AT523443B1 - Bypassvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bypassvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110), aufweisend einen Grundkörper (20) mit einem Zuführabschnitt (22) zur abschnittsweisen Zufuhr eines Zuführgases zum Brennstoffzellenstapel (110), mit einem Abführabschnitt (24) zur Abfuhr von Abführgas vom Brennstoffzellenstapel (110) und mit einem Bypassabschnitt (26), welcher den Zuführabschnitt (22) und den Abführabschnitt (24) miteinander fluidkommunizierend verbindet, weiter aufweisend eine Stellvorrichtung (30) mit wenigstens einem Stellmittel (32), welches zwischen einer den Bypassabschnitt (26) sperrenden sowie den Zuführabschnitt (22) und den Abführabschnitt (24) freigebenden Freigabestellung (FS) und einer den Bypassabschnitt (26) freigebenden sowie den Zuführabschnitt (22) und den Abführabschnitt (24) sperrenden Bypassstellung (BS) bewegbar gelagert ist, wobei die Strömungsrichtung (SR) des Zuführgases im Zuführabschnitt (22) der Strömungsrichtung (SR) des Abführgases im Abführabschnitt (24) gleichgerichtet oder im Wesentlichen gleichgerichtet ist.

Description

Beschreibung

BYPASSVORRICHTUNG FÜR EIN BRENNSTOFFZELLENSYSTEM

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bypassvorrichtung für einen Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Bypassvorrichtung sowie ein Kontrollverfahren für die Kontrolle eines solchen Brennstoffzellensystems.

[0002] Brennstoffzellensysteme sind grundsätzlich bekannt. Eine besonders einfache Möglichkeit zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems ist ein Unterbrechen der Sauerstoff- bzw. Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel. Dabei ist bekannt, dass ein spezieller Bypasskanal zwischen der Luftzufuhr und der Luftabfuhr geöffnet wird, sodass auf diese Weise die Sauerstoffzufuhr zum Brennstoffzellensystem schnell unterbrochen bzw. wiederhergestellt werden kann. In Kombination mit einer Abdichtung des Stacks gegen Luftzufuhr kann dadurch ein Hochfahren bzw. Auslaufen der Luftversorgungseinheit (z. B. Luftkompressor) von der tatsächlichen Versorgung des Brennstoffzellenstapels entkoppelt werden.

[0003] In einem Brennstoffzellensystem wird der Brennstoffzellenstapel mit Sauerstoff - meist aus Luft, die von der Umgebung angesaugt wird - versorgt. Beim Abstellen des Systems wird diese Luftzufuhr unterbrochen und der Kathodenpfad (Luftpfad) des Brennstoffzellenstapels dicht verschlossen. Wird vom Brennstoffzellenstapel weiter kontrolliert Strom gezogen, kann der sich noch im Stack befindliche Sauerstoff durch die elektrochemische Reaktion verbraucht werden. Dadurch wird die elektrische Spannung am Brennstoffzellenstapel abgebaut.

[0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass ein solcher separater Bypasskanal und entsprechende Absperrvorrichtungen die Komplexität des Brennstoffzellensystems deutlich erhöhen. So muss bei der Konstruktion darauf geachtet werden, dass Platz und damit Bauraum für die beschriebenen Komponenten vorhanden sind. Auch müssen in bestehende Leitungen, insbesondere in eine Zufuhrleitung und in eine Abflussleitung Ventilmittel integriert werden, welche es jeweils erlauben, auf den Bypasskanal um- und wieder zurückzuschalten. Neben der Komplexität und dem großen Bauraum solcher bekannten Bypasslösungen, ist die Regelbarkeit der bekannten Lösungen relativ aufwendig.

[0005] Weitere Bypassvorrichtungen für ein Brennstoffzellensystem sind beispielsweise aus der US 10096848 B2, der US 2016141661 A1 und der KR 20190109802 A bekannt.

[0006] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung in kostengünstiger und einfacher Weise eine Kontrolle eines Bypasses und das dichte Absperren des Kathodenpfades (Luftpfades) in einem Brennstoffzellensystem und/oder einem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung zu stellen.

[0007] Vorliegende Aufgabe wird gelöst durch eine Bypassvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15 sowie ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei geltend Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bzgl. der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

[0008] Erfindungsgemäß ist eine Bypassvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, welches mindestens einen Brennstoffzellenstapel aufweist. Die Bypassvorrichtung ist hierfür mit einem Grundkörper ausgestattet, welcher einen Zuführabschnitt zur abschnittsweisen Zufuhr eines Zuführgases zum Brennstoffzellenstapel aufweist. Weiter ist der Grundkörper mit einem Abführabschnitt ausgestattet, zur Abfuhr von Abführgas vom Brennstoffzellenstapel. Darüber hinaus ist ein Bypassabschnitt vorgesehen, welcher den Zuführabschnitt und den Abführabschnitt mitei-

nander fluidkommunizierend verbindet. Für den Bypassabschnitt ist eine Stellvorrichtung vorgesehen mit wenigstens einem Stellmittel, welches zwischen einer den Bypassabschnitt sperrenden sowie den Zuführabschnitt und den Abführabschnitt freigebenden Freigabestellung und einer den Bypassabschnitt freigebenden sowie den Zuführabschnitt und den Abführabschnitt sperrenden Bypassstellung bewegbar gelagert ist.

[0009] Eine Bypassvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung dient also in der Bypassstellung dem Absperren des Brennstoffzellenstapels gegen die Zufuhr von Luft. Somit kann eine erfindungsgemäße Bypassvorrichtung auch als Absperrvorrichtung und/oder als Bypass- und Absperrvorrichtung bezeichnet werden.

[0010] Erfindungsgemäß ist eine Bypassvorrichtung dafür vorgesehen, eine, insbesondere regelbare, Schaltmöglichkeit zu gewährleisten zwischen einer Freigabesituation und einer Bypasssituation. In der normalen Betriebsweise des Brennstoffzellensystems wird sich das wenigstens ein Stellmittel in der Freigabestellung befinden. Das bedeutet, dass mit Hilfe des wenigstens einen Stellmittels der Zuführabschnitt und der Abführabschnitt freigegeben sowie der Bypassabschnitt gesperrt werden. In dieser normalen Betriebssituation kann über den freigegebenen Zuführabschnitt das Zuführgas zum Brennstoffenzellenstapel geführt werden sowie das entsprechende Abführgas vom Brennstoffzellenstapel abgeführt werden. Dabei handelt es sich um die normale Betriebssituation des Brennstoffzellensystems.

[0011] Wird nun in einer davon abweichenden Betriebssituation, insbesondere beim gewünschten Ausschalten des Brennstoffzellensystems, eine Veränderung der Zufuhr des Zuführgases gewünscht, insbesondere in Form einer Luftzufuhr, so kann durch die bewegbare Lagerung des Stellmittels dies in kontrollierter Weise erfolgen. Für diese geänderte Betriebsweise des Brennstoffzellensystems wird nun das wenigstens eine Stellmittel der Stellvorrichtung in die Bypassstellung bewegt, sodass der Bypassabschnitt freigegeben wird. Im gleichen Maße wird durch das gleiche wenigstens eine Stellmittel der Zuführabschnitt und der Abführabschnitt gesperrt, sodass mit anderen Worten eine Umleitung des Zuführgases am Brennstoffzellenstapel vorbei vom Zuführabschnitt direkt in den Abführabschnitt erfolgt. Dieser Bypass umgeht damit den Brennstoffzellenstapel, sodass Zuführgas, z. B. in Form von Zuluft, am Brennstoffzellenstapel vorbei aus dem Zuführabschnitt über den Bypassabschnitt direkt in den Abführabschnitt gefördert wird. Damit wird es möglich, durch eine einfache Verstellung des wenigstens einen Stellmittels aus der Freigabestellung in die Bypassstellung, schnell und kostengünstig die Umlenkung und damit die Abschaltung des Zuführgases sowie die Abdichtung des Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten.

[0012] Wie aus dem voranstehenden Absatz zu erkennen ist, kann in der bekannten Weise nun eine einfache und kostengünstige Kontrolle dieser Betriebssituation des Brennstoffzellensystems erfolgen. Im Vergleich zu den bekannten Lösungen, ist die Bypassvorrichtung deutlich kompakter ausgestaltet, da sie die beschriebene Funktionalität des Umschaltens in einem gemeinsamen, insbesondere integral ausgeführtem Grundköper kombiniert. In diesem Grundköper ist, neben dem Zuführabschnitt und dem Abführabschnitt auch der Bypassabschnitt angeordnet, sodass bei einer sehr kompakten Bauweise sowohl die Bypasssituation als auch die Freigabesituation zur Verfügung gestellt werden können. Mit anderen Worten kann die Bypassvorrichtung in die bestehenden Leitungssysteme des Brennstoffzellensystems konstruktiv integriert werden. Damit kann z. B. der Zuführabschnitt, wie dies später noch erläutert wird, einen Teil eines Kathodenzuführabschnitts ausbilden sowie der Abführabschnitt einen Teil eines Kathodenabführabschnitts. Damit wird die Bypassvorrichtung komplett in das Brennstoffzellensystem integriert und im Vergleich zu den bekannten Lösungen kein separater Bypasskanal mehr notwendig. Dies reduziert den notwendigen Bauraum sowie die Komplexität der gesamten Vorrichtung, da weniger Schaltvorgänge an weniger Ventilen erfolgen müssen.

[0013] Es ist darauf hinzuweisen, dass bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung die Stellvorrichtung sowohl manuell als auch automatisch oder teilautomatisch aufgestellt sein kann. Für einen automatischen oder teilautomatischen Betrieb ist insbesondere das Vorsehen eines Stellmotors oder eines anderen elektrischen Antriebsmotors für die Stellvorrichtung vorteilhaft. Weiter

ist darauf hinzuweisen, dass das Stellmittel selbstverständlich ein- oder mehrteilig ausgebildet sein kann, um die entsprechenden Freigabesituationen oder Sperrsituationen zur Verfügung zu stellen.

[0014] Darüber hinaus ist in der Bypassstellung der Zuführabschnitt im Sinn der vorliegenden Erfindung für das Hindurchströmen von Zuführgas gesperrt. Diese Sperre öffnet jedoch den Bypassabschnitt zum Zuführabschnitt, sodass Zuführgas aus dem Zuführabschnitt nicht mehr weitergefördert, sondern anstelle der Weiterförderung in den Bypassabschnitt geführt wird. Aus diesem Bypassabschnitt folgt die Weiterleitung in den Abführabschnitt und dort in einen Abgasauslass des Brennstoffzellensystems.

[0015] Erfindungsgemäß ist der Bypasskanal in den Grundkörper integriert und ein separater Bypasskanal, gemäß den bekannten Lösungen, nicht mehr notwendig. Dies führt insbesondere zu einer Reduktion der Abmessungen des gesamten Brennstoffzellensystems sowie einer Verbesserung der Effizienz und Dynamik in der Regelbarkeit des Brennstoffzellensystems. Bevorzugt wird auf diese Weise ein vollständig geschlossenes System ausbildet, welches die Bypassmöglichkeit so zu sagen integriert. Die Strömung wird dabei mit dem Bypassabschnitt direkt durch den Grundkörper, welcher auch als Ventilkörper bezeichnet werden kann, geführt.

[0016] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass eine erfindungsgemäße Bypassvorrichtung wie auch das noch später beschriebene Brennstoffzellensystem sowohl mobil in einem Fahrzeug als auch in einem stationären Betrieb einsetzbar ist. Neben bodengebundenen Fahrzeugen sind auch Einsatzmöglichkeiten in Luftfahrzeugen und/oder in Wasserfahrzeugen denkbar.

[0017] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung der Bypassabschnitt zumindest teilweise, insbesondere vollständig oder im Wesentlichen vollständig, quer zu dem Zuführabschnitt und/oder dem Abführabschnitt ausgerichtet ist. Eine solche Ausrichtung führt dazu, dass die Verbindungslänge zwischen dem Zuführabschnitt und dem Abführabschnitt und damit die Gesamtlänge des Bypassabschnitts deutlich reduziert werden kann. Diese Verkürzung der Verbindungslänge kann den erfindungsgemäßen Vorteil der reduzierten Abmessungen und der reduzierten Baumaße der Bypassvorrichtung noch weiter erhöhen.

[0018] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung der Bypassabschnitt eine Bypassachse, der Zuführabschnitt eine Zuführachse und der Abführabschnitt eine Abführachse aufweisen, wobei die Bypassachse und/oder die Zuführachse und/oder die Abführachse in oder im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet sind. Es ist also möglich, dass die Bypassachse gemeinsam mit der Zuführachs, die Bypassachse gemeinsam mit der Abführachse und/oder die Zuführachse gemeinsam mit der Abführachse sowie selbstverständlich alle drei Achsen zusammen in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet sind. Das Verlagern der jeweiligen Achsen in eine gemeinsame Ebene führt zu einer weiteren Reduktion der Gesamtabmessungen, sodass ein Bauraum der Bypassvorrichtung auf diese Weise noch weiter reduziert, insbesondere minimiert werden kann.

[0019] Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung der Bypassabschnitt eine Bypassachse, der Zuführabschnitt eine Zuführachse und der Abführabschnitt eine Abführachse aufweisen. Dabei ist die Bypassachse mit der Zuführachse und/oder der Abführachse mit einem spitzen Winkel ausgebildet, für eine Ausrichtung des Bypassabschnitts zur Strömungsrichtung im Zuführabschnitt und/oder im Abführabschnitt. Mit anderen Worten neigt sich die Bypassachse auf die Zuführachse und/oder die Abführachse zu, sodass das Aufnehmen des Zuführgases aus dem Zuführabschnitt in der Bypassstellung und/oder das Abgeben des Abführgases, welches in diesem Betriebszustand dem Zuführgas entspricht, in den Abführabschnitt erleichtert wird. Der Strömungswiderstand in der Bypassstellung wird auf diese Weise reduziert, sodass auch der Druckverlust reduzierbar ist.

[0020] Ebenfalls vorgesehen ist es, dass bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung die Strömungsrichtung des Zuführgases im Zuführabschnitt der Strömungsrichtung das Abführgases im Abführabschnitt gleichgerichtet oder im Wesentlichen gleichgerichtet ist. Das führt dazu, dass der Bypass leichter in beide Abschnitte anstellbar ist, um gemäß dem voranstehenden Absatz

den Strömungswiderstand in einer Bypassstellung aber auch in einer später noch näher erläuterten Zwischenstellung noch weiter zur reduzieren.

[0021] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung das wenigstens eine Stellmittel zusätzlich in wenigstens ein Zwischenstellung zwischen der Freigabestellung und der Bypassstellung bewegbar gelagert ist. Eine solche Zwischenstellung kann als einzige Zwischenstellung aber auch in Form mehrerer Zwischenstellungen vorgesehen sein. Auch ist es denkbar, dass eine kontinuierliche Ubergangsmöglichkeit zwischen der Bypassstellung und der Freigabestellung eine Vielzahl und/oder unendliche viele verschiedene Zwischenstellungen erlaubt. Damit ist ein qualitatives und/oder quantitatives Schalten in diese Zwischenposition möglich. Für die Zwischenposition ist vorzugsweise kein mechanischer Anschlag vorgesehen, da eine Weiterbewegung in beide Richtungen, also in Richtung der Freigabestellung und in Richtung der Bypassstellung möglich sein soll.

[0022] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung der Grundkörper wenigstens eine Anschlagsfläche für einen Anschlag des wenigstens einen Stellmittels in der Freigabestellung und/oder in der Bypassstellung aufweist. Eine solche Anschlagsfläche dient dazu, die entsprechende Stellung mechanisch zu definieren und führt insbesondere eine flächige Kontaktsituation mit dem wenigstens einem Stellmittel ein. Damit sind die jeweiligen Endpositionen definiert und auch z. B. durch das Vorsehen eines separaten Anschlagsdichtmittels abdichtbar gegen ein unerwünschtes Umströmen des wenigstens einen Stellmittels. Darüber hinaus kann auf diese Weise der Unterdruck auf der Rückseite des Stellmittels, welcher sich im geschlossenen Zustand im Brennstoffzellenstapel einstellen kann, als ein die Dichtfunktion unterstützender Effekt genützt werden. Befindet sich das Brennstoffzellensystem in einem erkalteten, insbesondere einem eingefrorenen Zustand, so kann ein optimiert gewähltes Dichtmittel das Freibrechen aus diesem eingefrorenen Zustand erleichtern.

[0023] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung der Zuführabschnitt, der Abführabschnitt und/oder der Bypassabschnitt integral ausgebildet sind. Dabei kann es sich z. B. um ein gemeinsames Gussbauteil handeln. Unter einer integralen Ausgestaltung ist insbesondere eine einstückige und/oder monolithische Ausgestaltung mit dem Grundkörper zu verstehen. Bevorzugt ist der gesamte Grundkörper integral, monolithisch und/oder einstückig ausgestaltet.

[0024] Vorteilhaft ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung die Stellvorrichtung für die Bypassstellung und/oder die Freigabestellung selbsthemmend ausgebildet ist. Darunter ist zu verstehen, dass z. B. mit Hilfe eines selbsthemmenden Stellmotors auch stromlos die entsprechende Bypassstellung und/oder die Freigabestellung gehalten werden kann. Der Strombedarf für ein Halten der eingenommenen jeweiligen Stellung wird auf diese Weise minimiert oder sogar auf null reduziert. Diese selbsthemmende Ausgestaltung kann neben der Ausbildung des Stellmotors auch durch entsprechende mechanische Rastmittel zur Verfügung gestellt werden. Eine selbsthemmende Funktion kann zum Beispiel durch ein hohes Anfahrmoment des Stellmotors erzeugt werden, wobei im stromlosen Zustand die Absperrfunktion optimiert wird.

[0025] Es ist günstig, wenn die Bypassvorrichtung selbst selbsthemmend ausgebildet ist. Vorteilhaft ist es allerdings auch, wenn ein Stellmotor, welcher die Bypassvorrichtung antreibt selbsthemmendist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Stellmotor beispielsweise als Schneckengetriebe ausgebildet ist. Ein Schneckengetriebe ist stets selbsthemmend. Ist der Stellmotor selbsthemmend ausgebildet, heißt das, dass die Bypassvorrichtung selbst nicht selbsthemmend ausgebildet ist. Allerdings ist bei dieser Ausführung die Bypassvorrichtung mittelbar selbsthemmend ausgebildet.

[0026] Unter selbsthemmend im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass eine Kraft, um eine Hemmung zu überwinden, unendlich groß sein muss. Eine Selbsthemmung ist nicht durch ein reines Erhöhen einer entgegenwirkenden Kraft überwindbar.

[0027] Weiter ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar, dass ein für die Klappen-

geometrie optimiertes Dichtmittel, ein eigenständiges Abdichten der mindestens einen Stellvorrichtung, durch den im Stack entstehenden Unterdruck, ermöglicht. Somit ist insbesondere ein Freibrechen des mindestens einen Stellmittels im eingefrorenen Zustand erleichtert.

[0028] Weitere Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung das wenigstens eine Stellmittel als Rohrelement ausgebildet ist mit einem Rohrkanal, welcher in der Bypassstellung zumindest einen Teil der Gasführung durch den Bypassabschnitt zur Verfügung stellt. Ein solches Rohrelement führt dazu, dass insbesondere in Form eines einzigen Stellmittels und ohne weitere Stellmittel die erfindungsgemäße Funktionalität zur Verfügung stellbar ist. Der Rohrkanal kann dabei runde, schräge oder auch in anderer geometrischer Ausbildung vorgesehene Kanalwände aufweisen. Wie ebenfalls später noch erläutert wird, ist dieser Rohrkanal vorzugsweise vollständig mit Wänden umgeben, sodass ein entsprechender Eingang und ein entsprechender Ausgang in den Zuführabschnitt und in den Abführabschnitt hineinragen, wenn sich das Rohrelement in der Bypassstellung befindet.

[0029] Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer Bypassvorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz das Rohrelement als einziges Stellmittel ausgebildet ist, insbesondere in monolithischer Bauweise. Eine monolithische Bauweise beinhaltet insbesondere eine integrale und/oder einstückige Ausgestaltung dieses Rohrelements. Das Vorsehen als einziges Stellmittel führt zu einer Reduktion der Bauteile und damit einer reduzierten Komplexität in der Montage, der Fertigung aber auch in der Kontrolle der erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung.

[0030] Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung der Rohrkanal einen Kanaleingang und einen Kanalausgang aufweist, wobei der Kanaleingang und der Kanalausgang zur Strömungsrichtung im Rohrkanal spitzwinklig ausgebildet sind. Eine solche spitzwinklige Ausgestaltung führt dazu, dass z. B. eine parallelogrammartige Ausbildung vorsehbar ist. Mit anderen Worten sind die Seitenwandlungen des Rohrkanals im seitlichen Querschnitt quer verschoben, sodass ein oberer OÖffnungsabschnitt in Bypassstellung in den Zuführabschnitt bzw. Abführabschnitt hineinragt. Die einzelnen Kanalwände sind vorzugsweise parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander ausgestaltet. Auch der Kanaleingang und der Kanalausgang können bei paralleogrammartiger Ausbildung zueinander parallel oder im Wesentlichen paralle! zur Verfügung gestellt werden. Dies erlaubt es noch einfacher und kostengünstiger die Abdichtung und damit das Sperren des Zuführabschnitts und des Abführabschnitts mit einem Teilbereich der jeweiligen Kanalwandung zu gewährleisten.

[0031] Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung wenigstens zwei, insbesondere identische oder im Wesentlichen identische, Stellmittel in Form von Stellklappen mit einer gemeinsamen Stellmechanik gemeinsam bewegbar sind. Mit anderen Worten handelt sich durch die Stellmechanik um eine gekoppelte Bewegungsmöglichkeit von den beiden Stellklappen, welche auch als Zwangskopplung bezeichnet werden kann. Dabei korrelieren die einzelnen Stellungen der Stellklappen durch die Zwangskopplung der Stellmechanik miteinander, sodass sich beide Stellmittel immer in einer korrelierenden Bypassstellung, einer korrelierenden Zwischenstellung oder einer korrelierenden Freigabestellung befinden. Insbesondere ist eine Stellklappe für den Abführabschnitt und eine Stellklappe für den Zuführabschnitt vorgesehen. Bevorzugt sind die Stellklappen als Stellmittel identisch oder im Wesentlichen identisch ausgeführt.

[0032] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung die Stellmechanik als Gelenkmechanik, insbesondere als Mehrgelenkmechanik, ausgebildet ist. Eine solche Mehrgelenkmechanik erlaubt es insbesondere in Form einer symmetrischen Mehrgelenkmechanik, die voranstehend beschriebene Zwangskopplung in der Positionierung der Stellklappen zur Verfügung zu stellen. Die einzelnen Gelenke sind dabei vorzugsweise mit einer gemeinsamen Antriebsschreibe verbunden, um z. B. mit einer Kulissenführung die gewünschte Bewegungskopplung durchzuführen.

[0033] Weitere Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung das Stellmittel im Zuführabschnitt und das Stellmittel im Abführabschnitt für eine gegenläufige Bewegung zwischen der Freigabestellung und der Bypassstellung bewegbar gelagert sind. Darunter sind insbesondere unterschiedliche Ausrichtungen zu verstehen, vorzugsweise

gegenläufige Öffnungsrichtungen. Sind also zwei separate Stellklappen vorgesehen, und insbesondere die entsprechenden Strömungsrichtungen im Zuführabschnitt und im Abführabschnitt gleichgerichtet, so führt dies gegenläufige OÖffnungsrichtung zu einer weiteren Erhöhung der Kompaktheit der Bauweise einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung.

[0034] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, aufweisend

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt,

- einen Anodenzuführabschnitt zum Zuführen von Anodenzuführgas zudem Anodenabschnitt,

- einen Kathodenzuführabschnitt zum Zuführen von Kathodenzuführgas zudem Kathodenabschnitt,

- einen Anodenabführabschnitt zum Abführen von Anodenabgas,

- einen Kathodenabführabschnitt zum Abführen von Kathodenabgas.

[0035] Dabei ist die Bypassvorrichtung in erfindungsgemäßer Weise vorgesehen und deren Abführabschnitt bildet einen Teil des Kathodenabführabschnitts aus, während der Zuführabschnitt einen Teil des Kathodenzuführabschnitts ausbildet. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Bypassvorrichtung erläutert worden sind.

[0036] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für die Kontrolle eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung, aufweisend die folgenden Schritte:

- Erkennen einer Stellanforderung zum Verändern wenigstens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems

- Bewegen den wenigstens einen Stellmittel in Richtung der Bypassstellung und/oder in Richtung der Freigabestellung auf Basis der erkannten Stellanforderung

[0037] Damit führt ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren zu den gleichen Vorteilen, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem sowie mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Bypassvorrichtung erläutert worden ist. Insbesondere findet die Bewegung zwischen den jeweiligen Endpositionen statt. Jedoch ist es auch möglich, dass auf Basis wenigstens eines Betriebsparameters eine definierte und/oder eine frei wählbare Zwischenposition eingenommen wird. Bevorzugt führt eine Abschaltanforderung als Stellanforderung zu einer Bewegung des wenigstens einen Stellmittels in die Bypassstellung, sodass durch Kappen einer Sauerstoffzufuhr an der Kathode während dem Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems, ein Abreagieren des sich im Brennstoffzellenstapels befindlichen Sauerstoffs erfolgen kann.

[0038] Weiter Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0039] Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, [0040] Fig. 2 die Ausführungsform der Fig. 1 in Bypassstellung,

[0041] Fig. 3 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung, [0042] Fig. 4 die Ausführungsform der Fig. 3 in Bypassstellung

[0043] Fig. 5 ein Teilelement der Ausführungsform der Fig. 3 und 4

[0044] Fig. 6 ein Teilelement der Ausführungsform der Fig 3 und 4,

[0045] Fig. 7 ein Teilelement der Ausführungsform der Fig 3 und 4,

[0046] Fig. 8 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung in Freigabestellung,

[0047] Fig. 9 die Ausführungsform der Fig 8 in Zwischenstellung, [0048] Fig. 10 die Ausführungsform der Fig.8 und 9 in Bypassstellung,

[0049] Fig. 11 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bypassvorrichtung in Freigabestellung,

[0050] Fig. 12 die Ausführungsform der Fig.11 in Zwischenstellung, und [0051] Fig. 13 die Ausführungsform der Fig.11 und 12 in Bypassstellung.

[0052] Figur 1 zeigt schematisch einen Aufbau eines Teils eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel 110. Hier ist gut der Anodenzuführabschnitt 120 und der Anodenabführabschnitt 122 zu erkennen. Separat davon ist ein Kathodenzuführabschnitt 140 und ein Kathodenabführabschnitt 142 dargestellt. Der Kathodenzuführabschnitt 140 und der Kathodenabführabschnitt 142 sind dabei integral mit einer Bypassvorrichtung 10 kombiniert, sodass ein Zuführabschnitt 22 in den Kathodenzuführabschnitt 140 und ein Abführabschnitt 24 in den Kathodenabführabschnitt 142 integriert sind. Auch ist hier ein Stellmotor als Teil einer Stellvorrichtung 30 vorgesehen. Die Figur 1 zeigt die Stellvorrichtung 30 in Freigabestellung FS.

[0053] In der Figur 2 ist in Bypassstellung BS dargestellt, wie über die Stellvorrichtung 30 Stellmittel 32 den Bypass öffnen können. Die genaue Funktionalität mit Bezug auf die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems 100 wird später noch näher erläutert.

[0054] Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Ausführung einer Bypassvorrichtung 10, wobei in Figur 3 die Freigabestellung FS und in Figur 4 die Bypassstellung BS dargestellt ist. Im Normalbetrieb befindet sich das Stellmittel 32, hier in Form eines Rohrelements 40 mit einem Rohrkanal 42, in der Freigabestellung FS der Figur 3. Zuführgas strömt durch den Zuführabschnitt 22 im Grundkörper 20 zum Brennstoffzellenstapel 110 hin. Abführgas vom Brennstoffzellenstapel 110 strömt durch den Abführabschnitt 24 im Grundkörper 20 aus dem Brennstoffzellenstapel 110 hinaus. Das Stellmittel 32 befindet sich hier durch die Stellvorrichtung 30 in einer Position, in welchem der Bypassabschnitt 26 fluiddicht gesperrt ist.

[0055] Wird ein Umschalten der Betriebsweise, insbesondere ein Ausschalten des Brennstoffzellensystems 100 und damit ein Abdichten des Kathodenpfades des Brennstoffzellenstapels gewünscht, so bewegt sich die Stellvorrichtung 30 und damit das Stellmittel 32 aus der Freigabestellung FS in die Bypassstellung BS, wie sie die Figur 4 zeigt. Hier wird nun Zuführgas im Zuführabschnitt 22 in den Bypassabschnitt 26 überführt und kann nun nicht mehr in den Brennstoffzellenstapel 110 gelangen. In gleicher Weise wird das Zuführgas, welches hier dann dem Abführgas entspricht, über den Abführabschnitt 24 direkt an die Umgebung, bzw. an den Abgasabschnitt des Brennstoffzellensystems 100 geleitet. Um die Abdichtung gegen die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 110 bzw. den Abgasabschnitt des Brennstoffzellenstapels 110 zu gewährleisten, sind hier Anschlagsflächen 28 vorgesehen, welche insbesondere in abdichtender Weise die Bypassstellung BS in der Figur 4 definieren.

[0056] Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen das Stellmittel 32 im größeren Detail. Hier ist das Stellmittel 32 als Rohrelement 40 mit einem Rohrkanal 42 ausgebildet. Dieses ist mit einem Kanaleingang 43 und einem Kanalausgang 44 ausgestattet. Die Figur 6 zeigt gut die parallelogrammartige Ausbildung, sodass der Kanalausgang 44 und der Kanalausgang 43 entsprechend der Figur 4 in der Bypassstellung BS die gewünschte Abdichtung gegen die Zufuhr und die Abfuhr vom Brennstoffzellenstapel 110 gewährleisten können.

[0057] Die Figuren 8, 9 und 10 zeigen nochmals die Funktionsweisen in Freigabestellung FS und Bypassstellung BS sowie eine Zwischenstellung ZS, welche es erlaubt, den Bypassabschnitt 26 teilweise zu öffnen sowie gleichzeitig das Brennstoffzellensystem 100 und damit den Brennstoffzellenstapel 110 weiter mit Gas zu versorgen. Hier ist auch gut zu erkennen, wie eine ZUuführachse ZA, eine Bypassachse BA und eine Abführachse AA zueinander spitzwinklig ausgerichtet sind, um ein erleichtertes Einsträmen und Uberströmen durch den Bypassabschnitt 26 in der Bypassstellung BS zu ermöglichen. Auch spannen die Zuführachse ZA, die Abführachse AA

und die Bypassachse BA zusammen mit den jeweiligen Strömungsrichtungen SR eine gemeisame Ebene auf, wodurch z.B. in den Figuren 8 bis 10 die Kompaktheit der Bauweise der Bypassvorrichtung 10 weiter gesteigert werden kann. Bei dieser Ausführung der Bypassvorrichtung 10 ist die Bypassvorrichtung 10 selbst nicht selbsthemmend ausgebildet. Es ist mit Vorteil ein Schneckenantrieb (nicht gezeigt) vorgesehen, welcher selbsthemmend ist. Die Bypassvorrichtung 10 ist folglich mittelbar selbsthemmend ausgebildet.

[0058] In ähnlicher Weise sind auch die Figuren 11 bis 13 zu verstehen. Hier ist eine Ausführungsform mit zwei Stellmitteln 32 in Form von Stellklappen 50 dargestellt. Die Funktionsweise entspricht der weiter oben erläuterten zu den anderen Ausführungsformen. Jedoch wird hier mit einer symmetrischen Stellmechanik in Form von einzelnen Hebeln und einer Zentralscheibe für den Antrieb eine korrelierte Bewegung mit Zwangskopplung für die Stellklappen 50 durchgeführt. Auch hier kann zwischen der Freigabestellung FS und der Bypassstellung BS eine Zwischenstellung ZS eingenommen werden. Auch hier kann weiter die Anordnung der Bypassachse BA der Zuführachse ZA und der Abführachse AA eine gemeinsame Ebene aufspannen bzw. zusätzlich zu den Strömungsrichtungen SR und zueinander spitze Winkel aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ist die Bypassvorrichtung 10 zumindest in der Bypassstellung BS selbsthemmend ausgebildet wie dies in Fig. 13 in der Bypassstellung BS ohne Weiteres erkennbar ist.

[0059] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Bypassvorrichtung 20 Grundkörper

22 Zuführabschnitt 24 Abführabschnitt 26 Bypassabschnitt 28 Anschlagsfläche 30 Stellvorrichtung 32 Stellmittel

40 Rohrelement

42 Rohrkanal

43 Kanaleingang 44 Kanalausgang 50 _Stellklappe

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Anodenzuführabschnitt 122 Anodenabführabschnitt 140 Kathodenzuführabschnitt 142 Kathodenabführabschnitt

FS Freigabestellung BS Bypassstellung

ZS Zwischenstellung

BA Bypassachse

ZA Zuführachse

AA Abführachse

SR Strömungsrichtung

Claims (16)

Patentansprüche

1. Bypassvorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem (100) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (110), aufweisend einen Grundkörper (20) mit einem Zuführabschnitt (22) zur abschnittsweisen Zufuhr eines Zuführgases zum Brennstoffzellenstapel (110), mit einem Abführabschnitt (24) zur Abfuhr von Abführgas vom Brennstoffzellenstapel (110) und mit einem Bypassabschnitt (26), welcher den Zuführabschnitt (22) und den Abführabschnitt (24) miteinander fluidkommunizierend verbindet, weiter aufweisend eine Stellvorrichtung (30) mit wenigstens einem Stellmittel (32), welches zwischen einer den Bypassabschnitt (26) sperrenden sowie den Zuführabschnitt (22) und den Abführabschnitt (24) freigebenden Freigabestellung (FS) und einer den Bypassabschnitt (26) freigebenden sowie den Zuführabschnitt (22) und den Abführabschnitt (24) sperrenden Bypassstellung (BS) bewegbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung (SR) des Zuführgases im Zuführabschnitt (22) der Strömungsrichtung (SR) des Abführgases im Abführabschnitt (24) gleichgerichtet oder im Wesentlichen gleichgerichtet ist.

2. Bypassvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassabschnitt (26) zumindest teilweise, insbesondere vollständig oder im Wesentlichen vollständig, quer zu dem Zuführabschnitt (22) und/oder dem Abführabschnitt (24) ausgerichtet ist.

3. Bypassvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassabschnitt (26) eine Bypassachse (BA), der Zuführabschnitt (22) eine Zuführachse (ZA) und der Abführabschnitt (24) eine Abführachse (AA) aufweisen, wobei die Bypassachse (BA) und/oder die Zuführachse (ZA) und/oder Abführachse (AA) in oder im Wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet sind.

4. Bypassvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassabschnitt (26) eine Bypassachse (BA), der Zuführabschnitt (22) eine Zuführachse (ZA) und der Abführabschnitt (24) eine Abführachse (AA) aufweisen, wobei die Bypassachse (BA) mit der Zuführachse (ZA) und/oder der Abführachse (AA) einen spitzen Winkel aufweist für eine Ausrichtung des Bypassabschnitts (26) zur Strömungsrichtung (SR) im Zuführabschnitt (22) und/oder im Abführabschnitt (24).

5. Bypassvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Stellmittel (32) zusätzlich in wenigstens eine Zwischenstellung (ZS) zwischen der Freigabestellung (FS) und der Bypassstellung (BS) bewegbar gelagert ist.

6. Bypassvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20) wenigstens eine Anschlagsfläche (28) für einen Anschlag des wenigstens einen Stellmittels (32) in der Freigabestellung (FS) und/oder in der Bypassstellung (BS) aufweist.

7. Bypassvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführabschnitt (22), der Abführabschnitt (24) und/oder der Bypassabschnitt (26) integral ausgebildet sind.

8. Bypassvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (30) für die Bypassstellung (BS) und/oder die Freigabestellung (FS) selbsthemmend ausgebildet ist.

9. Bypassvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Stellmittel (32) als Rohrelement (40) ausgebildet ist mit einem Rohrkanal (42), welcher in der Bypassstellung (BS) zumindest einen Teil der Gasführung durch den Bypassabschnitt (26) zur Verfügung stellt.

10. Bypassvorrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement (40) als einziges Stellmittel ausgebildet ist, insbesondere in monolithischer Bauweise.

11. Bypassvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkanal (42) einen Kanaleingang (43) und einen Kanalausgang (44) aufweist,

wobei der Kanaleingang (43) und/oder der Kanalausgang (44) zur Strömungsrichtung (SR) im Rohrkanal (42) spitzwinklig ausgebildet ist.

12. Bypassvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei, insbesondere identische oder im Wesentlichen identische, Stellmittel (32) in Form von Stellklappen (50) mit einer gemeinsamen Stellmechanik der Stellvorrichtung (30) gemeinsam bewegbar sind.

13. Bypassvorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellmechanik als Gelenkmechanik, insbesondere als Mehrgelenkmechanik, ausgebildet ist.

14. Bypassvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellmittel (32) im Zuführabschnitt (22) und das Stellmittel (32) im Abführabschnitt (24) für eine gegenläufige Bewegung zwischen der Freigabestellung (FS) und der Bypassstellung (BS) bewegbar gelagert sind.

15. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend

- zumindest einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt,

- einen Anodenzuführabschnitt (120) zum Zuführen von Anodenzuführgas zu dem Anodenabschnitt,

- einen Kathodenzuführabschnitt (140) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt,

- einen Anodenabführabschnitt (122) zum Abführen von Anodenabgas,

- einen Kathodenabführabschnitt (142) zum Abführen von Kathodenabgas,

wobei eine Bypassvorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 14 vorge-

sehen ist, deren Abführabschnitt (24) einen Teil des Kathodenabführabschnitts (142) ausbil-

det und deren Zuführabschnitt (22) einen Teil des Kathodenzuführabschnitts (140) ausbildet.

16. Kontrollverfahren für eine Kontrolle eines Brennstoffzellensystems (110) mit den Merkmalen des Anspruchs 15, aufweisend die folgenden Schritte: - Erkennen einer Stellanforderung zum Verändern wenigstens eines Betriebsparameters des Brennstoffzellensystems (100), - Bewegen des wenigstens einen Stellmittels (32) in Richtung der Bypassstellung (BS) und/oder in Richtung der Freigabestellung (FS) auf Basis der erkannten Stellanforderung.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen