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Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf für ein Brennstoffzellensystem. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Anodenkreislauf.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Bei Brennstoffzellensystemen ist es bekannt, einen sogenannten Anodenkreislauf vorzusehen, um Anodenabgas der Brennstoffzelle zum Anodeneingang zurückzuführen und dort vermischt mit frischem Brennstoff der Anode erneut zuzuführen. Um die Druckverluste innerhalb des Anodenkreislaufs und/oder innerhalb eines Anodenraumes der Brennstoffzelle auszugleichen, ist im Bereich des Anodenkreislaufs wenigstens eine Rezirkulationsfördereinrichtung notwendig, welche zur Förderung des rezirkulierten Anodenabgases dient.
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Aus der gattungsgemäßen
DE 10 2007 037 096 A1 ist ein solcher Anodenkreislauf, welcher hier als Brennstoffkreislauf bezeichnet wird, bekannt. Als Rezirkulationsfördereinrichtung für das Anodenabgas ist dabei eine Rezirkulationsfördereinrichtung vorgesehen, welche durch eine luftbetriebene Antriebsturbine antreibbar ist. Die Antriebsturbine erhält ihre Luft dabei von der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems, indem die Luft vor oder nach der Passage durch einen Kathodenraum der Brennstoffzelle ganz oder teilweise der Antriebsturbine für die Rezirkulationsfördereinrichtung zugeführt wird.
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Der Nachteil des im gattungsgemäßen Stand der Technik beschriebenen Aufbaus liegt darin, dass die Luft zum Betreiben der Rezirkulationsfördereinrichtung durch das Luftversorgungssystem der Brennstoffzelle bereitgestellt werden muss. Dies ist insbesondere bei Volllast des Brennstoffzellensystems, wenn ohnehin ein sehr großer Volumenstrom an Luft benötigt wird, ein entscheidender Nachteil, da die Luftfördereinrichtung in diesem Fall so ausgelegt werden muss, dass diese einerseits den maximalen Luftstrom für die Brennstoffzelle zur Verfügung stellen kann und darüber hinaus zusätzlich den in dieser Situation benötigten Luftstrom zum Antreiben der Rezirkulationsfördereinrichtung. Da bei hoher Last eine auch hohe Menge an Abgas rezirkuliert werden muss, ist auch dieser entsprechend groß. Die Luftversorgungsvorrichtung für das Brennstoffzellensystem muss also vergleichsweise groß dimensioniert werden, was hinsichtlich des Bauraums, des Gewichts und der Kosten einen Nachteil darstellt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen Nachteil zu vermeiden und einen Anodenkreislauf anzugeben, welcher ein kleines, kompaktes und energieeffizientes Brennstoffzellensystem ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs ergeben sich außerdem aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Anodenkreislauf gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass neben einer ersten Rezirkulationsfördereinrichtung für das Anodenabgas, welche wie im Stand der Technik mittels einer luftbetriebenen Antriebsturbine antreibbar ist, eine weitere Rezirkulationsfördereinrichtung in Form wenigstens einer Gasstrahlpumpe vorgesehen ist, welche von einem zur Brennstoffzelle strömenden Brennstoff als Treibgasstrom angetrieben ist. Die Kombination aus der über eine luftbetriebene Antriebsturbine angetriebene Rezirkulationsfördereinrichtung und einer zweiten Rezirkulationsfördereinrichtung in Form einer Gasstrahlpumpe ermöglicht einen verbesserten Energiehaushalt des Brennstoffzellensystems, da über die Gasstrahlpumpe zusätzliche Förderleistung für die Rezirkulation des Anodenabgases bereitgestellt werden kann. Dadurch wird Energie im Bereich der Luftversorgung eingespart und eine kathodenseitige Luftfördereinrichtung des Brennstoffzellensystems kann kleiner und effizienter ausgebildet werden, da insbesondere im Volllastfall ein hoher Teil der benötigten Rezirkulationsförderleistung über die wenigstens eine Gasstrahlpumpe bereitgestellt werden kann.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs kann es außerdem vorgesehen sein, dass die erste Rezirkulationsfördereinrichtung mit der Antriebsturbine über eine Kupplung verbunden ist. Diese Kupplung kann beispielweise als magnetische Kopplung ausgebildet sein oder auch als Freilauf. Sie kann insbesondere auch schaltbar realisiert werden, beispielsweise mit wenigstens einem Elektromagneten. Die magnetische Kopplung als solche hat dabei den Vorteil, dass sie den luftseitigen Teil der ersten Rezirkulationsfördereinrichtung vom wasserstoffseitigen Teil trennt, sodass es hier nicht zu einer Vermischung der Gase kommen kann. Die Kupplung als Freilauf oder als schaltbare Kupplung hat den weiteren Vorteil, dass diese nur bei Bedarf angetrieben werden muss beziehungsweise die erste Rezirkulationsfördereinrichtung antreibt. Dies ermöglicht sehr günstige, später noch erläuterte Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Anodenkreislauf.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung ist es außerdem vorgesehen, dass die erste Rezirkulationsfördereinrichtung mit der Antriebsturbine als Freiläufer ausgebildet ist. Ein solcher Freiläufer, wie er beispielsweise von Abgasturboladern bekannt ist, ist hinsichtlich seines Aufbaus sehr einfach und effizient. Er kann ohne zusätzliche Regelung und/oder Antriebseinrichtung auskommen und ist dadurch einfach, kostengünstig und sehr robust.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf so betrieben wird, dass die Gasstrahlpumpe im regulären Betrieb als Rezirkulationsfördereinrichtung genutzt wird. Die erste Rezirkulationsfördereinrichtung wird dabei dauerhaft oder bei Bedarf zugeschaltet. Dies ermöglicht die Nutzung der Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsfördereinrichtung während des gesamten Betriebs beziehungsweise während des gesamten regulären Betriebs. Dies ist besonders energieeffizient, da diese über den ohnehin unter hohem Druck stehenden Brennstoff als Treibgasstrom, typischerweise einem Wasserstoffstrom aus einem Druckgastank, einfach und vergleichsweise energieeffizient angetrieben werden kann. Die erste Rezirkulationsfördereinrichtung, welche einen Teil der in der verdichteten Zuluft oder Abluft der Brennstoffzelle enthaltenen Energie benötigt, wird so in den meisten Fällen lediglich bei einem zusätzlichen Bedarf mitgenutzt.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass während einer Abschaltprozedur und/oder einer Vorbereitung auf einen späteren Start des Brennstoffzellensystems nur die erste Rezirkulationsfördereinrichtung betrieben wird.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass Brennstoffzellensysteme, insbesondere Brennstoffzellensysteme mit PEM-Brennstoffzellen, hinsichtlich des Kaltstarts besonders kritisch sind. In solchen Brennstoffzellensystemen entsteht aus dem Luftsauerstoff und dem Brennstoff Produktwasser, welches als Reinstwasser sehr leicht eingefriert und beim Einfrieren Leitungsquerschnitte verstopfen kann. Dies gilt insbesondere im Bereich der Brennstoffzelle selbst. Dort werden gasführende Kanäle und/oder Gasdiffusionsschichten im Bereich der Membranelektrodenanordnung durch Eis verstopft. Dies gilt aber auch für Leitungen und bewegte Bauteile, wie zum Beispiel Fördereinrichtungen oder Ventile, in der Peripherie der Brennstoffzelle, welche durch Eis gegebenenfalls verstopft oder blockiert werden können. Um einer Eisbildung vorzubeugen ist es nun üblich, Abschaltprozeduren durchzuführen, bei welchen zumindest Teile des Brennstoffzellensystems beispielsweise von Luft durchspült werden, um diese zu trocknen. Neben der Durchführung einer solchen Prozedur während des Abschaltens des Brennstoffzellensystems ist es aus nicht vorveröffentlichtem Stand der Technik auch bekannt, eine solche Prozedur als Vorbereitungsprozedur auf einen späteren Wiederstart unabhängig vom eigentlichen Abschalten des Brennstoffzellensystems durchzuführen. Eine solche Prozedur kann beispielsweise zeitgesteuert und/oder temperaturgesteuert mit einem Aufwecken des an sich im Stillstand befindlichen Brennstoffzellensystems einhergehen, sodass beispielsweise beim Erreichen einer gewissen unteren Grenztemperatur das System vorübergehend aktiviert und entsprechend getrocknet wird.
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Bei all diesen Prozeduren ist es sinnvoll und notwendig, dass im Bereich der Brennstoffzelle und hier insbesondere im Bereich der Kathoden- und Anodenräume der Brennstoffzelle ein Gas zum Durchspülen der Brennstoffzelle verwendet wird. Typischerweise wird dafür die Luftfördereinrichtung kurzzeitig betrieben, um einen Gasstrom zum Durchspülen der Brennstoffzelle bereitzustellen. Das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit dem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf sieht es nun vor, dass in einer solchen Situation lediglich die erste Rezirkulationsfördereinrichtung über die Antriebsturbine angetrieben wird. Der Aufbau ermöglicht so ein Durchspülen beziehungsweise Umwälzen des Gases in dem Anodenkreislauf, ohne dass weiterer Brennstoff zum Antrieb der Gasstrahlpumpe zugegeben werden muss. Wenn gleichzeitig die Kathode durchspült wird und Luft zum Durchspülen der Kathode ohnehin bereitgestellt wird, ist es einfach und effizient möglich, über die luftbetriebene Antriebsturbine auch die erste Rezirkulationsfördereinrichtung mit anzutreiben und so ein Durchspülen der Anodenseite der Brennstoffzelle einfach und effizient zu realisieren.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Antriebsturbine für die erste Rezirkulationsfördereinrichtung durch zumindest einen Teil des kathodenseitigen Luftstroms immer angetrieben wird, wenn auch eine kathodenseitige Luftversorgung der Brennstoffzelle erfolgt. Ein solcher Aufbau ist besonders einfach und effizient. Er kommt ohne Regelung und Steuerung der ersten Rezirkulationsfördereinrichtung aus. Im regulären Betrieb, wenn Brennstoff zudosiert wird, kommt es zu einem Betrieb der Gasstrahlpumpe. Da typischerweise gleichzeitig Luft zudosiert wird, wird auch die erste Rezirkulationsfördereinrichtung angetrieben, sodass in diesem Fall ein Betrieb mit beiden Rezirkulationsfördereinrichtungen in Reihe erfolgt. Wird das System nun abgeschaltet, so wird die Brennstoffzufuhr typischerweise ebenfalls abgeschaltet. Die Gasstrahlpumpe als weitere Rezirkulationsfördereinrichtung arbeitet dann nicht mehr. Wenn die Luftversorgung noch aufrechterhalten wird, beispielsweise um das Brennstoffzellensystem zum Trocknen zu spülen, dann erfolgt jedoch weiterhin der Betrieb der ersten Rezirkulationsfördereinrichtung, sodass auch das Gas im Anodenkreislauf weiter umgewälzt wird. Wird nun ein Ablassventil im Anodenkreislauf in an sich bekannter Art und Weise geöffnet, so kann ein Ausspülen und Trocknen der Anodenseite der Brennstoffzelle parallel zum Ausspülen und Trocknen der Kathodenseite der Brennstoffzelle erfolgen. Eine vergleichbare Vorgehensweise ist auch bei einer Kaltstart-Konditionierung möglich. Auch hier wird typischerweise die Luftversorgungseinrichtung der Kathodenseite kurz gestartet, es erfolgt jedoch keine Brennstoffzufuhr.
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Da im Rahmen einer Abschaltprozedur und zum Durchspülen im Rahmen einer Kaltstart-Konditionierung typischerweise nicht der Volumenstrom notwendig ist, welcher während des Betriebs notwendig ist, wird die Luftversorgungseinrichtung und damit die erste Rezirkulationsfördereinrichtung typischerweise mit geringerer Drehzahl betrieben. Zum Trocknen beziehungsweise Durchspülen des Brennstoffzellensystems reicht dies vollkommen aus. Dementsprechend lässt sich bei dieser besonders günstigen Ausgestaltung des Verfahrens die Antriebsturbine und die Förderseite der ersten Rezirkulationsfördereinrichtung auf diesen Spezialfall auslegen. Dadurch kann sie im regulären Betrieb sehr energieeffizient mitbewegt werden und stellt dabei nur einen kleinen Förderstrom zur Verfügung. Dies bedeutet, dass sie dann auch nur eine kleine Leistungsaufnahme aufweist. Aufgrund der weiteren Rezirkulationsfördereinrichtung, welche den primären Teil der Rezirkulationsförderung übernimmt, ist dies jedoch unproblematisch.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass bei vorhandener magnetischer Kopplung mit wenigstens einem Elektromagneten diese bei Bedarf in einem Heizmodus betrieben wird, um die Rezirkulationsfördereinrichtung zu erwärmen. Einer der bevorzugten Aufbauten sieht eine magnetische Kopplung der luftbetriebenen Antriebsturbine und der Rezirkulationsfördereinrichtung vor. Die magnetische Kopplung kann dabei besonders einfach und effizient über wenigstens einen Elektromagneten schaltbar ausgeführt werden. In einem solchen Fall entsteht der zusätzliche Vorteil, dass ein Betrieb der magnetischen Kopplung beziehungsweise des Elektromagneten so möglich ist, dass in seinem Bereich eine Verlustwärme erzeugt wird. Dies kann beispielsweise durch ein alternierendes Umpolen, ein alternierendes Ein- und Ausschalten oder den Betrieb mit einem höheren Strom als notwendig, aufgrund der ohmschen Verluste in dem Elektromagneten erreicht werden. In einem solchen Heizmodus ist es dann möglich über den Elektromagneten, ohne das eine zusätzliche elektrische Heizung vorgesehen werden muss, die Rezirkulationsfördereinrichtung zu erwärmen. Dies kann insbesondere dazu genutzt werden, die Rezirkulationsfördereinrichtung aufzutauen, wenn diese eingefroren ist. Ohne eine zusätzliche elektrische Heizung vorsehen zu müssen, kann so sehr schnell und effizient eine Aufheizung der Rezirkulationsfördereinrichtung erfolgen, sodass auch bei gegebenenfalls eingefrorenem Brennstoffzellensystem beziehungsweise eingefrorener Rezirkulationsfördereinrichtung ein schneller Start des Brennstoffzellensystems möglich wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs sowie des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit dem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf ergeben sich aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine erste mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf;
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2 eine zweite mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf; und
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3 eine dritte mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die Erfindung relevanten Umfang prinzipmäßig angedeutet. Es soll in einem Fahrzeug 2 angeordnet sein. Es soll elektrische Leistung für das Fahrzeug liefern, insbesondere elektrische Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs 2. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, welche als Brennstoffzellenstapel, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aus einer Vielzahl von Einzelzellen ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 3 soll in PEM-Technologie realisiert sein. Die Brennstoffzelle 3 umfasst einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5. Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 6 in später noch näher erläuterter Art und Weise zugeführt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 4 geht bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 über eine Turbine 7 an die Umgebung. In der Abluft der Brennstoffzelle 3 enthaltene Restenergie in Form von Druck und Wärme kann so zumindest teilweise zurückgewonnen werden. Die Turbine 7 befindet sich zusammen mit der Luftfördereinrichtung 6 auf einer gemeinsamen Welle, sodass die im Bereich der Turbine 7 anfallende Energie den Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 unterstützt. Auf der Welle befindet sich außerdem eine elektrische Maschine 8, welche den Aufbau zu einem sogenannten elektrischen Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) ergänzt. Die elektrische Maschine 8 kann zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 genutzt werden, insbesondere zur Bereitstellung der fehlenden Antriebsenergie, welche durch die Turbine 7 typischerweise nicht vollständig bereitgestellt werden kann. In Sonderfällen kann es auch dazu kommen, dass im Bereich der Turbine 7 mehr Energie vorliegt, als im Bereich der Luftfördereinrichtung 6 benötigt wird. In diesem Fall kann die elektrische Maschine 8 auch generatorisch zur Bereitstellung von elektrischer Leistung betrieben werden.
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Dem Anodenraum der Brennstoffzelle 5 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 9 zugeführt. Über ein Dosier- und Regelventil 10 gelangt der Brennstoff über eine Gasstrahlpumpe 11 zum Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3. Er wird dort typischerweise nur zu einem Teil umgesetzt. Restwasserstoff gelangt zusammen mit im Bereich des Anodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 entstehendem Produktwasser und inerten Gasen, welche durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 aus dem Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundieren, über eine Rezirkulationsleitung 12 aus dem Anodenraum 5. Über die Rezirkulationsleitung 12 wird das Abgas des Anodenraums 5 der Gasstrahlpumpe 11 zugeführt und strömt angetrieben von dem Brennstoff als Treibgasstrom vermischt mit diesem dem Anodenraum 5 erneut zu. Dieser Aufbau wird als Anodenkreislauf beziehungsweise Anodenloop bezeichnet. Im Bereich dieses Anodenkreislaufs reichert sich mit der Zeit inertes Gas und Wasser an. Da das Volumen des Anodenkreislaufs annähernd konstant ist, sinkt dadurch die Konzentration an Wasserstoff. Von Zeit zu Zeit muss daher das Wasser und das inerte Gas aus dem Anodenkreislauf abgelassen werden. Dies kann beispielsweise zeitgesteuert oder anhand einer Wasserstoff- oder Stickstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf erfolgen. Auch eine kontinuierliche Abgabe einer geringen Menge an Wasser und/oder Gas aus dem Anodenkreislauf ist denkbar.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 ist ein Wasserabscheider 13 vorgesehen, welcher Wasser aus dem Anodenabgas abscheidet. Über eine Ablassleitung 14 und ein Ablassventil 15 kann dann das Wasser abgelassen werden. Wenn das Wasser vollständig aus dem Wasserabscheider 13 abgelassen ist, wird auch eine gewisse Menge an Anodenabgas mit abströmen. Über den Wasserabscheider 13 und das Ablassventil 15 wird so sowohl das Ablassen des Wassers als auch des Gases ermöglicht.
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Im regulären Betrieb des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems reicht die Förderleistung der Gasstrahlpumpe 11 typischerweise zum Fördern des gesamten Anodenabgases aus. Dennoch ist zusätzlich zu der Gasstrahlpumpe 11 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 16 vorgesehen, welche typischerweise in Form eines Strömungsverdichters oder eines Gebläses ausgebildet ist. Sie wird nachfolgend daher auch als Rezirkulationsgebläse 16 bezeichnet. Dieses Rezirkulationsgebläse 16 im Bereich der Rezirkulationsleitung 12 kann ebenfalls das Anodenabgas in dem Anodenkreislauf fördern. Das Rezirkulationsgebläse 16 wird dabei von einer Antriebsturbine 17 angetrieben. Die Antriebsturbine 17 und das Rezirkulationsgebläse 16 sind auf einer gemeinsamen Welle 18 angeordnet. Die Antriebsturbine 17 ist als luftbetriebene Antriebsturbine 17 ausgebildet und wird von der von der Luftfördereinrichtung 6 geförderten Luft angetrieben, bevor diese in den Kathodenraum 4 strömt. Der Aufbau kann in der hier dargestellten Ausgestaltung besonders einfach und effizient so ausgebildet sein, dass das Rezirkulationsgebläse 16 und die Antriebsturbine 17 als sogenannter Freiläufer ausgebildet sind. Sie weisen dabei keinen Antriebsmotor oder dergleichen auf und sind direkt miteinander gekoppelt. Da im Bereich der Antriebsturbine 17 Luft und im Bereich des Rezirkulationsgebläses 16 ein wasserstoffhaltiges Abgas vorliegt, ist auf eine Abdichtung der beiden Gasströme gegeneinander zu achten.
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Da eine Abdichtung gegenüber Wasserstoff bekanntermaßen schwierig zu realisieren ist, kann es vorgesehen sein, dass im Bereich der Welle 18 eine Kupplung 19 angeordnet ist, wie sie in den 2 und 3 zu erkennen ist. Diese Kupplung 19 kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Sie kann alleine oder ergänzend zu anderen Funktionalitäten vorzugsweise eine magnetische Kopplung aufweisen. Dies bedeutet, dass die Antriebsturbine 17 und das Rezirkulationsgebläse 16 über eine magnetische Kraftübertragung gekoppelt werden. Eine magnetische Kraftübertragung bewirkt dabei, dass ein Antrieb des Rezirkulationsgebläses 16 durch die Antriebsturbine 17 entsteht, ohne dass eine mechanische Verbindung notwendig ist. Dadurch kann eine sehr einfache und effiziente Abdichtung der beiden Bauteile 16, 17 gegeneinander realisiert werden.
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Bei dem in 1 dargestellten Aufbau wird im regulären Betrieb die Antriebsturbine 17 jeweils mit angetrieben, immer dann, wenn die Luftfördereinrichtung 6 einen Luftstrom fördert. Bei einer direkten Kopplung zwischen der Antriebsturbine 17 und dem Rezirkulationsgebläse 16, insbesondere wenn diese als Freiläufer oder mit direkter magnetischer Kopplung ausgebildet sind, wird dann auch das Rezirkulationsgebläse 16 immer mit angetrieben. Dadurch entsteht im Anodenkreislauf eine zusätzliche Rezirkulationsförderleistung ergänzend zu der der Gasstrahlpumpe 11, welche immer eine Rezirkulationsförderleistung bereitstellt, wenn Wasserstoff in den Anodenraum 5 dosiert wird. Hierdurch kann eine verbesserte Rezirkulation erzielt werden.
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Der Kern der Anwendung des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems 1 soll jedoch darin liegen, dass dieses im Rahmen einer Abschaltprozedur oder einer Kaltstart-Konditionierung sehr effizient betrieben werden kann. In einem solchen Fall wird die Luftfördereinrichtung 6 oder gegebenenfalls auch eine parallel dazu angeordnete spezielle Luftfördereinrichtung, welche lediglich für diesen Fall vorgesehen ist, betrieben. Dadurch wird Luft durch den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 gefördert. Der Kathodenraum 4 wird ebenso wie die Leitungselemente zu und von dem Kathodenraum 4 entsprechend ausgeblasen, sodass gasförmiges und flüssiges Wasser entfernt wird. Außerdem kommt es durch den Luftstrom zu einem Trocknen. Da in dieser Situation kein Brennstoff in den Anodenraum 5 dosiert werden soll, kann die Gasstrahlpumpe 11 hier nicht betrieben werden. Durch die Antriebsturbine 17 wird jedoch das Rezirkulationsgebläse 16 auch in diesem Fall angetrieben, sodass eine Umwälzung des in dem Anodenkreislauf befindlichen Gases erreicht wird. Bei geöffnetem Ablassventil 15 kann Wasser und Feuchtigkeit aus dem Anodenkreislauf ausgetragen werden und auch der Bereich des Anodenraums 5 lässt sich aufgrund des Rezirkulationsgebläses 6 in diesen Betriebssituationen trockne. Dies ist einfach und effizient und kann ohne zusätzliche Steuerung oder Regelung erfolgen.
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In der Darstellung der 2 ist ein alternativer Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass hier die Luftfördereinrichtung 6 nicht als elektrischer Turbolader ausgebildet ist, sondern beliebig anders ausgebildet werden kann. Außerdem gelangt die Zuluft direkt von der Luftfördereinrichtung 6 in den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3, während die Abluft aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 über die Antriebsturbine 17 strömt. Der Aufbau und die Funktionalität sind ansonsten dieselbe, wie bei dem oben bereits beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 in der Ausgestaltung gemäß 1. Zusätzlich ist außerdem die bereits angesprochene Kupplung im Bereich der Welle 18 zwischen der Antriebsturbine 17 und dem Rezirkulationsgebläse 16 zu erkennen. Diese kann beispielsweise die magnetische Kopplung aufweisen. Sie kann ergänzend oder alternativ dazu jedoch auch als schaltbare Kupplung ausgebildet sein. Die Kupplung 19 erlaubt es so, durch ein Einkuppeln beziehungsweise Schließen derselben das Rezirkulationsgebläse 16 bei vorhandenem Luftstrom durch die Antriebsturbine 17 entsprechend anzutreiben oder das Rezirkulationsgebläse 16 bei geöffneter Kupplung 19 trotz laufender Antriebsturbine 17 nicht anzutreiben. Damit wird die Verwendung des Rezirkulationsgebläses 16 für gezielte Anwendungszeiträume möglich. So kann es beispielsweise bei Volllast zur Unterstützung der Rezirkulation herangezogen werden oder es kann insbesondere ausschließlich für den Fall einer Abschaltprozedur oder einer Kaltstart-Konditionierung verwendet werden.
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Eine weitere Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1, welche im Wesentlichen analog zur Darstellung in 1 aufgebaut ist, findet sich in der Darstellung der 3. Anstelle der dauerhaften Durchströmung der Antriebsturbine 17 mit Luft ist hier ein Dreiwegeventil 20 vorgesehen, welches zumindest die Wahl zwischen einer Luftströmung über die Antriebsturbine 17 oder in einem Bypass 21 um die Antriebsturbine 17 erlaubt. Mit einem aufwändigeren Dreiwegeventil 20 wäre es auch denkbar, dieses so auszugestalten, dass der Anteil der Luft im Bypass 21 und über die Antriebsturbine 17 flexibel eingestellt werden kann, sodass letztlich die Antriebsleistung im Bereich der Antriebsturbine 17 je nach Bedarf variierbar ist. Der einfachste Aufbau sieht jedoch lediglich eine Umschaltung zwischen der Luftförderung über die Antriebsturbine 17 und durch den Bypass 21 vor. Dieser Aufbau ist hinsichtlich des eingesetzten Ventils und der benötigten Steuerung/Regelung besonders einfach und robust. Er lässt sich dadurch kostengünstig realisiere.
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Die Kupplung 19 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Freilauf ausgebildet. Ein solcher Freilauf kann beispielsweise als Rollenfreilauf oder als Klinkenfreilauf realisiert werden. Er überträgt Leistung lediglich in eine Richtung, hier von der Antriebsturbine 17 in Richtung des Rezirkulationsgebläses 16. Im regulären Betrieb wird die Luft typischerweise über den Bypass 21 zum Kathodenraum 4 geführt. Dadurch lassen sich Druckverluste und Leistungseinbußen durch den Antrieb der Antriebsturbine 17 vermeiden. Die Rezirkulation des Abgases erfolgt dann ausschließlich über die Gasstrahlpumpe 11 als Rezirkulationsfördereinrichtung. Das Rezirkulationsgebläse 16 kann in einem solchen Aufbau daraufhin optimiert sein, dass dieses leicht und einfach, ohne nennenswerte Leistungsverluste mit umläuft und so, immer wenn es nicht durch die Antriebsturbine 17 angetrieben wird, lediglich minimale Druckverluste im Bereich des rezirkulierten Abgases erzeugt. Bei Bedarf kann über das Dreiwegeventil 20 Luft durch die Antriebsturbine 17 geleitet werden. In diesem Fall wird über die als Freilauf ausgebildete Kupplung 19 Leistung von der Antriebsturbine 17 in den Bereich des Rezirkulationsgebläses 16 übertragen und dieses fördert den Anodenabgasstrom. Wenn eine solche Schaltung lediglich für eine Abschaltprozedur und/oder eine Kaltstart-Konditionierung vorgesehen ist, dann kann die Auslegung des Rezirkulationsgebläses 16, so das dieses im regulären Betrieb wenig Druckverluste erzeugt, auch in dieser Betriebssituation einfach toleriert werden, da eine hocheffiziente Förderung für den Fall des Durchspülens und Austrocknens typischerweise nicht notwendig ist. Der Aufbau bleibt daher weiterhin sehr einfach, da er lediglich über den zusätzlichen Freilauf im Bereich der Welle 18 verfügen muss und über ein einfaches Dreiwegeventil 20, welches für den Fall der Abschaltung oder der Kaltstart-Konditionierung entsprechend umgeschaltet wird. In den anderen Betriebszuständen des Brennstoffzellensystems 1 können die Druckverluste im Bereich der Antriebsturbine minimiert werden, indem diese durch den Bypass 21 umgangen wird. Der Aufbau erlaubt außerdem eine sehr einfache und effiziente Auslegung der Antriebsturbine 17, da diese bei weitem nicht während der gesamten Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems 1 betrieben werden muss. Sie kann dementsprechend einfacher und kostengünstiger ausgestaltet werden, da sie nicht auf die gesamte Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 1 hin dimensioniert werden muss.
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Selbstverständlich lassen sich die einzelnen Ideen hinsichtlich der Kupplung 19 als schaltbare Kupplung oder Freilauf sowie der Verwendung des gesamten Luftstroms oder eines Teilluftstroms jeweils vor und/oder nach dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 untereinander beliebig kombinieren, wobei es dem Fachmann klar ist, dass er neben den hier beispielhaft gezeigten drei Ausführungsformen durch Kombination derselben zu weiteren möglichen Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems 1 kommt, welche jeweils immer noch den erfindungsgemäßen Anodenkreislauf aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007037096 A1 [0003]
