EP1290745A2 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum hochfahren eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum hochfahren eines brennstoffzellensystems

Info

Publication number
EP1290745A2
EP1290745A2 EP01955198A EP01955198A EP1290745A2 EP 1290745 A2 EP1290745 A2 EP 1290745A2 EP 01955198 A EP01955198 A EP 01955198A EP 01955198 A EP01955198 A EP 01955198A EP 1290745 A2 EP1290745 A2 EP 1290745A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
fuel cell
cell system
line
heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01955198A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Herdeg
Holger Klos
Martin Sattler
Franz Reichenbach
Sabine Hess
Hans-Dieter Wilhelm
Jürgen HABRICH
Karl Eck
Markus Keutz
Thomas Zapp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
P21-POWER FOR THE 21ST CENTURY GMBH
Original Assignee
Atecs Mannesmann GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Atecs Mannesmann GmbH filed Critical Atecs Mannesmann GmbH
Publication of EP1290745A2 publication Critical patent/EP1290745A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a method for starting up such a fuel cell system.
  • Fuel cells have been known for a long time and have become significantly more important, particularly in the automotive industry.
  • a chemical reaction generates electricity in a fuel cell. This turns a fuel and an oxidant into electrical energy and water
  • a fuel cell essentially consists of an anode part, a membrane and a cathode part.
  • the membrane is made of porous, electrically conductive material and is arranged between the anode and the cathode in order to exchange ions.
  • the fuel is supplied on the anode side, while the oxidant is supplied on the cathode side.
  • Protons or hydrogen ions are generated at the anode by catalytic reactions and move through the membrane to the cathode.
  • the hydrogen ions react with the oxygen and water is formed.
  • the electrons released during the reaction can be conducted as electrical current through a consumer, for example the electric motor of an automobile.
  • hydrogen as fuel and oxygen or air as oxidizing agent are used as gaseous reactants for the fuel cell.
  • a readily available or storable fuel such as natural gas, methanol or the like
  • it is a desire for them to be ready for use as quickly as possible, ie for all components to be brought to operating temperature as quickly as possible and to achieve their full performance.
  • the start-up phase or start-up phase should be kept as short as possible. Furthermore, a method for starting up such a fuel cell is to be provided.
  • a fuel cell system with a fuel cell having an anode part with a feed line and a discharge line for a fuel, a cathode part with a feed line and a discharge line for an oxidizing agent and a membrane, with a device for generating / processing the fuel, which is connected to the fuel cell via the fuel feed line, wherein a sensor element for determining the concentration and a valve, which is connected to a bypass line bypassing the fuel cell, are provided in the fuel feed line, with a delivery device and a valve are arranged in the oxidant feed line, the
  • Valve is connected to a bypass line bypassing the fuel cell, a fuel tank, which is connected via a fuel feed line to the device for producing / processing the fuel, at least one delivery device being provided in the fuel feed line, and to an additional electrical power source, in particular a battery, which is electrically connected to the conveyor devices so that they are driven or can be driven by the power source during the starting phase of the fuel cell system.
  • a basic idea of the present invention is that those components of the fuel cell system that are absolutely necessary for starting up the fuel cell system are initially driven by an additional electrical power source during the starting phase.
  • a battery in particular one, can be used as an additional electrical power source rechargeable battery, also a capacitor can be used. It is particularly recommended to use capacitors with excessive storage density compared to conventional capacitors, which are also called “ultracaps" and can withstand an extremely high number of cycles (loading and unloading).
  • the energy required by the individual components during the starting phase of the fuel cell system can be provided immediately via the additional electrical power source.
  • the power requirement for the electrical power source should be as small as possible.
  • the individual electrical consumers of the fuel cell system are then supplied via the fuel cell itself, the additional electrical power source being recharged via the fuel cell.
  • the energy supply for the thermal consumers is realized through the use of fuel.
  • the hydrogen must first be produced or processed, for example, from a liquid or gaseous fuel consisting of hydrocarbons, such as methanol, methane, gasoline, natural gas, coal gas, biogas or the like.
  • a liquid or gaseous fuel consisting of hydrocarbons, such as methanol, methane, gasoline, natural gas, coal gas, biogas or the like.
  • This production or processing of the fuel takes place in the device for generating / processing the fuel.
  • the fuel is fed into the fuel tank via a fuel feed line
  • At least one delivery device is provided in the fuel supply line to support the feed.
  • This conveying device or these conveying devices which can be designed when using liquid fuel as a pump or the like, usually initially convey the fuel into an intermediate tank, from which the device for
  • the conveyor is advantageously designed such that only a small electrical power is required.
  • the intermediate tank can be higher than various heating devices of the fuel production and processing system, which are in the further course of the description will be explained in more detail and are designed for example as a burner or the like. These heating devices are used to supply thermal energy to various thermal consumers.
  • the fuel can be transported by means of the hydrostatic pressure.
  • a separate conveying device can then be dispensed with and only a corresponding valve for controlling the inflow is required. With such a configuration, the heating devices could be ignited electrically and the system could be brought up thermally.
  • the fuel gas leaving the device for generating / processing the fuel is fed into the fuel cell via the fuel feed line. If the fuel cell is operated with hydrogen and this is generated from one of the fuels already mentioned as a hydrogen-rich gas, essentially hydrogen and carbon dioxide are generated during the conversion process. Furthermore, substances which are harmful to the fuel cell, such as carbon monoxide or the like, also arise and must be removed before the fuel enters the fuel cell. From a certain concentration, such harmful substances result in the power output by the fuel cell being reduced and the efficiency of the fuel cell being greatly reduced.
  • the sensor element for determining the concentration of harmful substances in the fuel and the bypass line bypassing the fuel cell, which is connected to the fuel supply line via the valve, can prevent harmful substances from accidentally entering the fuel cell. Basically that is
  • Invention is not limited to the detection of certain substances.
  • the fuel After the fuel has escaped from the device for generating / processing the fuel, it flows through the sensor element for determining the concentration, through which the respective concentration of harmful substances in the
  • Fuel can be detected and measured. If the concentration of a harmful substance in the fuel exceeds a predetermined limit value, the gas flow of the fuel is not directed into the fuel cell via a corresponding position of the valve, but instead bypasses the fuel cell via the bypass line. The consequence of this is that the fuel cell cannot be poisoned by the substances in the gas stream. As long as the sensor element measures a concentration of the harmful substances that exceeds the limit value, the gas flow is guided past the fuel cell. Only at the moment when the concentration of harmful substances falls below a permissible limit value is the gas stream introduced into the fuel cell, so that the required electrical power can then be supplied by the fuel cell.
  • the oxidizing agent for example oxygen or air
  • the oxidizing agent feed line is fed to the fuel cell via the oxidizing agent feed line.
  • a suitable conveying device is provided in the oxidant feed line.
  • This conveying device can be designed, for example, but not exclusively, as a pump, compressor or blower, and here in particular as a regulated blower.
  • the oxidizing agent is sucked into the oxidizing agent feed line via the conveying device.
  • the oxidizing agent In order to avoid damage to the fuel cell, it is necessary for the oxidizing agent to be moistened when it enters the fuel cell.
  • this moistening of the oxidizing agent can be carried out, for example, by means of water formed in the fuel cell. However, such water is not yet available during the start-up phase of the fuel cell. The one entering the fuel cell
  • Oxidant stream would thus enter the fuel cell dry during the starting phase, which would lead to the fuel cell drying out for a short time.
  • Oxidizing agent supply valve is provided, which is connected to a bypass line bypassing the fuel cell.
  • the valve is switched in such a way that the oxidant gas stream is not directed into the fuel cell, but rather bypasses it.
  • the oxidant gas stream directed past the fuel cell can then take on further functions in the fuel cell system, as will be explained in more detail in the further course of the description. It is therefore necessary that the conveyor device located in the oxidant feed line is already driven by the additional electrical power source during the starting phase of the fuel cell system.
  • the delivery device can then be driven via the power generated by the fuel cell itself.
  • the conveyor in the oxidant supply line for example a compressor, should be controlled in such a way that it starts to demand power as late as possible.
  • the fuel cell system designed according to the invention ensures that those which are absolutely necessary for the startup process of the fuel cell system
  • Components can be actuated immediately, so that the starting phase, that is, the phase until the fuel cell can supply the electrical current required for the operation of a consumer, can be kept very short, without causing damage to the fuel cell or individual components of the burner - can come.
  • Two delivery devices can advantageously be provided in the fuel feed line.
  • One of these delivery devices can be designed, for example, as a fuel pump.
  • the fuel is pumped out of the fuel tank via this fuel pump and passed into the device for generating / processing the fuel.
  • the conveyor device which is also provided can be designed as a double pump, i.e. be prepared for the simultaneous promotion of two media.
  • Double pumps have the task, for example, of mixing the pure fuel pumped out of the fuel tank with another medium, for example water or the like, before entering the device for generating / processing the fuel.
  • This fuel mixture generated in the double pump is then either temporarily stored in an intermediate tank, or is fed directly into the device for producing / processing the fuel. Since the supply of fuel or the fuel mixture is already required in the starting phase of the fuel cell system, both delivery devices are preferably driven via the additional electrical power source during the starting phase of the fuel cell system.
  • the intermediate tank is always filled and the fuel mixture is conveyed out of the intermediate tank. This can be done, for example, without or with a corresponding conveyor device which can be connected to the electrical power source.
  • the valves for the bypass lines can preferably be designed as three-way valves. Such valves allow easy and accurate control of the Gas streams. Three-way valves can usually be controlled quickly, so that they can be opened or closed without delay. In this way, if a value exceeding the permissible limit value for harmful substances is measured in the sensor element for determining the concentration, this information can be quickly implemented, for example via a corresponding computer, a control and control device or the like, so that poisoning of the fuel cell by harmful Substances or their drying out is prevented.
  • the drives required to actuate the valves can also be driven via the additional electrical power source during the starting phase of the fuel cell system.
  • the device for generating / processing the fuel can have a number of reactor elements, individual reactor elements being designed as heat sinks, each of which is thermally connected to a heating device.
  • the heating device in turn is preferably connected to the fuel supply line or the electrical power source for energy supply in order to enable the system to be started up thermally.
  • the individual reactor elements of the arrangement for generating / processing the fuel are connected to one another via corresponding lines, so that the fuel can flow through the individual reactor elements during its generation or processing.
  • a reactor element functioning as a heat sink can be designed, for example, as an evaporator. Such an evaporator is required, for example, if hydrogen is to be reformed from methanol, natural gas or the like.
  • Another heat sink is a reformer which is connected downstream of the evaporator and in which the fuel used as the starting material is reformed to hydrogen with water vapor.
  • the reactor elements functioning as a heat source can be designed, for example, as selective oxidation. This reactor element is required if the
  • Hydrogen is processed by the partial oxidation process.
  • the gas is first cleaned in a shift reactor by means of a homogeneous water gas reaction and finely cleaned in the subsequent stage - the selective oxidation.
  • the reactor elements designed as heat sinks are connected to a heating device, via which they can be brought to their required operating temperature.
  • the heating devices can be designed, for example, but not exclusively, as burners, in particular as catalytic burners, or as electrical heating elements.
  • the heating device is designed as an electrical heating element, the required electrical energy can be provided by the additional electrical power source during the starting phase of the fuel cell system.
  • the electrical heating device can be designed, for example, as a heating wire, heating coil or the like.
  • the heating device is designed as a burner, in particular as a catalytic burner, it is expediently connected to the fuel supply line for energy supply.
  • the heating device can thus be supplied with fuel as long as necessary during the starting phase of the fuel cell system.
  • the fuel can be drawn from the fuel tank in the fuel line by means of the delivery device and made available to the heating devices designed as burners in the fuel production.
  • Suitable metering devices can optionally be provided between the conveying device and the heating devices.
  • the heating devices are arranged lower than the fuel tank so that the fuel is transported via the hydrostatic pressure and a special delivery device can be dispensed with.
  • the heaters are preferably ignited electrically.
  • a bypass line can be provided for temporarily bypassing the conveyor.
  • the fuel can then be transported during normal operation on the basis of the hydrostatic principle solely on the basis of the hydrostatic pressure. If there is an increased fuel requirement, the fuel can be passed or pumped via the delivery device by providing appropriate valves.
  • an electrically operated conveying device can advantageously be provided, which is arranged in a flow circuit for a heating / cooling medium passing through the reactor elements and for the power supply the additional electrical power source is connected.
  • This conveyor device can thus also be driven via the electrical power source during the starting phase of the fuel cell system.
  • the flow circuit of the heating / cooling medium which is designed, for example, as a closed flow circuit, ensures that heat is transported between the individual reactor elements.
  • the heat released in the reactor elements functioning as a heat source can thus be used to additionally heat the reactor elements designed as a heat sink. As a result, the thermal energy generated by the reactor elements acting as a heat source is not lost.
  • the conveying device can advantageously be designed as a pump or blower.
  • An especially advantageous heating / cooling medium is, for example, an oil, and here in particular a highly heat-resistant oil.
  • the senor element can be designed to determine the concentration of carbon monoxide in a gas stream, in particular in the fuel stream. As has already been described in detail above, these are:
  • Carbon monoxide is a very harmful gas for the fuel cell, which can arise from the reforming of hydrogen from hydrocarbons.
  • the presence of carbon monoxide in the fuel can be detected at an early stage via a correspondingly designed sensor element, so that suitable measures can be taken, such as switching the valve and bypassing the gas flow via the bypass line past the fuel cell.
  • the sensor element for determining the concentration can advantageously be designed as an infrared spectrometer. Infrared spectrometry measures molecular vibrations and rotations by absorbing radiation in the infrared region of the electromagnetic spectrum. In another embodiment, the sensor element for determining the concentration can be designed as a sensor element for measuring the nuclear magnetic resonance of a substance. However, the invention is not limited to the two examples mentioned, so that other configurations of the sensor element for determining the concentration are also possible.
  • the oxidant discharge line can advantageously be connected to a filter, in particular an activated carbon filter, which in turn has a connecting line to the fuel tank. As will be explained in more detail below, the oxidant, for example an air stream, which bypasses the fuel cell during the starting phase of the fuel cell system can be used to clean and regenerate the filter, which performs various functions.
  • hydrocarbons are generally released. Since hydrocarbons are harmful to the environment and can also cause damage in the fuel cell system, they must be bound in a suitable manner. This is usually done via the filter element, for example the activated carbon filter. However, this filter element must be regenerated from time to time to ensure the functionality. If timely regeneration is neglected, the hydrocarbons can reach the atmosphere unhindered through the filter element.
  • the oxidant gas stream is introduced into it or passed through it.
  • the oxidant stream is used for this purpose, which is bypassed the fuel cell via the bypass line.
  • the oxidant gas stream is used for this purpose, which is derived from the fuel cell via the corresponding discharge line.
  • the actual regeneration of the filter element takes place in that the oxidant gas stream entrains the hydrocarbon molecules located in the filter element.
  • the filter can advantageously also be connected to the heating device or devices in the device for generating / processing the fuel.
  • the oxidant stream after flowing through the filter and desorbing and entraining the hydrocarbons, can be used in the production of the fuel.
  • the heating devices which are in particular designed as burners, are supplied with the fuel absorbed or the hydrocarbons absorbed when the filter is being regulated, as a result of which, among other things, the gas treatment process within the device for generating / processing the fuel is brought to the corresponding operating temperature when the fuel cell system is started up becomes.
  • an arrangement for heating / cooling the fuel cell via a heating / cooling medium can be provided, which has a heating device which is connected to the fuel supply line or the additional electrical power source.
  • the fuel cell can be quickly and easily heated to the ideal temperature range during the starting phase. Heat is usually generated in the fuel cell during operation, which causes it to heat up. After the operating temperature has been reached, the excess heat loss generated in a fuel cell must be dissipated.
  • the heating phase of the fuel cell until the ideal operating temperature is reached takes a certain amount of time, which is particularly disadvantageous for a faster start of the fuel cell.
  • the fuel cell can be preheated during the starting phase and thus accelerated to the ideal operating temperature. This means that the fuel cell is fully operational in a very short time.
  • the heating device is designed as a burner, in particular as a catalytic burner, it should expediently be connected to the fuel feed line for its energy supply. In this way, the heating device can be supplied with fuel via the delivery device. If the heating device is designed as an electrical heating device, it is preferably connected to the additional electrical power source.
  • a conveyor for the heating / cooling medium which is connected to the additional electrical power source, can preferably be provided in the arrangement for heating / cooling the fuel cell.
  • the arrangement for heating / cooling the fuel cell has a flow line for the heating / cooling medium, which is connected to the fuel cell in such a way that an indirect thermal exchange takes place or takes place between the fuel cell and the heating / cooling medium in the flow line can.
  • the flow line can penetrate the fuel cell, for example, at least in some areas.
  • the heating / cooling medium in the flow line is heated via the heating device.
  • the heated heating / cooling medium enters the fuel cell, where it stores the stored heat releases the fuel cell and heats it up.
  • the heat loss generated in it is transported away via the heating / cooling medium.
  • the delivery device can be designed as a pump, blower or the like.
  • the conveying device is preferably connected to the additional electrical power source, so that it can also be operated immediately when the fuel cell system is started.
  • a method for starting up a fuel cell system according to the invention as described above is provided, which is characterized according to the invention by the following steps:
  • the method according to the invention makes it possible in a simple manner to start the fuel cell system without causing damage to the fuel cell or individual components of the fuel cell system can come, and the start phase of the fuel cell system is kept very short.
  • the advantages, effects, effects and the mode of operation of the method according to the invention reference is made in full to the above statements regarding the fuel cell system according to the invention and reference is hereby made. Preferred embodiments of the method result from the subclaims.
  • fuel in the starting phase of the fuel cell system, fuel can be introduced into the heating device or heating devices for the reactor elements in the device for generating / processing the fuel via the at least one delivery device in the fuel supply line or the bypass line operated by the additional electrical power source, or the heating device or Heating devices can be operated via the additional electrical power source in order to supply the reactor elements with the thermal energy required for the operation of the device for generating / processing the fuel.
  • a delivery device for a heating / cooling medium provided in the device for generating / processing the fuel can be driven to control the temperature of the reactor elements via the electrical power source.
  • the oxidizing agent bypassing the fuel cell can preferably be introduced into the filter connected to the fuel tank, in particular the activated carbon filter, in order to rinse it and then to add the oxidizing agent enriched in this way with fuel into the heating device or devices to generate / prepare the fuel and use it there for combustion, thereby bringing the reactor elements to temperature.
  • fuel in the starting phase of the fuel cell system, fuel can be introduced into the heating device provided in the arrangement for heating / cooling the fuel cell via the at least one conveying device in the fuel supply line, or the heating device is supplied via the additional electrical power source operated to bring the fuel cell to the required operating temperature.
  • a fuel cell system as described above or a method as described above for starting a fuel cell system in or for a vehicle, in particular a vehicle with an electric traction drive can be used. Due to the rapid development of fuel cell technology in the vehicle sector, such use currently offers particularly good applications. However, other possible uses are also conceivable. These include fuel cells for mobile devices such as computers or the like up to power plants. Here, fuel cell technology is particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
  • the present invention is preferably used in connection with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have an optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical
  • FIGURE shows a schematic view of a fuel cell system according to the invention.
  • a fuel cell system 10 is shown, which is used to operate an electric drive for a vehicle.
  • the fuel cell system 10 has a fuel cell 11 with an anode part 12, a cathode part 14 and a membrane 13.
  • the anode part 12 is connected to a feed line 15 and a discharge line 16 for a fuel, in the present case hydrogen.
  • the cathode part 14 is connected to a feed line 17 and a discharge line 18 for an oxidizing agent, in the present case oxygen or air.
  • the supply line 17 for the oxidizing agent there is a filter 20, an oxidizing agent mass sensor 21, a conveying device 22 designed as a regulated fan, a residual moisture transmitter 23, a three-way valve 24 and an arrangement 40 for heating / cooling the fuel cell 1 1 belonging heat sink 43, which takes over the function of a heat exchanger, is provided.
  • the fan 22 is connected via an electrical connection 76 to an additional electrical power source 75 designed as a rechargeable battery and provided for the fuel cell 11.
  • a water separator 26 is provided in the discharge line 18 for the oxidizing agent and is connected to a line 27 for discharging water. Furthermore, a pressure regulator 28 and part of the residual moisture exchanger 23 are provided in the discharge line 18.
  • the three-way valve 24 provided in the supply line 17 is connected to the oxidant discharge line 18 via a bypass line 25.
  • a check valve 29 is also provided in the oxidant discharge line 18.
  • the oxidant discharge 18 opens into a filter element 57, in the present case an activated carbon filter.
  • the ambient air used as the oxidizing agent is sucked in via the particle filter 20 by the regulated fan 22.
  • the entering air mass is determined in front of the blower 22 with the air mass sensor 21. After passing through the residual moisture exchanger 23, the air mass flows through the three-way valve 24.
  • the three-way valve 24 is switched in such a way that the oxidant flow is passed via the bypass line 25 past the fuel cell 11 directly into the oxidant discharge line 18. In this way, the dry stream of oxidant cannot enter the fuel cell 11.
  • the oxidant stream is passed through the oxidant discharge line 18 into the filter element 57 in order to rinse and regenerate it, as will be explained in more detail in the further course of the description.
  • the blower 22 and any control devices (not shown) of the valve 24 are driven by the battery 75.
  • the blower 22 and any control devices (not shown) of the valve 24 are driven by the battery 75.
  • the blower 22 and the corresponding control devices of the valve 24 are supplied with electrical current via the fuel cell 11, the battery 75 simultaneously again is charged. In this phase, the blower 22 is operated only with low power in the so-called power saving mode.
  • water is also produced, which is derived in the form of water vapor in the exhaust gas stream of the cathode part 14 via the discharge line 18.
  • the oxidizing agent containing the water vapor flows through after it has left the fuel cell 11 first the water separator 26, in which a portion of the water vapor already condenses into liquid water. The water condensed out in this way is discharged via line 27.
  • the remaining exhaust gas stream of the oxidizing agent is expanded in the pressure regulator 28. This reduces the moisture content in the exhaust gas flow.
  • the remaining moisture is then extracted from the gas stream by the residual moisture exchanger 23.
  • the moisture extracted from the oxidizing agent in the residual moisture exchanger 23 is used to suitably moisten the oxidizing agent that is originally dry to the fuel cell 11 via the oxidizing agent feed line 17 and is dry.
  • the heat exchanger 43 is provided, which will be explained in more detail in the further course of the description.
  • a device 80 for generating / processing the fuel is also provided for generating or processing the fuel.
  • the device 80 has a number of reactor elements which, in the present exemplary embodiment, are designed as evaporators 81, reformer 82, shift reactor 83 and partial oxidation 84. These reactor elements are connected to a fuel feed line 63 on the inlet side of the device 80 and to the fuel feed line 15 on their outlet side.
  • Two of the reactor elements namely the evaporator 81 and the reformer 82, are designed as so-called heat sinks, which means that heat is required in them for operation.
  • the evaporator 81 and the reformer 82 are coupled to heating devices 85, 86 designed as catalytic burners.
  • the required heat is supplied to the reactor elements during operation of the device 80 via the heating devices 85, 86.
  • a flow circuit 88 is also provided for temperature control of the individual reactor elements conveyor 87 designed as a pump.
  • the heating / cooling medium flowing through the flow circuit 88 absorbs the heat released in the reactor elements designed as heat sources and transports it to the reactor elements designed as a heat sink, where the heat is then transferred.
  • the conveyor 87 regulates the flow rate and thus the flow rate of the heating / cooling medium.
  • the conveyor 87 is connected to the additional electrical power source 75 via an electrical connection 89.
  • the operation of the conveyor 87 during the start phase of the fuel cell system 10 can be dispensed with better, since the operation of the conveyor 87 also consumes energy.
  • the fuel cell system 10 has a fuel tank 55 for holding a fuel consisting of hydrocarbons, such as methanol, natural gas, gasoline or the like, from which hydrogen is produced in the device 80 for generating / processing the fuel.
  • the fuel tank 55 is connected via a tank protection valve 56 to the filter element 57 designed as an activated carbon filter.
  • the fuel tank 55 is connected via the fuel line 63 to the device 80 for generating / processing the fuel.
  • two delivery devices are provided in the fuel line 63, which are designed as a fuel pump 58 and as a double pump 60.
  • the double pump 60 is not only connected to the fuel tank 55 on the suction side, but also to a water tank 62.
  • the fuel pump 58 and the double pump 60 are connected to the additional electrical power source 75 via corresponding electrical connections 77, 78.
  • an intermediate tank 61 is connected downstream of the double pump 60 in the fuel feed line 63.
  • the heating devices 85, 86 of the device 80 for generating / processing the fuel which are designed as burners, are connected to the fuel supply line 63 via a corresponding line 64.
  • the line 64 is connected to the fuel line 63 in the flow direction after the fuel pump 58.
  • the individual heating devices 85, 86 are connected to the line via corresponding branch lines 69, 70 Line 64 connected.
  • Corresponding metering devices 66, 67 are provided in the branch lines 69, 70 for supplying a precisely defined amount of fuel to the heating devices 85, 86.
  • the filter element 57 is connected to a divider 71 via a feed line 72.
  • Two lines 73, 74 come out of the divider 71, each of which is connected to the heating devices 85, 86, so that the filter element 57 is connected to the heating devices 85, 86.
  • a sensor element 90 for determining the concentration of pollutants in the present case a sensor element for determining the concentration of carbon monoxide in the fuel, is provided in the feed line 15 for the fuel, which adjoins this on the outlet side of the device 80 for generating / processing the fuel , Furthermore, a three-way valve 91 is arranged in the feed line 15, which is connected to a bypass line 92 bypassing the fuel cell 11. Finally, a heat sink 44 is provided in the feed line 15, which is designed in the form of a heat exchanger. The heat sink 44 is part of the arrangement 40 for heating / cooling the fuel cell 11.
  • the hydrogen When the fuel cell system 10 is started, the hydrogen must be generated or processed as quickly as possible in the device 80.
  • the fuel is pumped out of the fuel tank 55 via the fuel pump 58 and pumped into the double pump 60 through the fuel filter 59.
  • the fuel In the double pump 60, the fuel is mixed with water taken from the water tank 62. This mixture is then temporarily stored in the intermediate tank 61 before it is introduced into the device 80 for generating / processing the fuel.
  • the fuel pump 58 and the double pump 60 are connected to the additional electrical power source 75. In this way, they can already be operated reliably before the fuel cell 11 has reached its operational capability and can supply electrical current.
  • the fuel mixture entering device 80 is reformed therein to produce hydrogen.
  • the components required for this such as the conveying device 87 or the heating devices 85, 86, if they are designed as electrical heating devices, are likewise operated via the additional electrical power source 75 during the starting phase of the fuel cell system 10. In normal operation of the fuel cell system, operation takes place via the fuel cell 11. If the heating devices 85, 86 are designed as burners, as in the case shown in the figure, they are operated on the one hand by means of the fuel removed from the fuel tank 55. For this purpose, a partial flow of the fuel is pumped via the fuel pump 58 into the branch line 64 and via this into the lines 69, 70.
  • the quantity of fuel required for the heating devices 85, 86 is set in the metering devices 66, 67 and this is then fed into the heating devices 85, 86.
  • the heating devices 85, 86 driven in this way can now supply the reactor elements 81, 82 which act as a heat sink with the heat required for operation.
  • the heating devices 85, 86 are also supplied via the filter element 57.
  • the oxidizing agent bypassed the fuel cell 11 during the starting phase of the fuel cell system 10 is conducted into the filter element 57 through the oxidizing agent discharge line 18 and through it.
  • the hydrocarbons located in the filter element 57 are entrained by the oxidizing agent.
  • the oxidant enriched in this way with fuel is passed on via the feed line 72 to the divider 71, where it is divided between the two lines 73, 74 and is then made available to the heating devices 85, 86 for combustion.
  • the filter element 57 can be regenerated, on the other hand the fuel in the filter element 57 can be used to operate the heating devices 85, 86.
  • Fuel cell system 10 possible to supply the necessary heating devices for generating / processing the fuel with energy. In this way, the starting phase of the fuel cell system 10 can be shortened considerably.
  • the fuel leaving the device 80 has a concentration of certain substances that are harmful to the fuel cell 11.
  • One such substance is carbon monoxide.
  • the fuel emerging from the device 80 and flowing through the feed line 15 is examined with the aid of the sensor element 90. If the sensor element 90 measures a concentration of carbon monoxide that exceeds a predetermined limit value, the three-way valve 91 switched in such a way that the fuel does not enter the fuel cell 11 via the feed line 15, but rather is led past the latter via the bypass line 92.
  • the bypass line 92 is advantageously connected to the fuel line 16 from the anode part 12.
  • the fuel that bypasses the fuel cell 11 in this way can either be derived from the fuel cell system 10 or used further. To further utilize the fuel, it can be fed into the heating devices 85, 86, for example via corresponding lines, dividers or the like, and used there to generate heat. It is also conceivable to introduce the fuel again into the device 80 for producing / processing the fuel and to subject it to a renewed reforming process.
  • a corresponding valve in particular a check valve 93, is provided in the fuel line 16 at the outlet of the fuel cell 11.
  • valve 91 As soon as the concentration of carbon monoxide in the fuel flow has fallen below a certain limit, the valve 91 is switched over in such a way that the fuel can now enter the fuel cell 11 via the feed line 15. If the valve 91 by electrical actuators, such as those in
  • control devices can be connected to the additional electrical power source 75 in order to enable operation at the start of the fuel cell system 10.
  • the fuel cell system 10 furthermore has an arrangement 40 for heating / cooling the fuel cell 1 1.
  • the arrangement 40 has a flow line 45 designed as a closed heating / cooling circuit, which is preferably supplied by a liquid heating / cooling medium, for example water, oil or the like - the same is flowing through.
  • a liquid heating / cooling medium for example water, oil or the like
  • Flow line 46 connected to the fuel cell 11 such that a thermal exchange between the fuel cell 11 and the heating / cooling medium takes place or can take place in the flow line 45, 46.
  • the fuel cell 11 is penetrated by the partial area 46 of the flow line 45.
  • the flow line 45 is preferably designed as a coil.
  • a pump 49 is also provided, via which the flow rate of the heating / cooling medium is set and regulated.
  • a cooling device 42 is provided with which the heat loss generated during operation of the fuel cell 11 can be dissipated.
  • a heating element 41 is provided in the flow line 45 and is connected to a heating device 48. Furthermore, an additional flow line 47 branches off from the flow line 45 behind the fuel cell 1 1, which flows back into the flow line 45 behind the heat sink 44 and in which the heat sink 43 designed as a heat exchanger is arranged, which is connected in this way parallel to the heat sink 44 ,
  • the heating element 41 is supplied with heat via the heating device 48.
  • the heating device 48 is designed as an electrical heating device, it is preferably connected to the additional electrical power source 75 for this purpose.
  • the heating device 48 is designed as a burner or the like, as in the case shown, it is preferably connected to the line 64 via a branch line 68 and a corresponding metering device 65 and via this to the fuel line 63. Similar to the heating devices 85, 86, the heating device 48 is thus supplied with fuel. The heat generated in the heating device 48 and thus in the heating element 41 is used to heat the heating / cooling medium flowing through the flow line 45.
  • the heating / cooling medium heated in this way is pumped into the fuel cell 11 via the conveying device 49, where it releases the heat to the fuel cell 11 and thus heats it up.
  • the heated heating / cooling medium is conducted via the flow line 47 into the heat sinks 43, 44, where it releases its heat to the oxidizing agent or the fuel supplied. In this way, both the oxidizing agent and the fuel supplied.
  • Fuel are heated to a suitable temperature before entering the fuel cell 11.
  • this rapid heating preferably takes place in that the conveyor device 49 is connected to the additional electrical power source 75 via an electrical connection 50 and in that the heating direction 48 fuel is made available via the fuel pump 58 connected to the additional electrical power source 75.
  • the heating element 41 and the heating device 48 can be switched off.
  • the waste heat produced by the fuel cell 11 is then used to heat the fuel or the oxidizing agent via the heat sinks 43, 44.
  • the excess heat loss of the fuel cell 11 is dissipated via the cooling device 42.
  • the additional electrical power source 75 which is not required during normal operation of fuel cell 11 and which can be designed, for example, as an on-board electrical system battery when fuel cell system 10 is used in a vehicle, is recharged via fuel cell 11 during normal operation thereof.
  • tank protection valve Activated carbon filter

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle auf, die einen Anodenteil mit einer Zuleitung und einer Ableitung für einen Brennstoff, einen Kathodenteil mit einer Zuleitung und einer Ableitung für ein Oxidationsmittel und eine Membran aufweist. Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehen, die über die Brennstoffzuleitung mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei in der Brennstoffzuleitung ein Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung und ein Ventil, das mit einer die Brennstoffzelle umgehenden Bypassleitung verbunden ist, vorgesehen sind. In der Oxidationsmittelzuleitung ist eine Fördereinrichtung und ein Ventil angeordnet, wobei das Ventil mit einer die Brennstoffzelle umgehenden Bypassleitung verbunden ist. Ein Kraftstofftank ist über eine Kraftstoffzuleitung mit der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs verbunden, wobei in der Kraftstoffzuleitung wenigstens eine Fördereinrichtung vorgesehen ist. Die Fördereinrichtungen sind mit einer Batterie elektrisch verbunden, so daß diese während der Startphase des Brennstoffzellensystems über die Batterie angetrieben werden.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Hochfahren eines solchen Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
In einer Brennstoffzelle wird durch eine chemische Reaktion Strom erzeugt. Dabei wird ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel in elektrische Energie und Wasser als
Reaktionsprodukte umgewandelt. Eine Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einem Anodenteil, einer Membran und einem Kathodenteil. Die Membran besteht aus porösem, elektrisch leitfähigem Material und ist zwischen der Anode und der Kathode angeordnet, um Ionen auszutauschen. Auf der Seite der Anode wird der Brennstoff zugeführt, während auf der Seite der Kathode das Oxidationsmittel zugeführt wird. An der Anode werden durch katalytische Reaktionen Protonen beziehungsweise Wasserstoffionen erzeugt, die sich durch die Membran zur Kathode bewegen. An der Kathode reagieren die Wasserstoffionen mit dem Sauerstoff, und es bildet sich Wasser. Die bei der Reaktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel verwendet. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder zu speichernden Brennstoff wie Erdgas, Methanol oder dergleichen betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Insbesondere, wenn derartige Brennstoffzellen in Fahrzeugen verwendet werden, besteht der Wunsch, daß diese möglichst schnell einsatzfähig sind, d. h., daß alle Komponenten möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden und ihre volle Leistungsfähigkeit erlangen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das nach dem Start möglichst schnell und dennoch auf zuverlässige Weise einsatzfähig ist. Dabei soll die Anfahrphase beziehungsweise Startphase möglichst kurz gehalten werden. Weiterhin soll ein Verfahren zum Hochfahren einer solchen Brennstoffzelle bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, mit einer Brennstoffzelle, die einen Anodenteil mit einer Zuleitung und einer Ableitung für einen Brennstoff, einen Kathodenteil mit einer Zuleitung und einer Ableitung für ein Oxidationsmittel und eine Membran aufweist, mit einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs, die über die Brennstoffzuleitung mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei in der Brennstoffzuleitung ein Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung und ein Ventil, das mit einer die Brennstoffzelle umgehenden Bypassleitung verbunden ist, vorgesehen sind, mit einer Fördereinrichtung und einem Ventil, die in der Oxidationsmittelzuleitung angeordnet sind, wobei das
Ventil mit einer die Brennstoffzelle umgehenden Bypassleitung verbunden ist, einem Kraftstofftank, der über eine Kraftstoffzuleitung mit der Vorrichtung zum Erzeugen/ Aufbereiten des Brennstoffs verbunden ist, wobei in der Kraftstoffzuleitung wenigstens eine Fördereinrichtung vorgesehen ist, und mit einer zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle, insbesondere einer Batterie, die mit den Fördereinrichtungen elektrisch verbunden ist, so daß diese während der Startphase des Brennstoffzellensystems über die Leistungsquelle angetrieben werden oder antreibbar sind.
Mit einem derart ausgebildeten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird es möglich, bei dessen Start die einzelnen Elemente und Komponenten schnell einsatzfähig zu machen, so daß die Startphase beziehungsweise Anfahrphase des Brennstoffzellensystems sehr kurz gehalten werden kann.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß diejenigen Komponenten des Brennstoffzellensystems, die zum Hochfahren des Brennstoffzellensystems unbedingt notwendig sind, während der Startphase zunächst über eine zusätzliche elektrische Leistungsquelle angetrieben werden. Als zusätzliche elektrische Leistungsquelle kann beispielsweise eine Batterie, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, auch ein Kondensator verwendet werden. Besonders empfehlenswert ist der Einsatz von Kondensatoren mit übergoßer Speicherdichte im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren, die auch als "Ultracaps" bezeichnet werden und eine extrem hohe Zyklenanzahl (BeJEntladen) ertragen können. Über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle kann die von den einzelnen Komponenten während der Startphase des Brennstoffzellensystems benötigte Energie sofort bereitgestellt werden. Dabei soll die Leistungsanforderung an die elektrische Leistungsquelle hierbei so klein wie möglich sein. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems werden die einzelnen elektrischen Verbraucher des Brennstoffzellensystems dann über die Brennstoffzelle selbst versorgt, wobei die zusätzliche elektrische Leistungsquelle über die Brennstoffzelle wieder aufgeladen wird. Die Energieversorgung für die thermischen Verbraucher wird über den Brennstoffeinsatz realisiert.
Während der Startphase des Brennstoffzellensystems sind verschiedene Aspekte zu berücksichtigen, die möglichst gleichzeitig oder in kurzen Zeitabständen hintereinander ablaufen müssen. Einige dieser Aspekte werden beispielhaft im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Wenn die Brennstoffzelle beispielsweise mit Wasserstoff als Brennstoff betrieben werden soll, muß der Wasserstoff zunächst beispielsweise aus einem flüssigen oder gasförmigen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoff wie etwa Methanol, Methan, Benzin, Erdgas, Kohlegas, Biogas oder dergleichen hergestellt beziehungsweise aufbereitet werden. Diese Herstellung beziehungsweise Aufbereitung des Brennstoffs erfolgt in der Vorrichtung zur Erzeugung/Aufbereitung des Brennstoffs. Dazu wird der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank über eine Kraftstoffzuleitung in diese
Vorrichtung eingespeist. Zur Unterstützung der Einspeisung ist in der Kraftstoffzuleitung wenigstens eine Fördereinrichtung vorgesehen. Diese Fördereinrichtung beziehungsweise diese Fördereinrichtungen, die bei Verwendung von flüssigem Kraftstoff als Pumpe oder dergleichen ausgebildet sein können, fördern den Kraftstoff üblicherweise zunächst in einen Zwischentank, aus dem dann die Vorrichtung zur
Erzeugung/Aufbereitung des Brennstoffs versorgt wird. Während des Hochfahrens des Brennstoffzellensystems ist es daher erforderlich, daß die wenigstens eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Kraftstoff-Injektionspumpe, über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle angetrieben wird. Vorteilhaft ist die Fördereinrichtung derart ausgebildet, daß nur eine kleine elektrische Leistung benötigt wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann der Zwischentank höher liegen als verschiedene Heizeinrichtungen der Brennstofferzeugungs- und Aufbereitungsanlage, die im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert werden und beispielsweise als Brenner oder dergleichen ausgebildet sind. Diese Heizeinrichtungen dienen zur Zuführung von Wärmeenergie zu verschiedenen thermischen Verbrauchern. In einem solchen Fall kann der Kraftstoff mittels des hydrostatischen Drucks transportiert werden. Dann kann eine gesonderte Fördereinrichtung hierfür entfallen und es wird nur ein entsprechendes Ventil zur Steuerung des Zuflusses benötigt. Bei einer solchen Ausgestaltung könnten die Heizeinrichtungen elektrisch gezündet und das System thermisch hochgefahren werden.
Das die Vorrichtung zur Erzeugung/Aufbereitung des Brennstoffs verlassende Brennstoffgas wird über die Brennstoffzuleitung in die Brennstoffzelle geleitet. Wenn die Brennstoffzelle mit Wasserstoff betrieben wird und dieser aus einem der vorstehend bereits erwähnten Kraftstoffe als wasserstoffreiches Gas erzeugt wird, wird während des Umwandlungsprozesses im wesentlichen Wasserstoff und Kohlendioxid erzeugt. Weiterhin entstehen aber auch für die Brennstoffzelle schädliche Substanzen wie beispielsweise Kohlenmonoxid oder dergleichen, die vor Eintritt des Brennstoffs in die Brennstoffzelle entfernt werden müssen. Solche schädlichen Substanzen führen ab einer bestimmten Konzentration dazu, daß sich die von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung verringert und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle stark reduziert wird.
Durch das Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung schädlicher Substanzen im Brennstoff sowie die die Brennstoffzelle umgehende Bypassleitung, die über das Ventil mit der Brennstoffzuleitung verbunden ist, kann verhindert werden, daß schädliche Substanzen ungewollt in die Brennstoffzelle eintreten können. Grundsätzlich ist die
Erfindung nicht auf den Nachweis von bestimmten Substanzen beschränkt.
Nach dem Austritt des Brennstoffs aus der Vorrichtung zur Erzeugung/Aufbereitung des Brennstoffs durchströmt dieser das Sensorelement zur Konzentrationsbe- Stimmung, durch das die jeweilige Konzentration an schädlichen Substanzen im
Brennstoff nachgewiesen und gemessen werden kann. Wenn die im Brennstoff befindliche Konzentration einer schädlichen Substanz einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird der Gasstrom des Brennstoffs über eine entsprechende Stellung des Ventils nicht in die Brennstoffzelle hinein, sondern über die Bypassleitung an dieser vorbeigeleitet. Das hat zur Folge, daß die Brennstoffzelle durch die im Gasstrom befindlichen Substanzen nicht vergiftet werden kann. Solange vom Sensorelement eine den Grenzwert überschreitende Konzentration der schädlichen Substanzen gemessen wird, wird der Gasstrom an der Brennstoffzelle vorbeigeführt. Erst in dem Moment, in dem die Konzentration an schädlichen Stoffen einen zulässigen Grenzwert unterschreitet, wird der Gasstrom in die Brennstoffzelle hineingeleitet, so daß dann die benötigte elektrische Leistung von der Brennstoffzelle geliefert werden kann.
Ein weiterer Aspekt, der beim Startvorgang des Brennstoffzellensystems berücksichtigt werden muß, ist die Zufuhr des Oxidationsmittels. Das Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff oder Luft, wird der Brennstoffzelle über die Oxidationsmittelzuleitung zugeführt. Dazu ist in der Oxidationsmittelzuleitung eine geeignete Fördereinrichtung vorge- sehen. Diese Fördereinrichtung kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, als Pumpe, Verdichter oder Gebläse, und hier insbesondere als geregeltes Gebläse, ausgebildet sein.
Über die Fördereinrichtung wird das Oxidationsmittel in die Oxidationsmittelzuleitung eingesaugt. Um eine Beschädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden, ist es erforderlich, daß das Oxidationsmittel bei seinem Eintritt in die Brennstoffzelle angefeuchtet ist. Während des Betriebs der Brennstoffzelle kann diese Befeuchtung des Oxidationsmittels beispielsweise über in der Brennstoffzelle entstehendes Wasser vorgenommen werden. Während der Startphase der Brennstoffzelle steht solches Wasser jedoch noch nicht zur Verfügung. Der in die Brennstoffzelle eintretende
Oxidationsmittelstrom würde während der Startphase der Brennstoffzelle somit trocken in diese eintreten, was kurzzeitig zu einem Austrocknen der Brennstoffzelle führen würde.
Zur Vermeidung einer solchen Austrocknung der Brennstoffzelle ist das in der
Oxidationsmittelzuleitung angeordnete Ventil vorgesehen, das mit einer die Brennstoffzelle umgehenden Bypassleitung verbunden ist. Während der Startphase des Brennstoffzellensystems wird das Ventil derart geschaltet, daß der Oxidationsmittel- gasstrom nicht in die Brennstoffzelle hinein-, sondern an dieser vorbeigeleitet wird. Der an der Brennstoffzelle vorbeigeleitete Oxidationsmittelgasstrom kann dann im Brennstoffzellensystem weitere Funktionen übernehmen, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird. Es ist daher erforderlich, daß auch die in der Oxidationsmittelzuleitung befindliche Fördereinrichtung bereits während der Startphase des Brennstoffzellensystems über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle ange- trieben wird. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems kann die Fördereinrichtung dann über die von der Brennstoffzelle selbst erzeugte Leistung angetrieben werden. Die Fördereinrichtung in der Oxidationsmittelzuleitung, beispielsweise ein Verdichter, sollte derart gesteuert sein, daß sie so spät wie möglich anfängt, Leistung zu fordern.
Durch das erfindungsgemäß ausgebildete Brennstoffzellensystem wird erreicht, daß die für den Hochfahrvorgang des Brennstoffzellensystems unbedingt erforderlichen
Komponenten unverzüglich betätigt werden können, so daß die Startphase, das heißt die Phase, bis die Brennstoffzelle den für den Betrieb eines Verbrauchers erforderlichen elektrischen Strom liefern kann, sehr kurz gehalten werden kann, ohne daß es zu einer Beschädigung der Brennstoffzelle oder einzelner Komponenten des Brenn- stoffzellensystems kommen kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft können in der Kraftstoffzuleitung zwei Fördereinrichtungen vorgesehen sein. Eine dieser Fördereinrichtungen kann beispielsweise als Kraftstoffpumpe ausgebildet sein. Über diese Kraftstoffpumpe wird der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank herausgepumpt und in die Vorrichtung zur Erzeugung/Aufbereitung des Brennstoffs hineingeleitet. Die weiterhin vorgesehene Fördereinrichtung kann als Doppelpumpe ausge- bildet, d.h. auf die gleichzeitige Förderung zweier Medien eingerichtet sein. Derartige
Doppelpumpen haben beispielsweise die Aufgabe, den aus dem Kraftstofftank herausgepumpten reinen Kraftstoff vor Eintritt in die Vorrichtung zur Erzeugung/Aufbereitung des Brennstoffs mit einem weiteren Medium, beispielsweise Wasser oder dergleichen, zu vermischen. Dieses in der Doppelpumpe erzeugte Kraftstoffgemisch wird dann entweder zunächst in einem Zwischentank zwischengespeichert, oder aber direkt in die Vorrichtung zur Erzeugung/Aufbereitung des Brennstoffs eingespeist. Da die Zufuhr von Kraftstoff beziehungsweise des Kraftstoffgemischs bereits in der Startphase des Brennstoffzellensystems erforderlich ist, werden vorzugsweise beide Fördereinrichtungen während der Startphase des Brennstoffzellensystems über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle angetrieben.
In anderer Ausgestaltung, kann vorgesehen sein, daß der Zwischentank immer gefüllt ist und das Kraftstoffgemisch aus dem Zwischentank gefördert wird. Dies kann beispielsweise ohne oder mit einer entsprechenden Fördereinrichtung, die mit der elektrischen Leistungsquelle verbunden sein kann, erfolgen.
Vorzugsweise können die Ventile für die Bypassleitungen als Drei-Wege-Ventile ausgebildet sein. Derartige Ventile gestatten eine einfache und genaue Steuerung der Gasströme. Drei-Wege-Ventile sind in der Regel schnell ansteuerbar, so daß sie ohne Verzögerung geöffnet beziehungsweise geschlossen werden können. Auf diese Weise können, wenn in dem Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung ein den zulässigen Grenzwert an schädlichen Substanzen überschreitender Wert gemessen wird, diese Informationen beispielsweise über einen entsprechenden Rechner, eine Kontroll- und Steuereinrichtung oder dergleichen schnell umgesetzt werden, so daß eine Vergiftung der Brennstoffzelle durch schädliche Substanzen oder deren Austrocknung verhindert wird. Die zum Betätigen der Ventile erforderlichen Antriebe können während der Startphase des Brennstoffzellensystems ebenfalls über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle angetrieben werden.
In weiterer Ausgestaltung kann die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereitung des Brennstoffs eine Anzahl von Reaktorelementen aufweisen, wobei einzelne Reaktorelemente als Wärmesenken ausgebildet sind, die jeweils mit einer Heizeinrichtung thermisch verbunden sind. Die Heizeinrichtung ist ihrerseits zur Energieversorgung vorzugsweise mit der Kraftstoffzuleitung oder der elektrischen Leistungsquelle verbunden, um das thermische Hochfahren des Systems zu ermöglichen.
Die einzelnen Reaktorelemente der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brenn- stoffs sind über entsprechende Leitungen miteinander verbunden, so daß der Brennstoff während seiner Erzeugung beziehungsweise Aufbereitung die einzelnen Reaktorelemente durchströmen kann.
In einigen der Reaktorelemente finden dabei exotherme Reaktionen statt, das heißt es wird Wärme frei. Diese Reaktorelemente werden im folgenden Wärmequellen genannt.
In anderen Reaktorelementen wird hingegen Wärme benötigt. Diese Reaktorelemente werden im folgenden als Wärmesenken bezeichnet. Ein als Wärmesenke fungierendes Reaktorelement kann beispielsweise als Verdampfer ausgebildet sein. Ein solcher Verdampfer ist etwa erforderlich, wenn Wasserstoff aus Methanol, Erdgas oder der- gleichen reformiert werden soll. Bei einer anderen Wärmesenke handelt es sich um einen Reformer, der dem Verdampfer nachgeschaltet ist, und in dem der als Ausgangsstoff dienende Kraftstoff mit Wasserdampf zu Wasserstoff reformiert wird.
Die als Wärmequelle fungierenden Reaktorelemente können beispielsweise als selektive Oxidation ausgebildet sein. Dieses Reaktorelement ist erforderlich, wenn der
Wasserstoff durch das Verfahren der partiellen Oxidation aufbereitet wird. Hierbei wird das Gas durch eine homogene Wassergasreaktion zunächst in einem Shift-Reaktor gereinigt und in der nachfolgenden Stufe - der selektiven Oxidation - feingereinigt. Die als Wärmesenken ausgebildeten Reaktorelemente sind mit einer Heizeinrichtung verbunden, über die sie auf ihre erforderliche Betriebstemperatur gebracht werden können. Dabei können die Heizeinrichtungen beispielsweise, jedoch nicht aus- schließlich, als Brenner, insbesondere als katalytische Brenner, oder als elektrische Heizelemente ausgebildet sein.
Wenn die Heizeinrichtung als elektrisches Heizelement ausgebildet ist, kann die benötigte elektrische Energie während der Startphase des Brennstoffzellensystems durch die zusätzlichen elektrische Leistungsquelle zur Verfügung gestellt werden. Die elektrische Heizeinrichtung kann beispielsweise als Heizdraht, Heizspule oder dergleichen ausgebildet sein.
Wenn die Heizeinrichtung als Brenner, insbesondere als katalytischer Brenner, ausge- bildet ist, ist sie zur Energieversorgung zweckmäßig mit der Kraftstoffzuleitung verbunden. Die Heizeinrichtung kann somit während der Startphase des Brennstoffzellensystems solange wie notwendig mit Kraftstoff versorgt werden. Dabei kann der Kraftstoff mittels der Fördereinrichtung in der Kraftstoffleitung aus dem Kraftstofftank angesaugt und den als Brenner ausgebildeten Heizeinrichtungen in der Brennstoff- herstellung zur Verfügung gestellt werden. Dabei können zwischen der Fördereinrichtung und den Heizeinrichtungen optional geeignete Dosiereinrichtungen vorgesehen sein.
In anderer Ausgestaltung ist es beispielsweise möglich, die Heizeinrichtungen tiefer als den Kraftstofftank anzuordnen, so daß der Transport des Kraftstoffs über den hydrostatischen Druck erfolgt, und eine besondere Fördereinrichtung entfallen kann. Die Heizeinrichtungen werden vorzugsweise elektrisch gezündet.
Weiterhin kann eine Bypassleitung zur zeitweiligen Umgehung der Fördereinrichtung vorgesehen sein. Während des Normalbetriebs kann dann der Kraftstoff bei entsprechender Anordnung der Elemente nach dem hydrostatischen Prinzip allein aufgrund des hydrostatischen Drucks transportiert werden. Bei erhöhtem Kraftstoffbedarf kann aber durch Stellung entsprechender Ventile der Kraftstoff über die Fördereinrichtung geleitet beziehungsweise gepumpt werden.
Vorteilhaft kann zur Temperierung der Reaktorelemente eine elektrisch betriebene Fördereinrichtung vorgesehen sein, die in einem die Reaktorelemente durchlaufenden Strömungskreislauf für ein Heiz/Kühlmedium angeordnet und zur Stromversorgung mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle verbunden ist. Damit kann auch diese Fördereinrichtung während der Startphase des Brennstoffzellensystems über die elektrische Leistungsquelle angetrieben werden. Durch den Strömungskreislauf des Heiz/Kühlmediums, der beispielsweise als geschlossener Strömungskreislauf ausgebildet ist, wird erreicht, daß ein Wärmetransport zwischen den einzelnen Reaktorelementen entsteht. Damit kann die in den als Wärmequelle fungierenden Reaktorelementen freiwerdende Wärme genutzt werden, um die als Wärmesenke ausgebildeten Reaktorelemente zusätzlich zu beheizen. Dadurch geht die von den als Wärmequelle fungierenden Reaktorelementen erzeugte Wärmeenergie nicht verloren.
Vorteilhaft kann die Fördereinrichtung je nach Verwendung eines den Strömungskreislauf durchströmenden Heiz-/Kühlmediums als Pumpe oder Gebläse ausgebildet sein. Ein besonders vorteilhaftes Heiz-/Kühlmedium ist beispielsweise ein Öl, und hier insbesondere ein hochwärmebeständiges Öl. Über die Fördereinrichtung lassen sich die Strömungsgeschwindigkeit und der Durchsatz des Heiz-/Kühlmediums im
Strömungskreislauf gezielt beeinflussen und somit der Wärmeaustausch regeln.
In weiterer Ausgestaltung kann das Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration von Kohlenmonoxid in einem Gasstrom, insbesondere im Brennstoffstrom, ausgebildet sein. Wie weiter oben bereits ausführlich beschrieben wurde, handelt es sich bei
Kohlenmonoxid um ein für die Brennstoffzelle sehr schädliches Gas, welches bei der Reformierung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen entstehen kann. Über ein entsprechend ausgebildetes Sensorelement kann die Anwesenheit von Kohlenmonoxid im Brennstoff frühzeitig erkannt werden, so daß geeignete Maßnahmen ergriffen werden können wie beispielsweise das Umschalten des Ventils und das damit verbundene Vorbeileiten des Gasstroms über die Bypassleitung an der Brennstoffzelle vorbei.
Vorteilhaft kann das Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung als Infrarot- Spektrometer ausgebildet sein. Bei der Infrarot-Spektrometrie werden Molekülschwingungen und -rotationen durch Absorption von Strahlung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums gemessen. In anderer Ausgestaltung kann das Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung als Sensorelement zur Messung der kernmagnetischen Resonanz eines Stoffs ausgebildet sein. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die beiden genannten Beispiele beschränkt, so daß auch andere Ausgestaltungen des Sensorelements zur Konzentrationsbestimmung möglich sind. Vorteilhaft kann die Oxidationsmittelableitung mit einem Filter, insbesondere einem Aktivkohlefilter, verbunden sein, der seinerseits eine Verbindungsleitung zum Kraftstofftank aufweist. Wie nachfolgend näher erläutert wird, kann auf diese Weise das während der Startphase des Brennstoffzellensystems an der Brennstoffzelle vorbei- geleitete Oxidationsmittel, beispielsweise ein Luftstrom, genutzt werden, um den Filter,, der verschiedene Funktionen erfüllt, zu reinigen und zu regenerieren.
Beim Betanken eines Kraftstofftanks mit Kraftstoff, der zum Betrieb der Brennstoffzelle in den Brennstoff umgewandelt werden soll, sowie auch bei der Entlüftung des Kraft- stofftanks werden in der Regel Kohlenwasserstoffe freigesetzt. Da Kohlenwasserstoffe für die Umwelt schädlich sind und auch im Brennstoffzellensystem zu Beschädigungen führen können, müssen sie auf geeignete Weise gebunden werden. Dies geschieht in der Regel über das Filterelement, beispielsweise den Aktivkohlefilter. Dieses Filterelement muß aber von Zeit zu Zeit regeneriert werden, um die Funktionsfähigkeit sicherzustellen. Wird eine rechtzeitige Regenerierung unterlassen, können die Kohlenwasserstoffe ungehindert durch das Filterelement an die Atmosphäre gelangen.
Zur Regenerierung des Filterelements wird der Oxidationsmittelgasstrom in dieses eingeleitet beziehungsweise durch dieses hindurchgeleitet. Während der Startphase des Brennstoffzellensystems wird hierzu der Oxidationsmittelstrom verwendet, der über die Bypassleitung an der Brennstoffzelle vorbeigeleitet wird. Während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle wird hierzu der Oxidationsmittelgasstrom verwendet, der über die entsprechende Ableitung aus der Brennstoffzelle abgeleitet wird. Die eigentliche Regenerierung des Filterelements erfolgt dadurch, daß der Oxidations- mittelgasstrom die im Filterelement befindlichen Kohlenwasserstoffmoleküle mitreißt.
Vorteilhaft kann der Filter weiterhin mit der oder den Heizeinrichtungen in der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs verbunden sein. Auf diese Weise kann der Oxidationsmittelstrom, nachdem er den Filter durchströmt und die Kohlen- Wasserstoffe desorbiert und mitgerissen hat, bei der Hersteilung des Brennstoffs weiterverwendet werden. Mit dem beim Regerieren des Filters aufgenommenen Kraftstoff, beziehungsweise den aufgenommenen Kohlenwasserstoffen, werden die Heizeinrichtungen, die insbesondere als Brenner ausgebildet sind, versorgt, wodurch unter anderem der Gasaufbereitungsprozeß innerhalb der Vorrichtung zur Erzeugung/ Aufbereitung des Brennstoffs im Hochfahrbetrieb des Brennstoffzellensystems auf die entsprechende Betriebstemperatur gebracht wird. In weiterer Ausgestaltung kann eine Anordnung zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle über ein Heiz/Kühlmedium vorgesehen sein, die eine Heizeinrichtung aufweist, die mit der Kraftstoffzuleitung oder der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle verbunden ist. Durch eine solche Anordnung kann die Brennstoffzelle während der Startphase auf einfache Weise schnell auf den idealen Temperaturbereich erwärmt werden. Üblicherweise entsteht in der Brennstoffzelle während des Betriebs Verlustwärme, wodurch sich diese aufheizt. Nach Erreichen der Betriebstemperatur muß die in einer Brennstoffzelle entstehende überschüssige Verlustwärme abgeführt werden. Die Aufheizphase der Brennstoffzelle bis zum Erreichen der idealen Betriebs- temperatur benötigt jedoch einen gewissen Zeitraum, was insbesondere für einen schnelleren Start der Brennstoffzelle von Nachteil ist. Durch die in der Anordnung vorgesehene Heizeinrichtung kann die Brennstoffzelle während der Startphase vorgeheizt und somit beschleunigt auf die ideale Betriebstemperatur gebracht werden. Damit ist die Brennstoffzelle bereits nach kürzester Zeit voll einsatzbereit.
Wenn die Heizeinrichtung als Brenner, insbesondere als katalytischer Brenner, ausgebildet ist, sollte sie zu ihrer Energieversorgung zweckmäßigerweise mit der Kraftstoffzuleitung verbunden sein.. Auf diese Weise kann die Heizeinrichtung über die Fördereinrichtung mit Kraftstoff versorgt werden. Wenn die Heizeinrichtung als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet ist, ist diese vorzugsweise mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle verbunden.
Vorzugsweise kann in der Anordnung zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle eine Fördereinrichtung für das Heiz/Kühlmedium vorgesehen sein, die mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle verbunden ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist die Anordnung zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle eine Strömungsleitung für das Heiz-/Kühlmedium auf, die derart mit der Brennstoffzelle verbunden ist, daß ein indirekter thermischer Austausch zwischen der Brennstoffzelle und dem Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung stattfindet beziehungsweise stattfinden kann. Dazu kann die Brennstoffzelle beispielsweise zumindest bereichsweise von der Strömungsleitung durchsetzt sein. Wenn die Strömungsleitung von dem Heiz-/Kühlmedium durchströmt wird, erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem Heiz-/Kühlmedium und der Brennstoffzelle.
Während der Startphase des Brennstoffzellensystems wird das in der Strömungsleitung befindliche Heiz-/Kühlmedium über die Heizeinrichtung erwärmt. Das erhitzte Heiz-/Kühlmedium gelangt in die Brennstoffzelle, wo es die gespeicherte Wärme an die Brennstoffzelle abgibt und diese erwärmt. Während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle wird die in dieser entstehende Verlustwärme über das Heiz- /Kühlmedium abtransportiert.
Je nach Art des verwendeten Heiz-/Kühlmediums, ob flüssig oder gasförmig, kann die Fördereinrichtung als Pumpe, Gebläse oder dergleichen ausgebildet sein.
Da auch eine möglichst schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle auf die ideale Betriebstemperatur für den schnellen Start des Brennstoffzellensystems von Vorteil ist, ist die Fördereinrichtung vorzugsweise mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle verbunden, so daß auch diese beim Start des Brennstoffzellensystems unverzüglich betrieben werden kann.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Hochfahren eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bereitgestellt, das erfindungsgemäß durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
a) Während der Startphase Ansaugen von Oxidationsmittel über die durch die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betriebene Fördereinrichtung in die Oxidationsmittelzuleitung und Vorbeileiten des Oxidationsmittels durch entsprechende Stellung des Ventils über die Bypassleitung an der Brennstoffzelle vorbei,
b) Einleiten von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank über die durch die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betriebene wenigstens eine Fördereinrichtung in der
Kraftstoffzuleitung oder über eine Bypassleitung in die Vorrichtung zum Erzeugen/ Aufbereiten von Brennstoff, Messen der Schadstoffkonzentrationen des diese Vorrichtung verlassenden Brennstoffs mittels des Sensorelements zur Konzentrationsbestimmung und Vorbeileiten des Brennstoffs durch entsprechende Stellung des Ventils über die Bypassleitung an der Brennstoffzelle vorbei, solange der Brennstoff für die Brennstoffzelle schädliche Schadstoffkonzentrationen aufweist, wobei der Betrieb der einzelnen Fördereinrichtungen während des Startphase der Brennstoffzellensystems über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle und im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems über die Brennstoffzelle selbst erfolgt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es auf einfache Weise möglich, das Brennstoffzellensystem zu starten, ohne daß es zu Beschädigungen der Brennstoff- zelle beziehungsweise einzelner Komponenten des Brennstoffzellensystems kommen kann, und wobei die Startphase des Brennstoffzellensystems sehr kurz gehalten wird. Zu den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen. Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft kann in der Startphase des Brennstoffzellensystems über die durch die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betriebene wenigstens eine Fördereinrichtung in der Kraftstoffzuleitung oder über die Bypassleitung Kraftstoff in die Heizeinrichtung beziehungsweise Heizeinrichtungen für die Reaktorelemente in der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingeleitet werden, oder die Heizeinrichtung beziehungsweise Heizeinrichtungen können über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betrieben werden, um den Reaktorelementen die für den Betrieb der Vor- richtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs erforderliche Wärmeenergie zuzuführen.
In weiterer Ausgestaltung kann in der Startphase des Brennstoffzellensystems eine in der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehene Förderein- richtung für ein Heiz/Kühlmedium zur Temperierung der Reaktorelemente über die elektrische Leistungsquelle angetrieben werden.
Vorzugsweise kann in der Startphase des Brennstoffzellensystems das an der Brennstoffzelle vorbeigeleitete Oxidationsmittel in den mit dem Kraftstofftank verbundenen Filter, insbesondere den Aktivkohlefilter, eingeleitet werden, um diesen zu spülen und um das auf diese Weise mit Kraftstoff angereicherte Oxidationsmittel anschließend in die Heizeinrichtung beziehungsweise Heizeinrichtungen der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs einzuspeisen und dort zur Verbrennung zu nutzen, um dadurch die Reaktorelemente auf Temperatur zu bringen.
In weiterer Ausgestaltung kann in der Startphase des Brennstoffzellensystems über die durch die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betriebene wenigstens eine Fördereinrichtung in der Kraftstoffzuleitung Kraftstoff in die in der Anordnung zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle vorgesehene Heizeinrichtung eingeleitet werden, oder aber die Heizeinrichtung wird über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betrieben, um die Brennstoffzelle auf die erforderliche Betriebstemperatur zu bringen. Vorzugsweise kann ein wie vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem oder ein wie vorstehend beschriebenes Verfahren zum Anfahren eines Brennstoffzellensystems in einem oder für ein Fahrzeug, insbesondere ein Fahrzeug mit elektrischem Fahrantrieb, verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung der Brennstoff- zellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier unter anderem Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu Kraftwerksanlagen. Hier eignet sich die Brennstoffzellentechnik besonders für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem
Verschleiß.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur in schematischer Ansicht ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
In der Figur ist ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, das zum Betreiben eines elektrischen Antriebs für ein Fahrzeug verwendet wird.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 1 1 mit einem Anodenteil 12, einem Kathodenteil 14 und einer Membran 13 auf. Der Anodenteil 12 ist mit einer Zuleitung 15 und einer Ableitung 16 für einen Brennstoff, im vorliegenden Fall Wasserstoff, verbunden. Der Kathodenteil 14 ist mit einer Zuleitung 17 und einer Ableitung 18 für ein Oxidationsmittel, im vorliegenden Fall Sauerstoff oder Luft, verbunden.
In der Zuleitung 17 für das Oxidationsmittel ist ein Filter 20, ein Oxidationsmittei- massensensor 21 , eine als geregeltes Gebläse ausgebildete Fördereinrichtung 22, ein Restfeuchteübertrager 23, ein Drei-Wege-Ventil 24 sowie eine zu einer Anordnung 40 zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 1 1 gehörende Wärmesenke 43, die die Funktion eines Wärmetauschers übernimmt, vorgesehen. Das Gebläse 22 ist über eine elektrische Verbindung 76 mit einer als aufladbare Batterie ausgebildeten, zusätzliche zur Brennstoffzelle 1 1 vorgesehenen elektrischen Leistungsquelle 75 verbunden. In der Ableitung 18 für das Oxidationsmittel ist ein Wasserabscheider 26 vorgesehen, der mit einer Leitung 27 zum Ableiten von Wasser verbunden ist. Weiterhin ist in der Ableitung 18 ein Druckregler 28 sowie ein Teil des Restfeuchteübertragers 23 vorgesehen.
Das in der Zuleitung 17 vorgesehene Drei-Wege- Ventil 24 ist über eine Bypassleitung 25 mit der Oxidationsmittelableitung 18 verbunden.
In der Oxidationsmittelableitung 18 ist schließlich noch ein Rückschlagventil 29 vorgesehen. Die Oxidationsmittelableitung 18 mündet in ein Filterelement 57 ein, im vorliegenden Fall ein Aktivkohlefilter.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 wird die als Oxidationsmittel benutzte Umgebungsluft über den Partikelfilter 20 durch das geregelte Gebläse 22 angesaugt. Die eintretende Luftmasse wird vor dem Gebläse 22 mit dem Luftmassensensor 21 bestimmt. Nach Passieren des Restfeuchteübertragers 23 durchströmt die Luftmasse das Drei-Wege-Ventil 24.
Während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 wird in der Brennstoffzelle 1 1 noch kein Wasser produziert, so daß der in die Brennstoffzelle 1 1 eintretende Oxidationsmittelstrom sehr trocken ist. Ein solcher trockener Oxidationsmittelstrom würde zu einem Austrocknen der Brennstoffzelle 11 führen. Aus diesem Grund wird in der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 das Drei-Wege- Ventil 24 derart ge- schaltet, daß der Oxidationsmittelstrom über die Bypassleitung 25 an der Brennstoffzelle 1 1 vorbei direkt in die Oxidationsmittelableitung 18 eingeleitet wird. Auf diese Weise kann der trockene Oxidationsmittelstrom nicht in die Brennstoffzelle 1 1 eintreten. Der Oxidationsmittelstrom wird über die Oxidationsmittelableitung 18 in das Filterelement 57 hineingeleitet, um dieses zu spülen und zu regenerieren, wie im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird.
Da die Brennstoffzelle 11 während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 noch keine ausreichende Leistung produziert, werden das Gebläse 22 sowie eventuelle Steuereinrichtungen (nicht dargestellt) des Ventils 24 über die Batterie 75 angetrieben. Während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle 11 werden das Gebläse
22 und die entsprechenden Steuereinrichtungen des Ventils 24 über die Brennstoffzelle 11 mit elektrischem Strom versorgt, wobei die Batterie 75 gleichzeitig wieder aufgeladen wird. In dieser Phase wird das Gebläse 22 nur mit kleiner Leistung im sogenannten Stromsparmodus betrieben.
Während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle 11 wird neben Wärme unter anderem auch Wasser produziert, das in Form von Wasserdampf im Abgasstrom des Kathodenteils 14 über die Ableitung 18 abgeleitet wird. Um dieses gasförmige Wasser in den flüssigen Zustand überführen zu können, so daß es für andere Prozesse, in denen Wasser benötigt wird (zum Beispiel die Anfeuchtung des Oxidationsmittels), verfügbar ist, durchströmt das den Wasserdampf enthaltende Oxidationsmittel nach dem Austritt aus der Brennstoffzelle 1 1 zunächst den Wasserabscheider 26, in dem bereits ein Teil des Wasserdampfs in flüssiges Wasser auskondensiert. Das auf diese Weise auskondensierte Wasser wird über die Leitung 27 abgeleitet.
Nach dem Austritt aus dem Wasserabscheider 26 wird der verbleibende Abgasstrom des Oxidationsmittels in dem Druckregler 28 entspannt. Dadurch sinkt der Feuchtigkeitsgehalt im Abgasstrom. Die restliche Feuchte wird dem Gasstrom anschließend durch den Restfeuchteübertrager 23 entzogen. Die dem Oxidationsmittel im Restfeuchteübertrager 23 entzogene Feuchte wird verwendet, um das der Brennstoffzelle 11 über die Oxidationsmittelzuleitung 17 zugeführte Oxidationsmittel, das ursprünglich trocken ist, in geeigneter Weise anzufeuchten. Um das Oxidationsmittel vor Eintritt in die Brennstoffzelle auf eine geeignete Temperatur zu bringen, ist der Wärmetauscher 43 vorgesehen, der im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird.
Zur Erzeugung beziehungsweise Aufbereitung des Brennstoffs ist weiterhin eine Vorrichtung 80 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehen. Die Vorrichtung 80 weist eine Anzahl von Reaktorelementen auf, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Verdampfer 81 , Reformer 82, Shift-Reaktor 83 und partielle Oxidation 84 ausgebildet sind. Diese Reaktorelemente sind auf der Eintrittsseite der Vorrichtung 80 mit einer Kraftstoffzuleitung 63 und auf deren Austrittsseite mit der Brennstoffzuleitung 15 verbunden.
Zwei der Reaktorelemente, nämlich der Verdampfer 81 und der Reformer 82, sind als sogenannte Wärmesenken ausgebildet, das heißt, in diesen wird zum Betrieb Wärme benötigt. Aus diesem Grund sind der Verdampfer 81 und der Reformer 82 mit als katalytische Brenner ausgebildeten Heizeinrichtungen 85, 86 gekoppelt. Über die Heizeinrichtungen 85, 86 wird den Reaktorelementen während des Betriebs der Vorrichtung 80 die erforderliche Wärme zugeführt. Zur Temperierung der einzelnen Reaktorelemente ist weiterhin ein Strömungskreislauf 88 vorgesehen, in dem sich eine als Pumpe ausgebildete Fördereinrichtung 87 befindet. Das den Strömungskreislauf 88 durchströmende Heiz-/Kühlmittel nimmt die in den als Wärmequellen ausgebildeten Reaktorelementen frei gewordene Wärme auf und transportiert diese zu den als Wärmesenke ausgebildeten Reaktorelementen, wo die Wärme anschließend über- tragen wird. Die Fördereinrichtung 87 regelt die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Durchflußrate des Heiz-/Kühlmediums. Die Fördereinrichtung 87 ist über eine elektrische Verbindung 89 mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle 75 verbunden.
Sollte der Wärmegewinn aus der partiellen Oxidation 83 zu gering sein, um praktisch nutzbar zu sein, kann auf den Betrieb der Fördereinrichtung 87 während der Startphase des Brennstoffzellensystem 10 besser verzichtet werden, da der Betrieb der Fördereinrichtung 87 ebenfalls Energie verbraucht.
Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem 10 einen Kraftstofftank 55 zur Aufnahme eines aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Treibstoffs wie Methanol, Erdgas, Benzin oder dergleichen auf, aus dem in der Vorrichtung 80 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs Wasserstoff hergestellt wird. Der Kraftstofftank 55 ist über ein Tankschutzventil 56 mit dem als Aktivkohlefilter ausgebildeten Filterelement 57 verbunden. Weiterhin ist der Kraftstofftank 55 über die Kraftstoffleitung 63 mit der Vorrichtung 80 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs verbunden. Zusätzlich sind in der Kraft- stoffleitung 63 zwei Fördereinrichtungen vorgesehen, die als Kraftstoffpumpe 58 und als Doppelpumpe 60 ausgebildet sind. Die Doppelpumpe 60 ist saugseitig nicht nur mit dem Kraftstsofftank 55, sondern auch mit einem Wassertank 62 verbunden. Die Kraft- stoffpumpe 58 und die Doppelpumpe 60 sind über entsprechende elektrische Verbindungen 77, 78 mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle 75 verbunden. Zwischen der Kraftstoffpumpe 58 und der Doppelpumpe 60 befindet sich zusätzlich ein Kraftstoff ilter 59. Schließlich ist der Doppelpumpe 60 in der Kraftstoffzuleitung 63 ein Zwischentank 61 nachgeschaltet.
Es ist möglich, auf die Kraftstoffpumpe 58 zu verzichten, wenn deren Arbeit von der Doppelpumpe 60 übernommen wird.
Die als Brenner ausgebildeten Heizeinrichtungen 85, 86 der Vorrichtung 80 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs sind über eine entsprechende Leitung 64 mit der Kraftstoffzuleitung 63 verbunden. Dabei liegt der Anschluß der Leitung 64 an die Kraftstoffleitung 63 in Strömungsrichtung nach der Kraftstoffpumpe 58. Die einzelnen Heizeinrichtungen 85, 86 sind über entsprechende Zweigleitungen 69, 70 mit der Leitung 64 verbunden. Zur Zuführung einer genau definierten Kraftstoffmenge in die Heizeinrichtungen 85, 86 sind in den Zweigleitungen 69, 70 entsprechende Dosierer 66, 67 vorgesehen.
Das Filterelement 57 ist über eine Zuleitung 72 mit einem Teiler 71 verbunden. Aus dem Teiler 71 gehen zwei Leitungen 73, 74 ab, die jeweils mit den Heizeinrichtungen 85, 86 verbunden sind, so daß das Filterelement 57 mit den Heizeinrichtungen 85, 86 in Verbindung steht.
In der Zuleitung 15 für den Brennstoff, die sich an der Austrittsseite der Vorrichtung 80 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs an diese anschließt, ist ein Sensorelement 90 zur Bestimmung der Schadstoffkonzentration, im vorliegenden Fall ein Sensorelement zur Bestimmung der Konzentration an Kohlenmonoxid im Brennstoff, vorgesehen. Weiterhin ist in der Zuleitung 15 ein Drei-Wege-Ventil 91 angeordnet, das mit einer die Brennstoffzelle 11 umgehenden Bypassleitung 92 verbunden ist. Schließlich ist in der Zuleitung 15 noch eine Wärmesenke 44 vorgesehen, die in Form eines Wärmetauschers ausgebildet ist. Die Wärmesenke 44 ist Bestandteil der Anordnung 40 zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 11.
Wenn das Brennstoffzellensystem 10 gestartet wird, muß der Wasserstoff möglichst schnell in der Vorrichtung 80 erzeugt beziehungsweise aufbereitet werden. Dazu wird der Kraftstoff über die Kraftstoffpumpe 58 aus dem Kraftstofftank 55 herausgepumpt und durch den Kraftstoffilter 59 in die Doppelpumpe 60 hineingepumpt. In der Doppelpumpe 60 wird der Kraftstoff mit aus dem Wassertank 62 entnommenem Wasser gemischt. Dieses Gemisch wir anschließend in dem Zwischentank 61 zwischengespeichert, bevor es in die Vorrichtung 80 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingeleitet wird. Um diese Funktionen bereits während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 zuverlässig ausführen zu können, sind die Kraftstoffpumpe 58 und die Doppelpumpe 60 mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle 75 verbunden. Auf diese Weise können sie bereits zuverlässig betrieben werden, bevor die Brennstoffzelle 11 ihre Betriebsfähigkeit erreicht hat und elektrischen Strom liefern kann. Das in die Vorrichtung 80 eintretende Kraftstoffgemisch wird in dieser zur Erzeugung von Wasserstoff reformiert. Die dazu benötigten Komponenten wie beispielsweise die Fördereinrichtung 87 oder die Heizeinrichtungen 85, 86, sofern diese als elektrische Heizeinrichtungen ausgebildet sind, werden während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 ebenfalls über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle 75 betrieben. Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems erfolgt der Betrieb über die Brennstoffzelle 11. Wenn die Heizeinrichtungen 85, 86 wie in dem in der Figur dargestellten Fall als Brenner ausgebildet sind, werden sie zum einen über den aus dem Kraftstofftank 55 entnommenen Kraftstoff betrieben. Dazu wird ein Teilstrom des Kraftstoffs über die Kraftstoffpumpe 58 in die Zweigleitung 64 und über diese in die Leitungen 69, 70 gepumpt. In den Dosierern 66, 67 wird die für die Heizeinrichtungen 85, 86 erforderliche Kraftstoffmenge eingestellt und diese anschließend in die Heizeinrichtungen 85, 86 eingespeist. Die auf diese Weise angetriebenen Heizeinrichtungen 85, 86 können nunmehr die als Wärmesenke fungierenden Reaktorelemente 81 , 82 mit der zum Betrieb erforderlichen Wärme versorgen.
Zusätzlich werden die Heizeinrichtungen 85, 86 noch über das Filterelement 57 versorgt. Das während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 an der Brennstoffzelle 1 1 vorbeigeleitete Oxidationsmittel wird über die Oxidations- mittelableitung 18 in das Filterelement 57 hinein- und durch dieses hindurchgeleitet.
Dadurch werden die im Filterelement 57 befindlichen Kohlenwasserstoffe vom Oxidationsmittel mitgerissen. Das auf diese Weise mit Kraftstoff angereicherte Oxidationsmittel wird über die Zuleitung 72 an den Teiler 71 weitergeleitet, wo es auf die beiden Leitungen 73, 74 aufgeteilt und über diese anschließend den Heizein- richtungen 85, 86 zur Verbrennung zur Verfügung gestellt wird. So kann das Filterelement 57 zum einen regeneriert werden, zum anderen kann der im Filterelement 57 befindliche Kraftstoff zum Betreiben der Heizeinrichtungen 85, 86 verwertet werden.
Über die Kraftstoffpumpe 58 sowie das Gebläse 22, die beide über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle 75 angetrieben werden, ist es bereits in der Startphase des
Brennstoffzellensystems 10 möglich, die erforderlichen Heizeinrichtungen zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs mit Energie zu versorgen. Auf diese Weise kann die Startphase des Brennstoffzellensystems 10 erheblich verkürzt werden.
Insbesondere während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 kann es passieren, daß der die Vorrichtung 80 verlassende Brennstoff eine Konzentration an bestimmten Substanzen aufweist, die für die Brennstoffzelle 11 schädlich sind. Eine solche Substanz ist beispielsweise Kohlenmonoxid. Um ein Eintreten von Kohlenmonoxid insbesondere während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 in die Brennstoffzelle 11 zu verhindern, wird der aus der Vorrichtung 80 austretende und durch die Zuleitung 15 hindurchströmende Brennstoff mit Hilfe des Sensorelements 90 untersucht. Sofern das Sensorelement 90 eine Konzentration an Kohlenmonoxid mißt, die einen zuvor festgelegten Grenzwert überschreitet, wird das Drei-Wege-Ventil 91 derart geschaltet, daß der Brennstoff nicht über die Zuleitung 15 in die Brennstoffzelle 11 eintritt, sondern über die Bypassleitung 92 an dieser vorbeigeleitet wird. Dazu ist die Bypassleitung 92 vorteilhaft mit der Brennstoffableitung 16 aus dem Anodenteil 12 verbunden. Der auf diese Weise an der Brennstoffzelle 11 vorbeigeleitete Brennstoff kann entweder aus dem Brennstoffzellensystem 10 abgeleitet oder weiter verwertet werden. Zur weiteren Verwertung des Brennstoffs kann dieser beispielsweise über entsprechende Leitungen, Teiler oder dergleichen in die Heizeinrichtungen 85, 86 eingespeist und dort zur Erzeugung von Wärme verwendet werden. Es ist auch denkbar, den Brennstoff erneut in die Vorrichtung 80 zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs einzuleiten und diesen einem erneuten Reformierprozeß zu unterwerfen.
Um zu vermeiden, daß Kohlenmonoxid über die Brennstoffableitung 16 in den Anodenraum 12 der Brennstoffzelle 11 eindringen kann, ist in der Brennstoffableitung 16 am Ausgang der Brennstoffzelle 11 ein entsprechendes Ventil, insbesondere ein Rück- schlagventil 93, vorgesehen.
Sobald die Konzentration an Kohlenmonoxid im Brennstoffstrom einen bestimmten Grenzwert unterschritten hat, wird das Ventil 91 derart umgeschaltet, daß der Brennstoff nunmehr über die Zuleitung 15 in die Brennstoffzelle 1 1 eintreten kann. Sofern das Ventil 91 durch elektrische Betätigungseinrichtungen, wie sie beispielsweise im
Hinblick auf das Drei-Wege-Ventil 24 beschrieben worden sind, betrieben wird, können diese Steuereinrichtungen mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle 75 verbunden sein, um einen Betrieb bereits zu Beginn der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 zu ermöglichen.
Das Brennstoffzellensystem 10 verfügt weiterhin über eine Anordnung 40 zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 1 1. Die Anordnung 40 weist eine als geschlossenen Heiz-/Kühlkreislauf ausgebildete Strömungsleitung 45 auf, die vorzugsweise von einem flüssigen Heiz-/Kühlmedium, beispielsweise Wasser, Öl oder der- gleichen durchströmt wird. Zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 11 ist ein Teil der
Strömungsleitung 46 derart mit der Brennstoffzelle 11 verbunden, daß ein thermischer Austausch zwischen der Brennstoffzelle 11 und dem Heiz-/Kühlmedium in der Strömungsleitung 45, 46 stattfindet oder stattfinden kann. Dazu ist die Brennstoffzelle 1 1 von dem Teilbereich 46 der Strömungsleitung 45 durchsetzt. In diesem Teilbereich 46 ist die Strömungsleitung 45 vorzugsweise als Rohrschlange ausgebildet. In der Strömungsleitung 45 ist weiterhin eine als Pumpe ausgebildete Fördereinrichtung 49 vorgesehen, über die die Strömungsgeschwindigkeit des Heiz-/ Kühlmediums eingestellt und reguliert wird.
Weiterhin ist eine Kühleinrichtung 42 vorgesehen, mit der die während des Betriebs der Brennstoffzelle 11 in dieser entstehende Verlustwärme abgeführt werden kann.
In der Strömungsleitung 45 ist ein Heizelement 41 vorgesehen, das mit einer Heizeinrichtung 48 verbunden ist. Weiterhin zweigt von der Strömungsleitung 45 hinter der Brennstoffzelle 1 1 eine zusätzliche Strömungsleitung 47 ab, die hinter der Wärmesenke 44 wieder in die Strömungsleitung 45 mündet und in der die als Wärmetauscher ausgebildete Wärmesenke 43 angeordnet ist, die auf diese Weise parallel zur Wärmesenke 44 geschaltet ist.
Während der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 wird das Heizelement 41 über die Heizeinrichtung 48 mit Wärme versorgt. Wenn die Heizeinrichtung 48 als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet ist, ist diese dazu vorzugsweise mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle 75 verbunden. Wenn die Heizeinrichtung 48 aber wie im dargestellten Fall als Brenner oder dergleichen ausgebildet ist, ist diese vorzugsweise über eine Zweigleitung 68 und einen entsprechenden Dosierer 65 mit der Leitung 64 und über diese mit der Kraftstoffleitung 63 verbunden. Ähnlich wie die Heizeinrichtungen 85, 86 wird die Heizeinrichtung 48 somit mit Kraftstoff versorgt. Die in der Heizeinrichtung 48 und damit im Heizelement 41 erzeugte Wärme wird verwendet, um das die Strömungsleitung 45 durchströmende Heiz-/Kühlmedium zu erwärmen. Das auf diese Weise erhitzte Heiz-/Kühlmedium wird über die Fördereinrichtung 49 in die Brennstoffzelle 11 hineingepumpt, wo es die Wärme an die Brennstoffzelle 11 abgibt und diese damit erwärmt. Gleichzeitig wird das erwärmte Heiz-/ Kühlmedium über die Strömungsleitung 47 in die Wärmesenken 43, 44 geleitet, wo es seine Wärme an das zugeleitete Oxidationsmittel beziehungsweise den zugeleiteten Brennstoff abgibt. Auf diese Weise können sowohl das Oxidationsmittel als auch der
Brennstoff vor Eintritt in die Brennstoffzelle 11 auf eine geeignete Temperatur erwärmt werden.
Da eine möglichst schnelle Erwärmung der Brennstoffzelle 11 in der Startphase des Brennstoffzellensystems 10 von Vorteil ist, erfolgt diese schnelle Erwärmung vorzugsweise dadurch, daß die Fördereinrichtung 49 über eine elektrische Verbindung 50 mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle 75 verbunden ist und daß der Heizein- richtung 48 Kraftstoff über die mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle 75 verbundene Kraftstoffpumpe 58 zur Verfügung gestellt wird.
Im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 11 , d. h. wenn diese genügend Verlustwärme produziert, können das Heizelement 41 und die Heizeinrichtung 48 abgeschaltet werden. Die durch die Brennstoffzelle 11 produzierte Verlustwärme wird dann dazu verwendet, den Brennstoff beziehungsweise das Oxidationsmittel über die Wärmesenken 43, 44 zu erwärmen. Die überschüssige Verlustwärme der Brennstoffzelle 11 wird über die Kühleinrichtung 42 abgeleitet.
Die während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle 11 nicht benötigte zusätzliche elektrische Leistungsquelle 75, die bei Verwendung des Brennstoffzellensystems 10 in einem Fahrzeug beispielsweise als Bordnetz-Batterie ausgebildet sein kann, wird während des Normalbetriebs der Brennstoffzelle 11 über diese erneut aufgeladen.
Bezuqszeichenliste
10 Brennstoffzellensystem
11 = Brennstoffzelle
12 = Anodenteil
13 = Membran
14 = Kathodenteil
15 = Brennstoffzuleitung
16 = Brennstoffableitung
17 = Oxidationsmittelzuleitung
18 -= Oxidationsmittelableitung
0 -= Filter
21 = Oxidationsmittel-Massensensor
22 = Fördereinrichtung
23 = Restfeuchteübertrager 4 = Ventil (Drei-Wege-Ventil) 5 = Bypassleitung 6 = Wasserabscheider 7 = Leitung 8 = Druckregler 9 =: Rückschlagventil
0 = Anordnung zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle 1 = Heizelement 2 = Kühleinrichtung 3 = Wärmesenke (Wärmetauscher) 4 = Wärmesenke (Wärmetauscher) 5 = Strömungsleitung 6 = Teilbereich der Strömungsleitung 7 = Strömungsleitung 8 = Heizeinrichtung
49 = Fördereinrichtung
50 = elektrische Verbindung
55 = Kraftstofftank
56 = Tankschutzventil = Aktivkohlefilter
= Kraftstoffpumpe
= Kraftstoffilter
= Doppelpumpe
= Zwischentank
= Wassertank
= Kraftstoffzuleitung
= Leitung
= Dosierer
= Dosierer
= Dosierer
= Zweigleitung
= Zweigleitung
= Zweigleitung
= Teiler
= Zuleitung
= Leitung
= Leitung
= elektrische Leistungsquelle (Batterie)
= elektrische Verbindung
= elektrische Verbindung
= elektrische Verbindung
= Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff
= Verdampfer
= Reformer
= Shift-Reaktor
= partielle Oxidation
= Heizeinrichtung
= Heizeinrichtung
= Fördereinrichtung
= Strömungskreislauf
-= elektrische Verbindung
-= Konzentrationssensor
= Ventil (Drei-Wege-Ventil)
= Bypassleitung
= Rückschlagventil

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle (11 ), die einen Anodenteil (12) mit einer Zuleitung (15) und einer Ableitung (16) für einen Brennstoff, einen
Kathodenteil (14) mit einer Zuleitung (17) und einer Ableitung (18) für ein Oxidationsmittel und eine Membran (13) aufweist, mit einer Vorrichtung (80) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs, die über die Brennstoffzuleitung (15) mit der Brennstoffzelle (11 ) verbunden ist, wobei in der Brennstoffzuleitung (15) ein Sensorelement (90) zur Konzentrationsbestimmung und ein Ventil (91 ), das mit einer die Brennstoffzelle (11 ) umgehenden Bypassleitung (92) verbunden ist, vorgesehen sind, mit einer Fördereinrichtung (22) und einem Ventil (24), die in der Oxidationsmittelzuleitung (17) angeordnet sind, wobei das Ventil (24) mit einer die Brennstoffzelle (11 ) umgehenden Bypassleitung (25) ver- bunden ist, ferner mit einem Kraftstofftank (55), der über eine Kraftstoffzuieitung
(63) mit der Vorrichtung (80) zum Erzeugen/ Aufbereiten des Brennstoffs verbunden ist, wobei in der Kraftstoffzuleitung (63) wenigstens eine Fördereinrichtung (58, 60) vorgesehen ist, und mit einer zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle (75), die mit den Fördereinrichtungen (22; 58, 60) elektrisch verbunden ist, so daß diese während der Startphase des Brennstoffzellensystems (10) über die Leistungsquelle (75) antreibbar sind.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche elektrische Leistungsquelie (75) als wieder aufladbare
Batterie oder als Kondensator, insbesondere als Kondensator mit übergroßer Speicherdichte ("Ultracap") ausgebildet ist.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kraftstoffzuleitung (63) zwei Fördereinrichtungen (58, 60) vorgesehen sind.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (24, 91) als Drei-Wege-Ventile ausgebildet sind.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (80) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eine Anzahl von Reaktorelementen (81 , 82, 83, 84) aufweist, wobei einzelne Reaktorelemente (81, 82) als Wärmesenke ausgebildet sind, die jeweils mit einer Heizeinrichtung (85, 86) thermisch verbunden ist, die ihrerseits zur Ernergieversorgung mit der Kraftstoffzuleitung (63) oder der elektrischen Leistungsquelle (75) verbunden ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Temperierung der Reaktorelemente (81 , 82, 83, 84) eine Fördereinrichtung (87) vorgesehen ist, die in einem die Reaktorelemente (81 , 83, 84) durchlaufenden Strömungskreislauf (88) für ein Heiz/Kühlmedium angeordnet ist und die mit der elektrischen Leistungsquelle (75) verbunden ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (90) zur Bestimmung der Konzentration von Kohlen- monoxid in einem Gasstrom, insbesondere im Brennstoffstrom, ausgebildet ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidationsmittelableitung (18) mit einem Filter, insbesondere einem Aktivkohlefilter (57) verbunden ist, der seinerseits über eine Leitung mit dem
Kraftstofftank (55) verbunden ist.
9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter (57) über eine weitere Leitung mit mindestens einer Heizeinrichtung (85, 86) der Vorrichtung (80) zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs verbunden ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (40) zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle (11 ) über ein Heiz/Kühlmedium vorgesehen ist, die eine Heizeinrichtung (48) aufweist, die mit der Kraftstoffzuleitung (63) oder der zusätzlichen elektrischen
Leistungsquelle (75) verbunden ist.
11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anordnung (40) zum Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle (11 ) eine
Fördereinrichtung (49) für das Heiz/Kühlmedium vorgesehen ist, die mit der zusätzlichen elektrischen Leistungsquelle (75) verbunden ist.
12. Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Während der Startphase Ansaugen von Oxidationsmitteln über die durch die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betriebene Fördereinrichtung in die Oxidationsmittelzuleitung und Vorbeileiten des Oxidationsmittels durch ent- sprechende Stellung des Ventils über die Bypassleitung an der Brennstoffzelle vorbei, b) Einleiten von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank über die durch die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betriebene wenigstens eine Fördereinrichtung in der Kraftstoffzuleitung oder über eine Bypassleitung in die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff, c) Messen der Schadstoffkonzentration des diese Vorrichtung verlassenden Brennstoffs mittels des Sensorelements zur Konzentrationsbestimmung und Vorbeileiten des Brennstoffs durch entsprechende Stellung des Ventils über die Bypassleitung an der Brennstoffzelle vorbei, solange der Brennstoff für die Brennstoffzelle schädliche Schadstoffkonzentrationen aufweist, wobei der Betrieb der einzelnen Fördereinrichtungen während der Startphase des Brennstoffzellensystems über die zusätzliche elektrische Leistungsqueile und im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems über die Brennstoffzelle selbst erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Startphase des Brennstoffzellensystems über die durch die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betriebene wenigstens eine Fördereinrichtung in der Kraftstoffzuleitung Kraftstoff in die Heizeinrichtung beziehungsweise
Heizeinrichtungen für die Reaktorelemente in der Vorrichtung zum Erzeugen/ Aufbereiten des Brennstoffs eingeleitet wird, oder daß die Heizeinrichtung beziehungsweise Heizeinrichtungen über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betrieben wird/werden, um den Reaktorelementen die für den Betrieb der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs erforderliche Wärmeenergie zuzuführen.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Startphase des Brennstoffzellensystems eine in der Vorrichtung zum
Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehene Fördereinrichtung für ein Heiz/Kühlmedium zur Temperierung der Reaktorelemente über die elektrische Leistungsquelle angetrieben wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Startphase des Brennstoffzellensystems das an der Brennstoffzelle vorbeigeleitete Oxidationsmittel in den mit dem Kraftstofftank verbundenen Filter, insbesondere einen Aktivkohlefilter, eingeleitet wird, um diesen zu regenerieren, und. daß das auf diese Weise mit Kraftstoff angereicherte
Oxidationsmittel anschließend in die Heizeinrichtung beziehungsweise Heizeinrichtungen der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eingespeist und zur Verbrennung genutzt wird, um die Reaktorelemente auf Temperatur zu bringen.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in der Startphase des Brennstoffzellensystems über die durch die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betriebene wenigstens eine Förder- einrichtung in der Kraftstoffzuleitung Kraftstoff in die in der Anordnung zum
Beheizen/Kühlen der Brennstoffzelle vorgesehene Heizeinrichtung eingeleitet wird, oder daß die Heizeinrichtung über die zusätzliche elektrische Leistungsquelle betrieben wird, um die Brennstoffzelle auf die erforderliche Betriebstemperatur zu bringen.
17. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11
Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle auf, die einen Anodenteil mit einer Zuleitung und einer Ableitung für einen Brennstoff, einen Kathodenteil mit einer Zuleitung und einer Ableitung für ein Oxidationsmittel und eine Membran aufweist. Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehen, die über die Brennstoffzuleitung mit der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei in der Brennstoffzuleitung ein Sensorelement zur Konzentrationsbestimmung und ein Ventil, das mit einer die Brennstoffzelle umgehenden Bypassleitung verbunden ist, vorgesehen sind. In der Oxidationsmittelzuleitung ist eine Fördereinrichtung und ein Ventil angeordnet, wobei das Ventil mit einer die Brennstoffzelle umgehenden
Bypassleitung verbunden ist. Ein Kraftstofftank ist über eine Kraftstoffzuleitung mit der Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs verbunden, wobei in der Kraftstoffzuleitung wenigstens eine Fördereinrichtung vorgesehen ist. Die Fördereinrichtungen sind mit einer Batterie elektrisch verbunden, so daß diese während der Startphase des Brennstoffzellensystems über die Batterie angetrieben werden.
EP01955198A 2000-06-05 2001-06-05 Brennstoffzellensystem und verfahren zum hochfahren eines brennstoffzellensystems Withdrawn EP1290745A2 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10028331 2000-06-05
DE10028331A DE10028331C2 (de) 2000-06-05 2000-06-05 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems sowie Verwendung des Brennstoffzellensystems
PCT/DE2001/002111 WO2001095415A2 (de) 2000-06-05 2001-06-05 Brennstoffzellensystem und verfahren zum hochfahren eines brennstoffzellensystems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1290745A2 true EP1290745A2 (de) 2003-03-12

Family

ID=7645084

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP01955198A Withdrawn EP1290745A2 (de) 2000-06-05 2001-06-05 Brennstoffzellensystem und verfahren zum hochfahren eines brennstoffzellensystems

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1290745A2 (de)
DE (1) DE10028331C2 (de)
WO (1) WO2001095415A2 (de)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7179556B2 (en) 2001-08-10 2007-02-20 Denso Corporation Fuel cell system
JP2005276694A (ja) * 2004-03-25 2005-10-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池スタックの燃料ガス置換装置
DE102006032471A1 (de) * 2006-07-13 2008-01-17 Webasto Ag Brennstoffzellensystem mit Reformer und Nachbrenner
JP5109362B2 (ja) 2006-12-15 2012-12-26 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの起動方法
WO2009010113A1 (de) * 2007-07-18 2009-01-22 Daimler Ag Vorrichtung und verfahren zum aufwärmen einer brennstoffzelle in einer startphase
DE102014223906B4 (de) * 2014-11-24 2021-11-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom, Verfahren zum Betrieb einesBrennstoffzellensystems und Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem
DE102020200442A1 (de) 2020-01-15 2021-07-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zur Analyse eines Reaktionsfluides
DE102020206698A1 (de) 2020-05-28 2021-12-02 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betanken von Brennstoffzellensystemen und Brennstoffzellensystemverbund

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5462815A (en) * 1992-08-20 1995-10-31 Fuji Electric Co., Ltd. Fuel cell power generation system and method of controlling the same

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6145569A (ja) * 1984-08-09 1986-03-05 Nissan Motor Co Ltd 自動車用電源装置
JPH01197970A (ja) * 1988-02-02 1989-08-09 Toshiba Corp 燃料電池発電システム
JPH03129674A (ja) * 1989-10-13 1991-06-03 Fuji Electric Co Ltd 燃料電池用改質装置の起動方法
JP3333877B2 (ja) * 1990-11-23 2002-10-15 ビーエイイー システムズ マリン リミテッド 動力発生システムへの燃料電池の適用
DE19523109C2 (de) * 1995-06-26 2001-10-11 Daimler Chrysler Ag Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine und einem Stromerzeugungssystem
JP3608017B2 (ja) * 1996-07-22 2005-01-05 トヨタ自動車株式会社 電源システム
AT408041B (de) * 1998-10-08 2001-08-27 Vaillant Gmbh Brennstoffzellenanordnung

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5462815A (en) * 1992-08-20 1995-10-31 Fuji Electric Co., Ltd. Fuel cell power generation system and method of controlling the same

Also Published As

Publication number Publication date
DE10028331C2 (de) 2002-11-07
WO2001095415A3 (de) 2002-06-27
DE10028331A1 (de) 2002-04-04
WO2001095415A2 (de) 2001-12-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0850494B1 (de) Verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage und brennstoffzellenanlage zum durchführen des verfahrens
DE10062257B4 (de) Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems
DE19807878A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102009009675A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
DE10065458A1 (de) Brennstoffzellensystemabschaltung mit Anodendrucksteuerung
EP2028350B1 (de) Brennkraftmaschinensystem
DE10028331C2 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Hochfahren eines Brennstoffzellensystems sowie Verwendung des Brennstoffzellensystems
DE19958829C1 (de) Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff
DE19916386C2 (de) Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements in einem Brennstoffzellensystem
EP1947723B1 (de) Energiebereitstellungssystem
DE20010497U1 (de) Brennstoffzellensystem
DE19908099A1 (de) Brennstoffzellensystem
WO2001003216A1 (de) Anordnung zum beheizen/kühlen einer brennstoffzelle und brennstoffzellensystem
WO2004079846A2 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle und einem gaserzeugungssystem
EP2399314B1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle
DE19950143A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE10235430A1 (de) Reformer-Brennstoffzellen-System und Verfahren zum Abschalten und Starten desselben
DE102007033150B4 (de) Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE10130776A1 (de) Vorrichtung zum Entfernen von Schwefel aus einem Medium sowie Brennstoffzellensystem
EP1753061B1 (de) Verfahren zum Starten einer Brennstoffzellenanlage
WO2017072000A1 (de) Kathodenversorgung für eine mehrfach-brennstoffzelle sowie verfahren zum versorgen von teilbrennstoffzellen mit einem kathoden-betriebsmedium
EP1925790B1 (de) Brennkraftmaschinensystem
DE19958830A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102019217802A1 (de) Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit
DE102020114746B4 (de) Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20021220

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK RO SI

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: ZAPP, THOMAS

Inventor name: KEUTZ, MARKUS

Inventor name: ECK, KARL

Inventor name: HABRICH, JUERGEN

Inventor name: WILHELM, HANS-DIETER

Inventor name: HESS, SABINE

Inventor name: REICHENBACH, FRANZ

Inventor name: SATTLER, MARTIN

Inventor name: KLOS, HOLGER

Inventor name: HERDEG, WOLFGANG

RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

Owner name: P21-POWER FOR THE 21ST CENTURY GMBH

17Q First examination report despatched

Effective date: 20080730

R17C First examination report despatched (corrected)

Effective date: 20080820

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20100105