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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere
Brennstoffzellensysteme, die Brennstoffzellen besitzen, die einen
Anodenabfluss erzeugen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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H2-O2-(Luft)-Brennstoffzellen
sind in der Technik gut bekannt und sind für viele Anwendungen als eine
Energie- bzw. Antriebsquelle vorgeschlagen worden. Es existieren
verschiedene Typen von H2-O2-Brennstoffzellen,
wie beispielsweise dem Säuretyp,
alkalischen Typ, Schmelzcarbonattyp bzw. Molten-Carbonat-Typ und
Festoxidtyp. Sogenannte PEM-Brennstoffzellen
(Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen) [auch bekannt als SPE-(Festpolymerelektrolyt)-Brennstoffzellen]
sind vom Säuretyp,
besitzen potenziell eine hohe Leistung und ein niedriges Gewicht
und sind demgemäß für mobile Anwendungen
(beispielsweise Elektrofahrzeuge) geeignet. PEM-Brennstoffzellen
sind in der Technik gut bekannt und umfassen eine "Membranelektrodenanordnung" (auch bekannt als
MEA) mit einem dünnen protonendurchlässigen Festpolymermembranelektrolyt,
der auf einer seiner Seiten eine Anode und auf der entgegengesetzten
Seite eine Kathode umfasst. Die MEA ist zwischen einem Paar elektrisch
leitender Elemente schichtartig angeordnet, die (1) als Stromkollektoren
für die
Anode und Kathode dienen und (2) geeignete Kanäle und/oder Öffnungen
darin umfassen, um die gasförmigen
Reak tanden der Brennstoffzelle über
die Oberflächen
der jeweiligen Anoden- und
Kathodenkatalysatoren zu verteilen. Gewöhnlich wird eine Vielzahl einzelner
Zellen miteinander gebündelt,
um einen PEM-Brennstoffzellenstapel zu bilden.
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Bei
PEM-Brennstoffzellen ist Wasserstoff der Anodenreaktand (d.h. Brennstoff),
und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand (d.h. Oxidationsmittel).
Der Sauerstoff kann entweder in reiner Form (d.h. O2) oder
als Luft (d.h. O2 gemischt mit N2) vorliegen. Die Festpolymerelektrolyte
bestehen typischerweise aus Ionentauscherharzen, wie beispielsweise
perfluorierter Sulfonsäure.
Die Anode bzw. Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische
Partikel (oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen) gemischt mit einem
protonenleitenden Harz.
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Während der
Umwandlung des Anodenreaktanden und Kathodenreaktanden in elektrische
Energie, erzeugt die Brennstoffzelle ungeachtet des Typs Anoden-
und Kathodenabflüsse,
die von der Brennstoffzelle ausgetragen werden. Der Anodenabfluss umfasst
typischerweise einen nicht verwendeten Wasserstoff, der eine nicht
verwendete Energiequelle darstellt. Der Kathodenabfluss umfasst
typischerweise überschüssigen Sauerstoff
oder Luft, der während
der Erzeugung von Elektrizität
in der Brennstoffzelle nicht verbraucht wurde. Die Mengen an Wasserstoff
und Sauerstoff, die in den Anoden- und Kathodenabflüssen verbleiben,
sind von einer Anzahl von Faktoren abhängig und variieren. Beispielsweise kann
der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle die Menge an Wasserstoff und
Sauerstoff beeinflussen, die in den jeweiligen Anoden- und Kathodenabflüssen ausgetragen
werden. Zusätzlich
beeinflusst auch die Stöchiometrie
des Brennstoffzellenstapels (d.h. die Mengen an Wasserstoff und
Sauerstoff, die in den jeweiligen Anoden- und Kathodenreaktanden
enthalten sind) die Menge an verbleibendem Wasserstoff und Sauerstoff
in den jeweiligen Anoden- und Kathodenabflüssen.
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Der
Wasserstoff in dem Anodenabfluss repräsentiert eine Energiequelle,
die in eine besser verwendbare Form umgewandelt werden kann. Typischerweise
verwenden Brennstoffzellensysteme einen Abgasbrenner, um den Wasserstoff
in dem Anodenabfluss in Wärme
umzuwandeln, die in anderen Teilen des Brennstoffzellensystems verwendet
werden kann. Jedoch stellt die Umwandlung des überschüssigen Wasserstoffes in Warme
nicht immer die effizienteste Verwendung der in dem Anodenabfluss enthaltenen
Energie dar. Der Abgasbrenner erzeugt Emissionen, die eine zusätzliche
Verarbeitung erfordern können,
bevor die Emissionen an die Umgebung entlüftet werden können. Die
von dem Brenner erzeugte Wärme
ist nur bei bestimmten Aspekten des Betriebs des Brennstoffzellensystems
erforderlich, wie beispielsweise beim Start, und wird anschließend eine
Quelle für
verlorene Energie in der Form von Wärme, die von dem Brennstoffzellensystem
dissipiert werden muss. Der Abgasbrenner arbeitet bei hoher Temperatur.
Die Verwendung eines Abgasbrenners erfordert auch zusätzliche
Steuerungen und/oder Steuerschemata, die sich von den Steuerungen
und/oder Steuerschemata zum Betrieb der Brennstoffzellen unterscheiden.
Alle obigen Betrachtungen erhöhen
die Komplexität
eines Brennstoffzellensystems, das einen Abgasbrenner umfasst. Daher wäre es erwünscht, die
Energie in dem Anodenabfluss in eine besser verwendbare Form umzuwandeln,
ohne dass die Erzeugung von überschüssiger Warme,
von Emissionen und/oder zusätzliche und/oder
andere Steuerungen bzw. Steuerschemata erforderlich werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beseitigt die Notwendigkeit des Abgasverbrennungsprozesses
in einem Brennstoffzellensystem. Die Erfindung erlaubt, dass der überschüssige Wasserstoff
in dem Anodenabfluss direkt in Elektrizität mit niedriger Spannung nur
unter Zuhilfenahme minimaler Steuerungen und ohne überschüssige Verbrennungswärme oder Emissionen
umgewandelt werden kann. Die erzeugte niedrige Spannung kann zum
Laden der Batterie und/oder für
einen anderen Zusatzenergiebedarf in dem Brennstoffzellensystem
und/oder einer Vorrichtung, in der das Brennstoffzellensystem arbeitet,
verwendet werden.
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Ein
Brennstoffzellensystem gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung umfasst eine erste Brennstoffzelle mit einem
ersten Anodeneinlass, der eine erste Anodenreaktandenströmung aufnimmt,
und einem ersten Kathodeneinlass, der eine erste Kathodenreaktandenströmung aufnimmt. Die
erste Brennstoffzelle reagiert die ersten Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen,
um Elektrizität,
einen ersten Anodenabfluss, der von einem ersten Anodenauslass ausgetragen
wird, und einen ersten Kathodenabfluss zu erzeugen, der von einem ersten
Kathodenauslass ausgetragen wird. Eine zweite Brennstoffzelle besitzt
einen zweiten Anodeneinlass, der eine zweite Anodenreaktandenströmung aufnimmt,
und einen zweiten Kathodeneinlass, der eine zweite Kathodenreaktandenströmung aufnimmt. Die
zweite Brennstoffzelle reagiert die zweiten Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen,
um Elektrizität,
einen zweiten Anodenabfluss, der von einem zweiten Anodenauslass
ausgetragen wird, und einen zweiten Kathodenabfluss zu erzeugen,
der von einem zweiten Kathodenauslass ausgetragen wird. Der erste
Anodenauslass steht in Fluidverbindung mit dem zweiten Anodeneinlass,
so dass ein Anteil (teilweise oder gesamt) der zweiten Anodenreaktandenströmung, die in
der zweiten Brennstoffzelle aufgenommen wird, aus einem Anteil (teilweise
oder gesamt) des ersten Anodenabflusses gebildet wird, der von der
ersten Brennstoffzelle ausgetragen wird.
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Die
Erfindung offenbart auch ein Verfahren zum Umwandeln eines Anodenabflusses,
der von einer primären
Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem ausgetragen wird,
in einen elektrischen Strom. Das Verfahren umfasst die Schritte,
dass: (1) ein Anteil des von einer primären Brennstoffzelle ausgetragenen
Anodenabflusses an eine sekundäre Brennstoffzelle
geführt
wird; (2) die sekundäre Brennstoffzelle
mit einer Kathodenreaktandenströmung
versorgt wird; und (3) der Anteil des Anodenabflusses und die Kathodenreaktandenströmung in
der sekundären
Brennstoffzelle in Elektrizität
umgewandelt werden.
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Weitere
Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter
beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung
wie auch spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung darstellen, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und
nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung ist im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in der:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform
des Brennstoffzellensystems gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung ist, das eine einzelne sekundäre Brennstoffzelle
verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich
beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre
Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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In 1 ist
ein Brennstoffzellensystem 20 gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 20 besitzt
eine primäre
Brennstoffzelle 22, die einen Anodenreaktanden 24 und
einen Kathodenreaktanden 26 in Elektrizität umwandelt,
um eine primäre
elektrische Last 28 zu betreiben. Die primäre elektrische
Last 28 kann abhängig
von der Anwendung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet
wird, eine Vielzahl von Formen annehmen. Beispielsweise kann die
primäre elektrische
Last 28 ein oder mehrere Elektromotoren sein, die dazu
verwendet werden, ein Fahrzeug anzutreiben, oder andere Vorrichtungen
sein, die einen elektrischen Strom zum Betrieb erfordern. Der Prozess
zum Umwandeln des Anodenreaktanden 24 und des Kathodenreaktanden 26 in
Elektrizität
erzeugt auch einen Anodenabfluss 30 und einen Kathodenabfluss 32,
die von der primären
Brennstoffzelle 22 ausgetragen werden. Der Anodenreaktand 24 ist
eine Brennstoffquelle, die Wasserstoff (H2)
enthält,
und der Kathodenreaktand 26 ist ein Oxidationsmittel, das
Sauerstoff (O2) enthält. Der Sauerstoff in dem Kathodenreaktand 26 kann
in der Form von reinem O2 oder in der Form
von Luft (O2 gemischt mit N2)
vorliegen. Der Anodenreaktand 24 liefert einen Anodenzufuhrstrom
oder eine Anodenreaktandenströmung 34 an
die primäre
Brennstoffzelle 22, und der Kathodenreaktand 26 liefert
einen Kathodenzufuhrstrom oder eine Kathodenreaktandenströmung 36 an
die primäre
Brennstoffzelle 22, die in Elektrizität umgewandelt werden. Die Kathodenreaktandenströ mung 36 kann über einen
optionalen Kompressor 38 geliefert werden. Der oben beschriebene
Betrieb der primären
Brennstoffzelle 22 ist in der Technik bekannt und wird
deshalb nicht näher
beschrieben.
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Der
H2, der als der Anodenreaktand 24 geliefert
wird, kann aus einer Vielzahl von Quellen stammen. Beispielsweise
kann der H2 aus einer Quelle für reinen
H2 stammen, wie beispielsweise flüssigem Wasserstoff
von einem Speichertank, oder kann aus einer anderen Brennstoffquelle
reformiert werden, wie beispielsweise Benzin, Methanol, Ethanol
oder anderen Brennstoffquellen, wie es in der Technik bekannt ist.
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Wie
oben beschrieben wurde, werden, wenn die primäre Brennstoffzelle 22 die
Anodenreaktandenströmung 34 und
die Kathodenreaktandenströmung 36 verwendet,
um Elektrizität
zu erzeugen, auch ein Anodenabfluss 30 und ein Kathodenabfluss 32 von
der primären
Brennstoffzelle 22 erzeugt und ausgetragen. Aufgrund der
Betriebsbedingungen und der Brennstoffzellenwirkungsgrade enthält der Anodenabfluss 30 typischerweise
nicht verwendeten H2, und der Kathodenabfluss 32 enthält nicht
verwendeten O2. Das Brennstoffzellensystem 20 der
vorliegenden Erfindung verwendet den Anodenabfluss 30, um
zusätzliche
Elektrizität
für das
Brennstoffzellensystem 20 oder die Vorrichtung, in der
das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, zu erzeugen. Um
dies zu erreichen, verwendet das Brennstoffzellensystem 20 eine
sekundäre
Brennstoffzelle 40, die ähnlich der primären Brennstoffzelle 22 eine
Anodenreaktandenströmung
und eine Kathodenreaktandenströmung
aufnimmt und diese in Elektrizität
umwandelt. Dies bedeutet, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 mit
einem sekundären
Anodenzufuhrstrom oder einer sekundären Anodenreaktandenströmung 42 und
einem sekundären
Kathodenzufuhrstrom oder einer sekundären Kathodenreaktandenströmung 44 beliefert
wird, die die sekundäre
Brennstoffzelle 40 in Elektrizität umwandelt, die dazu verwendet werden
kann, um elektrischen Strom an eine sekundäre elektrische Last 46 oder
eine Speichervorrichtung, wie beispielsweise eine Batterie, zu liefern.
Die sekundäre
Brennstoffzelle 40 verwendet den H2-haltigen Anodenabfluss 30,
der von der primären
Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird, als zumindest einen Anteil
der sekundären
Anodenreaktandenströmung 42,
so dass der nicht verwendete H2 in dem Anodenabfluss 30 in
Elektrizität
umgewandelt werden kann. Bevorzugt wird die gesamte sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 durch
den Anodenabfluss 30 vorgesehen.
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Optional
kann jedoch die sekundäre
Anodenreaktandenströmung 42 durch
die Anodenreaktandenströmung 34 ergänzt werden.
Dies bedeutet, dass ein Anteil 48 der Anodenreaktandenströmung 34 an
die sekundäre
Brennstoffzelle 40 als ein Teil der sekundären Anodenreaktandenströmung 42 geführt werden
kann. Bevorzugt steuert ein Steuerventil 50 den Anteil 48 der
Anodenreaktandenströmung 34, der
an die sekundäre
Brennstoffzelle 40 geführt
wird. Das Steuerventil 50 wird so betrieben, dass die Menge
an H2, die an die sekundäre Brennstoffzelle 40 von der
Anodenreaktandenströmung 34 über den
Anteil 48 geliefert wird, ausreichend niedrig ist, so dass
die sekundäre
Brennstoffzelle 40 den größten Teil, wenn nicht das gesamte
H2, das in der sekundären Anodenreaktandenströmung 42 enthalten
ist, in Elektrizität
umwandeln kann.
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Optional,
jedoch bevorzugt ist ein Steuerventil 52 zwischen der primären Brennstoffzelle 22 und der
sekundären
Brennstoffzelle 40 angeordnet, das die Menge an Anodenabfluss 30 steuert,
die von der primären
Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird. Im Betrieb kann das
Steuerventil 52 die Menge an Anodenabfluss 30 regulieren,
die von der primären
Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird. Bei einer Betriebsart wird
das Steuerventil 52 dazu verwendet, den Austrag von Anodenabfluss 30 von
der primären
Brenn stoffzelle 22 zu verhindern. In dieser Betriebsart
ist das Steuerventil 52 geschlossen, während die primäre Brennstoffzelle 22 die
Reaktanden in der primären Brennstoffzelle 22 in
Elektrizität
umwandelt, und periodisch öffnet,
um die primäre
Brennstoffzelle 22 "aufstoßen" zu lassen. Das Aufstoßen der
primären Brennstoffzelle 22 wird
ausgeführt,
um die Verweilzeit der Anodenreaktandenströmung 34 zu steigern und
den Wirkungsgrad der primären
Brennstoffzelle 22 zu steigern, so dass der Anodenabfluss 30 eine minimale
Menge an H2 enthält.
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Bevorzugt
wird die sekundäre
Brennstoffzelle 40 mit einer sekundären Kathodenreaktandenströmung 44 beliefert,
die von der Umgebungsluft, in der das Brennstoffzellensystem 20 arbeitet,
entnommen wird. Wenn die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 von
der Umgebungsluft genommen wird, kann ein Gebläse (nicht gezeigt) und/oder
eine andere Ausstattung erforderlich werden, um die Strömung der
Umgebungsluft über
die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 in
die sekundäre
Brennstoffzelle 40 anzutreiben. Ein Gebläse ist gegenüber der Verwendung
eines Kompressors aufgrund des verringerten Energieverbrauchs in
Verbindung mit dem Betrieb eines Gebläses bevorzugt. Optional dazu kann
die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 mit
einem Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 ergänzt werden,
der von der primären
Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird. Der Anteil 54 des
Kathodenabflusses 32, der dazu verwendet wird, die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu
ergänzen,
kann entweder ein gesamter Anteil des Kathodenabflusses 32 oder
ein kleinerer Anteil des Kathodenabflusses 32 sein. Wenn
es gewünscht
ist, weniger als den gesamten Anteil des Kathodenabflusses 32 vorzusehen,
um die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 zu
ergänzen,
ist bevorzugt ein Steuerventil 56 zwischen dem Kathodenabfluss 32 und
der sekundären
Kathodenreaktandenströmung 44 angeordnet.
Das Steuerventil 56 kann die Menge an Kathodenabfluss 32 regulieren, die
dazu verwendet wird, die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 zu
ergänzen.
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Alternativ
und/oder zusätzlich
dazu kann die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 auch von
der Kathodenreaktandenströmung 36 ergänzt werden,
die über
den Kompressor 38 geliefert wird. Dies bedeutet, dass ein
Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 über die
sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 an
die sekundäre
Brennstoffzelle 40 geführt
werden kann. Wenn die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 durch
den Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 ergänzt wird,
ist zwischen der Kathodenreaktandenströmung 36 und der sekundären Kathodenreaktandenströmung 44 ein
Steuerventil 60 angeordnet. Das Steuerventil 60 steuert
den Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36, der dazu
verwendet wird, die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 zu
ergänzen.
Optional dazu kann die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 vollständig durch
den Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 und/oder
den Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 vorgesehen werden.
Ein Ventil 61 kann an dem Umgebungslufteinlass zu der sekundären Brennstoffzelle 40 vorgesehen
sein. Das Ventil 61 kann geschlossen werden, um zu verhindern,
dass ein Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 und/oder
ein Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 von dem Brennstoffzellensystem 20 über den
Lufteinlass ausgetragen wird, wenn die sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 durch
den Anteil 54 des Kathodenabflusses 32 und/oder
den Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 ergänzt wird.
Das Ventil 61 kann geöffnet werden,
um zu ermöglichen,
dass die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 von
der Umgebungsluft, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird,
entnommen wird. Daher kann die sekundäre Brennstoffzelle 40 mit
einer sekundären
Kathodenreaktandenströmung 44 beliefert
werden, die aus Umgebungsluft und/oder dem Anteil 54 des
Kathodenabflusses 32 und/oder dem Anteil 58 der
Kathodenreaktandenströmung 36 besteht.
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Wie
oben beschrieben wurde, verwendet die sekundäre Brennstoffzelle 40 die
sekundäre
Anodenreaktandenströmung 42 und
die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44,
um Elektrizität
zu erzeugen und die sekundäre
elektrische Last 46 zu betreiben. Die Erzeugung von Elektrizität in der
sekundären
Brennstoffzelle 40 resultiert in der Erzeugung eines sekundären Anodenabflusses 62 und
eines sekundären
Kathodenabflusses 64, die von der sekundären Brennstoffzelle 40 ausgetragen
werden. Die sekundären
Anoden- und Kathodenabflüsse 62, 64 werden
in die Umgebung, in der das Brennstoffzellensystem 20 arbeitet,
ausgetragen. Die sekundäre Brennstoffzelle 40 ist
so bemessen und/oder wird so betrieben, dass der gesamte H2, der in der sekundären Anodenreaktandenströmung 42 enthalten
ist, während
der Erzeugung von Elektrizität
in der sekundären
Brennstoffzelle 40 verbraucht wird, so dass der sekundäre Anodenabfluss 62 im
Wesentlichen frei von H2 ist. Das Brennstoffzellensystem 20 verbraucht dadurch
einen Großteil
oder den gesamten H2, der durch die Anodenreaktandenströmung 34 geliefert wird,
und hat dadurch ein Brennstoffzellensystem 20 zur Folge,
dass wenig oder gar keinen nicht verwendeten H2 austrägt. Aufgrund
dessen verwendet das Brennstoffzellensystem 20 keinen Abgasbrenner,
um Energie von dem H2 zu entnehmen, der
von herkömmlichen
Brennstoffzellensystemen 20 ausgetragen wird. Bevorzugt
gelangt der sekundäre
Anodenabfluss 62, der von der sekundären Brennstoffzelle 40 ausgetragen
wird, durch ein Rückschlagventil 65, bevor
er an die Umgebung ausgetragen wird. Das Rückschlagventil 65 verhindert
einen Rückfluss
in die Anodenabschnitte der sekundären Brennstoffzelle 40 und
der primären
Brennstoffzelle 22, wodurch eine Kontamination der sekundären Brennstoffzelle 40 und
der primären
Brennstoffzelle 22 verhindert wird.
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Bevorzugt
ist die primäre
Brennstoffzelle 22 eine PEM-Brennstoffzelle. Jedoch sei
angemerkt, dass die primäre
Brennstoffzelle 22 ein beliebiger Typ von Brennstoffzelle
sein kann, der H2 als einen Reaktanden und
O2 (oder Luft) als ein Oxidationsmittel
verwendet, um Elektrizität
zu erzeugen, und dennoch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung
liegt. Bevorzugt ist die sekundäre
Brennstoffzelle 40 derselbe Typ von Brennstoffzelle wie
die primäre
Brennstoffzelle 22. Jedoch ist es nicht notwendig, dass
die sekundäre
Brennstoffzelle 40 und die primäre Brennstoffzelle 22 vom
selben Brennstoffzellentyp sind, um innerhalb des Schutzumfangs der
vorliegenden Erfindung zu liegen. Dies bedeutet, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 von
einem anderen Brennstoffzellentyp als die primäre Brennstoffzelle 22 sein
kann, vorausgesetzt, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 auch
H2 als einen Reaktanden und O2 (oder
Luft) als ein Oxidationsmittel in der Reaktion innerhalb der sekundären Brennstoffzelle 40 verwendet,
um Elektrizität
zu erzeugen. Bevorzugt ist die sekundäre Brennstoffzelle 40 so
bemessen, dass sie eine Brennstoffzelle mit niedrigerer Leistung
als die primäre
Brennstoffzelle 22 ist. Ferner kann die sekundäre Brennstoffzelle 40 auch
so bemessen sein, dass sie anders als die primäre Brennstoffzelle 22 arbeitet.
Beispielsweise kann die sekundäre
Brennstoffzelle 40 andere Druckanforderungen, Temperaturanforderungen,
Kühlanforderungen,
Wirkungsgrade, etc. besitzen.
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Ungeachtet
des Typs oder der Größe der primären oder
sekundären
Brennstoffzellen 22, 40 ist das Brennstoffzellensystem 20 so
ausgebildet, dass der sekundäre
Anodenabfluss 62, der von der sekundären Brennstoffzelle 40 ausgetragen
wird, im Wesentlichen frei von H2 ist, so
dass das Brennstoffzellensystem 20 effizienter ist und
sehr wenig oder gar kein H2, das durch die
Anodenreaktandenströmung 34 geliefert
wird, an die Umgebung ausgetragen wird. Die Größe der primären Brennstoffzelle 22 und der sekundären Brennstoffzelle 40 ist
abhängig
von der Anwendung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet
wird. Dies bedeutet, dass die primäre Brennstoffzelle 22 so
bemessen ist, dass sie die primäre
elektrische Last 28 mit ausreichender Elektrizität versorgt,
damit diese innerhalb der Konstruktionsparameter arbeiten kann,
und die sekundäre
Brennstoffzelle 40 so bemessen ist, dass sie einen sekundären Anodenabfluss 62 liefert,
der im Wesentlichen H2-frei ist. Da es bevorzugt
ist, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 eine
Brennstoffzelle mit niedrigerer Leistung als die primäre Brennstoffzelle 22 ist,
ist davon auszugehen, dass die sekundäre Brennstoffzelle 40 dazu
verwendet wird, Elektrizität
an eine sekundäre
elektrische Last 46 zu liefern, die eine Zusatzkomponente
für das
Brennstoffzellensystem 20 und/oder die Vorrichtung ist,
innerhalb der die Brennstoffzelle 20 arbeitet, und die
weniger Leistung von der sekundären
Brennstoffzelle 40 erfordert. Beispielsweise kann die sekundäre elektrische
Last 46 eine Batterie sein, die in der Vorrichtung enthalten
ist, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, und
die sekundäre
Brennstoffzelle 40 wird dazu verwendet, die Batterie aufzuladen.
Es sei jedoch angemerkt, dass die primären und sekundären elektrischen
Lasten 28, 46 abhängig von der Anwendung, in
der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet wird, variieren,
und dass die primären
und sekundären elektrischen
Lasten 28, 46 eine Vielzahl von Formen annehmen
können
und immer noch innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung
liegen.
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Das
Brennstoffzellensystem 20, das in 1 gezeigt
ist, verwendete eine sekundäre
Brennstoffzelle 40. Optional dazu kann das Brennstoffzellensystem 20 mehrere
sekundäre
Brennstoffzellen 40 verwenden. Die Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 kann
in einer parallelen Konfiguration, in einer seriellen Konfiguration
oder in einer Kombination aus paralleler und serieller Konfiguration
angeordnet sein. In einer derartigen Anordnung wird jede der Vielzahl
sekundärer
Brennstoffzellen 40 als eine Quelle für Elektrizität für eine Vielzahl
sekundärerer elektrischer
Lasten 46 verwendet und ist so ausgebildet, um im Wesentlichen
den gesamten H2 zu verbrauchen, der durch
die Anodenreaktandenströmung 34 an
das Brennstoffzellensystem 20 geliefert wird. Wenn eine
Vielzahl sekundärer
Brennstoffzellen 40 verwendet wird, kann eine ähnliche
Ausstattung und Anordnung erforderlich sein.
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Wenn
eine parallele Ausgestaltung verwendet wird, sind die Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 unterstromig
der primären
Brennstoffzelle 22 und parallel zueinander angeordnet,
so dass die sekundären
Brennstoffzellen 40 den Anodenabfluss 30 aufteilen,
der von der primären
Brennstoffzelle 22 zur Verwendung als eine Anodenreaktandenströmung an
jede der sekundären
Brennstoffzellen 40 ausgetragen wird. Genauer wird der
Anodenabfluss 30, der von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird,
an alle sekundären
Brennstoffzellen 40 geführt, so
dass jede der sekundären
Brennstoffzellen 40 andere Anteile des Anodenabflusses 30 als
eine Anodenreaktandenströmung
zur Erzeugung von Elektrizität
verwendet.
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Wenn
eine serielle Konfiguration verwendet wird, sind die sekundären Brennstoffzellen 40 unterstromig
der primären
Brennstoffzelle 22 angeordnet, wobei jede der sekundären Brennstoffzellen 40 in
einer seriellen Konfiguration angeordnet ist und wobei der Anodenabfluss,
der von einer vorangehenden oberstromigen sekundären Brennstoffzelle 40 ausgetragen
wird, als eine Anodenreaktandenströmung für eine nachfolgende unterstromige
sekundäre
Brennstoffzelle 40 verwendet wird. Jede der Vielzahl sekundärer Brennstoffzellen 40 nimmt
auch eine Kathodenreaktandenströmung
auf.
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Die
Vielzahl sekundärer
Brennstoffzellen 40 können
alle vom selben Typ von Brennstoffzelle sein oder können unterschiedliche
Brennstoffzellentypen umfassen bzw. sein, die H2 als
einen Anodenreaktand und O2 (oder Luft)
als einen Kathodenreaktand verwenden. Bevorzugt sind die Vielzahl
sekundärer Brennstoffzellen 40 Brennstoffzellen
mit niedrigerer Leistung, als die primäre Brennstoffzelle 22.
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Anhand
von 1 wird nun der Betrieb des Brennstoffzellensystems 20 der
vorliegenden Erfindung erläutert.
Die primäre
Brennstoffzelle 22 wird mit einer Anodenreaktandenströmung 34 von
dem Anodenreaktand 24 und auch mit einer Kathodenreaktandenströmung 36 von
dem Kathodenreaktand 26 über den optionalen Kompressor 38 beliefert.
Die primäre
Brennstoffzelle 22 wandelt dann die Anoden- und Kathodenreaktandenströmungen 34, 36 in
Elektrizität
um, um die primäre
elektrische Last 28 zu erfüllen. Die Produktion von Elektrizität innerhalb
der primären
Brennstoffzelle 22 erzeugt Anoden- und Kathodenabflüsse 30, 32.
Der Anodenabfluss 30 wird an die sekundäre Brennstoffzelle 40 geführt, an
der er als eine sekundäre
Anodenreaktandenströmung 42 verwendet
wird. Das Führen
des Anodenabflusses 30 von der primären Brennstoffzelle 22 an
die sekundäre
Brennstoffzelle 40 wird durch das Steuerventil 52 gesteuert,
das dazu verwendet werden kann, die primäre Brennstoffzelle 22 "aufstoßen" zu lassen. Optional
dazu kann die sekundäre
Anodenreaktandenströmung 42 durch
Leiten eines Anteils 48 der Anodenreaktandenströmung 34 direkt
an die sekundäre
Brennstoffzelle 40 ergänzt
werden, um sich mit dem Anodenabfluss 30 zu mischen, der
von der primären
Brennstoffzelle 22 ausgetragen wird, und damit die sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 zu
bilden. Das Ergänzen
der sekundären
Anodenreaktandenströmung 42 mit
einem Anteil 48 der Anodenreaktandenströmung 34 wird durch
das Steuerventil 50 gesteuert. Typischerweise wird die
sekundäre
Anodenreaktandenströmung 42 nicht
mit dem Anteil 48 der Anodenreaktandenströmung 34 ergänzt.
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Der
Kathodenabfluss 32, der durch die primäre Brennstoffzelle 22 erzeugt
wird, wird bevorzugt an die Umgebung ausgetragen, und die sekundäre Brennstoffzelle 40 verwendet
eine sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44,
die Luft darstellt, die von der Umgebung, in der das Brennstoffzellensystem 20 verwendet
wird, entnommen wird. Es kann jedoch erwünscht sein, die Luft, die die
sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44 umfasst,
mit dem Kathodenabfluss 32 und/oder der Kathodenreaktandenströmung 36 zu
ergänzen
und/oder zu ersetzen. Daher kann der von der primären Brennstoffzelle 22 ausgetragene
Kathodenabfluss 32 über
das Steuerventil 56 an den Kathodeneinlass der sekundären Brennstoffzelle 40 geführt werden,
um als ein Teil oder die gesamte sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu
dienen. Auch kann ein Anteil 58 der Kathodenreaktandenströmung 36 an
den Kathodeneinlass der sekundären
Brennstoffzelle 40 über
ein Steuerventil 60 geführt
werden, um einen Teil oder die gesamte sekundäre Kathodenreaktandenströmung 44 zu
bilden. Die sekundäre
Brennstoffzelle 40 verwendet dann die sekundäre Anodenreaktandenströmung 42 und
die sekundäre
Kathodenreaktandenströmung 44,
um Elektrizität
zu erzeugen. Die Erzeugung von Elektrizität in der sekundären Brennstoffzelle 40 erzeugt
sekundäre
Anoden- und Kathodenabflüsse 62, 64,
die an die Umgebung ausgetragen werden können. Der sekundäre Anodenabfluss 62 wird
durch ein Rückschlagventil 65 geführt, um
eine Rückflusskontamination
der sekundären
Brennstoffzelle 40 und der primären Brennstoffzelle 22 zu
verhindern.
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Die
sekundäre
Brennstoffzelle 40 ist derart ausgebildet, dass es möglich wird,
dass die sekundäre
Brennstoffzelle 40 den größten Teil oder den gesamten
H2 verbraucht, der in der sekundären Anodenreaktandenströ mung 42 enthalten
ist, so dass der sekundäre
Anodenabfluss 62, der durch die sekundäre Brennstoffzelle 40 ausgetragen
wird, im Wesentlichen frei von H2 ist. Das
Brennstoffzellensystem 20 sieht daher ein Mittel zur Verwendung
des größten Teils
oder des gesamten H2 vor, der durch die
primäre Brennstoffzelle 22 in
dem Anodenabfluss 30 ausgetragen wird, um Nutzenergie in
der Form von Elektrizität
zu erzeugen.
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Das
oben beschriebene Brennstoffzellensystem 20, das gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, sieht ein Brennstoffzellensystem 20 vor,
das die primäre
elektrische Last 28 erfüllen
kann, während
ein sekundärer
Anodenabfluss 62 erzeugt wird, der sehr wenig oder keinen nicht
verwendeten H2 enthält.
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Die
Beschreibung der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und
somit sind Abwandlungen, die nicht von der Grundidee der Erfindung
abweichen, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung anzusehen.
Derartige Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Idee und
dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.
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Zusammenfassung
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Ein
Brennstoffzellensystem besitzt erste und zweite Brennstoffzellen,
die jeweils Anodenreaktandenströmungen
und Kathodenreaktandenströmungen
aufnehmen. Jede der Zellen verwendet die Reaktandenströmungen zur
Erzeugung von Elektrizität. Die
Erzeugung von Elektrizität
durch die Brennstoffzellen erzeugt jeweilige erste und zweite Anoden- und
Kathodenabflüsse,
die von den jeweiligen Brennstoffzellen ausgetragen werden. Die
zweite Brennstoffzelle ist mit der ersten Brennstoffzelle verbunden und
unterstromig von dieser angeordnet, so dass die Anodenreaktandenströmung zu
der zweiten Brennstoffzelle aus einem Anteil des Anodenabflusses,
der von der ersten Brennstoffzelle ausgetragen wird, gebildet wird.