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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug,
mit einer Brennstoffzelle, einem Reformer und einer Wasserversorgungseinrichtung
zur Versorgung des Reformers mit Wasser.
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Außerdem bezieht
sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Versorgung eines Brennstoffzellesystems
mit Wasser gemäß des Oberbegriffs
des Anspruchs 7.
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Weiter
betrifft die Erfindung eine Verwendung einer Totaloxidationseinheit
nach Anspruch 11.
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Brennstoffzellensysteme
und Verfahren der gattungsgemäßen Art
sind bekannt.
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Diesen
Systemen, insbesondere falls diese mobil eingesetzt werden sollen,
liegt der Gedanke einer zumindest ausgeglichenen Wasserbilanz zu Grunde.
Ein solches System soll also während
seiner Betriebs- beziehungsweise Startphase ohne Zugabe zusätzlichen
Prozesswassers (externe Betankung) auskommen.
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Bevorzugt
kommen dabei Membran- oder Festoxidbrennstoffzellen zum Einsatz.
Als Sekundärbrennstoff
dient bei diesen Typen hauptsächlich Wasserstoff.
Je nach Einsatzgebiet wird jedoch kein Reinstwasserstoff, sondern
bevorzugt ein konventioneller Energieträger als Primärkraftstoff
zugeführt (Beispielsweise
Methanol, Benzin, Erdgas, etc.). In einem solchen Fall muss der
Kraftstoff über
einen Reformierungsprozess in ein wasserstoffreiches Gas umgesetzt
werden.
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Bekannt
sind insbesondere solche Systeme, die diese Anforderungen durch
eine Wasserversorgungseinrichtung erfüllen. Insbesondere sind Systeme
bekannt, bei denen anfallendes Produktwasser zurückgewonnen und vorzugsweise
als Wasserdampf dem Reformierungsprozess zugeführt wird. Es hat sich jedoch
herausgestellt, das solche Systeme einen recht komplizierten Aufbau
aufweisen und auch in kalten Umgebungen auf Grund eventuell zurückgebliebenem,
gefrorenem Kondensat Schwierigkeiten in der Startphase bereiten
beziehungsweise die Versorgung des Reformierungsprozesses mit Wasser
nicht in allen Betriebsphasen des Systems zu 100% zufriedenstellend
war.
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Aus
der
DE 199 43 248
A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem der
Wasserbedarf der Reformierungsreaktion direkt an eine Oxidationsrate einer
teilweisen Verbrennung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs in
einer Oxidationseinheit stromauf des Reformierungsreaktors gekoppelt
wird. Dies birgt jedoch die mit einer unterstöchiometrischen Verbrennung
einhergehenden Nachteile. So entstehen beispielsweise bei der Verbrennung
eines Kohlenstoff und Wasserstoff enthaltenden Brennstoffs neben dem
erwünschten
Wasser auch verstärkt
weitere dem nachfolgenden Prozess hinderliche Reaktionsendprodukte,
insbesondere Kohlenmonoxid und Ruß. Außerdem hat sich herausgestellt,
dass sich dieses System nicht in jedem Betriebszustand optimal regeln
beziehungsweise Steuern lässt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen,
das diese Nachteile verringert beziehungsweise vermeidet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass
die Wasserversorgung eine separate Wassererzeugungseinrichtung aufweist.
Die Wassererzeugungseinrichtung stellt das von dem Reformer benötigte Wasser
zur Verfügung
und ermöglicht
so einen wasserautarken Betrieb des Brennstoffzellensystems. Dies
erlaubt also einen von äußeren Betriebsstoffen
möglichst
unabhängigen
Betrieb des Systems, weil eine aufwändige und bei Temperaturen
unter dem Gefrierpunkt nachteilige externe Betankung, insbesondere
bei einem mobilen Einsatz des Systems, entfallen kann. Außerdem kann
so die Rückführungsrate
einer möglicherweise
zusätzlich
vorhandenen Wasserrückführungseinrichtung
für das
in dem Brennstoffzellensystem geführte Wasser verringert werden.
Weil die Wassererzeugungseinrichtung nicht mit anderen Bauteilen
kombiniert ist, kann diese vorteilhafterweise separat gesteuert
beziehungsweise geregelt werden, was eine sichere Versorgung des
Reformers mit Wasser in den unterschiedlichsten Betriebszuständen des
Brennstoffzellensystems ermöglicht.
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Bevorzugt
wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das sich dadurch auszeichnet, dass die Wassererzeugungseinrichtung
eine Totaloxidationseinheit aufweist. Die Totaloxidationseinheit
verbrennt einen Brennstoff, insbesondere CxHy und/oder CxHyOH und/oder
H2, vollständig
beziehungsweise stöchiometrisch.
Als Endprodukte fallen im wesentlichen nur Wasser und Kohlendioxid
beziehungsweise Wasser an. Das in der Totaloxidationseinheit entstehende
Wasser kann zur Versorgung des Reformers diesem zugeführt werden.
Darüber
hinaus kann die entstehende Reaktionswärme vorteilhaft zum Aufheizen
des Systems in der Startphase und/oder zur Versorgung des im Reformer
ablaufenden Reformierungsprozesses mit Energie verwendet werden.
Insbesondere kann die Wasserversorgung in der Startphase selbst
dann gewährleistet
werden, wenn bei der Abschaltphase des Systems alles Wasser beziehungsweise
Kondensat aus Frostschutzgründen
aus diesem entfernt wird. Die Totaloxidationseinheit dient in diesem
Zusammenhang also als wasserunabhängige Starteinheit des Brennstoffzellensystems.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Totaloxidationseinheit
eine erste Gemischbildungseinheit vorgeschaltet ist. In der ersten
Gemischbildungseinheit kann der Brennstoff mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch,
vorzugsweise Luft, vermengt und so für die nachfolgende Verbrennung
bzw. Totaloxidation aufbereitet werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Totaloxidationseinheit
eine zweite Gemischbildungseinheit nachgeschaltet ist. In der zweiten
Gemischbildungseinheit können
die in der Totaloxidationseinheit entstehenden Reaktionsprodukte
mit weiteren Komponenten, insbesondere einem sauerstoffhaltigen
Gasgemisch, vorzugsweise Luft, sowie Brennstoff vermengt werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zweite Gemischbildungseinheit
zur Versorgung des Reformers diesem vorgeschaltet ist. Der Reformer
kann also mit einem in der zweiten Gemischbildungseinheit herstellbaren,
reaktionsfähigen
Gemenge versorgt werden. Dieses kann beispielsweise im Wesentlichen
die Edukte CxHy und/oder CxHyOH und/oder H2, H2O und O2 sowie die
Inertgasanteile CO2 und N2 aufweisen.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wasserversorgungseinrichtung
eine Wasserrückführeinrichtung
aufweist. Die Wasserrückführeinrichtung
dient zur Rückführung von
in der Kathodenseite der Brennstoffzelle entstehenden Produktwassers
und kann vorteilhaft mit der Wassererzeugungseinrichtung kombiniert
werden. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird also das für den Reformierungsprozess
benötigte
Prozesswasser teilweise durch die Wassererzeugungseinrichtung und
teilweise durch die Wasserrückführeinrichtung
bereitgestellt. Folglich reduziert sich im Vergleich zu herkömmlichen
Systemen ohne Wassererzeugungseinrichtung der Aufwand, der für die Wasserrückführung getrieben
werden muss. Denkbar ist es auch, in bestimmten Betriebszuständen eine
der Einrichtungen ganz oder teilweise abzuschalten, insbesondere
in der Startphase nur die Wassererzeugungseinrichtung und in der
Betriebsphase nur die Wasserrückführeinrichtung
zu verwenden.
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Die
der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren
nach Anspruch 7 gelöst.
Kennzeichnend wird der Reformer zumindest teilweise mit Produktwasser,
das durch eine Totaloxidation eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs
erzeugt wird, versorgt. Bei der Totaloxidation des Brennstoffs entstehen
im wesentlichen Kohlendioxid und Wasser. Unerwünschte Reaktionsprodukte, wie
beispielsweise Ruß oder
Kohlenmonoxid, entstehen nur in verhältnismäßig geringem Maße. Das Wasser
wird vorteilhafterweise dem Reformer zugeführt. Eine Wasserrückführungseinrichtung
wird verzichtbar oder kann zumindest kleiner ausgelegt werden. Insbesondere
kann das Brennstoffzellensystem wasserunabhängig, also ohne jegliche Speicherung und/oder
externe Zuführung
von Wasser, gestartet werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die bei der Totaloxidation
anfallende Reaktionswärme
dem Reformer zugeführt
wird. Hierdurch kann ein eigentlich endotherm verlaufender Reformierungsprozess
zusammen mit der Totaloxidation zu einem autothermen Gesamtprozess
kombiniert werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Totaloxidation
im wesentlichen adiabat durchgeführt
wird. Etwaige Vorrichtungen zur Wärmekopplung und/oder Kühlung werden
bei diesem Prozessschritt nicht benötigt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die Endprodukte der
Totaloxidation dem Reformer zugeführt werden. Mit den Endprodukten
kann dem Reformer gleichzeitig das benötigte Reaktionswasser und die bei
der Totaloxidation entstehende Wärme
zugeführt werden.
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Schließlich wird
die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe auch durch die Verwendung
einer Totaloxidationseinheit zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems,
insbesondere eines Reformers des Brennstoffzellensystems, mit Wasser
gelöst.
In der Totaloxidationseinheit kann ein wasserstoffhaltiger Brennstoff
verbrannt werden. Das dabei entstehende Wasser kann vorteilhaft
zur Deckung des Wasserhaushalts des Reformers genutzt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Kombinationsmöglichkeiten
der Unteransprüche
und aus der Beschreibung.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. In
der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem
anhand eines Blockschaltbilds, aus dem auch das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Verwendung
hervorgehen, dargestellt. Volumenströme, die in hier nicht dargestellten Pfaden,
insbesondere Rohrleitungen, Schläuchen etc.,
geführt
werden, sowie die dazugehörigen
Strömungsrichtungen
sind durch Pfeile und Linien symbolisiert.
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Die
einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems 1,
dass insbesondere zum Einsatz in einem hier nicht dargestellten
Fahrzeug vorgesehen ist.
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Des
Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelle 3,
beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel, mit einer Anodenseite 5 und
einer Kathodenseite 7 auf. Bei der Brennstoffzelle 3 handelt es
sich vorzugsweise um eine Membranbrennstoffzelle, insbesondere Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle
(PEM-Brennstoffzelle), oder Festoxidbrennstoffzelle.
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Die
Kathodenseite 7 der Brennstoffzelle 3 wird durch
einen Kathodenluftvolumenstrom 9 gespeist. Zuvor wird der
Kathodenluftvolumenstrom 9 durch einen Kathodenluftkompressor 11 verdichtet. Bei
dem Kathodenluftvolumenstrom 9 handelt es sich um ein sauerstoffreiches
Gasgemisch, vorzugsweise um aus der Umgebung angesaugte Frischluft.
Der Kathodenluftkompressor 11 ist also stromaufwärts an eine
hier nicht näher
dargestellte Ansaugöffnung
und stromabwärts
an die Kathodenseite 7 der Brennstoffzelle 3 angeschlossen.
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In
der Kathodenseite 7 der Brennstoffzelle 3 wird
der Kathodenluftvolumenstrom 9 unter Verbrauch von Sauerstoff
mit dort anfallendem Produktwasser angereichert, also in einen Brennstoffzellenabgasvolumenstrom 13 umgewandelt.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
verlässt.
der Brennstoffzellenabgasvolumenstrom 13 das Brennstoffzellensystem 1 durch
eine nicht näher
dargestellte Abgasöffnung.
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Die
Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 wird durch
einen von einem Reformer 15 erzeugten wasserstoffreichen
Prozessgasvolumenstrom 17 gespeist. Der Reformer 15 ist
also stromabwärts
direkt an die Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 angeschlossen.
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Es
ist auch möglich,
in den Prozessgasvolumenstrom 17 weitere, hier nicht dargestellte
Prozessschritte zu schalten. Denkbar sind insbesondere Maßnahmen
zur Prozessgasreinigung, wie beispielsweise eine Shiftreaktion,
eine Wasserstoffabtrennung durch eine selektiv durchlässige Membran
oder eine Kohlenmonoxidnachverbrennung. Bevorzugt ist in den Reformer 15 eine
hier nicht dargestellte Vorrichtung zur Prozessgasreinigung bereits
integriert, sodass der Prozessgasvolumenstrom 17 möglichst wenige
Verunreinigungen, insbesondere Kohlenmonoxid und Schwefelverbindungen,
enthält.
Der Prozessgasvolumenstrom 17 besteht dann quasi aus reinem
Wasserstoff oder aus einem Gemisch aus Wasserstoff und anderen für die Brennstoffzelle 3 unschädlichen
Bestandteilen.
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Denkbar
ist es auch, auf eine wie oben beschriebene Prozessgasreinigung
zu verzichten oder zumindest den hierfür notwendigen Aufwand deutlich zu
reduzieren, also beispielsweise höhere Verunreinigungen durch
Kohlenmonoxid zuzulassen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn
es sich bei der Brennstoffzelle 3 um eine oxidkeramische
oder eine Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle handelt.
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In
der Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 wird der
Prozessgasvolumenstrom 17, insbesondere unter Verbrauch
des darin enthaltenen Wasserstoffs in einen Anodengasrückführvolumenstrom 19 umgewandelt.
Der Anodengasrückführvolumenstrom 19 wird
in den Reformer 15 zurückgeführt. Die
Anodenseite 5 der Brennstoffzelle 3 ist also ausgangsseitig stromabwärts an den
Reformer 15 angeschlossen. Es ist denkbar, dem Anodengasrückführvolumenstrom 19 andere
Prozessschritte, insbesondere eine Restgasverbrennung, nachzuschalten
und/oder diesen vorzugsweise direkt oder teilweise abzuleiten.
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Erfindungsgemäß weist
das Brennstoffzellensystem 1 eine Wasserversorgungseinrichtung 25 mit
einer separaten Wassererzeugungseinrichtung 27 auf. Die
Wassererzeugungseinrichtung 27 ist hier als getrennte Baueinheit
ausgeführt
und folglich durch hier nicht näher
dargestellte Mittel, insbesondere Luftklappen, Sensoren, Einspritzdüsen, etc.,
separat steuerbar beziehungsweise regelbar.
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Die
Wassererzeugungseinrichtung 27 weist eine erste Gemischbildungseinheit 29 und
eine stromabwärts
daran angeschlossenen Totaloxidationseinheit 31 auf. Stromaufwärts wird
die erste Gemischbildungseinheit 29 durch einen Brennstoffvolumenstrom 33 und
einen Zuluftvolumenstrom 35 gespeist. Der Brennstoffvolumenstrom 33 enthält einen flüssigen oder
gasförmigen
wasserstoffhaltigen, insbesondere Methan, Methanol, Benzin, Diesel,
Erdgas, etc., Brennstoff. Bei dem Zuluftvolumenstrom 35 handelt
es sich um ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, insbesondere Luft.
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Der
Brennstoffvolumenstrom 33 und der Zuluftvolumenstrom 35 werden
in der ersten Gemischbildungseinheit 29 vermengt, sodass
ein reaktionsfähiges
Gemisch entsteht.
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Das
reaktionsfähige
Gemisch wird als Gemischvolumenstrom 37 der Totaloxidationseinheit 31 zugeführt. In
der Totaloxidationseinheit 31 wird der Gemischvolumenstrom 37 stöchiometrisch
verbrannt. Der Brennstoffvolumenstrom 33 und der Zuluftvolumenstrom 35 werden
also in der Gemischbildungseinheit 29 mit einer Luftzahl
größer gleich
1 aufbereitet.
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Stromabwärts ist
die Totaloxidationseinheit 31 an eine zweite Gemischbildungseinheit 39 angeschlossen.
Durch die Verbrennung des Brennstoffs wird der Gemischvolumenstrom 37 in
einen hauptsächlich
die Reaktionsendprodukte Wasser und Kohlendioxid sowie Inertgas
enthaltenen Wasserversorgungsvolumenstrom 41 umgewandelt.
Je nach Brennstoff können
auch Schwefelverbindungen enthalten sein.
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Der
zweiten Gemischbildungseinheit 39 werden der Wasserversorgungsvolumenstrom 41 und ebenfalls
der Zuluftvolumenstrom 35 sowie der Brennstoffvolumenstrom 33 zugeführt und
dort zu einem Reformergasvolumenstrom 43, der den Reformer 15 speist,
vermengt. Die zweite Gemischbildungseinheit 39 ist also
stromabwärts
an den Reformer 15 angeschlossen. Der Reformergasvolumenstrom 43 enthält also
zumindest Brennstoff, für
den Reformationsprozess notwendiges, von der Totaloxidationseinheit 31 herrührendes
Wasser und Sauerstoff sowie gegebenenfalls Inertgase. Außerdem ist der
Reformergasvolumenstrom 43 durch die in der Totaloxidationseinheit 31 entstehende
Verbrennungswärme
vorgewärmt.
In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
verläuft
die Verbrennung des Brennstoffs im wesentlichen adiabat. Die Totaloxidationseinheit 31 ist
also nicht gekühlt,
sodass quasi die gesamte Verbrennungsenergie über den Reformergasvolumenstrom 43 dem
Reformer 15 zugeführt werden
kann, um den eigentlich endotherm verlaufenden Reformierungsprozess
ausreichend mit Energie zu versorgen. So können die Totaloxidation und der
Reformierungsprozess zu einem autothermen Gesamtprozess kombiniert
werden. Hierzu ist der Gesamtprozess entsprechend zu regeln. Dies
kann durch hier nicht näher
dargestellte Steuer- und Regelelemente der Gemischbildungseinheiten 29, 39 erfolgen.
Insbesondere einzustellen sind die relative produzierte Wasser-
und Wärmemenge,
also der Anteil des in der Totaloxidationseinheit 31 verbrannten Brennstoffs
zu dem im Reformer 15 umgesetzten Brennstoff, sowie die
Luftzahlen der Verbrennung und des Reformierungsprozesses.
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In
dem Reformer 15 wird der Reformergasvolumenstrom 43 in
einen im wesentlichen Kohlendioxid, Wasser und Inertgas enthaltenen
Reformerabgasvolumenstrom 44 umgesetzt. Reformierungsprozesse
sind bekannt, sodass hier nicht weiter darauf eingegangen wird.
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Der
Zuluftvolumenstrom 35 wird durch einen Reformerkompressor 45 verdichtet
und durch ein erstes Dreiwegeventil 47 so aufgeteilt, dass
dieser beide Gemischbildungseinheiten 29 und 39 speist. Der
Reformerkompressor 45 ist also stromabwärts an das Dreiwegeventil 47 und
dieses mit jeweils einem Ausgang an die Gemischbildungseinheiten 29, 39 angeschlossen.
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Der
Brennstoffvolumenstrom 33 wird durch einen Tank 49 gespeist,
durch eine Pumpe 51 gefördert
und durch ein zweites Dreiwegeventil 53 so aufgeteilt,
dass dieser beide Gemischbildungseinheiten 29 und 39 speist.
Der Tank 49 ist also stromabwärts über die Pumpe 51 und über jeweils
einen Ausgang des zweiten Dreiwegeventils 53 an die Gemischbildungseinheiten 29, 39 angeschlossen.
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Die
Dreiwegeventile 47, 53 können steuerbar ausgelegt werden,
also Einzelteile der oben angesprochenen Steuer- und Regelelemente
der Gemischbildungseinheiten 29, 39 sein.
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Bei
einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Wasserversorgungseinrichtung 25 zusätzlich eine
zumindest teilweise Rückführung des
feuchten Brennstoffzellenabgasvolumenstroms 13 auf. Hierzu
ist die Kathodenseite 7 der Brennstoffzelle 3,
vorzugsweise über
steuerbare Dreiwegeventile, an eine der Gemischbildungseinheiten 29, 39,
die Totaloxidationseinheit 31 und/oder den Reformer 15 und/oder
die nicht dargestellte Abgasöffnung
angeschlossen.
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Außerdem ist
es möglich,
Wasserstoff aus dem Prozessgasvolumenstrom 17 der Totaloxidationseinheit 31 zuzuführen, um
so Wasser und für
den Reformierungsprozess benötigte
Energie zu erzeugen.
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Ferner
ist es denkbar, an Stelle der Totaloxidationseinheit 31 einen
Verbrennungsmotor vorzusehen.
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Schließlich ist
es denkbar, die Wassererzeugungseinrichtung 27, also die
erste Gemischbildungseinheit 29 und die Totaloxidationseinheit 31,
in einem Bauteil zu integrieren und/oder hierfür marktübliche Brenner, vorzugsweise
Zuheizsysteme, zu verwenden.
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzelle
- 5
- Anodenseite
- 7
- Kathodenseite
- 9
- Kathodenluftvolumenstrom
- 11
- Kathodenluftkompressor
- 13
- Brennstoffzellenabgasvolumenstrom
- 15
- Reformer
- 17
- Prozessgasvolumenstrom
- 19
- Anodengasrückführvolumenstrom
- 21
- Reformergasvolumenstrom
- 25
- Wasserversorgungseinrichtung
- 27
- Wassererzeugungseinrichtung
- 29
- erste
Gemischbildungseinheit
- 31
- Totaloxidationseinheit
- 33
- Brennstoffvolumenstrom
- 35
- Zuluftvolumenstrom
- 37
- Gemischvolumenstrom
- 39
- zweite
Gemischbildungseinheit
- 41
- Wasserversorgungsvolumenstrom
- 43
- Reformergasvolumenstrom
- 44
- Reformerabgasvolumenstrom
- 45
- Reformerkompressor
- 47
- erstes
Dreiwegeventil
- 49
- Tank
- 51
- Pumpe
- 53
- zweites
Dreiwegeventil