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Die
Erfindung betrifft ein brennstoffzellenbasiertes Energieerzeugungssystem
zur Erzeugung elektrischer Energie.
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Brennstoffzellen
sind elektrochemische Energiewandler, die chemische Energie unmittelbar
in elektrische Energie umwandeln. Hierzu werden der Brennstoffzelle
als Reaktionspartner ein gasförmiger Brennstoff
sowie Sauerstoff, gemeinhin in Form von Luft, zugeführt. Die
Reaktionspartner sind räumlich durch
einen Elektrolyten getrennt, durch den hindurch ein Ionenaustausch
stattfindet. Als Brennstoff finden beispielsweise Wasserstoff, Kohlendioxid
und Methan Anwendung. Abhängig
von der Ausgestaltung des Elektrolyten sind verschiedene Typen von Brennstoffzellen
bekannt, so etwa Polymermembran-Brennstoffzellen (PEMFC; "polymer electrolyte membrane
fuel cell"), die überwiegend
in mobilen Anwendungen zum Einsatz kommen, phosphorsaure Brennstoffzellen
(PAFC; "phosphoric
acid fuel cell") und
oxidkeramische Brennstoffzellen (SOFC; "solid oxide fuel cell"). Diese Auflistung
ist nicht abschließend,
und es wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass sich die Erfindung grundsätzlich weder
auf einen bestimmten Brennstoffzellen-Typ, noch auf einen bestimmten
Brennstoff, noch auf eine bestimmte Anwendung beschränkt. Lediglich
im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform
ist eine Anwendung der Erfindung in einem Straßen-Kraftfahrzeug vorgesehen.
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In
brennstoffzellenbasierten Energieerzeugungssystemen ist regelmäßig Wasser
anzutreffen, das entweder in der Brennstoffzelle als Produkt der Reaktion
von Wasserstoff mit Sauerstoff entsteht oder der Brennstoffzelle
zum Zwecke der Kühlung oder
Befeuchtung zugeführt
wird. In Polymermembran-Brennstoffzellen beispielsweise muss die
als Elektrolyt dienende Membran stets befeuchtet werden, um einen
wirksamen Kationenaustausch zu ermöglichen. Hierzu ist sowohl
eine Befeuchtung des Brenngasstroms als auch des Sauerstoffstroms
bekannt. In vielen Fällen
werden beide Gasströme
in einem der Brennstoffzelle vorgeschalteten Befeuchter mit Wasser
befeuchtet. Auch zur Kühlung
einer Brennstoffzelle wird Wasser durch spezielle Kühlkanäle in der
Brennstoffzelle geleitet.
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Nach
Betriebsabschaltung fällt
in einem brennstoffzellenbasierten Energieerzeugungssystem die Temperatur
der darin enthaltenen Fluide und der Komponenten des Energieerzeugungssystems
allmählich
auf die Umgebungstemperatur ab. Wasserdampf, der sich noch in den
Fluidkanälen
des Energieerzeugungssystems befindet, kondensiert dabei und schlägt sich
als flüssiges
Wasser nieder. Sinkt die Umgebungstemperatur unter Null Grad Celsius, kann
dies dazu führen,
dass das in dem Energieerzeugungssystem befindliche Wasser gefriert.
Solches Wasser kann sich in den Brennstoffzellen selbst, aber auch
in anderen Bereichen des Energieerzeugungssystems befinden, beispielsweise
in Kompressoren bzw. Gebläsen
für die
Reaktionsgase oder in Ventilen oder in dem Kanalsystem, in dem die Gasströme und das
Kühlwasser
geführt
werden. Das Kanalsystem weist häufig
Bereiche auf, in denen sich Wasser sammeln kann, etwa in Ecken oder
am Ende von Sackstrecken, an denen sich Sensoren befinden.
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Bei
Wiederaufnahme des Energieerzeugungsbetriebs kann es zu Problemen
kommen, wenn sich dann noch kondensierte Wassertropfen oder Eis in
den Strömungswegen
des Energieerzeugungssystems befinden. Zum einen kann dies die Strömung der
Gase behindern, zum anderen kann die ordnungsgemäße Funktion der Systemkomponenten, also
etwa der Ventile, Sensoren und Gebläse bzw. Kompressoren, durch
das Vorhandensein besonders von Eis beeinträchtigt werden. Im schlimmsten
Fall kann es zur Beschädigung
dieser Komponenten kommen.
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Um
die Ablagerung von Wassertropfen und Eis zu vermeiden und die Kaltstartfähigkeit
zu verbessern, ist es bekannt, die Strömungskanäle eines brennstoffzellenbasierten
Energieerzeugungssystems sofort nach Betriebsabschaltung mit trockener Luft
zu durchblasen. Diese Methode hat jedoch Nachteile. Das Trocknen
mit Blasluft benötigt
beträchtlich
Zeit und Energie. Außerdem
ist nicht bekannt, wieviel Wasser sich in dem System befindet, sodass
kaum abschätzbar
ist, ob die jeweils gewählte Menge
an Blasluft und die Zeitdauer des Durchblasens ausreichen für eine hinreichende
Trocknung. Ferner ist es schwer, mit der Blasluft Wasser zu erreichen,
das sich an schwer zugänglichen
Stellen des Kanalsystems abgesetzt hat, beispielsweise am toten
Ende von Sackstrecken und in Ecken. In einer Polymermembran-Brennstoffzelle
lässt sich
zudem die Membran normalerweise nicht vollständig trocknen. Es werden also
stets kleine Reservoirs zurückbleiben,
aus denen Wasser an andere Stellen und insbesondere an kritische
Stellen in dem Energieerzeugungssystem diffundieren kann.
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JP
2003-142136 A schlägt
vor, zur Trockenlegung der zelleninternen Fluidkanäle eines
Brennstoffzellenstapels einen Kondensator vorzusehen, der während des
Energieerzeugungsbetriebs gekühlt wird.
Ist der Brennstoffzellenstapel in ein Fahrzeug eingebaut, so sieht
dieses Dokument vor, den Kondensator knapp hinter dem Kühlergrill
anzuordnen und ihn so durch den Fahrtwind zu kühlen. Nach Betriebsabschaltung
kann in den Fluidkanälen
des Brennstoffzellenstapels noch vorhandener Wasserdampf über einen
geöffneten
Weg zu dem Kondensator gelangen und sich dort niederschlagen. Der Kondensator
bildet somit eine Soll-Kondensationsstelle.
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Die
Erfindung sieht demgegenüber
nach einem ersten Aspekt ein Energieerzeugungssystem vor, welches
eine Brennstoffzellenanordnung mit einer oder mehreren Brennstoffzellen
sowie mindestens eine vorbestimmte Soll-Kondensationsstelle umfasst,
an der nach Betriebsabschaltung des Energieerzeugungssystems in
diesem enthaltenes Wasser kondensiert. Dabei sind Mittel vorgesehen,
welche dazu bestimmt und ausgebildet sind, nach Betriebsabschaltung
des Energieerzeugungssystems einen Ausgleich (Verringerung) eines
Temperaturgefälles
zwischen der mindestens einen Soll-Kondensationsstelle und wenigstens
Teilen der übrigen
Komponenten des Energieerzeugungssystems zu hemmen.
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Die
Erfindung nach diesem Aspekt beruht auf der Erkenntnis, dass es
für eine
zufriedenstellende Trockenlegung der Brennstoffzellenanordnung und
weiterer Komponenten des Energieerzeugungssystems, etwa Gebläsen, Ventilen
und Sensoren, in vielen Fällen
nicht ausreicht, allein auf den während des Energieerzeugungsbetriebs
bewirkten Temperaturgradienten zwischen der Soll-Kondensationsstelle und
den übrigen
Systemkomponenten zu vertrauen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass ein ungehinderter Temperaturausgleich
oftmals so rasch vonstatten geht, dass nur unzureichende Mengen
des Restwassers eingefangen werden. Deshalb sieht die Erfindung
im Rahmen des ersten Aspekts vor, nach Betriebsabschaltung diesen
Temperaturgradienten zwangsweise aufrechtzuerhalten oder seine Verringerung
zumindest abzuschwächen.
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Es
können
verschiedene Maßnahmen
zur Hemmung des Temperaturausgleichs getroffen werden. Die hierzu
verwendeten Mittel können
nach einer Ausführungsform
mindestens eine thermisch isolierende Ummantelung beispielsweise
in Form eines Isolierbehälters
umfassen, in dem zumindest die Brennstoffzellenanordnung angeordnet
ist, wobei die mindestens eine Soll-Kondensationsstelle außerhalb dieses
Isolierbehälters
angeordnet ist. Es empfiehlt sich, auch weitere Komponenten des
Energieerzeugungssystems in demselben oder einem anderen Isolierbehälter unterzubringen,
vorzugsweise zumindest jedes Gebläse für ein Reaktionsgas. Auch Senso ren
und Ventile des Energieerzeugungssystems sind vorteilhafterweise
wenigstens zum Teil in einem Isolierbehälter untergebracht. Vorzugsweise
befindet sich lediglich die mindestens eine Soll-Kondensationsstelle
außerhalb
eines solchen Isolierbehälters, zusammen
mit etwaigen angrenzenden Teilen eines Rohrleitungssystems, in dem
die Reaktionsgase oder/und Kühlwasser
transportiert werden.
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Nicht
alle der thermisch gegenüber
der mindestens einen Soll-Kondensationsstelle zu isolierenden Komponenten
des Energieerzeugungssystems müssen
innerhalb desselben Isolierbehälters
untergebracht sein. Es können
auch zwei (oder sogar noch mehr) gesonderte Isolierbehälter vorgesehen sein,
in denen jeweils verschiedene Komponenten des Energieerzeugungssystems
angeordnet sind. Dabei kann zwischen verschiedenen Isolierbehältern eine
Wärmebrücke aus
einem gut wärmeleitenden Material,
beispielsweise Kupfer, vorgesehen sein. Es kann auch eine Wärmebrücke zwischen
einem Isolierbehälter
und einer oder mehreren Einzelkomponenten vorgesehen sein, die sich
außerhalb
dieses Isolierbehälters
befinden.
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Die
Unterbringung eines Brennstoffzellenstapels in einem thermisch isolierenden
Behälter
ist beispielsweise in US 2003/0162063 A1 gezeigt. Dort dient der
Isolierbehälter
allerdings nicht zur Aufrechterhaltung eines Temperaturgradienten
zwischen den Einbaukomponenten des Isolierbehälters und einem außerhalb
angeordneten Kondensator. Ein solcher Kondensator ist in dieser
Schrift überhaupt
nicht vorgesehen. Wasser zur Kühlung
oder/und Befeuchtung des Brennstoffzellenstapels kommt aus einem
in dem Isolierbehälter
angeordneten Wassertank. Mit einer externen Pumpe kann der Wasservorrat
aus dem inneren Tank abgepumpt werden. Dies gewährleistet freilich keine vollständige und
zuverlässige
Trocknung des Brennstoffzellenstapels und der übrigen Komponenten des Energieerzeugungssystems.
Daneben kann mittels einer in dem Isolierbehälter angeordneten Heizung die
Temperatur in dem Isolierbehälter
ausreichend über
dem Gefrierpunkt gehalten werden. Hierbei wird das Problem der Tröpfchenablagerungen
in den Gaswegen des Energieerzeugungssystems überhaupt nicht angegangen.
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Die
Mittel zur Hemmung des Temperaturausgleichs können alternativ oder zusätzlich zu
dem mindestens einen Isolierbehälter
ein die mindestens eine Soll-Kondensationsstelle
kühlendes
Kühlgebläse umfassen.
Denkbar ist weiterhin, in dem Isolierbehälter Heizmittel vorzusehen.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Energieerzeugungssystem
vorgesehen, welches eine Brennstoffzellenanordnung mit einer oder
mehreren Brennstoffzel len sowie eine passive Wassersammelkomponente
umfasst, welche dazu bestimmt und ausgelegt ist, nach Betriebsabschaltung
des Energieerzeugungssystems in diesem enthaltenes Wasser anzuziehen.
Die Wassersammelkomponente umfasst eine Wasser adsorbierende Materialanordnung.
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Mit
einer adsorbierenden Materialanordnung kann ebenfalls das Ziel erreicht
werden, nach Betriebsabschaltung des Energieerzeugungssystems darin
noch enthaltenes (dampf- oder tröpfchenförmiges)
Wasser an einer gewünschten,
vorbestimmten Stelle zu sammeln und so zu verhindern, dass Wasser
an unerwünschten
Stellen innerhalb des Energieerzeugungssystems zurückbleibt.
Adsorbierende Materialien wirken im Unterschied beispielsweise zu einer
Pumpe passiv, d.h. es wird kein zusätzlicher Energieaufwand benötigt, um
das Wasser anzuziehen. Dies wirkt sich positiv auf die Gesamtenergiebilanz
des Energieerzeugungssystems aus. Als adsorbierende Materialien
kommen grundsätzliche
beliebige Materialien in Frage, die für Wasser adsorbierende Eigenschaften
haben. Beispielsweise können
Ionentauscherharze, Silikatgele oder Zeolithe als adsorbierendes
Material verwendet werden. Die Menge des adsorbierenden Materials
wird unter anderem abhängig
von der Menge an Wasser, die im Betrieb des Energieerzeugungssystems
eingesetzt wird, und der erwarteten Restmenge an Wasser in dem System
nach Betriebsabschaltung gewählt
werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die das adsorbierende Material enthaltende Wassersammelkomponente
zwischen der Brennstoffzellenanordnung und einem vorgeschalteten
Kompressor angeordnet, welcher der Brennstoffzellenanordnung einen
Gasstrom zuführt.
Durch die Komprimierung wird der Gasstrom erhitzt und im Regelfall
wird ihm dabei auch Feuchtigkeit entzogen, d.h. er wird trockener.
Indem der warme, trockene Gasstrom, der am Ausgang des Kompressors
bereitgestellt wird, über
das adsorbierende Material geleitet wird, kann Letzteres bei Wiederaufnahme
des Betriebs sehr wirkungsvoll desorbiert (regeneriert) werden.
Alternativ kann beispielsweise auch ein gesondertes Heizelement
vorgesehen sein, um das adsorbierende Material zu regenerieren.
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Es
versteht sich, dass beide vorstehend erläuterten Aspekte miteinander
kombiniert werden können.
Dabei können
die Soll-Kondensationsstelle und das adsorbierende Material an entfernten
Stellen innerhalb des Energieerzeugungssystems liegen. Es ist aber
auch denkbar, dass die das adsorbierende Material enthaltende Wassersammelkomponente
in unmittelbarer Nachbarschaft zu einer eine Soll-Kondensationsstelle
bildenden Kältestelle
liegt oder selbst die kälteste
Stelle im System ist.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
ein Verfahren zum Verbessern der Kaltstartfähigkeit eines eine Brennstoffzellenanordnung
mit einer oder mehreren Brennstoffzellen umfassenden Energieerzeugungssystems,
wobei bei diesem Verfahren dem Energieerzeugungssystem nach Betriebsabschaltung Feuchtigkeit
mittels mindestens eines Soll-Kondensators entzogen wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen,
dass nach Betriebsabschaltung des Energieerzeugungssystems ein Ausgleich
eines Temperaturgefälles
zwischen dem mindestens einen Soll-Kondensator und zu trocknenden
Komponenten des Energieerzeugungssystems gehemmt wird. Der Temperaturausgleich
wird vorzugsweise mittels mindestens eines thermisch isolierenden
Behälters
gehemmt, in dem zumindest die Brennstoffzellenanordnung angeordnet
wird. Der mindestens eine Soll-Kondensator wird dabei außerhalb
des Isolierbehälters
angeordnet.
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Schließlich betrifft
die Erfindung noch ein Verfahren zum Verbessern der Kaltstartfähigkeit
eines eine Brennstoffzellenanordnung mit einer oder mehreren Brennstoffzellen
umfassenden Energieerzeugungssystems, wobei bei diesem Verfahren
dem Energieerzeugungssystem nach Betriebsabschaltung Feuchtigkeit
mittels einer passiven Wassersammelkomponente entzogen wird. Für den Feuchtigkeitsentzug
wird hierbei erfindungsgemäß eine wasseradsorbierende
Materialanordnung verwendet.
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Einige
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten stark schematisierten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es stellen dar:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems,
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3 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems,
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4 ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems, und
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5 ein
fünftes
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems.
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Das
in 1 dargestellte Energieerzeugungssystem, allgemein
mit 10 bezeichnet, umfasst eine Brennstoffzellenanordnung 12,
die im Regelfall aus einer Vielzahl zu einem Stapel zusammengefasster
Brennstoffzellen aufgebaut ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 1 nur
eine Brennstoffzelle schematisch angedeutet, die dort mit 14 bezeichnet
ist. Jede Brennstoffzelle 14 des Stapels 12 weist
in an sich bekannter Weise einen Anodenbereich 16 sowie
einen Kathodenbereich 18 auf, die durch einen Elektrolyten 20 voneinander
getrennt sind. Dem Anodenbereich 16 wird in nicht näher dargestellter
Weise ein Brenngasstrom zugeführt,
während
dem Kathodenbereich 18 ein Sauerstoff enthaltender Gasstrom,
insbesondere Luft, zugeführt
wird. Beispielsweise handelt es sich bei den Brennstoffzellen 14 des
Stapels 12 um Polymermembran-Brennstoffzellen für den Einsatz
in einem Straßenfahrzeug.
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Jede
Brennstoffzelle 14 des Stapels 12 weist des Weiteren
einen Kühlbereich 22 auf,
der von einem Kühlmittel,
vorzugsweise Wasser, zwecks Kühlung
durchströmt
wird.
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Ein
Teil des Restbrenngases wird in einem mit 24 bezeichneten
Anodenrezirkulationskreis rückgeführt und
anodeneingangsseitig in nicht näher
dargestellter, jedoch an sich bekannter Weise mit frischem Brenngas
gemischt. Der Anodenrezirkulationskreis 24 enthält ein Rezirkulationsgebläse 26,
das die entnommenen Restbrenngase zur Anodeneingangsseite hin bläst. Des
Weiteren sind Sensoren 28, 30 vorgesehen, die
zur Messung verschiedener Kenngrößen des
rückgeführten Gasstroms
dienen können,
beispielsweise Druck, Temperatur, Konzentration oder relative Feuchtigkeit.
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Ein
Kompressor 32 liefert den Luftstrom, der eingangsseitig
in den Kathodenbereich jeder Brennstoffzelle 14 eingespeist
wird. Auch dem Leitungssystem, das diesen Luftstrom führt, können ein
oder mehr Sensoren zugeordnet sein, die Kenngrößen wie beispielsweise Druck,
Temperatur, Konzentration und relative Feuchtigkeit des Luftstroms
messen. In 1 ist ein derartiger Sensor
eingezeichnet, der dort mit 34 bezeichnet ist.
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Die
Reaktionsgase, die dem Anodenbereich 16 und dem Kathodenbereich 18 zugeführt werden, können durch
Befeuchter mit Wasser befeuchtet werden, um den Elektrolyten 20 im
Energieerzeugungsbetrieb feucht zu halten. Das den Reaktionsgasen zugesetzte
Befeuchtungswasser kann auch für
eine Kühlung
der Kompressoren 26, 32 sorgen.
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Nach
Betriebsabschaltung des Energieerzeugungssystems 10 befindet
sich gemeinhin in den Strömungskanälen für die Reaktionsgase
und auch das Kühlwasser
noch zurückgebliebenes
Wasser in Dampf- oder Tropfenform. Der Wasserdampf wird nach und
nach kondensieren, wenn die Temperatur der verschiedenen Komponenten
des Energieerzeugungssystems 10 absinkt und sich der Umgebungstemperatur
annähert.
Fällt die
Umgebungstemperatur unter den Gefrierpunkt von Wasser, kann es sogar zur
Eisbildung innerhalb des Energieerzeugungssystems 10 kommen.
Bei Wiederaufnahme des Energieerzeugungsbetriebs können innerhalb
der Brennstoffzellen 14 des Stapels 12, aber auch
in anderen Komponenten des Energieerzeugungssystems 10, beispielsweise
in den Kompressoren 26, 32, entstandene Eiskristalle
und verbleibende Wassertropfen zu Problemen führen. Zum einen kann das ungehinderte
Strömen
der Reaktionsgase und des Kühlwassers erschwert
werden. Zum anderen kann insbesondere Eis die Funktionalität von Systemkomponenten
mit beweglichen Elementen beeinträchtigen, also beispielsweise
der Kompressoren 26, 32 sowie von Ventilen. Wenngleich
in 1 nicht dargestellt, weisen Energieerzeugungssysteme
der hier betrachteten Art im Allgemeinen eine Anzahl von Ventilen
zur Steuerung der Fluidströme
auf.
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Im
Rahmen der Erfindung wird deshalb nach Betriebsabschaltung des Energieerzeugungssystems 10,
etwa wenn ein mit dem Energieerzeugungssystem 10 ausgestattetes
Fahrzeug abgestellt wird, eine möglichst
umfassende Trockenlegung der verschiedenen Systemkomponenten angestrebt,
indem verbliebenes Restwasser gezielt an einer oder mehreren vorbestimmten
Sammelstellen gesammelt wird. Diese Sammelstellen, die man auch
als Soll- oder Ziel-Sammelstellen bezeichnen kann, sind bei dem
Ausführungsbeispiel
der 1 von einem Kondensator 36 und einer
Adsorptionseinheit 38 gebildet, die eine wasseradsorbierende
Materialanordnung 40 enthält. Der Kondensator 36 ist
in den Anodenrezirkulationskreis 24 eingefügt und dem
Rezirkulationsgebläse 26 nachgeschaltet.
Die Adsorptionseinheit 38 ist dagegen in das Luftleitungssystem eingefügt, über das
dem Kathodenbereich 18 der Brennstoffzellen 14 Luft
zugeführt
wird. Speziell ist die Adsorptionseinheit 38 bei dem Ausführungsbeispiel
der 1 zwischen den Kompressor 32 und die Eingangsseite
des Kathodenbereichs 18 eingebaut, sodass das adsorbierende
Material 40 von der warmen, komprimierten Luft überstrichen
wird, die am Ausgang des Kompressors 32 bereitsteht.
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Der
Kondensator 36 bildet eine Kondensationsstelle, die der
kälteste
Ort innerhalb des Anodenrezirkulationskreises 24 ist. Etwaiges
Restwasser, das in dem Anodenrezirkulationskreis 24 nach
Betriebsabschaltung des Energieerzeugungssystems 10 noch
vorhanden ist, wird aufgrund des Temperaturgefälles zu dem Kondensator 36 hingezogen
und schlägt
sich dort nieder. Das Temperaturgefälle zwischen dem Kondensator 36 und
dem Brennstoffzellenstapel sowie den übrigen Komponenten des Anodenrezirkulationskreises 24,
insbesondere dem Rezirkulationsgebläse 26, wird zweckmäßigerweise
bereits während
des Energieerzeugungsbetriebs des Energieerzeugungssystems 10 hergestellt.
Ist das Energieerzeugungssystem 10 in ein Fahrzeug eingebaut,
so kann beispielsweise der Fahrtwind genutzt werden, um den Kondensator 36 zu
kühlen.
Denkbar ist es auch, dem Kondensator 36 ein Kühlgebläse 42 zuzuordnen,
mittels dessen der Kondensator 36 gezielt gekühlt werden
kann.
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Damit
nach Betriebsabschaltung des Energieerzeugungssystems 10 der
Temperaturgradient zwischen dem Kondensator 36 und den übrigen Komponenten
des Anodenrezirkulationskreises 24 sowie dem Brennstoffzellenstapel 12 hinreichend lange
aufrechterhalten bleibt, ist ein Isolierbehälter 44 vorgesehen,
in dem zumindest der Brennstoffzellenstapel 12, das Rezirkulationsgebläse 26 sowie
gewünschtenfalls
auch die Sensoren 28, 30 untergebracht sind. Der
Isolierbehälter 44 wirkt
thermisch isolierend und hemmt die Angleichung der darin untergebrachten
Komponenten an die Umgebungstemperatur. Der Kondensator 36 ist
dagegen außerhalb des
Isolierbehälters 44 angeordnet.
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Es
sind an sich beliebige Ausgestaltungen des Kondensators 36 vorstellbar.
Beispielsweise kann der Kondensator 36 ein topfartiges
Behältnis umfassen,
in dem sich das angezogene Wasser sammelt. Es kann sich bei dem
Kondensator 36 beispielsweise auch um ein geeignet gekrümmtes Rohrstück handeln.
Der Kondensator 36 kann ein nicht näher dargestelltes Ablassventil
aufweisen, durch dessen Öffnen
das gesammelte Wasser abgelassen werden kann, wie in 1 durch
einen Pfeil 46 schematisch angedeutet. Die jeweils gewählte Ausgestaltung
des Kondensators 36 wird sich unter anderem nach der erwarteten
Restwassermenge in dem Energieerzeugungssystem 10, insbesondere
in dem Anodenrezirkulationskreis 24, richten und auch die
bei der Kondensation entstehende Kondensationswärme berücksichtigen. Er wird deshalb
eine hinreichend große
Oberfläche
haben, um die Kondensationswärme
rasch abstrahlen zu können.
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Zur
noch besseren Aufrechterhaltung des Temperaturgradienten zwischen
den Komponenten innerhalb des Isolierbehälters 44 und dem außerhalb desselben
angeordneten Kondensator 36 kann das Kühlgebläse 42 auch nach Abschaltung
des Energieerzeugungsbetriebs des Energieerzeugungssystems 10 betrieben
werden.
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Insbesondere
ist es vorstellbar, dass der Kondensator 36 mittels des
Kühlgebläses 42 auf Temperaturwerte
unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühlt werden kann.
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Die
Adsorptionseinheit 38 stellt eine weitere Möglichkeit
dar, verbliebenes Restwasser dem Energieerzeugungssystem 10 zu
entriehen und gezielt an einer vorbestimmten Stelle zu sammeln.
Bei der Wahl der Art und Menge des adsorbierenden Materials 40 wird
ebenfalls die insgesamt erwartete Restwassermenge des Energieerzeugungssystems 10 eine
wesentliche Rolle spielen. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht
an eine bestimmte Art des adsorbierenden Materials gebunden.
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Nach
der Adsorption von Restwasser in der Abkühlphase des Energieerzeugungssystems 10 ist während des
normalen Betriebs eine Regeneration des adsorbierenden Materials 40 erforderlich.
Die am Ausgang des Kompressors 32 bereitstehende erwärmte und
komprimierte Luft ermöglicht
eine hochwirksame Desorption des adsorbierten Wassers. Hierzu ist
es vorteilhaft, wenn die Adsorptionseinheit 38 in räumlicher
Nähe zu
dem Kompressor 32 angeordnet ist. Die hohe Temperatur der
komprimierten Luft kann so am Besten genutzt werden.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass eine Soll-Kondensationsstelle nicht
nur im Anodenrezirkulationskreis 24 enthalten sein kann
sondern auch in anderen Bereichen des Energieerzeugungssystems 10.
Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich das den Luftstrom führende Leitungssystem
des Energieerzeugungssystems 10 einen Kondensator enthalten.
Ebenso kann in den das Kühlwasser
führenden
Kühlkreislauf
ein Kondensator eingefügt
sein. Vergleichbares gilt für
die von der Adsorptionseinheit 38 gebildete Soll-Adsorptionsstelle.
Während
bei dem Ausführungsbeispiel
der 1 eine solche Soll-Adsorptionsstelle in dem Luftleitungssystem
enthalten ist, kann alternativ oder zusätzlich der Anodenrezirkulationskreis 24 oder/und
der Kühlkreislauf eine
Soll-Adsorptionsstelle enthalten. Es ist sogar denkbar, in den Anodenrezirkulationskreis 24 zusätzlich zu
dem Kondensator 36 noch eine Adsorptionseinheit einzufügen, beispielsweise
in unmittelbarer räumlicher
Nähe zu
dem Kondensator 36. Gleichfalls kann das Luftleitungssystem
des Energieerzeugungssystems 10 zusätzlich zu der Adsorptionseinheit 38 noch
einen Kondensator enthalten.
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In
den 2-5 sind gleiche oder gleichwirkende
Komponenten mit gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen,
jedoch ergänzt
um einen Kleinbuchstaben. Soweit sich nachstehend nichts Anderes
ergibt, wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden
Ausführungen
zu diesen Komponenten verwiesen.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Wesentlich
nur der Brennstoffzellenstapel 12a in einem Isolierbehälter 44a untergebracht,
während
das Rezirkulationsgebläse 26a des Anodenrezirkulationskreises 24a außerhalb
des Isolierbehälters 44a angeordnet
ist. Es sind zwei Kondensatoren 36a in den Anodenrezikulationskreis 24a eingefügt, wobei
einer dieser Kondensatoren stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses 26a angeordnet ist
und der andere stromabwärts
des Rezirkulationsgebläses 26a.
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Ein
Ventil 48 dient zur Steuerung der Menge an zugeführtem Befeuchtungswasser,
während
ein Ventil 50a das Abströmen von nicht benötigtem Restbrenngas
gestattet. Die Ventile 48a, 50a sind ebenso wie
die Sensoren 28a, 30a bei dem Ausführungsbeispiel
der 2 außerhalb
des Isolierbehälters 44a angeordnet.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 3 unterscheidet sich von dem der 2 dadurch,
dass ein zweiter Isolierbehälter 52b vorgesehen
ist, in dem das Rezirkulationsgebläse 26b, die Sensoren 28b, 30b sowie
die Ventile 48b, 50b gemeinsam untergebracht sind.
Somit sind bei dem Ausführungsbeispiel der 3 im
Wesentlichen nur die beiden Kondensatoren 36b außerhalb
der Isolierbehälter 44b, 52b angeordnet.
Es versteht sich, dass weitere, in 3 nicht
gezeigte Komponenten des Energieerzeugungssystems 10, die
beispielsweise das Luftversorgungssystem oder den Kühlkreislauf
des Brennstoffzellenstapels 12b betreffen, wenigstens teilweise ebenfalls
in einem der beiden Isolierbehälter 44b, 52b untergebracht
sein können.
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Das
Ausführungsbeispiel
der 4 zeigt zusätzlich
eine Wärmebrücke 54c,
die zwischen den beiden Isolierbehältern 44c, 52c verläuft. Die
Wärmebrücke ist
aus einem gut wärmeleitenden
Material, z.B. Kupfer, gebildet und sorgt für einen Temperaturausgleich
zwischen den beiden Isolierbehältern 44c, 52c,
genauer gesagt zwischen den Innenräumen der Behälter. Auf
diese Weise ist es möglich,
die entstehende Betriebswärme
des Brennstoffzellenstapels 12c zur Erwärmung der Komponenten in dem Isolierbehälter 52c zu
nutzen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die in dem
Isolierbehälter 52c untergebrachten
Komponenten keine oder nur wenig Wärme während des Betriebs des Energieerzeugungssystems 10c entwickeln.
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5 schließlich zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem wie in 2 nur ein Isolierbehälter 44d vorgesehen
ist, in dem der Brennstoffzellenstapel 12d untergebracht
ist. Allerdings ist das Rezirkulationsgebläse 26d über eine
Wärmebrücke 54d mit dem
Isolierbehälter 44d verbunden.
Hierdurch kann eine gezielte Wärmeübertragung
zu einzelnen Komponenten außerhalb
des Isolierbehälters 44d bewirkt werden,
insbesondere zu kritischen Komponenten. Kritisch bezieht sich hierbei
auf die Befreiung der betreffenden Komponente von Restwasser nach
Betriebsabschaltung des Energieerzeugungssystems. Es versteht sich,
dass weitere Wärmebrücken von dem
Isolierbehälter 44d zu
anderen Komponenten verlaufen können,
beispielsweise zu weiteren Gebläsen
oder Kompressoren des Energieerzeugungssystems oder zu Ventilen.