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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie
eine Brenneranordnung für ein
derartiges Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellensysteme
werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um elektrische Energie
bereitzustellen. Diese elektrische Energie kann beispielsweise zum
Betreiben eines Antriebsaggregats genutzt werden, kann aber auch
dazu genutzt werden, verschiedene andere Systembereiche eines Kraftfahrzeugs,
die elektrisch betreibbar sind, mit Energie zu versorgen. Ein Problem
bei derartigen Brennstoffzellensystemen ist, dass diese, bevor sie in
Betrieb genommen werden können,
auf geeignete Betriebstemperaturen gebracht werden müssen, die deutlich über den
im Allgemeinen vorherrschenden Umgebungstemperaturen liegen.
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
und eine Brenneranordnung für
ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, durch welche die verschiedenen
zur Inbetriebnahme erforderlichen Systembereiche bei baulich einfacher Konfiguration
zuverlässig
erwärmt
werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Brennstoffzellensystem, umfassend ein Gaserzeugungssystem zur
Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gasgemisches, eine Brennstoffzelle, welcher
das wasserstoffhaltige Gasgemisch zuführbar ist zur Nutzung von darin
enthaltenem Wasserstoff zur Erzeugung von Elektrizität, wobei
ein wasserstoffentreichertes Gasgemisch die Brennstoffzelle verlässt, einen
katalytischen Brenner, welchem das wasserstoffentreicherte Gasgemisch
zur Wärmeerzeugung zuführbar ist,
eine Wärmetauscheranordnung
zur Übertragung
von im katalytischen Brenner erzeugter Wärme auf ein Wärmeträgermedium,
einen auf den katalytischen Brenner folgenden brennstoffbetriebenen
Brenner, sowie eine Wärmetauscheranordnung
zur Übertragung
von in dem brennstoffbetriebenen Brenner erzeugter Wärme auf
ein Wärmeträgermedium.
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Zusätzlich zu
dem bei Brennstoffzellensystemen allgemein vorhandenen katalytischen
Brenner, in welchem der Restwasserstoff, der in dem eine Brennstoffzelle
verlassenden Gasgemisch noch enthalten sein kann, verbrannt werden
kann und somit Wärme
bereitgestellt werden kann, um andere Systembereiche in einem Fahrzeug
zu erwärmen,
welcher katalytische Brenner jedoch noch nicht genutzt werden kann,
um das Brennstoffzellensystem vorzuerwärmen, so lange dieses noch
nicht in Betrieb ist, ist erfindungsgemäß ein weiterer Brenner vorgesehen,
der die zum Starten des Brennstoffzellensystems erforderliche Vorerwärmung bereitstellen
kann. Dieser zusätzliche
brennstoffbetriebene, also beispielsweise mit Dieselkraftstoff oder
sonstigen fossilen bzw. kohlenwasserstoffhaltigen Kraftstoffen betreibbare
Brenner kann jedoch nicht nur dazu genutzt werden, das Brennstoffzellensystem
an sich zu erwärmen,
sondern kann auch als Zuheizer oder als Standheizer genutzt werden.
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Um
durch Funktionen- bzw. Baugruppenverschmelzung den Aufbau des erfindungsgemäßen Systems
weiter vereinfachen zu können,
wird vorgeschlagen, dass der katalytische Brenner ein Gebläse aufweist,
durch welches Luft zur Umsetzung in dem katalytischen Brenner oder/und
zur Umsetzung in dem brennstoffbetriebenen Brenner förderbar
ist. Es ist also für
den katalytischen Brenner und für
den brennstoffbetriebenen Brenner ein gemeinsames Gebläse vorgesehen,
so dass die durch dieses Gebläse
geförderte
Luft zunächst
den katalytischen Brenner durchströmen kann, und dann den brennstoffbetriebenen
Brenner durchströmen
kann. Je nachdem, welcher dieser beiden Brenner dann momentan betrieben
wird, wird die durch das Gebläse geförderte Luft
in dem einen oder in dem anderen Brenner zur Wärmeerzeugung umgesetzt. Dabei kann
vorzugsweise zur weiteren Funktionenverschmelzung vorgesehen sein,
dass durch das Gebläse
Luft zur Brennstoffzelle förderbar
ist.
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Um
die im katalytischen Brenner einerseits und im brennstoffbetriebenen
Brenner andererseits jeweils bei Ablaufen einer chemischen Reaktion
(katalytische Reaktion bzw. Verbrennung) erzeugte Wärme möglichst
effizient nutzen zu können,
wird vorgeschlagen, dass in Strömungsrichtung
zwischen dem katalytischen Brenner und dem brennstoffbetriebenen
Brenner eine erste Wärmetauscheranordnung zur Übertragung
von in dem katalytischen Brenner erzeugter Wärme auf ein erstes Wärmeträgermedium
vorgesehen ist und dass stromabwärts
des brennstoffbetriebenen Brenners eine zweite Wärmetauscheranordnung zur Übertragung
von in dem brennstoffbetriebenen Brenner erzeugter Wärme auf ein
zweites Wärmeträgermedium
vorgesehen ist.
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Eine
sehr wirkungsvolle Erwärmung
des Gaserzeugungssystems kann dadurch erlangt werden, dass das Wärmeträgermedium
oder/und die Verbrennungsprodukte des brennstoffbetriebenen Brenners
oder/und des katalytischen Brenners dem Gaserzeugungssystem oder/und
der Brennstoffzelle zur Erwärmung
zuführbar
sind. Weiterhin ist es grundsätzlich
möglich,
dass das Wärmeträgermedium
oder/und die Verbrennungsprodukte des brennstoffbetriebenen Brenners
oder/und des katalytischen Brenners dem Gaserzeugungssystem als
Reaktionsstoff zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gasgemisches
zuführbar
sind.
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Um
insbesondere bei vergleichsweise niedrigen Umgebungstemperaturen
eine weiter beschleunigte Vorerwärmung
des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Gaserzeugungssystems
desselben, erlangen zu können,
wird vorgeschlagen, dass dem Gaserzeugungssystem ein weiterer brennstoffbetriebener
Brenner zugeordnet ist zur Erzeugung eines Stroms erwärmten Gases
zur Einspeisung in eine Wärmetauscheranordnung
des Gaserzeugungssystems oder/und zur Einspeisung in einen Reformer
des Gaserzeugungssystems. Um bei diesem System die Erwärmungseffizienz
dann weiter verbessern zu können,
wird vorgeschlagen, dass dem Strom erwärmten Gases Wasser beimischbar ist.
Durch das Beimischen von Wasser in den durch diesen weiteren brennstoffbetriebenen
Brenner bereitgestellten erwärmten
Gasstrom wird ein erwärmtes
Medium bereitgestellt, das dadurch, dass es Wasser bzw. Wasserdampf
enthält,
eine deutlich vergrößerte Wärmespeicherkapazität hat und
somit zur deutlich verbesserten Wärmeübertragung auf beispielsweise
das Gaserzeugungssystem beiträgt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft diese ein Brennstoffzellensystem,
umfassend ein Gaserzeugungssystem zur Erzeugung eines im Wesentlichen
Wasserstoff enthaltenden Gasstroms und eines wasserstoffentreicherten
Gasstroms, eine Brennstoffzelle, welcher der im Wesentlichen Wasserstoff
enthaltende Gasstrom zuführbar
ist zur Nutzung von Wasserstoff zur Erzeugung von Elektrizität, einen
katalytischen Brenner, welchem der wasserstoffentreicherte Gasstrom
zur Wärmeerzeugung
zuführbar
ist, eine Wärmetauscheranordnung
zur Übertragung
von im katalytischen Brenner erzeugter Wärme auf ein Wärmeträgermedium,
einen auf den katalytischen Brenner folgenden brennstoffbetriebenen
Brenner, sowie eine Wärmetauscheranordnung
zur Übertragung
von in dem brennstoffbetriebenen Brenner erzeugter Wärme auf
ein Wärmeträgermedium.
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Bei
diesem Brennstoffzellensystem wird also durch das Gaserzeugungssystem
zunächst
ein Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch erzeugt. Dieses wird noch
vor dem Einspeisen in die Brennstoffzelle in zwei Gasströme aufgeteilt.
Einer der Gasströme
ist hochangereichert mit Wasserstoff, d.h. umfasst im Wesentlichen
nur Wasserstoff mit einem geringen Anteil an Verunreinigungen. Der
andere Gasstrom ist dann ein wasserstoffentreicherter, jedoch immer noch
einen bestimmten Restanteil an Wasserstoff enthal tender Gasstrom,
der in der Brennstoffzelle nicht genutzt wird, sondern nunmehr direkt
zum katalytischen Brenner geleitet werden kann, um dort zur Wärmeerzeugung
umgesetzt zu werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die vorangehend
genannte Aufgabe gelöst
durch eine Brenneranordnung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem
nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend einen stromaufwärtigen ersten
Zuführbereich
zur Zufuhr von Luft vermittels eines Luftfördergebläses oder/und zur Zufuhr eines
wasserstoffhaltigen Gasgemisches, einen ersten Brennerbereich mit
einer Katalysatoranordnung zur Umsetzung des wasserstoffhaltigen Gasgemisches
zur Wärmeerzeugung,
stromabwärts des
ersten Brennerbereichs einen zweiten Brennerbereich mit einem zweiten
Zuführbereich
zur Zufuhr von Brennstoff zur Bildung eines zündfähigen Brennstoff/Luft-Gemisches
zusammen mit in dem ersten Zuführbereich
zugeführter
Luft, sowie stromabwärts des
zweiten Brennerbereichs eine Wärmetauscheranordnung
zur Übertragung
von im ersten Brennerbereich oder/und im zweiten Brennerbereich
erzeugter Wärme
auf ein Wärmeträgermedium.
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Gemäß diesem
Erfindungsaspekt sind also zwei Brennerbereiche strömungstechnisch
aufeinander folgend vorgesehen, was zu dem besonderen Vorteil führt, dass
ein gemeinsames Luftfördergebläse dazu
genutzt werden kann, zu diesen beiden Brennerbereichen Luft jeweils
zur Wärmeerzeugung zu
liefern.
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Um
dabei Beschädigungen
im Bereich des Katalysatormaterials des ersten Brennerbereichs durch
Rückzündungen
bzw. zu hohe Temperaturen in der auf den zweiten Brennerbereich
folgenden Wärmetauscheranordnung
vermeiden zu können,
wird weiter vorgeschlagen, dass zwischen dem ersten Brennerbereich
und dem zweiten Brennerbereich oder/und dem zweiten Brennerbereich
und der Wärmetauscheranordnung
eine Flammsperre angeordnet ist.
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Weiter
kann zum Erhöhen
der Wärmeübertragungseffizienz
vorgesehen sein, dass zwischen dem ersten Brennerbereich und dem
zweiten Brennerbereich eine weitere Wärmetauscheranordnung zur Übertragung
von im ersten Brennerbereich erzeugter Wärme auf ein Wärmeträgermedium
vorgesehen ist.
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Um
insbesondere beim zweiten Brennerbereich einen effizienten Betrieb
sicherstellen zu können,
wird vorgeschlagen, dass der zweite Brennerbereich eine Brennkammer
aufweist, in welcher die durch das Luftfördergebläse geförderte Luft und in einem Brennstoffverdampfer
erzeugter Brennstoffdampf unter Einsatz eines Zündorgans zur Verbrennung bringbar
sind. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass der Brennstoffverdampfer
ein flüssigen Brennstoff
aufnehmendes poröses
Verdampfermedium und diesem zugeordnet eine Heizeinrichtung zur Brennstoffdampferzeugung
aufweist. Der brennstoffbetriebene Brenner arbeitet dabei also nach
dem Prinzip eines so genannten Verdampferbrenners.
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Bei
einer bevorzugten konstruktiven Ausführung kann dabei weiter vorgesehen
sein, dass der Brennstoffverdampfer ein in Richtung stromabwärts offenes
Verdampfergehäuse
aufweist, in welches zu verdampfender Brennstoff einleitbar ist
und welches von von dem Luftfördergebläse herangeförderter
Luft zur Durchmischung derselben mit Brennstoffdampf stromabwärts des
Verdampfergehäuses
umströmbar ist.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden
Zeichnungen detailliert beschrieben. Es zeigt:
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1 eine blockbildartige Darstellung
eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausgestaltungsform;
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2 eine prinzipielle Darstellung
einer bei dem System der 1 einsetzbaren
Brenneranordnung;
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3 eine der 1 entsprechende Ansicht eines alternativ
aufgebauten Systems;
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4 eine blockbildartige Darstellung
eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform;
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5 eine weitere blockbildartige
Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausgestaltungsform
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes System mit 10 bezeichnet.
Dieses erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 umfasst
als wesentliche Systembereiche zum einen ein mit Strichlinie umrissenes Gaserzeugungssystem 12 zur
Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gasgemisches sowie zum anderen eine
dieses wasserstoffhaltige Gasgemisch aufnehmende Brennstoffzelle 14.
Das Gaserzeugungssystem 12 selbst umfasst als wesentliche
Komponenten einen Reformer 16, in welchem Luft, Wasser
und wasserstoffhaltiger Brennstoff zu einem wasserstoffhaltigen
Gasgemisch umgesetzt werden, darauf folgend eine Wärmetauscheranordnung 18,
in welcher das im Reformer 16 erzeugte Reformat gekühlt wird, sowie
eine Gasreinigungsstufe 20, in welcher das wasserstoffhaltige
Gasgemisch von in der Brennstoffzelle 14 störenden bzw.
diese möglicherweise schädigenden
Bestandteilen gereinigt wird.
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Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
umfasst ferner eine allgemein mit 22 bezeichnete Brenneranordnung.
Diese Brenneranordnung 22, wie sie in 1 dargestellt ist, weist in Strömungsrichtung
aufeinander folgend einen katalytischen Brenner 24, einen
brennstoffbetriebenen Brenner 26, eine erste Wärmetauscheranordnung 28 sowie
eine zweite Wärmetauscheranordnung 30 auf.
In Zuordnung zu dem katalytischen Brenner 24 ist ein Luftfördergebläse 32 vorgesehen,
welches über
ein wahlweise umschaltbares Ventil 34 Luft entweder in
den katalytischen Brenner 24 oder in die Brennstoffzelle 14 oder
ggf. bei entsprechendem Teilungsver hältnis sowohl in den katalytischen
Brenner 24 als auch in die Brennstoffzelle 14 fördern kann.
Ferner wird über
ein ebenfalls wahlweise umschaltbares Ventil 36 dem katalytischen
Brenner 24 ein die Brennstoffzelle 14 verlassender
Gasgemischstrom zugeführt,
welcher bei betriebener Brennstoffzelle 14 immer noch Wasserstoff
enthält,
jedoch in einem geringeren Anteil, als derjenige Gasgemischstrom,
der von dem Gaserzeugungssystem 12 in die Brennstoffzelle 14 eingeleitet
wird. Über
das Ventil 36 kann jedoch wahlweise der die Brennstoffzelle 14 verlassende
Strom auch zur Umgebung hin abgegeben werden.
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Über eine
Brennstoffversorgungsleitung 38 wird über ein wahlweise umschaltbares
Ventil 40 Kraftstoff, also beispielsweise Dieselkraftstoff,
Benzin oder sonstiger fossiler, flüssiger Kraftstoff, wahlweise
in den brennstoffbetriebenen Brenner 26, den Reformer 16 oder
beide diese Systembereiche 26, 16 eingeleitet.
Ferner wird durch einen Kompressor 42 Luft als Wärmeträgermedium
durch die erste Wärmetauscheranordnung 28 hindurch
zu dem Reformer 16 geleitet. Durch einen weiteren Kompressor
bzw. eine Pumpe 44 wird Wasser zu dem Gaserzeugungssystem 12 geleitet,
und zwar derart, dass es zunächst
in die Wärmetauscheranordnung 18 des
Gaserzeugungssystems 12 eingeleitet wird und nach dem Durchströmen dieser
Wärmetauscheranordnung 18 in
den Reformer 16 eingeleitet wird. Bei Einleitung von Brennstoff über die
Brennstoffversorgungsleitung 38, Luft über die Wärmetauscheranordnung 28 und
Wasser über
die Wärmetauscheranordnung 18 kann
im Reformer 16 dann ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch
erzeugt werden. In einem allgemein mit 46 bezeichneten
Wärmeträgermediumkreislauf
zirkuliert Wasser, welches sowohl durch die zweite Wärmetauscheranordnung 30 der
Brenneranordnung 22 als auch eine Wärmetauscheranordnung 48 der Brennstoffzelle 14 strömt, um dabei
Wärme aufzunehmen
bzw. abzugeben.
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Der
Betrieb des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems
wird nachfolgend beschrieben. Es sei hierzu zunächst angenommen, dass das ge samte
System 10 in einem kalten Zustand ist, also einem Zustand,
in welchem die verschiedenen katalytisch induzierten Reaktionen
im Reformer 16, in der Brennstoffzelle 14 und
im katalytischen Brenner 24 noch nicht ablaufen können. Es
wird daher zunächst der
brennstoffbetriebene Brenner 26 aktiviert, und zwar dadurch,
dass durch entsprechende Schaltung des Ventils 40 der Brennstoff
in diesen eingespeist wird und weiterhin durch entsprechende Schaltung des
Ventils 34 die vom Gebläse 32 geförderte Luft durch
den katalytischen Brenner 24 hindurch ebenfalls in den
brennstoffbetriebenen Brenner 26 eingeleitet wird. In diesem
wird dann ein zündfähiges Gemisch
aus Brennstoffdampf und Verbrennungsluft erzeugt, das zur Verbrennung
gebracht wird. Die Verbrennungsabgase durchströmen die beiden Wärmetauscheranordnungen 28 und 30.
In der Wärmetauscheranordnung 28 wird
dabei Wärme
auf die zum Gaserzeugungssystem 12 bzw. zum Reformer 16 desselben
geförderte
Luft übertragen,
so dass nunmehr erwärmte
Luft das Gaserzeugungssystem 12 und die Brennstoffzelle 14 durchströmen kann.
Diese erwärmte
Luft verlässt über das
Ventil 36 die Brennstoffzelle 14 und kann nunmehr
entweder zur Umgebung abgegeben werden, oder kann als Verbrennungsluft über den
katalytischen Brenner 24 wieder zum brennstoffbetriebenen
Brenner 26 gefördert
werden. In diesem Falle kann während
der Startphase auf das Betreiben des Gebläses 32 verzichtet
werden, wenn der durch den Kompressor 42 bereitgestellte
Luftstrom so eingestellt wird, dass er bei entsprechender Brennstoffzufuhr
zu einem geeigneten, zündfähigen Brennstoff/Luft-Gemisch
führt.
Ansonsten ist es grundsätzlich
auch möglich,
nur das Gebläse 32 zu
betreiben oder bei entsprechendem Luftbedarf sowohl das Gebläse 32 als
auch den Kompressor 42 zu betreiben.
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Weiterhin
erwärmen
die den brennstoffbetriebenen Brenner 26 verlassenden Verbrennungsabgase
in der zweiten Wärmetauscheranordnung 30 das
im Kreislauf 46 in dieser Phase in der Richtung der Pfeile
zirkulierende Wasser. Dieses Wasser trägt in der Wärmetauscheranordnung 48 ebenfalls
zur Erwärmung
der Brennstoffzelle bei, ebenso wie die erwärmte Luft, welche nach Durchströmen der
Wärmetauscheranordnung 28 und
des Gaserzeugungssystems 12 in die Brennstoffzelle 14 eintritt.
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Sind
in den verschiedenen Systembereichen ausreichend hohe Temperaturen
zur Gaserzeugung einerseits und zur Aktivierung der Brennstoffzelle 14 andererseits
erreicht, so wird die Brennstoffzelle 14 in Betrieb gesetzt.
Hierzu ist es weiterhin erforderlich, dass nunmehr der über die
Leitung 38 herangeführte Brennstoff über das
Ventil 40 in den Reformer 16 eingeleitet wird.
Unter Einsatz der in der Wärmetauscheranordnung 28 vorerwärmten Luft,
des in der Wärmetauscheranordnung 18 ggf.
ebenfalls vorerwärmten
Wassers und des zugeführten
Brennstoffs wird, wie vorangehend bereits erwähnt, im Reformer 16 dann
ein wasserstoffhaltiges Gas erzeugt, welches in der Wärmetauscheranordnung 18 wieder
gekühlt
wird und dabei dann Wärme
auf das in den Reformer 16 einzuleitende Wasser überträgt.
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Bei
der in der Brennstoffzelle 14 ablaufenden Reaktion wird
nunmehr Elektrizität
erzeugt, und das die Brennstoffzelle 14 verlassende Gasgemisch
ist ein wasserstoffentreichertes, jedoch nicht wasserstofffreies
Gasgemisch. Dieses Gasgemisch wird bei Bedarf nunmehr in den katalytischen
Brenner 24 eingeleitet. Weiterhin wird nunmehr unter der
Förderwirkung
des Gebläses 32 Luft
in den katalytischen Brenner 24 eingeleitet, wobei das
Ventil 34 so geschaltet ist, dass auch ein Teil der Luft
in die Brennstoffzelle 14 gelangt, um dort zusammen mit
dem in diese ebenfalls eingeleiteten Wasserstoff zur Stromgewinnung
umgesetzt zu werden. Die in den katalytischen Brenner 24 eingeleitete
Luft und das in diesen ebenfalls eingeleitete wasserstoffentreicherte
Gasgemisch werden unter Durchführung
einer katalytischen Reaktion und unter Wärmeerzeugung umgesetzt, wobei
bei dieser Umsetzungsreaktion Wasser bzw. Wasserdampf entsteht.
Die Wärme
transportierenden Reaktionsprodukte, die im katalytischen Brenner 24 erzeugt
werden, durchströmen
den nunmehr deaktivierten brennstoffbetriebenen Brenner 26 und
gelangen somit zu der Wärmetauscheranordnung 28 bzw.
der Wärmetauscheranordnung 30.
Ein Großteil
der in diesen Reak tionsprodukten transportierten Wärme wird
in der Wärmetauscheranordnung 28 auf
die durch den Kompressor 42 durch diese hindurch geförderte und
in den Reformer 16 einzuleitende Luft übertragen, so dass auch diese
bei Eintritt in den nunmehr zur Wasserstofferzeugung arbeitenden Reformer 16 bereits
eine geeignete erhöhte
Temperatur aufweist. Da weiterhin im Betrieb der Brennstoffzelle
diese nicht mehr erwärmt
werden muss, sondern, je nach Brennstoffzellentyp, mehr oder weniger
stark gekühlt
werden muss, wird nunmehr über den
Kreislauf 46 Wärme
auf das darin zirkulierende Wasser in der Wärmetauscheranordnung 48 übertragen,
wobei hierzu beispielsweise die Zirkulationsrichtung zu der dargestellten
Zirkulationsrichtung umgekehrt sein kann. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass
selbstverständlich
in diesem Kreislauf 46 eine das Wasser fördernde
Pumpe vorgesehen sein kann, ebenso wie eine weitere nicht dargetellte
Wärmetauscheranordnung,
in welcher dann Wärme,
die das in dem Kreislauf 46 zirkulierende Wasser entweder
in der Wärmetauscheranordnung 30 oder
in der Wärmetauscheranordnung 48 aufgenommen
hat, zur Erwärmung
eines Fahrzeuginnenraums auf in diesen einzuleitende Luft übertragen
werden kann.
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Das
vorangehend mit Bezug auf die 1 beschriebene
Brennstoffzellensystem 10 nutzt also insbesondere im Bereich
der Brenneranordnung 22 sehr effizient einen ohnehin vorhandenen
bzw. erforderlichen Luftstrom, welcher durch das Gebläse 32 bereitgestellt
wird. Hier ist also eine Verschmelzung von Systembereichen vorhanden,
die den Aufbau vereinfacht und ein effizient arbeitendes Gesamtsystem
zur Folge hat.
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Eine
derartige Brenneranordnung 22, wie sie bei dem in 1 gezeigten System eingesetzt
werden kann, ist in 2 in
prinzipieller Darstellung erkennbar. Diese Brenneranordnung 22 umfasst
ein rohrartiges Gehäuse 50,
dem in einem stromaufwärtigen
ersten Zuführbereich 52 von
dem Gebläse 32 oder
dem Kompressor 42 Luft L zugeführt wird. Weiterhin wird in
diesem stromaufwärtigen
Zuführbereich 52,
wie durch die Pfeile W ange deutet, das wasserstoffentreicherte Gas
von der Brennstoffzelle 14 zugeführt. In einem in der Strömungsrichtung
R dann folgenden und im Wesentlichen den katalytischen Brenner 24 bildenden
ersten Brennerbereich 54 ist ein Katalysatormaterial 56 vorgesehen.
Auf diesen ersten Brennerbereich 54 folgt in der Strömungsrichtung
R nach einer ersten Flammsperre 58 ein zweiter Brennerbereich 60,
der im Wesentlichen durch den vorangehend bereits angesprochenen
brennstoffbetriebenen Brenner 26 bereitgestellt ist. Diesem brennstoffbetriebenen
Brenner 26 folgt dann eine zweite Flammsperre 62 sowie
die Wärmetauscheranordnung 28.
Die in der 1 ebenfalls
dargestellte zweite Wärmetauscheranordnung 30 ist
in 2 nicht erkennbar,
kann jedoch selbstvertändlich
in entsprechender Weise einen das zu erwärmende Medium durchströmbaren Volumenbereich
aufweisen.
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Der
brennstoffbetriebene Brenner 26 umfasst folgend auf die
erste Flammsperre 58 einen Brennstoffverdampfer 64.
Dieser weist ein nach stromaufwärts
abgeschlossenes, nach stromabwärts offenes,
topfartiges Verdampfergehäuse 66 auf.
In diesem Verdampfergehäuse 66 ist
ein poröses
Verdampfermedium 68 und diesem ggf. zugeordnet eine elektrisch
betreibbare Heizeinrichtung 70 angeordnet. In das poröse Verdampfermedium 68 wird
durch die vorangehend bereits angesprochene Leitung 38 Brennstoff
eingeleitet. Bei Erregung der elektrisch betreibbaren Heizeinrichtung 70 wird
in dem porösen Verdampfermedium
vorhandener Brennstoff abgedampft. Das Verdampfergehäuse 66 kann
an seinem stromaufwärtigen
und seinem Umfangsbereich von den den ersten Brennerbereich 54 durchströmenden Gasen,
insbesondere auch der Luft L, umströmt werden. Diese Luft L durchmischt
sich in dem stromabwärts
offenen Bereich des Verdampfers 64 mit dem darin abdampfenden
Brennstoff und erzeugt somit ein zündfähiges Gemisch aus Brennstoff,
Dampf und Luft, das in einer Brennkammer 72 des brennstoffbetriebenen
Brenners 26 durch ein Glühzündorgan 74 zur Verbrennung
gezündet
werden kann. Es sei hier darauf hingewiesen, dass selbstverständlich im
Bereich des Verdampfers 66 dafür gesorgt werden kann, dass
die zusammen mit dem abdampfenden Brennstoff zu verbrennende Luft
auch in das poröse Medium 68 eintritt
und somit zu einer verstärkten
Abdampfung führt.
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Je
nachdem, welcher der beiden Brennerbereiche 54, 60 betrieben
wird, gelangen die wärmetransportierenden
Verbrennungsprodukte zur Wärmetauscheranordnung 28 bzw.
auch zur Wärmetauscheranordnung 30,
um dort Wärme
auf das diese durchströmende
Wärmeträgermedium,
also Luft bzw. Wasser, zu übertragen.
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Man
erkennt bei der in 2 dargestellten Brenneranordnung 22 als
elementares Prinzip die in Strömungsrichtung
R aufeinander folgende Positionierung der beiden Brennerbereiche 54, 60,
für welche
eine gemeinsame Luftversorgung vorgesehen ist. Im stromaufwärtigen ersten
Zuführbereich 52 wird weiterhin
das für
den Betrieb des ersten Brennerbereichs 54 erforderliche
wasserstoffhaltige Gasgemisch W zugeführt, während in einem im Wesentlichen
durch die Leitung 38 bereitgestellten zweiten bzw. stromabwärtigen Zuführbereich 76 der
für den Betrieb
des Brennerbereichs 60 erforderliche Brennstoff zugeführt wird.
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Die
beiden zwischen den Brennerbereichen 54, 60 und
dem Brennerbereich 60 und der ersten Wärmetauscheranordnung 28 vorgesehenen Flammsperren 58, 62 sorgen
dafür,
dass einerseits durch Rückzündungen
Beschädigungen
im Katalysatormaterial 56 verhindert werden können, und
dass andererseits die Flammen aus der Brennkammer 72 nicht
unmittelbar in den Bereich der Wärmetauscheranordnung 28 und
des Verdampfergehäuses 66 gelangen
können
und dort nicht lokal zu einer übermäßigen Erhitzung
beitragen können.
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Es
ist selbstverständlich,
dass prinzipiell die beiden Brennerbereiche 54, 60 gleichzeitig
betrieben werden können,
wenn ausreichend Luft zugeführt wird,
so dass nicht der gesamte in dieser Luft enthaltene Sauerstoff bereits im
Brennerbereich 54 zur Reaktion gebracht wird. Gleichwohl
erkennt man aus dem vorangehend beschriebenen Funktionsprinzip des
in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 10,
dass grundsätzlich
das gleichzeitige Betreiben des katalytischen Brenners 24 und
des brennstoffbetriebenen Brenners 26 nicht erforderlich
ist. Das gleichzeitige Betreiben kann jedoch zur Abgasnachbehandlung
erforderlich sein.
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Ein
abgewandeltes Brennstoffzellensystem 10 ist in 3 dargestellt. Man erkennt
zunächst, dass
in der Brenneranordnung 22 die Reihenfolge des brennstoffbetriebenen
Brenners 26 und der ersten Wärmetauscheranordnung 28 vertauscht
worden ist. Die erste Wärmetauscheranordnung 28 folgt
nunmehr unmittelbar auf den katalytischen Brenner 24 und überträgt die dort
erzeugte Wärme
auf das durch die Pumpe 44 zum Reformer 16 des
Gaserzeugungssystems 12 geförderte Wasser. Die zur Wasserstofferzeugung
erforderliche Luft wird zunächst
unter der Förderwirkung
des Gebläses 32 und über das Ventil 34 in
Richtung zum katalytischen Brenner 24 bzw. zur Brennstoffzelle 14 und
auch in Richtung zu dem Kompressor 42 geleitet, der nunmehr
den erforderlichen Druck zur Einspeisung der Luft in das Gaserzeugungssystem 12 bereitstellt.
Dem Kompressor 42 ist ein weiterer brennstoffbetriebener Brenner 78 nachgeschaltet.
Der in der Ausgestaltungsform gemäß 3 erkennbare zusätzliche brennstoffbetriebene
Brenner kann von herkömmlichem
Aufbau sein und als Verdampfungsbrenner arbeiten, ebenso wie der
erkennbare brennstoffbetriebene Brenner 26. Die vom Kompressor 42 geförderte Luft
durchströmt
den brennstoffbetriebenen Brenner 78, solange dieser nicht
aktiviert ist, tritt in die Wärmetauscheranordnung 18 des
Gaserzeugungssystems 12 ein, und verlässt diese Wärmetauscheranordnung 18 wieder,
um dann zum Reformer 16 geleitet zu werden. Der über die
Leitung 38 herangeführte Brennstoff
wird nunmehr über
das Ventil 44 und ein weiteres Ventil 80 zum brennstoffbetriebenen
Brenner 26, zum brennstoffbetriebenen Brenner 78 und zum
Reformer 16 geleitet, wobei je nach Beschattung der Ventile 40, 80 hier
wahlweise nur einer oder mehrere dieser Bereiche mit flüssigem Brennstoff
versorgt werden können.
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Dieses
in 3 gezeigte Brennstoffzellensystem
wird so betrieben, dass zunächst
wieder der brennstoffbetriebene Brenner 26 und zusätzlich auch der
brennstoffbetriebene Brenner 78 aktiviert werden. Dazu
wird zumindest das auch dem katalytischen Brenner 24 zugeordnete
Gebläse 32,
vorzugsweise zusätzlich
jedoch auch der Kompressor 42, aktiviert. Die im brennstoffbetriebenen
Brenner 26 erzeugte Wärme
wird in der zweiten Wärmetauscheranordnung 30 nunmehr
auf das im Kreislauf 46 zirkulierende Wasser und von diesem
auf die Wärmetauscheranordnung 48 der
Brennstoffzelle 14 übertragen.
Die im brennstoffbetriebenen Brenner 78 erzeugte Wärme wird
in den Verbrennungsprodukten desselben zur Wärmetauscheranordnung 18 transportiert.
Dabei kühlen
sich diese Verbrennungsprodukte unter gleichzeitiger Erwärmung der
Wärmetauscheranordnung 18 ab
und treten dann in den Reformer 16 ein. Auch im Reformer 16 wird
Wärme abgegeben,
so dass diese Verbrennungsprodukte nunmehr mit einer Temperatur
in die Wärmetauscheranordnung 18 eintreten,
die geringer ist als diejenige Temperatur, die die Verbrennungserzeugnisse
beim Verlassen des brennstoffbetriebenen Brenners 78 und
beim erstmaligen Eintreten in die Wärmetauscheranordnung 18 hatten.
Dies führt
dazu, dass die weiter zur Gasreinigungsstufe 20 geleiteten
Verbrennungsprodukte wieder etwas erwärmt werden. Dies führt zu einer
sehr gleichmäßigen Verteilung
der Wärme
auf die verschiedenen Systembereiche des Gaserzeugungssystems 12 und
auch der Brennstoffzelle 14.
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Der
Brennstoffzelle 14 ist jedoch nunmehr ein weiteres Ventil 82 vorgeschaltet.
Durch dieses Ventil ist es möglich,
wahlweise das das Gaserzeugungssystem 12 verlassende Gas
zur Brennstoffzelle 14 zu leiten oder nach außen hin
abzugeben. In der Startphase des Systems, in welcher insbesondere
im brennstoffbetriebenen Brenner 78 ein sehr hoher Kohlenmonoxidanteil
erzeugt wird, wird dieses Ventil 82 so geschaltet, dass
nach dem Durchströmen
des Gaserzeugungssystems 12 diese Verbrennungsprodukte
nicht in die Brennstoffzelle 14 gelangen können, da
sie dort zu Beschädigungen
des Katalysatormaterials führen
können.
Erst dann, wenn diese Verbrennungserzeugnisse einen geringeren CO-Gehalt aufweisen,
können
sie durch entsprechende Umschaltung des Ventils 82 auch
durch die Brennstoffzelle 14 hindurchgeleitet werden und
somit auch zusätzlich
zu deren Erwärmung
beitragen bzw. ggf. bei entsprechender Schaltung des Ventils 36 auch
in den katalytischen Brenner 24 zur Erwärmung desselben bzw. des Katalysatormaterials
eingeleitet werden. Da hierbei ggf. jedoch eine Beeinträchtigung
des Betriebs des brennstoffbetriebenen Brenners 26 erzeugt
werden kann, kann grundsätzlich
das die Brennstoffzelle 14 verlassende Verbrennungserzeugnis
des brennstoffbetriebenen Brenners 78 über das Ventil 36 nach
außen
hin bzw. in ein Abgasreinigungssystem abgegeben werden.
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Wie
durch einen gestrichelten Pfeil P angedeutet, ist es möglich, den
Verbrennungsprodukten, die den brennstoffbetriebenen Brenner 78 verlassen, zusätzlich einen
bestimmten Wasseranteil beizumischen. Aufgrund der hohen Temperatur
dieser Verbrennungsprodukte wird dieses Wasser verdampfen und als
Wasserdampf durch die Wärmetauscheranordnung 18 und
den Reformer 16 hindurch transportiert werden. Auf diese
Art und Weise kann beispielsweise etwa ein Drittel des gesamten
in den Reformer 16 einzuspeisenden Wassers zuvor zu einer
verstärkten
Erwärmung
der Wärmetauscheranordnung 18 aufgrund
der höheren
Wärmespeicherkapazität der mit
Wasserdampf angereicherten Verbrennungsprodukte genutzt werden.
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Sind
bei diesem in 3 gezeigten
System die erforderlichen Temperaturen erreicht, so werden die beiden
brennstoffbetriebenen Brenneranordnungen 26, 78 deaktiviert,
und es kann nunmehr im katalytischen Brenner 24 bei gleichzeitig
auch betriebener Brennstoffzelle 14 die Reaktion unter
Umsetzung von Wasserstoff und Luftsauerstoff ablaufen, deren Reaktions wärme dann
in der Wärmetauscheranordnung 28 auf
das zum Reformer 16 geleitete Wasser übertragen wird.
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Eine
weitere Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
ist in 4 gezeigt. Dieses
ist im Wesentlichen so aufgebaut, wie das vorangehend mit Bezug
auf die 3 beschriebene
Brennstoffzellensystem. Man erkennt jedoch, dass im Abgasstrom der
Brenneranordnung 22 folgend auf die zweite Wärmetauscheranordnung 30 nunmehr
ein Umschaltventil 84 vorgesehen ist. Durch dieses Umschaltventil 84 können die
Verbrennungsprodukte des brennstoffbetriebenen Brenners 26 wahlweise
in den Reformer 16 des Gaserzeugungssystems 12 geleitet
werden. Hier ersetzt also der brennstoffbetriebene Brenner 26 den
in 3 erkennbaren zusätzlichen
brennstoffbetriebenen Brenner 78 insofern, als er einerseits,
ebenso wie in 3 erkennbar,
in der Wärmetauscheranordnung 30 zur Erwärmung es
im Kreislauf 46 zirkulierenden und die Brennstoffzelle 14 erwärmenden
Wassers beiträgt, und
indem er andererseits mit seinen die Wärmetauscheranordnung 30 verlassenden,
immer noch warmen Verbrennungsabgasen zur Erwärmung des Gaserzeugungssystems 12 beiträgt. Auch
hier wird so vorgegangen, dass in der Startphase des brennstoffbetriebenen
Brenners 26 die das Brennstofferzeugungssystem 12 durchströmenden Verbrennungsprodukte
durch entsprechende Schaltung des Ventils 82 nicht zur
Brennstoffzelle 14 geleitet werden. Erst wenn der CO-Gehalt auf ein für die Brennstoffzelle
unschädliches
Maß gesunken
ist, kann durch Umschalten des Ventils 82 dafür gesorgt
werden, dass auch die Brennstoffzelle 14 durch diese Verbrennungsprodukte
vorerwärmt
wird.
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Alternativ
ist es hier, wie durch einen gestrichelten Pfeil S angedeutet, möglich, die
Verbrennungsprodukte des brennstoffbetriebenen Brenners 26 nicht
direkt in den Reformer 16, sondern zunächst in die Wärmetauscheranordnung 18 des
Gaserzeugungssystems 12 zu leiten, so dass, ebenso wie
vorangehend beschrieben, auch diese Wärmetauscheranordnung 18 vorerwärmt wird,
die Verbrennungsprodukte dann den Reformer 16 unter Erwärmung desselben
durchströmen
und in der Wärmetauscheranordnung 18 dann
wieder Wärme
von in diese eintretenden Verbrennungsprodukten aufnehmen.
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Bei
einer Abwandlung des in 4 gezeigten
Brennstoffzellensystems 10 kann das Ventil 84 zwischen
dem brennstoffbetriebenen Brenner 26 und der Wärmetauscheranordnung 30 angeordnet
sein, um die Verbrennungsabgase des brennstoffbetriebenen Brenners 26 oder
einen durch die Stellung des Ventils 84 bestimmbaren Teil
davon nicht durch die Wärmetauscheranordnung 30 zu
leiten, sondern sofort ohne wesentliche Wärmeverluste zum Gaserzeugungssystem 12 zur
Erwärmung
desselben zu leiten.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass alle vorangehend beschriebenen Brennstoffzellensysteme 10 den
elementaren Vorteil aufweisen, dass aufgrund des Eingliederns eines
brennstoffbetriebenen Brenners 26 oder/und 78 das
Gesamtsystem zusätzlich auch
in Verbindung mit dem Kreislauf 46 als Zuheizer, beispielsweise
für ein
Dieselaggregat, oder als Standheizung für einen Fahrzeuginnenraum betrieben
werden kann. Insbesondere im Standheizungsmodus ist es weiter möglich, nach
entsprechender Erwärmung
des Gasreinigungssystems 12 und der Brennstoffzelle 14 die
in der Brennstoffzelle 14 dann beim Betreiben derselben
erzeugte elektrische Energie zur Versorgung des brennstoffbetriebenen
Brenners 26 zu nutzen. Während der Startphase, in welcher
die Brennstoffzelle 14 noch nicht arbeitet, ist hierfür eine externe
Energiequelle erforderlich.
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Weiter
sei darauf hingewiesen, dass es bei allen beschriebenen Systemen
möglich
ist, das Gaserzeugungssystem 12 so zu gestalten, dass durch überstöchiometrische
Verbrennung des in den Reformer 16 eingespeisten Brennstoffs
in einem stromaufwärtigen
oder einem stromabwärtigen
Bereich zusätzlich
Wärme bereitgestellt
wird, die zu einer weiter beschleunigten Erwärmung vor allem verschiedener
Systemkomponenten des Gaserzeugungssystems 12 beiträgt.
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Bei
allen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemen
ist es selbstverständlich
möglich,
anstelle des/der vorangehend beschriebenen Verdampferbrenner als
brennstoffbetriebene Brenner andere Typen einzusetzen. So können hier
beispielsweise Zerstäuberbrenner
oder Matrixbrenner ebenso zum Einsatz gelangen.
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Bei
einer weiteren in den Figuren nicht dargestellten Ausgestaltungsform
ist es weiterhin möglich,
das Gaserzeugungssystem 12 so auszugestalten, dass es zunächst ein
Wasserstoff enthaltendes Gasgemisch erzeugt, das dann unter Einsatz
einer Wasserstoffseparationsmembran in zwei Teilströme aufgeteilt
wird. Ein erster dieser Teilströme
enthält
im Wesentlichen nur Wasserstoff und wird zur Brennstoffzelle 14 geleitet.
Der zweite Teilstrom ist wasserstoffentreichert, enthält aber
immer noch einen bestimmten Anteil an Wasserstoff. Dieser wasserstoffentreicherte
Gasstrom wird dann nicht zur Brennstoffzelle 14, sondern
unmittelbar zum katalytischen Brenner 24 geleitet, um dort
zusammen mit Luft zur Reaktion gebracht zu werden und Wärme zu erzeugen.
Bei einem derartigen System ist es weiterhin möglich, den die Brennstoffzelle 14 verlassenden Strom,
welcher immer noch einen Anteil von Wasserstoff enthält, ebenso
wie den wasserstoffentreicherten Gasstrom zum katalytischen Brenner 24 zu
leiten, um dort den noch vorhandenen Wasserstoff zur Wärmeerzeugung
nutzen zu können.
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Eine
weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungsform
eines Brennstoffzellensystems 10 ist in 5 gezeigt. Im Gegensatz zu den vorangehend beschriebenen
Systemen, wo so genannte PEM-Brennstoffzellen eingesetzt wurden,
die im Betrieb der Kühlung
bedürfen,
ist bei dem in 5 gezeigten
System eine Hochtemperaturbrennstoffzelle, also eine so genannte
SOFC-Brennstoffzelle, eingesetzt, die bei einer Betriebstemperatur
von etwa 650°C
arbeitet. Deshalb ist es bei dieser Brennstoffzelle nicht möglich, die
für den
Betrieb erforderlichen Temperaturen mit Wasser als Wärmeübertrager
zu erzeugen. Bei dem in 5 gezeigten
Brennstoffzellen system ist daher auch der Wasser führende Kreislauf 46 nicht
in Kontakt mit der Brennstoffzelle 14. Vielmehr erkennt
man, dass das das Gaserzeugungssystem verlassende wasserstoffhaltige
Gasgemisch, ohne durch eine Gasreinigungsstufe hindurchgeleitet
zu werden, die Wärmetauscheranordnung 28 durchströmt und dann
in die Brennstoffzelle 14 gelangt. Dem Gaserzeugungssystem 12 ist
wieder ein brennstoffbetriebener Brenner 78 vorgeschaltet,
dem bei entsprechender Beschaltung der Ventile 80, 40 Brennstoff
zuführbar
ist und bei entsprechender Beschaltung eines Ventils 86 vom
Gebläse 32 oder
einem Kompressor o.dgl. Luft zuführbar
ist.
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In
der Vorwärmphase
werden bei betriebenem brennstoffbetriebenem Brenner 78 durch
die Verbrennung heiße
Verbrennungsprodukte erzeugt, die die Wärmetauscheranordnung 18 durchströmen und
in den Reformer 16 geleitet werden. Beim Durchströmen des
Reformers 16 wird auch dieser erwärmt. Die Verbrennungsprodukte
gelangen dann zum Ventil 82 und können zur Vorwärmung der
Brennstoffzelle 14 auch durch diese hindurchgeleitet werden.
Erforderlichenfalls ist es jedoch auch möglich, diese Verbrennungsprodukte über das
Ventil 82 und ein nicht dargestelltes Abgasreinigungssystem
zur Umgebung hin abzugeben. Nach ausreichender Vorwärmung des
Gaserzeugungssystems 12 bzw. der Brennstoffzelle 14 wird
bei deaktiviertem brennstoffbetriebenen Brenner 78 dann
die Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gasgemisches gestartet, um auch
die Brennstoffzelle 14 zur Stromerzeugung betreiben zu
können.
Die dabei im Reformer 16 neben dem über die Ventile 80, 40 zugeführten Brennstoff erforderliche
Luft wird über
den brennstoffbetriebenen Brenner 78, welcher in dieser
Phase jedoch nicht aktiviert ist, und die Wärmetauscheranordnung 18 in den
Reformer 16 eingespeist und somit bei der Erzeugung des
Reformats auch gleichzeitig vorerwärmt. Das wasserstoffentreicherte
Gasgemisch, welches die Brennstoffzelle 14 verlässt, wird über das
Ventil 36 zum katalytischen Brenner 24 geleitet und dort
zusammen mit der über
die Ventile 86, 34 zugeführten Luft zur Wärmeerzeugung
umgesetzt. In der Wärmetauscheranordnung 28 wird
diese Wärme dann
auf die über
die Ventile 86, 34 in die Brennstoffzelle 14 einzuleitende
Luft übertragen,
um diese vorzuwärmen.
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Bei
dem in 5 dargestellten
System arbeitet der brennstoffbetriebene Brenner 26 mit
der diesem nachgeschalteten Wärmetauscheranordnung 30 lediglich
zur Erwärmung
anderer Fahrzeugsystembereiche, beispielsweise als Standheizung
oder als Zuheizer. Es ist jedoch auch eine Variante möglich, bei
welcher die Positionierung des brennstoffbetriebenen Brenners 26 und
der Wärmetauscheranordnung 28 vertauscht
ist und beispielsweise die in 1 erkennbare
Staffelung vorliegt. In diesem Falle kann dann der brennstoffbetriebene
Brenner 26 auch in der Startphase betrieben werden, um
die dort erzeugte Wärme
in der Wärmetauscheranordnung 28 auf
Luft zu übertragen,
die dann zur Vorwärmung
der Brennstoffzelle 14 in diese eingespeist wird.