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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise auf der Basis von sogenannten PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Diese werden typischerweise zu einem Stapel von Einzelzellen, dem sogenannten Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack, kombiniert. Der Stapel weist einen Kathodenraum zur Zufuhr von Luft als Sauerstofflieferant und einen Anodenraum zur Zufuhr von Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, aus einem Druckgasspeicher auf.
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Eine Problematik ist dabei der Kaltstart eines solchen Brennstoffzellensystems. Insbesondere wenn der Kaltstart bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgen muss, kann es sein, dass Wasser vom letzten Betrieb noch im Bereich des Brennstoffzellensystems vorhanden und dort eingefroren ist. Dadurch können wichtige Strömungsöffnungen verstopft sein, oder wichtige Funktionselemente, wie beispielsweise bewegliche Elemente in Fördereinrichtungen, Ventile oder auch die Gasdiffusionselektroden der Brennstoffzelle selbst eingefroren sein. Dies führt zu einem verzögerten Start des Brennstoffzellensystems, da diese Komponenten in der Anfangsphase des Betriebs zuerst aufgetaut werden müssen. Dies ist vergleichsweise energieintensiv, da die für ein schnelles Auftauen des Brennstoffzellensystems benötigte Energie beispielsweise über elektrische Zuheizer oder dergleichen bereitgestellt werden muss.
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Aus der
DE 10 2004 020 029 A1 ist es aus diesem Grund bekannt, einen Zielkondensator vorzusehen, welcher in dem Brennstoffzellensystem so angeordnet ist, dass ein Großteil der anfallenden Feuchtigkeit im Bereich dieses Zielkondensators auskondensiert und damit in einen Bereich abgeleitet werden kann, in dem ein Einfrieren des Wassers eher unkritisch ist. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, im Bereich des Zielkondensators ein Adsorptionsmaterial vorzusehen, beispielsweise ein Silicatgel oder ein Zeolith. Die Kaltstartproblematik lässt sich durch diese gezielte Vorbereitung auf einen späteren Kaltstart etwas entschärfen. Dennoch besteht auch hier nach wie vor die Notwendigkeit, bei einem Kaltstart Wärme gezielt in das Brennstoffzellensystem einzubringen, sodass nach wie vor ein vergleichsweise hoher Energiebedarf für den Kaltstart besteht.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, in Brennstoffzellensystemen zur Befeuchtung Zuluft mittels der feuchten Abluft der Brennstoffzelle Befeuchter einzusetzen. Diese Befeuchter können beispielsweise über für Wasserdampf durchlässige Membranen ausgebildet sein. Die
DE 199 18 849 A1 beschreibt einen Befeuchter für eine Brennstoffzelle, welcher als Sorptionsrad ausgebildet ist. Dieses Sorptionsrad weist ein Sorptionsmaterial auf, welches Feuchtigkeit aus der Abluft der Brennstoffzelle aufnimmt. Dieses mit Feuchtigkeit beladene Material wird dann durch ein Drehen des Rades in Kontakt zu dem zur Brennstoffzelle strömenden Zuluftstrom gebracht, um die Feuchtigkeit wieder abzugeben. Die Zuluft wird dadurch befeuchtet. Der Aufbau ist außerordentlich komplex und bedarf sowohl des drehbaren Rades als auch einer komplexen Abdichtung zwischen denen das Rad wechselseitig durchströmenden Gasströmen, um einen Verlust von verdichteter Zuluft auf die Abluftseite des Kathodenraums zu verhindern. Der Aufbau lässt sich insbesondere bei kleinen Systemen, welche beispielsweise in mobilen Brennstoffzellensystemen oder in Fahrzeugsystemen eingesetzt werden, so nur extrem schwer realisieren.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zusätzliche Wärme ohne den Bedarf an zusätzlicher Energie, insbesondere für den Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems, gezielt bereitstellen kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist im Anspruch 10 eine besonders bevorzugte Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems angegeben. Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Sorptionseinrichtung aufweist, welche von der Abluft und/oder dem Abgas der Brennstoffzelle durchströmt ist. Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Sorptionseinrichtung in wärmeleitendem Kontakt zu wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems angeordnet, welche im Kaltstartfall Wärme benötigt. Solche Komponenten sind in einem Brennstoffzellensystem vielfältig. Es können insbesondere Drainageleitungen, Ventile oder Wasserabscheider des Brennstoffzellensystems sein. Besonders kritisch sind derartige Komponenten, wenn sie auf der Anodenseite angeordnet sind, da hier die Strömungswege typischerweise sehr viel leichter blockiert werden, als in den eher größer dimensionierten Aufbau der Kathodenseite. Außerdem kann eine gasseitige Blockade auf der Anodenseite schwerwiegende, irreversible Schädigung der Brennstoffzelle an sich zur Folge haben.
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Eine Komponente, welche im Kaltstartfall Wärme benötigt, kann jedoch auch die Brennstoffzelle selbst sein.
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Die Wärme entsteht in der Sorptionseinrichtung bei der Aufnahme und Kondensation der Feuchte aus dem Abgasstrom und/oder Abluftstrom der Brennstoffzelle. Da auch bereits in einer sehr frühen Betriebsphase, welche noch während des sogenannten Kaltstarts stattfindet, Abluft und Abgas aus der Brennstoffzelle mit Feuchtigkeit beladen sind, kann die Kondensationswärme beim Auskondensieren dieser Feuchtigkeit in der Sorptionseinrichtung ideal zur Erwärmung von wärmebenötigenden Komponenten genutzt werden. Dies ist ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich, sodass die Wärme einfach und effizient zur Verbesserung der Energiebilanz des Brennstoffzellensystems beitragen kann.
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Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems, nachdem der Kaltstart abgeschlossen ist, erwärmen sich die Komponenten, welche im Kaltstartfall Wärme benötigt haben, dann typischerweise selbst, beispielsweise aufgrund von warmen Abgasströmen, welche sie durchströmen oder, im Fall der Brennstoffzelle, aufgrund der Abwärme im Betrieb derselben. Diese Wärme führt dann dazu, dass das in der Sorptionseinrichtung kondensierte Wasser wieder ausgeheizt wird. Es kann dann als Feuchte mit dem Gasstrom abgeführt werden und die Sorptionseinrichtung ist zur Aufnahme von neuem Wasser und zur Abgabe von Kondensationswärme für den nächsten Kaltstartfall wieder bereit.
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Dabei ist es möglich, sowohl Feuchtigkeit aus dem Abluftstrom als auch Feuchtigkeit aus dem Abgasstrom zu nutzen. Da typischerweise der Abluftstrom mehr Feuchtigkeit aufweist, weil ein Großteil des in der Brennstoffzelle entstehenden Produktwassers im Kathodenraum entsteht, kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems die Durchströmung der Sorptionseinrichtung ausschließlich mit der Abluft oder einem Teil der Abluft vorgesehen sein. Der Aufbau wird dann entsprechend einfacher, da er nicht gegenüber Wasserstoff dicht ausgeführt werden muss. Dennoch kann ein Großteil der zur Verfügung stehenden Kondensationswärme auch so genutzt werden.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass der wärmeleitende Kontakt als direkter Kontakt oder als Kontakt über ein gut wärmeleitendes Material ausgebildet ist. Die Realisierung des wärmeleitenden Kontakts, indem die Bauteile direkt aneinander angeordnet oder ineinander integriert ausgeführt werden, ist eine sehr einfache und effiziente Möglichkeit, die Wärme des einen Bauteils auf das andere Bauteil zu übertragen. Wenn dies baulich nicht möglich ist, lässt sich dies auch durch ein Zwischenelement aus gut wärmeleitendem Material, beispielsweise aus einem gut wärmeleitenden Metall, realisiere. Dieses kann dann beispielsweise in der Art eines Stegs oder Halters die beiden Bauteile miteinander verbinden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ergänzend oder alternativ dazu vorgesehen sein, dass der wärmeleitende Kontakt über ein wärmeleitendes gasförmiges und/oder flüssiges Medium realisiert ist. Auf diese Art lässt sich Wärme über größere Strecken transportieren. Das Medium kann beispielsweise das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems sein. Dann reicht es aus, die Sorptionseinrichtung wärmeleitend im Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems anzuordnen. Das Kühlwasser kann die Wärme an die benötigten Komponenten und in die Brennstoffzelle transportieren. Eine Alternative dazu wäre beispielsweise die Verwendung einer sogenannten „Heat Pipe”. Dabei wird der wärmeleitende Kontakt über eine Rohrleitung oder dergleichen hergestellt. Im Bereich der Rohrleitung ist dann ein Medium angeordnet, welches sehr leicht verdampft. Es kann so im Bereich der Wärmequelle, hier also der Sorptionseinrichtung, verdampfen. Der Dampf strömt durch die Leitung und gibt die Wärme am anderen Ende der Leitung wieder ab. Das Medium kondensiert dabei und gelangt entweder der Schwerkraft folgend oder durch Kapillareffekte durch die Heat Pipe wieder zur Sorptionseinrichtung und der Kreislauf beginnt von neuem.
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Eine sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sieht es außerdem vor, dass die wenigstens eine Sorptionseinrichtung in die Brennstoffzelle integriert ausgeführt oder direkt mit dieser verbunden ist. Die anfallende Kondensationswärme kann so zur Beheizung der Brennstoffzelle selbst genutzt werden. Immer dann, wenn die Brennstoffzelle vergleichsweise kalt ist, also insbesondere im Kaltstartfall, kann so eine schnelle und energieeffiziente Erwärmung der Brennstoffzelle erfolgen. Die Sorptionseinrichtung kann vorzugsweise im Bereich der Endplatten des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet sein. Da die Endplatten am Rande der Brennstoffzelle liegen, kühlen diese typischerweise stärker aus als die in der Mitte liegenden Bereiche der Brennstoffzelle, welche auf beiden Seiten von weiteren Einzelzellen umgeben sind. So kann durch eine Wärmezufuhr in den Bereich der Endplatten die Beheizung der Brennstoffzelle sehr effizient erfolgen. Außerdem wirkt sich dies harmonisierend auf die Wärmeverteilung in der Brennstoffzelle aus, sodass diese eine bessere Performance und eine höhere Lebensdauer erreicht. Es ist prinzipiell auch denkbar, mehrere Sorptionseinrichtungen über die Brennstoffzelle verteilt anzuordnen und diese beispielsweise in die Bipolarplatten der Einzelzellen zu integrieren. Dadurch wird die Wärme sehr gut in den Bereich der Brennstoffzelle eingeleitet, in dem sie benötigt wird.
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Nach abgeschlossenem Kaltstart wird sich die Brennstoffzelle dann durch den Betrieb erwärmen. Das in dem Sorptionsmaterial eingelagerte Wasser wird dann wieder ausgeheizt und gelangt in die Umgebung, sodass der Sorptionsspeicher für den nächsten Kaltstart wieder bereit ist. Um Feuchtigkeit bis zum nächsten Kaltstart in jedem Fall aus dem Sorptionsspeicher fernhalten zu können, kann es dabei vorgesehen sein, dass eine Ventileinrichtung zum Verschließen des Sorptionsspeichers, nachdem dieser ausgeheizt ist, vorgesehen wird. Diese würde dann erst im Kaltstartfall wieder geöffnet werden. Der Einsatz einer solchen Ventileinrichtung ist selbstverständlich auch bei den oben beschriebenen Ausführungsformen vergleichbar möglich.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es außerdem vorgesehen, dass die wenigstens eine Sorptionseinrichtung von zum Kathodenraum zurückgeführter Abluft durchströmt ist. Der Abluftstrom oder zumindest ein Teil des Abluftstroms kann bei diesem Aufbau des Brennstoffzellensystems im Rahmen einer sogenannten Kathodenrezirkulation vom Ausgang des Kathodenraums zum Eingang des Kathodenraums zurückgeführt werden. Hierfür ist typischerweise eine Rezirkulationsfördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, ein Gebläse und/oder eine Gasstrahlpumpe notwendig. An sich ist eine Kathodenrezirkulation aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie dient in diesem Fall zur Verbesserung der Befeuchtung der Brennstoffzelle. Dies ist jedoch in bestimmten Situationen, beispielsweise im Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems, unerwünscht. Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ist es nun möglich, zumindest einen Teil des Abluftstroms zum Eingang des Kathodenraums zurückzuführen. Dieser durchströmt dabei die Sorptionseinrichtung und gibt Feuchtigkeit an die Sorptionseinrichtung ab. Dabei entsteht Wärme. Ist die Sorptionseinrichtung nun in idealer Weise mit der Brennstoffzelle selbst verbunden, so kann die Wärme unmittelbar der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden, um diese in dem hier vorliegenden Kaltstartfall schneller und energieeffizienter zu erwärmen. Außerdem führt die zurückgeführte Abluft nur einen sehr geringen Anteil an Feuchte mit, was im Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems von entscheidendem Vorteil ist, da hier ein zu feuchter Luftstrom, welcher in die Brennstoffzelle einströmt, die Auskondensation von Feuchtigkeit und zum Verstopfen von Gasführungskanälen führen könnte. Der Aufbau kann dies effizient verhindern.
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In einer späteren Betriebsphase des Brennstoffzellensystems hat der Aufbau dann den Vorteil, dass Wärme nicht mehr von der Sorptionseinrichtung in Richtung der Brennstoffzelle fließt, sondern von der Brennstoffzelle selbst in Richtung der Sorptionseinrichtung. Dadurch wird das in der Sorptionseinrichtung kondensierte Wasser ausgetrieben und mit dem zurückgeführten Abluftstrom in den Kathodenraum eingetragen. Nun ist es so, dass die Brennstoffzelle insbesondere im Hochlastbetrieb besonders viel Abwärme produziert. Außerdem ist im Hochlastbetrieb eine sehr gute Befeuchtung der Membranen notwendig. Dies führt bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Brennstoffzellensystems nun zu dem Effekt, dass im Kaltstartfall sehr energieeffizient Wärme für die Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Die Feuchtigkeit wird dabei in der Sorptionseinrichtung adsorbiert und so dem Zuluftstrom beziehungsweise dem zurückgeführten Abluftstrom, welcher dem Kathodenraum wieder zugeführt wird, entzogen. Im Hochlastfall wird das Wasser in der Sorptionseinrichtung dann durch den Wärmefluss von der Brennstoffzelle zur Sorptionseinrichtung wieder desorbiert und gelangt zusammen mit dem zurückgeführten Abluftstrom in den Kathodenraum. Die Befeuchtung der Membranen wird in dieser Situation verbessert. Außerdem wird die Sorptionseinrichtung auf ihren nächsten Einsatz im Kaltstartfall vorbereitet, indem diese ausgeheizt wird. Je nach Auslegung kann sogar auf einen herkömmlichen Befeuchter verzichtet werden.
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Wie es sich aus den bisher beschriebenen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergibt, ist dieses insbesondere für die Startphase eines Brennstoffzellensystems besonders gut geeignet, da es hier sehr energieeffizient benötigte Wärme zur Verfügung stellen kann. Das Brennstoffzellensystem eignet sich daher insbesondere als Brennstoffzellensystem, welches in einem Umfeld eingesetzt wird, in dem es häufig abgestellt und wieder gestartet wird. Der Aufbau ist sehr energieeffizient und dabei einfach und lässt sich entsprechend kompakt realisieren. Er ist daher insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, einem schienengebundenen Fahrzeug, einem Wasserfahrzeug oder dergleichen, geeignet. Das Brennstoffzellensystem kann hier insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung genutzt werden.
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Aufgrund der Tatsache, dass die vorgeschlagene Sorptionseinrichtung je nach Auslegung und Anordnung vollkommen passiv den Betrieb in oben beschriebener Weise optimieren kann, eignet sich die Sorptionseinrichtung jedoch auch in besonderem Maße für autarke, stationäre oder portable Brennstoffzellensystem-Anwendungen im Außenbereich wie Energieversorgung für Umweltmessstationen, APUs, Spielzeug und ähnliches.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich ferner aus den abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 ein mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug;
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2 einen Ausschnitt aus einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
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3 ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer weiteren alternativen Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die Erfindung relevanten Ausschnitt dargestellt. Es soll in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein. Es kann dort vorzugsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen aufgebaut ist. Die Brennstoffzelle 3 weist einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 auf. Dem Kathodenraum 5 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung als Sauerstofflieferant zugeführt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt über eine Sorptionseinrichtung 7, welche in direktem wärmeleitendem Kontakt mit der Brennstoffzelle 3 ausgebildet ist, an die Umgebung oder zu weiteren nachgeschalteten Komponenten, z. B. zu einer Abluftturbine.
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Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Dieser stammt aus einem Druckgasspeicher 8 und strömt über eine Druckregel- und Absperreinrichtung 9 sowie eine Gasstrahlpumpe 10 als Rezirkulationsfördereinrichtung in den Anodenraum 4. Unverbrauchtes Abgas aus dem Anodenraum 4 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 11 zurück in den Bereich der Gasstrahlpumpe 10 und wird dort von dem frischen Wasserstoff als Treibgasstrom angesaugt beziehungsweise durch Impulsaustausch und/oder Unterdruck in Richtung des Anodenraums 4 zurückgefördert. Dieser Aufbau einer sogenannten Anodenrezirkulation ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Mit der Zeit reichern sich inerte Gase und Wasser im Bereich der Anodenrezirkulation an. Diese müssen von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der 1 eine Ablassleitung 12 mit einem Ablassventil 13 in an sich bekannter Art und Weise vorgesehen.
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In der Sorptionseinrichtung 7 befindet sich nun ein zur Adsorption von Feuchtigkeit geeignetes Material. Dies kann beispielsweise ein Silicatgel oder insbesondere eine Schüttung von und/oder eine Oberflächenbeschichtung mit Zeolith sein. Das feuchte Abgas aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 strömt durch die Sorptionseinrichtung 7 und damit durch dieses Material. Feuchtigkeit wird adsorbiert und die dabei entstehende Kondensationswärme wird durch die direkte wärmeleitende Anbindung der Sorptionseinrichtung 7 an die Brennstoffzelle 3 der Brennstoffzelle 3 zur Verfügung gestellt. Diese Wärme kann insbesondere im Kaltstartfall der Brennstoffzelle 3 den schnellen Start der Brennstoffzelle 3 unterstützen. Da die Feuchtigkeit in dem Abgas ohnehin vorhanden ist, kann diese Wärme ohne zusätzlichen Einsatz an Energie bereitgestellt werden.
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Der hier beschriebene Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 funktioniert dabei ohne zusätzliche Regelung oder dergleichen ganz einfach so, dass im Startfall des Brennstoffzellensystems 1 Feuchte in der Sorptionseinrichtung 7 adsorbiert wird. Die dabei entstehende Kondensationswärme dient der Brennstoffzelle 3, sodass diese schnell und energieeffizient erwärmt werden kann. Im regulären Betrieb fällt dann eine vergleichsweise große Wärmemenge im Bereich der Brennstoffzelle 3 selbst an. Diese Wärme wird größer sein, als die nach wie vor anfallende Kondensationswärme, solange das Speichermaterial in der Sorptionseinrichtung 7 noch nicht vollständig mit Wasser gesättigt ist. Es kommt daher automatisch zu einem Wärmefluss aus dem Bereich der Brennstoffzelle 3 in Richtung der Sorptionseinrichtung 7. Dadurch wird das Wasser in der Sorptionseinrichtung wieder ausgeheizt und gelangt über das Abgas in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in die Umgebung. Dadurch wird die Sorptionseinrichtung 7 „getrocknet” und steht für denselben Verfahrensablauf beim nächsten Start der Brennstoffzelle 3 zur Verfügung.
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Um zu verhindern, dass die Sorptionseinrichtung 7 beim Abstellen des Brennstoffzellensystems Wasser aufnimmt und dann beim nächsten Start vollkommen gesättigt ist, ist es optional auch möglich, eine Ventileinrichtung 30 zwischen dem Kathodenraum 5 und der Sorptionseinrichtung 7 vorzusehen. Durch diese Ventileinrichtung 30 kann die Abluft wahlweise durch die Sorptionseinrichtung 7 oder an dieser vorbei geleitet werden. Dadurch entsteht zwar ein gewisser zusätzlicher Steuerungsaufwand, der Aufbau wird dann jedoch noch sicherer in seiner Funktionalität.
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In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt. Die Darstellung der 2 beschränkt sich auf die Brennstoffzelle 3 selbst. Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft zugeführt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aufgeteilt. Ein Teilstrom gelangt direkt in die Umgebung oder zu weiteren nachgeschalteten Komponenten. Ein anderer Teilstrom wird über eine Rezirkulationsleitung 14 durch die Sorptionseinrichtung 7 zu einer Rezirkulationsfördereinrichtung 15 zurückgeführt. Diese ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Gasstrahlpumpe 15 ausgebildet. Sie könnte genauso gut als Gebläse oder ähnliches ausgebildet sein. Die Gasstrahlpumpe 15 in der Darstellung der 2 hat den Vorteil, dass diese sehr energieeffizient von dem von der Luftfördereinrichtung 6 kommenden Luftstrom als Treibgasstrom angetrieben wird und durch Impulsaustausch und/oder Unterdruck den rezirkulierten Teil des Abluftstroms ansaugt und zusammen mit dem frischen Luftstrom dem Kathodenraum 5 erneut zuführt. Der zurückgeführte Teilstrom des Abluftstroms strömt durch die Sorptionseinrichtung 7. Im Kaltstartfall der Brennstoffzelle 3 wird dabei Feuchtigkeit in dem Material der Sorptionseinrichtung 7 eingelagert und die entstehende Kondensationswärme direkt an die Brennstoffzelle 5 abgegeben. Ein weiterer Vorteil entsteht dadurch, dass der zurückgeführte Teilstrom des Abluftstroms durch die Abgabe von Feuchtigkeit in der Sorptionseinrichtung 7 vergleichsweise trocken ist. Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird dann ein Gemisch aus frischer Zuluft und trockenem rezirkuliertem Abluftstrom zugeführt. Insgesamt ist dieser Luftstrom dann trockener, als wenn nur der frische Zuluftstrom zugeführt werden würde. Wasser, welches in der Brennstoffzelle 3 auskondensiert, könnte im Kaltstartfall Leitungsquerschnitte im Kathodenraum blockieren, insbesondere die vergleichsweise engen Leitungen zur gleichmäßigen Gasverteilung über die gesamte Fläche des Kathodenraums 5. Außerdem könnte bei einem sehr kalten Kathodenraum dieses Wasser auch einfrieren. Es ist daher von Vorteil, dass durch den erfindungsgemäßen Aufbau, wie er in 2 dargestellt ist, ein vergleichsweise trockenes Gas während der Startphase zu dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 geleitet wird. Im regulären Betrieb der Brennstoffzelle 3 produziert die Brennstoffzelle 3 mehr Abwärme, als Kondensationswärme im Bereich der Sorptionseinrichtung 7 entsteht. Das im Bereich der Sorptionseinrichtung 7 eingelagerte Wasser wird also wieder ausgeheizt und gelangt zusammen mit dem zurückgeführten Teilstrom des Abluftstroms zurück in den Kathodenraum 5. Nun ist es so, dass die Brennstoffzelle 3 insbesondere bei Volllast und Spitzenlast sehr viel Abwärme produziert. In diesem Fall wird dann sehr viel Abwärme auf die Sorptionseinrichtung 7 übertragen und es wird entsprechend viel Wasser ausgeheizt. Da in diesen Situationen auch eine sehr gute Befeuchtung der Membran an der Brennstoffzelle 3 notwendig ist, wird dies mit dem zuvor adsorbierten Wasser, welches dann wieder desorbiert wird, erreicht. Ohne zusätzliche Regelungsmaßnahmen wird also einerseits der Kaltstart und andererseits die Befeuchtung der Membranen in Hochlastphasen der Brennstoffzelle 3 deutlich verbessert.
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Ein weiteres Problem besteht bei Brennstoffzellen 3 immer darin, dass die Abwärme auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau anfällt. Um diese an die Umgebung abzugeben, sind entsprechend große Kühlerflächen notwendig. Bei heißen Umgebungstemperaturen führt dies sehr schnell zu Problemen, welche dann zu einer thermisch bedingten Limitierung der Maximalleistung der Brennstoffzelle 3 führen. Es ist daher immer wünschenswert, Wärme aus dem Bereich der Brennstoffzelle, insbesondere bei Hochlast der Brennstoffzelle, anderweitig abzuführen, als über den Kühlkreislauf. Auch dies wird bei dem hier beschriebenen Aufbau erreicht. Die Abwärme gelangt in dieser Situation nämlich in die Sorptionseinrichtung. Zum Austreiben der Flüssigkeit aus dem Material der Sorptionseinrichtung 7, beispielsweise einem Zeolith, ist dabei vergleichsweise viel Wärme notwendig, sodass die Sorptionseinrichtung 7 den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems 1 in Hochlastphasen der Brennstoffzelle 3 entlastet.
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In den 1 und 2 sind verschiedene Ausführungsformen zum Einsatz einer Sorptionseinrichtung 7 beschrieben, welche im Schwerpunkt zur Bereitstellung von Wärme dient, welche das Aufheizen der Brennstoffzelle 3 beschleunigt und/oder energieeffizienter macht. Neben der Aufheizung der Brennstoffzelle 3 selbst ist es selbstverständlich möglich, über die Sorptionseinrichtung 7 oder auch über mehrere über das Brennstoffzellensystem 1 verteilt angeordnete Sorptionseinrichtungen 7, andere beim Kaltstart kritische Komponenten aufzuheizen. Solche Komponenten könnten beispielsweise Wasserabscheider, Ventile und Drainageleitungen sein. Insbesondere auf der Anodenseite der Brennstoffzelle 3 sind diese im Falle eines Kaltstarts bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sehr empfindlich gegen ein Einfrieren, was ihre Funktionalität sehr stark beeinträchtigen kann. Die Anordnung mehrerer Sorptionseinrichtungen 7 an diesen hinsichtlich eines Einfrierens kritischen im Kaltstartfall wärmebenötigenden Komponenten wäre denkbar und möglich. Der Aufbau wird dann jedoch sehr schnell vergleichsweise aufwändig.
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In der Darstellung der 3 ist daher eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 dargestellt, welche eine derartige Funktionalität mit minimalem konstruktivem Aufwand erreicht. Nun ist es so, dass das Brennstoffzellensystem 1 typischerweise ohnehin über einen Kühlkreislauf 16 verfügt. Der Kühlkreislauf 16 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst einen Kühlwärmetauscher 17 im Bereich der Brennstoffzelle 3 sowie einen Kühler 18, welcher Abwärme an die Umgebung abführt. Außerdem ist eine Kühlmittelfördereinrichtung 19 vorgesehen. Über einen Bypass 20 mit Bypassventil 21 um den Kühler 18 lässt sich die Menge an flüssigem Kühlmedium, welche den Kühler 18 durchströmt, variieren. Dadurch lässt sich die gewünschte Temperatur des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf 16 einstellen. Das Medium strömt nun zuerst durch die Sorptionseinrichtung 7, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel unabhängig von der Brennstoffzelle 3 oder einer anderen zu beheizenden Komponente ausgebildet ist. Das Kühlmedium nimmt im Bereich der Sorptionseinrichtung 7 im Kaltstartfall die entstehende Kondensationswärme auf und führt diese über das Kühlmedium und den Kühlwärmetauscher 17 der Brennstoffzelle 3 zu. Dadurch wird die Aufheizung der Brennstoffzelle 3 im Kaltstartfall verbessert. Im regulären Betrieb heizt das warme Kühlmedium die Sorptionseinrichtung 7 dann wieder auf, um darin enthaltene Feuchtigkeit auszutreiben. Die Verteilung der Wärme über das Kühlmedium als Transportmedium für die Wärme hat dabei den Vorteil eines einfachen Aufbaus und der Notwendigkeit lediglich einer einzigen Sorptionseinrichtung 7, deren Kondensationswärme auf mehrere Bauteile verteilt werden kann. in dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 wieder mit der zuvor bereits beschriebenen Anodenrezirkulation ausgebildet. Anstelle der Gasstrahlpumpe 10 wie in der Darstellung der 1 ist hier eine Rezirkulationsfördereinrichtung 22 in Form eines Rezirkulationsgebläses vorgesehen. Die Abgasleitung 12 mit ihrer Ventileinrichtung 13 ist über einen Wasserabscheider 23 mit der Rezirkulationsleitung 11 verbunden. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass flüssiges Wasser im Bereich der Rezirkulationsleitung 11 abgeschieden wird. Wenn die Ventileinrichtung 13 geöffnet wird, fließt zuerst das flüssige Wasser ab, danach kann Gas abströmen, sodass insgesamt lediglich die eine Abgasleitung 12 mit dem Wasserabscheider 23 notwendig ist und auf eine zweite Ablassleitung zur Ableitung von Gas, wie sie im Stand der Technik auch bekannt und üblich ist, verzichtet werden kann.
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Der Kühlkreislauf 16 weist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft zwei zusätzliche Teilkreisläufe 24, 25 auf, welche jeweils mit einem Wärmetauscher 26, 27 mit dem Wasserabscheider 23 und der damit verbundenen Ventileinrichtung 13 einerseits und der Ablassleitung 12 andererseits verbunden sind. Rein beispielhaft sind in jedem der Teilkreisläufe 24, 25 Ventileinrichtungen eingezeichnet, welche das Aktivieren oder Deaktivieren des jeweiligen Teilkreislaufs ermöglichen. Der Aufbau zeigt, dass über die in der Sorptionseinrichtung 7 entstehende Wärme nicht nur die Brennstoffzelle 3 selbst, sondern ergänzend oder alternativ dazu auch andere Komponenten, wobei der Wasserabscheider 23 und die Ablassleitung 12 hier rein beispielhaft zu verstehen sind, während des Kaltstarts energieeffizient erwärmt werden können. Die einzelnen Ausführungsbeispiele, welche in den 1 bis 3 dargestellt sind, können dabei selbstverständlich auch untereinander kombiniert werden, sodass verschiedene Mechanismen zur Nutzung bzw. zum Transport der anfallenden Kondensationswärme miteinander kombiniert werden können. So kann beispielsweise der in 3 gezeigte Aufbau mit derselben oder einer weiteren Sorptionseinrichtung 7 in der in den 1 oder 2 gezeigten Art kombiniert werden oder dergleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004020029 A1 [0004]
- DE 19918849 A1 [0005]