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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage
mit einer Verbrennungseinrichtung, einer Brennstoffzelleneinheit
und einer Umformeinheit im Folgenden "Reformer" genannt zur Umformung von kohlenwasserstoffhaltigen
Stoffgemischen im Folgenden "Kraftstoff" genannt zu einem
wasserstoffhaltigen Fluid im Folgenden "Reformatgas" genannt nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Beispielsweise bei Fahrzeugen ist
bereits seit längerer
Zeit bekannt, neben dem Verbrennungsmotor eine Brennstoffzelle bzw.
ein Brennstoffzellenstack vorzusehen, die bzw. der insbesondere mittels
einem "on-board"-erzeugten wasserstoffhaltigen
Fluid betrieben wird. Die von der Brennstoffzelleneinheit erzeugte
elektrische Energie wird z.B. als sogenannte Auxiliary Power Unit
(APU) zur Versorgung von elektrischen Nebenaggregaten des Fahrzeugs
verwendet.
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Häufig
wird der von der Brennstoffzelleneinheit benötigte Wasserstoff "on-board" durch die autotherme
Reformierugng, Dampf-Reformierung oder partielle Oxidation des kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffs,
z.B. Benzin, Diesel oder Erdgas, mittels einem entsprechenden Reformer
erzeugt. Bei der autothermen Reformierung wird im Allgemeinen kein zusätzlicher
Wärmebedarf
benötigt
und bei der Dampfreformierung wird Wärme zugeführt und bei der partiellen
Oxidation wird Wärme
frei und muss abgeführt
werden.
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Im Allgemeinen muss dem Reformer
hierbei in der Startphase Wärmeenergie
zugeführt
werden, beispielsweise mittels einem elektrischen Heizer, um die
erforderliche Betriebstemperatur zur Umsetzung des Kraftstoffs mit
Luft-Sauerstoff zu gewährleisten. Gegebenenfalls
ist in Abhängigkeit
des gewählten Reformierungsprozesses
zusätzlich
Wasser erforderlich, das hierfür
häufig
erwärmt
bzw. verdampft wird.
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Nachteilig bei herkömmlichen
Systemen ist der hohe elektrische Energieaufwand zur Erwärmung des
Reformers bzw. dessen Betriebsstoffe insbesondere während der
Startphase.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Brennstoffzellenanlage mit einer Verbrennungseinrichtung, einer
Brennstoffzelleneinheit und einem Reformer zur Umformung von Kraftstoffen
zu einem Reformatgas, wobei die Verbrennungseinrichtung wenigstens
eine Abgasleitung zum Ausströmen
von Abgas aufweist, vorzuschlagen, mit der eine deutliche Reduktion
der gegebenenfalls zusätzlich
aufzubringenden Energie zur Erwärmung
der Umformeinheit erreicht 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 an der Abgasleitung wenigstens eine Wärmetauschereinheit
zur Erwärmung
eines Heizfluids und/oder eines Betriebsstoffes der Umformeinheit durch
die Abwärme
des Abgasstromes angeordnet ist.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Wärmetauschereinheit
wird in vorteilhafter weise die bislang ungenützte Abgasenergie der Verbrennungseinrichtung für eine besonders
schnelle und energetisch günstige
Aufheizung des Reformers bzw. der Umformeinheit verwendet. Hierdurch
kann gegebenenfalls auf eine separate elektrische oder vergleichbare
Heizeinheit vollständig
oder zumindest teilweise verzichtet werden.
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Durch die hohen Abgastemperaturen
bei der Verbrennung des Kraftstoffs in der Verbrennungseinrichtung
entstehen bereits nach relativ kurzer Zeit hohe Temperaturen an
der Abgasleitung. Deren Enthalpie kann über den Wärmetauscher gemäß der Erfindung
an die Betriebsmedien der Umformeinheit und/oder an ein gegebenenfalls
separates Heizfluid zur Erwärmung
der Umformeinheit abgegeben werden.
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Gegebenenfalls kann durch einen nahezu kontinuierlichen
Betrieb des Wärmetauschers
der Wärmeeintrag
in die Umformeinheit über
die Abgasenergie der Verbrennungseinrichtung erfolgen, wodurch in
vorteilhafter Weise ein Übergang
von der autothermen Reformierung hin zu einer endothermen Dampfreformierung
mit deutlich höherem
Wasserstofferzeugungswirkungsgrad realisiert werden kann. Hierdurch
kann die Ansaugung bzw. Komprimierung von Luft für den Reformierungsprozess
entscheidend verringert werden bzw. entfallen. Die Brennstoffzellenanlage
kann vorteilhafterweise nahezu ohne Wirkungsgradeinbußen durch
sogenannte parasitäre Leistungen
von Luftkompressoren oder dergleichen bei höheren Betriebsdrücken betrieben
werden. Darüber
hinaus kann eine verbesserte Einstellbarkeit zwischen autothermer
Reformierung und Dampfreformierung gemäß der Erfindung erfolgen.
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In einer besonderen Weiterbildung
der Erfindung ist die Wärmetauschereinheit
im Nah-Bereich bzw. direkt an einer Ausströmöffnung der Verbrennungseinrichtung
angeordnet. Beispielsweise ist die Wärmetauschereinheit an einem
sogenannten Abgaskrümmer
angeordnet. Unmittelbar im Bereich der Ausströmöffnung der Verbrennungseinrichtung
ist die Abgasleitung besonders heiß bzw. wird verhältnismäßig schnell
heiß,
so dass entsprechend schnell und/oder stark der Reformer bzw. die
Umformeinheit erwärmbar
ist und eine relativ große
Wärmeenergiemenge
an die Umformeinheit abgegeben werden kann.
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Vorteilhafterweise umfasst der zu
erwärmende
Betriebsstoff der Umformeinheit wenigstens teilweise das kohlenwasserstoffhaltige
Stoffgemisch, Luft und/oder Wasser. Hierdurch kann beispielsweise eine
Erwärmung
der Umformeinheit von innen bzw. unmittelbar an gegebenenfalls katalytisch
aktive Reaktionsflächen
der Umformeinheit erfolgen, wodurch die Startphase bzw. die Erwärmung auf
Betriebstemperatur der Umformeinheit relativ schnell und energetisch
günstig
erfolgt.
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In einer besonderen Weiterbildung
der Erfindung ist wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren des
Betriebsstoffes und/oder des Heizfluids vorgesehen. Mit Hilfe dieser
Maßnahme
ist eine vorteilhafte Steuerung bzw. Regelung der Erwärmung der
Umformeinheit realisierbar. Möglicherweise
wird durch die Verwendung von Drosselventilen, Pumpen, weiteren
Wärmetauschern
oder dergleichen, die den Massenstrom der zu erwärmenden Betriebsstoffe verändern, ein
geregeltes Auf heizverhalten der Umformeinheit verwirklicht.
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Beispielsweise kann an den im Allgemeinen aus
Metall bestehenden Abgaskrümmer
oder dergleichen ein vorteilhafter Mehrfachwärmetauscher angeordnet bzw.
angeflanscht werden, so dass insbesondere mehrere Betriebsstoffe
bzw. wenigstens ein Betriebsstoff und ein separates Heizfluid zur
Aufnahme der Abgasenergie nahezu gleichzeitig den Wärmetauscher
durchströmen
kann und somit eine besonders vorteilhafte innere und/oder äußere Erwärmung der
Umformeinheit realisierbar ist.
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Vorzugsweise ist wenigstens eine
katalytisch aktive Abgasreinigung vorgesehen. Beispielsweise kann
ein bereits handelsüblicher
sogenannter Abgaskatalysator zur Reinigung des Abgasstromes verwendet
werden. Hierdurch ist eine Reduzierung von umweltrelevanten Abgasemissionen
möglich.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist die Abgasreinigungsvorrichtung in Strömungsrichtung
des Abgasstromes hinter der Wärmetauschereinheit
angeordnet. Mit Hilfe dieser Maßnahme
wird gewährleistet,
dass durch die Wärmeabgabe an
den Wärmetauscher
eine Kühlung
des zur Abgasreinigungsvorrichtung strömenden Abgasstromes erreicht
wird. Hierdurch wird eine Überhitzung
der Abgasreinigungsvorrichtung insbesondere in einem relativ hohen
Lastbereich bzw. im Volllastbereich der Verbrennungseinrichtung
vermieden. Durch die Verringerung der thermischen Belastung der
Abgasreinigungsvorrichtung kann in vorteilhafter Weise die Lebensdauer
bzw. die Standzeit dieser deutlich verlängert bzw. verbessert werden.
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Darüber hinaus kann eine sogenannte
Volllastanreicherung, wie sie insbesondere bei derzeitigen Benzinmotoren üblicherweise
angewendet wird, entfallen, wodurch der hiermit ansonsten verbundene,
erhöhte
Kraftstoffverbrauch aufgrund des zusätzlich eingebrachten Kraftstoffs
bzw. des Stoffgemisches zur Abgaskühlung in der Volllast entfallen kann.
Demzufolge ist eine besonders umweltschonende Betriebsweise der
Verbrennungseinrichtung bzw. des Fahrzeugs gemäß der Erfindung realisierbar.
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Vorteilhafterweise wird die Abgasreinigungsvorrichtung
im Bereich der Wärmetauschereinheit angeordnet.
Beispielsweise bis zum Erreichen der Betriebstemperatur der Abgasreinigungsvorrichtung, d.h.
bis zum sogenannten Light-Off,
kann mittels einer vorteilhaften Steuerung die Wärmeabfuhr über die Wärmetauschereinheit weitgehend
unterbleiben, so dass vor allem bei vergleichsweise motornaher Anordnung
der Abgasreinigungsvorrichtung diese relativ schnell die Betriebstemperatur
erreicht. Der sogenannte Kat-Light-Off wird hiermit entscheidend
beschleunigt, wodurch insbesondere während der Startphase der Verbrennungseinrichtung
bzw. der Abgasreinigungsvorrichtung deutlich weniger umweltrelevante
Abgasemissionen erzeugt werden können.
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In einer vorteilhaften Variante der
Erfindung ist wenigstens eine Speichervorrichtung zum Speichern
des Reformatgases vorgesehen. Mit Hilfe einer entsprechenden Speichervorrichtung
kann insbesondere eine zeitliche Entkopplung der Wasserstofferzeugung
und der Wasserstoffverwertung realisiert werden. Beispielsweise
kann die Verbrennungseinrichtung vor allem in der Startphase nahezu
ausschließlich
mit dem Reformatgas betrieben werden, wodurch eine besonders drastische
Absenkung der umweltrelevanten pbgasrohemissionen erreicht wird.
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Gegebenenfalls kann die Verbrennungseinrichtung
in der Startphase im Mischbetrieb betrieben werden. Das heißt, der
Verbrennungseinrichtung wird als Kraftstoff ein Gemisch aus dem
Reformatgas und dem Kraftstoff zugeführt.
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Darüber hinaus kann durch einen
sogenannten fetten Betrieb der Verbrennungseinrichtung, d.h. mit
einem Wasserstoffüberschuss,
und gegebenenfalls einer Sekundärlufteinblasung
ein zusätzlich
beschleunigter sogenannter Kat-Light-Off realisiert werden. Eine
besonders starke bzw. schnelle Erwärmung der Abgasreinigungsvorrichtung
wird dadurch erreicht, dass hierbei Wasserstoff, der bereits bei Zimmertemperatur
an entsprechend katalytisch aktiven Oberflächen exotherm umsetzbar ist,
in der Verbrennungseinrichtung zum Teil nicht umgesetzt wird und
im Abgas vorhanden ist, so dass der Katalysator bzw. die Abgasreinigungsvorrichtung
entsprechend schnell aufgeheizt wird. Entsprechendes ist auch mittels
einem über
die einzelnen Zylinder verteilten, gemischten Fett-/Magerbetrieb
der Verbrennungseinrichtung ohne Sekundärluftzufuhr realisierbar.
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Mit Hilfe des Mischbetriebs der Verbrennungseinrichtung,
beispielsweise mittels einem Gemisch aus Kraftstoff und dem Reformatgas,
kann darüber
hinaus in vorteilhafter Weise eine deutliche Steigerung der Abgasrückführungsraten
(AGR-Raten) gegenüber
reinem Kraftstoff- bzw. Benzinbetrieb erreicht werden. Entsprechend
hohe Abgasrückführungsraten
bewirken durch die Entdrosselung des Motors bzw. der Verbrennungseinrichtung
einen deutlich gesteigerten Wirkungsgrad und können somit zu einem besonders
niedrigeren Gesamtkraftstoffverbrauch des Fahrzeugs führen. Eine
entsprechend hohe Abgasrückführungsrate
ist insbesondere aufgrund des vergleichsweise großen Zündbereichs von
Wasserstoff gegenüber
dem von Benzin umsetzbar.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
einer Brennstoffzellenanlage gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ist wenigstens ein Wärmespeicher zum Speichern von
Wärme vorgesehen.
Beispielsweise wird ein Latentwärmespeicher
oder dergleichen zur Abgabe von gespeicherter Wärme in vorteilhafter Weise
an den Abgaskatalysator am Reformer, an der Brennstoffzelleneinheit
und/oder anderen Komponenten der Brennstoffzellenanlage, die eine
relativ hohe Betriebstemperatur benötigen, mit thermischem Kontakt
angeordnet und/oder mittels einem vorteilhaften Fluid thermisch
verbunden. Hierdurch können
diese Komponenten, die zum Teil eine katalytisch aktive Reaktionsfläche aufweisen,
vergleichsweise schnell mit Wärme
des Wärmespeichers
gemäß der Erfindung
versorgt bzw. beaufschlagt werden. Die Wärme wird gegebenenfalls von
der Verbrennungseinrichtung und/oder anderen Wärme erzeugenden Komponenten
der Brennstoffzellenanlage mittels wenigstens einem und/oder dem
erfindungsgemäßen Wärmetauscher
bzw. dem entsprechenden Fluid dem Wärmespeicher zugeführt bzw. übertragen.
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Zum Beispiel wird als Wärme erzeugende Komponente
der Brennstoffzellenanlage z.B. eine Heizeinheit, eine Abgasleitung,
ein Abgaswärmetauscher,
ein insbesondere katalytisch aktiver Brenner und/oder die Brennstoffzelleneinheit
verwendet. Der Wärmespeicher
gemäß der Erfindung
kann unter anderem in einer bestimmten, Wärme freisetzenden Phase Wärmeenergie
von einer der Wärme
erzeugenden Komponenten aufnehmen und im Allgemeinen zeitlich entkoppelt
in einer Wärme
verbrauchenden Phase einer und/oder der entsprechenden Komponente
zuführen
bzw. zurückführen.
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In einer besonderen Weiterbildung
der Erfindung weist ein Speichermaterial des Wärmespeichers in einer Betriebsphase
einen Phasenwechsel auf bzw. führt
innerhalb des Temperaturbereichs des Betriebs einen Phasenwechsel
durch, insbesondere einen Fest-Flüssig-Phasenwechsel. Vorzugsweise wird
als Speichermaterial z.B. ein sogenanntes PCM (phase changing material)
verwendet und in den Thermokreislauf der Brennstoffzellenanlage
integriert.
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Mit Hilfe eines Speichermaterials
gemäß der Erfindung
wird die vorteilhafte Verwendung der Lösungs,- Schmelz- bzw. Verdampfungsenthalpie
des Materials verwendbar, so dass insbesondere bei relativ großem Wärmeenergiespeichervermögen ein vergleichsweise
platzsparender bzw. kompakter Wärmespeicher
gemäß der Erfindung
realisierbar ist. Gegebenenfalls werden hierfür bereits bekannte Salze bzw.
Salzlösungen
verwendet.
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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 zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage
mit Verbrennungsmotor sowie Wärmetauscher
und
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2 ein
schematisches Schaubild der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage.
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In 1 ist
schematisch ein Verbrennungsmotor 1 mit einem Wärmetauscher 2 gemäß der Erfindung
dargestellt. Der Wärmetauscher 2 ist
insbesondere an der Abgasleitung 3, d.h. möglichst
unmittelbar bzw. direkt an einer Ausströmöffnung 4 des Verbrennungsmotors 1,
angeflanscht.
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In einem Verbrennungsraum 5 wird
im Allgemeinen ein Kraftstoff-Luft-Gemisch 6 verbrannt.
Hierdurch entstehen vergleichsweise heiße Abgase 7.
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Gemäß der Erfindung wird die Wärmeenergie
des Abgases 7 mittels dem Wärmetauscher 2 zur Erwärmung eines
Reformers 10 verwendet. Der Wärmetauscher 2 weist
insbesondere eine Einströmleitung 8 sowie
eine Ausströmleitung 9 für wenigstens einen
Betriebsstoff und/oder ein Heizmedium des Reformers 10 auf.
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Gegebenenfalls können mehrere Wärmetauschermedien
nahezu gleichzeitig, im Allgemeinen räumlich getrennt, den Wärmetauscher 2 durchströmen. Alternativ
kann dem Wärmetauscher 2 in
Abhängigkeit
des Betriebszustandes des Gesamtsystems jeweils ein Betriebsstoff
bzw. ein Heizmedium zugeführt
werden.
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Zur Erwärmung des Reformers 10 bzw.
dessen Betriebsstoffe kann zusätzlich
ein katalytischer Brenner 11 vorgesehen werden.
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Beispielsweise nach dem Motorstart
wird der Verbrennungsmotor 1 mit Reformatgas aus einem
in 1 nicht näher dargestellten
Speicher betrieben und emittiert hierdurch nahezu keine umweltrelevanten
Abgase 7. Der Betrieb mit Wasserstoff, insbesondere ohne
nennenswerten Wärmeabzug
durch den Wärmetauscher,
führt vor
allem zu einem vergleichsweise schnellen Erreichen der Betriebstemperatur
eines Abgaskatalysators 12. Die Menge eines Reformats bis
zum sogenannten Kat-Light-Off ist vergleichsweise gering und kann
u.a. durch den Druckspeicher zur Verfügung gestellt werden.
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Vorzugsweise unmittelbar nach dem
Erreichen des Kat-Light-Off wird der Verbrennungsmotor 1 beispielsweise
mit Kraftstoff 6 oder einem Gemisch aus Kraftstoff und
Reformatgas 6 betrieben und erzeugt hierdurch besonders
schnell relativ hohe Temperaturen an der Abgasleitung 3.
Aufgrund der vergleichsweise hohen Temperaturen der Abgasleitung 3 kann
gegebenenfalls ohne zusätzliche
elektrische Beheizung ein bzw. alle Betriebsstoffe und/oder ein separates
Heizfluid des Reformers aufgeheizt werden. Der Reformer wird hierbei
relativ schnell auf Betriebstemperatur erwärmt und ist somit startbereit
zur Generierung von Reformat bzw. des für eine nicht näher dargestellte
Brennstoffzelleneinheit erforderlichen Wasserstoffs. Das Reformat
bzw. der Wasserstoff wird bei Betriebsdruck gegebenenfalls zwischengespeichert
und speist beim nächsten
Systemstart den Verbrennungsmotor 1 und/oder die Brennstoffzelleneinheit.
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Generell kann durch die Kombination
des Verbrennungsmotors 1 mit einem Brennstoffzellensystem
der für
autarke Brennstoffzellenfahrzeuge notwendige Wasserstoff- bzw. Reformatspeicher
entfallen oder verkleinert werden. Ebenso ist eine Senkung des Befüllungsdrucks
des Speichers und somit eine Vereinfachung des Reformers durch den
erforderlichen niedrigeren Betriebsdruck möglich.
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Beispielsweise kann für den Betrieb
eines autothermen Reformers Heißdampf
mittels dem Wärmetauscher 2 gemäß der Erfindung
zur Verfügung gestellt
werden. Alternativ hierzu kann auch in einer Startphase vergleichsweise
wenig oder kein Wasser dem Reformer zudosiert werden, wodurch sich
die während
der Startphase notwendige Heizenergie deutlich reduziert. Im letztgenannten
Fall kann beispielsweise der Kraftstoff 6 verdampft und
der katalytisch aktive Reformer aufgeheizt werden. Der Umsatz des
Kraftstoffs 6 an der katalytisch aktiven Oberfläche erfolgt
in diesem Fall im Allgemeinen mit dem Luftsauerstoff, wodurch Wärme freigesetzt
und die Heizphase wiederum beschleunigt wird.
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Zur Konkretisierung bzw. besseren
Veranschaulichung der oben geschilderten Regelung bzw. Betriebsweise
ist in 2 eine Variante
der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanlage
mittels einem Schaubild schematisch dargestellt. Im Folgenden werden
einzelne, typische Betriebszustände
insbesondere mit entsprechender Schaltung von Stellventilen näher beschrieben:
Betriebszustand 1: Ein Reformer 20 und ein Abgas-Katalysator 21 sind
kalt. Hierbei kann ein unterschiedliches Vorgehen zum Starten eines
Verbrennungsmotors 24 realisiert werden. Beispielsweise
ist im Fall a) ein Latentwärmespeicher
(PCM) 25 weitgehend gefüllt,
so dass dieser für
die ausreichende und schnelle Vorwärmung des Abgaskatalysators 21 herangezogen
werden kann.
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Eine Pumpe P2 wälzt ein Thermofluid 32 im Thermokreislauf
der Brennstoffzellenanlage um, wobei Thermoventile TV3, TV4 offen
und Thermoventile TV1, TV2 geschlossen sind, bis eine Betriebstemperatur
(Takat
,soll) des
Abgaskatalystors 21 erreicht ist. Im Allgemeinen erfolgt
anschließend
der Start des Verbrennungsmotors 24.
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Hierfür sind unter anderem nicht
näher dargestellte
Temperatursensoren am Latentwärmespeicher 25 und
am Abgaskatalysator 21 vorteilhaft einzusetzen.
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In einem Fall b) ist z.B. ein Reformatspeicher 27 vorhanden
und wenigstens teilweise gefüllt,
wobei gemäß Fall a)
der Wärmespeicher 25 nicht
gegeben ist bzw. keine ausreichende Wärmemenge gespeichert hat.
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Gasventile GV8, GV4, GV5, GV11 werden für Brenngas 35 bzw.
Reformatgas 35 geöffnet.
Vorteilhafterweise wird ein Lüfter
P4 gestartet und ein Gasventil GV9 für die Luftzufuhr am Abgaskatalysator 21 geöffnet. Hierdurch
reagiert der Luftsauerstoff mit dem im Reformatgas 35 vorhandenen
Wasserstoff H2, so dass mittels der katalytisch
aktiven Belegung des Katalysators 21 in vorteilhafter Weise
Wärme zur
Erwärmung
des Katalysators 21 freigesetzt wird und dieser relativ
schnell erwärmt
wird. Sobald die Betriebstemperatur Takat
,soll des Abgaskatalysators 21 erreicht
ist, wird der Verbrennungsmotor 24 gestartet.
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Weiterhin werden die Gasventile GV5,
GV9 geschlossen und Gasventile GV2, GV6 werden, neben den bereits
geöffneten
Gasventilen GV11, GV4, ebenfalls geöffnet. Hierdurch wird in einem
katalytisch aktiven Brenner 22 wiederum Luftsauerstoff mit Reformat-Wasserstoff
zusammengeführt;
so dass Wärme
als Unterstützung
der Reformeraufwärmung freigesetzt
wird.
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Alternativ oder in Kombination hierzu
können Gasventile
GV3 und GV10 geöffnet
werden, wobei GV11, GV4 vorzugsweise geschlossen sind, so dass eine
Brennstoffzelle 23 bzw. ein Brennstoffzellenstack 23 gestartet
werden kann. Das heißt,
dass der Betrieb der Brennstoffzelle 23 insbesondere für eine Übergangszeit 27 vor
allem aus dem Reformatspeicher 27 erfolgt. Im Allgemeinen
wird Anodenrestgas 33 weiterhin über das Gasventil GV6 zum Katbrenner 22 geleitet.
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Gemäß einem Fall c) wird zunächst insbesondere
der Reformer 20 gestartet, wobei gewöhnlich Fall a) und b) nicht
gegeben sind. Hierzu werden ein Gasventil GV1 zum Zuführen von
Luft und ein Benzinventil BV zum Zuführen von Benzin oder anderen
Kohlenwasserstoffen wie Diesel, Erdgas, etc. geöffnet, wobei ein relativ geringer
Druck durch einen Betrieb des Lüfters
P4 und einer Kraftstoffpumpe P5 vorgesehen ist. Vorzugsweise bleiben
die Gasventile GV6, GV7, GV11 geschlossen und die Gasventile GV4,
GV5, GV9 werden geöffnet,
so dass mittels Luftsauerstoff und wasserstoffhaltigem Reformat 35 der
Abgaskatalysator 21 erwärmt
werden kann.
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Das Gasventil GV5 schließt, insbesondere, wenn
die Temperatur des Katalysators 21 Takat > Takat
,soll erreicht ist, zudem kann der Verbrennungsmotor 24 gestartet
werden. Anschließend öffnen die
Ventile GV6 und GV7, in Abhängigkeit
der Temperatur im Reformer 20 bzw. bei Bedarf einer Zumischung
von Reformat 35 zum Verbrennungsmotor 24.
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Das Verhältnis der Gasmenge für den Verbrennungsmotor 24 und
dem Reformer 20 ist hierbei durch entsprechendes Ansteuern
und/oder teilweises Öffnen
bzw. Schließen
der beteiligten Ventile beliebig wählbar.
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Vorzugsweise öffnet das Gasventil GV5 auch während des
Betriebs, wenn die Abgaskatalysator-Temperatur unter den Sollwert
Takat
,soll absinken sollte.
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Generell kann der Reformer 20 gemäß Fall c)
auch gestartet werden, wenn der Verbrennungsmotor 24 bereits
gestartet ist. Vorzugsweise werden hierbei Thermoventile TV4, TV1
geschlossen. Durch Öffnen
von Thermoventilen TV2, TV3 wird eine besonders schnelle Aufwärmung des
Reformers 20 erreicht.
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Das Thermofluid 32 nimmt
bei dieser Verschaltung, z.B. bevor dieses zum Reformer 20 gelangt,
zusätzlich
zur Abwärme
des Verbrennungsmotors 24 Wärme des Katbrenners 22 mittels
einem Wärmetauscher
WT1 auf. Hierbei ist eine Pumpe P1 für das Thermofluid 32 in
Betrieb. Wärmetauscher WT3,
WT4 sind zur Wärmeübertragung
vom Thermofluid 32 auf den Brenner 22 bzw. Reformer 20 vorgesehen.
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Zusätzlich zur äußeren Aufwärmung des Reformers 20 über das
Thermofluid 32 erfolgt in vorteilhafter Weise durch die
Zugabe von Luft 30 und Kraftstoff 31 bzw. Benzin 31 in
den Reformer 20 eine exotherme chemische Reaktion, die
Wärme erzeugt.
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Beispielsweise zum Wechsel von einer
partiellen Oxidation (POX) zu einer Dampfreformierung (STR) im Reformer 20 wird,
sobald eine Schwelltemperatur Takat
,soll im Reformer 20 erreicht ist,
allmählich Wasser 29 durch öffnen eines Wasserventils
WV1 zudosiert. Gegebenenfalls kann eine Gasreinigung 26 vorgesehen
werden, wobei beim zuvor genannten Wechsel insbesondere auch ein
Wasserventil WV2 geöffnet
wird.
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Als Vorgabe für die Wasserdosierung sollte die
Reformertemperatur hierbei in vorteilhafter Weise nicht unter Tref,soll
_2 absinken,
wobei Tref,soll_2 < Tref,soll_1 ist.
Vorzugsweise wird während
der Wasserdosierung nahezu ständig
eine CO-Konzentration 36 im Bereich
der Gasreinigung 26 mittels einem nicht näher dargestellten
Sensor gemessen. Solange die CO-Konzentration 36 > COsoll ist,
bleibt ein Gasventil GV11 im Allgemeinen geschlossen.
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Weiterhin sind in dieser Betriebsphase
ein Gasventil GV5 geschlossen und im Sinne einer schnellstmöglichen
Aufheizung des Reformers 20 ein Gasventil GV7 ebenso. Vorzugsweise
ein Gasventil GV6 zum Brenner 22 ist geöffnet. Die Öffnung des Gasventils GV5 ist
oben bereits beschrieben.
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Bei einem Reformer mit Membrantrennverfahren,
d.h. ohne die als Shift- und/oder Oxidations-Stufen ausgebildete
Gasreinigungsstufen, wird ein in relativ geringen Anteilen Wasserstoff
enthaltendes Retentat weitgehend kontinuierlich über das Gasventil GV4 geleitet.
Weiterhin werden die Gasventile GV3 und/oder GV8, vorteilhafterweise
in Abhängigkeit
des Füllstands
des Reformatspeichers 27 und der elektrischen Stromerzeugung
bzw. des Leistungsbedarfs der Brennstofzelle 23, für ein in
sehr hohen Anteilen Wasserstoff enthaltendes Permeat 35 bzw.
für den
durch die Membran hindurchtretenden Wasserstoff geöffnet. Die
Menge an Permeat 35 ist in dieser Betriebsphase häufig relativ
gering. Bei Verwendung eines Membranreaktors kann insbesondere das
Ventil GV11 entfallen.
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Der Übergang zur Stromerzeugung
in der Brennstoffzelle 23 aus dem Reformat 35 des
Reformers 20 mit Gasreinigungsstufen 26 erfolgt
vorzugsweise sobald die CO-Konzentration 36 vor allem durch
Erhöhung
des Wasseranteils unter den Grenzwert COsoll sinkt,
wobei das Gasventil GV4 geschlossen und Gasventil GV11 geöffnet wird.
In Abhängigkeit
des Füllstandes
des Reformatspeichers 27 und dem elektrischen Leistungsbedarf
der Brennstoffzelle 23 schaltet z.B. entweder das Ventil
GV3 und/oder das Ventil GV8 auf Durchgang.
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Die Anpassung der Pumpleistung der
Pumpe P1 und der wechselseitigen Ventilstellung der Ventile GV6
und GV7 erfolgt im Warmbetrieb des Verbrennungsmotors 24 und
des Reformers 20 vorteilhafterweise als Funktion des Wärmebedarfs
im Reformer 20 und dem erforderlichen Zumischgrad des Verbrennungsmotors 24.
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Ein Übergang zum Hochdruckbereich
für Membrantrennverfahren
erfolgt insbesondere dadurch, dass sobald über das Thermofluid 32 aus
dem Abgaswärmetauscher
WT1 und dem Brenner 22 genügend Wärme in den Reformer 20 eingekoppelt wird,
wobei eine Regelung auf die Solltemperatur Tref,3 des
Reformers 20 vorgesehen ist, kann die Luftmenge 30 in
den Reformer 20 vor allem durch allmähliches Schließen des
Gasventils GV1, unterbunden werden. Die Energie für die endotherme
Dampfreformierung wird in diesem Fall weitestgehend allein durch
das Thermofluid 32 bereitgestellt. Die Pumpen P3, P5 können in
vorteilhafter Weise das Wasser 29 und Benzin 31 mit
höheren
Drücken
beaufschlagen, z.B. zwischen 10 und 20bar. Hierbei fungiert das
Ventil GV4 insbesondere als Druckhalteventil. Wasserstoff kann gemäß dieser
vorteilhaften Betriebsweise in gößeren Mengen
durch die nicht näher
dargestellte Membran permeieren und gelangt durch das geöffnete Ventil
GV3 zur Brennstoffzelle 23.
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Betriebszustand 2: Der Verbrennungsmotor 24 ist
nicht gestartet und ein bordnetzunabhängiger Betrieb der Brennstoffzelle 23 ist
vorgesehen.
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Der Reformer 20 wird vorzugsweise
zunächst
mittels partieller Oxidation aufgewärmt, unterstützt von
Wärme,
die aus der Reaktion von CO-reichen Reformatgasen bzw. Retentatgasen 35 von
der nicht näher
dargestellten Metall- bzw. Kunstoff-Membran im katalytischen Brenner 22 entsteht,
wobei die Ventile GV1, GV4, GV6 geöffnet sind und eine allmähliche Erhöhung des
Dampfanteils im Reformer 20 durch Öffnen des Ventils WV1 realisiert
wird, bis der Wärmebedarf
für die
Reformierung insbesondere über
den Brenner 22 bereitgestellt werden kann. Weiterhin sind
die Ventile GV6, GV2 geöffnet
Anschließend
erfolgt ein allmähliches
Abstellen bzw. Reduzieren der Luft bzw. deren Anteile, so dass eine
nahezu reine Dampfreformierung (STR) bei relativ hohen Drücken stattfindet,
wobei das Ventil GV4 als Druckregelventil verwendet wird.
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Vorteilhafterweise bei vergleichsweise
hohen Drücken
fließen
größere Mengen
Wasserstoff-Permeat bzw. von CO gereinigtes Reformatgas 35 durch
das offene Ventil GV3 in die Brennstoffzelle 23 und können in
elektrischen Strom umgewandelt werden, wobei das Ventil GV11 bei
Membranverfahren zur Reinigung des Reformats 35 entfallen
kann.
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Zur Überbrückung der Anlaufzeit des Reformers 20 kann
gegebenenfalls die Brennstoffzelle 23 über den Reformatspeicher 27,
insofern gefüllt,
mit wasserstoffhaltigem Brennstoff 35 versorgt werden. Wie
bereits erwähnt,
wird das Anodenrestgas 33 gegebenenfalls zusammen mit dem
wasserstoffhaltigen Retentat aus der Membraneinheit in den Brenner 22 geführt, wobei
die Ventile GV6 offen und GV5, GV7 geschlossen sind.
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Betriebszustand 3: Der Warmbetrieb
des Verbrennungsmotors 24 und Abgas-Katalysators 21. Um
den Abgaskatalysator 21 nicht zu schädigen dürfen die Abgastemperaturen
des Verbrennungsmotors 24 am Katalysator 21 nicht
zu hoch werden. In bestimmten Lastzuständen des Motors 24 können am Motorauslass
Temperaturen bis 700°C
auftreten. Zum Abfangen bzw. Reduzieren dieser vergleichsweise hohen
Temperaturen ist ein Wärmetauscher WT1
im Abgasstrang 34 vorgesehen. Die Regelung des Kühlmittelstroms 32 durch
den Wärmetauscher WT1
wird insbesondere als Funktion der Abgaskatalysatortemperatur mithilfe
der Pumpe P1 realisiert. Die hohen Abgastemperaturen können für die Reformierungsreaktion über das
Thermofluid 32 nutzbar gemacht werden. Zusätzliche
Wärme kann
vom Brenner 22 bereitgestellt werden. Die Reformerleistung
wird in vorteilhafter Weise auch als Funktion der zur Verfügung stehenden
Wärme im
Thermokreislauf und dem Brenner 22 moduliert.
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Bei ausreichender Temperatur des
Thermofluids 32 am Ausgang des Reformers 20 und
gegebenenfalls teilweise entladenem Wärmespeicher 25 kann
Wärme vorteilhafterweise über das
Ventil TV4 zur Beladung des Wärmespeichers 25 ausgekoppelt
werden.
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Bei zu wenig Wärme für die von der Brennstofzelle 23 angeforderte
Stromleistung ist auch im Warmbetrieb des Reformers 20 ein
relativ uneffektiver Übergang
zur autothermen Reformierung durch eine Zufuhr von Luft 30 in
den Reformer 20 insbesondere für Verfahren mit Gasreinigung 26 denkbar.
Gegebenenfalls kurzfristig anfallende Leistungsspitzen werden in
vorteilhafter Weise vom Bordnetz geglättet und/oder mit Hilfe des
Reformatspeichers 27 auf genommen.
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Temperaturspitzen bzw. zu hohe Temperaturen
des Thermofluids 32 am Eingang des Reformers 20 können vorzugsweise
kurzfristig durch gegebenenfalls teilweises Öffnen eines Bypasses über das Ventil
TV1 abgefangen werden. Möglicherweise überschüssige Wärme am Reformerausgang
kann dazu genutzt werden, den Wärmespeicher 25 durch Öffnen des
Ventils TV4 aufzuladen.
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Vor allem in dem Fall, dass Überschusswärme im Thermofluid 32 vorhanden
ist bzw. vorhandene Wärme
ansonsten im System nicht benötigt
wird, kann vorteilhafterweise wenigstens ein Teil des nicht benötigten Anodenrestgases 33 z.B.
statt in den Brenner 22 in den Verbrennungsmotor 24 geleitet und
hierdurch ein besonders emissionsarmer Mischbetrieb realisiert werden.
Generell ist mittels einem entsprechenden Mischbetrieb ein besonders
emissionsarmer Betrieb des Verbrennungsmotors 24 bzw. des
entsprechenden Fahrzeugs möglich.
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Darüber hinaus ist eine vorteilhafte
Katalysator-Regeneration mit dem Anodenrestgas 33 denkbar,
z.B. für
NOx-Speicherkatalysatoren,
Partikelfiltern bzw. deren Regeneration oder dergleichen.
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Grundsätzlich kann gemäß der Erfindung eine
vorteilhaft variable Umschaltung zwischen Versorgung des Abgaskatalysators 21 und
des Reformers 20 mit wärme
realisiert werden. Hierbei ist wegen der zeitlichen Entkopplung
von Wärmeanfall
und Wärmebedarf
der Wärmespeicher 25 ganz
besonders von Vorteil.
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Eine zweite Pumpe P2 kann optional
vorgesehen werden. Beispielsweise kann vor allem bei geschlossenen
Ventilen TV1, TV2 das Thermofluid 32 durch den Wärmespeicher 25 gepumpt
bzw. gefördert
werden. Dies ist insbesondere in dem Fall denkbar, dass der Reformer 20 nicht
in Betrieb ist, z.B. in einer Startphase, bei der lediglich der
Abgaskatalysator 21 in vorteilhafter Weise aufgeheizt wird.
Hierdurch werden mögliche
Wärmeverluste
des Systems weitgehend minimiert. Möglicherweise ist die Pumpe P2
im Vergleich zur Pumpe P1 kleiner zu dimensionieren.
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Im Allgemeinen wird beim Anfahren
des Reformers 20 die autotherme Reformierung bzw. zum Kaltstart
auch partielle Oxidation bevorzugt. Die Dampfreformierung erbringt
unter Einkopplung von externer Wärme
eine höhere
H2-Ausbeute und somit einen größeren Strombereitstellungswirkungsgrad. Zudem
ermöglicht
letzteres Verfahren die vorteilhafte Verwirklichung des effektiven
Membran-Trennverfahrens ohne die sonst einhergehenden großen Leistungseinbußen durch
die Luftkompression.
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Weiterhin bestehen verschiedene Konzepte der
Gasreinigung 26 zur Minimierung der CO-Konzentration 36 im
Reformatgas 35. Hierbei wird insbesondere die Separation
des Wasserstoffs H2 mit einer gegebenenfalls
metallischen, semipermeablen Membran im Hinblick auf Bauvolumen
und Gewicht den mehrstufigen Shift-Stufen 26 und selektiver
Oxidation 26 in Zukunft wahrscheinlich vorgezogen. Bei
der Brennstoffzelle 23 ist die Verwendung einer PEM-Brennstoffzelle 23 häufig gegenüber einer SOFC 23 vorteilhafter.
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Grundsätzlich wird durch einen oder
mehrerer Wärmetauscher
WT1, WT2, WT3, WT4 gemäß der Erfindung
der Gesamtwirkungsgrad durch die Nutzung der Abgasenergie deutlich
verbessert. Durch die Nutzung der Abgasenergie kann die elektrische
Aufheizung der katalytisch aktiven Komponenten 20, 21, 22, 26 mit
den dafür
ansonsten erforderlichen, separaten Heizvorrichtungen entfallen oder
reduziert werden. Durch die verbesserten thermischen Betriebsbedingungen
für den
Abgaskatalysator 21 wird zudem dessen Lebensdauer deutlich erhöht.
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Wie bereits bei der Beschreibung
des Stands der Technik skizziert, kann bei zukünftigen Antriebskonzepten davon
ausgegangen werden, dass den Brennstoffzellenantrieben entweder
mit oder ohne vorgelagerter Reformierung eine große Bedeutung zukommen
wird. Daneben werden Brennstoffzellen 23 für die Bordnetzversorgung
eingesetzt. Bei der Verquickung von Verbrennungsmotoranforderungen und
Anforderungen für
die Reformierung und der optimalen Integration beider Systeme in
Hinblick auf den Wirkungsgrad kommt es sehr stark auf die verwendete
Regelstrategie an. Insbesondere mit Hilfe der dargestellten Steuer-
bzw. Regelstrategie kann der Wirkungsgrad entsprechender Brennstoffzellensysteme
gegenüber
dem Stand der Technik wesentlich verbessert werden.
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- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Wärmetauscher
- 3
- Auspuffkrümmer
- 4
- Ausströmöffnung
- 5
- Verbrennungsraum
- 6
- Kraftstoff
- 7
- Abgas
- 8
- Einströmleitung
- 9
- Ausströmleitung
- 10
- Reformer
- 11
- katalytischer
Brenner
- 12
- Abgaskatalysator
- 20
- Reformer
- 21
- Katalysator
- 22
- Brenner
- 23
- Brennstoffzellenstack
- 24
- Verbrennungsmotor
- 25
- Wärmespeicher
- 26
- Gasreinigung
- 27
- Reformatspeicher
- 28
- Common-Gasrail
- 29
- Wasser
- 30
- Luft
- 31
- Kraftstoff
- 32
- Thermofluid
- 33
- Anodenrestgas
- 34
- Abgas
- 35
- Reformat
- 36
- Kohlenmonoxid
- P
- Pumpe
- BV
- Benzinventil
- GV
- Gasventil
- TV
- Thermoventil
- WV
- Wasserventil
- WT
- Wärmetauscher