Temperaturdifferenz unter Verwendung der Kühlvorrichtung erzeugt und zur
Kühlung
der Brennstoffzelleneinheit in vorteilhafter Weise verwendet werden.
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Vorzugsweise ist wenigstens einer
der und/oder ein separater Wärmetauscher
an der Brennstoffzelleneinheit angeordnet, der vorteilhafterweise
mit dieser in thermischem Kontakt steht. Diese Maßnahme ermöglicht eine
besonders einfache Kühlung
der Brennstoffzelleneinheit mittels der Kühlvorrichtung. Beispielsweise
ist der Wärmetauscher
in den Hauptkühlkreislauf
der Brennstoffzellenanlage integriert, so dass sich der Aufwand
zur Kühlung
der Brennstoffzelleneinheit entsprechend verringert. Im Allgemeinen
ist der Wärmetauscher
der Brennstoffzelleneinheit in Strömungsrichtung hinter der Klimaanlage
und/oder dem Wärmetauscher
bzw. der Kondensationseinheit zur Kondensation des Betriebsstoffes
angeordnet, so dass gewöhnlich
die Temperatur der Kondensationseinheit bzw. Klimaanlage das niedrigste
Temperaturniveau der Brennstoffzellenanlage aufweist.
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vorteilhafterweise ist die Druckmindereinheit als
Ventil, insbesondere Drosselventil, ausgebildet. Diese Ausführungsform
ermöglicht
eine besonders einfache Verwirklichung der Erfindung.
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Ein entsprechend ausgebildetes Drosselventil
ermöglicht
eine besonders exakte und relativ einfach einzustellende Regelung
bzw. Reduzierung des Speicherdrucks auf den Betriebsdruck.
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Durch die verhältnismäßig zuverlässige Reduzierung des Speicherdrucks
auf den Betriebsdruck wird die Sicherheit der Brennstoffzellenanlage
vorteilhaft erhöht.
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Vorzugsweise ist die Druckmindereinheit
als Strömungsmaschine
zur Erzeugung mechanischer Energie ausgebildet. Mit Hilfe dieser
Maßnahme
wird eine Umwandlung der Druckenergie neben der Erzeugung von Expansionskälte auch
in mechanische Energie in vorteilhafter Weise realisierbar. Gegebenenfalls
kann die mechanische Energie zur Erfüllung unterschiedlichster Funktionen
der Brennstoffzellenanlage oder dergleichen vor allem eines Fahrzeugs, Hausenergieversorgung
oder dergleichen eingesetzt werden. Möglicherweise wird ein elektrischer
Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet. Die hiermit
erzeugte elektrische Energie kann für unterschiedlichste Zwecke
verwendet werden. Beispielsweise können elektrische Verbraucher
eines Fahrzeugs wenigstens teilweise entsprechend betrieben werden.
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Vorteilhafterweise weist die Druckmindereinheit
einen Verdichter zur Verdichtung eines Betriebsstoffs vor allem
der Brennstoffzelleneinheit und/oder der Klimaanlage auf. Mit dieser
Ausführungsvariante der
Erfindung wird die Druckenergie des Brennstoffs für einen
weiteren Betriebsstoff der Brennstoffzellenanlage bzw. Klimaanlage
verwertbar.
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Generell kann die Druckmindereinheit
insbesondere eine oder mehrere Drosselventile und/oder Strömungsmaschinen
umfassen. Gegebenenfalls kann auf handelsübliche Komponenten zurückgegriffen
werden, wodurch eine besonders wirtschaftlich günstige Ausführungsform der Erfindung realisierbar ist.
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Grundsätzlich kann die Druckmindereinheit als
einstufige Einheit realisiert werden, d.h. der Speicherdruck wird
lediglich in einer Verfahrenstufe auf den Betriebsdruck reduziert.
Alternativ kann jedoch in besonderen Anwendungsfällen auch eine mehrstufige
Reduzierung des Speicherdrucks auf den Betriebsdruck verwirklicht
werden. Bei der letztgenannte Variante der Erfindung werden in vorteilhafter
Weise mehrere, hintereinander geschaltete Expansionsstufen vorgesehen.
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Grundsätzlich kann das Drosselventil
bzw. die Strömungsmaschine
und der Wärmetauscher
als weitgehend separate, nebeneinander angeordnete Komponenten oder
als eine einzelne, integrierte Baueinheit verwirklicht werden. Bei
der letztgenannten Variante der Erfindung ist eine besonders hohe
Energieintegration realisierbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist wenigstens ein vorzugsweise separater Wärmetauscher
zur Erwärmung
des Brennstoffs vorgesehen. Beispielsweise kann hiermit eine relativ starke
Abkühlung
des Brennstoffs durch die Expansion wirkungsvoll verhindert werden
bzw. wird der Brennstoff etwa auf Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit
erwärmt.
Möglicherweise
ist der separate Wärmetauscher
derart ausgebildet, so dass dieser die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit,
einer Brennkraftmaschine und/oder anderer Wärme erzeugender Komponenten
zur Erwärmung
des Brennstoffs auf Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit
verwendet. Möglicherweise
kann hierfür
auch eine separate Heizeinheit, die beispielsweise einen Betriebsstoff
der Anlage verbrennt, verwendet werden.
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Vorteilhafterweise ist wenigstens
eine Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Mit dieser Maßnahme kann
beispielsweise die Brennstoffzellenanlage als sogenannte „APU" (Auxiliary
Power Unit) in einem Fahrzeug ausgebildet werden. In vorteilhafter
Weise kann die Verbrennungskraftmaschine als Wärmequelle und/oder als Kältesenke
gemäß der Erfindung
verwendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend
näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage
und
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2 ein
schematisches Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage
einschließlich
einem Hauptkühlkreislauf.
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In 1 ist
eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelle 1 bzw.
einem Brenstoffzellenstack 1 und einem Druckspeicher 2 zur
Speicherung des mit Druck beaufschlagten Wasserstoffs dargestellt.
Beispielsweise handelt es sich bei der Brennstoffzelle 1 um
eine PEM-Brennstoffzelle 1, die anodenseitig mit Wasserstoff
aus dem Druckspeicher 2 versorgt wird. Der Brennstoffzelle 1 wird
zusätzlich Luft 7 als
Betriebsstoff zugeführt.
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Durch die elektrochemische Reaktion
von Wasserstoff und Sauerstoff entsteht auf der Kathodenseite ein
wasserangereicherter Luftstrom. Für eine neutrale Wasserbilanz,
d.h. Wasser 3 muss als Betriebsstoff nicht getankt werden,
kann das entstehende, ausströmende
Wasser 3 mittels einem Abscheider 5 wieder auskondensiert
werden und steht für
die Befeuchtung der Membran zur Verfügung.
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Gemäß der Erfindung wird die durch
die Expansion erzeugte Kälte
mittels einem Wärmetauscher
WT1 und dem Abscheider 5 zur Kondensation des Wassers 3 verwendet.
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In 1 wird
verdeutlicht, dass der Speicherdruck des Druckspeichers 2 mittels
einem Drosselventil 4 und/oder einer Turbine oder dergleichen auf
den Betriebsdruck der Brennstoffzelle 1 reduziert wird.
Hierdurch erfolgt eine Expansion des Brennstoffs, wodurch sich dieser
von einer Umgebungstemperatur T1 auf eine sehr niedrige Temperatur
T2, z.B. bis zu –100°C, abkühlen kann.
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Die Expansionskälte kann vorzugsweise über ein
geeignetes Kältemittel
bzw. dem Wärmetauscher
WT1 und/oder mittels thermischem Kontakt dem Wasserabscheider 5 oder
dergleichen direkt zugeführt
werden.
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Beispielsweise kann die Drossel 4 neben dem
Wärmetauscher
WT1 angeordnet werden. Gemäß 2 kann in einer alternativen
Ausführungsform
die Drossel 4 und der Wärmetauscher
WT1 als eine insbesondere weitgehend geschlossene Baueinheit 10 realisiert
werden, wobei beispielsweise die Drossel 4 von einem Kühlmedium
umströmt
wird.
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Möglicherweise
wird eine Temperatur T3 in Strömungsrichtung
hinter dem Wärmetauscher
WT1 unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 1 liegen,
so dass ein optional vorzusehender separater Wärmetauscher WT2 zur Erwärmung des
Brennstoffs der Brennstoffzelle 1 verwendet werden kann. Dieser
WT2 steht insbesondere in thermischem Kontakt mit der Brennstoffzelle 1,
wodurch deren Abwärme
in vorteilhafter Weise nutzbar wird. Durch Verringerung der über den
Hauptkühlkreislauf
abzuführenden
Wärme erhöht sich
auch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage.
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Ein lediglich in 1 nicht näher dargestellter Hauptkühlkreislauf 8 der
Brennstoffzelle 1 kann gemäß der Erfindung etwas kleiner
dimensioniert werden, was den gesamten, konstruktiven Aufwand entsprechend
reduziert.
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Das Kühlmedium des Kühlkreislaufs 6 gemäß 1 weist beispielsweise eine
Temperatur zwischen 60°C
und 90°C
auf. Die Temperatur im Abscheider 5 liegt bei ca. 40°C bis 60°C. Die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle 1 kann im Bereich zwischen 70°C und 80°C liegen.
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Ein Kühlkreislauf 6 umfasst
im Wesentlichen den Wärmetauscher
WT1 und den Abscheider 5.
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In 2 sind
vergleichbare Elemente mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 dargestellt. Im Unterschied
zur 1 ist in 2 jedoch ein Hauptkühlkreislauf 8 dargestellt,
der insbesondere einen Kühler 9,
inklusive Kühlerlüfter, sowie
den Wärmetauscher
WT1, den Abscheidet 5 und einen separaten Wärmetauscher
WT3 umfasst. Der optional vorzusehende Wärmetauscher WT2 ist in 2 nicht dargestellt.
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Ohne nähere Darstellung kann ein Hauptkühlkreislauf 8 für die Anlage
gemäß 1 einschließlich einem
entsprechend. nicht näher
dargestellten Wärmetauscher
WT3 zur Kühlung
der Brennstoffzelle 1 verwendet werden.
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Die durch den gegebenenfalls herkömmlichen
Kühler 9 erzielte
Kühlmitteltemperatur
von ca. 60°C
wird gemäß 2 durch den Wärmetauscher WT1
weiter abgekühlt.
Das möglicherweise
weiter abgekühlte
Kühlmedium
dient vor allem zunächst
zur Kühlung
des Wasserabscheiders 5, wobei das Kühlmedium hier eine Temperatur
von ca. 50°C
aufweisen kann. Der Abscheidet 5 besitzt im Allgemeinen die
niedrigste Temperatur im System.
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In Strömungsrichtung hinter dem Abscheider 5 dient
das Kühlmedium
zur Kühlung
der Brennstoffzelle 1 mittels dem Wärmetauscher WT3. Die Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle liegt bei ca. 70°C bis 80°C. Das Temperaturniveau des
Kühlmediums
liegt etwas höher
als im Abscheider 5, die abzutransportierende Wärme ist
jedoch deutlich größer als
im Abscheider 5. Anschließend wird das Kühlmedium
zum Kühler 9 des
Hauptkühlkreislaufs 8 weitergeleitet.
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Gemäß der dargestellten Variante
wird eine neutrale Wasserbilanz der Brennstoffzellenanlage einfacher
als beim Stand der Technik realisierbar. Darüber hinaus kann die Dimensionierung
des Hauptkühlkreislaufs 8 reduziert
werden. Hierdurch verringert sich die Baugröße sowie die mit der Kühlung des
Systems im Zusammenhang stehende parasitäre Leistung, z.B. vom Kühlerlüfter, von
der Kühlmittelpumpe,
usw.
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In nicht näher dargestellter Weise wird
mittels der Brennstoffzelle 1 elektrische Energie beispielsweise
für einen
Elektromotor eines Fahrzeugs erzeugt. Alternativ kann eine Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung
auch bei stationären
Systemen, z.B. Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen
oder dergleichen, verwendet werden.
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Ebenfalls in nicht näher dargestellter
Weise kann alternativ oder in Kombination zum Abscheider 5 die
Expansionskälte
mittels dem Wärmetauscher WT1
zur Unterstützung
bzw. Realisierung der Klimatisierung eines Fahrgastraumes oder eines
Gebäuderaumes
verwendet werden, wodurch wiederum entsprechend parasitäre Lasten
durch einen Klimakompressor reduziert werden können.
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Alternativ zur Drossel 4 kann
auch zur Druckminderung eine möglicherweise
mehrstufige Turbine oder dergleichen vorgesehen werden, die einen
Teil der Druckenergie in nutzbare mechanische Energie umwandelt.
Die Abkühlung
des expandierenden Brennstoffes bzw. Gases und die zur Verfügung stehende
Kälte ist
entsprechend geringer.
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Generell kann neben einem wasserstoffhaltigen
auch andere, gasförmige
Brennstoffe bzw. Kraftstoffe wie z.B. Erdgas oder dergleichen verwendet werden.
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Weiterhin kann beispielsweise für eine Verbrennungskraftmaschine
mit einem Brennstoffdruckspeicher zur Speicherung eines mit. Speicherdruck beaufschlagten
Brennstoffs und einer Druckmindereinheit zur Verminderung des Speicherdrucks
auf einen Betriebsdruck die Druckmindereinheit als Kühlvorrichtung
zur Kühlung
wenigstens eines Kühlelementes
ausgebildet werden.
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Druckspeicher
- 3
- Wasser
- 4
- Drossel
- 5
- Abscheider
- 6
- Kühlkreislauf
- 7
- Luft
- 8
- Hauptkühlkreislauf
- 9
- Kühler
- 10
- Baueinheit
- A
- Anode
- K
- Kathode
- T1
- Temperatur
- T2
- Temperatur
- T3
- Temperatur
- WT1
- Wärmetauscher
- WT2
- Wärmetauscher
- WT3
- Wärmetauscher