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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellensysteme
werden in Fahrzeugen häufig
als so genannte Hilfsenergiequellen eingesetzt, durch welche elektrische
Energie bereitgestellt wird, um die in Fahrzeugen vermehrt zu findenden
Verbraucher elektrischer Energie ausreichend speisen zu können. Hier
ist von Bedeutung, dass derartige Energieverbraucher häufig nicht
nur dann zu betreiben sind, wenn auch ein beispielsweise als Brennkraftmaschine
ausgebildetes Antriebsaggregat in Betrieb gesetzt ist und somit
ebenfalls über
eine Generatoranordnung zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt
werden kann. Beispielsweise kann es erforderich sein, verschiedene
Systeme zum Vorerwärmen
eines Fahrzeugs bereits vor der Benutzungsaufnahme zu aktivieren,
welche Systeme neben einer mit Brennstoff betriebenen Standheizung beispielsweise
auch elektrisch zu betreibende Sitzheizungen, Außenspiegelheizungen, Scheibenheizungen
sowie auch Fördereinrichtungen
umfassen können,
durch welche ein zu erwärmendes
Medium, beispielsweise das Kühlwasser
eines Antriebsaggregats oder die in den Fahrzeuginnenraum einzuleitende
Luft, durch einen im Bereich einer Standheizung vorgesehenen Wärmetauscher
hindurch gefördert werden.
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Bei
derartigen Systemen bestehen verschiedene Anforderungen. Zum einen
soll in der Startphase möglichst
schnell dafür
gesorgt werden, dass die verschiedenen Systembereiche, insbesondere
auch die Brennstoffzelle, möglichst
schnell auf einer geeigneten Betriebstemperatur sind. Dies stellt
sicher, dass das Gesamtsystem mit einem hohen Wirkungsrad arbeiten
kann. Zum anderen sollen die zur Energieerzeugung genutzten Ausgangsstoffe,
also beispielsweise ein in eine Brennstoffzelle einzuleitendes und
Wasserstoff enthaltendes gasförmiges
Medium, möglichst
effizient ausgenutzt werden, um auch diesbezüglich den Wirkungsgrad zu erhöhen und selbstverständlich die
Betriebskosten des Gesamtsystems zu senken.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem
vorzusehen, das in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann und mit
erhöhter
Effizienz arbeiten kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe gelöst durch
ein Brennstoffzellensystem, umfassend eine Brennstoffzelle, einen
Brenner, welcher wahlweise mit Brennstoff oder/und Brennstoffzellen-Abgas
betreibbar ist, eine Wärmetauscheranordnung
zur Übertragung
von im Brenner erzeugter Wärme
auf in die Brennstoffzelle einzuspeisende Luft oder/und in die Brennstoffzelle
einzuspeisendes wasserstoffhaltiges Gas.
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Der
bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
vorgesehene Brenner kann durch seine Variabilität hinsichtlich des zur Verbrennung
einzusetzenden Materials in verschiedenen Betriebsphasen aktiviert
werden, um auf diese Art und Weise eine möglichst hohe Ausnutzung der
im System vorhandenen Energie bzw. der zur Energieerzeugung genutzten
Ausgangsstoffe zu ermöglichen.
So kann in einer Startphase, in welcher die Brennstoffzelle selbst
beispielsweise noch nicht zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt
werden kann, durch Betreiben des Brenners mit Brennstoff, also beispielsweise flüssigem Brennstoff
oder ggf. auch gasförmigem Brennstoff,
dafür gesorgt
werden, dass durch Vorerwärmung
der in dieser Phase die Brennstoffzelle durchströmenden Luft die Brenntsoffzelle
selbst erwärmt
wird und somit zum Verkürzen
der Startphase vorkonditioniert wird. Ist die Brennstoffzelle in
Betrieb gesetzt, so kann alternativ oder zusätzlich dann das die Brennstoffzelle
verlassende Brennstoffzellen-Abgas, das immer noch einen deutlichen
Anteil an nicht zur Elektrizitätserzeugung
umgesetzten Wasserstoff enthält,
in den Brenner eingeleitet werden und dort beispielsweise zusammen
mit der die Brennstoffzelle ebenfalls verlassenden und bereits auch
vorgewärmten
Brennstoffzellen-Abluft verbrannt werden. Die dabei erzeugte Wärme kann
wiederum auf die in die Brennstoffzelle einzuleitende Luft und ggf.
auch auf das in die Brennstoffzelle einzuleitende wasserstoffhaltige
gasförmige
Medium übertragen
werden, um eine verbesserte Betriebscharakteristik der Brennstoffzelle
selbst erlangen zu können.
Weiterhin ist es selbstverständlich
möglich,
die bei der Verbrennung in dem Brenner erzeugte Wärme, die
nicht auf in die Brennstoffzelle einzuleitende Medien übertragen wird,
in einer weiteren Wärmetauscheranordnung dazu
zu nutzen, beispielsweise die in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende
Luft zu erwärmen
oder auch das im Kühlkreislauf
einer Brennkraftmaschine vorhandene Kühlmedium zu erwrärmen, um
auf diese Art und Weise auch eine Vorkonditionierung im Bereich
der Brennkraftmaschine erlangen zu können.
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Bei
dem erfindungsgemäßen System
kann vorgesehen sein, dass der Brenner eine Brennkammer mit einer
Zuführung
für Brennstoff,
einer Zuführung
für Brennstoffzellen-Abgas
und einer Zuführung für Verbrennungsluft
umfasst. Dabei ist es dann weiter vorteilhaft, wenn die Zufuhr von
Brennstoff und die Zufuhr von Brennstoffzellen-Abgas über eine
gemeinsame Zuführleitung
erfolgt, die den Brennstoff beziehungsweise das Brennstoffzellen-Abgas im Bodenbereich
in Richtung Brennkammer einspeist.
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Um
den Aufbau des erfindungsgemäßen Systems
möglichst
einfach halten zu können,
wird weiter vorgeschlagen, dass die Zufuhr von Brennstoff und die
Zufuhr von Brennstoffzellen-Abgas über eine gemeinsame Zuführleitung
erfolgt, die den Brennstoff beziehungsweise das Brennstoffzellen-Abgas
im Bodenbereich in Richtung Brennkammer einspeist. Insbesondere
dann, wenn als Brennstoff ein flüssiges Medium,
also beispielsweise fossiler Brennstoff, wie Benzin oder Diesel
oder Biodiesel, eingesetzt wird, kann es zum Trennen der Brennstoffeinleitungswege vorteilhaft
sein, wenn die Zufuhr von Brennstoff und die Zufuhr von Brennstoffzellen-Abgas über separate Zuführleitungen
erfolgt, die den Brennstoff beziehungsweise das Brennstoffzellen-Abgas
im Bodenbereich in Richtung Brennkammer einspeisen.
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Eine
sehr gute Vermischung der in die Brennkammer einzuleitenden Ver brennungsluft
mit dem ebenfalls in die Brennkammer einzuleitenden bzw. darin bereits
vorhandenen Brennstoff bzw. Brennstoffzellen-Abgas kann dadurch
erlangt werden, dass die Zufuhr von Brennstoff und die Zufuhr von
Brennstoffzellen-Abgas über
separate Zuführleitungen
erfolgt, die den Brennstoff beziehungsweise das Brennstoffzellen-Abgas
im Bodenbereich in Richtung Brennkammer einspeisen. Dabei kann die Effizienz
der Verbrennung durch optimierte Vermischung noch verbessert werden,
indem eine Vor-Mischkammer vorgesehen ist, in welcher wenigstens
ein Teil des Brennstoffzellen-Abgases und wenigstens ein Teil der
Verbrennungsluft vor Einspeisung in die Brennkammer vermischt werden.
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Um
insbesondere flüssigen
Brennstoff in einen Zustand zu bringen, in welchem er mit der Verbrennungsluft
ein zündfähiges bzw.
verbrennbares Gemisch bildet, wird vorgeschlagen, dass wenigstens
im Bodenbereich der Brennkammer ein poröses Verdampfermedium, vorzugsweise
mit Heizeinrichtung, vorgesehen ist, über welches zumindest der Brennstoff
in die Brennkammer eingespeist wird.
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Bei
einer alternativen Ausgestaltungsform wird vorgeschlagen, dass der
Brenner eine Zerstäuberanordnung
aufweist mit einer Zuführung
für flüssigen Brennstoff,
einer Zuführung
für auch
zur Brennstoffzerstäubung
eingesetzter Verbrennungsluft und einer Zuführung für Brennstoffzellen-Abgas.
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Dabei
kann vorgesehen sein, dass die Zerstäuberanordnung einen Außen-Drallströmung-Raum
und einen Innen-Drallströmung-Raum aufweist
zum Erzeugen einer zu einer Zerstäuberlippe führenden Außen-Drallströmung und
Innen-Drallströmung,
und dass die Zuführung
für Brennstoffzellen-Abgas eine Zuführleitung
umfasst, durch welche das Brennstoffzellen-Abgas in den Bereich
der Innen-Drallströmung
oder/und der Außen-Drallströmung geleitet
wird.
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Bei
einer baulich einfach zu realisierenden, gleichwohl jedoch eine
effiziente Durchmischung bereitstellenden Ausgestaltungsform kann
weiter vorgesehen sein, dass die Zuführleitung durch ein Strömungsführungselement
hindurchführt,
welches den Innen-Drallströmung-Raum
begrenzt.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausgestaltungsformen detailliert beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
Blockbild-Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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2 eine
Teil-Schnittdarstellung eines bei dem System der 1 einsetzbaren
Brenners;
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3 eine
der 2 entsprechende Ansicht einer alternativen Ausgestaltungsform
des Brenners;
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4 eine
weitere der 2 entsprechende Ansicht einer
alternativen Ausgestaltungsform eines Brenners;
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5 eine
weitere der 2 entsprechende Ansicht einer
alternativen Ausgestaltungsform eines Brenners;
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6 eine
weitere der 2 entsprechende Ansicht einer
alternativen Ausgestaltungsform eines Brenners;
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7 eine
Teil-Schnittansicht einer Zerstäuberanordnung
für einen
bei dem System der 1 einsetzbaren Brenner.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem
allgemein mit 10 bezeichnet. Als wesentlichen Bestandteil
weist dieses Brennstoffzellensystem 10 eine Brennstoffzelle 12 auf,
in welche, wie durch einen Pfeil 14 angedeutet, ein wasserstoffhaltiges
Gas eingeleitet wird, und, wie durch einen Pfeil 16 angedeutet,
Luft, also Sauerstoff, eingeleitet wird. In der Brennstoffzelle 12 wird
der in dem wasserstoffhaltigen Gas enthaltene Wasserstoff mit dem in
der Luft enthaltenen Sauerstoff zur Erzeugung elektrischer Energie
umgesetzt. Die Brennstoffzelle 12 verlässt dann, wie durch einen Pfeil 18 angedeutet,
ein wasserstoffentreichertes Brennstoffzellen-Abgas und, wie durch
einen Pfeil 20 angedeutet, eine sauerstoffentreicherte
Brennstoffzellen-Abluft.
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Das
in die Brenntoffzelle 12 einzuspeisende wasserstoffhaltige
Gas wird bei dem dargestellten Brennstoffzellensystem in einem Reformer 22 bereitgestellt.
Dieser Reformer 22 wird von einer Brennstoffversorgung 24 mit
Brennstoff, im Allgemeinen flüssigen
Brennstoff, wie z.B. Benzin, Diesel oder sonstigen Kohlenwasserstoff,
gespeist. Ferner wird dem Reformer 22 von einer Luftversorgung 26 Luft zugeführt, wobei
diese Luft, wie durch einen Pfeil 28 angedeutet, vor Einspeisung
in den Reformer 22 einen Wärmetauscher 30 durchströmt und dabei
im Reformierungsbetrieb Wärme
aufnehmen kann von dem den Reformer 22 verlassenden wasserstoffhaltigen
Gas, im Allgemeinen auch Reformat genannt. Die Luft tritt somit
bereits vorerwärmt
in den Reformer 22 ein.
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Es
sei hier darauf hingewiesen, dass die Brennstoffversorgung 24 und
die Luftversorgung 26 geeignete Förderorgane, wie z.B. Pumpen
oder Gebläse,
aufweisen, um die gewünschten
Brennstoff- bzw. Luftströmungen
erlangen zu können.
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Das
den Reformer 22 über
den Wärmetauscher 30 verlassende
wasserstoffhaltige Gas, also Reformat, strömt dann in Richtung Brennstoffzelle 12 und
kann vor Einspeisung in diese durch einen weiteren Wärmetauscher 32 hindurchgeleitet
werden. Auch die von der Luftversorgung 26, die nicht nur
den Reformer 22, sondern auch die Brennstoffzelle 12 mit der
zur Durchführung
der gewünschten
Reaktionen erforderlichen Luft speist, in Richtung Brennstoffzelle 12 zu
fördernde
Luft durchströmt
diesen Wärmetauscher 32 und
kann darin Wärme
aufnehmen. Auf diese Art und Weise gelangt die in die Brennstoffzelle 12 einzuleitende
Luft bereits in einem Zustand in diese Brennstoffzelle 12,
in dem die Luft eine Temperatur aufweist, die geeignet ist, um die
gewünschte
Reaktion ablaufen zu lassen. Weiter kann durch Erwärmen dieser
Luft in einer Phase in welcher die Brennstoffzelle 12 noch
nicht betrieben wird, um elektrische Energie zu erzeugen, diese
zum Vorkonditionieren, also Vorwärmen
der Brennstoffzelle 12 genutzt werden.
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Um
die im Wärmetauscher 32 auf
die Luft und ggf. das wasserstoffhaltige Gas zu übertragende Wärme bereitstellen
zu können,
ist dem Wärmetauscher 32 ein
Brenner 34 vorgeschaltet. Dieser Brenner 34 ist
dazu ausgebildet, verschiedene brennbare Medien mit Sauerstoff zu
verbrennen, um die heißen Verbrennungsabgase
dann in Richtung Wärmetauscher 32 zu
leiten und dabei die angesprochenen gasförmigen Medien Luft und Reformat
vorzuwärmen.
Man erkennt in 1, dass dem Brenner 34 sowohl
von der Brennstoffversorgung 24 in Form des von dieser
gelieferten Brennstoffs, als auch von der Brennstoffzelle 12 in
Form des Brennstoffzellen-Abgases ein brennbares Medium zugeführt werden kann.
Weiter wird dem Brenner 34 die Brennstoffzellen-Abluft 20 zugeführt, welche
noch Sauerstoff enthält,
so dass zur Verbrennung im Brenner 34 nicht nur ein brennbares
Medium, sondern auch der zur Oxidation erforderliche Sauerstoff
bereitgestellt wird.
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Auf
den Wärmetauscher 32 folgt
ein weiterer Brenner 36 mit einem diesem zugeordneten Wärmetauscher 38.
Dem Brenner 36 kann von der Brennstoff versorgung 24 Brennstoff
zugeführt
werden. Ferner kann dem Brenner 36 über den Brenner 34 und
den Wärmetauscher 32 das
den Brenner 34 verlassende Abgas bzw. gasförmige Medium
zugeführt werden,
das, je nach Betriebszustand des Brenners 34, zumindest
noch einen zur Verbrennung im Brenner 36 nutzbaren Sauerstoffanteil
enthält.
Dem Wärmetauscher 38 kann
zur Wärmeaufnahme,
wie durch einen Pfeil 40 angedeutet, ein zu erwärmendes
Medium zugeführt
werden. Dieses zu erwärmende
Medium kann beispielsweise die in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende
und vorher zu erwärmende Luft
sein, kann selbstverständlich
alternativ oder zusätzlich
aber auch das Kühlmedium
sein, das in einem Kühlkreislauf
eines An triebsaggregats zirkulieren kann.
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Bevor
nachfolgend verschiedene Ausgestaltungsformen des Brenners 34 detailliert
erläutert
werden, wird mit Bezug auf die 1 der Betrieb
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 beschrieben.
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Es
sei zunächst
angenommen, dass ein mit einem derartigen System 10 ausgestattetes
Fahrzeug noch nicht in Betrieb gesetzt ist, dass jedoch das Fahrzeug
beispielsweise vorerwärmt
bzw. vorkonditioniert werden soll. In dieser Phase sind die verschiedenen
Systembereiche noch kalt. Es wird daher zunächst der Brenner 34 aktiviert,
und zwar durch Zuführung
von Brennstoff von der Brennstoffversorgung 24 und durch
Zuführung
von Verbrennungsluft von der Luftversorgung 26. Diese Verbrennungsluft
strömt
dann über
den Wärmetauscher 32, durch
die Brennstoffzelle 12 und als „Brennstoffzellen-Abluft" in den Brenner 34.
Die im Brenner 34 erzeugten heißen Verbrennungsabgase werden
in Richtung Wärmetauscher 32 geleitet.
Dabei erwärmen
sie die von der Luftversorgung 26 in Richtung Brennstoffzelle 12 und
Brenner 34 geförderte
Luft. Diese erwärmte
Luft wiederum erwärmt
die Brennstoffzelle 12 von innen und bereitet diese somit
bereits für
den Betrieb zur Erzeugung elektrischer Energie vor. Nach Durchströmen des
Wärmetauschers 32 strömen die
bereits etwas abgekühlten
Verbrennungsabgase des Brenners 34 in Richtung Brenner 36.
Soll in dieser Phase auch der Fahrzeuginnenraum vorerwärmt werden
bzw. ggf. ein Antriebsaggregat vorerwärmt werden, so kann zusätzlich auch dem
Brenner 36 von der Brennstoffversorgung 24 noch
Brennstoff zugeführt
werden, um den in den Verbrennungsabgasen des Brenners 34 noch
enthaltenen Sauerstoff mit diesem Brennstoff zu verbrennen und die
dabei entstehende Wärme
im Wärmetauscher 38 dann
auf das zu erwärmende
Medium zu übertragen.
Hierfür
wird durch die Luftversorgung 26 so viel Sauerstoff in
Richtung Brenner 34 gefördert, dass
die diesen Brenner 34 verlassenden Abgase noch ausreichend
Sauerstoff transportieren. Es ist somit nicht erforderlich, für den Brenner 36 eine
zusätzliche
Luftversorgungsleitung bereitzsutellen. Ist die Temperatur der den
Wärmetauscher 32 verlassenden
Abgase noch ausreichend hoch, um im Wärmetauscher 38 das
zu erwärmende
Medium auf die gewünschte
Temperatur zu bringen, so wäre
es in dieser Betriebsphase nicht erforderlich, zusätzlich auch
noch den Brenner 36 zu aktivieren. Hier könnte grundsätzlich auch
daran gedacht werden, bei entsprechender Dimensionierung des Brenners 34 bzw. des
Wärmetauschers 38 auf
den Brenner 36 vollständig
zu verzichten und die in den Verbrennungsabgasen 34 auch
nach dem Wärmetauscher 32 noch transportierte
Wärme dann
zu nutzen, um das zu erwärmende
Medium auf die gewünschte
Temperatur zu bringen.
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Da
in dieser Betriebsphase vor allem bei vergleichsweise niedrigen
Außentemperaturen
das Bordspannungssystem, in dieser Phase im Allgemeinen bereitgestellt
durch eine Batterie, sehr stark belastet wird, ist es vorteilhaft,
auch die Brennstoffzelle 12 zur Erzeugung elektrischer
Energie zu betreiben bzw. in Betrieb zu setzen. Es wird daher auch
der Reformer 22 aktiviert, und zwar durch Zufuhr von Kohlenwasserstoff
und zur Reformierung erforderlicher Luft. Dabei kann auch der Reformer 22 vorerwärmt werden,
um diesen sehr schnell auf die gewünschte Betriebstemperatur zu
bringen. Diese Vorerwärmung könnte ggf.
auch durch die den Brenner 34 verlassenden Verbrennungsabgase
erfolgen, kann alternativ oder zusätzlich aber auch durch eine
separate, beispielsweise elektrisch betreibbare Heizeinrichtung erfolgen.
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Bei
im Reformer 22 dann ablaufendem Reformierungsbetrieb wird
ein Wasserstoff enthaltendes Gas erzeugt, das mit vergleichsweise
hoher Temperatur in Richtung Wärmetauscher 30 strömt und dabei,
wie bereits erwähnt,
die in den Reformer 22 einzuspeisende Luft vorerwärmt. Das
den Wärmetauscher 30 dann
verlassende Reformat kann entweder direkt in Richtung Brennstoffzelle 12 geleitet werden
oder, wie in 1 angedeutet, den Wärmetauscher 32 durchströmen und
dabei noch etwas Wärme
aufnehmen. Wird in die Brennstoffzelle 12 dann vorerwärmte Luft
zusammen mit dem ebenfalls sehr warmen Reformat eingeleitet, kann
in der Brennstoffzelle 12 die Umsetzung von in dem wasserstoffhaltigen
Gas transportiertem Wasserstoff mit in der Luft enthaltenem Sauerstoff
zu Wasser unter Erzeugung elektrischer Energie ablaufen. Diese elektrische
Energie kann beispielsweise wieder genutzt werden, um in den verschiedenen
Brennern 34, 36 bzw. auch im Reformer 22 ggf.
vorhandene Heizeinrichtungen zu betreiben und ggf. auch andere in einem
Fahrzeug in dieser Betriebsphase zu betreibende Verbraucher elektrischer
Energie zu betreiben. Das ganze System belastet dann das Bordspannungssystem
bzw. die darin vorhandene Batterie nicht weiter.
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Ist
die Brennstoffzelle 12 in Betrieb gesetzt bzw. wird vom
Reformer 22 ein Wasserstoff enthaltendes Reformat in Richtung
Brennstoffzelle 12 gespeist, so verlässt auch bei in Betrieb gesetzter Brennstoffzelle 12 diese
ein Brennstoffzellen-Abgas, das noch Wasserstoff enthält. Da dieser
Wasserstoff zusammen mit dem in der Brennstoffzellen-Abluft noch
enthaltenen Sauerstoff im Brenner 34 verbrannt werden kann,
ist es in dieser Phase dann nicht mehr erforderlich, den Brenner 34 mit
Brennstoff von der Brennstoffversorgung 24 zu speisen.
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Bei
dem in 1 dargestellten und vorangehend beschriebenen
System ist der thermische Haushalt im Wesentlichen beeinflusst durch
die Menge der in Richtung Brennstoffzelle 12 von der Luftversorgung 26 geförderten
Luft. Je größer die
Luftmenge ist, desto mehr Sauerstoff steht auch bei betriebener
Brennstoffzelle 12 im Brenner 34 zur Verfügung und
steht dementsprechend auch mehr Sauerstoff im Brenner 36 zur
Verfügung.
Weiter hat die Zufuhr einer größeren Luftmenge
zur Folge, das bei in Betrieb gesetzter Brennstoffzelle 12 von
dieser ausreichend Wärme
abgeführt
werden kann, wobei durch Vorerwärmung
der in die Brennstoffzelle 12 einzuleitenden Luft gleichzeitig
dafür gesorgt
ist, dass eine durch zu große
Temperaturunterschiede auftretende Belastung der Brennstoffzelle 12 vermieden
werden kann. Um das thermische Verhalten insbesondere der Brennstoffzelle
weiter beeinflussen zu können,
kann es erforderlich sein, wie durch eine gestrichelte Leitungsverbindung 42 angedeutet,
in den Brenner 34 auch direkt Luft von der Luftversorgung 26 einzuspeisen.
Diese Luft bzw. der darin enthaltene Sauerstoff wird nicht erforderlich
sein, um im Brenner 34 die Verbrennung ablaufen zu lassen.
Hierzu genügt
der in der Brennstoffzellen-Abluft
noch enthaltene Sauerstoff. Vielmehr hat diese Einspeisung zusätzlicher Luft
zur Folge, dass sehr heiße
Abgase des Brenners 34 etwas gekühlt werden, so dass die in
die Brennstoffzelle 12 einzuspeisende und dazu vorher den Wärmetauscher 32 durchströmende Luft
mit einer geeigneten Temperatur in die Brennstoffzelle 12 eintreten
kann.
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Nachfolgend
werden verschiedene Ausgestaltungsformen des Brenners 34 bzw.
Systemkomponenten dieses Brenners 34 detailliert beschrieben. Der
in 2 gezeigte Brenner 34 umfasst ein allgemein
mit 44 bezeichnetes Brennergehäuse mit einem Umfangswandungsbereich 46 und
einem Bodenwandungsbereich 48. Der Umfangswandungsbereich 46 und
der Bodenwandungsbereich 48 begrenzen eine Brennkammer 50 die über eine
Flammblende oder einen Flammhalter 52 zu einem in Richtung
Wärmetauscher 32 führenden
Volumenbereich 54 offen ist. In seinem dem Bodenwandungsbereich 48 nahen
Abschnitt ist der Umfangswandungsbereich 46 von einem ringartigen
Raum 56 umgeben. Dieser ringartige Raum 46 steht über eine
Mehrzahl von Öffnungen 58 in
Verbindung mit der Brennkammer 50. Auf diese Art und Weise
kann, wie durch Pfeile P1 angedeutet, Verbrennungsluft
von radial außen
her in die Brennkammer 50 einströmen. Auch der Bodenwandungsbereich 48 kann
mehrere derartige Öffnungen
aufweisen, die in der 2 nicht dargestellt sind und
durch welche hindurch zumindest ein Anteil der Verbrennungsluft
in die Brennkammer 50 gelangen kann. Diese Verbrennungsluft
wird, wie vorangehend mit Bezug auf die 1 bereits
geschildert, im Wesentlichen in Form der Brennstoffzellen-Abluft
(Pfeil 20 in 1) in Richtung Brenner 34 gespeist.
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In
Richtung Bodenwandungsbereich 48 ist die Brennkammer 50 begrenzt
durch ein den Bodenwandungsbereich 48 im Wesentlichen vollständig überdeckendes
poröses
Verdampfermedium 60. Dieses poröse Verdampfermedium 60 kann
ein Geflecht, ein Gewirk, Schaumkeramik oder ein sonstiges mit feinen
Poren versehenes Material sein, in welchem flüssiger Brennstoff sich durch
Kapillarwirkung verteilen kann. Zwischen dem porösen Verdampfermedium 60 und
dem Bodenwandungsbereich 48 kann eine elektrisch betreibbare
Heizeinrichtung 62 positioniert sein, um das poröse Verdampfermedium 60 zu erwärmen und
dabei die Brennstoffabdampfung von darin sich verteilendem Brennstoff
in Richtung Brennkammer 50 zu unterstützen.
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In
einem zentralen Bereich mündet
in den Bodenwandungsbereich 48 bzw. die Brennkammer 50 eine
Zuführleitung 64 ein. Über diese
Zuführleitung 64 kann
bei dieser Ausgestaltungsform sowohl der von der Brennstoffversorgung 24 zugeführte im Allgemeinen
flüssige
Brennstoff, als auch das Brennstoffzellen-Abgas, also ein noch Wasserstoff
enthaltendes Gas, zugeführt
werden. Um hier zwischen den verschiedenen Brennstoffen auswählen zu
können,
ist eine nur schematisch angedeutete Ventilanordnung 66 vorgesehen.
Diese umfasst einen Ventilschieber 68, der je nach Positionierung
in einer der drei möglichen
Schaltstellungen entweder die von der Brennstoffzelle 12 her
führende
Leitung 18 mit der Zuführleitung 34 verbindet
oder die von der Brennstoffversorgung 24 her führende Leitung 70 mit der
Zuführleitung 64 verbindet
oder keine dieser Leitungen 18, 70 mit der Zuführleitung 64 verbindet.
Ist die Leitung 70 mit der Zuführleitung 64 verbunden, wird
also flüssiger
Brennstoff in das poröse
Verdampfermedium 60 eingeleitet. Dieses verteilt sich unter Kapillarwirkung über das
gesamte poröse
Verdampfermedium und wird auch auf Grund der Heizwirkung der Heizeinrichtung 62 an
der der Brennkammer 50 zugewandten Seite des porösen Verdampfermediums
in Richtung Brennkammer 50 abdampfen. Dabei wird mit der
ebenfalls in die Brennkammer 50 eingeleiteten Luft, also
der Brennstoffzellen-Abluft, die je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle 12 mehr oder
weniger Sauerstoff enthält,
ein zünd-
bzw. verbrennungsfähiges
Gemisch erzeugt. Um diese Verbrennung zu starten, ist ein Zündorgan 72,
beispielsweise ein Glühzündstift,
in geringem Abstand über dem
porösen
Verdampfermedium 60 angeordnet. Ist die Zündung erfolgt,
strömen
die heißen
Verbrennungsabgase, wie durch Pfeile P2 angedeutet,
in Richtung Wärmetauscher 32 und
umströmen
dabei beispielsweise auch einen Tempe ratursensor 74, der somit
durch Sensierung der Temperatur der die Brennkammer 50 verlassenden
Gase erfassen kann, ob eine Zündung
bereits erfolgt ist oder noch nicht.
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Steht
zur Verbrennung über
die Leitung 18 wasserstoffhaltiges Gas zur Verfügung, wird
das Ventil umgeschaltet und nunmehr die Leitung 18 mit der
Zuführleitung 64 verbunden.
Das wasserstoffhaltige Gas strömt
dann durch diese Zuführleitung 64 und
den Bodewandungsbereich 48 hindurch und tritt in dem lokalen
Bereich, in dem die Zuführleitung 64 zu
dem porösen
Verdampfermedium 60 hin offen ist, in die Brennkammer 50 ein,
wird sich dort mit der zur Verbrennung zur Verfügung stehenden Luft durchmischen
und ebenfalls ein zündfähiges bzw.
verbrennungsfähiges
Gemisch erzeugen.
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Eine
Abwandlung eines derartigen Brenners ist in 3 gezeigt.
Man erkennt hier, dass bei grundsätzlich gleichem Aufbau lediglich
im Bereich der Zuführung
der verschiedenen zur Verbrennung genutzten Medien ein Unterschied
besteht. Es ist weiterhin die Zuführleitung 64 vorhanden, über welche
nunmehr beispielsweise gespeist von der Leitung 70 flüssiger Brennstoff
in das poröse
Verdampfermedium 60 eingeleitet wird. Weiterhin ist eine
die Zuführleitung 64 zumindest
in dem den Bodenbereich 48 nahen Endabschnitt umgebende
Zuführleitung 76 vorgesehen,
die nunmehr in Verbindung mit der Leitung 18 steht und
das wasserstoffhaltige Gas in Richtung Brennkammer 50 einspeisen
kann. Da hier also getrennte Zufürleitungen 64 und 76 für den Brennstoff
einerseits und das Brennstoffzellen-Abgas andererseits zur Verfügung stehen,
kann auf einen Ventilmechanismus 66, wie er in 2 gezeigt
ist, grundsätzlich
verzichtet werden. Weiter ist es bei dieser Variante möglich, durch
Bereitstellen einer separaten Zuführung für das Brennstoffzellen-Abgas
dieses in optimierter Art und Weise, also ohne vom Ort der Zuführung des
Brennstoffs über
die Zuführleitung 64 abhängig zu
sein, in die Brennkammer 50 einzuspeisen. So muss nicht
notwendigerweise die in der 3 gezeigte
koaxiale Einspeisung erfolgen. Vielmehr kann das Brennstoffzellen-Abgas über mehrere Einleitungspunkte
verteilt am Bodenwandungsbereich 48 in Richtung Brennkammer 50 eingespeist werden.
Auf diese Art und Weise kann eine verbesserte Vermischung des Brennstoffzellen-Abgases
mit der Brennstoffzellen-Abluft bzw. der Verbrennungsluft erlangt
werden.
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Eine
Ausgestaltungsform, bei welcher eine derartige Vermischung noch
weiter verbessert werden kann, ist in 4 gezeigt.
Man erkennt hier, dass zwischen dem Bodenwandungsbereich 48 und
dem porösen
Verdampfermedium 60 ein Zwischenraum gebildet ist, der
eine Vormischkammer 78 bereitstellt. In diese Vormischkammer 78 tritt
zumindest ein Teil der zur Verbrennung genutzten Luft, also der
Brennstoffzellen-Abluft, durch im Bodenwandungsbereich 48 vorgesehene Öffnungen 80 ein.
Weiter ist die Zuführleitung 76 im
Bereich ihrer Anbindung an das Gehäuse 44 zu dieser Vormischkammer 78 hin
offen. Auf diese Art und Weise vermischt sich das Brennstoffzellen-Abgas
mit der Brennstoffzellen-Abluft vor der Einspeisung in die Brennkammer 56 über das
poröse
Verdampfermedium 60 hinweg. Da in dieser Phase, in welcher
das Brennstoffzellen-Abgas zur Verbrennung genutzt wird, kein flüssiger Brennstoff über die
Zuführleitung 64 in
das poröse
Verdampfermeidum 64 eingespeist wird, sind dessen Poren
auch nicht durch Flüssigkeit
blockiert, so dass das in der Vormischkammer 78 in einem
allgemein mit 82 bezeichneten Bodenbereich der Brennkammer 50 bzw. des
Gehäuses 44 erzeugte
Gemisch ohne größeren Widerstand
in die Brennkammer 50 gelangen kann und dort verbrennen
kann. Das poröse
Verdmapfermedium 60 bildet in diesem Ausgestaltungsbeispiel bzw.
in dieser Betriebsphase auch einen Flammhalter, der dafür sorgt,
dass in der Vormischkammer 78 selbst noch keine Verbrennung
stattfindet.
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Eine
Abwandlung dieser Ausgestaltungsform ist in 5 gezeigt.
Man erkennt hier, dass die Zuführleitung 76 sich
bis in den Bereich der Vormischkammer 78 hinein erstreckt
und dort eine Mehrzahl von nach radial außen führenden Öffnungen 84 aufweist.
Auch dies kann zu einer verbesserten Vermischung des Brennstoffzellen-Abgases
mit der Brennstoffzellen-Abluft beitragen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich auch bei den Ausgestaltungsvarianten
der 4 und 5 dem porösen Verdamfpermedium 60 eine
Heizeinrichtung zugeordnet sein kann, beispielsweise in Form einer
Heizspirale oder Heizwendel, um bei Einspeisung eines flüssigen Brennstoffs über die
Zuführleitung 64 die
Abdampfung dieses flüssigen
Brennstoffs in Richtung Brennkammer 50 zu verbessern.
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Eine
weitere Ausgestaltungsform eines derartigen Brenners ist in 6 gezeigt.
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Man
erkennt auch hier das Gehäuse 44 mit dem
Umfangswandungsbereich 46 und dem Bodenwandungsbereich 48.
Angrenzend an diesen Bodenwandungsbereich 48 bzw. im Bodenbereich 82 ist eine
Isoliermateriallage 86 vorgesehen, auf welche dann die
Heizeinrichtung 62 sowie das poröse Verdampfermedium 60 folgen.
Im zentralen Bereich dieses Bodenbereichs 82 verläuft nunmehr
die Zuführleitung 76 für das Brennstoffzellen-Abgas.
Diese Zuführleitung 76 erstreckt
sich durch den Bodenwandungsbereich 48 und auch das poröse Verdampfermedium 60 hindurch
und ist über
eine oder mehrere Öffnungen
dann zur Brennkammer 50 hin offen. Die Brennstoffzuführung erfolgt
nunmehr über
die radial herangeführte
Zuführleitung 64.
Der Vorteil dieser Ausgestaltungsform ist, dass die Zuführung des Brennstoffzellen-Abgases
unbeeinträchtigt
davon, ob im porösen
Verdampfermedium 60 noch flüssiger Brennstoff enthalten
ist und somit dessen Poren belegt, erfolgen kann. Auch dies gewährleistet
eine leichtere Einleitung des Brennstoffzellen-Abgases im Bodenbereich 82 und
somit eine verbesserte Durchmischung mit der wieder von radial außen her,
ggf. aber auch durch Öffnungen
im Bodenwandungsbereich 48 hindurch einzuleitenden Verbrennungsluft bzw.
Brennstoffzellen-Abluft.
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Eine
alternative Ausgestaltungsform eines bei dem System der 1 einzusetzenden
Brenners 34 ist in 7 gezeigt.
Während
die vorangehend mit Bezug auf die 2 bis 6 beschriebenen
Brenner bei Einsatz eines flüssigen
Brennstoffs nach dem Prinzip eines Verdampferbrenners arbeiten, also
das Gemisch aus Brennstoff und Verbrennungsluft durch Brennstoffverdampfung
bereitgestellt wird, ist bei dem in 7 gezeigten
Brenner 34 eine so genannte Zerstäuberanordnung 90 vorgesehen.
Durch diese Zerstäuberanordnung 90 wird
ein zunächst
flüssiger Brennstoff
in feinste Brennstoffpartikel zerstäubt und zusammen mit der Verbrennungsluft
in die im Gehäuse 44 bereitgestellte
Brennkammer 50 eingespeist. Diese Zerstäuberanordnung 90 bildet
im Wesentlichen auch den Bodenbereich 82 der Brennkammer 50 bzw.
des Gehäuses 44 aus.
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Man
erkennt in 7, dass diese Zerstäuberanordnung 90 einen
allgemein mit 92 bezeichneten und im Wesentlichen topfartig
ausgestalteten Düsenkörper umfasst.
In diesen Düsenkörper 92 sind
in axialer Staffelung – axial
bezogen auf eine Längsachse des
Brenners 34 – drei
Einsatzteile 94, 96, 98 eingesetzt. Das
Einsatzteil 94 ist dabei auf einem Boden 100 des
Düsenkörpers 92 aufsitzend
angeordnet und weist eine in Richtung der Achse A sich konkav verjüngende und
vorzugsweise zu dieser Achse A rotationssymmetrische Formgebung
auf.
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Das
zweite Einsatzteil 96 ist in Abstand vom ersten Einsatzteil 94 angeordnet
und weist in seinem radial inneren Bereich einen in einer Zerstäuberlippe 102 endenden
näherungsweise
zylindrischen Abschnitt auf. Zwischen dem ersten Einsatzteil 94 und dem
zweiten Einsatzteil 96 ist ein Innen-Drallströmung-Raum 104 gebildet,
in dem mehrere Strömungsablenkelemente 106 dafür sorgen,
dass die von einem radial äußeren ringartigen
Raum 108 herangeführte
Verbrennungsluft, also hier wieder die Brennstoffzellen-Abluft,
beim Strömen
von radial außen
nach radial innen auch eine Umfangsströmungskomponente erhält und somit
in Richtung Zerstäuberlippe 102 in
Form einer mit Drall um die Achse A versehenen Strömung geleitet
wird.
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Axial
folgend auf das zweite Einsatzteil 96 ist dann mit Abstand
zu diesem das dritte Einsatzteil 98 angeordnet. Auch zwischen
diesen beiden Einsatzteilen 96, 98 ist ein Zwischenraum
vorgesehen, der einen Außen-Drallströmung-Raum 110 definiert. Auch
hier sind mehrere Strömungsablenk elemente 112 vorgesehen.
Diese sorgen dafür,
dass die von radial außen
heranströmende
Luft ebenfalls eine Umfangsströmungskomponente
enthält,
so dass auch von der Außenseite
her eine mit Drall versehene Strömung
in Richtung Zerstäuberlippe 102 strömt.
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In
dem zweiten Einsatzteil 96 ist an seiner den Innen-Drallströmung-Raum 104 begrenzenden Seite
eine nutartige Einsenkung 114 vorgesehen. In diese wird
der zu zerstäubende
flüssige
Brennstoff eingeleitet und in Umfangsrichtung durch ein schematisch
angedeutetes Brennstoffverteilungselement verteilt. Dieser Brennstoff
gelangt somit auf den von der Innen-Drall-Strömung überströmten Oberflächenbereich
des zweiten Einsatzteils 96 und wird unter der Förderwirkung
der Innen-Drallströmung
in Richtung Zerstäuberlippe 102 transportiert.
Gelangt der zunächst
noch flüssige
und einen dünnen
Belegungsfilm auf dem zweiten Einsatzteil 96 bildende Brennstoff
dann zur Zerstäuberlippe 102 wird
er durch die beiden dort aufeinander treffenden Drallströmungen in
feinste Partikel zerlegt, die dann in der Brennkammer 50 mit
der Verbrennungsluft verbrannt werden können.
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Es
sei hier darauf hingewiesen, dass der Aufbau einer derartigen Zerstäuberanordnung
90 aus der
DE 102 05 573 A1 grundsätzlich bekannt
ist. Es wird daher hinsichtlich der weiteren konstruktiven Details
einer derartigen Zerstäuberanordnung
90 auf diese
Druckschrift verwiesen, deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme zum
Offenbarungsgehalt aufgenommen wird.
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Man
erkennt in 7 weiter die Zuführleitung 76,
die den Boden 100 des Düsenkörpers 92 und
auch das erste Einsatzteil 94 durchsetzt und in denjenigen
Volumenbereich ragt, der auch von dem zur Zerstäuberlippe 102 führenden
im Wesentlichen zylindrischen Bereich des zweiten Einsatzteils 96 umgeben
ist. Das über
diese Zuführleitung 76 zugeführte Brennstoffzellen-Abgas
tritt also in einem Volumenbereich aus der Zuführleitung 76 aus,
in dem auch die Verbrennungsluft, hier in Form der Innen-Drallströmung strömt. Auf
Grund des Dralls dieser Innen-Drallströmung wird unmittelbar nach
dem Austritt aus der Zuführleitung 76 das
Brennstoffzellen-Abgas sich mit dieser Innendrallströmung und kurz
darauf auch mit der Außen-Drallströmung vermischt
und in dieser Mischung dann zum Verbrennen die Brennkammer 50 eintreten.
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Auch
die 7 zeigt also einen Brenner 34, der wahlweise
mit Brennstoff, also in diesem Falle vorzugsweise flüssigem Brennstoff,
oder dem Brennstoffzellen-Abgas betrieben werden kann. Auch hier kann
die Brennstoffzellen-Abluft dann als Verbrennungsluft genutzt werden
und kann gleichzeitig dazu genutzt werden, bei Verwendung eines
flüssigen Brennstoffs
diesen zur Verbrennung zu zerstäuben.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass bei allen vorangehend beschriebenen
Brennern 34 in demjenigen Betriebszustand, in welchem beispielsweise
das wasserstoffhaltige Brennstoffzellen-Abgas noch nicht zur Verfügung steht,
nicht nur flüssiger
Brennstoff zum Betrieb des Brenners 34 genutzt werden kann. Selbstverständlich kann
bei entsprechender Ausgestaltung der Brennstoffzuführung 24 auch
ein gasförmiger
Brennstoff, wie z.B. Erdgas, als mit der Brennstoffzellen-Abluft
zu verbrennender Ausgangsstoff eingesetzt werden.