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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem
mit einer Brennstoffzelle, welche eine Anode und eine Kathode aufweist,
einem Kathodenverdichter zum Zuführen
von Prozessluft zu der Brennstoffzelle und einer Expansionsvorrichtung
in einer von der Brennstoffzelle ausgehenden Abgasleitung, wobei
der Kathodenverdichter über
einen elektromotorischen Antrieb antreibbar ist und wobei die Expansionsvorrichtung
antriebsmäßig mit
dem Kathodenverdichter über
eine selbsttätig
schaltende Kupplung gekoppelt oder koppelbar ist.
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Brennstoffzellensysteme sind aus
dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise zeigt die
DE 199 51 584 A1 ein
Brennstoffzellensystem, bei welchem zur Zufuhr von Prozessluft zu
der Kathode der Brennstoffzelle ein kathodenseitig angeordneter Verdichter – im folgenden
Kathodenverdichter genannt – vorgesehen
ist. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein anodenseitig
angeordnetes Brenngaserzeugungssystem, einen sogenannten Reformer,
welcher zur Erzeugung von Brenngas, insbesondere Wasserstoff, aus
einem einfach speicherbaren Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methanol, vorgesehen
ist. Das durch den Reformer erzeugte Brenngas wird dann der Anode
der Brennstoffzelle zugeführt.
Zur Brenngaserzeugung ist neben dem Kohlenwasserstoff auch Luft
erforderlich, die dem Reformer unter Druck zugeführt werden muss. Hierzu ist
dem Brennstoffzellensystem anodenseitig ein Verdichter – im folgenden
Anodenverdichter genannt – zugeordnet.
Sowohl der Kathodenverdichter als auch der Anodenverdichter sind
im Betrieb des Brennstoffzellensystems motorisch anzutreiben. So ist
es erforderlich in einer (Kalt-)Startphase des Brennstoffzellensystems
dem Reformer eine hinreichend große Menge an Luft zuzuführen, bevor
dieser Brenngas erzeugen kann. In dieser Zeit ist es jedoch noch
nicht erforderlich, der Brennstoffzelle Prozessluft zuzuführen, da
die in der Brennstoffzelle ablaufende Reaktion noch nicht initiiert
ist. Nach Beendigung der (Kalt-)Startphase arbeiten dann im Normalbetrieb
des Brennstoffzellensystems Anodenverdichter und Kathodenverdichter
parallel und führen
der Brennstoffzelle zur Reaktion Brenngas und Prozessluft zu. Um
diesen unterschiedlichen Betriebsprofilen von Anodenverdichter und
Kathodenverdichter Rechnung zu tragen, sieht die
DE 199 51 584 A1 zwei Elektromotoren
vor, welche je nach Betriebsphase unterschiedlich in Wechselwirkung
zueinander treten. Allerdings ist der gerätetechnische Aufwand zur Realisierung
des Brennstoffzellensystems nach diesem Stand der Technik relativ
hoch.
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Aus der
DE 43 18 818 C2 ist ein
Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem in einer von der Brennstoffzelle
ausgehenden Abgasleitung eine Expansionsvorrichtung vorgesehen ist.
Mit dieser Expansionsvorrichtung wird das Abgas der Brennstoffzelle
entspannt, wobei die dabei frei werdende Druckenergie in mechanische
Arbeit umgewandelt und über
eine Wellenverbindung dem Kathodenverdichter zur Förderung
von Prozessluft zugeführt
wird. In einem Zustand, in welchem durch die in der Expansionsvorrichtung
stattfindende Entspannung der Abgase nicht ausreichend mechanische
Energie gewonnen werden kann, um den Kathodenverdichter zusätzlich zu
dessen motorischem Antrieb anzutreiben, muss die Expansionsvorrichtung
von dem motorischen Antrieb des Kathodenverdichters mitgeschleppt
werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems
verschlechtert.
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Ferner ist aus der
DE 199 44 296 A1 ein Brennstoffzellensystem
bekannt, bei welchem ebenfalls der motorische Antrieb des Kathodenverdichters mit
einer der Abgasleitung zugeordneten Expansionsvorrichtung über eine
Wellenverbindung gekoppelt ist. Allerdings wird ein Mitschleppen
der Expansionsvorrichtung durch den motorischen Antrieb des Kathodenverdichters
dadurch verhindert, dass eine zwischen Expansionsvorrichtung und
motorischem Antrieb des Kathodenverdichters angeordnete elektromagnetische
Kupplung in Abhängigkeit
von den Abgasdrücken
angesteuert wird. Diese Lösung
ist messtechnisch aufwendig und erfordert zusätzliche eine Steuerung für die elektromagnetische
Kupplung. Als Alternative zeigt dieser Stand der Technik einen Freilauf
zwischen motorischem Antrieb des Kathodenverdichters und Expansionsvorrichtung.
Allerdings ist die dort gezeigte Lösung aufgrund der von dem motorischen
Antrieb doppelseitig ausgehenden Antriebswelle verhältnismäßig sperrig
und groß bauend.
Darüber
hinaus wird durch die lange Motorwelle die Massenträgheit des
Systems erhöht
und dessen Wirkungsgrad verschlechtert.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Brennstoffzellensystem der eingangs bezeichneten Art bereit zu stellen,
bei welchem unter reduziertem konstruktivem und/ gerätetechnischem
Aufwand eine bedarfsweise Kopplung von Kathodenverdichter und Expansionsvorrichtung
zur Erhöhung
des Wirkungsgrads gewährleistet
ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem
gelöst
mit einer Brennstoffzelle, welche eine Anode und eine Kathode aufweist,
einem Kathodenverdichter zum Zuführen
von Prozessluft zu der Brennstoffzelle und einer Expansionsvorrichtung
in einer von der Brennstoffzelle ausgehenden Abgasleitung, wobei
der Kathodenver dichter über
einen elektromotorischen Antrieb antreibbar ist und wobei die Expansionsvorrichtung
antriebsmäßig mit
dem Kathodenverdichter über
eine selbsttätig
schaltende Kupplung gekoppelt oder koppelbar ist. Bei diesem Brennstoffzellensystem
ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der elektromotorische Antrieb einen Antriebsausgang, insbesondere
eine Ausgangswelle, aufweist, von welchem ausgehend er den Kathodenverdichter
antreibt, und dass die Expansionsvorrichtung über die selbsttätig schaltende
Kupplung unmittelbar mit dem Kathodenverdichter gekoppelt oder koppelbar
ist.
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Dadurch kann das Brennstoffzellensystem sehr
kompakt ausgebildet werden. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik
gemäß der eingangs
erläuterten
DE 199 44 296 A1 ist
es möglich,
einen Motor mit nur einer Ausgangswelle zu nutzen, so dass sich
hinsichtlich der Einbausituation und der Lage der Anschlüsse des
Elektromotors größere Freiheiten
ergeben. Außerdem
kann dadurch die durch den Motor anzutreibende Masse, insbesondere
der Motorwelle und der dieser zugeordneten Wellenverbindungen, reduziert
werden, so dass die gesamte Anordnung eine geringere Trägheit und
einen besseren Wirkungsgrad besitzt als der Stand der Technik. Darüber hinaus
lassen sich koaxiale Anordnungen vermeiden, die erheblichen Bauraum
erfordern.
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Hinsichtlich der den Kathodenverdichter
mit der Expansionsvorrichtung koppelnden, selbsttätig schaltenden
Kupplung kann vorgesehen sein, dass diese als richtungsgeschaltete
Kupplung, insbesondere als Freilauf, ausgebildet ist. Sie kann derart
ausgebildet sein, dass sie sich in einem Freigabezustand befindet,
solange die Drehzahl der Expansionsvorrichtung kleiner ist als die
Drehzahl des Kathodenverdichters, und dass sie sich in einem Drehmoment übertragenden
Sperrzustand befindet, sobald die Drehzahl der Expansionsvorrichtung
die Drehzahl des Kathodenverdichters erreicht. Dadurch lässt sich vermeiden,
dass die Expansionsvorrichtung von dem Kathodenverdichter und dessen
motorischem Antrieb mitgeschleppt wird und dadurch den Wirkungsgrad
des Systems reduziert. Mit anderen Worten kann der Kathodenverdichter
die Expansionsvorrichtung drehzahlmäßig „überholen", ohne dass eine Drehmomentübertragung
von dem Kathodenverdichter auf die Expansionsvorrichtung erfolgt.
Andererseits wird die durch die Expansion der Abgase frei werdende
Druckenergie nach Umwandlung in mechanische Energie zum Antrieb
von Kathodenverdichter und zur Entlastung ihres motorischen Antriebs
genutzt, wenn sie so groß ist,
dass die Expansionsvorrichtung den Kathodenverdichter drehzahlmäßig „überholt".
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Ferner kann für diese Erfindungsvariante vorgesehen
sein, dass ihr eine Übersetzungsgetriebeanordnung
zugeordnet ist. Dadurch lassen sich unterschiedliche Unter- oder Übersetzungen
zwischen den einzelnen Antriebskomponenten, wie motorischer Antrieb
und Expansionsvorrichtung, und den einzelnen anzutreibenden Komponenten,
wie Kathodenverdichter, realisieren.
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Für
die selbsttätig
schaltende Kupplung zwischen der Expansionsvorrichtung und dem Kathodenverdichter
kann vorgesehen sein, dass diese als formschlüssig Drehmoment übertragende
Kupplung, wie beispielsweise als Klinkenfreilauf, oder als reibschlüssig Drehmoment übertragende
Kupplung, wie beispielsweise als Klemmfreilauf oder als Reibfreilauf,
ausgebildet ist. Alternativ ist für die Realisierung der selbsttätig schaltenden
Kupplung auch der Einsatz drehmomentgeschalteter Kupplungen oder drehzahlgeschalteter
Kupplungen möglich.
Als konstruktive Varianten zur Kopplung verschiedener Antriebswellen
sind Riementriebe, Kettentriebe oder auch Verzahnungen möglich, die
mit der selbsttätig schaltenden
Kupplung kombinierbar sind. Dadurch lassen sich insbesondere auch
raumfordernde koaxiale Anordnungen von zu koppelnden Antriebswellen vermeiden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein
Brennstoffzellensystem, insbesondere der vorstehend beschriebenen
Art, mit einer Brennstoffzelle, welche eine Anode und eine Kathode
aufweist, einem Kathodenverdichter zum Zuführen von Prozessluft zu der Brennstoffzelle,
und einem Anodenverdichter zum Zuführen von Luft zu einem der
Brennstoffzelle zugeordneten Brenngaserzeugungssystem, wobei der Kathodenverdichter
und der Anodenverdichter durch einen gemeinsamen motorischen Antrieb
antreibbar sind und wobei zur antriebsmäßigen Kopplung und Entkopplung
von Kathodenverdichter und Anodenverdichter eine selbsttätig schaltende
Kupplung vorgesehen ist.
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Demnach ist es bei der Erfindung
nicht erforderlich, Kathodenverdichter und Anodenverdichter separat
anzutreiben oder eine verhältnismäßig aufwendige
Antriebsanordnung vorzusehen, wie sie eingangs mit Bezug auf den
Stand der Technik gemäß der
DE 199 51 584 A1 beschrieben
wurde. Vielmehr ermöglicht
die vorliegende Erfindung eine Lösung, bei
welcher mit einem einzigen Motor sowohl der Anodenverdichter als
auch der Kathodenverdichter bedarfsgerecht angetrieben werden können. So
wird der Anodenverdichter zunächst,
beispielsweise in einer (Kalt-)Startphase des Brennstoffzellensystems, alleine
angetrieben und der Kathodenverdichter über die selbsttätig schaltende
Kupplung von dem mechanischen Antrieb abgekoppelt. Später wird
dann, beispielsweise bei Übergang
von der (Kalt-)Startphase in eine Normalbetriebsphase des Brennstoffzellensystems,
die Art des Antriebs in Abstimmung auf die selbsttätig schaltende
Kupplung verändert,
so dass die selbsttätig
schaltende Kupplung schließt
und auch der Kathodenverdichter angetrieben wird.
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Eine einfache, platzsparende und
zugleich effektive konstruktive Realisierung der Erfindung ergibt
sich beispielsweise dann, wenn der Anodenverdichter mit dem motorischen
Antrieb gekoppelt ist und dessen Antriebsenergie über eine
die selbsttätig schaltende
Kupplung aufweisende Wellenverbindung auf den Kathodenverdichter übertragbar
ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, Anodenverdichter und
Kathodenverdichter über
eine die selbsttätig
schaltende Kupplung aufweisende Getriebeeinheit zu verbinden und
zu einer kompakten Einheit zusammen zu fassen. Der motorische Antrieb
kann dann platzsparend – unter
Vermeidung Bauraum fordernder koaxialer Anordnungen – nahe dem
Anodenverdichter angeordnet werden.
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Die selbsttätig schaltende Kupplung ist
in einer Weiterbildung der Erfindung als richtungsgeschaltete Kupplung,
insbesondere als Freilauf, ausgebildet. Derartige richtungsgeschaltete
Kupplungen sind an sich bekannt und in verschiedenen Ausführungsformen
auf dem Markt erhältlich,
beispielsweise als formschlüssig
Drehmoment übertragende
Kupplungen, wie Klinkenfreiläufe,
oder als reibschlüssig Drehmoment übertragende
Kupplungen, wie Klemmfreiläufe
oder Reibfreiläufe.
Alternativ ist zur mechanischen Kopplung von Kathodenverdichter
und Anodenverdichter auch der Einsatz anderer selbsttätig schaltender
Kupplungen denkbar, wie z.B. drehmomentgeschalteter Kupplungen oder
drehzahlgeschalteter Kupplungen. Es ist grundsätzlich auch denkbar, eine elektromechanische
Kupplung zu verwenden, was jedoch mit einem erhöhten gerätetechnischen und steuerungstechnischen
Mehraufwand verbunden ist. Zur Drehmomentübertragung zwischen verschiedenen
Wellenverbindungen können
auch Riementriebe oder Kettentriebe mit Freilauffunktion verwendet
werden.
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Um mit einer richtungsgeschalteten
Kupplung eine bedarfsweise mechanische Kopplung und Entkopplung
von Anodenverdichter und Kathodenverdichter zu ermöglichen,
kann erfindungsgemäß weiter
vorgesehen sein, dass in einem ersten Betriebszustand, in welchem
sich die selbsttätig
schaltende Kupplung in einem Freigabezustand befindet, der motorische
Antrieb in einer ersten Drehrichtung erfolgt, und dass in einem
zweiten Betriebszustand, in welchem sich die selbsttätig schaltende
Kupplung in einem Drehmoment übertragenden
Sperrzustand befindet, der motorische Antrieb in einer entgegengesetzten
zweiten Drehrichtung erfolgt. Im ersten Betriebszustand, beispielsweise
dem (Kalt-)Startzustand des Brennstoffzellensystems, wird demnach
lediglich der Anodenverdichter durch den motorischen Antrieb drehangetrieben
und eine Übertragung
von mechanischer Antriebsenergie auf den Kathodenverdichter bleibt
aus, da sich die selbsttätig
schaltende Kupplung in ihrem Freigabezustand befindet. Ändert man
nach Ablauf der ersten Betriebsphase bei Übergang in die zweite Betriebsphase,
beispielsweise bei Übergang
in den Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems, die Drehrichtung
des motorischen Antriebs, so wird die selbsttätig schaltende Kupplung aus
ihrem Freigabezustand in ihren Sperrzustand versetzt, so dass eine
Drehmomentübertragung
auch auf den Kathodenverdichter erfolgen kann.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass bei
Verwendung einer drehrichtungsgeschalteten Kupplung ein motorischer
Antrieb zu verwenden ist, welcher in zwei entgegengesetzten Drehrichtungen
gleichsam arbeiten und Drehmoment bereitstellen kann. Ferner muss
auch der Anodenverdichter drehrichtungsunabhängig arbeiten können. Es
kann daher zumindest anodenseitig ein Kolbenverdichter verwendet
werden.
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Die Erfindung ist bei unterschiedlichen Brennstoffzellensystemen
anwendbar. So ist es möglich
den Anodenverdichter direkt zur Förderung von bereits aufbereitetem
Brenngas, beispielsweise Wasserstoff, von einem Brenngasspeicher
zu der Brennstoffzelle einzusetzen. Die Erfindung eignet sich aber insbesondere
auch für
den Einsatz in einem Brennstoffzellensystem, welches einen Reformer
zur Brenngaserzeugung aus einem Kohlenwasserstoff, beispielsweise
Methanol, aufweist. Im Hinblick darauf kann erfindungsgemäß vorgesehen
sein, dass anodenseitig ein Reformer zur Erzeugung des Brenngases
vorgesehen ist und dass der Anodenverdichter dem Reformer zugeordnet
ist. Der Anodenverdichter kann beispielsweise dazu eingesetzt werden,
in einer (Kalt-)Startphase des Brennstoffzellensystems Prozessluft
dem Reformer zuzuführen,
um diesen vorzuwärmen
und auf Betriebstemperatur zu bringen. Sobald der Reformer dann
Brenngas erzeugt, kann die Reaktion zwischen dem Brenngas und der
Prozessluft in der Brennstoffzelle angestoßen werden und der Kathodenverdichter
wird zugeschaltet, beispielsweise durch Drehrichtungswechsel des
motorischen Antriebs.
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Vorstehend wurden das Grundprinzip
sowie einige Weiterbildungen der Erfindung im Hinblick auf eine
lösbare
Kopplung von Anodenverdichter und Kathodenverdichter erörtert. Dieses
Grundprinzip kann zur Erhöhung
des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems in einer Ausführungsvariante
der Erfindung dahingehend erweitert werden, dass ferner eine Expansionsvorrichtung
in einer von der Brennstoffzelle ausgehenden Abgasleitung vorgesehen
ist, wobei die Expansionsvorrichtung abtriebseitig mit dem Kathodenverdichter
und dem Anodenverdichter gekoppelt oder kop pelbar ist. Die Expansionsvorrichtung
wird in dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung
dazu genutzt, die in den Abgasen des Brennstoffzellensystems gespeicherte
Druckenergie in mechanische Energie umzuwandeln. Diese mechanische
Energie kann dann – sofern
sie ausreichend groß ist – zum Antrieb
von Kathodenverdichter oder/und Anodenverdichter genutzt werden.
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In diesem Zusammenhang kann ferner
vorgesehen sein, dass zur antriebsmäßigen Kopplung und Entkopplung
von Expansionsvorrichtung und Kathodenverdichter oder Anodenverdichter
eine weitere selbsttätig
schaltende Kupplung vorgesehen ist. Durch diese weitere selbsttätig schaltende
Kupplung kann man gewährleisten,
dass die Expansionsvorrichtung nicht von dem motorischen Antrieb
für den Anodenverdichter
und Kathodenverdichter mitgeschleppt wird, wenn der Druck der Abgase
nicht groß genug
ist, um nach Umwandlung in mechanische Energie durch die Expansionsvorrichtung
zum Drehantrieb beizutragen. Die weitere selbsttätig schaltende Kupplung stellt
dann sicher, dass keine Drehmoment- oder Kraftübertragung von dem motorischen Antrieb
für den
Anodenverdichter und Kathodenverdichter auf die Expansionsvorrichtung
erfolgt. Sie lässt
lediglich eine Drehmoment- oder Kraftübertragung von der Expansionsvorrichtung
in Richtung zu dem Anodenverdichter und dem Kathodenverdichter zu.
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Auch für die weitere selbsttätig schaltende Kupplung
zwischen der Expansionsvorrichtung und dem Anodenverdichter bzw.
Kathodenverdichter kann vorgesehen sein, dass diese als richtungsgeschaltete
Kupplung, insbesondere als Freilauf, ausgebildet ist. Wie vorstehend
bereits hinsichtlich der Kupplung zwischen Anodenverdichter und
Kathodenverdichter angedeutet, kann es sich bei der weiteren selbsttätig schaltenden
Kupplung um eine formschlüssig
Drehmoment übertragende
Kupplung, wie beispielsweise einen Klinkenfreilauf, oder um eine
reibschlüssig
Drehmoment übertragende
Kupplung, wie beispielsweise einen Klemmfreilauf oder einen Reibfreilauf,
handeln. Alternativ ist für
die Realisierung der weiteren selbsttätig schaltenden Kupplung auch
der Einsatz drehmomentgeschalteter Kupplungen oder drehzahlgeschalteter
Kupplungen möglich.
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Zur Funktionsweise der weiteren selbsttätig schaltenden
Kupplung zwischen der Expansionsvorrichtung und dem Anodenverdichter
bzw. dem Kathodenverdichter kann in einer Weiterbildung der Erfindung
vorgesehen sein, dass sich die weitere selbsttätig schaltende Kupplung in
einem Freigabezustand befindet, solange die Drehzahl der Expansionsvorrichtung
kleiner ist als die Drehzahl des Kathodenverdichters und Anodenverdichters,
und dass sich die weitere selbsttätig schaltende Kupp lung in
einem Drehmoment übertragenden
Sperrzustand befindet, sobald die Drehzahl der Expansionsvorrichtung
die Drehzahl des Kathodenverdichters oder Anodenverdichters erreicht.
Dadurch können
Anodenverdichter und Kathodenverdichter die Expansionsvorrichtung drehzahlmäßig „überholen", ohne dass eine
Drehmomentübertragung
von Anodenverdichter und Kathodenverdichter auf die Expansionsvorrichtung
erfolgt. Andererseits wird die durch die Expansion der Abgase frei
werdende Druckenergie nach Umwandlung in mechanische Energie zum
Antrieb von Anodenverdichter und Kathodenverdichter und zur Entlastung ihres
motorischen Antriebs genutzt, wenn sie so groß ist, dass die Expansionsvorrichtung
den Anodenverdichter und Kathodenverdichter drehzahlmäßig „überholt".
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Es ist darauf hinzuweisen, dass zwischen den
einzelnen antriebsmäßig gekoppelten
oder koppelbaren Komponenten des vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems,
wie Anodenverdichter, Kathodenverdichter und Expansionsvorrichtung,
neben den im Detail erörterten
selbsttätig
schaltenden Kupplungen auch weitere Getriebebaugruppen, wie Übersetzungsgetriebe
oder Untersetzungsgetriebe, vorgesehen sein können. Dies ändert an der Wirkungsweise
einer selbsttätig
schaltenden mechanischen Kopplung und Entkopplung der einzelnen Komponenten
grundsätzlich
nichts, wobei sich jedoch Drehzahlverhältnisse verändern können. Im Einzelfall sind Riementriebe,
Kettentriebe oder Zahnradgetriebe denkbar.
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Die Erfindung betrifft ferner ein
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere
eines Brennstoffzellensystems der vorstehend beschriebenen Art,
wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, welche eine
Anode und eine Kathode aufweist, einen Kathodenverdichter zum Zuführen von
Prozessluft zu der Brennstoffzelle und einen Anodenverdichter zum
Zuführen
von Prozessluft zu einem der Brennstoffzelle zugeordneten Reformer
umfasst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist weiter vorgesehen, dass der Kathodenverdichter und der Anodenverdichter
durch einen gemeinsamen motorischen Antrieb angetrieben werden,
dass zur antriebsmäßigen Kopplung
und Entkopplung von Kathodenverdichter und Anodenverdichter eine
selbsttätig
schaltende Kupplung vorgesehen ist und dass in einem ersten Betriebszustand durch
den motorischen Antrieb lediglich der Anodenverdichter angetrieben
wird, wobei der Kathodenverdichter über die selbsttätig schaltende
Kupplung von dem motorischen Antrieb abgekoppelt ist, und in einem
zweiten Betriebszustand sowohl der Kathodenverdichter als auch der
Anodenverdichter durch den motorischen Antrieb angetrieben werden.
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Bei diesem Verfahren kann ferner
vorgesehen sein, dass die selbsttätig schaltende Kupplung als
richtungsgeschaltete Kupplung, insbesondere als Freilauf, ausgebildet
ist, wobei in dem ersten Betriebszustand der motorische Antrieb
in einer ersten Drehrichtung erfolgt, in welchem sich die selbsttätig schaltende
Kupplung in einem Freigabezustand befindet, und wobei in dem zweiten
Betriebszustand der motorische Antrieb in einer entgegengesetzten
zweiten Drehrichtung erfolgt, in welchem sich die selbsttätig schaltende
Kupplung in einem Drehmoment übertragenden
Sperrzustand befindet.
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Hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Erfindungsvariante
des Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, welche eine
Anode und eine Kathode aufweist, einem Kathodenverdichter zum Zuführen von
Prozessluft zu der Brennstoffzelle, und einer Expansionsvorrichtung
in einer von der Brennstoffzelle ausgehenden Abgasleitung, betrifft
die Endung ferner ein Verfahren, bei welchem der Kathodenverdichter über einen
elektromotorischen Antrieb angetrieben wird und bei welchem die
Expansionsvorrichtung antriebsmäßig mit
dem Kathodenverdichter über
eine selbsttätig
schaltende Kupplung gekoppelt wird. Bei diesem Verfahren ist ferner
vorgesehen, dass der elektromotorische Antrieb einen Antriebsausgang,
insbesondere eine Ausgangswelle, aufweist, von welchem ausgehend
er den Kathodenverdichter antreibt und dass in einem ersten Betriebszustand
der Kathodenverdichter durch den motorischen Antrieb angetrieben
wird und die Expansionsvorrichtung über die selbsttätig schaltende
Kupplung von dem Kathodenverdichter entkoppelt wird und in einem
zweiten Betriebszustand der Kathodenverdichter mit dem motorischen
Antrieb und mit der Expansionsvorrichtung antriebsmäßig gekoppelt
ist und sowohl von dem motorischen Antrieb als auch von der Expansionsvorrichtung
angetrieben wird.
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Im Rahmen einer Weiterbildung dieses
Verfahrens ist ferner vorgesehen, dass die den Kathodenverdichter
mit der Expansionsvorrichtung koppelnde, selbsttätig schaltende Kupplung als
richtungsgeschaltete Kupplung, insbesondere als Freilauf, ausgebildet
ist, wobei sich in dem ersten Betriebszustand der motorische Antrieb
zusammen mit dem Kathodenverdichter schneller dreht als die Expansionsvorrichtung,
so dass sich die den Kathodenverdichter mit der Expansionsvorrichtung
koppelnde, selbsttätig
schaltende Kupplung in ihrem Freigabezustand befindet, und wobei
sich in dem zweiten Betriebszustand der motorische Antrieb, der
Kathodenverdichter und die Expansionsvorrichtung gemeinsam drehen,
so dass sich die den Kathodenverdichter mit der Expansionsvorrichtung
koppelnde, selbsttätig
schaltende Kupplung in einem Drehmoment übertragenden Sperrzustand befindet.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
beschrieben, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt
sind. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2a eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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2b eine
schematische Darstellung eines gegenüber dem Ausführungsbeispiel
gemäß 2a geringfügig abgewandelten
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
und
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3 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
nach einem dritten Ausführungsbeispiel.
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In 1 ist
ein erstes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems allgemein
mit 10 bezeichnet. Dieses umfasst eine Brennstoffzelle 12,
welche zur Erzeugung von Strom aus einem Brenngas, beispielsweise
Wasserstoff, und einem Oxidanten, beispielsweise aus zugeführter Umgebungsluft
gewonnenem Sauerstoff, in an sich bekannter Weise betrieben wird.
Bei der eingesetzten Brennstoffzelle handelt es sich um eine PEM-Brennstoffzelle
(PEM, englisch: „Protone
Exchange Membrane"),
d.h. eine Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran. Die
Brennstoffzelle 12 weist eine Anodenseite 14 und
eine Kathodenseite 16 auf, welche durch die Protonenaustauschmembran 18 voneinander
getrennt sind.
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Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst
ferner einen anodenseitig angeordneten Reformer 20, der
zur Erzeugung des Brenngases aus einem Ausgangsgas, beispielsweise
einem Kohlenwasserstoff, vorgesehen ist. Dem Reformer 20 ist
ein Verdichter 22 vorgeschaltet, welcher aufgrund seiner
Zuordnung zu der Anodenseite 14 der Brennstoffzelle 12 im
folgenden als Anodenverdichter 22 bezeichnet wird.
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Auch kathodenseitig weist das Brennstoffzellensystem 10 einen
Verdichter 24 auf, der im Folgenden als Kathodenverdichter 24 bezeichnet
wird. Der Kathodenverdichter 24 dient dazu, der Kathodenseite 16 der
Brennstoffzelle 12 Prozessluft zuzuführen. Dem Kathodenverdichter 24 ist
ein Luftfilter 26 vorgeschaltet, um Verunreinigungen aus
der Prozessluft zu beseitigen.
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Der Anodenverdichter 22 ist
mit einem Elektromotor 30 über eine Wellenverbindung 32 mechanisch
gekoppelt und wird durch diesen rotatorisch angetrieben. Der Elektromotor 30 ist
derart ausgebildet, dass er in beide Drehrichtungen R und L der
Wellenverbindung 32 Drehmoment liefert. Der Anodenverdichter 22 ist
als Kolbenverdichter ausgeführt
und funktioniert unabhängig
von der Drehrichtung des Elektromotors 30 gleichermaßen.
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Der Anodenverdichter 22 ist
wiederum über eine
Wellenverbindung 34, einen Freilauf 36 und eine weitere
Wellenverbindung 38 mit dem Kathodenverdichter 24 mechanisch
gekoppelt. Der Freilauf 36 sorgt dafür, dass die beiden Wellenverbindungen 34 und 36 bei
Drehung des Elektromotors 30 in die mit L gekennzeichnete
Drehrichtung im wesentlichen frei relativ zueinander drehen können, ohne
ein Drehmoment zu übertragen,
und bei Drehung des Elektromotors 30 in die mit R gekennzeichnete
Drehrichtung zueinander sperren und in Drehmoment übertragendem
Eingriff miteinander stehen.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass
der Freilauf 36 auch andersartig ausgeführt sein und die Wellenverbindungen
koppeln kann, beispielsweise über
eine in lediglich einer Drehrichtung sperrende Verzahnung oder über eine
anderweitige Getriebeanordnung jeweils mit Freilauffunktion.
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Das Brennstoffzellensystem 10 mit
dem vorstehend beschriebenen Aufbau arbeitet im Normalbetrieb wie
folgt. Über
eine Leitung 46 wird Luft von dem Anodenverdichter 22 aus
der Umgebung angesaugt und über
eine Leitung 48 in den Reformer 20 gepresst. Hierfür wird der
Anodenverdichter 22 über die
Wellenverbindung 32 von dem Elektromotor 30 drehangetrieben,
wobei der Anodenverdichter 22 bei Drehung des Elektromotors 30 in
jeder der Drehrichtungen R und L Umgebungsluft in den Reformer 20 fördert. Ferner
wird dem Reformer 20 über
eine Leitung 50 ein Kohlenwasserstoff, beispielsweise Methanol,
zugeführt.
Der Reformer 20 wandelt die zugeführten Stoffe in ein Brenngas
um, beispielsweise Wasserstoff, und leitet dieses über eine
Leitung 52 der Anode 14 der Brennstoffzelle 12 zu.
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Kathodenseitig wird von dem Kathodenverdichter 24 über eine
Luftzufuhrleitung 54 Umgebungsluft angesaugt und nach Filterung
in dem Luftfilter 26 durch die Leitung 56 und
die Leitung 58 der Kathode 16 der Brennstoffzelle 12 zugeführt. Dabei wird
der Kathodenverdichter 24 über die Wellenverbindung 34,
den im Sperrzustand befindlichen Freilauf 36 und die Wellenverbindung 38 von
dem Elektromotor 30 drehangetrieben. Der Elektromotor 30 dreht
sich dabei in die mit R gekennzeichnete Drehrichtung, in welcher
der Freilauf 36 Drehmoment überträgt. Würde sich der Elektromotor 30 in
die mit L gekennzeichnete Drehrichtung drehen, so würde der
Freilauf 36 kein Drehmoment auf die Wellenverbindung 38 übertragen.
Die Wellenverbindung 34 dreht sich dabei jeweils mit der
Wellenverbindung 32. Dies kann dadurch erreicht werden,
dass die beiden Wellenverbindungen 32 und 34 starr
miteinander verbunden sind.
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In der Brennstoffzelle kommt es zu
einem Protonenaustausch über
die Membran 18, wodurch in an sich bekannter und daher
nicht gezeigter Weise Strom erzeugt wird, der dann von einem nicht
gezeigten Verbraucher nutzbar ist.
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Bevor sich der vorstehend geschilderte
Normalbetrieb einstellt, muss bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 10 zunächst Luft über die Leitungen 46 und 48 von
dem Anodenverdichter 22 dem Reformer 20 zugeführt werden,
um diesen auf Betriebstemperatur zu bringen, bevor er mit der Erzeugung
von Brenngas beginnen kann. Allerdings ist in dieser Startphase
ein Antreiben des Kathodenverdichters 24 zur Förderung
von Prozessluft noch nicht erforderlich, da die Reaktion in der
Brennstoffzelle 12 noch nicht angestoßen wurde. Demnach kann die
für den
Antrieb des Kathodenverdichters 24 erforderliche Energie
eingespart werden. Um dies zu erreichen, dreht sich der Elektromotor 30 in
der Startphase zunächst
in der mit L gekennzeichneten Drehrichtung. Bei einer derartigen
Drehung befindet sich der Freilauf 36 in seinem Freigabezustand,
so dass kein Drehmoment auf den Kathodenverdichter 24 übertragen
wird. Nach Beendigung der Startphase wechselt der Elektromotor 30 dann
die Drehrichtung und dreht sich in die mit R gekennzeichnete Drehrichtung.
In dieser Drehrichtung befindet sich der Freilauf 36 in seinem
Drehmoment übertragenden
Sperrzustand, so dass auch der Kathodenverdichter 24 angetrieben wird.
Der Anodenverdichter 22 ist derart ausgebildet, dass er
unabhängig
von der Drehrichtung des Elektromotors 30 Luft über die
Leitung 48 dem Reformer 20 zuführt.
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2a und 2b zeigen alternative Varianten eines
zweiten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Die beiden Varianten sind in Aufbau und Funktionsweise einander
sehr ähnlich.
Zunächst
soll auf das in 2a gezeigte
Brennstoffzellensystem 110a eingegangen werden. Zur Vereinfachung
der Beschreibung werden für
gleiche oder gleichwirkende Komponenten dieselben Bezugszeichen
wie bei der Beschreibung von dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 verwendet, jedoch mit
der Ziffer „1" vorangestellt und mit
dem Buchstaben „a" nachgestellt.
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Das Brennstoffzellensystem 110a weist,
wie bereits mit Bezug auf 1 erläutert, eine
Brennstoffzelle 112a mit einer Anodenseite 114a und
einer Kathodenseite 116a auf, welche durch einen Protonenaustauschmembran 118a voneinander
getrennt sind. Der Anodenseite 114a wird über eine
Zuführleitung 152a ein
Brenngas zugeführt,
beispielsweise Wasserstoff. Der Kathodenseite 116a wird über eine Zuführleitung 154a,
einen Luftfilter 126a, eine weitere Zuführleitung 156a, einen
Kathodenverdichter 124a und eine Zuführleitung 158a gefilterte
Prozessluft unter Druck zugeführt.
Dabei wird der Kathodenverdichter 124a vermittels eines
Motors 130a angetrieben, dessen Drehbewegung über eine
Wellenverbindung direkt auf den Kathodenverdichter 124a übertragen wird.
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Das Brennstoffzellensystem 110a umfasst ferner
eine Expansionsvorrichtung 128a, von welcher eine Ausgangswelle 164a ausgeht.
Die Ausgangeswelle 164a ist über einen Freilauf 136a mit
einer Zwischenwelle 166a gekoppelt. Der Freilauf 136a wirkt
derart, dass er lediglich in einer Drehrichtung der Ausgangswelle 164a Drehmoment
auf die Zwischenwelle 166a überträgt und in der entgegengesetzten
Drehrichtung eine weitgehend freie Drehung zwischen der Ausgangswelle 164a und
der Zwischenwelle 166a zulässt.
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An dem freilauffernen Ende der Zwischenwelle 166a ist
drehfest eine Riemenscheibe 168a befestigt, welche über einen
Riemen 170a mit einer drehfest auf der Wellenverbindung 132a angebrachten
Riemenscheibe 172a zur Drehmomentübertragung gekoppelt ist.
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In der Brennstoffzelle 112a kommt
es zu einem Protonenaustausch über
die Membran 118a, wodurch in an sich bekannter und daher
nicht gezeigter Weise Strom erzeugt wird, der dann von einem nicht
gezeigten Verbraucher nutzbar ist. Dabei entsteht Abgas, das Wasserdampf
enthält
und das über eine
Abgasleitung 160a der Expansionsvorrichtung 128a zugeführt wird.
In die Abgasleitung 160a mündet eine Abgasleitung 162a, über welche überschüssiges Brenngas – sofern
vorhanden – von
der Anodenseite 114b abgeführt wird. In der Expansionsvorrichtung 128a entspannt
sich das Abgas, wobei Druckenergie frei wird, die in der Expansionsvorrichtung 128a in
mechanische Rotationsenergie umgewandelt und auf die Ausgangswelle 164a übertragen
wird. Das entspannte Abgas wird über
eine Abgasleitung 174a an die Umgebung abgeführt. Die
Ausgangswelle 164a dreht sich aufgrund der Entspannung
des Abgases in der Expansionsvorrichtung 128a in derselben
Drehrichtung wie die Zwischenwelle 166a, welche von dem über den
Kathodenverdichter 24 antreibenden Motor 130a,
die Wellenverbindung 132a und den Riementrieb aus Riemenscheibe 172a,
Riemen 170a und Riemenscheibe 168a drehangetrieben wird.
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Solange die Rotation der Ausgangswelle 164a der
Expansionsvorrichtung 128a eine kleinere Drehzahl aufweist
als die Rotation der durch den Elektromotor 130a drehangetriebenen
Zwischenwelle 166a, befindet sich der Freilauf 136a in
einem Zustand, in welchem er eine Relativdrehung zwischen Ausgangswelle 164a und
Zwischenwelle 166a zulässt.
Sobald jedoch die Drehzahl der Ausgangswelle 164a die Drehzahl
der Zwischenwelle 166a erreicht oder übersteigt, sperrt der Freilauf 136a und überträgt Drehmoment
von der Ausgangswelle 164a auf die Zwischenwelle 166a.
Von dieser kann dann das Drehmoment über den Riementrieb, bestehend
aus Riemenscheibe 168a, Riemen 170a und Riemenscheibe 172a,
auf die Wellenverbindung 132a übertragen werden. Somit kann
die Rotationsenergie der Expansionsvorrichtung 128a bei
hinreichend schneller Drehung der Ausgangswelle 164a zum
Antreiben des Kathodenverdichters 124a genutzt werden.
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Durch die Bereitstellung des Freilaufs 136a zwischen
dem Antrieb des Kathodenverdichters 124a und der Ausgangswelle 164a der
Expansionsvorrichtung 128a kann verhindert werden, dass
die Expansionsvorrichtung 128a über eine steife Wellenverbindung
von dem Antrieb des Kathodenverdichters 124a drehangetrieben,
d.h. „mitgeschleppt", wird und somit
der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems herabgesetzt wird.
Dieser Zustand würde insbesondere
dann drohen, wenn bei einer Expansion der Abgase in der Expansionsvorrichtung 128a nur
ein geringes Maß an
mechanischer Energie erzeugt und zum Drehantrieb des Kathodenverdichters 124a bereitgestellt
werden kann.
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Durch die in 2a gezeigte Anordnung lassen sich neben
der effektiven Ausnutzung der mit der Expansionsvorrichtung 128a gewonnenen
mechanischen Energie weitere Vorteile erzielen. Die Ausgangswelle 164a der
Expansionsvorrichtung 128a und die Wellenverbindung 132a sind
nicht koaxial angeordnet, sondern über einen hinsichtlich der
konstruktiven Anordnung flexiblen Riementrieb antriebsmäßig gekoppelt.
Dadurch lässt
sich das Brennstoffzellensystem 110a kompakter ausführen. Ferner lässt sich
dadurch die von der Expansionsvorrichtung 128a abgeleitete
mechanische Energie direkt über die
von dem Elektromotor 130a ausgehende Wellenverbindung 132a dem
Kathodenverdichter 124a zuführen, so dass auch keine zusätzliche
Wellenverbindung zur Einleitung des Drehmoments in den Kathodenverdichter 124a erforderlich
ist oder die Wellenverbindung 132a länger dimensioniert werden muss. Durch
den Einsatz eines Riementriebs lassen sich auch auf einfache Weise Übersetzungen bei
der Übertragung
der Drehbewegung von der Ausgangswelle 164a auf die Wellenverbindung 132a realisieren,
was eine effektivere Ausnutzung der Rotation der Ausgangswelle zum
Zwecke des Antriebs des Kathodenverdichters erlaubt. Die Übersetzungen können beispielsweise
durch unterschiedliche Dimensionierung der Riemenscheiben 168a und 172a erzielt
werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass statt
eines Riementriebs auch ein Kettentrieb, ein Zahnradgetriebe oder
andere Anordnungen zur antriebsmäßigen Kopplung
der Zwischenwelle 166a und der Wellenverbindung 132a möglich sind.
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Die Erfindungsvariante gemäß 2b zeigt ein Brennstoffzellensystem 110b,
welches sich von der Erfindungsvariante nach 2a nur hinsichtlich der Übertragung
der mit der Expansionsvorrichtung 128b erzeugten mechanischen
Energie zum Kathodenverdichter 124b hin unterscheidet.
Daher sollen unter Verwendung derselben Bezugszeichen wie bei der
Beschreibung der 2a – jedoch
mit dem Buchstaben „b" nachgestellt – auch lediglich
diese Unterschiede erläutert
werden.
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In der Ausführungsform nach 2b ist der Freilauf 136b im
Bereich Wellenverbindung 132b zwischen dem Elektromotor 130b und
dem Kathodenverdichter 124b angeordnet. Er sitzt direkt
auf der Wellenverbindung 132b, welche den Elektromotor 130b mit
dem Kathodenverdichter 124b verbindet. Der Freilauf 136b ist über den
Riemen 170b mit der Riemenscheibe 168b antriebsmäßig gekoppelt,
welche am freien Ende der Ausgangswelle 164b drehfest angeordnet
ist. Die Wellenverbindung 132b dreht sich, ohne auf den
Freilauf 136b Drehmoment zu übertragen, relativ zu diesem
solange, bis sich der Freilauf 136b angetrieben durch die
Expansionsvorrichtung 128b ausreichend schnell dreht. Dann überträgt er die
Drehbewegung der Ausgangswelle 164b zum zusätzlichen
Antrieb des Kathodenverdichters 124b auf die Wellenverbindung 132b.
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Im Übrigen gleichen sich die beiden
Varianten des zweiten Ausführungsbeispiels
gemäß 2a und 2b hinsichtlich Aufbau, Funktionsweise
und vorteilhafter Wirkung.
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3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 210.
Zur Vermeidung von Wiederholungen werden für gleiche oder gleichwirkende
Komponenten dieselben Bezugszeichen wie bei der Beschreibung des ersten
und zweiten Ausführungsbeispiels
gemäß 1 und 2 verwendet, jedoch mit der Ziffer „2" vorangestellt und
ohne nachgestellte Buchstaben.
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Die Ausführungsform nach 3 ist eine Kombination der
beiden Ausführungsformen
nach 1 und 2a. Sie zeigt eine Brennstoffzelle 212 mit
einer Anodenseite 214 und einer Kathodenseite 216,
welche über
eine Protonenaustauschmembran 218 voneinander getrennt
sind. Der Anodenseite 214 wird – wie bereits mit Bezug auf 1 beschrieben – über eine
Zuführleitung 252 Brenngas
zugeführt.
Das Brenngas, z.B. Wasserstoff, wird in einem Reformer 220 aus
einem über
eine Zuführleitung 250 zugeführten Kohlenwasserstoff
und Umgebungsluft gewonnen, wobei letztere über eine Zuführleitung 246 vermittels
eines Anodenverdichters 222 angesaugt und über eine
Zuführleitung 248 dem
Reformer 220 zugeführt
wird. Kathodenseitig wird – wie
bereits mit Bezug auf 1 beschrieben – über einen
Kathodenverdichter 224 Prozessluft aus der Umgebung über eine
Zuführleitung 254 durch
einen Luftfilter 226 und eine Zuführleitung 256 in einen
Kathodenverdichter 224 gesaugt und von diesem über eine
Zuführleitung 258 unter
Druck in die Brennstoffzelle 212 gefördert.
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Anodenverdichter 222 und
Kathodenverdichter 224 werden von einem gemeinsamen Elektromotor 230 angetrieben,
welcher in zwei Drehrichtungen R und L Drehmoment liefert. Der Anodenverdichter 222 fördert Prozessluft
zum Reformer 220 unabhängig
von der Drehrichtung des Elektromotors 230. Er ist beispielsweise
als Kolbenverdichter ausgeführt. Der
Kathodenverdichter 224 ist antriebsmäßig mit dem Anodenverdichter 222 über zwei
Wellenverbindungen 234 und 238 gekoppelt, welche
ihrerseits über
einen Freilauf 236 koppelbar sind. Der Freilauf 236 lässt eine
Relativdrehung zwischen den Wellenverbindungen 234 und 238 in
einer Drehrichtung (Drehrichtung L) zu, sperrt sich jedoch bei einer
Relativdrehung in der anderen Drehrichtung (Drehrichtung R), so
dass er in dieser Drehrichtung Drehmoment von der Wellenverbindung 234 auf
die Wellenverbindung 238 überträgt.
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Das Brennstoffzellensystem 210 umfasst
ferner – wie
mit Bezug auf 2a bereits
beschrieben – eine
Expansionsvorrichtung 228, von welcher eine Ausgangswelle 264 ausgeht.
Die Ausgangeswelle 264 ist über einen Freilauf 274 mit
einer Zwischenwelle 266 gekoppelt. Der Freilauf 274 wirkt
derart, dass er lediglich in einer Drehrichtung der Ausgangswelle 264 Drehmoment
auf die Zwischenwelle 266 überträgt und in der entgegengesetzten
Drehrichtung eine weitgehend freie Drehung zwischen der Ausgangswelle 264 und
der Zwischenwelle 266 zulässt. An dem freilauffernen
Ende der Zwischenwelle 266 ist drehfest eine Riemenscheibe 268 befestigt,
welche über
einen Riemen 270 mit der Wellenverbindung 238 antriebsmäßig gekoppelt
ist. Diese Kopplung kann auch über
eine Miteinbeziehung des Freilaufs 236 realisiert werden,
indem der Riemen 270 direkt den Freilauf 236 antreibt.
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Im Betrieb verhält sich das Brennstoffzellensystem 210 wie
folgt:
Zunächst
dreht sich bei einem Kaltstart des Systems der Elektromotor 230 in
der Drehrichtung L, um Umgebungsluft über den Anodenverdichter 222 zum
Reformer 220 zu fördern
und diesen damit auf Betriebstemperatur zu bringen. Bei einer Drehung
des Elektromotors 230 mit der Drehrichtung L erfolgt keine Drehmomentübertragung über den
Freilauf 236 auf die Wellenverbindung 238 und
damit auf den Kathodenverdichter 224. Damit erfolgt auch
keine Drehmomentübertragung
von dem Elektromotor 230 auf die Zwischenwelle 266.
In dieser Betriebsphase wird demnach allein der Anodenverdichter 222 angetrieben.
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Ist der Reformer 220 auf
Betriebstemperatur gebracht, so wird die Drehrichtung des Elektromotors von
L zu R umgekehrt. Bei einer Drehung in Drehrichtung R schließt sich
der Freilauf 236 und es wird Drehmoment von dem Elektromotor 230 zu
dem Anodenverdichter 222 und über den geschlossenen Freilauf 236 zu
dem Kathodenverdichter 224 übertragen, so dass auch dieser
drehangetrieben wird und Prozessluft zu der Brennstoffzelle 212 fördern kann. Bei
einer derartigen Drehung des Freilaufs 236 überträgt dieser
vermittels des Riemens 270 und der Riemenscheibe 268 Drehmoment
auf die Zwischenwelle 266.
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Die Brennstoffzelle 212 erzeugt
nun in an sich bekannter Weise Strom. Die dabei entstehenden Abgase
werden über
die Abgasleitung 260 zu dem Expander 228 geleitet.
In dem Expander 228 entspannen sich die Abgase und erzeugen
dabei mechanische Rotationsenergie, die über die Ausgangswelle 264 abgeleitet
wird. Solange die Drehzahl der Ausgangswelle 264 kleiner
ist als die Drehzahl der über
den Freilauf 236 und den Riemen 270 angetriebenen
Zwischenwelle 266, kommt es zu keiner Drehmomentübertragung
und der Freilauf 274 lässt
eine Relativdrehung zwischen diesen Wellen zu. Dadurch wird verhindert,
dass die Expansionsvorrichtung 228 über den Elektromotor 230 drehangetrieben
wird und somit unnötigerweise
unter Verschlechterung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems 210 mitgeschleppt
wird. Erst wenn die Drehzahl der Ausgangswelle 264 die
Drehzahl der Zwischenwelle 266 erreicht oder diese drehzahlmäßig „überholt" schließt der Freilauf 274 und
es kommt zu einer Drehmomentübertragung
von der Ausgangswelle 264 auf die Zwischenwelle 266.
Dieses Drehmoment wird dann über die
Riemenscheibe 268 und den Riemen 270 auf den Freilauf 236 übertragen
und zum Antreiben des Kathodenverdichters 224 ausgenutzt.
Dadurch kann der Elektromotor 230 entlastet werden und
der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems unter Ausnutzung der
in der Expansionsvorrichtung 228 frei werdenden Energie
insgesamt erhöht
werden.
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Die Ausgestaltung gemäß
3 bringt den weiteren Vorteil
mit sich, dass Anodenverdichter
222, Kathodenverdichter
224 und
Expansionsvorrichtung
228 unmittelbar antriebsmäßig gekoppelt
sind und der Anodenverdichter
224 wiederum unmittelbar
mit dem Motor
230 gekoppelt ist. Dadurch benötigt der Motor
230 lediglich
eine Ausgangswelle
232, wodurch die Massenträgheit der
rotierenden Komponenten des Brennstoffzellensystems herabgesetzt wird
und dieses insgesamt energieeffizienter wird, als beispielsweise
bei dem Stand der Technik gemäß der
DE 199 44 296 A1 der
Fall.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die
vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele
gemäß den 1, 2a und 2b sowie 3 keine abschließende Erläuterung
der Erfindung darstellen. So kann beispielsweise auch das Ausführungsbeispiel
gemäß 1 mit dem gemäß 2b kombiniert werden. Ferner
können
die in den Figuren dargestellten und vorstehend beschriebenen Wellenkopplungen
vermittels Riementrieben gleichfalls durch Kettentriebe, Reibradgetriebe,
Zahnradgetriebe oder anderweitige Kopplungsarten realisiert werden.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung zeigt
eine konstruktiv und gerätetechnisch
einfache Lösung
eines Brennstoffzellensystems, bei welchem der Anodenverdichter
und der Kathodenverdichter bedarfsweise angesteuert und zusammen
durch nur einen motorischen Antrieb angetrieben werden können. Ferner
zeigt die Erfindung die Möglichkeit
der Erhöhung
des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems durch Ausnutzung
von in den von der Brennstoffzelle ausgehenden Abgasen gespeicherter
Energie.