WO2013007681A2 - Anordnung mit brennstoffzellensystem - Google Patents

Anordnung mit brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
WO2013007681A2
WO2013007681A2 PCT/EP2012/063381 EP2012063381W WO2013007681A2 WO 2013007681 A2 WO2013007681 A2 WO 2013007681A2 EP 2012063381 W EP2012063381 W EP 2012063381W WO 2013007681 A2 WO2013007681 A2 WO 2013007681A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
voltage
reformer
consumer
voltage level
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/063381
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2013007681A3 (de
Inventor
Andreas Kaupert
Valentin Notemann
Karsten Reiners
Markus Willkommen
Original Assignee
J. Eberspächer GmbH & Co. KG
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 J. Eberspächer GmbH & Co. KG filed Critical J. Eberspächer GmbH & Co. KG
Priority to US14/232,022 priority Critical patent/US9722424B2/en
Publication of WO2013007681A2 publication Critical patent/WO2013007681A2/de
Publication of WO2013007681A3 publication Critical patent/WO2013007681A3/de

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10Parallel operation of dc sources
    • H02J1/102Parallel operation of dc sources being switching converters
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/10Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries
    • B60L58/18Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules
    • B60L58/20Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling batteries of two or more battery modules having different nominal voltages
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/31Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for starting of fuel cells
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • B60L58/34Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load by heating
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60LPROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/40Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for controlling a combination of batteries and fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/46Accumulators structurally combined with charging apparatus
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022Heating by combustion
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0618Reforming processes, e.g. autothermal, partial oxidation or steam reforming
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H01M8/0625Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material in a modular combined reactor/fuel cell structure
    • H01M8/0631Reactor construction specially adapted for combination reactor/fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/30The power source being a fuel cell
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement with a fuel cell system.
  • the invention further relates to such a fuel cell system.
  • a fuel cell system supplies electrical consumers with electrical energy.
  • the fuel cell system to a fuel cell, which is designed for example as a stack.
  • the fuel cell generates an electrical voltage using the chemical reaction of a cathode gas and an anode gas, wherein as the cathode gas usually oxygen-containing gases, in particular air, are used, while as the anode gas usually water-containing gases are used.
  • the fuel cell system is part of an arrangement, the arrangement often having an electrical consumer system in which different electrical consumers or first consumers are supplied with an electrical voltage.
  • the consumer system in particular a consumer battery.
  • the voltage of the consumer network and the electrical voltage generated by the fuel cell are usually at different voltage levels. That is to say, while a consumer network voltage of the consumer system, in particular the consumer network battery, is at a consumer mains voltage level, the cell voltage of the fuel cell has a cell voltage level different from the consumer mains voltage level.
  • the fuel cell system itself includes a plurality of electrical consumers or system consumers such as a fan, control valves and a control unit. Since the fuel cell can not provide immediate electrical energy at a startup operation of the fuel cell system, the fuel cell system requires an external power supply during startup to supply the system consumers.
  • Such a fuel cell system is known for example from DE 10 2009 030236 A1.
  • the present invention addresses the problem of providing for an arrangement with a fuel cell system an improved or at least alternative embodiment, which is characterized in particular by an independent starting of the fuel cell system.
  • the present invention is based on the general idea of equipping a fuel cell system of an arrangement with at least one system battery different from a consumer power battery of a consumer system of the system, the system battery having an electrical system voltage at a system voltage level.
  • the system battery acts in particular as a memory or as a buffer between a fuel cell of the fuel cell system and electrical consumers of the fuel cell system or the arrangement, wherein the fuel cell by means of fuel cell elements generates a cell voltage at a cell voltage level.
  • the supplementation of the fuel cell system by the system battery now leads, in particular, to the fact that the system voltage provided by the system battery supplies system consumers, that is, electrical consumers. Ehern of the fuel cell system, can be fed. Thus, for example, starting the fuel cell system without supplying external electrical energy feasible.
  • a fuel cell system with a solid oxide fuel cell in particular a heating of the components of the fuel cell system, in particular the heating of electrodes or an anode and / or a cathode of the fuel cell, during the starting process without external supply of electrical energy possible or is the required for the starting process electrical energy reduced.
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the fuel cell system has a low-temperature fuel cell, for example a PEM fuel cell
  • the starting process in particular the supply of the system consumers with electrical voltage, can be implemented without external supply of electrical energy.
  • the system voltage to other electrical loads, in particular the consumer system of the arrangement and thus first-time consumers, fed.
  • the fuel cell system has a voltage converter device which converts the cell voltage level to the system voltage level and / or the system voltage level to the cell voltage level.
  • the voltage converter device thus serves in particular for the purpose of making the cell voltage generated by the fuel cell feedable to the system battery.
  • the voltage converter device can make the voltage applied to the system battery system voltage of the fuel cell can be supplied.
  • the voltage converter means is suitably electrically connected to the fuel cell and the system battery, wherein the respective electrical connections do not necessarily run directly from the voltage converter means for fuel cell or system battery.
  • the term consumer system means in no case that the consumer system has no power supply or electrical power supply separate from the fuel cell system. Rather, the consumer system can have a different energy supply from the fuel cell system or be connected to such a supplier.
  • the electrical connection with the fuel cell is preferably and expediently realized by means of the electrodes of the fuel cell. Accordingly, the cell voltage is tapped at the electrodes or the system voltage is preferably supplied to the electrodes.
  • an air supply device As system consumers of the fuel cell system, reference is here made, for example, to an air supply device, a fuel supply device, a heater, a control device and a valve of the fuel cell system.
  • the system battery is also connected to at least one additional voltage converter, the respective additional voltage converter adjusts the voltage applied to the system battery system voltage to an associated additional voltage level.
  • the respective additional voltage level may be above or below the system voltage.
  • the respective additional voltage converter provides the secondary consumer or second consumers with the associated additional voltage at the associated additional voltage level, the respective additional voltage level being above or below the system voltage level.
  • the consumer voltage converter therefore serves the purpose of providing the electrical voltage generated by the fuel cell system to the consumer system.
  • the consumer mains voltage level is above or below the system voltage level, with the consumer voltage converter increasing or reducing the system voltage level to the consumer mains voltage level.
  • the cell voltage generated by the fuel cell and the voltage applied to the system battery system voltage are usually DC voltages. Accordingly and appropriately, the system consumers are suitable for operation with a DC voltage.
  • the voltage converter device preferably has at least one DC-DC converter, that is to say in particular a so-called “DC / DC converter.” If the consumer network voltage is also a DC voltage, then the consumer voltage converter may also have such a DC-DC converter.
  • the fuel cell is usually formed as a stack of fuel cell elements.
  • the cell voltage of the fuel cell thus results in a series connection of the individual fuel cell elements as the sum of the electrical voltage generated by the individual fuel cell elements. For example, if the cell voltage is 42 V in one embodiment of the arrangement and the respective fuel cell element generates a voltage of 0.7 V, the fuel cell has sixty series-connected fuel cell elements.
  • the electrical voltage generated by the respective fuel cell depends, inter alia, on the power output, ie on a load. If the voltage of the respective fuel cell element at a full load, for example, to 0.6 V, so reduces the cell voltage corresponding to 36 V.
  • the voltage converter device thus serves in particular the purpose of these fluctuations of Balance cell voltage and to convert the load-dependent cell voltage and thus the load-dependent cell voltage level in the substantially constant system voltage level.
  • the fuel cell system has an electric charging device.
  • the charging device serves the purpose of charging the system battery by means of the electrical cell voltage generated by the fuel cell.
  • the charging device thus allows in particular to store the electrical energy generated by the fuel cell by means of the system battery.
  • the electrical energy thus stored is now supplied to the system consumers, in particular during a starting process of the fuel cell system, thus ensuring an independent starting of the fuel cell system from outside, that is to say from external voltage or electrical energy suppliers.
  • the charging device is preferably arranged between the voltage converter device and the system battery.
  • the charging device can also be arranged within the voltage converter device or be part of the voltage converter device.
  • the charging device can be arranged on the system battery or be part of the system battery.
  • At least one of the additional voltage transformers has an inverter. Consequently, at least one of the additional voltage transformers is designed such that it adapts the system voltage applied to the system battery and the DC voltage to the corresponding additional voltage level and converts it into an AC voltage.
  • the second consumers can be external consumers who are operated with common household tensions.
  • the additional voltage is thus in particular 220 V or 1 10 V.
  • Such second consumers is here on refrigerators or cool boxes, TVs or displays and electrically operated air conditioning, in particular air conditioning compressors pointed out.
  • the respective additional voltage levels may be both below and above the system voltage level.
  • the arrangement comprises two auxiliary voltage transformers, wherein one of the additional voltage transformers increases the system voltage level to the first additional voltage level and thus makes the first additional voltage to first second consumers deliverable while the second auxiliary voltage converter reduces the system voltage level to the second additional voltage level and makes second second consumers deliverable.
  • at least one such additional voltage converter increases the system voltage level to an additional voltage level with a high voltage.
  • a high voltage is used, for example, the operation of air conditioning.
  • Such an additional voltage converter has only one inverter of the said type. This additional voltage converter thus converts the voltage applied to the system battery system voltage only in an AC voltage.
  • the voltage applied to the system battery system voltage electrodes of the fuel cell and thus the anode of the fuel cell can be fed.
  • the supply of the voltage applied to the system battery system voltage to the fuel cell serves in particular the purpose of protecting the electrodes and in particular the anode from oxidation. This so-called “protective voltage” is, for example, from the US
  • the fuel cell system in particular the voltage converter device, is designed such that the system voltage or the system voltage level can be fed to the electrodes of the fuel cell.
  • the supply of the system voltage to the electrodes or to the anode is preferably controllable and controllable. Such a transmission of the system voltage to the electrodes can therefore be activated and then deactivated again, in particular when required, for example during the start or when the fuel cell system is shut down.
  • the voltage converter device is also optionally designed such that it can convert the system voltage lying at the system voltage level into an electrical voltage at a different electrical voltage level.
  • the fuel cell system preferably has a device which allows determination of the corresponding conditions at the electrodes and in particular at the anode side.
  • a device can in particular a temperature measuring device as well have a device for determining the oxygen concentration or the oxygen ion concentration.
  • a control device may be provided which regulates and controls the protective voltage depending on the corresponding parameters.
  • the addition of the fuel cell system by theistswandlereinnchtung and the load voltage converter and the at least one additional voltage converter also increases the efficiency of the fuel cell system and the associated arrangement. This is particularly the case because these components of the invention are well known and allow a simple and inexpensive installation or production.
  • the arrangement is part of a vehicle, in particular a motor vehicle.
  • the consumer system can correspond to a vehicle electrical system.
  • the first-time consumers in particular control devices, light bulbs and a radio of the vehicle. Consequently, the consumer power battery is an on-board battery of the motor vehicle.
  • the cell voltage generated in an application in a vehicle is usually in the range between 42 and 100 V, while the system voltage preferably has a value of 24 V, whereby the system consumers are operated at a system voltage level of 24 V.
  • the vehicle electrical system voltage usually has a value of 12 V, whereby the first-time consumers are operated at a consumer power voltage level of 12 V.
  • the voltage conversion device converts the cell voltage generated by the fuel cell to the system voltage level of 24 V and supplies the converted voltage to the system battery.
  • the load voltage converter converts the system voltage from 24V to the 12V consumer power voltage level and supplies the converted voltage to the vehicle electrical system, in particular the vehicle electrical system battery.
  • the load voltage converter is thus designed in particular as a down converter.
  • the onboard power supply battery functions similarly to the system battery as a memory or as a buffer from which the first consumers are electrically supplied.
  • a conversion of the system voltage to the high voltage level or in an AC voltage by an additional voltage converter of the said type can serve the operation of secondary consumers with a corresponding voltage requirements, such as an air conditioner of the vehicle or an air compressor and a television.
  • the additional additional voltage converter can also provide a common household voltage to operate, for example, a TV, a coffee machine, etc.
  • Such an arrangement may also be part of a stationary system.
  • the system battery in particular the independent starting of the fuel cell system and the purpose of making electrodes of the fuel cell, the system voltage, in particular as a protective voltage, supplied.
  • the starting process of the fuel cell system can be optimized if the fuel cell system has an auxiliary burner that produces a hot auxiliary burner exhaust.
  • the heat of the auxiliary burner exhaust gas can in particular be fed to a reformer of the fuel cell system, in particular during the starting process or a cold start.
  • the fuel cell system has the reformer for generating and supplying a reformate gas, which can be supplied to the anode side by means of a reformate gas line.
  • the fuel cell system also has a Reformerzu211 adopted.
  • the Reformerzu111 adopted is particularly coupled heat transfer with the reformer. The heat transfer is not necessarily by an inlet of the auxiliary burner exhaust gas in the reformer. Rather, the heat transfer can also be realized in that the auxiliary burner exhaust gas flows past / around the reformer.
  • the reformer feed means comprises an inlet and a return.
  • the inlet of the reformer feeding device serves to supply the auxiliary burner exhaust gas to the reformer, while the return of the reformer feed means serves to return the auxiliary burner exhaust gas from the reformer.
  • the inlet and the return are suitably fluidly connected to each other, wherein this compound is preferably realized in the region of the reformer or in the vicinity of the reformer.
  • the supply or the discharge of the additional burner exhaust gas to or from the reformer is not necessarily that the additional burner exhaust gas penetrates into the reformer.
  • the auxiliary burner exhaust gas flows past the reformer on the outside that is to say in particular on a housing of the reformer, are preferred.
  • One possible realization is, therefore, the inflow and / or the return of the reformer feed device, in particular in the area of the Formers, hose-like form and umhüllend to arrange the reformer.
  • the reformer is at least partially surrounded by a flow-through heating jacket.
  • the reformer is therefore and at least partially enveloped by the permeable heating jacket.
  • the heating jacket is further coupled heat-transmitting to the reformer.
  • the heating mantle is designed, for example, as a hollow body enclosing the reformer, a wall of the heating mantle adjacent to the reformer contacting the reformer.
  • the housing of the reformer in particular an outer wall of the reformer, forms an inner wall of the heating jacket.
  • the flow through the heating jacket also has at least one opening which serves as an inlet and / or as an outlet.
  • the heating jacket is preferably fluidly separated from the reformer. That is, a path of the booster exhaust gas heating the reformer is fluidly separated from a path of the reformate gas. This fluidic separation also applies to educt feeds to the reformer. This means in particular that a fuel supply to the reformer or an oxidant gas supply to the reformer are each fluidly separated from the reformer feed.
  • the Reformerzu slaughter slaughterhouse is fluidly connected to the flow-through heating jacket and thus transmits the heat of the additional burner exhaust gas to the reformer.
  • the inlet and the return of the Reformerzu211 are fluidly connected to the flow-through heating jacket. These connections are preferably realized via two openings of the heating jacket. This means that the inlet is fluidically connected to a first opening and the return is fluidically connected to a second opening. th opening is connected.
  • the auxiliary burner exhaust gas thus flows through the inlet to the reformer or to the heating jacket and the return from the reformer or heating jacket away, whereby a heat transfer to the reformer is guaranteed.
  • the heating jacket in particular the cavity of the heating jacket, be extended with guide elements which determine a predetermined path of the additional burner exhaust gas.
  • the heating jacket may also have a plurality of first openings and / or a plurality of second openings, which are each fluidly connected to the inlet or the return.
  • the fuel cell system in a further embodiment has a fuel cell air line.
  • an auxiliary burner heat exchanger In order to make the heat of the additional burner exhaust gas to the cathode gas, the fuel cell system in a preferred embodiment, an auxiliary burner heat exchanger.
  • the auxiliary burner heat exchanger is heat-transmitting coupled with an additional burner exhaust gas line or simply additional exhaust gas line or disposed within the additional exhaust gas line and also connected heat-transmitting with the fuel cell air line.
  • the additional exhaust gas line serves to discharge the auxiliary burner exhaust gas produced by the auxiliary burner.
  • the auxiliary exhaust gas line in particular carries a portion of the auxiliary burner exhaust gases which is not used for warming up the reformer and / or the auxiliary burner exhaust gas recirculated from the reformer.
  • the reformer has in its interior a mixing space and a catalyst adjacent to the mixing space.
  • a reformer fuel is mixed with reformer air and burned or preheated, while the reaction of the mixture to the reformate takes place by means of the catalyst.
  • the mixing chamber is arranged upstream of the catalyst.
  • the heating jacket preferably surrounds the reformer in the region of the catalyst and thus primarily heats or heats the catalyst. Consequently, the mixing space is warmed by the heat transfer from the catalyst or by the heat transfer of the area surrounding the heating jacket.
  • a mixing jacket surrounds the reformer in the region of the mixing chamber.
  • the mixing jacket is also fluidly connected to a reformer air line for supplying the reformer with reformer air.
  • the mixing jacket serves for the preconditioning of the reformer air and is expediently fluidically connected to the reformer, in particular the mixing space.
  • This fluidic connection is realized by means of at least one mixing jacket outlet, which is arranged on the inside of the mixing jacket facing the reformer or the mixing chamber.
  • the fluidic connection with the reformer air line can be realized on the outside of the mixing jacket facing away from the reformer or from the mixing chamber.
  • the mixing jacket has a plurality of mixing jacket outlets, which are distributed uniformly along the circumferential direction of the reformer or the mixing chamber, so that the reformer air flows uniformly or homogeneously into the mixing chamber.
  • the reformer may also have in its interior an evaporator space which is arranged on the side of the mixing space facing away from the catalyst or upstream of the mixing space.
  • the evaporator chamber serves to evaporate the usually liquid fuel and is zweekmon fluidly connected to a fuel line for supplying the fuel to the reformer.
  • the inlet of the reformer feed is fluidly connected on the one hand with the additional exhaust gas line and on the other hand with the heating jacket enveloping and permeable to the reformer.
  • the fluidic connection with the additional exhaust gas line is preferably realized upstream of the auxiliary burner heat exchanger, wherein the term upstream is given here with respect to the flow direction of the additional burner exhaust gas within the additional exhaust gas line.
  • the inlet of the reformer feed device thus carries the auxiliary burner exhaust gas upstream of the auxiliary burner heat exchanger to the reformer.
  • the return of the ReformerzuILL issued is on the one hand fluidly connected to the heating jacket and on the other hand fluidly connected to the additional exhaust gas line.
  • the fluidic connection between the return and the additional exhaust gas line is preferably realized downstream of the auxiliary burner heat exchanger.
  • the return thus leads the auxiliary burner exhaust, in particular the additional burner exhaust gas supplied from the inlet, from the heating jacket or from the reformer back to the additional exhaust gas line.
  • Embodiments are preferred in which both the return and the feed of the Reformerzulite nails are realized in such a way.
  • the heat of the additional burner exhaust gas of the fuel cell can be fed.
  • the fuel cell system may have a branch which branches off the auxiliary burner exhaust gas from the additional exhaust gas line and leads back to the additional exhaust gas line.
  • the branch is also heat-transmitting coupled to the fuel cell.
  • This heat-transmitting coupling is realized, for example, by means of an end plate or end plate of the fuel cell, which terminates the fuel cell and is coupled with the branch in a heat-transmitting manner.
  • the diversion or return of the additional burner exhaust gas through the branch does not necessarily take place directly from the additional exhaust gas line. In particular, the diversion and / or the return can take place via the Reformerzulite Anlagen.
  • the fuel cell system has, in addition to the said fuel line, a further fuel line which supplies the auxiliary burner with an auxiliary burner fuel.
  • the fuels of the reformer and auxiliary burner may be generally different. However, preferred is an embodiment in which the reformer fuel and the auxiliary burner fuel are identical. Consequently, the reformer and auxiliary burners consume the same fuel or convert it.
  • the common fuel is a common container, in particular a tank or a pressure vessel, removable.
  • the Brennsoff also preferably corresponds to the fuel of an internal combustion engine of a vehicle in or on which the fuel cell system is arranged.
  • an air supply line for supplying the auxiliary burner with air as the oxidant gas that is, the oxidizer gas of the auxiliary burner and the reformer air are identical and in particular air.
  • the auxiliary burner can be appropriately regulated or controlled.
  • the auxiliary burner is therefore operable especially when needed.
  • the transfer of the heat of the additional burner exhaust gas to the reformer takes place only when needed, especially during the starting process of Fuel cell system.
  • the auxiliary burner may be shut down during normal operation of the fuel cell system.
  • a control device may be provided which controls or regulates the auxiliary burner. It is also conceivable additionally or optionally to arrange a valve in the Reformerzu slaughterfish slaughterhouse, or the reformerzu slaughterhouse.
  • residual gas contained in gas-carrying components of the fuel cell system may circulate from the anode side of the fuel cell to the reformer and from the reformer to the anode side, particularly as long as the anode or anode side of the fuel cell is below one
  • Anode limit temperature is located. In other words, in a portion of the fuel cell system, residual gas between the reformer and the
  • Fuel cell heats up this automatically results in a heating of the anode side, so that there is a heat transfer to the funded in the circle residual gas.
  • This circulating residual gas transports the heat to the reformer where it causes preheating of the reformer and in particular the catalyst of the reformer.
  • the start procedure presented here thus simultaneously realizes preheating of the fuel cell and of the reformer with the aid of the additional burner.
  • the reformer is ready for use faster, which shortens the overall startup procedure, while at the same time a material-conserving procedure is realized in order to avoid damage to the individual components due to excessive thermal load can.
  • the auxiliary burner for example, a
  • Residual gas burner are designed for a nominal operation of the fuel cell, since the auxiliary burner can be turned off at the end of the cold start operation. Consequently, the nominal operation of the fuel cell system results in improved efficiency.
  • predetermined (first) anode limit temperature which may for example be about 250 ° C, the reformer at least temporarily in a
  • Reformer plantes Kunststoff be operated.
  • Such a reformer operation can be realized at a sufficiently high temperature, for example, that the reformer temporarily fuel and reformer air at a sufficiently high temperature, for example, that the reformer temporarily fuel and reformer air at a sufficiently high temperature, for example, that the reformer temporarily fuel and reformer air at a sufficiently high temperature, for example, that the reformer temporarily fuel and reformer air at a sufficiently high temperature, for example, that the reformer temporarily fuel and reformer air at a
  • the reformer continues to circulate the residual gas between the anode side and the reformer. In this way, the entire oxygen gas contained in the residual gas can be reliably consumed.
  • This temporary reformer operating state is carried out in order to continue to circulate the residual gas even at increasing temperatures without damaging the anode of the fuel cell. At higher temperatures, for example from 300 ° C, the risk of permanent damage to the anode by contact with oxygen increases significantly.
  • a warm start of the reformer with immediate reformer operating state should not be possible, a cold start of the reformer must be performed, in which it is first operated in a burner operating condition. According to one Development of the start procedure presented here can thus be operated below a predetermined limit temperature of the catalyst of the reformer of the reformer in a burner operating state, wherein the reformer
  • Reformer air is supplied and formed in the reformer reformer exhaust gas is removed via the exhaust pipe.
  • the reformer then serves as additional
  • Heat source namely as an additional burner for heating the catalyst.
  • the gas coming from the reformer can be passed through the anode side.
  • the gas coming from the reformer, bypassing the anode side can be led to the exhaust gas line, whereby contacting of the anode with oxygen entrained in the gas coming from the reformer can be avoided.
  • the reformer exhaust gas may be used to preheat fuel cell air.
  • the reformer can be operated particularly effectively in its reformer operating condition.
  • the reformate gas usually contains no oxygen and can be passed through the anode side, which additionally leads to heating of the fuel cell.
  • the reformate can be implemented in the residual gas burner together with the discharged from the cathode side fuel cell air, so burned which releases further heat that can be used to preheat the fuel cell air.
  • the auxiliary burner can now be deactivated as soon as the residual gas burner takes over the preheating of the fuel cell air or as soon as a predetermined (second) anode limit temperature or anode operating temperature is reached.
  • it may be provided to switch off the reformer again upon reaching a predetermined further (third) anode limit temperature and to circulate the oxygen-free residual gas further between the anode side and the reformer.
  • This third anode limit temperature is well below the second anode limit temperature or below the
  • the third anode limit temperature is also above the first anode limit temperature. Below the third anode limit temperature
  • Anode operating temperature which may for example be 650 ° C, there is a risk of soot formation or soot deposits on the anode of
  • the reformer can then be turned on again when reaching a predetermined further (fourth) anode limit temperature and then operated immediately in the reformer mode.
  • the fourth anode limit temperature is higher than the third anode limit temperature.
  • the third anode limit temperature may be, for example, about 350 ° C.
  • the fourth anode limit temperature may be about 650 ° C. It can therefore be chosen in particular the same size as the aforementioned second anode limit temperature or as the
  • Reformer operating state At the present, comparatively high temperatures, the risk of soot formation or soot deposition at the anode is considerably reduced.
  • the fuel cell can be put into operation.
  • air from a bypass air passage bypassing the residual gas heat exchanger disposed in the fuel cell air passage may be introduced into the fuel cell air passage via a bypass passage bypassing the auxiliary heat exchanger disposed in the bypass air passage be introduced downstream of the residual gas heat exchanger.
  • the residual gas heat exchanger may cooperate with the exhaust stream of the residual gas burner to heat the fuel cell air.
  • the auxiliary heat exchanger may cooperate with the auxiliary burner to pre-heat the fuel cell air with the hot auxiliary burner exhaust gas. If necessary, a temperature of the fuel cell, for. As the temperature of the electrolyte or a
  • bypass line which connects the bypass air line with the fuel cell air line between the two heat exchangers. It should be understood that the fuel cell system system battery system is also within the scope of this invention.
  • a reformer with a heating jacket of the kind referred to for such a fuel cell system also belongs to the scope of this invention as such.
  • the reformer can also have a mixing jacket and / or an evaporation chamber of the said type.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram-like and greatly simplified embodiment of an arrangement with a fuel cell system and electrical consumers
  • Fig. 2 is a circuit diagram-like and greatly simplified embodiment of a fuel cell system
  • a fuel cell system 1 shows an arrangement 0 with a fuel cell system 1, which can be arranged in a motor vehicle or in any other mobile or stationary application as the sole or as an additional electrical energy source, with a fuel cell 2 and a residual gas burner 3.
  • the fuel cell 2 generates in Operation of anode gas and cathode gas electric current, which can be tapped off via electrodes 4.
  • the fuel cell 2 is preferably designed as an SOFC fuel cell.
  • the residual gas burner 3 converts anode exhaust gas with cathode exhaust gas during operation, producing burner exhaust gas. The reaction can be done with an open flame. Likewise, a catalytic reaction is conceivable.
  • An anode exhaust gas line 5 connects an anode side 6 of the fuel cell 2, which has at least one anode 95, with the residual gas burner 3.
  • Cathode exhaust line 7 connects a cathode side 8 of the fuel cell 2, which has at least one cathode 104, with the residual gas burner 3.
  • a combustion chamber 9 of the residual gas burner 3 then takes place the implementation of
  • the residual gas burner 3 can form a structurally integrated unit with the fuel cell 2.
  • Cathode exhaust line 7 are then internal lines or paths.
  • an electrolyte 10 separates the anode side 6 from the cathode side 8.
  • the supply of anode gas to the anode side 6 of the fuel cell 2 takes place via a reformate gas line 11 or an anode gas line 11.
  • the supply of cathode gas to the cathode side 8 takes place via a fuel cell air line 12 fuel cell 2.
  • the cathode gas is preferably around air.
  • a burner exhaust gas line 13 discharges the burner exhaust gas produced by the residual gas burner 3 from the residual gas burner 3 or from the combustion chamber 9 thereof.
  • a residual gas heat exchanger 14 is incorporated, which is also integrated into the fuel cell air line 12.
  • the residual gas heat exchanger 14 generates a media-separated
  • the residual gas heat exchanger 14 can be structurally integrated into the residual gas burner 3.
  • the fuel cell system 1 is equipped with a fuel cell module 15, which includes the fuel cell 2, the residual gas burner 3 and the residual gas heat exchanger 14. Furthermore, this fuel cell module 15 is equipped with a thermally insulating sheath 16, which encloses the components of the fuel cell module 15.
  • the fuel cell system 1 is also equipped with an air conveyor 17, which may be, for example, a fan or a compressor or an electrically operated turbocharger or a pump. In operation, this leads
  • Fuel cell 2 air as a cathode gas too.
  • the air conveyor 17 is part of an air supply module 18, which has its own thermally and / or acoustically insulating sheath 19, in which the
  • Air conveyor 17 is arranged.
  • the air conveying device 17 can preferably be equipped with a filter device 71 in order to filter out particles and / or aerosols from the conveyed air.
  • the fuel cell system 1 is also provided with an auxiliary burner 20 and an auxiliary burner 20, respectively, configured to allow air with an auxiliary burner fuel or simply fuel in use Additional burner exhaust gas converts.
  • Said auxiliary burner exhaust gas is via an auxiliary burner exhaust line 21 or short additional exhaust line 21 from
  • the additional exhaust line 21 preferably includes a shut-off device 67 for decoupling the auxiliary burner 20 during normal operation of the fuel cell system 1, in which the auxiliary burner 20 is turned off.
  • the obturator 67 then acts as a backstop.
  • an auxiliary burner heat exchanger 23 or briefly additional heat exchanger 23 is involved.
  • the additional heat exchanger 23 is integrated into a bypass air line 24.
  • the additional heat exchanger 23 thus generates a media-separated, heat-transmitting coupling between the additional exhaust line 21 and the bypass air line 24.
  • the additional heat exchanger 23 can be structurally integrated into the auxiliary burner 20.
  • the bypass air line 24 bypasses the residual gas heat exchanger 14 on the air side.
  • the bypass air line 24 is connected on the input side via a removal point 25 between the air conveyor 17 and the residual gas heat exchanger 14 to the fuel cell air line 12.
  • the bypass air line 24 is connected via an inlet 26 between the residual gas heat exchanger 14 and the fuel cell 2 to the fuel cell air line 12.
  • Air conveying device 17 leads to the introduction point 26 is referred to below with 12 ', while a leading from the point of introduction 26 to the fuel cell 2 and the cathode 8 second section of the fuel cell air line 12 is hereinafter referred to as 12 ".
  • Bypass line 72 may be provided, which is arranged upstream of the additional heat exchanger 23 removal point 73 of the bypass air line 24th with the introduction point 26, that connects with the fuel cell supply air line 12. This bypass line 72 thereby allows a bypass of the additional heat exchanger 23 within the bypass air line 24.
  • a portion of the bypass air line 24 will be referred to below as "24."
  • a further valve 74 may be provided, which in the example is expediently arranged at the further removal point 73.
  • Temperature of the fuel cell 2 may be regulated by cold ambient air supplied to the fuel cell air to reduce its temperature.
  • the cold ambient air can be supplied via the bypass air line 24 to the second section 12 "of the fuel cell air line 12, the bypass air line 24 bypassing the residual gas heat exchanger 14.
  • the auxiliary burner 20 is still active, eg during the start operation
  • the auxiliary heat exchanger 23 arranged in the bapyss air line 24 can be bypassed in order to be able to achieve cooling of the fuel cell air by using the bypass line 72.
  • the cooling air then flows via the first section 24 'of the bypass air line 24 to the bypass line 72 and from the bypass line 72 into the second section 12 'of Fuel cell air line 12. The cooling air thereby bypasses the one hand
  • Additional air conveyor 27 and a corresponding air supply line 28 may preferably be equipped with a filter device 75 to filter out particles and / or aerosols from the conveyed air.
  • the air for the auxiliary burner 20 is preferably sucked in from an environment 52 of the fuel cell system. The supply of the auxiliary burner 20 with fuel by means of a
  • Fuel conveyor 29 via a corresponding fuel line 30 The fuel may be, for example, to any hydrocarbons. However, preference is given to a fuel with which, for example, a
  • the fuel is thus diesel or biodiesel or heating oil.
  • gasoline or natural gas or any biofuel and synthetic hydrocarbons is conceivable. Consequently, the fuel line 30 is suitably connected to a fuel tank 53, not shown here, of the vehicle.
  • the auxiliary burner 20 and the additional heat exchanger 23 are here part of an auxiliary burner module 31, which has its own thermally insulating sheath 32, in which the auxiliary burner 20 and the additional heat exchanger 23 are arranged.
  • the additional air conveyor 27 and the fuel conveyor 29 of the auxiliary burner 20 are part of the auxiliary burner module 31st However, these components are disposed outside of the associated shell 32.
  • the fuel cell system 1 is also equipped with a reformer 33 which, during operation, converts air with a reformer fuel or fuel substoichiometrically, ie at an air ratio ⁇ 1, thereby generating hydrogenous and carbon monoxide-containing reformate gas.
  • This reformate gas is fed via the reformate gas line 1 1 as anode gas of the anode side 6 of the fuel cell 2.
  • a reformer air line 34 is provided, which is also fed by the air conveyor 17 here.
  • Air conveyor 17 arranged a further conveyor 35, which is hereinafter referred to as reformer air conveyor 35.
  • reformer air conveyor 35 With the aid of this reformer air conveyor 35, the air supplied to the reformer 33 can be brought to an elevated pressure level. In addition, this can
  • Reformerluft so adopted 35 be configured as a hot gas conveyor.
  • It may be designed in the manner of a blower, compressor, compressor, electrically driven turbocharger or a pump.
  • Fuel conveyor 36 is provided, which via a corresponding
  • Fuel line 37 the reformer 33 supplies a suitable fuel.
  • This may again be an arbitrary hydrocarbon.
  • the fuel which is also supplied to the internal combustion engine of the vehicle equipped with the fuel cell system 1 is preferred.
  • the supply of the reformer 33 fuel line 37 is expediently connected to the tank 53 of the vehicle.
  • the reformer 33 contains a combustion space 38 or mixing space 38, in which the reformer air and the fuel are mixed or burned. Of the Reformer 33 also includes a catalyst 40 by means of which the reformate gas can be generated by means of partial oxidation.
  • the reformer 33 is part of a reformer module 41 which has a separate or thermally insulating and / or gas-tight envelope 42, in which the reformer 33 is arranged.
  • a reformer module 41 which has a separate or thermally insulating and / or gas-tight envelope 42, in which the reformer 33 is arranged.
  • the reformer 33 is arranged.
  • the example belongs the
  • Reformerbrunstoff purpose issued 36 to the reformer module 41st Said conveyor 36 is for this purpose, however, outside the shell 42 of the reformer module 41st Said conveyor 36 is for this purpose, however, outside the shell 42 of the reformer module 41st Said conveyor 36 is for this purpose, however, outside the shell 42 of the reformer module 41st Said conveyor 36 is for this purpose, however, outside the shell 42 of the reformer module 41st Said conveyor 36 is for this purpose, however, outside the shell 42 of the
  • Reformer module 41 is arranged.
  • the burner exhaust pipe 13 or exhaust pipe 13 for short contains downstream of the residual gas heat exchanger 14, an oxidation catalyst 43 for
  • Exhaust aftertreatment In the exhaust pipe 13 may also be a
  • Heating heat exchanger 44 to be involved which can heat during operation indicated by an arrow fluid flow 45.
  • This may be an air flow 45, which may be supplied to a vehicle interior, not shown here.
  • the fluid flow 45 may also be a coolant of a cooling circuit, wherein the cooling circuit is a heat exchanger for
  • Heating a stream of air which is then e.g. can be guided to the vehicle interior.
  • the heating heat exchanger 44 is expediently arranged downstream of the oxidation catalyst 43.
  • the heat possibly released in the oxidation catalytic converter 43 during the reaction of pollutants can be used to heat the vehicle interior.
  • This valve 46 allows, for example, a virtually arbitrary distribution of the funded by the air conveyor 17 air flow to the guided through the residual gas heat exchanger 14 section the fuel cell air line 12 and the bypass air line 24.
  • the valve 46 is expedient part of a valve device 47, which divides via a distributor strip 48, the air conveyed on the pressure side of the air conveyor 17 to the fuel cell air line 12 and the reformer air line 34.
  • a further valve 49 may be provided, which may also belong to the valve device 47.
  • a cooling gas line or cooling air line 50 is provided, via which the residual gas burner 3 cooling air can be supplied.
  • the cooling air line 50 can be controlled with a valve 51, which also belongs to the valve device 47 in the example.
  • the air conveying device 17 also sucks the air from the environment 52 of the fuel cell system 1 via a suction line 53.
  • Valve device 47 is also part of the example in the example
  • Air supply module 18 and is arranged within the associated shell 19.
  • valves of the valve device 47 and the air conveying devices 17, 35 are preferably temperature-controlled or temperature-controlled.
  • the valve 49, the conveyor 17 and the reformer air conveyor 35 are controlled depending on the temperature of the mixing chamber 38 and / or depending on the temperature of the catalyst 40.
  • Air conveyor 17 may be e.g. depending on the temperature of the
  • the valve 46 and the air conveyor 17 may be e.g. be regulated depending on the temperature of the cathode side 8.
  • the air conveyor 35 may be e.g. depending on the temperature of the
  • the arrangement 0 comprises a consumer system 54 which has a consumer power battery 82 as well as a first-time consumer 78 which is supplied with electrical power via a consumer power supply voltage of the consumer power battery 82.
  • the arrangement 0 may for example be part of a vehicle, in particular of a motor vehicle.
  • the consumer system 54 corresponds, for example, to the vehicle electrical system 54 while the consumer power battery 82 corresponds to an on-board battery 82 of the vehicle.
  • the consumer supply voltage of the consumer power battery 82 is at a consumer power voltage level, which may be 12 V in a vehicle, for example.
  • the first-time consumers 78 are, for example, control devices, light bulbs and a radio of the vehicle.
  • a cell voltage at a cell voltage level can be tapped.
  • the cell voltage level is in the embodiment shown, for example, at 42 V and, in particular depending on a load of the fuel cell 2, for example, between 36 V and 60 V fluctuate.
  • the cell voltage level may, in particular, depending on the design and the load of the fuel cell 2, have any value.
  • the fuel cell system 1 is also equipped with a system battery 56 designed as energy storage 56 to which a system voltage applied to a system voltage level, the system voltage level, for example, has a value of 24 volts.
  • the system battery 56 serves, in particular, for the purpose of storing the cell voltage generated by the fuel cell 2 or an electrical energy connected thereto.
  • a charging device 79 is electrically connected to the system battery 56.
  • the cell voltage of the fuel cell 2 is supplied to the system battery 56 or the charging device 79 via a voltage converter device 57 of the fuel cell. lens system 1.
  • the voltage converter unit 57 is arranged between the fuel cell 2 and the system battery 56 or the charging device 79 and is electrically connected thereto.
  • the voltage converter 57 converts the cell voltage at the cell voltage level to the system voltage at the lower system voltage level.
  • the voltage conversion device 57 converts the cell voltage of 42 V into a voltage of 24 V, which corresponds to the system voltage.
  • the voltage converter device 57 is also designed accordingly. If necessary, the voltage converter device 57 is able to convert the system voltage lying at the system voltage level into another voltage at a different voltage level and then supply it to the fuel cell 2. This serves the purpose, in particular the anode 95 to protect against oxidation.
  • the oxidation is particularly relevant in oxidizing conditions on the anode side 6, wherein the fuel cell system 1 on the one hand may have a device for determining the corresponding conditions and on the other hand preferably designed such that the voltage applied to the electrodes 4 electrical voltage is adjustable.
  • the voltage applied to the system battery 56 system voltage is also supplied to system consumers 80 of the fuel cell system 1. That is, the system battery 56 functions as an electrical buffer or storage that provides electrical power to system loads 80. As system consumers 80 come z. As the conveyors 17, 27, 29, 35, 36, the valves 46, 49, 51, 67, 74, 76 and ignition devices such. As glow plugs and spark plugs, with those in the residual gas burner 3, in the auxiliary burner 20 and in the reformer 33, a combustion reaction can be initiated. Likewise, a control device 55, with the aid of which the individual components of the fuel cell system 1, for example, depending on temperatures, pressures, electrical currents, etc.
  • a system consumers 80 of the fuel cell system 1 can be actuated, a system consumers 80 of the fuel cell system 1 represent, the system consumers 80 at the system voltage level , so for example at 24 V, operated.
  • the stored in the form of the system voltage electrical energy of the system battery 56 can be used in particular for starting the fuel cell system 1 without external electrical energy or voltage supply.
  • a load voltage converter 77 is also provided which switches the system voltage of the system battery 56 at the system voltage level to that on the system battery Consumer network voltage level lying vehicle electrical system voltage or consumer supply voltage converts and the consumer power supply 82 supplies.
  • the consumer power voltage level is lower than the system voltage level.
  • the load voltage converter 77 is thus designed as a down converter and reduces the system voltage level to the consumer power voltage level.
  • a charging device 79 is additionally arranged on the consumer power battery 82, the charging device 79 being integrated into the consumer power battery 82 in the example shown.
  • the consumer power battery 82 thus functions similarly to the system battery 56 as a buffer or memory, via which an electrical supply of the first consumer 78 takes place.
  • the cell voltage generated by the fuel cell 2 and the system voltage applied to the system battery 56 and the system network chip consumer system 54 are usually DC voltages. That the polarity of these voltages does not change with time.
  • the voltage converter device 57 and the consumer voltage converter 77 each have a DC-DC converter 83.
  • At least one additional voltage converter 86 is also provided.
  • the first auxiliary voltage converter 86 converts the system voltage of the system battery 56, which is at the system voltage level, into the first additional voltage lying at the higher first additional voltage level.
  • a second consumer 84 are in particular external electrical consumers, such as a refrigerator, a cool box, a television and a coffee maker, which usually require an additional voltage level of 1 10 V or 220 V and are also operated with an AC voltage mentioned.
  • the first additional voltage converter 86 ' has an inverter 87.
  • the first additional voltage converter 86 'thus converts in addition to increasing the system voltage to the first additional voltage level, the DC-like system voltage of the system battery 56 in the AC-like first additional voltage and makes them the corresponding electrical second consumers 84 available.
  • the second additional voltage converter 86 "converts the system voltage of the system battery 56 lying at the system voltage level into a second additional voltage level, the voltage thus converted corresponding, for example, to a high voltage, ie a voltage higher than 300 V.
  • the second additional voltage level is higher than the first additional voltage level
  • air conditioning systems ie in a vehicle, in particular an air conditioning system of the vehicle, are supplied with electrical power.
  • the additional exhaust gas line 21 is connected in the embodiments shown here via a discharge point 60 to the exhaust gas line 13, downstream of the residual gas heat exchanger 14.
  • this discharge point 60 is suitably positioned so that it is upstream of the oxidation catalyst 43.
  • the residual heat of the additional burner exhaust gas for heating the oxidation catalyst 43 can be used.
  • the residual heat of the additional burner exhaust gas can be used to heat the Schuungs Scrischreibtragers 44.
  • the fuel cell system 1 has a reformer feed device 88, which is heat-coupled to the reformer 33.
  • This heat transfer is realized via an inlet 89 of the reformer feed device 88, a flow-through heating jacket 90 and a return 91 of the reformer feed device 88.
  • the inlet 89 is at one end upstream of the additional heat exchanger 23 with the additional exhaust line 21 and the other end via a first opening 97 of the heating jacket 90 fluidly connected to the heating jacket 90.
  • the heating jacket 90 is designed to flow through and is coupled to the reformer 33 to transmit heat.
  • the heating jacket 90 is fluid from the reformer 33 isolated or isolated.
  • the flow-through heating jacket 90 additionally has a cavity fluidically connected to the first opening 97. The additional burner exhaust gas guided via the inlet 89 from the additional exhaust gas line 21 to the heating jacket 90 therefore flows through the first opening 97 into the heating jacket 90, in particular into the cavity of the heating jacket 90, without thereby entering the reformer
  • the return 91 of the reformer feed 88 is fluidly connected at one end through a second opening 98 of the heating jacket 90 with the heating jacket 90 and the other end downstream of the auxiliary heat exchanger 23 with the additional exhaust line 21.
  • the additional burner exhaust gas of the auxiliary burner 20 which has flowed through the inlet 89 into the heating jacket 90, in particular into the cavity of the heating jacket 90, consequently flows back through the return 91 of the reformer feed device 88 to the additional exhaust gas line 21.
  • the heating jacket 90 in particular the cavity of the heating jacket 90, flows through the hot auxiliary burner exhaust gas and the heat of the auxiliary burner exhaust gas of the auxiliary burner 20 is transferred to the reformer 33.
  • a shut-off device 94 for decoupling the auxiliary burner 20 from the heating jacket 90 during normal operation of the fuel cell system 1 is also arranged in the inlet 89.
  • the heating jacket 90 surrounds the reformer 33 in the region of the catalytic converter 40.
  • the first opening 97 of the heating jacket 90 is arranged on the side of the heating jacket 90 facing away from the mixing chamber 38, as can be seen in the section of FIG. while the second opening 98 is arranged on the side of the heating jacket 90 facing the mixing chamber 38, so that the auxiliary burner exhaust gas circulates into the heating jacket 90 and has the longest possible flow path.
  • the mixing chamber 38 is surrounded by a heating jacket 90 adjacent mixing jacket 92.
  • the mixing jacket 92 has a cavity and is on its side facing away from the reformer 33 fluidly with the reformer air line
  • the reformer air flows through the mixing jacket 92 is the mixing chamber 38 of the reformer 33, wherein in the mixing jacket 92 preconditioning can take place.
  • a uniform distribution of the mixing jacket outlets 99 along the circumference of the mixing jacket 92 also ensures the uniform inflow of the reforming air into the mixing chamber 38.
  • the reformer 33 shown here further comprises an evaporator chamber 93, which is fluidically connected to the fuel line 37.
  • the fuel thus flows via the evaporator chamber 93 into the mixing chamber 38, wherein the evaporator chamber 93 serves the purpose of evaporating the most liquid fuel before entering the mixing chamber 38.
  • the evaporator space 93, the mixing space 38 and the catalyst 40 are thus fluidly connected to each other.
  • a branch 100 branched off from the additional exhaust gas line 21 may be coupled with an end plate 101 of the fuel cell 2 in a heat-transmitting manner.
  • the branch 100 is connected to a removal point 102 arranged at the valve 94 of the inlet 89 and leads the auxiliary burner exhaust gas to the end plate 101 and then via an inlet 103 back to the return 91 of the reformer 88, bringing the auxiliary burner exhaust gas back into the additional exhaust line 21.
  • the removal point 102 arranged on the valve 94 in this case allows an almost arbitrary distribution of the additional burner exhaust gas for heating the reformer 33 or the fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 may typically have a stacked configuration in which a plurality of plate-shaped fuel cell elements are stacked on each other and thereby a fuel cell stack or stack form. At its ends, the fuel cell stack is closed by two end plates, namely by said end plate 101 and by a further end plate.
  • This further end plate has in the example an anode gas connection 61 to which the anode gas line 11 or reformate gas line 11 is connected, a cathode gas inlet 62 to which the cathode gas line 12 or fuel cell air line 12 is connected, an anode exhaust outlet 63 to which the anode exhaust gas line 5 is connected.
  • anode gas connection 61 to which the anode gas line 11 or reformate gas line 11 is connected
  • a cathode gas inlet 62 to which the cathode gas line 12 or fuel cell air line 12 is connected
  • an anode exhaust outlet 63 to which the anode exhaust gas line 5 is connected.
  • connection plate the other end plate 101 merely forms a termination of the fuel cell stack, so that it may also be referred to as an end plate.
  • a further shell may be arranged, the
  • the auxiliary burner exhaust gas can first be passed over the branch 100 to the end plate and from this into the interior emerge to be discharged via the exit point again from the interior.
  • the fuel cell system 1 is preferred in the one shown here
  • Embodiment further equipped with a recirculation line, which is connected on the input side to the anode exhaust gas line 5 and the output side via a discharge point 66 to the reformer air line 34, upstream of the reformer air conveyor 35. Since the recycled
  • Anode exhaust during operation of the fuel cell system 1 may have comparatively high temperatures
  • the reformer air conveyor 35 is suitably designed for application to hot gases, which gases may also be toxic and / or explosive.
  • the valve device 47 is configured in the example to that of the
  • Air conveyor 17 sucked air pressure side on the
  • Fuel cell air line 12 the bypass air line 24, on the
  • Air conveyor 17 via the valve means 47 also to
  • Air supply of the auxiliary burner 20 may be used.
  • the auxiliary burner air line 28 may be connected to a distributor strip 48 via a further valve.
  • the additional air conveyor 27 in the auxiliary burner air line 28 can also be omitted.
  • auxiliary burner 20 can at a cold start of the fuel cell system 1, in the
  • the reformer 33 has ambient temperature, a Restgaszirkulation be realized in a circulation circuit 68, which is indicated in Fig. 1 by a broken line.
  • an additional bypass line 69 is provided, which branches off from the reformate gas line 1 1 and bypasses the anode side 6 of the fuel cell 2. This makes it possible, the reformer 33 material friendly
  • bypass line 69 connected to the anode exhaust gas line 5, so that reformer exhaust gas is introduced upstream of the residual gas burner 3 back into the original path.
  • the bypass 69 may be controlled with a corresponding valve 70.
  • the bypass line 69 is designed for this purpose so that its flow resistance is lower than that
  • the voltage applied to the system battery 56 system voltage of the fuel cell 2 can be supplied.
  • the system voltage is applied to the fuel cell 2 such that a negative pole of the system battery 56 is electrically connected to the anode side 6 and the anode 95 while a positive pole of the system battery 56 electrically connected to the Cathode side 8 and the cathode 104 is connected.
  • the respective electrical connections are also not necessarily realized directly. That is, in the present example, the voltage conversion device 57 and the charger 79 are connected between the system battery 56 and the electrodes 4.
  • Such a supply of the system voltage to the fuel cell 2 acts as a protective voltage, which is supplied to the fuel cell 2 as needed, that is, in particular in oxidizing conditions on the anode side 6.
  • This can be realized, for example, by means of a switch 96, which in particular is controlled by the control device 55, and a corresponding electrical connection and an associated electrical flow of an associated electrical current S, if required.

Landscapes

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

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung (0), die ein elektrisches Verbrauchersystem (54) mit einer Verbrauchernetzbatterie (82) sowie ein Brennstoffzellensystem (1) umfasst. Ein vereinfachter Betrieb, insbesondere bei einem Start des Brennstoffzellensystems (1) erfolgt, wenn das Brennstoffzellensystem (1) eine Systembatterie (56) aufweist. Eine an der Systembatterie (56) anliegende Systemspannung ist weiter elektrischen Systemverbrauchern (80) des Brennstoffzellensystems (1) sowie, über einen Verbraucherspannungswandler (77) und zumindest einem Zusatzspannungswandler (86), dem Verbrauchersystem (54) und elektrischen Zweitverbraucher (84, 85) zuführbar.

Description

Anordnung mit Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft weiter ein derartiges Brennstoffzellensystem.
Der Einsatz von Brennstoffzellen bei unterschiedlichen Anwendungen, beispielsweise in einem Fahrzeug oder einer stationären Anwendung, ist hinlänglich bekannt. Dabei versorgt ein Brennstoffzellensystem elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie. Hierzu weist das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle auf, die beispielsweise als ein Stack ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle erzeugt eine elektrische Spannung unter Nutzung der chemischen Reaktion von einem Kathodengas und einem Anodengas, wobei als Kathodengas üblicherweise sauerstoffhaltige Gase, insbesondere Luft, verwendet werden, während als Anodengas in der Regel wassersoffhaltige Gase zum Einsatz kommen. Bei vielen Anwendungen ist das Brennstoffzellensystem Bestandteil einer Anordnung, wobei die Anordnung häufig ein elektrisches Verbrauchersystem aufweist, in dem unterschiedliche elektrische Verbraucher bzw. Erstverbraucher mit einer elektrischen Spannung versorgt werden. Hierzu weist das Verbrauchersystem insbesondere eine Verbrauchernetzbatterie auf. Dabei liegen die Spannung des Verbrauchernetzes und die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung in der Regel auf unterschiedlichen Spannungsniveaus. Das heißt also, dass während eine Verbrauchernetzspannung des Verbrauchersystems, insbesondere der Verbrauchernetzbatterie, auf einem Verbrauchernetzspannungsniveau liegt, weist die Zellenspannung der Brennstoffzelle ein von dem Verbrauchernetzspannungsniveau unterschiedliches Zellenspannungsniveau auf. Das Brennstoffzellensystem umfasst selbst mehrere elektrische Verbraucher bzw. Systemverbraucher wie z.B. ein Gebläse, Steuerventile und ein Steuergerät. Da die Brennstoff- zelle bei einem Startvorgang des Brennstoffzellensystems nicht unmittelbar elektrische Energie bereitstellen kann, benötigt das Brennstoffzellensystem beim Startvorgang eine externe Energieversorgung zur Versorgung der Systemverbraucher.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der DE 10 2009 030236 A1 bekannt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Anordnung mit einem Brennstoffzellensystem eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein unabhängiges Starten des Brennstoffzellensystems auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Brennstoffzellensystem einer Anordnung, mit mindestens einer von einer Verbrauchernetzbatterie eines Verbrauchersystems der Anordnung unterschiedlichen Systembatterie auszustatten, wobei die Systembatterie eine elektrische Systemspannung auf einem Systemspannungsniveau aufweist. Die Systembatterie fungiert dabei insbesondere als ein Speicher bzw. als ein Puffer zwischen einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems und elektrischen Verbrauchern des Brennstoffzellensystems bzw. der Anordnung, wobei die Brennstoffzelle mittels Brennstoffzellenelemente eine Zellspannung auf einem Zellenspannungsniveau erzeugt. Die Ergänzung des Brennstoffzellensystems durch die System batterie führt nun insbesondere dazu, dass die von der Systembatterie zur Verfügung gestellte Systemspannung Systemverbrauchern, das heißt elektrischen Verbrau- ehern des Brennstoffzellensystems, zuführbar ist. Damit ist beispielsweise auch ein Starten des Brennstoffzellensystems ohne Zuführung externer elektrischer Energie durchführbar. Handelt es sich also um ein Brennstoffzellensystem mit einer Festoxidbrennstoffzelle (SOFC), so ist insbesondere ein Aufheizen der Bestandteile des Brennstoffzellensystems, insbesondere das Aufheizen von Elektroden bzw. einer Anode und/oder einer Kathode der Brennstoffzelle, während des Startvorgangs ohne äußere Zuführung von elektrischer Energie möglich bzw. ist die für den Startvorgang benötigte elektrische Energie reduziert. Weist das Brennstoffzellensystem eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle, beispielsweise PEM-Brennstoffzelle, auf, so ist der Startvorgang, insbesondere die Versorgung der Systemverbraucher mit elektrischer Spannung, ohne äußere Zuführung von elektrischer Energie realisierbar. Zudem ist die Systemspannung auch anderen elektrischen Verbrauchern, insbesondere dem Verbrauchersystem der Anordnung und somit Erstverbrauchern, zuführbar.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Brennstoffzellensystem eine Spannungswandlereinrichtung auf, die das Zellenspannungsniveau auf das Systemspannungsniveau und/oder das Systemspannungsniveau auf das Zellenspannungsniveau umwandelt. Die Spannungswandlereinrichtung dient also insbesondere dem Zweck, die von der Brennstoffzelle erzeugte Zellenspannung der Systembatterie zuführbar zu machen. Alternativ oder zusätzlich kann die Spannungswandlereinrichtung die an der System batterie anliegende Systemspannung der Brennstoffzelle zuführbar machen. Hierzu ist die Spannungswandlereinrichtung zweckmäßig elektrisch mit der Brennstoffzelle und der System batterie verbunden, wobei die jeweiligen elektrischen Verbindungen nicht zwangsläufig direkt von der Spannungswandlereinrichtung zur Brennstoffzelle bzw. zur Systembatterie verlaufen. Das heißt insbesondere, dass andere Einrichtungen bzw. Komponenten zwischen der Brennstoffzelle, der Spannungswandlereinrichtung und der Systembatterie geschaltet sein können. Der Begriff Verbrauchersystem heißt da- bei keinesfalls, dass das Verbrauchersystem keine vom Brennstoffzellensystem getrennte Energieversorgung bzw. elektrische Spannungsversorgung aufweist. Vielmehr kann das Verbrauchersystem eine vom Brennstoffzellensystem unterschiedliche Energieversorgung aufweisen bzw. mit einem derartigen Versorger verbunden sein.
Die elektrische Verbindung mit der Brennstoffzelle ist vorzugsweise und zweckmäßig mittel den Elektroden der Brennstoffzelle realisiert. Entsprechend wird die Zellspannung an den Elektroden abgegriffen oder die Systemspannung vorzugsweise den Elektroden zugeführt.
Als Systemverbraucher des Brennstoffzellensystems sei hier beispielsweise auf eine Luftversorgungseinrichtung, eine Brennstoffversorgungseinrichtung, eine Heizung, ein Steuergerät sowie ein Ventil des Brennstoffzellensystems hingewiesen.
Zur Versorgung von elektrischen Zweitverbrauchern, also auch Verbrauchern, die nicht zur Anordnung gehören, ist die System batterie zudem mit zumindest einem Zusatzspannungswandler verbunden, wobei der jeweilige Zusatzspannungswandler die an der System batterie anliegende Systemspannung auf ein zugehöriges Zusatzspannungsniveau anpasst. Das jeweilige Zusatzspannungsniveau kann oberhalb oder unterhalb der Systemspannung liegen. Der jeweilige Zusatzspannungswandler stellt dem Zweitverbraucher oder den Zweitverbrauchern die zugehörige Zusatzspannung auf dem zugehörigen Zusatzspannungsniveau zur Verfügung, wobei das jeweilige Zusatzspannungsniveau oberhalb oder unterhalb des Systemspannungsniveaus liegt.
Für die elektrische Versorgung des Verbrauchernetzes ist zudem ein mit der Systembatterie elektrisch verbundener Verbraucherspannungswandler vorgesehen, der die an der Systemsbatterie anliegende Systemspannung an das Verbrauchernetzspannungsniveau anpasst. Der Verbraucherspannungswandler dient folglich dem Zweck, die vom Brennstoffzellensystem erzeugte elektrische Spannung dem Verbrauchersystem zur Verfügung zu stellen. Das Verbrauchernetzspannungsniveau liegt oberhalb oder unterhalb des Systemsspannungsniveaus, wobei der Verbraucherspannungswandler das Systemspannungsniveau auf das Verbrauchernetzspannungsniveau erhöht oder reduziert.
Es sei darauf hingewiesen, dass die von der Brennstoffzelle erzeugte Zellenspannung sowie die an der Systembatterie anliegende Systemspannung in der Regel Gleichspannungen sind. Dementsprechend und zweckmäßig sind die Systemverbraucher für den Betrieb mit einer Gleichspannung geeignet. Somit weist die Spannungswandlereinrichtung vorzugsweise zumindest einen Gleichspannungswandler, also insbesondere einen sogenannten„DC/DC-Wandler", auf. Ist Verbrauchernetzspannung auch eine Gleichspannung, so kann der der Verbraucherspannungswandler ebenfalls einen derartigen Gleichspannungswandler aufweisen.
Es sei ferner vermerkt, dass die Brennstoffzelle in der Regel als ein Stack aus Brennstoffzellenelementen ausgebildet ist. Die Zellspannung der Brennstoffzelle ergibt sich bei einer Reihenschaltung der einzelnen Brennstoffzellenelementen folglich als die Summe der von den einzelnen Brennstoffzellenelementen erzeugten elektrische Spannung. Beträgt die Zellenspannung bei einer Ausführungsform der Anordnung beispielsweise 42 V und erzeugt das jeweilige Brennstoffzellenelement eine elektrische Spannung von 0,7 V, so weist die Brennstoffzelle sechzig in Reihe geschaltete Brennstoffzellenelemente auf. Die von der jeweiligen Brennstoffzelle erzeugte elektrische Spannung hängt jedoch unter anderem von der abgegebenen Leistung, also von einer Last, ab. Fällt die Spannung des jeweiligen Brennstoffzellenelements bei einer Volllast beispielsweise auf 0,6 V, so reduziert sich die Zellenspannung entsprechend auf 36 V. Steigt die Spannung des jeweiligen Brennstoffzellenelements bei einem Leerlauf, also ohne Last, auf 1 ,0 V, so steigt die Zellenspannung entsprechend auf 60 V. Die Spannungswandlereinrichtung dient somit insbesondere auch dem Zweck, diese Schwankungen der Zellenspannung auszugleichen und die lastabhängige Zellenspannung und somit das lastabhängige Zellenspannungsniveau in das im Wesentlichen konstante Systemspannungsniveau zu wandeln.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Verbrauchernetzbatterie ähnlich wie die Systemsbatterie als ein Speicher bzw. als ein Puffer fungiert, mittels welcher die Erstverbraucher elektrisch versorgt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem eine elektrische Ladeeinrichtung auf. Die Ladeeinrichtung dient insbesondere dem Zweck, die Systembatterie mittels der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Zellenspannung aufzuladen. Die Ladeeinrichtung erlaubt somit insbesondere, die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie mittels der Systembatterie zu speichern. Die somit gespeicherte elektrische Energie ist nun insbesondere bei einem Startvorgang des Brennstoffzellensystems den Systemverbrauchern zuführbar, womit ein von außen, das heißt also von externen Spannungs- bzw. elektrischen Energielieferanten, unabhängiges Starten des Brennstoffzellensystems gewährleistet ist. Dabei ist die Ladeeinrichtung vorzugsweise zwischen der Spannungswandlereinrichtung und der Systembatterie angeordnet. Die Ladeeinrichtung kann auch innerhalb der Spannungswandlereinrichtung angeordnet sein bzw. Bestandteil der Spannungswandlereinrichtung sein. Alternativ kann die Ladeeinrichtung an der Systembatterie angeordnet bzw. ein Bestandteil der Systembatterie sein. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist zumindest einer der Zusatzspannungswandler einen Wechselrichter auf. Zumindest einer der Zusatzspannungswandler ist folglich derart ausgebildet, dass er die an der Systembatterie anliegende und gleichspannungsartige Systemspannung an das entsprechende Zusatzspannungsniveau anpasst und in eine Wechselspannung umwandelt. Dies dient nun insbesondere der elektrischen Versorgung von Zweitverbrauchern, die mit einer Wechselspannung betrieben werden. Die Zweitverbraucher können dabei externe Verbraucher sein, die mit haushaltsüblichen Spannungen betrieben werden. Die Zusatzspannung beträgt also insbesondere 220 V bzw. 1 10 V. Als Beispiele für derartige Zweitverbraucher sei hier auf Kühlschränke bzw. Kühlboxen, Fernseher bzw. Displays sowie elektrisch betriebene Klimaeinrichtungen, insbesondere Klimakompressoren, hingewiesen.
Die jeweiligen Zusatzspannungsniveaus können sowohl unterhalb, als auch oberhalb des Systemspannungsniveaus liegen. Es sind beispielsweise Ausführungsformen vorstellbar, bei denen jeweils ein Zusatzspannungsniveau oberhalb und ein Zusatzspannungsniveau unterhalb des Systemspannungsniveaus liegt. Entsprechend weist die Anordnung zwei Zusatzspannungswandler auf, wobei einer der Zusatzspannungswandler das Systemspannungsniveaus auf das erste Zusatzspannungsniveau erhöht und somit die erste Zusatzspannung ersten Zweitverbrauchern zuführbar macht während der zweite Zusatzspannungswandler das Systemspannungsniveaus auf das zweite Zusatzspannungsniveau reduziert und zweiten Zweitverbrauchern zuführbar macht. Auch sind Ausführungsformen bevorzugt, bei denen zumindest ein derartiger Zusatzspannungswandler das Systemspannungsniveau auf ein Zusatzspannungsniveau mit einer Hochspannung erhöht. Eine derartige Hochspannung dient beispielsweise dem Betrieb von Klimaeinrichtungen. Es sind auch Ausführungsformen vorstellbar, bei denen ein derartiger Zusatzspannungswandler lediglich einen Wechselrichter der besagten Art aufweist. Dieser Zusatzspannungswandler wandelt also die an der System batterie anliegende Systemspannung lediglich in eine Wechselspannung um.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die an der Systembatterie anliegende Systemspannung Elektroden der Brennstoffzelle und somit der Anode der Brennstoffzelle zuführbar. Die Zuführung der an der Systembatterie anliegenden Systemspannung an die Brennstoffzelle dient insbesondere dem Zweck, die Elektroden sowie insbesondere die Anode, vor einer Oxidation zu schützen. Diese sogenannte„Schutzspannung" ist, wie beispielsweise aus der US
2002/0028362 A1 bekannt, insbesondere dann sinnvoll, wenn die Anode oxidie- renden Bedingungen ausgesetzt ist. Dazu ist das Brennstoffzellensystem, insbesondere die Spannungswandlereinrichtung, derart ausgebildet, dass die Systemspannung bzw. das Systemspannungsniveau den Elektroden der Brennstoffzelle zuführbar ist. Die Zuführung der Systemspannung an den Elektroden bzw. an die Anode ist vorzugsweise Steuer- und regelbar. Eine derartige Übertragung der Systemspannung auf die Elektroden kann also insbesondere bei Bedarf, beispielsweise bei dem Start bzw. bei einem Herunterfahren des Brennstoffzellensystems, aktiviert und anschließend wieder deaktiviert werden. Die Spannungswandlereinrichtung ist zudem optional derart ausgebildet, dass sie die auf dem Systemspannungsniveau liegende Systemspannung in eine elektrische Spannung auf einem anderen elektrischen Spannungsniveau umwandeln kann. Dies dient nun insbesondere dem Zweck, die der Elektroden zuzuführende Spannung an die jeweiligen Gegebenheiten, insbesondere den oxidierenden Bedingungen an der Anodenseite, anzupassen. Hierzu weist das Brennstoffzellensystem vorzugsweise eine Einrichtung auf, die eine Bestimmung der entsprechenden Bedingungen an den Elektroden und insbesondere an der Anodenseite erlaubt. Eine derartige Einrichtung kann insbesondere eine Temperaturmesseinrichtung sowie eine Einrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration bzw. der Sauerstoff ionenkonzentration aufweisen. Zudem kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, welche die Schutzspannung abhängig von den entsprechenden Parametern regelt und steuert.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Ergänzung des Brennstoffzellensystems durch die Spannungswandlereinnchtung und den Verbraucherspannungswandler sowie den zumindest einen Zusatzspannungswandler auch die Wirtschaftlichkeit des Brennstoffzellensystems bzw. der zugehörigen Anordnung erhöht. Dies ist insbesondere deshalb der Fall, weil diese Bestandteile der Erfindung hinlänglich bekannt sind und eine einfache sowie günstige Montage bzw. Herstellung erlauben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung Bestandteil eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges. In diesem Fall kann das Verbrauchersystem einem Bordnetz des Fahrzeugs entsprechen. Somit sind die Erstverbraucher insbesondere Steuergeräte, Glühbirnen sowie ein Radio des Fahrzeugs. Folglich ist die Verbrauchernetzbatterie eine Bordnetzbatterie des Kraftfahrzeugs. Die bei einer Anwendung in einem Fahrzeug erzeugte Zellspannung liegt dabei in der Regel im Bereich zwischen 42 und 100 V liegt, während die Systemspannung vorzugsweise einen Wert von 24 V aufweist, womit auch die Systemverbraucher auf einem Systemspannungsniveau von 24 V betrieben werden. Weiter weist die Bordnetzspannung in der Regel einen Wert von 12 V auf, womit die Erstverbraucher auf einem Verbrauchernetzspannungsniveau von 12 V betrieben werden. In diesem Fall wandelt die Spannungswandlereinrichtung die von der Brennstoffzelle erzeugte Zellenspannung auf das Systemspannungsniveau von 24 V um und führt die umgewandelte Spannung der Systembatterie zu. Weiter wandelt in diesem Fall der Verbraucherspannungswandler die Systemspannung von 24 V auf das Verbrauchernetzspannungsniveau von 12 V um und führt die umgewandelte Spannung dem Bordnetz, insbesondere der Bordnetzbatterie zu. Der Verbraucherspannungswandler ist also insbesondere als ein Abwärtswandler ausgebildet. Dabei fungiert die Bordnetzbatterie ähnlich wie die Systemsbatterie als ein Speicher bzw. als ein Puffer, von dem aus die Erstverbraucher elektrisch versorgt werden. Eine Umwandlung der Systemspannung auf das Hochspannungsniveau bzw. in eine Wechselspannung durch einen Zusatzspannungswandler der besagten Art kann dem Betrieb von Zweitverbrauchern mit einem entsprechenden Spannungsbedarf, wie beispielsweise eine Klimaanlage des Fahrzeugs bzw. einem Klimakompressor sowie einem Fernseher, dienen. Dies ist insbesondere auch dann möglich, wenn das Fahrzeug, insbesondere eine Brennkraftmaschine des Fahrzeugs, nicht betrieben werden und somit das Brennstoffzellensystem für eine entsprechende Versorgung der Verbraucher sorgt. Der weitere Zusatzspannungswandler kann zudem eine haushaltsübliche Spannung zur Verfügung stellen, um Beispielsweise einen Fernseher, eine Kaffeemaschine usw. zu betreiben.
Es ist klar, dass die hier angegebenen Werte der jeweiligen Spannungen bzw. Spannungsniveaus keine Einschränkungen der vorliegenden Erfindung darstellen. Es sind daher auch andere Werte der jeweiligen Spannungen vorstellbar. Weiter können die jeweiligen Spannung auch eine Wechselspannung sein, ohne den Umfang dieser Erfindung zu verlassen.
Eine derartige Anordnung kann auch Bestandteil eines stationären Systems sein. Dabei dient die Systembatterie, wie bereites erwähnt, insbesondere dem unabhängigen Starten des Brennstoffzellensystems sowie dem Zweck, Elektroden der Brennstoffzelle die Systemspannung, insbesondere als Schutzspannung, zuführbar zu machen. Der Startvorgang des Brennstoffzellensystems kann optimiert werden, wenn das Brennstoffzellensystem einen Zusatzbrenner aufweist, der ein warmes Zusatzbrennerabgas produziert. Die Wärme des Zusatzbrennerabgases ist insbesondere einem Reformer des Brennstoffzellensystems, insbesondere während des Startvorgangs bzw. eines Kaltstarts, zuführbar.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Brennstoffzellensystem den Reformer zur Erzeugung und Zuführung eines Reformatgases auf, das mittels einer Reformatgasleitung der Anodenseite zuführbar ist. Zur Übertragung der Wärme des Zusatzbrennerabgases auf dem Reformer weist das Brennstoffzellensystem zudem eine Reformerzuführeinrichtung auf. Hierzu ist die Reformerzuführeinrichtung insbesondere wärmeübertragend mit dem Reformer gekoppelt. Die Wärmeübertragung erfolgt nicht zwangsweise durch einen Eintritt des Zusatzbrennerabgases in den Reformer. Vielmehr kann die Wärmeübertragung auch dadurch realisiert sein, dass das Zusatzbrennerabgas an/um den Reformer vorbeiströmt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Reformerzuführeinrichtung einen Zulauf sowie einen Rücklauf. Der Zulauf der Reformerzuführeinrichtung dient der Zuführung des Zusatzbrennerabgases zum Reformer, während der Rücklauf der Reformerzuführeinrichtung der Rückführung des Zusatzbrennerabgases vom Reformer dient. Hierzu sind der Zulauf und der Rücklauf zweckmäßig fluidisch miteinander verbunden, wobei diese Verbindung vorzugsweise im Bereich des Reformers bzw. in der Nähe des Reformers realisiert ist. Dabei heißt auch hier die Zuführung bzw. die Abführung des Zusatzbrennerabgases zum bzw. vom Reformer nicht zwingend, dass das Zusatzbrennerabgas in den Reformer eindringt. Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen das Zusatzbrennerabgas außen am Reformer, das heißt insbesondere an einem Gehäuse des Reformers, vorbeiströmt. Eine mögliche Realisierung ist also, den Zulauf und/oder den Rücklauf der Reformerzuführeinrichtung, insbesondere im Bereich des Re- formers, schlauchartig auszubilden und umhüllend an dem Reformer anzuordnen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Reformer zumindest teilweise von einem durchströmbaren Heiz-Mantel umgeben. Der Reformer ist folglich und zumindest teilweise von dem durchströmbaren Heiz-Mantel umhüllt. Der Heiz-Mantel ist weiter wärmeübertragend mit dem Reformer gekoppelt. Hierzu ist der Heiz-Mantel beispielsweise als einen den Reformer umhüllenden Hohlkörper ausgebildet, wobei eine dem Reformer benachbarte Wand des Heiz- Mantels den Reformer kontaktiert. Alternativ ist eine Ausführungsform vorstellbar, bei der das Gehäuse des Reformers, insbesondere eine äußere Wand des Reformers, eine Innenwand des Heiz-Mantels ausbildet. Zur Realisierung der Durchströmbarkeit weist der Heiz-Mantel zudem zumindest eine Öffnung auf, die als ein Einlass und/oder als ein Auslass dient.
Der Heiz-Mantel ist vorzugsweise fluidisch vom Reformer getrennt. Das heißt, dass ein Pfad des den Reformer aufwärmenden Zusatzbrennerabgases fluidisch von einem Pfad des Reformatgases getrennt ist. Diese fluidische Trennung gilt hierbei auch für Eduktzuführungen zum Reformer. Das heißt insbesondere, dass eine Brennstoffzuführung zum Reformer bzw. eine Oxidatorgaszuführung zum Reformer jeweils fluidisch von der Reformerzuführeinrichtung getrennt sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Reformerzuführeinrichtung fluidisch mit dem durchströmbaren Heiz-Mantel verbunden und überträgt somit die Wärme des Zusatzbrennerabgases auf den Reformer. Hierzu sind beispielsweise der Zulauf und der Rücklauf der Reformerzuführeinrichtung fluidisch mit dem durchströmbaren Heiz-Mantel verbunden. Diese Verbindungen sind vorzugsweise über zwei Öffnungen des Heiz-Mantels realisiert. Das heißt, dass der Zulauf fluidisch mit einer ersten Öffnung verbunden ist und der Rücklauf fluidisch mit einer zwei- ten Öffnung verbunden ist. Das Zusatzbrennerabgas fließt somit über den Zulauf zum Reformer bzw. zum Heiz-Mantel und über den Rücklauf vom Reformer bzw. von Heiz-Mantel weg, womit eine Wärmeübertragung auf den Reformer gewährleistet ist. Sind die Öffnungen des Reformers und somit die fluidischen Verbindungen des Zulaufs bzw. des Rücklaufs mit dem Heiz-Mantel zudem auf gegenüberliegende Seiten des Heiz-Mantels angeordnet, so führt dies zu einer verbesserten Wärmeübertragung auf dem Reformer, weil ein Pfad des Zusatzbrennerabgases innerhalb des Heiz-Mantels vergrößert bzw. maximiert ist. Hierzu kann der Heiz-Mantel, insbesondere der Hohlraum des Heiz-Mantels, mit Leitelementen erweitert sein, die einen vorgegebenen Pfad des Zusatzbrennerabgases bestimmen. Natürlich kann der Heiz-Mantel auch mehrere erste Öffnungen und/oder mehrere zweite Öffnungen aufweisen, die jeweils fluidisch mit dem Zulauf bzw. dem Rücklauf verbunden sind.
Zur Zuführung eines Kathodengases bzw. einer Brennstoffzellenluft zur Kathodenseite der Brennstoffzelle weist das Brennstoffzellensystem bei einer weiteren Ausführungsform eine Brennstoffzellenluftleitung auf. Um die Wärme des Zusatzbrennerabgases auch dem Kathodengas zuführbar zu machen, weist das Brennstoffzellensystem bei einer bevorzugten Ausführungsform einen Zusatzbrenner- Wärmeübertrager auf. Der Zusatzbrenner-Wärmeübertrager ist wärmeübertragend mit einer Zusatzbrennerabgasleitung oder einfach Zusatzabgasleitung gekoppelt bzw. innerhalb der Zusatzabgasleitung angeordnet und zudem wärmeübertragend mit der Brennstoffzellenluftleitung verbunden. Die Zusatzabgasleitung dient der Abführung des vom Zusatzbrenner produzierten Zusatzbrennerabgases. Die Zusatzabgasleitung führt demnach insbesondere einen Teil des Zusatzbrennerabgase, der nicht zum Aufwärmen des Reformers genutzt wird und/oder das vom Reformer zurückgeführte Zusatzbrennerabgas ab. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Reformer in seinem inneren einen Mischraum und einen zum Mischraum benachbarten Katalysator auf. Im Mischraum wird ein Reformerbrennstoff mit Reformerluft gemischt und verbrannt bzw. vorgeheizt, während die Umsetzung des Gemisches zum Refor- matgas mittels des Katalysators erfolgt. Zweckmäßig ist der Mischraum stromauf des Katalysators angeordnet. Bevorzugt umgibt der Heiz-Mantel den Reformer im Bereich des Katalysators und wärmt bzw. heizt somit vorwiegend den Katalysator. Der Mischraum wird hierbei folglich durch die Wärmeübertragung vom Katalysator bzw. durch die Wärmeübertragung des vom Heiz-Mantel umgebenden Bereichs gewärmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umgibt ein Misch-Mantel den Reformer im Bereich des Mischraums. Der Misch-Mantel ist zudem fluidisch mit einer Reformerluftleitung zur Versorgung des Reformers mit Reformerluft verbunden. Der Misch-Mantel dient der Vordkonditionierung der Reformerluft und ist zweckmäßig fluidisch mit dem Reformer, insbesondere dem Mischraum, verbunden. Diese fluidische Verbindung ist mittels zumindest eines Misch-Mantel-Auslasses realisiert, der auf der dem Reformer bzw. dem Mischraum zugewandten Innenseite des Misch-Mantels angeordnet ist. Entprechend kann die fluidische Verbindung mit der Reformerluftleitung auf der vom Reformer bzw. vom Mischraum abgewandten Außenseite des Misch-Mantels realisiert sein. Bevorzugt weist der Misch-Mantel mehrere Misch-Mantel-Auslässe auf, die gleichmäßig entlang der Umfangsrichtung des Reformers bzw. des Mischraums verteilt sind, so dass die Reformerluft gleichmäßig bzw. homogen in den Mischraum einströmt.
Der Reformer kann in seinem inneren auch einen Verdampferraum aufweisen, der auf der vom Katalysator abgewandten Seite des Mischraums bzw. stromauf des Mischraums angeordnet ist. Der Verdampferraum dient dem Verdampfen des meist flüssigen Brennstoffs und ist zwekmäßig mit einer Brennstoffleitung zur Zuführung des Brennstoffes zum Reformer fluidisch verbunden.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei welcher der Zulauf der Reformerzuführeinrichtung einerseits mit der Zusatzabgasleitung und andererseits mit dem den Reformer umhüllenden und durchströmbaren Heiz-Mantel fluidisch verbunden ist. Die fluidische Verbindung mit der Zusatzabgasleitung ist vorzugsweise stromauf des Zusatzbrenner-Wärmeübertragers realisiert, wobei der Begriff stromauf hier bezüglich der Strömungsrichtung des Zusatzbrennerabgases innerhalb der Zusatzabgasleitung gegeben ist. Der Zulauf der Reformerzuführeinrichtung führt also das Zusatzbrennerabgas stromauf des Zusatzbrenner- Wärmeübertragers zum Reformer. Alternativ oder zusätzlich ist der Rücklauf der Reformerzuführeinrichtung einerseits fluidisch mit dem Heiz-Mantel und andererseits fluidisch mit der Zusatzabgasleitung verbunden. Die fluidische Verbindung zwischen dem Rücklauf und der Zusatzabgasleitung ist vorzugsweise stromab des Zusatzbrenner-Wärmeübertragers realisiert. Der Rücklauf führt also das Zusatzbrennerabgas, insbesondere das vom Zulauf zugeführte Zusatzbrennerabgas, vom Heiz-Mantel bzw. vom Reformer zurück zur Zusatzabgasleitung. Dabei sind Ausführungsformen bevorzugt, bei denen sowohl der Rücklauf als auch der Zulauf der Reformerzuführeinrichtung derart realisiert sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Wärme des Zusatzbrennerabgases der Brennstoffzelle zuführbar. Hierzu kann das Brennstoffzellensystem einen Zweig aufweisen, der das Zusatzbrennerabgas von der Zusatzabgasleitung abzweigt und der Zusatzabgasleitung wieder zurückführt. Der Zweig ist zudem wärmeübertragend mit der Brennstoffzelle gekoppelt. Diese wärmeübertragende Kopplung ist beispielsweise mittels einer Endplatte bzw. Abschlussplatte der Brennstoffzelle realisiert, welche die Brennstoffzelle abschließt und mit dem Zweig wärmeübertragend gekoppelt ist. Die Abzweigung bzw. Rückführung des Zusatzbrennerabgases durch den Zweig erfolgt nicht zwingend direkt von der Zusatzabgasleitung. Insbesondere kann die Abzweigung und/oder die Rückführung über die Reformerzuführeinrichtung erfolgen.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystenn neben der besagten Brennstoffleitung eine weitere Brennstoffleitung auf, welche den Zusatzbrenner mit einem Zusatzbrennerbrennstoff versorgt. Die Brennstoffe des Reformers und des Zusatzbrenners können im Allgemeinen unterschiedlich sein. Bevorzugt wird jedoch eine Ausführungsform, bei dem der Reformerbrennstoff und der Zusatzbrennerbrennstoff identisch sind. Folglich verbrauchen der Reformer und die Zusatzbrenner den gleichen Brennstoff bzw. setzen diesen um. Zweckmäßig und vorzugsweise ist der gemeinsame Brennstoff dabei einem gemeinsamen Behälter, insbesondere einem Tank bzw. einem Druckbehälter, entnehmbar. Der Brennsoff entspricht zudem bevorzugt dem Brennstoff einer Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges in bzw. an dem das Brennstoffzellensystem angeordnet ist.
Entsprechendes gilt für eine Luftversorgungsleitung zur Versorgung des Zusatzbrenners mit Luft als Oxidatorgas. Das heißt, das Oxidatorgas des Zusatzbrenners und die Reformerluft sind identisch und insbesondere Luft. Zudem kann die Zuführung der Luft zum Zusatzbrenner bzw. zum Reformer durch eine gemeinsame Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, erfolgen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Zusatzbrenner zweckmäßig regel- bzw. steuerbar sein kann. Der Zusatzbrenner ist also insbesondere beim Bedarf betreibbar. So erfolgt die Übertragung der Wärme des Zusatzbrennerabgases auf den Reformer lediglich bei Bedarf, insbesondere beim dem Startvorgang des Brennstoffzellensystems. Dementsprechend kann der Zusatzbrenner während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems abgeschaltet werden. Insbesondere kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, die den Zusatzbrenner steuert bzw. regelt. Auch ist es vorstellbar zusätzlich oder optional ein Ventil in der Reformerzuführeinrichtung anzuordnen, das eine Dosierung der Strömung des Zusatzbrennerabgases zum Reformer, insbesondere zum Heiz-Mantel, regelt.
Gemäß einem Betriebsverfahren für den Kaltstart des Brennstoffzellensystems kann Restgas, das in gasführenden Komponenten des Brennstoffzellensystems enthalten ist, von der Anodenseite der Brennstoffzelle zum Reformer und vom Reformer zur Anodenseite zirkulieren werden, insbesondere solange sich die Anode bzw. Anodenseite der Brennstoffzelle unterhalb einer
Anodengrenztemperatur befindet. Mit anderen Worten, in einem Abschnitt des Brennstoffzellensystems wird Restgas zwischen dem Reformer und der
Anodenseite der Brennstoffzelle im Kreis gefördert. Da die mit Hilfe des
Zusatzbrenners vorgeheizte Brennstoffzellenluft die Kathodenseite der
Brennstoffzelle aufheizt, ergibt sich dadurch automatisch auch eine Aufheizung der Anodenseite, so dass auch eine Wärmeübergabe an das im Kreis geförderte Restgas erfolgt. Dieses zirkulierende Restgas transportiert die Wärme zum Reformer und bewirkt dort ein Vorwärmen des Reformers und insbesondere des Katalysators des Reformers.
Die hier vorgestellte Startprozedur realisiert mit Hilfe des Zusatzbrenners somit gleichzeitig eine Vorwärmung der Brennstoffzelle und des Reformers. Hierdurch wird der Reformer schneller einsatzbereit, was die Startprozedur insgesamt verkürzt, wobei gleichzeitig eine Material schonende Vorgehensweise realisiert wird, um Beschädigungen der einzelnen Komponenten aufgrund überhöhter thermischer Belastung vermeiden zu können. Durch die Verwendung des Zusatzbrenners kann beispielsweise ein
Restgasbrenner auf einen Nennbetrieb der Brennstoffzelle ausgelegt werden, da der Zusatzbrenner am Ende des Kaltstartbetriebs ausgeschaltet werden kann. Folglich ergibt sich für den Nennbetrieb des Brennstoffzellensystems ein verbesserter Wirkungsgrad.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann vor Erreichen einer
vorbestimmten (ersten) Anodengrenztemperatur, die beispielsweise bei etwa 250°C liegen kann, der Reformer zumindest vorübergehend in einem
Reformerbetriebszustand betrieben werden. Ein derartiger Reformerbetrieb lässt sich bei ausreichend hoher Temperatur beispielsweise dadurch realisieren, dass dem Reformer vorübergehend Kraftstoff und Reformerluft bei einer
entsprechenden Luftzahl zugeführt werden. Auf diese Weise kann
gegebenenfalls im weiterhin zirkulierenden Restgas enthaltener Sauerstoff umgesetzt bzw. verbraucht werden. Wichtig ist, dass während dieses
vorübergehenden Reformerbetriebszustandes des Reformers das Restgas weiterhin zwischen Anodenseite und Reformer im Kreis zirkuliert wird. Auf diese Weise kann zuverlässig das gesamte im Restgas enthaltene Sauerstoffgas verbraucht werden. Dieser vorübergehende Reformerbetriebszustand wird durchgeführt, um das Restgas auch bei steigenden Temperaturen weiterhin im Kreis zirkulieren zu können, ohne dass es dabei zu einer Beschädigung der Anode der Brennstoffzelle kommt. Bei höheren Temperaturen, beispielsweise ab 300° C, erhöht sich die Gefahr einer bleibenden Beschädigung der Anode durch einen Kontakt mit Sauerstoff signifikant.
Falls ein Warmstart des Reformers mit sofortigem Reformerbetriebszustand nicht möglich sein sollte, muss ein Kaltstart des Reformers durchgeführt werden, bei dem er zunächst in einem Brennerbetriebszustand betrieben wird. Gemäß einer Weiterbildung der hier vorgestellten Startprozedur kann somit unterhalb einer vorbestimmten Grenztemperatur des Katalysators des Reformers der Reformer in einem Brennerbetriebszustand betrieben werden, wobei dem Reformer
Reformerluft zugeführt wird und im Reformer gebildetes Reformerabgas über die Abgasleitung abgeführt wird. Der Reformer dient dann als zusätzliche
Wärmequelle, nämlich als zusätzlicher Brenner zum Aufheizen des Katalysators. Sobald dann die Katalysatorgrenztemperatur erreicht ist, die zwischen 350°C und 900°C liegen kann, kann der Betrieb des Reformers auf den
Reformerbetriebszustand umgestellt werden.
Solange die Temperatur an der Anodenseite unterhalb einer Reoxidationsgrenze liegt, die beispielsweise bei etwa 300°C liegen kann, kann das vom Reformer kommende Gas durch die Anodenseite geführt werden. Optional kann das vom Reformer kommende Gas unter Umgehung der Anodenseite zur Abgasleitung geführt werden, wodurch eine Kontaktierung der Anode mit in dem vom Reformer kommenden Gas mitgeführtem Sauerstoff vermieden werden kann.
Unabhängig davon, ob das Reformerabgas die Anodenseite durchströmt oder umgeht, kann das Reformerabgas zum Vorwärmen von Brennstoffzellenluft verwendet werden.
Sobald der Katalysator des Reformers seine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht hat, die beispielsweise bei 900°C liegt, kann der Reformer besonders effektiv in seinem Reformerbetriebszustand betrieben werden. Das Reformatgas enthält üblicherweise keinen Sauerstoff und kann durch die Anodenseite geführt werden, was zusätzlich zu einer Aufheizung der Brennstoffzelle führt. Darüber hinaus kann das Reformatgas in dem Restgasbrenner zusammen mit der aus der Kathodenseite abgeführten Brennstoffzellenluft umgesetzt werden, also verbrannt werden, wodurch weitere Wärme freigesetzt wird, die zum Vorheizen der Brennstoffzellenluft genutzt werden kann.
Der Zusatzbrenner kann nun deaktiviert werden, sobald der Restgasbrenner die Vorwärmung der Brennstoffzellenluft übernimmt oder sobald eine vorbestimmte (zweite) Anodengrenztemperatur oder Anodenbetriebstemperatur erreicht ist.
Bei einer anderen Ausführungsform kann vorgesehen sein, den Reformer bei Erreichen einer vorbestimmten weiteren (dritten) Anodengrenztemperatur wieder auszuschalten und das nun sauerstofffreie Restgas weiter zwischen Anodenseite und Reformer zu zirkulieren. Diese dritte Anodengrenztemperatur liegt deutlich unterhalb der zweiten Anodengrenztemperatur bzw. unterhalb der
Anodenbetriebstemperatur. Die dritte Anodengrenztemperatur liegt jedoch auch oberhalb der ersten Anodengrenztemperatur. Unterhalb der
Anodenbetriebstemperatur, die beispielsweise bei 650°C liegen kann, besteht die Gefahr von Rußbildung bzw. von Rußablagerungen an der Anode der
Brennstoffzelle. Durch Ausschalten des Reformers kann diese Gefahr erheblich reduziert werden, da der für die Rußbildung kritische Temperaturbereich umgangen wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann dann bei Erreichen einer vorbestimmten weiteren (vierten) Anodengrenztemperatur der Reformer wieder eingeschaltet werden und dann sofort im Reformerbetriebszustand betrieben werden. Die vierte Anodengrenztemperatur ist jedenfalls höher als die dritte Anodengrenztemperatur. Die dritte Anodengrenztemperatur kann beispielsweise bei etwa 350°C liegen. Die vierte Anodengrenztemperatur kann etwa bei 650°C liegen. Sie kann daher insbesondere gleich groß gewählt sein wie die zuvor genannte zweite Anodengrenztemperatur bzw. wie die
Anodenbetriebstemperatur. Das erneute Einschalten des Reformers bei vorliegender vierter Anodengrenztemperatur ermöglicht einen Warmstart des Reformers, also ein sofortiges Betreiben des Reformers im
Reformerbetriebszustand. Bei den nun vorliegenden, vergleichsweise hohen Temperaturen ist die Gefahr der Rußbildung bzw. Rußablagerung an der Anode erheblich reduziert.
Sobald dann die Anodenseite bzw. die Brennstoffzelle eine Mindesttemperatur erreicht, kann die Brennstoffzelle in Betrieb genommen werden. Die
Startprozedur ist dann beendet.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann zum Regulieren einer Temperatur der Brennstoffzelle Luft von einer Bypass-Luftleitung, die den in der Brennstoffzellenluftleitung angeordneten Restgas-Wärmeübertrager umgeht, über eine Umgehungsleitung, die den in der Bypass-Luftleitung angeordneten Zusatz-Wärmeübertrager umgeht, in die Brennstoffzellenluftleitung stromab des Restgas-Wärmeübertragers eingeleitet werden. Der Restgas-Wärmeübertrager kann mit dem Abgasstrom des Restgasbrenners zusammenwirken, um die Brennstoffzellenluft aufzuheizen. Der Zusatz-Wärmeübertrager kann mit dem Zusatzbrenner zusammenwirken, um mit dem heißen Zusatzbrennerabgas die Brennstoffzellenluft vorzuheizen. Falls es erforderlich ist, eine Temperatur der Brennstoffzelle, z. B. die Temperatur des Elektrolyten oder eine
Kathodentemperatur oder eine Anodentemperatur, zu reduzieren oder zu begrenzen, um eine Überhitzung der jeweiligen Komponente der Brennstoffzelle zu vermeiden, ist es nun möglich, unter Umgehung beider Wärmeübertrager aus der Umgebung angesaugte Kühlluft der Brennstoffzelle kathodenseitig
zuzuführen. Dies wird mit Hilfe der Umgehungsleitung ermöglicht, welche die Bypass-Luftleitung mit der Brennstoffzellenluftleitung zwischen den beiden Wärmeübertragern verbindet. Es versteht sich, dass das Brennstoffzellensystem mit der Systembatterie auch als Solches zum Umfang dieser Erfindung gehört.
Es sei ferner vermerkt, dass ein Reformer mit einem Heiz-Mantel der besagten Art für ein derartiges Brennstoffzellensystem auch als Solcher zum Umfang dieser Erfindung gehört. Der Reformer kann zudem einen Misch-Mantel und/oder einen Verdampferraum der besagten Art aufweisen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine schaltplanartige und stark vereinfachte Ausführungsform einer Anordnung mit einem Brennstoffzellensystem und elektrischen Verbrauchern, Fig. 2 eine schaltplanartige und stark vereinfachte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems
Fig. 1 zeigt eine Anordnung 0 mit einem Brennstoffzellensystem 1 , das in einem Kraftfahrzeug oder in einer beliebigen anderen mobilen oder stationären Anwendung als einzige oder als zusätzliche elektrische Energiequelle angeordnet sein kann, mit einer Brennstoffzelle 2 und einen Restgasbrenner 3. Die Brennstoffzelle 2 generiert im Betrieb aus Anodengas und Kathodengas elektrischen Strom, der über Elektroden 4 abgreifbar ist. Die Brennstoffzelle 2 ist bevorzugt als SOFC- Brennstoffzelle ausgestaltet. Der Restgasbrenner 3 setzt im Betrieb Anodenabgas mit Kathodenabgas um, wobei er Brennerabgas erzeugt. Die Umsetzung kann dabei mit offener Flamme erfolgen. Ebenso ist eine katalytische Umsetzung denkbar.
Eine Anodenabgasleitung 5 verbindet eine Anodenseite 6 der Brennstoffzelle 2, die zumindest eine Anode 95 aufweist, mit dem Restgasbrenner 3. Eine
Kathodenabgasleitung 7 verbindet eine Kathodenseite 8 der Brennstoffzelle 2, die zumindest eine Kathode 104 aufweist, mit dem Restgasbrenner 3. In einem Brennraum 9 des Restgasbrenners 3 erfolgt dann die Umsetzung der
Brennstoffzellenabgase. Der Restgasbrenner 3 kann mit der Brennstoffzelle 2 eine baulich integrierte Einheit bilden. Die Anodenabgasleitung 5 und die
Kathodenabgasleitung 7 sind dann interne Leitungen bzw. Pfade.
In der Brennstoffzelle 2 trennt ein Elektrolyt 10 die Anodenseite 6 von der Kathodenseite 8. Über eine Reformatgasleitung 1 1 oder eine Anodengasleitung 1 1 erfolgt die Zuführung von Anodengas zur Anodenseite 6 der Brennstoffzelle 2. Über eine Brennstoffzellenluftleitung 12 erfolgt die Zuführung von Kathodengas zur Kathodenseite 8 der Brennstoffzelle 2. Beim Kathodengas handelt es sich bevorzugt um Luft. Eine Brennerabgasleitung 13 führt das vom Restgasbrenner 3 erzeugte Brennerabgas vom Restgasbrenner 3 bzw. aus dessen Brennraum 9 ab. In diese Brennerabgasleitung 13 ist ein Restgas-Wärmeübertrager 14 eingebunden, der außerdem in die Brennstoffzellenluftleitung 12 eingebunden ist. Der Restgas-Wärmeübertrager 14 erzeugt eine mediengetrennte
wärmeübertragende Kopplung zwischen der Brennstoffzellenluftleitung 12 und der Brennerabgasleitung 13. Der Restgas-Wärmeübertrager 14 kann dabei baulich in den Restgasbrenner 3 integriert sein.
Im Beispiel ist das Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenmodul 15 ausgestattet, das die Brennstoffzelle 2, den Restgasbrenner 3 und den Restgas- Wärmeübertrager 14 umfasst. Ferner ist dieses Brennstoffzellenmodul 15 mit einer thermisch isolierenden Hülle 16 ausgestattet, welche die Komponenten des Brennstoffzellenmoduls 15 umschließt.
Das Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem mit einer Luftfördereinrichtung 17 ausgestattet, die bspw. ein Gebläse oder ein Verdichter oder ein elektrisch betriebener Turbolader oder eine Pumpe sein kann. Im Betrieb führt diese
Luftfördereinrichtung 17 über die Brennstoffzellenluftleitung 12 der
Brennstoffzelle 2 Luft als Kathodengas zu. Die Luftfördereinrichtung 17 ist dabei Bestandteil eines Luftversorgungsmoduls 18, das über eine eigene thermisch und/oder akustisch isolierende Hülle 19 verfügt, in welcher die
Luftfördereinrichtung 17 angeordnet ist. Die Luftfördereinrichtung 17 kann vorzugsweise mit einer Filtereinrichtung 71 ausgestattet sein, um Partikel und/oder Aerosole aus der geförderten Luft herauszufiltern.
Das Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem mit einer Zusatzbrennereinrichtung 20 bzw. einem Zusatzbrenner 20 ausgestattet, der so konfiguriert ist, dass er im Betrieb Luft mit einem Zusatzbrennerbrennstoff oder einfach Brennstoff zu Zusatzbrennerabgas umsetzt. Besagtes Zusatzbrennerabgas wird dabei über eine Zusatzbrennerabgasleitung 21 oder kurz Zusatzabgasleitung 21 vom
Zusatzbrenner 20 bzw. von einem Brennraum 22 des Zusatzbrenners 20 abgeführt. Die Zusatzabgasleitung 21 enthält vorzugsweise ein Absperrorgan 67 zur Entkopplung des Zusatzbrenners 20 während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 , bei dem der Zusatzbrenner 20 ausgeschaltet ist. Das Absperrorgan 67 wirkt dann als Rückschlagsperre. In diese Zusatzabgasleitung 21 ist ein Zusatzbrenner-Wärmeübertrager 23 oder kurz Zusatz- Wärmeübertrager 23 eingebunden. Außerdem ist der Zusatz-Wärmeübertrager 23 in eine Bypassluftleitung 24 eingebunden. Der Zusatz-Wärmeübertrager 23 erzeugt somit eine mediengetrennte, wärmeübertragende Kopplung zwischen der Zusatzabgasleitung 21 und der Bypass-Luftleitung 24. Der Zusatz- Wärmeübertrager 23 kann dabei baulich in den Zusatzbrenner 20 integriert sein.
Die Bypass-Luftleitung 24 umgeht den Restgas-Wärmeübertrager 14 luftseitig. Hierzu ist die Bypass-Luftleitung 24 eingangsseitig über eine Entnahmestelle 25 zwischen der Luftfördereinrichtung 17 und dem Restgas-Wärmeübertrager 14 an die Brennstoffzellenluftleitung 12 angeschlossen. Ausgangsseitig ist die Bypass- Luftleitung 24 über eine Einleitstelle 26 zwischen dem Restgas-Wärmeübertrager 14 und der Brennstoffzelle 2 an die Brennstoffzellenluftleitung 12 angeschlossen. Ein erster Abschnitt der Brennstoffzellenluftleitung 12, der von der
Luftfördereinrichtung 17 zur Einleitstelle 26 führt, wird im Folgenden mit 12' bezeichnet, während ein von der Einleitstelle 26 zur Brennstoffzelle 2 bzw. zur Kathodenseite 8 führender zweiter Abschnitt der Brennstoffzellenluftleitung 12 im Folgenden mit 12" bezeichnet wird.
Entsprechend der hier gezeigten Ausführungsform kann optional eine
Umgehungsleitung 72 vorgesehen sein, die eine stromauf des Zusatz- Wärmeübertragers 23 angeordnete Entnahmestelle 73 der Bypass-Luftleitung 24 mit der Einleitstelle 26, also mit der Brennstoffzellenzuluftleitung 12 verbindet. Diese Umgehungsleitung 72 ermöglicht dadurch eine Umgehung des Zusatz- Wärmeübertragers 23 innerhalb der Bypass-Luftleitung 24. Ein erster Abschnitt der Bypass-Luftleitung 24, der von der Entnahmestelle 25 bis zur weiteren Entnahmestelle 73 führt, wird im Folgenden mit 24' bezeichnet, während ein von der weiteren Entnahmestelle 73 bis zur Einleitstelle 26 führender zweiter
Abschnitt der Bypass-Luftleitung 24 im Folgenden mit 24" bezeichnet wird. Zum Steuern der Umgehungsleitung 72 kann ein weiteres Ventil 74 vorgesehen sein, das im Beispiel zweckmäßig an der weiteren Entnahmestelle 73 angeordnet ist.
Im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 , also bei ausgeschaltetem Zusatzbrenner 20, erfolgt ausschließlich über den Restgas-Wärmeübertrager 14 eine Vorheizung der Brennstoffzellenluft. In bestimmten Betriebssituationen kann es erforderlich sein, eine weitere Temperaturzunahme der Brennstoffzelle 2 zu vermeiden bzw. eine Abkühlung der Brennstoffzelle 2 zu erzielen. Dies kann beispielsweise erforderlich sein, um eine Komponente der Brennstoffzelle 2, wie z.B. den Elektrolyten 10, vor einer Überhitzung zu schützen. Die jeweilige
Temperatur der Brennstoffzelle 2 kann durch kalte Umgebungsluft reguliert werden, die der Brennstoffzellenluft zugeführt wird, um deren Temperatur zu reduzieren. Die kalte Umgebungsluft kann dabei über die Bypass-Luftleitung 24 dem zweiten Abschnitt 12" der Brennstoffzellenluftleitung 12 zugeführt werden, wobei die Bypass-Luftleitung 24 den Restgas-Wärmeübertrager 14 umgeht. Ist jedoch, z.B. während des Startbetriebs, der Zusatzbrenner 20 noch aktiv, muss auch der in der Bapyss-Luftleitung 24 angeordnete Zusatz-Wärmeübertrager 23 umgangen werden, um eine Kühlung der Brennstoffzellenluft erzielen zu können. Hierzu wird die Umgehungsleitung 72 verwendet. Die Kühlluft strömt dann über den ersten Abschnitt 24' der Bypass-Luftleitung 24 bis zur Umgehungsleitung 72 und von der Umgehungsleitung 72 in den zweiten Abschnitt 12' der Brennstoffzellenluftleitung 12. Die Kühlluft umgeht dadurch einerseits den
Restgas-Wärmeübertrager 14 und andererseits den Zusatz-Wärmeübertrager 23.
Die Versorgung des Zusatzbrenners 20 mit Luft erfolgt über eine
Zusatzluftfördereinrichtung 27 und eine entsprechende Luftversorgungsleitung 28. Die Zusatzfördereinrichtung 27 kann vorzugsweise mit einer Filtereinrichtung 75 ausgestattet sein, um Partikel und/oder Aerosole aus der geförderten Luft herauszufiltern. Die Luft für den Zusatzbrenner 20 wird dabei bevorzugt aus einer Umgebung 52 des Brennstoffzellensystems angesaugt. Die Versorgung des Zusatzbrenners 20 mit Brennstoff erfolgt mit Hilfe einer
Brennstofffördereinrichtung 29 über eine entsprechende Brennstoffleitung 30. Beim Brennstoff kann es sich bspw. um beliebige Kohlenwasserstoffe handeln. Bevorzugt wird jedoch ein Kraftstoff, mit dem auch beispielsweise eine
Brennkraftmaschine des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs betrieben wird. Insbesondere handelt es sich beim Brennstoff somit um Diesel oder Biodiesel oder Heizöl. Ebenso ist Benzin oder Erdgas oder ein beliebiger Biokraftstoff sowie synthetische Kohlenwasserstoffe denkbar. Folglich ist die Brennstoffleitung 30 zweckmäßig an einen hier nicht näher dargestellten Kraftstofftank 53 des Fahrzeugs angeschlossen.
Der Zusatzbrenner 20 und der Zusatz-Wärmeübertrager 23 sind hier Bestandteil eines Zusatzbrennermoduls 31 , das über eine eigene thermisch isolierende Hülle 32 verfügt, in welcher der Zusatzbrenner 20 und der Zusatz-Wärmeübertrager 23 angeordnet sind. Außerdem sind im Beispiel die Zusatzluftfördereinrichtung 27 und die Brennstofffördereinrichtung 29 des Zusatzbrenners 20 Bestandteil des Zusatzbrennermoduls 31 . Diese Bestandteile sind jedoch außerhalb der zugehörigen Hülle 32 angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 1 ist in dem gezeigten Beispiel außerdem mit einem Reformer 33 ausgestattet, der im Betrieb Luft mit einem Reformerbrennstoff bzw. Brennstoff unterstöchiometrisch, also bei einem Luftverhältnis < 1 umsetzt und dabei wasserstoffhaltiges und kohlenmonoxidhaltiges Reformatgas erzeugt.
Dieses Reformatgas wird über die Reformatgasleitung 1 1 als Anodengas der Anodenseite 6 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Zur Versorgung des Reformers 33 mit Reformerluft ist eine Reformerluftleitung 34 vorgesehen, die hier ebenfalls von der Luftfördereinrichtung 17 gespeist wird. Darüber hinaus ist bei der hier gezeigten Ausführungsform in der Reformerluftleitung 34 stromab der
Luftfördereinrichtung 17 eine weitere Fördereinrichtung 35 angeordnet, die im Folgenden als Reformerluftfördereinrichtung 35 bezeichnet wird. Mit Hilfe dieser Reformerluftfördereinrichtung 35 kann die dem Reformer 33 zugeführte Luft auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht werden. Zusätzlich kann diese
Reformerluftfördereinrichtung 35 als Heißgasfördereinrichtung ausgestaltet sein. Bspw. kann sie nach Art eines Gebläses, Kompressors, Verdichters, elektrisch betriebenem Turboladers oder einer Pumpe ausgestaltet sein.
Zur Versorgung des Reformers 33 mit Brennstoff ist eine
Brennstofffördereinrichtung 36 vorgesehen, die über eine entsprechende
Brennstoffleitung 37 dem Reformer 33 einen geeigneten Brennstoff zuführt.
Hierbei kann es sich wieder um einen beliebigen Kohlenwasserstoff handeln. Bevorzugt wird derjenige Kraftstoff, der auch der Brennkraftmaschine des mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestatteten Fahrzeugs zugeführt wird.
Dementsprechend ist auch die zur Versorgung des Reformers 33 vorgesehene Brennstoffleitung 37 zweckmäßig an den Tank 53 des Fahrzeugs angeschlossen.
Der Reformer 33 enthält einen Brennraum 38 bzw. Mischraum 38, in den sich die Reformerluft und der Brennstoff vermischen bzw. verbrannt werden. Der Reformer 33 enthält außerdem einen Katalysator 40, mit dessen Hilfe das Reformatgas mittels partieller Oxidation erzeugt werden kann.
Der Reformer 33 ist Bestandteil eines Reformermoduls 41 , das eine separate bzw. eigene thermisch isolierende und/oder gasdichte Hülle 42 aufweist, in welcher der Reformer 33 angeordnet ist. Im Beispiel gehört die
Reformerbrennstofffördereinrichtung 36 zum Reformermodul 41 . Besagte Fördereinrichtung 36 ist hierzu jedoch außerhalb der Hülle 42 des
Reformermoduls 41 angeordnet.
Die Brennerabgasleitung 13 oder kurz Abgasleitung 13 enthält stromab des Restgas-Wärmeübertragers 14 einen Oxidationskatalysator 43 zur
Abgasnachbehandlung. In die Abgasleitung 13 kann außerdem ein
Heizungswärmeübertrager 44 eingebunden sein, der im Betrieb einen durch einen Pfeil angedeuteten Fluidstrom 45 aufheizen kann. Hierbei kann es sich um einen Luftstrom 45 handeln, der einem hier nicht gezeigten Fahrzeuginnenraum zugeführt werden kann. Alternativ kann der Fluidstrom 45 auch ein Kühlmittel eines Kühlkreises sein, wobei der Kühlkreis einen Wärmeübertrager zum
Beheizen eines Luftstroms enthält, der dann z.B. zum Fahrzeuginnenraum geführt sein kann. Der Heizungswärmeübertrager 44 ist dabei zweckmäßig stromab des Oxidationskatalysators 43 angeordnet. Hierdurch kann die im Oxidationskatalysator 43 beim Umsetzen von Schadstoffen ggf. freigesetzte Wärme zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums genutzt werden.
Die Entnahmestelle 25, bei welcher die Bypass-Luftleitung 24 von der
Brennstoffzellenluftleitung 12 abzweigt, ist zweckmäßig als Ventil ausgestaltet bzw. an einem Ventil 46 angeordnet. Dieses Ventil 46 ermöglicht bspw. eine quasi beliebige Aufteilung des von der Luftfördereinrichtung 17 geförderten Luftstroms auf den durch den Restgas-Wärmeübertrager 14 geführten Abschnitt der Brennstoffzellenluftleitung 12 und auf die Bypass-Luftleitung 24. Das Ventil 46 ist zweckmäßig Bestandteil einer Ventileinrichtung 47, welche über eine Verteilerleiste 48, die druckseitig von der Luftfördereinrichtung 17 geförderte Luft auf die Brennstoffzellenluftleitung 12 und auf die Reformerluftleitung 34 aufteilt. Zum Steuern der dem Reformer 33 zugeführten Luftmenge kann ein weiteres Ventil 49 vorgesehen sein, das ebenfalls zur Ventileinrichtung 47 gehören kann. Ferner ist im Beispiel eine Kühlgasleitung oder Kühlluftleitung 50 vorgesehen, über die dem Restgasbrenner 3 Kühlluft zuführbar ist. Die Kühlluftleitung 50 ist mit einem Ventil 51 steuerbar, das im Beispiel ebenfalls zur Ventileinrichtung 47 gehört. Die Luftfördereinrichtung 17 saugt die Luft ebenfalls aus der Umgebung 52 des Brennstoffzellensystems 1 über eine Saugleitung 53 an. Die
Ventileinrichtung 47 ist im Beispiel ebenfalls Bestandteil des
Luftversorgungsmoduls 18 und ist dabei innerhalb der zugehörigen Hülle 19 angeordnet.
Die Ventile der Ventileinrichtung 47 und die Luftfördereinrichtungen 17, 35 sind bevorzugt temperaturgesteuert bzw. temperaturgeregelt. Beispielsweise werden das Ventil 49, die Fördereinrichtung 17 und die Reformerluftfördereinrichtung 35 abhängig von der Temperatur des Mischraums 38 und/oder abhängig von der Temperatur des Katalysators 40 geregelt. Das Ventil 51 und die
Luftfördereinrichtung 17 können z.B. abhängig von der Temperatur des
Brennraums 9 geregelt werden. Das Ventil 46 und die Luftfördereinrichtung 17 können z.B. abhängig von der Temperatur der Kathodenseite 8 geregelt werden. Die Luftfördereinrichtung 35 kann z.B. abhängig von der Temperatur des
Mischraums 38 und/oder abhängig von der Temperatur des Katalysators 40 geregelt werden.
Der mit Hilfe des Brennstoffzellensystems 1 generierte, elektrische Strom dient zweckmäßig zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern mit elektrischem Strom bzw. mit elektrischer Energie. Die Anordnung 0 umfasst dabei ein Verbrauchersystem 54, das eine Verbrauchernetzbatterie 82 sowie Erstverbraucher 78 aufweist, der über eine Verbrauchernetzspannung der Verbrauchernetzbatterie 82 elektrisch versorgt wird. Die Anordnung 0 kann beispielsweise Teil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, sein. In diesem Fall entspricht das Verbrauchersystem 54 beispielsweise dem Bordnetz 54 des Fahrzeugs während die Verbrauchernetzbatterie 82 einer Bordnetzbatterie 82 des Fahrzeugs entspricht. Die Verbrauchernetzspannung der Verbrauchernetzbatterie 82 liegt auf einem Verbrauchernetzspannungsniveau, das bei einem Fahrzeug beispielsweise 12 V betragen kann. Die Erstverbraucher 78 sind zum Beispiel Steuergeräte, Glühbirnen sowie ein Radio des Fahrzeugs.
An den Elektroden 4 der Brennstoffzelle 2 kann eine Zellspannung auf einem Zellspannungsniveau abgegriffen werden. Das Zellspannungsniveau liegt bei der gezeigten Ausführungsform beispielsweise bei 42 V und kann, insbesondere abhängig von einer Belastung der Brennstoffzelle 2, beispielsweise zwischen 36 V und 60 V schwanken. Das Zellenspannungsniveau kann jedoch, insbesondere abhängig von der Bauart und der Belastung der Brennstoffzelle 2 , einen beliebigen Wert aufweisen.
Das Brennstoffzellensystem 1 ist zudem mit einem als Systembatterie 56 ausgebildeten Energiespeicher 56 ausgestattet, an der eine Systemspannung auf einem Systemspannungsniveau anliegt, wobei das Systemspannungsniveau beispielsweise einen Wert von 24 V aufweist. Die Systembatterie 56 dient insbesondere dem Zweck, die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte Zellenspannung bzw. eine damit verbundene elektrische Energie zu speichern. Hierzu ist eine Ladeeinrichtung 79 elektrisch mit der Systembatterie 56 verbunden. Die Zuführung der Zellenspannung der Brennstoffzelle 2 an die Systembatterie 56 bzw. der Ladeeinrichtung 79 erfolgt über eine Spannungswandlereinrichtung 57 des Brennstoffzel- lensystems 1 . Die Spannungswandlereinnchtung 57 ist hierzu zwischen der Brennstoffzelle 2 und der System batterie 56 bzw. der Ladeeinrichtung 79 angeordnet und ist elektrisch mit diesen verbunden. Um die Zellenspannung der Brennstoffzelle 2 der Systembatterie 56 zuführbar zu machen, wandelt die Spannungswandlereinrichtung 57 die Zellenspannung auf dem Zellenspannungsniveau in die auf dem niedrigeren Systemspannungsniveau liegende Systemspannung um. Die Spannungswandlereinrichtung 57 wandelt also beispielsweise die Zellenspannung von 42 V in eine Spannung von 24 V um, die der Systemspannung entspricht. Um die an der Systembatterie 56 anliegende Systemspannung auch der Brennstoffzelle 2, insbesondere den Elektroden 4 sowie der Anode 95 der Brennstoffzelle 2, zuführbar zu machen, ist die Spannungswandlereinrichtung 57 zudem entsprechend ausgebildet. Dabei ist die Spannungswandlereinrichtung 57 bei Bedarf in der Lage, die auf dem Systemspannungsniveau liegende Systemspannung in eine andere Spannung auf einem anderen Spannungsniveau umzuwandeln und anschließend der Brennstoffzelle 2 zuzuführen. Dies dient dem Zweck, insbesondere die Anode 95 vor einer Oxidation zu schützen. Die Oxidation ist dabei insbesondere bei oxidierenden Bedingungen an den Anodenseite 6 relevant, wobei das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Einrichtung zur Bestimmung der entsprechenden Bedingungen aufweisen kann und andererseits vorzugsweise derart ausgebildet ist, dass die an den Elektroden 4 anzuliegende elektrische Spannung regelbar ist.
Die an der Systembatterie 56 anliegende Systemspannung ist zudem an Systemverbrauchern 80 des Brennstoffzellensystems 1 zuführbar. Das heißt, dass die Systembatterie 56 als ein elektrischer Puffer bzw. als ein elektrischer Speicher fungiert, über welche die elektrische Versorgung von Systemverbrauchern 80 erfolgt. Als Systemverbraucher 80 kommen z. B. die Fördereinrichtungen 17, 27, 29, 35, 36, die Ventile 46, 49, 51 , 67, 74, 76 sowie Zündeinrichtungen, wie z. B. Glühstifte und Zündkerzen, mit denen im Restgasbrenner 3, im Zusatzbrenner 20 und im Reformer 33 eine Verbrennungsreaktion initiiert werden kann. Ebenso kann eine Steuereinrichtung 55, mit deren Hilfe die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 , beispielsweise in Abhängigkeit von Temperaturen, Drücke, elektrische Ströme usw. des Brennstoffzellensystems, betätigt werden können, einen Systemverbraucher 80 des Brennstoffzellensystems 1 repräsentieren, wobei die Systemverbraucher 80 auf dem Systemspannungsniveau, also beispielsweise bei 24 V, betrieben werden. Die in Form der Systemspannung gespeicherte elektrische Energie der Systembatterie 56 kann dabei insbesondere dafür genutzt werden, das Brennstoffzellensystem 1 ohne äußere elektrische Energie- bzw. Spannungszuführung zu starten.
Um die an der Systembatterie 56 anliegende Systemspannung auch für das Verbrauchersystem 54, insbesondere für die Verbrauchernetzbatterie 82 des Verbrauchersystems 54 zuführbar bzw. nutzbar zu machen, ist zudem ein Verbraucherspannungswandler 77 vorgesehen, der die auf dem Systemspannungsniveau liegende Systemspannung der Systembatterie 56 auf die auf dem Verbrauchernetzspannungsniveau liegende Bordnetzspannung bzw. Verbrauchernetzspannung umwandelt und der Verbrauchernetzbatterie 82 zuführt. In der gezeigten Ausführungsform liegt das Verbrauchernetzspannungsniveau niedriger als das Systemspannungsniveau. Der Verbraucherspannungswandler 77 ist folglich als Abwärtswandler ausgebildet und reduziert das Systemspannungsniveau auf das Verbrauchernetzspannungsniveau. Zur Versorgung von Erstverbrauchern 78 des Verbrauchersystems 54 mit der Systemspannung ist zusätzlich eine Ladeeinrichtung 79 an der Verbrauchernetzbatterie 82 angeordnet, wobei die Ladeeinrichtung 79 im gezeigten Beispiel in die Verbrauchernetzbatterie 82 integriert ist. Die Verbrauchernetzbatterie 82 fungiert also ähnlich wie die Systembatterie 56 als Puffer bzw. Speicher, über die eine elektrische Versorgung der Erstverbraucher 78 erfolgt. Die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte Zellenspannung sowie die an der Systembatterie 56 anliegende Systemspannung und die Systemnetzspan- nung des Verbrauchersystenns 54 sind gewöhnlich Gleichspannungen. Das, dass sich die Polarität dieser Spannungen mit der Zeit nicht ändert. Zweckmäßig weisen die Spannungswandlereinrichtung 57 sowie der Verbraucherspannungswandler 77 jeweils einen Gleichspannungswandler 83 auf.
Für die Versorgung von elektrischen Zweitverbrauchern 84, 85, die mit einer Zusatzspannung auf zumindest einem Zusatzspannungsniveau betrieben werden, durch die Systembatterie 56, ist zudem zumindest ein Zusatzspannungswandler 86 vorgesehen. In der gezeigten Ausführungsform sind zwei Zusatzspannungswandler 86', 86" vorgesehen, die das Systemspannungsniveau auf zwei unterschiedliche Zusatzspannungsniveaus umwandeln, wobei beide Zusatzspannungsniveaus höher liegen als das Systemspannungsniveau. Die Zusatzspannungswandler 86', 86" sind also als Aufwärtswandler 86', 86" ausgebildet.
Der erste Zusatzspannungswandler 86' wandelt die auf dem Systemspannungsniveau liegende Systemspannung der Systembatterie 56 in die auf dem höheren ersten Zusatzspannungsniveau liegende erste Zusatzspannung um. Als Zweitverbraucher 84 seien dabei insbesondere externe elektrische Verbraucher, beispielsweise ein Kühlschrank, eine Kühlbox, ein Fernseher und eine Kaffeemaschine, die üblicherweise ein Zusatzspannungsniveau von 1 10 V bzw. 220 V benötigen und zudem mit einer Wechselspannung betrieben werden, erwähnt. Hierzu weist der erste Zusatzspannungswandler 86' einen Wechselrichter 87 auf. Der erste Zusatzspannungswandler 86' wandelt also zusätzlich zur Erhöhung der Systemspannung auf das erste Zusatzspannungsniveau, die gleichspannungsartige Systemspannung der System batterie 56 in die wechselspannungsartige erste Zusatzspannung um und stellt diese den entsprechenden elektrischen Zweitverbrauchern 84 zur Verfügung. Der zweite Zusatzspannungswandler 86" wandelt die auf dem Systemspannungsniveau liegende Systemspannung der Systembatterie 56 in ein zweites Zusatzspannungsniveau um, wobei die somit umgewandelte Spannung beispielsweise einer Hochspannung, also einer Spannung höher als 300 V, entspricht. Somit liegt das zweite Zusatzspannungsniveau höher als das erste Zusatzspannungsniveau des ersten Zusatzspannungswandlers 86'. Als Zweitverbraucher 85 auf dem von zweiten Zusatzspannungswandler 86" zur Verfügung gestellten zweiten Zusatzspannungsniveau werden beispielsweise Klimaeinrichtungen, bei einem Fahrzeugs also insbesondere eine Klimaanlage des Fahrzeugs, elektrisch versorgt.
Die Zusatzabgasleitung 21 ist bei den hier gezeigten Ausführungsformen über eine Einleitstelle 60 an die Abgasleitung 13 angeschlossen, und zwar stromab des Restgas-Wärmeübertragers 14. Dabei ist diese Einleitstelle 60 zweckmäßig so positioniert, dass sie sich stromauf des Oxidationskatalysators 43 befindet. Hierdurch kann die Restwärme des Zusatzbrennerabgases zum Aufheizen des Oxidationskatalysators 43 genutzt werden. Gleichzeitig kann die Restwärme des Zusatzbrennerabgases zum Beheizen des Heizungswärmeübertragers 44 genutzt werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Reformerzuführeinrichtung 88 auf, die wärmeübertragend mit dem Reformer 33 gekoppelt ist. Diese Wärmeübertragung ist über einen Zulauf 89 der Reformerzuführeinrichtung 88, einen durchströmbaren Heiz-Mantel 90 und einen Rücklauf 91 der Reformerzuführeinrichtung 88 realisiert. Dabei ist der Zulauf 89 einenends stromauf des Zusatz-Wärmeübertragers 23 mit der Zusatzabgasleitung 21 und anderenends über eine erste Öffnung 97 des Heiz-Mantels 90 fluidisch mit dem Heiz-Mantels 90 verbunden. Der Heiz- Mantel 90 ist durchströmbar ausgebildet und wärmeübertragend mit dem Reformer 33 gekoppelt. Zudem ist der Heiz-Mantel 90 fluidisch von dem Reformer 33 getrennt bzw. isoliert. Der durchströmbare Heiz-Mantel 90 weist zusätzlich einen mit der ersten Öffnung 97 fluidisch verbundenen Hohlraum auf. Das über den Zulauf 89 von der Zusatzabgasleitung 21 zum Heiz-Mantel 90 geführte Zusatzbrennerabgas fließt also durch die erste Öffnung 97 in den Heiz-Mantel 90, insbesondere in den Hohlraum des Heiz-Mantels 90 , ohne dabei in den Reformer
33 einzudringen. Weiter ist der Rücklauf 91 der Reformerzuführeinrichtung 88 einenends durch eine zweite Öffnung 98 des Heiz-Mantels 90 fluidisch mit dem Heiz-Mantel 90 und anderenends stromab des Zusatz-Wärmeübertragers 23 fluidisch mit der Zusatzabgasleitung 21 verbunden. Das durch den Zulauf 89 in den Heiz-Mantel 90, insbesondere in den Hohlraum des Heiz-Mantels 90, geströmte Zusatzbrennerabgas des Zusatzbrenners 20 strömt folglich durch den Rücklauf 91 der Reformerzuführeinrichtung 88 zur Zusatzabgasleitung 21 zurück. Somit wird der Heiz-Mantel 90, insbesondere der Hohlraum des Heiz-Mantels 90, vom warmen Zusatzbrennerabgas durchflössen und die Wärme des Zusatzbrennerabgases des Zusatzbrenners 20 auf den Reformer 33 übertragen. Ein Absperrorgan 94 zur Entkopplung des Zusatzbrenners 20 vom Heiz-Mantel 90 während des Normalbetriebs des Brennstoffzellensystems 1 ist zudem im Zulauf 89 angeordnet.
Der Heiz-Mantel 90 umgibt den Reformer 33 im Bereich des Katalysators 40. Die erste Öffnung 97 des Heiz-Mantels 90 ist, wie im Schnitt des Fig. 2 zu sehen, an der vom Mischraum 38 abgewandten Seite des Heiz-Mantels 90 angeordnet, während die zweite Öffnung 98 an der dem Mischraum 38 zugewandten Seite des Heiz-Mantels 90 angeordnet ist, so dass das Zusatzbrennerabgas in den Heiz-Mantel 90 zirkuliert und einen möglichst langen Strömungspfad aufweist. Der Mischraum 38 ist von einem dem Heiz-Mantel 90 benachbarten Misch- Mantel 92 umgeben. Der Misch-Mantel 92 weist einen Hohlraum auf und ist an seiner dem Reformer 33 abgewandten Seite fluidisch mit der Reformerluftleitung
34 verbunden, während er an seiner dem Reformer 33 zugewandten Seite Misch- Mantel-Auslässe 99 aufweist, die den Misch-Mantel 92 fluidisch mit dem Mischraum 38 verbinden. Somit strömt die Reformerluft über den Misch-Mantel 92 ist den Mischraum 38 des Reformers 33, wobei im Misch-Mantel 92 eine Vorkonditi- onierung erfolgen kann. Eine gleichmäßige Verteilung der Misch-Mantel-Auslässe 99 entlang des Umfangs des Misch-Mantels 92 sorgt zudem für das gleichmäßige Einströmen der Reformerluft in den Mischraum 38.
Der hier gezeigte Reformer 33 umfasst weiter einen Verdampferraum 93, der fluidisch mit der Brennstoffleitung 37 verbunden ist. Der Brennstoff strömt demzufolge über den Verdampferraum 93 in den Mischraum 38, wobei der Verdampferraum 93 dem Zweck dient, den meist flüssigen Brennstoff vor dem Eintreten in den Mischraum 38 zu verdampfen. Der Verdampferraum 93, der Mischraum 38 und der Katalysator 40 sind folglich fluidisch miteinander verbunden.
Zusätzlich oder alternativ kann ein von der Zusatzabgasleitung 21 abgezweigter Zweig 100 mit einer Endplatte 101 der Brennstoffzelle 2 wärmeübertragend gekoppelt sein. Im gezeigten Beispiels ist der Zweig 100 an einer am Ventil 94 des Zulaufs 89 angeordneten Entnahmestelle 102 angeschlossen und führt das Zusatzbrennerabgas zur Endplatte 101 und anschließend über eine Einleitstell 103 zurück zum Rücklauf 91 der Reformerzuführeinrichtung 88, womit das Zusatzbrennerabgas zurück in die Zusatzabgasleitung 21 gelangt. Damit ist es möglich, auch die Brennstoffzelle 2 mit Hilfe des Zusatzbrenners 20 zu wärmen. Die an dem Ventil 94 angeordnete Entnahmestelle 102 erlaubt hierbei eine quasi beliebige Aufteilung des Zusatzbrennerabgases zum Wärmen des Reformers 33 bzw. der Brennstoffzelle 2.
Die Brennstoffzelle 2 kann typischerweise einen stapeiförmigen Aufbau aufweisen, bei dem eine Vielzahl plattenförmiger Brennstoffzellenelemente aufeinandergestapelt sind und dadurch einen Brennstoffzellenstapel oder Stack bilden. An seinen Enden ist der Brennstoffzellenstapel durch zwei Endplatten abgeschlossen, nämlich durch besagte Endplatte 101 sowie durch eine weitere Endplatte. Diese weitere Endplatte weist im Beispiel einen Anodengasanschluss 61 , an den die Anodengasleitung 1 1 oder Reformatgasleitung 1 1 angeschlossen ist, einen Kathodengaseinlass 62, an den die Kathodengasleitung 12 oder Brennstoffzellenluftleitung 12 angeschlossen ist, einen Anodenabgasauslass 63, an den die Anodenabgasleitung 5 angeschlossen ist, sowie einen
Kathodenabgasauslass 64 auf, an dem die Kathodenabgasleitung 7
angeschlossen ist. Da sämtliche Eduktanschlüsse somit an dieser weiteren Endplatte angeordnet sind, kann diese auch als Anschlussplatte bezeichnet werden. Im Unterschied dazu bildet die andere Endplatte 101 lediglich einen Abschluss des Brennstoffzellenstapels, sodass sie auch als Abschlussplatte bezeichnet werden kann.
Bei einer anderen Ausführungsform kann in der thermisch isolierenden Hülle 16 des Brennstoffzellenmoduls 15 eine weitere Hülle angeordnet sein, die
insbesondere gasdicht ausgestaltet ist. Diese innere Hülle kann ebenfalls thermisch isolierend wirken. Ebenso ist denkbar, die äußere Hülle 16 gasdicht auszugestalten. Ferner kann eine Hülle ausreichend sein, wenn sie thermisch isolierend und gasdicht ausgestaltet ist. Insbesondere ist es nun möglich, den zuvor genannten Zweig 100 der Zusatzabgasleitung 21 an einen von der inneren Hülle umschlossenen Innenraum des Brennstoffzellenmoduls 15 anzuschließen. Dabei mündet der Zweig 100 an einer Eintrittsstelle in besagten Innenraum ein und tritt an einer davon entfernten Austrittsstelle wieder aus dem Innenraum aus. Hierdurch kann mit dem Zusatzbrennerabgas das Brennstoffzellenmodul 15 beheizt werden. Insbesondere kann dies mit der Beheizung der Brennstoffzelle 2 kombiniert werden. Z.B. kann das Zusatzbrennerabgas zunächst über den Zweig 100 bis zur Abschlussplatte geführt sein und von dieser in den Innenraum austreten, um über die Austrittstelle wieder aus dem Innenraum abgeführt zu werden.
Das Brennstoffzellensystem 1 ist bei der hier gezeigten bevorzugten
Ausführungsform ferner mit einer Rezirkulationsleitung ausgestattet, die eingangsseitig an die Anodenabgasleitung 5 und ausgangsseitig über eine Einleitstelle 66 an die Reformerluftleitung 34 angeschlossen ist, und zwar stromauf der Reformerluftfördereinrichtung 35. Da das rückgeführte
Anodenabgas im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 vergleichsweise hohe Temperaturen aufweisen kann, ist die Reformerluftfördereinrichtung 35 zweckmäßig für eine Beaufschlagung mit heißen Gasen ausgestaltet, wobei diese Gase außerdem toxisch und/oder explosiv sein können.
Die Ventileinrichtung 47 ist im Beispiel dazu ausgestaltet, die von der
Luftfördereinrichtung 17 angesaugte Luft druckseitig auf die
Brennstoffzellenluftleitung 12, auf die Bypass-Luftleitung 24, auf die
Kühlluftleitung 50 und auf die Reformerluftleitung 34 aufzuteilen.
Bei einer anderen nicht gezeigten Ausführungsform, kann die
Luftfördereinrichtung 17 über die Ventileinrichtung 47 außerdem zur
Luftversorgung des Zusatzbrenners 20 verwendet werden. Hierzu kann an eine Verteilerleiste 48 über ein weiteres Ventil die Zusatzbrennerluftleitung 28 angeschlossen sein. Alternativ kann die Zusatzluftfördereinrichtung 27 in der Zusatzbrennerluftleitung 28 auch entfallen.
Zusätzlich zur Vorheizung der Brennstoffzellenluft mit Hilfe des Zusatzbrenners 20 kann bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 , bei dem
insbesondere auch der Reformer 33 Umgebungstemperatur besitzt, eine Restgaszirkulation in einem Zirkulationskreis 68 realisiert werden, der in Fig. 1 durch eine unterbrochene Linie angedeutet ist.
Ferner ist eine zusätzliche Umgehungsleitung 69 vorgesehen, die von der Reformatgasleitung 1 1 abzweigt und die Anodenseite 6 der Brennstoffzelle 2 umgeht. Hierdurch ist es möglich, den Reformer 33 materialschonend
aufzuheizen, ohne dass dabei die Gefahr einer Beschädigung der Anode 95 durch Restsauerstoff aus dem Reformer 33 besteht. Im Beispiel ist diese
Umgehungsleitung 69 an die Anodenabgasleitung 5 angeschlossen, so dass Reformerabgas stromauf des Restgasbrenners 3 wieder in den ursprünglichen Pfad eingeleitet wird. Die Umgehungsleitung 69 kann mit einem entsprechenden Ventil 70 gesteuert werden. Zweckmäßig ist die Umgehungsleitung 69 hierzu so konzipiert, dass ihr Durchströmungswiderstand geringer ist als der
Durchströmungswiderstand der Anodenseite 6 der Brennstoffzelle 2. Bei geöffnetem Ventil 70 strömt das Reformerabgas dann dem Weg des geringsten Widerstands folgend nicht durch die Anodenseite 6, sondern durch die
Umgehungsleitung 69. Bei dieser Variante kann der Reformer 33 ohne weiteres überstöchiometrisch betrieben werden, da eine Kontaktierung der Anodenseite 6 mit Restsauerstoff im Reformerabgas nicht zu erwarten ist. Diese quasi beliebige überstöchiometrische Betriebsweise des Reformers 33 vereinfacht den
Startbetrieb des Reformers 33, insbesondere zur Einhaltung niedrigerer
Temperaturen.
Fig. 2 zeigt die Brennstoffzelle 2 eines Brennstoffzellensystems 1 . Um Elektroden 4 sowie die Anode 95 vor einer Oxidation zu schützen, ist die an der Systembatterie 56 anliegende Systemspannung der Brennstoffzelle 2 zuführbar. Dabei wird die Systemspannung derart an die Brennstoffzelle 2 angelegt, dass ein negativer Pol der Systembatterie 56 elektrisch mit der Anodenseite 6 bzw. der Anode 95 verbunden ist während ein positiver Pol der Systembatterie 56 elektrisch mit der Kathodenseite 8 bzw. der Kathode 104 verbunden ist. Die jeweiligen elektrischen Verbindungen sind zudem nicht zwingend direkt realisiert. Das heißt beim vorliegenden Beispiel, dass die Spannungswandlereinrichtung 57 sowie die Ladeeinrichtung 79 zwischen der Systembatterie 56 und den Elektroden 4 geschaltet sind. Eine derartige Zuführung der Systemspannung an die Brennstoffzelle 2 fungiert als Schutzspannung, die bei Bedarf, also insbesondere bei oxidierenden Bedingungen an der Anodenseite 6, der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Dies kann beispielsweise mittels eines Schalters 96, die insbesondere von der Steuereinrichtung 55 gesteuert wird, und eine entsprechende elektrische Verbindung und einen damit verbundenen elektrischen Fluss eines zugehörigen elektrischen Stroms S bei Bedarf herstellt, realisiert sein.
*****

Claims

Ansprüche
Anordnung (0) mit einem Brennstoffzellensystem (1 ) und einem elektrischen Verbrauchersystem (54), wobei
- das Verbrauchersystem (54) zur elektrischen Versorgung von Erstverbrauchern (78) eine Verbrauchernetzbatterie (82) mit einer Verbrauchernetzspannung auf einem Verbrauchernetzspannungsniveau aufweist,
- das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Brennstoffzelle (2) zur Erzeugung einer elektrischen Zellenspannung auf einem Zellenspannungsniveau aufweist,
- das Brennstoffzellensystem (1 ) zur Versorgung von elektrischen Systemverbrauchern (80) des Brennstoffzellensystems (1 ), eine Systembatterie (56) mit einer Systemspannung auf einem Systemspannungsniveau aufweist,
- das Verbrauchernetzspannungsniveau und das Systemspannungsniveau unterschiedlich sind,
- das Brennstoffzellensystem (1 ) eine Spannungswandlereinrichtung (57) zur Umwandlung des Zellenspannungsniveau auf das Systemspannungsniveau und/oder des Systemspannungsniveaus auf das Zellenspannungsniveau aufweist,
- zur Versorgung von elektrischen Zweitverbrauchern (84, 85) zumindest ein Zusatzspannungswandler (86) zur Anpassung der an der Systembatterie (56) anliegenden Systemspannung auf mindestens ein Zusatzspannungsniveau vorgesehen ist, - das Systemspannungsniveau und das Zusatzspannungsniveau unterschiedlich sind,
- zur Versorgung des Verbrauchersystems (54) zumindest ein Verbraucherspannungswandler (77) zur Anpassung der an der Systembatterie (56) anliegenden Systemspannung auf das Verbrauchernetzspannungsniveau vorgesehen ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Spannungswandlereinrichtung (57) zumindest einen Gleichspannungswandler (83), insbesondere einen DC/DC-Wandler, aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zumindest eine Zusatzspannungswandler (86) zumindest einen Wechselrichter (87), insbesondere einen DC/AC-Wandler, aufweist.
4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Verbraucherspannungswandler (77) zumindest einen Gleichspannungswandler (83), insbesondere einen DC/DC-Wandler, aufweist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung (0) eine elektrische Ladeeinrichtung (79) zur Aufladung der Systembatterie (56) mittels der von der Brennstoffzelle (2) erzeugten elektrischen Zellenspannung aufweist.
6. Anordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Ladeeinrichtung (79) zwischen der Brennstoffzelle (2) und der System batterie (56) angeordnet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die an der Systembatterie (56) anliegende Systemspannung über die Spannungswandlereinrichtung (57) als eine Schutzspannung Elektroden (4) der Brennstoffzelle (2) zuführbar ist.
8. Anordnung nach Ansprüche 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schutzspannung, insbesondere abhängig von thermodynami- schen Parametern an einer Anodenseite (6) der Brennstoffzelle (2), regelbar ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das zumindest ein Zweitverbraucherniveau auf ein Haushaltsniveau, insbesondere auf 220 V oder 1 10 V, liegt.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung (0) Bestandteil eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, ist.
1 1 . Anordnung nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verbrauchsystem (54) ein Bordnetz (54) des Fahrzeugs ist und die Verbrauchernetzbatterie (82) eine Netzbatterie (82) des Fahrzeugs ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung (0) Bestandteil eines stationären Systems ist.
13. Brennstoffzellensystem (1 ) für eine Anordnung (0) nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Brennstoffzellensystem (1 ) einen Zusatzbrenner (20) zur Erzeugung eines Zusatzbrennerabgases aufweist, wobei die Wärme des Zusatzbrennerabgas mittels einer Reformerzuführeinrichtung (88) auf einen Reformer (33) des Brennstoffzellensystems (1 ) übertragbar ist.
15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Reformer (33) einen Heiz-Mantel (90) und einen Misch-Mantel (92) aufweist, wobei der Heiz-Mantel (90) den Reformer (33) im Bereich eines Katalysators (40) des Reformers (33) umgibt während der Misch- Mantel (92) den Reformer (33) im Bereich eines Mischraums (38) umgibt.
*****
PCT/EP2012/063381 2011-07-13 2012-07-09 Anordnung mit brennstoffzellensystem WO2013007681A2 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/232,022 US9722424B2 (en) 2011-07-13 2012-07-09 Arrangement comprising a fuel cell system

Applications Claiming Priority (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011079104 2011-07-13
DE102011079104.3 2011-07-13
DE102011079169 2011-07-14
DE102011079169.8 2011-07-14
DE102011088563.3 2011-12-14
DE102011088563.3A DE102011088563B4 (de) 2011-07-13 2011-12-14 Anordnung mit Brennstoffzellensystem

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013007681A2 true WO2013007681A2 (de) 2013-01-17
WO2013007681A3 WO2013007681A3 (de) 2013-04-04

Family

ID=47425518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/063381 WO2013007681A2 (de) 2011-07-13 2012-07-09 Anordnung mit brennstoffzellensystem

Country Status (3)

Country Link
US (2) US9722424B2 (de)
DE (2) DE102011088566A1 (de)
WO (1) WO2013007681A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020020612A1 (de) * 2018-07-27 2020-01-30 Audi Ag Elektrisches energiesystem mit brennstoffzellen

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014115096B4 (de) 2014-10-16 2021-01-14 Eberspächer Climate Control Systems GmbH System zur versorgung eines fahrzeugs mit elektrischer energie
US10347924B2 (en) * 2016-09-13 2019-07-09 General Electric Company Integrated fuel cell systems
JP6910179B2 (ja) * 2017-03-31 2021-07-28 大阪瓦斯株式会社 電気化学素子、電気化学モジュール、電気化学装置、エネルギーシステム、固体酸化物形燃料電池、および電気化学素子の製造方法
TWI763812B (zh) * 2017-03-31 2022-05-11 日商大阪瓦斯股份有限公司 電化學裝置、能源系統、及固態氧化物型燃料電池
JP6909358B2 (ja) * 2018-09-19 2021-07-28 日本たばこ産業株式会社 香味生成装置、電源ユニット、香味生成装置を制御する方法、及びプログラム
CN111463453B (zh) * 2020-04-14 2022-09-27 吉林大学 一种具有相变蓄热及预加热功能的燃料电池热管理系统
WO2023158425A1 (en) * 2022-02-16 2023-08-24 HyPoint Inc. Air-cooled fuel cell system and method for operating same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020028362A1 (en) 2000-09-01 2002-03-07 Dennis Prediger Anode oxidation protection in a high-temperature fuel cell
DE102009030236A1 (de) 2009-06-23 2010-12-30 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4545285B2 (ja) 2000-06-12 2010-09-15 本田技研工業株式会社 燃料電池車両の起動制御装置
US7367996B2 (en) * 2001-05-30 2008-05-06 Nuvera Fuel Cells, Inc. Heat transfer optimization in multi shelled reformers
DE20205813U1 (de) 2002-04-12 2003-02-20 Hymer Ag Freizeitfahrzeug mit Bordstromversorgung über Brennstoffzelle
US7410016B2 (en) * 2002-06-24 2008-08-12 Delphi Technologies,Inc. Solid-oxide fuel cell system having a fuel combustor to pre-heat reformer on start-up
US6792341B2 (en) * 2002-10-23 2004-09-14 Ford Motor Company Method and system for controlling power distribution in a hybrid fuel cell vehicle
DE102005002506A1 (de) 2005-01-19 2006-07-27 Robert Bosch Gmbh Energieversorgungssystem
CN1893216B (zh) 2005-06-30 2010-10-27 松下电器产业株式会社 电子设备和该电子设备所用的电池组件及负载装置
JP5167645B2 (ja) * 2007-01-30 2013-03-21 富士通株式会社 電子機器および直流電圧変換システム
KR100902508B1 (ko) * 2007-04-23 2009-06-15 삼성전자주식회사 전력 조절장치 및 그 운영방법
DE102008018152B4 (de) * 2008-04-10 2019-03-07 Eberspächer Climate Control Systems GmbH & Co. KG Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020028362A1 (en) 2000-09-01 2002-03-07 Dennis Prediger Anode oxidation protection in a high-temperature fuel cell
DE102009030236A1 (de) 2009-06-23 2010-12-30 J. Eberspächer GmbH & Co. KG Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020020612A1 (de) * 2018-07-27 2020-01-30 Audi Ag Elektrisches energiesystem mit brennstoffzellen

Also Published As

Publication number Publication date
US20140375117A1 (en) 2014-12-25
US20130017463A1 (en) 2013-01-17
DE102011088566A1 (de) 2013-01-17
DE102011088563B4 (de) 2024-01-11
US9722424B2 (en) 2017-08-01
WO2013007681A3 (de) 2013-04-04
US9142959B2 (en) 2015-09-22
DE102011088563A1 (de) 2013-01-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102011088563B4 (de) Anordnung mit Brennstoffzellensystem
DE102009060679A1 (de) Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
EP1679757B1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102009030236B4 (de) Brennstoffzellensystem und Betriebsverfahren
DE102016203792A1 (de) Brennstoffzellenmodul
EP1855342B1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102008018152A1 (de) Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren
EP1947723B1 (de) Energiebereitstellungssystem
DE102006046256A1 (de) Wasserstoffheizung
EP2058885B1 (de) Brennstoffzellensystem
EP1986263B1 (de) Brennstoffzellensystem und zugehöriges Startverfahren
EP1739777B1 (de) Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug
EP2028709B1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102007033150B4 (de) Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE102014115096B4 (de) System zur versorgung eines fahrzeugs mit elektrischer energie
DE102012220082A1 (de) Fahrzeugbrennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren
DE102005030474A1 (de) Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug
DE102010047523A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
DE102008008907A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP1845577B1 (de) Brennstoffzellensystem
EP1944823B1 (de) Brennstoffzellensystem und zugehöriges Betriebsverfahren
EP1968150B1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102007054768A1 (de) Reformer, Brennstoffzelle und zugehörige Betriebsverfahren
DE102012018877A1 (de) Vorrichtung zur Energie(Rück-)gewinnung
WO2023110199A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung und system mit einer brennstoffzellenvorrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12733492

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14232022

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12733492

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2