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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere
auf der Basis von Wasserstoff, für
einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen
von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen
eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich. Außerdem betrifft die Erfindung
eine Vorrichtung zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff,
insbesondere auf der Basis von Wasserstoff, für einen Anodenbereich einer
Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich
sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den
Anodenbereich.
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Aus der
US 6,210,820 B1 ist es bekannt, dem
Brennstoffzustrom einer Brennstoffzelle Sauerstoff oder Luft als
Oxidationsmittel einzubringen um, in dem Brennstoff enthaltene Verunreinigungen,
insbesondere Kohlenmonoxid (CO), zu oxidieren. Durch diesen sogenannten „Airbleed" wird vermieden,
dass sich die Verunreinigungen Katalysatoren im Bereich der Elektroden
der Brennstoffzelle, und hier insbesondere die Katalysatoren im
Bereich der Anode von PEM-Brennstoffzellen, vergiften. Die Leistungsfähigkeit
der Brennstoffzelle kann damit auch bei vergleichsweise hohen Konzentrationen
an Kohlenmonoxid, beispielsweise von 1000 bis 5000 parts per million
(ppm) aufrecht erhalten werden.
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Durch diesen Airbleed erkauft man
sich allerdings die Anwesenheit von inerten und anderen durch die
Brennstoffzelle nicht umzusetzenden Gasbestandteilen im Brennstoff,
so dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle mit höherem Airbleed
sinkt. Die oben genannte US-Schrift bedient sich daher eines Airbleeds,
welcher in Abhängigkeit
von der Verschmutzung des Brennstoffes erfolgt, und durch welchen
möglichst
kleine Sauerstoff- oder Luftmengen in den Brennstoff dosiert werden.
Als Sensor für
die Verschmutzung des Brenngases bedient man sich einer speziellen
Brennstoffzelle als Sensorzelle unter vielen anderen Brennstoffzellen
eines Brennstoffzellenstapels bzw. -stacks, welche entsprechend
empfindlicher als die anderen Brennstoffzellen auf die Vergiftung
ihrer Katalysatoren mit Kohlenmonoxid reagiert. Wird an dieser einen
Sensorzelle ein Leistungseinbruch verzeichnet, so dient dieser als
Maß für den Start
des Airbleeds.
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Betreibt man ein Brennstoffzellensystem
anodenseitig im Dead-End-Betrieb
oder mit einer Rückführung des
nach der Anode noch vorliegenden Brenngases in den Bereich vor die
Anode, einem sogenannten Anodenkreislauf, so werden sich aufgrund
des Airbleeds im Bereich der Anode mit zunehmender Betriebsdauer
inerte Gase, wie z.B. entstehendes Kohlendioxid, Stickstoff etc.
anreichern. Die Konzentration des Brennstoffes sinkt. Um wieder eine
ausreichend hohe Brennstoffkonzentration für den Betrieb der Brennstoffzelle
zu erhalten, muss in regelmäßigen Abständen „gepurged", d. h. die Gase aus
der Rückführung bzw.
dem Bereich der Anode abgelassen, werden.
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Sowohl dieses sogenannte Purging,
als auch der Airbleed erfordern dabei gemäß dem Stand der Technik, wie
er neben der oben genannten US-Schrift z.B. auch in den beiden Patentabstracts
of Japan 10-284098 und 08-241726 beschreiben ist eine entsprechende
Sensorik und mehrere davon angesteuerte aktive Ventile, meist Magnetventile,
zur Durchführung
sowohl des Purgings, also des Ablassens der Mediums aus dem Bereich der
Anode, als auch des Airbleeds, also des Einbringens von Oxidationsmittel
in den Bereich der Anode.
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Der Nachteil von derartigen Aufbauten
zum Purge und Airbleed ist sicherlich darin zu sehen, dass vergleichsweise
aufwändige
Anordnungen mit mehreren Ventilen benötigt werden, welche über entsprechende
Leitungslängen
mit den geeigneten Bereichen verbunden sind, aus denen das Oxidationsmittel
stammt oder in die das abgeblasene Gas aus dem Bereich des Anodenraums
gefahrlos eingebracht werden kann. Die unterschiedlichen Ventile
und Verbindungsleitungen sind außerdem mit entsprechender Sensorik
und entsprechenden Steuerleitungen zu versehen. Im Bereich einer
derartigen Anordnung, insbesondere, wenn diese zusammen mit einem Gaserzeugungssystem
zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen
Ausgangsgemisch betrieben wird, sind die im Bereich der Brennstoffzelle
vorliegenden Temperaturen meist sehr hoch, so dass, selbst bei ausreichend vorhandenem
Raum, dieser nicht immer frei und ohne entsprechende Isolationsmaßnahmen
oder mit temperaturbeständigen
Ausführungen
der entsprechenden Bauteile belegt werden kann. Der benötigte Raum
ist also immer mit einem zusätzlichen
Aufwand verbunden.
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Insbesondere bei Anwendungen, welche
auf kleinstem Raum angeordnet werden sollen, wie dies beispielsweise
bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen, und hier insbesondere bei sogenannten
Hilfsenergieerzeugern (APU – Auxiliary
Power Unit) der Fall ist, stellen diese Einschränkungen hinsichtlich des Packagings
gravierende Nachteile dar.
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Daher ist es die Aufgabe der Erfindung,
diese Nachteile zu vermeiden und ein entsprechendes Verfahren zur
Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere
auf der Basis von Wasserstoff, für
einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen
von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen
eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich sowie eine Vorrichtung
zur Ver wendung mit dem Verfahren zu schaffen, welche einen einfachen,
wenig Bauraum benötigenden,
robusten und kostengünstigen
Betrieb ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch die Variation des Drucks im
Anodenbereich einerseits zum Ablassen von Medium und andererseits
zum Einbringen des Oxidationsmittels wird ein sehr einfacher Aufbau
erreicht, welcher es ermöglicht,
dass mit lediglich einer einzigen Ventileinrichtung sowohl das Purging
als auch das Airbleed durchgeführt
werden kann. Diese Ventileinrichtung muss dabei nicht eine steuerbare
Ventileinrichtung sein, sondern es ist prinzipiell auch ausreichen,
eine einfache Bohrung bzw. Öffnung
zu verwenden, durch welche einerseits Oxidationsmittel in den Bereich
der Anoden einströmen
und andererseits das im Bereich der Anode befindliche Medium ausströmt.
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Gemäß einer besonders günstigen
Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Oxidationsmittel
Luft verwendet wird, welche aus dem Bereich einer Luftversorgung
für den
Kathodenbereich der Brennstoffzelle und/oder für ein den zu reduzierenden
Reaktionsstoff bereitstellendes Gaserzeugungssystem stammt.
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Da aufgrund der Belastbarkeit der
Trennungen zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum einer Brennstoffzelle,
im Falle einer PEM-Brennstoffzelle beispielsweise der Membran, die
Drücke
im Bereich sowohl des Anodenraums als auch des Kathodenraums ohnehin
in ähnlichen
Größenordnungen
liegen, reicht eine kleine Variation des Drucks, z.B. um wenige
10 mbar, im Anodenbereich um seinen üblicherweise vorgegebenen Betriebsdruck
aus, die Luft, welche dem Kathodenbereich zugeführt wird und damit auf einem ähnlichen
Druckniveau liegt, für
den Airbleed in den Bereich der Anode einzubringen oder das Medi um
im Bereich des Anodenraums in den Bereich der Luftversorgung abzublasen.
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Dieses Abblasen des Mediums aus dem
Anodenbereich ist bei einer derartigen Anordnung problemlos möglich, da
die Luft aus dem Bereich der Luftversorgung dann in den Kathodenbereich
weiterströmt,
in welchem eine ausreichend hohe Menge an Katalysatoren vorhanden
ist, so dass Reste des zu reduzierenden Reaktionsstoffs aus dem
abgeblasenen Medium aus dem Bereich des Anodenraums hierin abgebaut
werden können.
Vergleichbar ist dies, wenn Luftversorgung die eines Gaserzeugungssystems
ist, da auch hier die Luft üblicherweise einer
Verbrennung, einer autothermen Reformierung oder dergleichen zugeführt wird,
so dass auch hier Reste des zu reduzierenden Reaktionsstoffs aus dem
Bereich des Anodenraums zu unkritischen Stoffen umgesetzt werden.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften
Ausgestaltung des Verfahrens wird der Druck im Anodenbereich über ein
Druckregelventil in einem Anodenkreislauf geregelt.
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Der Vorteil dieser einfachen Möglichkeit
zur Druckregelung liegt vor allem darin, dass derartige Druckregelventile
allgemein bekannt und üblich
sind. Sie sich daher in großen
Stückzahlen
kostengünstig verfügbar. Sie
sind robust und zuverlässig.
Außerdem
spielt der Ort, an welchem sie in den Bereich des Anodenraums, insbesondere
dann, wenn einen Anodenkreislauf Verwendung findet, praktisch keine Rolle,
so dass hinsichtlich der räumlichen
Optimierung des Aufbaus wenig Einschränkungen zu erwarten sind.
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Eine günstige Weiterbildung des Verfahrens zum
Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht
vor, dass der Druck im Anodenbereich über die Menge an zu reduzierendem
Reaktionsstoff variiert wird.
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Auf diese Art und Weise wird ohne
einen weiteren aufwändigen
und Bauraum benötigenden
Aufbau im Anodenbereich eine effektive und einfache Art der Druckregelung
geschaffen. Die Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff, welche
in Abhängigkeit der
Last der Brennstoffzelle meist ohnehin variiert wird, kann so sehr
einfach für
eine Druckvariation zwecks Airbleed bzw. Purging genutzt werden.
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Zur Variation des Drucks kann sowohl
die Menge an zugeführtem
Reaktionsstoff, als auch die Menge an im Anodenbereich verbrauchtem
Reaktionsstoff entsprechend variiert werden. Im Fall der Menge an
zugeführtem
Reaktionsstoff würde
die einer Variation des Gaserzeugungssystems bzw. eines Ventils
in der Zuleitung von einer Speichereinrichtung zu der Brennstoffzelle
gleichkommen. Im Falle der Variation des verbrauchten Reaktionsstoffs
entspräche
dies der Variation der erzeugten elektrischen Energie durch die
Brennstoffzelle, z.B. durch ein getaktetes, z.B. pulsweitenmoduliertes,
elektrisches an und ausschalten der Brennstoffzelle. Ausführungen hierzu
finden sich z.B. in der
DE
100 56 429 A1 oder der
DE 101 25 106 A1 .
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Das Verfahren sieht gemäß einer
weiteren sehr günstigen
Ausgestaltung vor, dass die Variation des Drucks im Anodenbereich
in einem sich periodisch wiederholenden zeitlichen Ablauf erfolgt.
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Üblicherweise
sind die Reinheiten des Reaktionsstoffes etc. bekannt und bleiben
meist konstant. Es kann daher mit einer vorgegebnen Menge an Oxidationsmittel
für den
Airbleed gearbeitet werden. Diese erzwingt dann wieder eine bestimmte
Menge an abzublasendem Medium aus dem Anodenbereich. Es kann daher
sehr einfach und effektiv mit einer periodischen Wiederholung eines
zeitlichen zyklischen Ablaufs für
die Druckänderungen
gearbeitet werden, ohne das eine aufwändige Sensorik, z.B. für den CO-Gehalt
im Anodenraum oder dergleichen, notwendig wäre.
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In der Kombination mit der zuvor
genannten Ausgestaltung könnte
so z.B. der Regelmechanismus für
die lastabhängige
Zugabe der Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff von einem zyklisch periodischen
Profil für
die Druckänderungen
für Purging
und Airbleed überlagert
werden.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 beschrieben.
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Die Vorrichtung gemäß Anspruch
8 ist dabei ausgesprochen einfach und effektiv aufgebaut. Da die
eigentliche Variation zwischen Purge und Airbleed durch die Variation
des Drucks im Anodenbereich der Brennstoffzelle erfolgt, reicht
es aus, wenn die Vorrichtung über
genau eine Ventileinrichtung verfügt. Diese eine Ventileinrichtung,
welche entweder als aktiv angesteuerte Ventileinrichtung oder als
passive Ventileinrichtung ausgebildet sein kann, wird entsprechend
genutzt, um den Purge und den Airbleed auszuführen.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften
Ausgestaltungsform dieser Vorrichtung ist nun vorgesehen, dass durch
die genau eine Ventileinrichtung eine Verbindung zwischen einer
Luftversorgung und wenigstens einem in Strömungsrichtung der Luft nach
der Verbindung angeordneten Bereich ausgebildet ist, wobei dieser
Bereich zumindest einen Katalysator zur Umsetzung des zu reduzierenden
Brennstoffs aufweist.
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Bei dieser Ausgestaltungsvariante
kann erreicht werden, dass sowohl der Airbleed über die genau eine Ventileinrichtung
als auch das Purging über die
genau eine Ventileinrichtung in idealer Weise erfolgen kann. Beim
Airbleed wird die Luft aus dem Bereich der Luftversorgung angesaugt.
Beim Purging wird das aus dem Anodenbereich stammende Medium, welches
auch Reste eines zu reduzierenden Reaktionsstoffs aufweist, entsprechend
in diesen, nach der Zusammenführung
weiterströmenden
Luftstrom der Luftversorgungseinrichtung eingebracht. Zusam men mit
diesem Luftstrom gelangt es dann in einen Bereich, welcher einen
Katalysator aufweist, an welchem der Rest des zu reduzierenden Reaktionsstoffes
umgesetzt werden kann.
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Damit erfolgt mit einer einzigen
Verbindung ein vollständiger
Umsatz des zu reduzierenden Reaktionsstoffs, so dass dieser nicht
an die Umgebung und in Bereiche gelangt, in welchen eine unkontrollierte
Verbrennung, eine Explosion oder dergleichen, erfolgen könnte.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften
Weiterbildung dieser Idee ist der Bereich, welcher den zumindest
einen Katalysator aufweist, der Kathodenraum der Brennstoffzelle.
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In diesem Kathodenraum befinden sich
entsprechende Katalysatoren, beispielsweise Platin, ohnehin als
Elektrokatalysatoren, welche für
die Funktionsweise der Brennstoffzelle unerlässlich sind. In diesen Katalysatoren
kann dann der in den Bereich des Kathodenraums eingeleitete Rest
an zu reduzierendem Reaktionsstoff umgesetzt werden, so dass dieser
mit der Abluft aus der Kathode an die Umgebung abgegeben werden
kann, ohne dass dadurch Sicherheitsrisiken oder Risiken hinsichtlich
von Emissionen entstehen.
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In einer alternativen Ausgestaltung
der Erfindung kann die Luftversorgung auch die Luftversorgung für eine Komponente
im Bereich eines Gaserzeugungssystems sein.
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Bei derartigen Komponenten in Gaserzeugungssystemen,
welche Luft als eines der ihr zugeführten Edukte benötigen, handelt
es sich im allgemeinen um Flammbrenner, katalytische Brenner, partielle
Oxidationsstufen, Reformer, selektive Oxidationsstufen oder dergleichen,
in denen ein Umsatz der zugeführten
Edukte stattfindet. Dieser Umsatz der zugeführten Edukte wird in dem hier
dargestellten Fall jedoch auch zu einem Umsetzen des aus dem Bereich
des Anodenraums stammenden Mediums führen, so dass auch hier ein
Umsatz des Mediums erfolgt, ohne dass diese in die Sicherheit gefährdender
Weise in die Umgebung gelangt.
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Außerdem kann bei einer derartigen
Ausgestaltung das aus dem Anodenbereich stammende Medium effektiv
umgesetzt werden, so dass die in ihm enthaltene Restenergie dem
Gesamtsystem zu Gute kommt, was letztendlich wiederum zu einer Steigerung
der Energieeffizienz bzw. des Wirkungsgrads und/oder der Ausbeute
an Reaktionsstoff in dem Gaserzeugungssystem führt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann, ebenso wie
die korrespondierend genutzte Vorrichtung, mit praktisch jeder Art
einer Brennstoffzelle, welche Purge und Airbleed benötigt, eingesetzt
werden. Der bevorzugte Einsatz kann z.B. im Bereich des Anodenraums
einer PEM-Brennstoffzelle liegen, wobei dann der zu reduzierende
Reaktionsstoff üblicherweise
Wasserstoff mit geringfügigen
Verunreinigungen, z.B. durch Kohlenmonoxid, sein wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und
aus dem anhand einer Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Dabei zeigen:
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1 eine
Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine
alternative Ausführungsform
der Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3a) bis c) verschiedene mögliche Ausgestaltung
der Mittel;
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4a) bis c) ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Betreiben einer entsprechenden Vorrichtung.
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5 eine
weitere alternative Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
eine Brennstoffzelle 1, welche beispielhaft als PEM-Brennstoffzelle
aufgebaut sein soll. Dementsprechend sind ein Anodenraum 2 und ein
Kathodenraum 3 durch eine protonenleitfähige Membran 4, welche
z.B. Bestandteil einer sogenannten MEA (Membran Elektroden Anordnung/membrane
electrode assembly) sein kann, voneinander getrennt. Dem Kathodenraum 3 der
Brennstoffzelle 1 wird in bekannter Weise ein zu oxidierender
Reaktionsstoff, beispielsweise Sauerstoff, insbesondere jedoch Luft,
zugeführt.
Dieser Reaktionsstoff wird nach dem Kathodenraum 3 wieder
abgeführt
und kann dann z.B. noch als Oxidationsstoff für eine Verbrennung oder dergleichen
dienen.
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Auf der Seite des Anodenraums 2 wird
ebenfalls ein Reaktionsstoff zugeführt, wobei dieser jedoch zu
reduzieren ist. In üblicher,
nicht jedoch zwingender Weise handelt es ich bei diesem zu reduzierenden
Reaktionsstoff um Wasserstoff. Bei anderen Brennstoffzellentypen,
wie z.B. DMFC, SOFC etc., kann es sich dabei auch um Methanol, Methan
oder dergleichen handeln. Der Reaktionsstoff kann dabei aus vielfältigen Quellen
stammen und entweder unmittelbar für die – und im Bereich der – Brennstoffzelle 1 erzeugt
oder in Speichereinrichtungen, z.B. Drucktanks, Metallhydriden,
oder dergleichen bevorratet werden.
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Der Wasserstoff, wie er in der hier
dargestellten PEM-Brennstoffzelle 1 Verwendung
finden soll, ist relativ rein und weist nur einen geringen Anteil
(üblicherweise
wenige hundert bis einige tausend ppm) an Verunreinigungen, z.B.
CO oder dergleichen und inerten Stoffen, wie H2O,
CO2, etc. auf. Wird der Wasserstoff, z.B.
im Bereich der Brennstoffzelle 1, durch ein Gaserzeugungssystem
aus einem kohlenwasserstoff- oder
kohlenwasserstoffderivathaltigen Einsatzstoff erzeugt, so können derartige
Reinheiten über
in bekannter Weise über
Membranreinigungsverfahren oder Druckwechseladsorption erzielt werden.
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Wird die Brennstoffzelle 1 mit
einem derartigen, nahezu reinen Wasserstoff betreiben, so ist ein sogenannter
Dead-End-Betrieb
möglich,
wie er in 1 und 2 beispielhaft dargestellt
ist. Das bedeutet, dass der in den Bereich des Anodenraums 2 gelangende
Wasserstoff dort komplett umgesetzt wird, ohne das Abgas abgeführt werden
müsste.
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Da sich im Bereich des Anodenraums 2 über längere Betreibezeiten
dennoch die Verunreinigungen und inerten Stoffe ansammeln, ist von
Zeit zu Zeit ein sogenanntes Purging notwendig. Dabei wird das in
dem Anodenraum 2 befindliche Medium aus dem Bereich des
Anodenraums 2 abgelassen. Dazu soll in der Darstellung
gemäß 1 eine Ventileinrichtung 5 dienen.
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Neben dem Ablassen von Medium aus
dem Bereich des Anodenraums 2 kann über die Ventileinrichtung 5 auch
ein Oxidationsmittel in den Bereich des Anodenraums 2 eingebracht
werden. Dieser Vorgang des sogenannten Airbleeds bewirkt die Vermischung
des Wasserstoffs mit dem Oxidationsmittel, z.B. Luft. Durch die
Luft bzw. den in ihr enthaltenen Sauerstoff werden dann oxidierbare
Verunreinigungen, insbesondere CO, in dem Wasserstoff und im Bereich
der Katalysatoren des Anodenraums 2, an welche sich derartige
Verunreinigungen anlagern können,
zu inerten Bestandteilen aufoxidiert. Im speziell kritischen Fall
des Kohlenmonoxids, kann dadurch die Anlagerung des Kohlenmonoxids
an den Elektrokatalysatoren des Anodenraums 2 vermieden und/oder
rückgängig gemacht
werden. Durch den Airbleed lässt
sich also eine mit einer Leistungsverringerung verbundene sogenannte "Vergiftung" der Brennstoffzelle 1 bzw.
der Katalysatoren im Anodenraum 2 verhindern bzw. regenerieren.
Um die sich dabei ansammelnden inerten Gasbestandteile aus dem Anodenraum 2 zu
entfernen, bedient man sich dann wieder des oben bereits beschriebenen
Purgings.
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Die Ventileinrichtung 5 gemäß der Ausgestaltung
in 1 ist über eine
Leitung 6 mit einer Luftversorgungsleitung 7 verbunden,
welche von einer hier als Turbine dargestellten Luftversorgungseinrichtung 8 komprimierte
Luft in den Bereich des Kathodenraums 3 der Brennstoffzelle 1 fördert. Über die
Ventileinrichtung 5 kann also die Verbindung zwischen dem
Anodenraum 2 der Brennstoffzelle 1 und der zu
dem Kathodenraum 3 geförderten
Luft hergestellt werden. Je nach Druckdifferenz zwischen dem Anodenraum 2 und
der Luft im Bereich der Leitung 7 wird sich bei geöffneter
Ventileinrichtung 5 dann entweder ein Purging, also ein
Eindringen des Mediums aus dem Anodenraum in den Bereich der Luftversorgung 8 für den Kathodenraum 3,
oder ein Airbleed, also ein Eindringen der Luft aus dem Bereich
der Luftversorgung 8 in den Anodenraum 2, erfolgen.
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Zur Steuerung des Purges oder des Airbleeds
ist dazu ein symbolisch angedeuteter Drucksensor 9 im Bereich
des Anodenraums 2 vorgesehen. Dieser Drucksensor 9 ist
mit einer entsprechenden Steuereinrichtung 10 verbunden,
welche einerseits die Betätigung
der Ventileinrichtung 5, welche beispielsweise als Magnetventil
oder dergleichen ausgebildet sein kann, und andererseits die Beeinflussung
des Drucks im Bereich des Anodenraums steuert bzw. regelt. In dem
hier dargestellten Ausführungsbeispiel
wirkt die Steuereinrichtung 10 dazu auf eine Wasserstoffspeichereinrichtung 11 in
der Art ein, dass sie den zu dem Anodenraum 2 gelangenden Wasserstoff
in seiner Menge so beeinflusst, dass sich die gewünschten
Druckverhältnisse
entweder für
ein Purging oder einen Airbleed einstellen.
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Die Ausgestaltung der Brennstoffzelle
gemäß
2 ist analog zu der in
1 zu verstehen. Lediglich
erfolgt hier die Variation des Drucks im Bereich des Anodenraums
2,
welche über
den Sensor
9 und die Steuereinrichtung
10 erfasst
wird, nicht in der oben beschriebenen Art, sondern es wird die Menge an
verbrauchtem Wasserstoff im Bereich des Anodenraums
2 anhand
der bereitgestellten elektrischen Leistung der Brennstoffzelle
1 variiert,
so dass hier hierdurch der Druck im Bereich des Anodenraums
2 ändert. Zur
Variation der Menge an verbrauchtem Wasserstoff bzw. der elektrischen
Energie aus der Brennstoffzelle
1 dient eine Schalteinrichtung
12, welche
hier im Bereich einer symbolisch angedeuteten elektrischen Verbindung
13 der
Brennstoffzelle
1 mit einem Verbraucher
14 angedeutet
ist. Die Variation des Drucks im Bereich des Anodenraums in der hier
angedachten Art ist dabei hinreichend aus den Anmeldungen
DE 100 56 429 A1 und
DE 101 25 106 A1 bekannt.
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Eine weitere Besonderheit der Ausgestaltung
gemäß 2 gegenüber der bereits erläuterten Ausgestaltung
gemäß 1 ist im Bereich der Ventileinrichtung 5 zu
sehen. Diese Ventileinrichtung 5 ist hier nicht als aktives
ansteuerbares Ventil ausgebildet, sondern in Form einer passiven
Ventileinrichtung 5' realisiert.
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Die einfachste Ausgestaltung der
passiven Ventileinrichtung 5' ist
eine einfache Öffnung
bzw. Bohrung 15, wie sie in einer ersten möglichen
Ausgestaltung der passiven Ventileinrichtung 5' in 3a dargestellt ist. Eine
ebenfalls recht einfache und robuste Alternative zu der Öffnung 15 kann
beispielsweise auch eine Querschnittsverengung 16 sein,
wie sie in der alternativen Ausgestaltung der passiven Ventileinrichtung 5' in 3b zu erkennen ist.
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Zum Durchführen eines Purges oder eines Airbleeds
reicht es bei einer derartigen Ausgestaltung der Ventileinrichtung 5' als passive Öffnung 15 bzw.
Querschnittsverengung 16, ohne eine Ansteuerung der Ventileinrichtung 5' zu benötigen, aus,
den Druck im Bereich des Anodenraums 2 bzw. in der oben
genannten Art entsprechend zu variieren, um zum jeweiligen Zeitpunkt
einen Airbleed oder einen Purge zu bewirken. Eine derartige Variation
des Anodendrucks pA über der Zeit t ist in 4 exemplarisch dargestellt.
Der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 wird
dabei um einen vorgegebenen Standardbetriebsdruck (Zustand 0)
variiert, wie dies in 4a dargestellt
ist. Wird der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 über einen
Druck im Bereich der Leitung 7 erhöht, so kommt es zu einem Abblasen von
Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2, also einem Purge.
Dieser Purge ist in 4b prinzipmäßig angedeutet.
Er wird so lange andauern, wie sich der Druck pA im
Bereich des Anodenraums 2 oberhalb des den Umgebungsdruck
symbolisierenden Zustands I in 4a befindet.
Analog dazu wird durch ein Absenken des Drucks pA unter
einen Zustand II und damit unter den Druck im Bereich der Leitung 7 ein
Ansaugen von Luft aus dem Bereich der Luftversorgung 8 erreicht.
Dieser Airbleed ist in 4c prinzipmäßig dargestellt
und wird ebenfalls so lange andauern, wie sich der Druck pA im Bereich des Anodenraums 2 unterhalb
des Zustands II befindet.
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Die Menge an abgeblasenem Medium
bzw. an eingebrachter Luft lässt
sich dabei, wie aus den Diagrammen der 4 erkennbar ist, entweder anhand er zeitlichen
Länge des
Auftretens des entsprechenden Ereignisses oder mittels des Niveaus
des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 entsprechend
variieren.
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Bei den in den 3a und 3b beschriebenen einfachen
Ausgestaltungen der Ventileinrichtung 5' als Öffnung 15 bzw. Querschnittsverengung 16 wird der
Abstand der Zustände 2 und
II um den Zustand 0 minimal bzw. verschwindend klein sein.
Ein derartig aufgebautes System wird sich damit also immer entweder
im Purge oder im Airbleed befinden.
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Um die Variabilität des Systems und letztendlich
den Wirkungsgrad zu steigern, so dass nicht immer Luft eingebracht
oder Medium abgeblasen wird, wäre
es wünschenswert,
zwischen den beiden Zuständen
I und II eine entsprechende Bandbreite für einen Standardbetrieb ohne
Purge bzw. Airbleed zu gewin nen, wie dies in den Diagrammen der 4 dargestellt ist. Einen
derartigen Abstand zwischen den Zuständen I und II kann man, neben
der Ausgestaltung gemäß 1 mit der aktiv angesteuerten Ventileinrichtung 5,
z.B. auch erzielen, wenn eine entsprechende passive Ventileinrichtung 5' eingesetzt
wird, welche in Abhängigkeit
des Drucks selbsttätig öffnet bzw.
schließt.
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In 3c ist
eine beispielhafte Möglichkeit einer
derartigen Ausgestaltung der passiven Ventileinrichtung 5' angedeutet.
Die passive Ventileinrichtung 5' besitzt bei dieser Ausgestaltung
eine Membran 17 oder dergleichen mit einer darin befindlichen Öffnung 18.
Bei geeigneter Ausgestaltung der Dicke der Membran 17 kann
nun erreicht werden, dass in einem Ruhezustand, in welchem die Membran 11 in 3c durchgezogen dargestellt
ist, die Öffnung 18 einen
sehr kleinen bis verschwindenden Querschnitt aufweist. Wird die
Membran 17 nun aufgrund einer Änderung des Drucks ausgelenkt,
in 3c ist dies gestrichelt
beispielhaft für
eine Erhöhung
des Drucks pA im Bereich des Anodenraums 2 dargestellt,
so wird die Oberfläche
der Membran 17 durch elastische Dehnung vergrößert und
die Öffnung 18 vergrößert bzw. öffnet sich
dadurch. Nun kann es entsprechend dem vorliegenden Druck pA in dem in 3c dargestellten
Fall, zu einem Purge kommen. Bei einer Absenkung des Drucks wird
sich die Membran 17 wieder entspannen und die Öffnung 18 wird
verkleinert bzw. geschlossen. Analog zu der in 3c dargestellten Variante würde bei
einer Absenkung des Drucks pA im Bereich
des Anodenraums 2, also einem geplanten Airbleed, die Auslenkung
der Membran 17 in der entgegengesetzten Richtung erfolgen, was,
analog zu dem oben beschriebenen, ebenfalls mit dem Vergrößern bzw. Öffnen der Öffnung 18 verbunden
wäre.
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In 5 ist
nun eine alternative Ausgestaltung der Brennstoffzelle 1 dargestellt.
Anstatt des in 1 und 2 beschriebenen Dead-End-Betriebs weist
die Brennstoffzelle 1 bzw. der im Bereich des Anodenraums 2 einen
sogenannten Ano denkreislauf 19 auf. Dieser Anodenkreislauf 19 bewirkt
dabei, dass der Wasserstoff, welcher aus dem Bereich des Anodenraums 2 austritt, über den
Anodenkreislauf 19 und eine optionale Kreislaufpumpe, welche
z.B. auch als Jetpump 20 ausgebildet sein kann, in den Bereich
des in den Anodenraum 2 eintretenden Wasserstoffs zurückgeführt wird.
Ein derartiger Aufbau der Brennstoffzelle 1 bzw. des Anodenbereichs
mit einem solchen Anodenkreislauf 19 ist dabei an sich bekannt,
so dass hier nicht näher
auf dessen Funktionsweise eingegangen werden muss.
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Ein weiterer Unterschied liegt in
der Gestaltung der Druckregelung des Drucks pA im
Bereich des Anodenraums 2 bzw. bei der Ausgestaltung gemäß 5 im Bereich des mit dem
Anodenraum 2 kommunizierenden Anodenkreislaufs 19.
Der Drucksensor 9' in 5 ist hier nicht im Bereich
des Anodenraums 2 selbst, sondern im Bereich des Anodenkreislaufs 19 angeordnet.
Die von dem Sensor 9' erfassten
Signale, wie in 1 die
Menge an zugeführtem
Wasserstoff, sondern über
ein prinzipmäßig angedeutetes
Druckregelventil 21, dessen Bestandteil der Sensor 9' üblicherweise
sein wird, den Druck im Anodenkreislauf 19 und damit auch
im Bereich des Anodenraums 2 unmittelbar.
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Die Anordnung eines derartigen Druckregelventils 21 kann
dabei im Prinzip auch bei der Ausgestaltung gemäß 1 und 2 in
der Zuleitung erfolgen, während
der Einsatz der Regelung des Drucks pA im
Bereich des Anodenraums 2 über die Menge an zugeführtem Wasserstoff
selbstverständlich
auch bei der Ausgestaltung gemäß 5 unter Verzicht auf das
Druckregelventil 21 oder gegebenenfalls auch gemeinsam
mit dem Druckregelventil 21 erfolgen kann.
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Daneben weist die Ausgestaltung gemäß
5 ein Gaserzeugungssystem
22 als
Quelle für den
Wasserstoff auf. Die hier dargestellte Ventileinrichtung
5 soll
wiederum als steuerbare Ventileinrichtung
5, beispielsweise
als Magnetventil, ausge bildet. Die Ansteuerung dieses Magnetventils,
welche hier nicht explizit dargestellt ist, kann entweder wieder
anhand des Drucks im Bereich des Anodenraums
2 bzw. des
Anodenkreislaufs
19 erfolgen, es ist jedoch auch eine Ansteuerung
von einer entsprechenden Steuerung oder Regelung aus dem Bereich
der Elektrik des Brennstoffzellensystems oder dergleichen denkbar.
Da die Reinheiten des eingesetzten Wasserstoffs üblicherweise auf bekanntem
Niveau konstant sind, wird sich für den Purge- und den Airbleedvorgang
im allgemeinen ein periodischer Ablauf anbieten. Dieser wäre dann
problemlos mit anderen gesteuerten oder geregelten Abläufen, z.B.
solchen zur Variation der von der Brennstoffzelle
1 abgegeben Leistung
zu überlagern.
Hinsichtlich des Aufwands ist es dabei natürlich sehr günstig, wenn
diese anderen Abläufe
ebenfalls auf den Druck im Bereich der Brennstoffzelle
1 Einfluss
nehmen, wie z.B. die periodische, pulsweitenmodulierte Variation
des Drucks gemäß der
DE 100 56 429 A1 oder
DE 101 25 106 A1 .
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Im Unterschied zu den oben genannten
Ausführungsformen
ist die Verbindung zwischen dem Anodenraum 2 bzw. dem Anodenkreislauf 19 und
der Luftversorgung 8 hier so ausgeführt, dass über die Leitung 6 eine
Verbindung zwischen der Luftversorgung 8 und einer von
ihr in den Bereich des Gaserzeugungssystems 22 führenden
Leitung 23 erfolgt. Im Bereich dieser Leitung 23 liegt
ebenfalls unter Druck stehende Luft vor, welche zusammen mit anderen,
hier exemplarisch angedeuteten Edukten A, B dem Gaserzeugungssystem
zugeführt
wird. Je nach Druckverhältnissen
zwischen der Leitung 23 und dem Anodenkreislauf 19 wird
sich auch hier bei geöffneter
Ventileinrichtung 5 wieder ein Purging oder ein Airbleed,
analog zu den oben gemachten Ausführungen, einstellen. Im Falle
des Airbleeds ändert
sich die Funktionsweise dabei gegenüber den oben gemachten Ausführungsbeispielen
nicht bzw. lediglich dadurch, dass das eingebrachte Oxidationsmittel
in den Anodenkreislauf 19 strömt und zusammen mit dem unverbrauchten
Teil des Wasserstoffs zurückgeführt wird.
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Im Falle des Purgings gelangt das
Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2 bzw. des Anodenkreislaufs 19 in
den Bereich der Leitung 23 und von dort zusammen mit der
dem Gaserzeugungssystem 22 zugeführten Luft in den Bereich des
Gaserzeugungssystems 22. Im Bereich des Gaserzeugungssystems 22 kann
Luft nun an verschiedenen Stellen und in verschiedenen der hier
exemplarisch angedeuteten Komponenten 24, 25, 26 Verwendung finden. Üblicherweise
wird die Luft und in diesem Fall auch das mit ihr vermischte Medium
aus dem Purging jedoch immer einer katalytischen Umsetzung oder
thermischen Verbrennung zugeführt,
sei dies im Bereich eines Reformers, eines katalytischen Brenners
zum Beheizen von weiteren Komponenten, wie z.B. Verdampfern, einer
selektiven Oxidationsstufe oder dergleichen. Es ist also auch hier
sichergestellt, dass das aus dem Bereich des Anodenraums 2 kommende
Medium, welches Reste an Wasserstoff, CO und dergleichen aufweisen
kann, entsprechend umgesetzt wird und nach dem Durchströmen des
Gaserzeugungssystems ohne Sicherheitsbedenken an die Umgebung abgegeben
werden kann. Außerdem
wird in dem Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2 enthaltener
Restwasserstoff und gegebenenfalls andere brennbare Reste im Bereich
des Gaserzeugungssystems 22 umgesetzt, so dass deren Energieinhalt
dem Gesamtsystem zu Gute kommt.
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Die oben dargestellten Ausführungsformen, welche
sich in diversen Einzelheiten unterscheiden, lassen sich selbstverständlich nicht
nur in den hier dargestellten Varianten, sondern auch in allen anderen
denkbaren und möglichen
Kombinationen untereinander, beispielsweise also der Dead-End-Betrieb in
Verbindung mit dem Gaserzeugungssystem 22 oder der Betrieb
mit Anodenkreislauf 19 in Kombination mit der passiven
Ventileinrichtung 5' und/oder
einer Wasserstoffspeichereinrichtung 11, sowie in allen denkbaren
anderen Kombinationen untereinander betreiben.