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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem
mit wenigstens einer Brennstoffzelle, insbesondere einer PEM-Brennstoffzelle,
und einem Gaserzeugungssystem, welches aus Luft, Wasser und einem
kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere Benzin oder
Diesel, mittels eines autothermen Reformers ein wasserstoffreiches
Gas erzeugt.
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Brennstoffzellensysteme, insbesondere
solche auf der Basis einer PEM-Brennstoffzelle bzw. eines PEM-Brennstoffzellenstapels
(PEM / Proton-Exchange-Membrane) werden sehr häufig mit Wasserstoff versorgt,
welcher in Gaserzeugungssystemen üblicherweise aus kohlenwasserstoffhaltigen
Einsatzstoffen, wie beispielsweise Methanol, Benzin, Diesel oder
dergleichen, erzeugt wird. Derartige Systeme benötigen sowohl zur Befeuchtung
der Membranen der Brennstoffzelle als auch zur Erzeugung des Wasserstoffs
mittels Heißdampfreformierung oder
autothermer Reformierung relativ große Wassermengen. Da bei derartigen
Brennstoffzellensystemen nun Produktwasser als der primäre "Abfallstoff" der Umsetzung von
Wasserstoff und Sauerstoff anfällt,
ist es naheliegend, dieses Produkt Wasser zu verwenden, um den Wasserbedarf
des Brennstoffzellensystems zu decken.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme
hierzu, wie beispielsweise das in der
DE 199 43 059 A1 beschriebene
Systemen zur Auskondensation einer Flüssigkeit aus einem Gas strom, sind
dabei sehr aufwändig
gestaltet und weisen zumindest einige Kondensatoren und dergleichen
auf, so dass in dem System immer auch flüssiges Wasser bevorratet und
gehandhabt werden muss.
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Üblicherweise
wird dieses gesammelte Wasser dann zur Befeuchtung der Kathodenzuluft
in diese eingespritzt oder die Kathodenzuluft wird durch einen Wassertank
geführt.
Beispielhaft seinen hierzu die beiden Schriften
DE 199 53 798 A1 und
DE 199 53 802 A1 genannt.
Das für
den Bereich des Gaserzeugungssystem benötigt Wasser wird verdampft, wozu üblicherweise
ein Zusatzbrenner bzw. katalytischer Brenner dient, welcher die
hierfür
benötigt
thermische Energie bereitstellt.
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Durch die
US 6,007,931 ist ein Brennstoffzellensystem
entsprechend der oben gemachten Ausführungen beschrieben, bei dem über einen
Brenner eine Verdampfung des zurückgewonnenen
flüssigen Wassers
stattfindet. Der Bereich der Kathode der Brennstoffzelle wird hierbei
durch aus dem Abgas zurückgewonnenen
Wasserdampf befeuchtet, welcher durch eine für Wasserdampf selektiv durchlässige Membran
aus dem Abgasstrom von Anode und Kathode zurückgewonnen und der Kathodenzuluft
zugeführt
wird.
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Damit weist dieses System zwar eine
Vereinfachung im Bereich der Befeuchtung der Kathodenzuluft auf,
die aufwändige
und komplexe Wasserrückgewinnung
mit Kondensation und Verdampfung durch den Brenner bleibt jedoch
erhalten.
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Aus der
DE 199 04 711 C2 ist ein
Brennstoffzellensystem mit integrierter Wasserstofferzeugung bekannt.
Hinsichtlich der oben genannten Problematik ist es bei diesem Brennstoffzellensystem
vorgesehen, dass durch eine Kathodenabgas-Rückführleitung
eine Nutzung des Kathodenabgases der Brennstoffzelle als Sauerstofflieferant
für das
Wasserstofferzeugungssystem genutzt wird. Zusätzlich zu dieser Nutzung als
Sauerstofflieferant ergibt sich damit der Vorteil, dass das im Kathodenabgas
enthaltene Wasser direkt im dampfförmigen Zustand den Komponenten
des Wasserstofferzeugungssystems zugeführt werden kann.
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Das durch diese Schrift beschriebene
System weist dabei jedoch zwei entscheidende Nachteile auf. Aufgrund
des sehr geringen Sauerstoffgehalts im Bereich des Kathodenabgases
muss dieser mit Hilfe einer Sauerstoffanreicherung ausgeglichen werden.
Eine derartige Sauerstoffanreicherung ist jedoch sehr aufwändig und
bei kompakten Systemen, wie sie beispielsweise für Hilfsenergieerzeuger (APU /
Auxiliary Power Unit) oder Antriebssysteme in Kraftfahrzeugen eingesetzt
werden, nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand an Komponenten, Bauraum und
letztendlich Kosten realisierbar.
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Ein weiteres Problem liegt darin,
dass bei derartigen Brennstoffzellensystemen der gesamte Massenstrom
der Kathodenrückführung ca.
fünf mal so
hoch wie der üblicherweise
benötigte
Volumenstrom an Edukten für
die Wasserstoff- bzw. Gaserzeugungseinrichtung bzw. dem Reformer,
ist. Um also ein derartiges System realisieren zu können, müssten alle
Komponenten des Gaserzeugungssystems fünf mal größer als bisher ausgelegt werden, was
entscheidende Nachteile hinsichtlich Bauraum, Gewicht und letztendlich
Kosten mit sich bringt. Darüber
hinaus würde
der gravierende Nachteil entstehen, dass der Partialdruck des Wasserstoffs
im Bereich der Anode der Brennstoffzelle dann unter 10 % sinken
kann.
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Aufgrund dieser genannten Nachteile
ist in den Ausführungen
der genannten DE-Schrift außerdem
noch ein Wassertank beschrieben, so dass davon ausgegangen werden
muss, dass hier offensichtlich nicht das gesamte Wasser für die Wasserstofferzeugungseinrichtung
aus dem Bereich des Kathodenabgases stammt, sondern nur ein Teil,
und dass auch flüssiges
Wasser zum Beteiben des Reformers zugegeben wird.
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Zum allgemeinen Stand der Technik
soll außerdem
auf ein Verfahren zur Kaskadierung von Brennstoffzellen hingewiesen
werden, welches durch die
DE
197 21 817 A1 beschrieben ist. Dabei wird das abgereicherte
Brenngas aus den Zellen der vorgeschalteten Kaskadierungsstufe den
Zellen der jeweils nachgeschalteten Kaskadierungsstufe zugeführt. Die
einzelnen Kaskadierungsstufen sind so ausgebildet, dass den einzelnen
Kaskadierungsstufen im wesentlichen die gleiche Absolutmenge an nicht
verbrauchtem brennbaren Gas pro aktiver Zellfläche zugeführt wird.
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Ausgehend von dieser oben geschilderten Problematik
ist es die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile gemäß des Standes
der Technik zu überwinden
und ein kleines, kompaktes und einfaches Brennstoffzellensystem
zu schaffen, welches darüber
hinaus einen hohen Systemwirkungsgrad aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Da erfindungsgemäß das gesamte, im Bereich des
Gaserzeugungssystems benötigte
Wasser als Wasserdampf aus dem Bereich der Brennstoffzelle in den
Bereich des Gaserzeugungssystems geführt wird, entsteht der entscheidende
Vorteil, dass auf sämtliche
Einrichtungen zur Handhabung von flüssigem Wasser verzichtet werden
kann. Durch diesen Verzicht auf die Einrichtungen zur Handhabung von
flüssigem
Wasser entfällt
eine Vielzahl von Komponenten, welche bei herkömmlichen Systemen notgedrungen
vorhanden sein müssen.
Bei den vom Erfinder gemachten Berechnungen und Aufbauten hat sich
ergeben, dass hierbei ca. zehn Komponenten aus dem Peripheriebereich,
insbesondere Kondensatoren, Verdampfer und dergleichen, entfallen
können.
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Zusätzlich zu diesem Wegfall der
entsprechenden Komponenten zur Handhabung von flüssigem Wasser lässt sich
außerdem
die thermische Energie für
die Verdampfung des für
den autother men Reformer verwendeten Wassers einsparen. Eine solche
Verdampfung des durch Kondensation zurückgewonnen Wassers ist bei
herkömmlichen
Systemen immer notwendig und wird meist durch die thermische Energieausbeute
aus einem katalytischen Brenner, welcher z.B. die Abgase der Brennstoffzelle nachverbrennt,
gewonnen. Bei einem eine elektrische Leistung von 5 kWel bereitstellenden
Hilfsenergieerzeuger (APU), sind für die Verdampfung des für den autothermen
Reformer benötigen
Wassers beispielsweise rund 2 kWth an thermischer
Energie notwendig.
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Neben dem Vorteil dieser Einsparung
an thermischen Energie kann außerdem
bei der Gestaltung des Gaserzeugungssystems entsprechend einfacher
vorgegangen werden, so dass hier neben dem autothermen Reformer
und einem reinen Startbrenner für
den Kaltstart des Gaserzeugungssystems keinerlei Brenner bzw. katalytischer
Brenner benötigt werden,
um thermische Energie bereitzustellen. Auch dadurch wird das Gaserzeugungssystem
in vorteilhafter Weise weiter vereinfacht.
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Letztendlich kann auf diese Art ein
sehr kleines und einfaches kompaktes Brennstoffzellensystem erzeugt
werden, welches, so haben die Berechnungen und Aufbauten des Erfinders
gezeigt, bei dem oben genannten Beispiel einer 5 kWel-APU
ein Volumen von weniger als 30 Litern bei einem Gewicht von weniger
als 40 kg benötigt.
Das so entstehende, kompakte und aufgrund des Verzichts auf eine
Vielzahl von Komponenten gegenüber
den Systemen des Standes der Technik sehr kostengünstige System
erreicht dabei einen Systemwirkungsgrad von mehr als 35 %.
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Durch den Verzicht auf flüssiges reines,
für die
Reformierung geeignetes Wasser entfallen außerdem sämtliche beim Stand der Technik
immer wieder in Betracht zu ziehenden Probleme hinsichtlich der
Forstbeständigkeit
des Brennstoffzellensystems. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist
prinzipbe dingt auch bei Temperaturen deutlich unter 0°C funktionsfähig bzw.
startbar, wie später noch
erläutert
wird.
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In einer besonders günstigen
Ausgestaltungen der Erfindung wird der in den Bereich des Gaserzeugungssystems
zurückgeführte Wasserdampf
mittels für
Wasserdampf selektiv durchlässigen
Membranen zumindest aus dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle abgetrennt.
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Dadurch wird eine sehr effiziente
Rückführung des
Wasserdampfs ermöglicht,
da aufgrund der für
Wasserdampf selektiv durchlässigen
Membranen lediglich der Wasserdampf, gegebenenfalls mittels eines
definierten Transportgasstroms, transportiert werden muss. Die benötigte Wasserdampf
menge kann also sehr gezielt zurückgeführt werden,
ohne dass dafür
unnötig
große
Volumenströme
bewegt werden müssen,
was sich wiederum vorteilhaft auf die kompakte Ausgestaltung von
Gasfördermitteln, wie
Kompressoren oder dergleichen, auswirkt. Letztendlich wirkt sich
dies dann wiederum positiv auf den Systemwirkungsgrad aus, da entsprechend
größere Kompressoren
aufgrund der größeren zu
beschleunigenden Massen eine höhere
Antriebsenergie benötigen
würden.
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Bei dieser Ausführung der Erfindung entsteht außerdem der
Vorteil, dass aufgrund der selektiv für Wasserdampf durchlässigen Membranen
und der hierdurch erfolgenden Befeuchtung der Kathodenzuluft kein
flüssiges
Wasser in den Bereich der Kathode gelangt, welches dort die Funktionalität der wenigstens
einen Brennstoffzelle beeinträchtigen
könnte.
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Neben dem während des bestimmungsgemäßen Betriebs
des Brennstoffzellensystems üblicherweise
vorliegenden Normalfall, in welchem der benötigte Wasserdampf vollständig aus
dem Kathodenabgas abgetrennt wird, kann, insbesondere im Kaltstartfall
auch Wasser aus dem Bereich des Anodenabgases bzw. aus in einem
Bypass um die Anode geführtem
Brennerabgas mit zurückgewonnen
werden.
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In einer besonders günstigen
Weiterbildung dieser Ausgestaltung der Erfindung kann es außerdem vorgesehen
sein, dass neben der Abtrennung des Wasserdampfs für das Gaserzeugungssystem auch
die Befeuchtung des der wenigstens einen Brennstoffzelle kathodenseitig
zugeführten
Reaktionsstoffes, insbesondere Luft, durch das Kathodenabgas mittels
für Wasserdampf
selektiv durchlässigen
Membranen erfolgt, wobei die Membranen für die Abtrennung und die Befeuchtung
in einem Modul zusammengefasst sind.
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Beispielsweise kann das Modul so
ausgeführt
sein, dass das Kathodenabgas auf der einen Seite des für Wasserdampf
selektiv durchlässigen Membranen,
z.B. im Inneren von Hohlfasermembranen, strömt, während diese Membranen auf ihrer dem
feuchten Kathodenabgas abgewandten Seite durch zwei verschiedene,
voneinander getrennte Räume
laufen, in denen Befeuchtung des zur Kathode geführten Reaktionsstoffes in dem
einen Raum und die Rückgewinnung
von Wasserdampf für
das Gaserzeugungssystem in dem anderen Raum realisiert ist. Ein
derartiger Aufbau erlaubt wiederum eine sehr kompakte, leicht und
platzsparende Bauweise, wobei die benötigen Leitungslängen und
die damit zwangsläufig
verbundene Energieverluste minimiert werden können.
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Der Wasserdampf kann gemäß einer
sehr günstigen
Weiterbildung der Erfindung durch ein Fördermittel in den Bereich des
Gaserzeugungssystem transportiert werden.
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Dieses Fördermittel würde dann
entsprechend der benötigten
Wassermenge einen Unterdruck erzeugen, durch welchen der Wasserdampf aus
dem Bereich der Brennstoffzelle abgezogen und von der Fördereinrichtung
in den Bereich des Gaserzeugungssystems gefördert wird. Bei der oben genannten
Ausführung
mit den für
Wasserdampf selektiv durchlässigen
Membranen, kann so reiner Wasserdampf, ohne oder mit einer minimalen
Menge an inerten Gasbestandteilen zu dem autothermen Reformer gefördert werden.
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Als alternative Ausgestaltung hierzu
kann der Wasserdampf auch durch einen Transportgasstrom, welcher
dann ebenfalls von dem Fördermittel bewegt
werden würde,
in den Bereich des Gaserzeugungssystem transportiert werden.
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Falls ein derartiger Transportgasstrom
eingesetzt wird, wäre
es besondere vorteilhaft, wenn dieser Transportgasstrom durch die
dem autothermen Reformer ohnehin zugeführte Luft gebildet wird. Durch
diese Maßnahme
kann dann wiederum Verdichterleistung für die zugeführte Luft eingespart werden,
da diese Luft ohnehin durch ein geeignetes Fördermittel in den Bereich des
autothermen Reformers gefördert
werden müsste.
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Neben den eingangs bereits erwähnten Vereinfachungen
des Gaserzeugungssystems, beispielsweise durch Wegfall der Verdampfung
eines katalytischen Brenners und dergleichen, ergibt sich eine weitere
Vereinfachung gemäß einer
sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Gemäß dieser
Ausgestaltung ist in dem Gaserzeugungssystem zwischen wenigstens
einer ersten Wassergasshiftstufe und einer weiteren Wassergasshiftstufe
und/oder einer Feingasreinigung ein von einem Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher
in dem Reformatgasstrom vorgesehen, dessen Kühlleistung durch das Kühlmedium
unabhängig
regelbar ist.
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Ein derartiger Aufbau des Gaserzeugungssystems
mit einer oder zwei Shiftstufen und einer nachgeschalteten Feingasreinigung
ist dabei prinzipiell bekannt. Es ist auch bekannt, dass ein Wärmetauscher
nach der ersten Shiftstufe angeordnet wird, um die Temperatur für den Eintritt
in die weitere Shiftstufe oder die Feingasreinigung entsprechen
anzupassen.
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Die Qualität der Feingasreinigung und
gegebenenfalls der Gasumsatz in der zweiten Shiftstufe hängt im wesentlich
von der hier eingestellten Temperatur ab. Um bei den bisherigen
Systemen den Energieaufwand für
die Verdampfung des flüssigen Wassers
möglichst
gering zu halten, ist bei allen Systemen, im Bereich dieses oben
genannten Wärmetauschers,
ein Vorwärmen
des Wassers und gegebenenfalls ein teilweises Verdampfen desselben
vorgesehen. Daraus ergibt sich nun jedoch die Problematik, dass
die Temperatur in der Feingasreinigung oder der zweiten Shiftstufe
bei einer derartigen Wasservorwärmung
nicht unabhängig
eingestellt werden kann, sondern dass diese unmittelbar von dem
benötigten
Wasser und dem Zustand des im Bereich des Wärmetauschers ankommenden Wasserstroms
abhängt.
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Dadurch, dass gemäß der Erfindung auf ein Handling
von Flüssigwasser
vollkommen verzichtet werden kann, ergibt sich hier nun die Möglichkeit, diese
Energie im Bereich des oben genannten Wärmetauschers durch ein Kühlmedium
abzuführen.
Da der Volumenstrom dieses Kühlmediums
unabhängig von
anderen Vorgängen
im Bereich des Gaserzeugungssystems geregelt werden kann, wird die
Regelung des gesamten Gaserzeugungssystems hierdurch deutlich vereinfacht
und es ergibt sich außerdem
der Vorteil, dass aufgrund der sehr exakt einstellbaren Temperatur
im Bereich der zweiten Shiftstufe und/oder der Feingasreinigung
eine hohe Wasserstofferzeugung und eine gute Reinigungsleistung der
eingesetzten Feingasreinigungseinrichtung erzielt werden kann.
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Gemäß einer sehr günstigen
Weiterbildung hiervon, ist es vorgesehen, dass das Kühlmedium
in allem Betriebszuständen
des Brennstoffzellensystems flüssig
vorliegt.
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Das flüssige Kühlmedium, z.B. aus einem mit einem
Wasser-Glykol-Gemisch
betriebenen Kühlkreislauf,
erlaubt es, einen Wärmetauscher
einzusetzen, bei dem das Gasförmige
Reformat durch flüssiges
Kühlmedium
gekühlt
wird. Derartige Wärmetauscher
lassen sich dann bei den gegebnen Bedingungen, beim bereist mehrfach
erwähnten
Beispiels der 5kWel-APU wäre eine
maximale Kühlleistung
von weniger als maximal 700 Wth zu er warten,
sehr klein und kompakt bauen. Durch die Kühlung eines Gases mittels einem
flüssigen
Kühlmedium
lässt sich
die Kühlleistung
und damit die Temperatur des Reformatgases nach dem Wärmetauscher
sehr gut zu regeln. Somit kann auch die Temperatur und damit die
Qualität
bzw. Ausbeute der Feingasreinigung bzw. der zweiten Shiftstufe ideal
geregelt werden.
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In einer sehr vorteilhafte Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
ist es vorgesehen, dass die Feingasreinigung als Methanisierung
ausgebildet ist.
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Die Methanisierung ist als Reinigungsmethode
für wasserstoffhaltiges
Reformatgas allgemein bekannt. Dabei wird aus Kohlenmonoxid, welches
für die
Brennstoffzelle extrem schädlich
ist und deren Elektrokatalysatoren vergiftet, also deren katalytisch aktive
Zentren hemmt, und einem Teil des erzeugten Wasserstoffs Wasser
und Methan gebildet. Dieses Wasser kommt dann wieder dem Gaserzeugungssystem
zugute, das es durch die Membran der Brennstoffzelle treten und
mit so aus dem Kathodenabgas wieder zurückgewonnen werden kann. Das Methan
schadet der Brennstoffzelle nicht und kann nachfolgend z.B. bei
einer APU in einem Fahrzeug oder einem Hybridantrieb mit einem Verbrennungsmotor
diesem oder dessen Abgasanlage zugeführt werden.
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Eine besonders für den Kaltstartfall sehr vorteilhafte
Weiterbildung der erfinderischen Idee sieht vor, dass um den Anodenbereich
der Brennstoffzelle eine Bypassleitung, zur Zuführung des erzeugten Gases in
das Kathodenabgas der Brennstoffzelle vor der Abtrennung des Wasserdampfs,
vorgesehen ist.
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Diese Bypassleitung wird im Kaltstartfall
des Gaserzeugungssystems eine entscheidenden Rolle spielen. Üblicherweise
erfolgt der Kaltstart des Gaserzeugungssystems durch eine zumindest
teilweise Verbrennung des kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangstoffes,
z.B. in einem Startbrenner und/oder in dem dann als partielle Oxidationsstufe
betrieben Reformer. Die dabei entstehenden Abgase können dem
Anodenraum der Brennstoffzelle gegebenenfalls einerseits schaden,
so dass der Bypass den Anodenraum der Brennstoffzelle entlastet.
Andererseits enthalten die Abgase, wie die Abgase jeder Verbrennung
eines des kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangstoffes, zumindest teilweise
dampfförmiges
Wasser. Durch die Zusammenführung
dieser Abgase mit dem Kathodenabgas der Brennstoffzelle vor der
Abtrennung des Wasserdampfs, wird also auch der in den Abgasen des
Startvorgangs des Gaserzeugungssystems enthaltene Wasserdampf bereits
für den
autothermen Reformer bzw. für
den Übergang
von einer zumindest teilweisen Verbrennung zur autothermen Reformierung
genutzt.
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Eine ausgesprochen vorteilhafte und
günstige
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenbereich der wenigstens
einen Brennstoffzelle in mehrere einzelne Abschnitte unterteilt
ist, wobei dem Elektrodenbereich die Reaktionsstoffe, insbesondere
Wasserstoff und Luft, in einer Menge zugeführt werden, welche größer als
die Menge der im Elektrodenbereich umsetzbaren Reaktionsstoffe ist,
und wobei die Abschnitte des Elektrodenbereichs so angeordnet sind,
dass die Reaktionsstoffe zuerst eine erste Anzahl von Abschnitten
der jeweiligen Elektrodenbereiche parallel und in Strömungsrichtung
danach wenigstens eine weitere kleinere Anzahl an Abschnitten anströmen.
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Durch diese Kaskadierung der von
den Reaktionsstoffen angeströmten
Elektrodenbereiche, wobei es sich bei diesen Elektrodenbereichen
gemäß eine sehr
vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee insbesondere um die Anodenbereiche
der wenigstens einen Brennstoffzelle handelt, werden sehr günstige Eigenschaften
für den
Betrieb der Brennstoffzelle erreicht. Da die Anodenbereich mit dem
für diese
erzeugten Wasserstoff angeströmt
werden, wirken sich hier hohe Gesamtüberschüsse besonders nachteilig aus,
das hierfür
mit hohem Aufwand an Energie und Edukten, insbesondere Wasserdampf
für die
autotherme Reformierung, zuerst Wasserstoff erzeugt werden muss,
welcher dann ungenutzt bleibt. Der Vorteil eines geringeren Überschusses
wiegt hier also noch höher
als bei der Kathodenseite, für
welche lediglich etwas mehr Luft verdichtet werden muss, aus.
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Grundsätzlich ist es natürlich von
Vorteil, die Elektrodenbereiche mit einem Überschuss der Reaktionsstoffe,
insbesondere den Anodenbereich mit einem Überschuss an Wasserstoff, anzuströmen, um hier
den Wasserstoffpartialdruck entsprechend hoch zu halten. Andererseits
bedeutet dieser Überschuss an
Wasserstoff immer auch einen Verlust an Wasserstoff einerseits und
einen höheren
Aufwand hinsichtlich der Gaserzeugung und damit letztendlich auch eine
höhere
zuzuführende
Menge an Wasserdampf für
den autothermen Reformer andererseits.
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Es ist also das Ziel einer entsprechenden Ausgestaltung
der Elektrodenbereiche gemäß der oben
genannten Ausführung,
die einzelnen Abschnitte der Elektroden mit relativ hohem Überschuss
an Reaktionsstoffen anzuströmen,
während
der Gesamtüberschuss
dennoch minimiert werden soll.
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Eine gemäß diesen Ausführung der
Erfindung ausgestaltete Kaskadierung der Elektrodenbereiche kann
beispielsweise so aussehen, dass zuerst drei Abschnitte parallel
von den Reaktionsstoffen angeströmt
werden. Im Bereich dieser Abschnitte wird dann ein Überschuss
an Reaktionsstoffen in der Größenordnung
von beispielsweise 40 % Verwendung finden. Nach dem Durchströmen der
genannten drei Abschnitte bleibt damit immer noch ein Überschuss von
20 %, bezogen auf einen der Abschnitte, übrig: Wird also nach den drei
genannten Abschnitten ein einzelner vierter Abschnitt angeströmt, so kann
dieser ebenfalls noch mit einem Überschuss
von 20 % der Reaktionsstoffe betrieben werden. Alle vier Abschnitte
werden also mit einem vergleichsweise hohen Überschuss betrieben, während der
Ge samtüberschuss,
bezogen auf alle vier Abschnitte, lediglich noch 5 % beträgt.
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Mit einem derartigen Aufbau können also
die Vorteile des Betriebs der Elektrodenbereiche, und hier insbesondere
der Anodenbereiche der Brennstoffzelle, mit einem Überschuss
an Reaktionsstoff erreicht werden, wobei der Gesamtüberschuss
minimiert wird.
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Dabei gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten der
Ausgestaltung dieser Variante der Erfindung. So ist es beispielsweise
gemäß einer
ersten Weiterbildung dieser Idee vorgesehen, dass die Abschnitte
im Bereich jeder einzelnen der wenigstens einen Brennstoffzelle
durch eine entsprechende Ausgestaltung der Reaktionsstoffzuführung ausgebildet
sind.
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Üblicherweise
wird bei gattungsgemäßen Brennstoffzellensystemen
nicht eine einzelnen Brennstoffzelle, sondern eine Vielzahl von
Brennstoffzellen, welche zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstapel
zusammengefasst sind, angeströmt.
In diesen einzelnen Zellen befindet sich geeignete Reaktionsstoffzuführungen,
welche beispielweise in Form von geprägten oder geätzten Fließfeldern,
sogenannten "flow
fields", ausgebildet sind.
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Derartige Fließfelder können nun so ausgeführt sein,
dass zuerst eine gewisse Anzahl von Abschnitten parallel von den
Reaktionsstoffen, und hier wiederum insbesondere von dem anodenseitig
eingesetzten Wasserstoff, angeströmt werden, während danach
eine kleiner Anzahl an Abschnitten entsprechend angeströmt wird.
Sofern jeder einzelne der Abschnitte eine in etwa gleich große Fläche der
Elektrode überdeckt,
kommt es in jeder einzelnen Zelle zu dem eingangs beschriebenen
Effekt.
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Selbstverständlich kann eine derartige
Kaskadierung nicht nur in zwei, sondern auch in mehreren Stufen
ausgeführt
werden.
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Die alternative Ausgestaltung sieht
vor, dass eine entsprechende Kaskadierung nicht durch eine Unterteilung
der Reaktionsstoffzuführung
im Bereich jeder einzelnen Zelle, sondern durch mehrere, jeweils
strömungstechnisch
parallel geschaltete einzelne, von ihren Reaktionsstoffen möglichst
gleichmäßig angeströmte Brennstoffzellen
gebildet wird. Jeder Abschnitt umfasst dann eine gewisse Anzahl
von einzelnen Brennstoffzellen und die einzelnen Abschnitte sind
untereinander in der oben genannten Art verschaltet.
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Hinsichtlich der üblicherweise verwendeten Ausgestaltung
der Brennstoffzellen in Form eines Brennstoffzellenstapels können hier
prinzipiell jeder der Abschnitte durch einen eigenen Brennstoffzellenstapel
gebildet werden. Gemäß einer
sehr günstigen Weiterbildung
der Idee werden diese einzelnen Abschnitte jedoch in einem einzigen
Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, in welchem die entsprechende
Zuführung
der Reaktionsstoffe dann durch Trennplatten zwischen den einzelnen
Abschnitten geeignet gestaltet werden kann.
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Eine besonders günstige Verwendung für ein derartiges
Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung
liegt aufgrund seiner sehr einfachen, kleinen und leichten Bauweise
im Bereich eines Hilfsenergieerzeugers, einer sogenannten APU.
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Eine derartige APU kann dabei als
Energielieferant für
elektrischer Komponenten und Peripheriesysteme, beispielsweise in
Kraftfahrzeugen oder andersartigen Transportmitteln, zu Lande, im
Wasser oder in der Luft eingesetzt werden. Über die APU wird dabei elektrische
Energie während
der Fortbewegung des Transportmittels oder auch im Stillstand desselben
erzeugt, weiche elektrische Systeme, wie Navigationseinrichtungen,
Klimatisierungseinrichtungen oder dergleichen, unabhängig von
der zur Fortbewegung genutzten Energiequelle mit elektrischer Energie
versorgen kann. Typische Größen für derartige
APUs liegen bei ca. 3 bis 10 kWel.
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Eine alternative Verwendung, bei
der die durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
erzielten Vorteile hinsichtlich der Einfachheit, Robustheit und
hinsichtlich des kompakten Aufbaus ebenfalls besonders günstig sind,
liegt sicherlich auch in der Verwendung des Brennstoffzellensystems
zum Erzeugen zumindest eines Teils der Antriebsenergie für ein Kraftfahrzeug
bzw. Transportmittel zu Lande, im Wasser oder in der Luft.
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Auch hier werden entsprechende Anforderungen
an das Brennstoffzellensystem gestellt, welche insbesondere im Bereich
der Kompaktheit, der Kosten und des Wirkungsgrads zu suchen sind,
welche durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
in idealer Weise befriedigt werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
kann also als Energielieferant für
die Antriebsenergie eingesetzt werden, wobei die Antriebsenergie
ganz aus dem Brennstoffzellensystem stammen kann oder auch nur teilweise
aus dem Brennstoffzellensystem, beispielsweise bei hybridisierten
Antriebskonzepten mit Brennstoffzellensystem und Batterie oder Brennstoffzellensystem
und andersartigem Antriebsenergieerzeuger, beispielsweise einem
Verbrennungsmotor.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und
aus den Ausführungsbeispielen,
welche anhand der Zeichnungen nachfolgend erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine
erste mögliche
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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2 eine
alternative mögliche
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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3 eine
weitere alternative mögliche
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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4 eine
mögliche
Ausgestaltung der strömungstechnischen
Anordnung der Elektrodenbereiche der wenigstens einen Brennstoffzelle
des Brennstoffzellensystems am Beispiel der Anodenbereiche;
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5 eine
alternative mögliche
Ausführungsform
der Ausgestaltung gemäß 3;
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6 ein
Zahlenbeispiel für
den regulären Betrieb
einer Ausgestaltungsmöglichkeit
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
und
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7 ein
prinzipmäßig angedeutetes
Transportmittel am Beispiel eines Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
und einem Verbrennungsmotor.
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In 1 ist
ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß der Erfindung in einer ersten
möglichen
Ausführungsform
dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 ist in den hier
dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils
mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen dargestellt, welcher in
einem Brennstoffzellenstapel 2 in an sich bekannter Weise
zusammen gefasst sind. Bei den einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 soll
es sich insbesondere um Brennstoffzellen mit Elektronen leitender
Membran, sogenannte PEM-Brennstoffzellen, handeln. Neben dem Brennstoffzellenstapel 2 ist
eine entscheidende Komponente des hier dargestellten Brennstoffzellen
systems 1 ein Gaserzeugungssystem 3, in welchem
aus einem flüssigen,
kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsstoff das zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels 2 benötigte wasserstoffhaltige
Gas erzeugt wird.
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Bei dem genannten Ausgangsstoff,
welcher in 1 und den
nachfolgenden Figuren mit seiner chemischen Formel CnHm dargestellt
ist, soll es sich bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
insbesondere um Benzin oder Diesel handeln. Prinzipiell wären für ein derartiges
Gaserzeugungssystem jedoch auch andere kohlenwasserstoffhaltige
Ausgangsstoffe, wie Methanol, Naphta, Kerosin, Methan oder dergleichen,
denkbar.
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In dem Gaserzeugungssystem 3 wird
nun dieser kohlenwasserstoffhaltige Ausgangsstoff zusammen mit Wasser
und Luft – als
Sauerstofflieferant – in
einem autothermen Reformer 4 in ein wasserstoffhaltiges
Gas umgesetzt. Dieses wasserstoffhaltige Gas bzw. Reformat durchläuft dann
in dem in 1 dargestellten
Gaserzeugungssystem 3 eine nachfolgend zur Vereinfachung
als Shiftstufe 5 bezeichnete Wassergasshiftstufe, ehe es
im Bereich einer Feingasreinigung 6 in der Art aufbereitet
wird, dass es einem Anodenraum 7 des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt werden
kann, ohne dass in dem Reformat, für den Anodenbereich 7 des
Brennstoffzellenstapels 2 schädliche Inhaltsstoffe, wie beispielsweise
Kohlenmonoxid oder dergleichen, enthalten sind. Diese Feingasreinigung 6 kann
dabei in vielseitiger Weise ausgebildet sein, üblich sind beispielsweise Einrichtungen
zur selektiven Oxidation des Kohlenmonoxids oder eine Ausgestaltung
der Feingasreinigung 6 als Methanisierung, in welcher aus
einem Teil des Wasserstoffs und dem Kohlenmonoxid Methan und Wasser
gebildet werden. In dem in 1 und
den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel soll es sich
bei der Feingasreinigung 6 jeweils um eine Methanisierung
handeln, was die Erfindung jedoch nicht auf diese Art der Feingasreinigung 6 einschränken soll.
Durch die zusätzliche Bildung
von Wasser im Bereich der Methanisierung ist diese jedoch aus den
nachfolgend noch beschriebenen Gründen für das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 eine
sehr günstige
Art der Feingasreinigung 6.
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Auf die Shiftstufe 5 soll
hier nicht näher
eingegangen werden, da derartige Shiftstufen, bei welchen durch
eine Wassergasshiftreaktion der Anteil an Wasserstoff in dem aus
dem autothermen Reformer 4 stammenden Reformat erhöht wird,
an sich bekannt sind. In dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
handelt es sich dabei um eine einzige Shiftstufe 5, und
es wären,
ein derartiges Ausführungsbeispiel
wird später
auch noch beschrieben, jedoch auch mehrere Shiftstufen denkbar, welche
dann nach Hochtemperaturshiftstufe (HTS) und Niedrigtemperaturshiftstufe
(LTS) aufgeteilt werden könnten.
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Neben dem wasserstoffhaltigen Gas
aus dem Bereich des Gaserzeugungssystems 3 wird dem Brennstoffzellenstapel 2,
und hier insbesondere einem Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 2 ausserdem
ein Oxidationsmittel bzw. ein zu oxidierender Reaktionsstoff zugeführt. Bei
diesen Reaktionsstoff, welcher dem Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt wird,
wird es sich üblicherweise
um Luft handeln. Der Anodenraum 7 und der Kathodenraum 8 des
Brennstoffzellenstapels 2 sind dabei so ausgebildet, dass
Protonen aus dem wasserstoffhaltigen Gas durch eine PE-Membran gelangen
und dass neben elektrischer Energie auch Wasser als Produkt dieser "kalten" Verbrennung entsteht.
Dieses Produktwasser wird zusammen mit Restwasser der Reformierung
und dem in der Methanisierung als Feingasreinigung 6 gebildeten
Wasser, welches in dem wasserstoffhaltigen Gasstrom aus dem Gaserzeugungssystem 3 enthalten
ist, und welches beim Betrieb durch die PE-Membran 9 hindurchtreten
kann, als Wasserdampf von dem durch einen Verdichter 10 zu
und durch den Kathodenraum 8 geförderten Luftstrom aus dem Bereich
des Brennstoffzellenstapels 2 transportiert.
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Der Kathodenabluftstrom des Brennstoffzellenstapels 2 gelangt
dann in ein sogenanntes Membranmodul 11, in welchem er
zumindest in einem Teilbereich 12 lediglich durch für Wasserdampf
selektiv durchlässige
Membranen 13 von der Kathodenauluft getrennt mit dieser
in Kontakt kommt. Der Wasserdampf aus der Kathodenabluft wird dann
diese für Wasserdampf
selektiv durchlässigen
Membranen 13, welche beispielsweise als Hohlfasermembranen
ausgebildet sein können,
durchdringen und die zu dem Kathodenraum 8 strömende Zuluft
befeuchten. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die in den
Kathodenraum 8 des Brennstoffzellenstapels 2 einströmende Luft
ausreichend befeuchtet ist, so dass eine Schädigung der PE-Membranen 9 durch
Austrocknung vermieden werden kann.
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Nach dem Durchströmen des Membranmoduls 11 wird
die dann getrocknete Kathodenabluft mit dem Abgasstrom aus dem Bereich
des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels 2 vermischt
und kann gegebenenfalls einer weiteren Aufgabe zugeführt werden.
Je nach Einsatz des Brennstoffzellensystems 1, beispielsweise
in einem mit einem Verbrennungsmotor 33 ausgerüsteten Kraftfahrzeug 32, wie
es später
noch dargestellt ist, kann der gesammelte Abgasstrom beispielsweise
dem Verbrennungsmotor 33 zugeführt werden, so dass die verbleibenden
Reststoffe, insbesondere das Methan, im Falle der Feingasreinigung 6 durch
Methanisierung, nachverbrannt werden können. Diese Nachverbrennung
bzw. Umsetzung kann jedoch auch durch eine übliche Abgasreinigungsanlage
erfolgen.
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Zusätzlich zu den bereits beschriebenen,
für die
Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 1 grundlegend
notwendigen Bestandteile weist das in 1 dargestellte
Brennstoffzellensystem 1 einige weitere Besonderheiten
und Komponenten auf, welche nachfolgend erläutert werden sollen. Zuerst
fällt auf,
dass das Membranmodul 11 neben dem Teilbereich 12 einen
weiteren Teilbereich 14 aufweist, welcher von den beispielsweise
als Hohlfasermembranen ausgebildeten Membranen 13 ebenfalls
durchdrungen wird. Dieser Teilbereich 14, welcher auf seiner
dem feuchten Kathodenabgas abgewandten Seite der Membranen 13 gegenüber dem
Teilbereich 12 abgedichtet ist, wird nun von Luft, welche über eine Drossel 15 und
gegebenenfalls über
eine Luftreinigungseinrichtung, wie den später noch dargestellte Luftfilter 27 des
Verdichters 10, in den Teilbereich 14 einströmt, durchströmt und befeuchtet.
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Das Membranmodul 11 mit
seinen beiden Teilbereichen 12 und 14 kann beispielsweise
so aufgebaut sein, dass die Hohlfasermembranen 13 von der
einen Seite des Moduls zu der anderen Seite reichen und von dem
feuchten Abgasstrom aus dem Bereich des Kathodenraums 8 durchströmt werden. Der
Teilbereich 14 ist gegenüber dem Eintritt dieses feuchten
Anodenabgases durch eine Dichtung, welche beispielsweise durch ein
Vergießen
der Hohlfasermembranen 13 erfolgen kann. Ein ähnliches
Vergießen,
welches die Teilbereiche 12 und 14 voneinander
abdichtet kann auch zwischen diesen erfolgen. Damit entsteht ein
einfaches kompaktes und kleines Hohlfasermembranmodul 11,
welches die beiden Teilbereiche 12 und 14 aufweist
und somit zwei getrennte Volumenströme an bzw. mit Wasserdampf bereitstellen
kann. Um die Ausbeuten an Wasserdampf entsprechend den Erfordernissen
anzupassen reicht es aus, die Größe der beiden
Teilbereiche 12 und 14 sowie deren Anordnung im
Bereich des in die Hohlfasermembranen 13 einströmenden und
dem Bereich des aus den Hohlfasermembranen 13 ausströmenden feuchten
Abgases geeignet zu wählen.
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Der über die Drossel 15 in
dem Teilbereich 14 befeuchtete Luftstrom wird durch eine
Fördereinrichtung 16,
welche beispielsweise mit dem Verdichter 10 auf einer gemeinsamen
Welle 17 und von einem gemeinsamen Motor 18 angetrieben
sein kann, in den Bereich des Gaserzeugungssystems 3 gefördert. Unmittelbar
vor dem Eintritt in den Bereich des Gaserzeugungssystems 3 wird
diesem wasserdampfstrom, welcher von der Fördereinrichtung 16 mit
Unterstützung
der Luft als Transportmedium transportiert wird, der kohlenwasserstoffhaltige
Ausgangsstoff CnHm,
beispielsweise Benzin, zugeführt.
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Das Gemisch aus Benzin, Wasserdampf
und Luft, welches zur autothermen Reformierung geeignet ist, wird über einen
Wärmetauscher 19 und
einen später
noch zu erläuternden,
dem Kaltstartfall vorbehaltenen Brenner 20 zur Reformierung
in den autothermen Reformer 4 geleitet. Das Zumischen des Benzins
vor dem Eintritt in den Wärmetauscher 19 ist besonders
günstig,
da es durch die häufigen
Richtungswechsels des in den Wärmetauscher 19 strömenden Gases
zu einer sehr guten Vermischung des Wasserdampfs mit dem Benzin
kommt und da dieses, wenn es z. B. flüssig in dem Wasserdampf zerstäubt wird,
im Bereich des Wärmetauschers 19 sehr leicht
verdampft werden kann, da die eingesetzte Menge an Benzin im Verhältnis zum Wasserdampf vergleichsweise
klein ist und Benzin gut verdampft.
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In dem autothermen Reformer 4 erfolgt
dann die Umsetzung dieses Gemischs in ein wasserstoffhaltiges Reformat,
welches eine vergleichsweise hohe Temperatur von ca. 850 bis 900 °C aufweist. Dieses
wasserstoffhaltige heiße
Reformat strömt dann
durch den Wärmetauscher 19 in
den Bereich der Shiftstufe 5, wobei in dem Wärmetauscher 19 dabei
das wasserstoffhaltige Reformat auf ca. 300 °C abgekühlt und das Gemisch aus Wasserdampf,
Benzin und Luft auf eine geeignete Eingangstemperatur in den autothermen
Reformer 4 von ca. 800 °C
aufgewärmt
wird.
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Im Bereich der Shiftstufe 5 erfolgt
dann die an sich bekannte Wassergasshiftreaktion, bei welcher zusätzlicher
Wasserstoff entsteht, und bei welcher sich außerdem die Temperatur in dem
Reformat um rund 100 °C
anhebt. Nach der Shiftstufe 5 durchströmt das wasserstoffhaltige Reformat
dann einen weiteren Wärmetauscher 21,
in welchem es durch ein flüssiges
Kühlmedium
auf eine geeignete Eintrittstemperatur in die Feingasreinigung 6 abgekühlt wird.
Bei der bereits mehrfach angesprochenen Methanisierung als Feingasreinigung 6 sollte
diese Temperatur in der Größenordnung
von ca. 200 °C
liegen.
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Der Wärmetauscher 21 kann
als sehr kleiner, kompakter und effektiv arbeitender Wärmetauscher 21 realisiert
werden, da das flüssige
Kühlmedium, welches
ihn kühlt,
in allen Betriebszuständen
des Brennstoffzellensystems 1 flüssig ist und aus dem ohnehin
vorhandenen Kühlkreislauf 22 des
Brennstoffzellensystems stammt. Durch diese besondere Ausgestaltung
des Wärmetauschers 21 mit
Anbindung an den Kühlkreislauf 22 lässt sich
die Temperatur für
den Eintritt in die Feingasreinigung 6, beispielsweise über ein
Drei-Wege-Proportionalventil 210, ideal einstellen bzw.
regeln, was wiederum den positiven Effekt hat, dass der Umsatz und
die Reinigungsleistung im Bereich der Feingasreinigung optimiert
werden kann, da diese durch die Temperatur der ihr zuströmenden Edukte
stark beein flusst wird. Die unabhängige Regelung der Temperatur
im Bereich des Wärmetauschers 21 durch
den Kühlkreislauf 22 stellt
somit eine sehr einfache und effektive Möglichkeit der Verbesserung
der Qualität
der Gasreinigung des Stoffumsatzes im Bereich der Feingasreinigung 6 dar.
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Nach dem verlassen des Gaserzeugungssystems 3 strömt das wasserstoffhaltige
Gas in den Bereich des Brennstoffzellenstapels 2. Da das
wasserstoffhaltige Gas nach der Feingasreinigung 6 eine Temperatur
in der Größenordnung
von 250 °C
aufweist, und da die Temperatur im Bereich des Anodenraums 7 des
Brennstoffzellenstapels 2 deutlich niedriger sein sollte,
strömt
das aus dem Gaserzeugungssystem 3 stammende wasserstoffhaltige
Gas durch einen weiteren Wärmetauscher 23.
Dieser Wärmetauscher
ist dabei in idealer Weise in den Brennstoffzellenstapel 2 integriert.
Er wird letztendlich durch einen Kühlwärmetauscher 24, welcher
Teil des Kühlkreislaufs 22 ist,
zusammen mit den weiteren Komponenten des Brennstoffzellenstapels 2 gekühlt. Die
Integration des Wärmetauschers 23 in
den Brennstoffzellenstapel 2 ist außerdem sehr günstig, da
sich ein derartiger Aufbau sehr kompakt ausbilden lässt und die
Leitungslängen
zwischen dem Gaserzeugungssystem 3 und dem Brennstoffzellenstapel 2 sehr
gering gehalten werden können.
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Neben den bereits erwähnten Wärmetauschern 21 und 24 ist
außerdem
eine Fördereinrichtung 25 sowie
ein Kühler 26 Bestandteil
des angesprochenen Kühlkreislaufs 22.
Der Kühler 26 üblicherweise
von einem Luftstrom gekühlt,
welcher beispielsweise aus dem Fahrtwind resultieren oder durch
einen exemplarisch angedeuteten Lüfter 260 erzeugt werden
kann. Bei der Verwendung des Brennstoffzellensystems 1 in
einem Fahrzeug 32 kann dieser Kühlkreislauf 22 an
den ggf. bereits vorhandenen Kühlkreislauf
des Fahrzeugs 32, z.B. an den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 33 oder dergleichen,
angekoppelt werden. Vergleichbar wie in einem solchen Kühlkreislauf
wird auch in dem Kühlkreislauf 22 des
Brennstoffzellensystems 1 ein frost sicheres Kühlmittel,
beispielsweise auf Basis eines Wasser-Glykol-Gemischs strömen, welches in allen Betriebszuständen des
Brennstoffzellensystems 1 flüssig bleibt und so für eine sehr
hohe Kühlleistung
sorgen kann.
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Neben diesen bereits erläuterten
Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 in 1 sind neben einem Luftfilter 27 einige
weitere Komponenten vorhanden, welche überwiegend für den Kaltstartfall
des Brennstoffzellensystems 1 von Bedeutung sind. So wird
im Falle des Kaltstarts beispielsweise der bereits erwähnte Startbrenner 20 Verwendung
finden, in welchem Luft zusammen mit dem Benzin verbrannt wird,
um mit einer derartigen Flammverbrennung den autothermen Reformer 4 sehr
schnell auf Temperatur zu bringen. Die Luft wird dabei mittels der
Fördereinrichtung 16 durch
die Drossel 15 und den Teilbereich 14 des Membranmoduls 11 gefördert. Im
ersten Augenblick des Kaltstarts wird hierin noch keinerlei Wasserdampf
vorhanden sein, dies kann in dieser frühen Phase des Kaltstarts jedoch
toleriert werden. Die Luft gelangt dann auf dem beschriebenen Weg
in den Bereich des Startbrenners 20 und wird dort zusammen
mit dem Benzin verbrannt um, wie bereits erwähnt, den autothermen Reformer 4 möglichst
schnell auf seine Betriebstemperatur aufzuheizen. Der autotherme
Reformer 4 selbst wird dann zuerst als partielle Oxidationsstufe betrieben,
um sich weiter aufzuheizen. Parallel dazu wird das Benzin-Luftgemisch über ein
schaltbares im Falle des Kaltstarts geöffnetes Ventil 201 in
den Bereich der Shiftstufe 5 geleitet, um mit der enthaltenen Luft
auch hier eine Verbrennung des in dem autothermen Reformer 4 entstehenden
Wasserstoffs und Kohlenmonoxids und ggf. des Brennstoffs zu erreichen
um eine schnellstmögliche
Erwärmung
zu realisieren.
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Das in dem Gaserzeugungssystem 3
im Falle des Kaltstarts entstehende Gas wird in an sich bekannter
Weise nicht durch den Brennstoffzellenstapel 2 geleitet,
da die in ihm enthaltenen Inhaltsstoffe die Katalysatoren und dergleichen
im Bereich des Anodenraums 7 gefährden könnten. Das entstehende Gas
wird vielmehr durch eine schaltbares Drei-Wege Ventil 280 und
eine Bypassleitung 28 um den Anodenraum 7 des Brennstoffzellenstapels 2 geleitet
und gelangt dann in neuer Weise, gegebenenfalls zusammen mit bereits
durch den Kathodenraum 8 strömenden Luft in den Bereich
des Membranmoduls 11. Da bei jeder herkömmlichen Verbrennung auch Wasserdampf
als eines der Produkte entsteht, wird so bereits sehr früh eine Bereitstellung
von Wasserdampf durch das Membranmodul 11 erreicht, so
dass ein kontinuierlicher Übergang
vom Kaltstartbetrieb in den regulären Betrieb des Gaserzeugungssystems 3 stattfinden
kann. Parallel dazu wird in dieser frühen Phase über den Wärmetauscher 21 Kühlmedium
geleitet, so dass sich auch der Kühlkreislauf 22 und über den
Kühlwärmetauscher 24 der
Brennstoffzellenstapel 2 möglichst schnell erwärmt.
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Das gesamte Brennstoffzellensystem 1 kommt
dabei grundsätzlich
ohne flüssiges
Wasser aus, da der gesamte für
das Gaserzeugungssystem und für
die Befeuchtung der Kathodenzuluft benötigte Wasserdampf dampfförmig aus
dem Bereich der Abluft des Kathodenraums 8 und im Kaltstartfall
des Bypass 28 stammt und durch das Membranmodul 11 strömt um die
zuströmende
Luft sowohl zu dem Kathodenraum 8 als auch zu dem Gaserzeugungssystem 3 entsprechend
zu befeuchten.
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In 2 ist
eine zweite Variante des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt,
welches sich letztendlich nur durch drei Punkte von dem in 1 beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 unterscheidet.
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Der erste Unterschied ist im Bereich
des Gaserzeugungssystems 3 zu suchen. Anstatt der in 1 beschriebenen Ausführung mit
einer einzigen Shiftstufe 5 weist das hier beschriebene
Gaserzeugungssystem 3 einen zweistufigen Wassergasshift mit
einer Hochtemperaturshiftstufe (HTS) 5a und einer Niedrigtemperaturshiftstufe
(LTS / Low Temperature Shift) 5b auf. Die Niedrigtemperaturshiftstufe 5b ist
dabei in Kombination mit der als Methanisierung ausgebildeten Feingasreinigung 6 rea lisiert.
Der Vorteil gegenüber
dem eingangs beschriebenen Gaserzeugungssystem 3 mit einer
einzigen Shiftstufe 5 liegt nun darin, dass die Regelung
der Hochtemperaturshiftstufe 5a für die Qualität des erzeugten
wasserstoffhaltigen Gases praktisch unwichtig wird. Man spart sich
hierdurch also eine entsprechende Regelung der Hochtemperaturshiftstufe 5a.
Die Temperaturerhöhung
im Bereich der adiabat arbeitenden Niedrigtemperaturshiftstufe 5b und
der Methanisierung 6 ist mit deutlich unter 100 K so gering,
dass hier ein sehr gutes Regelverhalten ermöglicht wird, so dass über die
bereits angesprochene unabhängige Regelung
der Temperatur durch den Wärmetauscher 21 sehr
gute Umsätze
eingestellt werden können. Durch
den entsprechend guten Umsatz von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid
und die entsprechend gute Funktionsweise der Niedrigtemperaturshiftstufe steigt
damit letztendlich der Wirkungsgrad des Gaserzeugungssystems entsprechend
an. Außerdem
kann auf eine sonst ggf. erforderliche Kühlung von Shiftstufe 5 und
Methanisierung 6 bei einer derartigen Ausgestaltung verzichtet
werden.
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Letztendlich mit diesem Aufbau verbunden ist
auch die Erweiterung der Luft- bzw. Luft-Benzin-Zuführung zu
den Shiftstufen 5a, 5b im Falle des Kaltstarts.
Das dafür
zusätzlich
vorhandene Ventil 202 ist analog zu dem Ventil 201 zu
verstehen.
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Der zweite Unterschied liegt im Bereich
der Anbindung des Bypass 28, welcher hier nicht mittelbar
nach dem Gaserzeugungssystem 3 abzweigt, sondern welcher
so angeordnet ist, dass das aus dem Gaserzeugungssystem 3 stammende
Gas auch dann, wenn es über
den Bypass 28 geführt
wird, also im Kaltstartfall, vor dem Erreichen des Bypass 28 noch
den Wärmetauscher 23 durchströmt. Die
in dem Gas enthaltene thermische Energie kommt somit dem Brennstoffzellenstapel 2 zugute,
so dass dieser sich im Falle des Kaltstarts schneller erwärmt, als
bei dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel.
Allerdings erfordert eine so ausgestaltete Abzweigung des Bypass 28 mit
dem Ventil 280 zwischen dem Wärmetauscher 23 und
dem Anoden raum 7 meist einen etwas größeren konstruktiven Aufbau,
da die Gasführung
mit Einströmen
in den Wärmetauscher 23 üblicherweise
in den Brennstoffzellenstapel 2 integriert ist, und so
ein geringfügig
höher konstruktiver Aufwand
zur Realisierung des Bypass 28 entsteht.
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Zum Dritten stammt die als Transportmittel für den Wasserdampf
und als Edukt für
den autothermen Reformer 4 genutzte Luft bei der Ausführung gemäß 2 aus dem Bereich des Verdichters 10.
Die erforderliche Leistung für
das Fördermittel 16 kann
so teilweise verlagert werden.
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Die weiteren Ausgestaltungen der 2 sind analog zu denen aus 1 zu verstehen, so dass
hier nicht näher
auf das Brennstoffzellensystem 1 gemäß 2 eingegangen werden muss.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform des
Brennstoffzellensystems 1 dargestellt, welche wiederum
weitgehend analog zu der in 2 aufgebaut
ist.
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Der Unterschied zu dem Brennstoffzellensystem 1 in 2 ist lediglich der, dass
zur Zufuhr des Wasserdampfs aus dem Bereich des Membranmoduls 11 in
den Bereich des Gaserzeugungssystems 3 nicht die Luft als
Transportstrom genutzt wird. Aus dem Teilbereich 14 des
Membranmoduls 11 wird lediglich über einen daran durch die Fördereinrichtung 16,
welche beispielsweise, wie auch der Verdichter 10 als Drehschieberkompressor
ausgebildet sein kann, ein Unterdruck erzeugt, welcher für den Abzug
des Wasserdampfs aus dem Teilbereich 14 sorgt. Dieser Wasserdampf
wird dann in den Bereich des Gaserzeugungssystems 3 gefördert, wobei
ihm in der oben bereits beschriebenen Weise vor dem Eintritt in
das Gaserzeugungssystem 3 der kohlenwasserstoffhaltige
Ausgangsstoff CnHm zugegeben wird. Das Gemisch aus Wasserdampf und
kohlenwasserstoffhaltigem Ausgangsstoff gelangt dann durch den Wärmetauscher 19 in
den Bereich des autothermen Reformers 4 bzw. Starbrenners 20.
Die für die
autotherme Reformierung ebenfalls benötigte Luft wird von dem Verdichter 10 bereitgestellt
und gelangt getrennt von dem Wasserdampf-Benzin-Gemisch durch den
Wärmetauscher 19 in
den Bereich des Brenners 20. Die Luft und das Wasserdampf-Benzin-Gemisch werden
erst unmittelbar vor dem Eintritt in den Startbrenner 20 bzw.
autothermen Reformer 4 miteinander vermischt. Dies hat
den Vorteil, dass die Gefahr einer vorzeitigen Entzündung des
Gemischs, beispielsweise im Wärmetauscher 19 vermieden
werden kann. Bei dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird den beiden Shiftstufen 5a, 5b im Kaltstartfall über die
schaltbaren Ventile 201 und 202 dann lediglich
Luft zugeführt, diese
reicht jedoch aufgrund der nach dem autothermen Reformer 4,
welcher im Kaltstartfall als partielle Oxidationsstufe betrieben
wird, noch vorliegenden Inhaltsstoffen seiner Abgase aus um durch
eine entsprechende Umsetzung in den Shiftstufen 5a, 5b diese
sowie die Feingasreinigung 6 schnell zu erwärmen.
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Um nun den Verbrauch an Wasserstoff
in dem Brennstoffzellenstapel 2 und damit letztendlich auch
den Bedarf an Wasserdampf für
das Gaserzeugungssystem 3, in welchem dieser Wasserstoff
erzeugt wird, möglichst
gering zu halten und dennoch eine gute Funktionsweise der Brennstoffzellen
im Brennstoffzellenstapel 2 sicher zu stellen, wird bei dem
Brennstoffzellensystem 1 eine entsprechende Verschaltung
der Anodenbereiche des Anodenraums 7 realisiert, bei welcher
einzelne Abschnitte 29 des Anodenraums 7 so angeordnet
sind, dass der Wasserstoff zuerst eine erste Anzahl von Abschnitten 29 parallel
und in Strömungsrichtung
danach wenigstens eine weitere, kleinere Anzahl an Abschnitten 29 durchströmt. Ein
derartiger Aufbau ist prinzipmäßig in 4 angedeutet. Durch diese
Kaskadierung einzelnen Abschnitte 29 des Anodenraums 7 des
Brennstoffzellenstapels 2 kann erreicht werden, dass ein minimaler
Gesamtüberschuss
an Wasserstoff benötigt
wird, wobei jedem der Abschnitte einen ausreichend hohen Überschuss
an Wasserstoff zur Umsetzung zur Verfügung steht.
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Prinzipiell wäre eine Kaskadierung auch beider
Elektrodenbereich, also sowohl der Anode 7 als auch der
Kathode 8 denkbar, bei der Kathode 8 spielt dies jedoch
keine so entscheidenden Rolle, wie bei der hier exemplarisch beschriebenen
Anode 7, da hier für
einen Überschuss
lediglich die durch den Verdichter geförderte Menge etwas erhöht werden muss,
so dass Sauerstoff immer ausreichend zur Verfügung steht.
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In 4 ist
beispielhaft eine Ausgestaltung dargestellt, bei der die einzelnen
Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels jeweils zu den Abschnitten 29 zusammengefasst
sind. Beispielhaft sollen hier jeweils fünfzehn Einzelzellen 30 zusammengefasst
werden. Diese fünfzehn
Einzelzellen 30 werden jeweils parallel angeströmt, wobei
der einströmende Wasserstoff
drei der Abschnitte 29 parallel durchströmt. Das
nachfolgende Zahlenbeispiel soll eine mögliche Verteilung im Bereich
des Anodenraums 7 eines eine elektrische Nennleistung von
5 kWel aufweisenden Brennstoffzellenstapels 2 erläutern. Dem gesamten
Anodenraum 7 werden dabei 151 Mol/h Wasserstoff im Bereich
A mit einem Gesamtüberschuss
von 1,05 und einem Druck von 2 bara zugeführt. Entsprechend
dem aus dem Bereich des Gaserzeugungssystems 3 stammenden
Wasserstoffgehalt in dem Reformatgas ergibt sich ein Wasserstoffpartialdruck
von 0,94 bara, bei einem Wasserstoffgehalt
von 47 %.
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Dieser im Bereich A einströmende Wasserstoffgasstrom
wird auf drei der Abschnitte 29 parallel aufgeteilt, womit
sich für
jeden Abschnitt eine Wasserstoffmenge von 50,3 Mol/h Wasserstoff
bei den genannten Druckbedingungen und einem Wasserstoffüberschuss
von 1,4 für
jeden der Abschnitte 29 ergibt. Nach dem Durchströmen der
drei parallel geschalteten Abschnitte 29 und dem Sammeln
des Abgases aus diesen Abschnitten wird sich im Bereich B ein Druck
von 1,95 bara bei 43 Mol/h Wasserstoff einstellen.
Aufgrund der noch vorliegenden Wasserstoffkonzentration von 19 %
wird sich ein Wasserstoffpartialdruck in der Größenordnung von 0,37 bara einstellen. Der noch vorhandene Wasserstoff
entspricht einem Gesamtüber schuss
von 1,2 für
den nachfolgenden Abschnitt 29, welcher in etwa eine gleich
große aktive
Zellfläche
aufweist, wie die zuvor erläuterten Abschnitte 29.
In dem hier dargestellten Fall wird also auch der Abschnitt 29 aus
fünfzehn
parallel geschalteten Einzelzellen 30 bestehen. Nach dem
Durchströmen
dieses letzten Abschnitts 29 werden im Bereich C 7 Mol/h
an Wasserstoff verbleiben, so dass sich auf den gesamten Anodenraum 7 betrachtet
ein Gesamtüberschuss 1,05 einstellt,
bei einem im Bereich C vorhandenen Druck von 1, 9 bara und
einem entsprechenden Wasserstoffpartialdruck von 0,08 bara bei 4 Wasserstoff.
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Der Aufbau mit der hier dargestellten
Kaskadierung zeigt also, dass jeder der Abschnitte 29 unter vergleichsweise
guten Bedingungen mit relativ hohem Überschuss an Wasserstoff angeströmt werden kann,
wodurch der Gesamtüberschuss
an Wasserstoff bezogen auf den gesamten Anodenraum 7 dennoch
vergleichsweise niedrig, hier bei 1,05 liegt.
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In 5 ist
ein hierzu vergleichbarer Aufbau dargestellt, wobei in 5 prinzipiell ein Fließfeld 31 als
Reaktionsstoffzuführung
angedeutet sein soll. Derartige Fließfelder, welche üblicherweise
auch mit dem englischen Begriff "flow
field" bezeichnet
werden, dienen der Zufuhr der Reaktionsstoffe – hier wiederum auf das Beispiel
des Anodenbereichs bezogen, des Wasserstoffs – in den Bereich der PE-Membran 9 jeder
der Einzelzellen 30. In dem in 4 beschriebenen Beispiel, bei dem jeweils
mehrere von ihren Reaktionsstoffen wenigstens annähernd homogen
angeströmte
Zellen parallel zu einem Abschnitt zusammengefasst sind, könnte, in 5 dargestellt, auch jede
Einzelzelle 30 aufgrund der Ausgestaltung ihres Fließfelds 31 so
aufgebaut sein, dass sich im Bereich jeder Einzelzelle 30 die Abschnitte 29' derart ausbilden,
dass jeder der Abschnitte 29' eine
vergleichbar große
Fläche
der PE-Membran 9 mit Wasserstoff versorgt, und dass diese
Abschnitte 29' des
Fließfelds 31 in
der oben bereits erläuterten
Art miteinander verschaltet sind.
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Beide Ausgestaltungen lassen sich
dabei in einen einzigen Brennstoffzellenstapel 2 integrieren, wobei
bei der Ausgestaltung gemäß 4 lediglich einige Trennelemente
zwischen den einzelnen Abschnitten entsprechend modifiziert werden
müssen, um
die beschriebene Strömungsführung zu
ermöglichen,
während
bei der Ausgestaltung gemäß 5 sämtliche Fließfelder
angepasst werden müssten.
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Neben dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
mit einer Kaskadierung 3:1 werden selbstverständlich auch
andere Ausführungsformen
denkbar. Die Überlegung
und Versuche des Erfinders haben hier gezeigt, dass ein Weg hin
zu einem größeren Faktor,
beispielsweise 4:1, 5:1 und dergleichen durchaus sinnvoll wäre, da dann
mehr Anschnitte 29 bzw. 29' mit einem sehr hohen Überschuss
und entsprechend hohem Wasserstoffpartialdruck angeströmt werden
würden.
Es muss hierbei nach Möglichkeit
jedoch ein Optimum zwischen konstruktivem Aufwand und Nutzen realisiert
werden, welches sich für
Brennstoffzellensystem 1 mit Leistung bis zu 100 kWel sicherlich in der hier dargestellten Ausgestaltung
der Kaskadierung in Verhältnis
3:1 findet.
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Bevor abschließend auf die bevorzugten Verwendungsmöglichkeiten
eines derartigen Brennstoffzellensystems 1 eingegangen
werden soll, wird anhand der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 in 6 nochmals anhand eines
sehr konkreten Zahlenbeispiels erläutert werden, welches sich auf
ein Brennstoffzellensystem 1 als Hilfsenergieerzeuger (APU)
bezieht, wobei dieser eine elektrische Nennleistung von 5 kWel aufweisen soll.
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Die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 6 entspricht dabei über weite Strecke
dem in 2 bereits ausführlich beschriebenen
Brennstoffzellensystem 1, ohne eine Berücksichtigung der kaltstartrelevanten
Elemente und mit einer exemplarischen Darstellung der Kaskadierung
des Anoden raums 7, so dass hier nicht weiter auf die funktionellen
Details eingegangen werden soll. Nachfolgend soll lediglich anhand
der in den jeweiligen Bereichen des Brennstoffzellensystems herrschenden Temperaturen,
Drücken,
erforderlichen Kühlleistungen
und dergleichen ein Zahlenbeispiel für die oben gemachten Ausführungen
angegeben werden. Dieses Zahlenbeispiel in 6 sollte unter Bezugnahme auf die in 2 bereits gemachten Erläuterungen
eigentlich selbst erklärend
sein, so dass hier lediglich einige der Bezeichnungen kurz erläutert werden
sollen.
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Die mit P bezeichneten Werte geben
den Druck im jeweiligen Bereich an, wobei die in der Zeichnung gewählte Einheit "bara" selbstverständlich als
[barg] zu verstehen ist. Die mit PH2O bezeichneten Werte dementsprechend
den Partialdruck des in diesem Bereich befindlichen Wasserdampfs.
Die Werte H2-St. und O2-St. bezeichnen die jeweiligen stöcheometrischen Überschüsse des
Wasserstoffs bzw. Sauerstoffs. Die fettgedruckten mit [°C] gekennzeichneten
Zahlenwerte geben die Temperaturen des Reformatgases im jeweiligen
Bereich des Gaserzeugungssystems 3 bzw, des, hier nicht
explizit dargestellten Kühlkreislaufs
22 beim Eintritt und beim Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel 2 an.
Mit R wird die relative Feuchte bezeichnet, während TP den Taupunkt den Gemischs
bei den jeweils vorliegenden Bedingungen kennzeichnet. Mit S/C wird
das sogenannte Steam-to-Carbon-ratio, also das Verhältnis von
Wasserdampf zu Kohlenstoff bezeichnet, während λ die Luftzahl wiederspiegelt.
Die in 6 in [W] angegebenen
Leistungen im Bereich der Wärmetauscher 19, 21, 23 stellen
die beim regulären
Betrieb an diesen Stellen erforderlichen Kühlleistungen für das Reformatgas
bzw. wasserstoffhaltige Gas dar, welche entweder durch den Kühlkreislauf 22 abgeführt werden
oder zur Erwärmung
der Edukte vor dem autothermen Reformer 4 dienen. Als letztes
wären noch
die Bezeichnungen U: zu erläutern,
welche die entsprechenden Umsätze
im Bereich der Shiftstufe 5a bzw. der Kombination aus Shiftstufe 5b und Feingasreinigung 6 darstellen.
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In 7 soll
abschließend
die bevorzugte Einsatzmöglichkeit
des Brennstoffzellensystems 1 erläutert werden. In 7 ist ein Teil eines prinzipmäßig angedeuteten
Transportmittels 32 zu erkennen, welches hier als Kraftfahrzeug 32 für den Transport von
Personen oder Gegenständen
auf dem Lande ausgebildet ist. Das Transportmittel 32 könnte analog hierzu
auch als Schiff, Flugzeug oder dergleichen ausgebildet sein. Das
in 7 dargestellte Transportmittel
verfügt über ein
erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1,
sowie einen optionale Verbrennungsmotor 33, welcher z.B.
dem Vortrieb des Transportmittels 32 dienen kann. Auf einen
derartigen Verbrennungsmotor 33 kann jedoch auch verzichtet
werden, wenn die elektrische Energie aus dem Brennstoffzellensystem 1 nicht
nur zur Versorgung von elektrischen Energieverbrauchern in dem Transportmittel 32,
wie beispielsweise Klimaanlagen, Navigationssysteme, Elektronikkomponenten
und dergleichen genutzt wird, sondern wenn ein Teil der Energie
des Brennstoffzellensystems 1 auch für Antriebszwecke der Transportmittels 32 genutzt
wird. Unabhängig
von der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 als
APU oder als Antriebsenergielieferant ist in dem Transportmittel 32 in
an sich bekannter Weise ein Kühler 34 vorgesehen,
welcher entweder mit dem Kühlkreislauf 22 des
Brennstoffzellensystems 1 gekoppelt ist oder welcher unmittelbar dem
im Rahmen des Brennstoffzellensystems 1 beschriebenen Kühler 26 entspricht.
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Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
1 beim Einsatz in dem Transportmittel 32 liegt nun darin,
dass dieses Brennstoffzellensystem 1 sehr klein, sehr kompakt
und mit einer vergleichsweise geringen Anzahl an Einzelkomponenten
aufgebaut werden kann. Das System wird dadurch klein, leicht und
kostengünstig,
so dass es sich für
den Einsatz in dem Kraftfahrzeug 32 prädestiniert. Außerdem kann
durch den Verzicht auf Flüssigwasser
ein Betrieb und insbesondere ein Start des Brennstoffzellensystems 1 auch
bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt erfolgen. Die Ge fahr
eines Einfrierens ist aufgrund des fehlenden Flüssigwassers im Bereich des
Brennstoffzellensystems 1 prinzipbedingt ausgeschlossen.
Lediglich im Bereich des Kühlkreislaufs 22 ist
ein flüssiges
Kühlmedium
vorhanden, da dieses jedoch nicht zur Reformierung genutzt wird
und damit nicht die entsprechenden Anforderungen an dessen Reinheit
gestellt werden müssen,
kann hier ein herkömmliches
Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch,
wie z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt werden.
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Bei einer Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 als
APU, deren Abgase dem Verbrennungsmotor 33 zugeführt werden,
lässt sich
bei dem durch 6 beschriebenen
System ein Gesamtwirkungsgrad von 40 % erzielen. Die 5 kWel-APU erzielt dann eine Nettoleistung von
4 kWel, wobei sich die Wirkungsgrade auf
einen Brennstoffzellenstapelwirkungsgrad von 52 einen Wirkungsgrad
des Gaserzeugungssystems von 94 % und einen Wirkungsgrad der Elektronikkomponenten
von 80 % aufteilen.
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Wird für dieselbe APU der Betrieb
als reine Stand-APU also ohne den laufenden Verbrennungsmotor 33 angenommen,
so ergibt sich ein Wirkungsgrad von 35 %, da beispielsweise die
Kühlung
nicht gemeinsam mit dem Motor genutzt werden kann und da die Reststoffe
nicht im Motor verbrannt sondern in einer Abgasanlage anderweitig
entsorgt werden müssen.
Dieser Wirkungsgrad von 35 % teilt sich dann wieder auf den Brennstoffzellenstapel
mit 52 %, das Gaserzeugungssystem 3 in diesem Fall mit
86 % sowie die Elektronik mit 76 % auf. Eine Nettoleistung von 3,8
kWel ist zu erzielen.
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Selbstverständlich sind neben den konkret dargestellten
Varianten des Brennstoffzellensystems 1 in den vorhergehenden
Figuren auch alle anderen denkbaren Kombinationen der für das Brennstoffzellensystem 1 in
der hier beschriebenen Art charakteristischen Komponenten untereinander
zu einem System denkbar und fallen unter den Umfang der Erfindung.