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Die
Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme mit integrierter Befeuchtung
des Brennstoffes beziehungsweise des Oxidationsstoffes und hierbei speziell
ein Verfahren zum Regeln der Abgastemperatur des Brennstoffzellensystems,
um die Temperatur des Abgases im Vergleich zu herkömmlichen
Ausführungen
zu erhöhen.
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Brennstoffzellensysteme
mit integrierter Befeuchtung sind bekannt. Beispielsweise wird auf
die Patentschrift
DE
101 04 246 C1 verwiesen, welche eine Brennstoffzelle darstellt,
deren Prozessgas mittels der im Abgas vorhandenen Feuchtigkeit in
zwei Befeuchtungseinheiten befeuchtet wird, und wobei mit jeweils
einem Wärmetauscher
den Abgasströmen
Wärme entzogen
und dem Prozessgas zugeführt
wird, um die Verdampfung des Wassers in dem Prozessgas zu bewirken.
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Auch
in der
US-Patentschrift
US 6,656,620 B2 wird das Übertragen einer Wärmemenge,
insbesondere von dem Abgas auf das Prozessgas in einem Befeuchter
beschrieben.
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Wie
aus den beiden genannten Patentschriften ersichtlich ist, war die
Fachwelt bei den bekannten Brennstoffzellensystemen stets bemüht, die
optimale Temperatur in dem der Brennstoffzelle zugeführten Prozessgas – entweder
Brennstoff oder Oxi dationsstoff – zu erreichen, und man hat
hierzu auf das Abgas zurückgegriffen
und diesem gegebenenfalls neben der Feuchtigkeit auch Wärme entzogen. Den
Temperaturänderungen
im Abgas, welche sich durch die Optimierung der Prozessgastemperatur
ergeben haben, beziehungsweise der absoluten Abgastemperatur hat
man bisher keine oder nur eine geringe Bedeutung zugemessen.
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Von
der Temperatur des Abgases hängt
jedoch entscheidend ab, welche Feuchtigkeitsmenge das Abgas aufnehmen
kann, siehe beispielsweise das h-x-Diagramm von feuchter Luft. Hieraus
folgt, dass bei einer unkontrollierten Abgastemperatur möglicherweise
im Auspuff eines Kraftfahrzeugs mit Brennstoffzellenantrieb, in
welchem das erfindungsgemäße Verfahren
zum Einsatz kommen kann, eine Kondensation der Feuchtigkeit im Abgas
auftreten kann, die nicht oder nicht in dem gewünschten Ausmaß kontrolliert
werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Regeln der
Abgastemperatur eines Brennstoffzellensystems, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
anzugeben, mit welchem die Kondensation von Feuchtigkeit des Abgases
in einer Abführleitung
aus der Brennstoffzelle sicher beherrscht und insbesondere vollständig oder
weitgehend vermieden werden kann, so dass insbesondere schwallartige
Wasserausträge
am Auspuff des Fahrzeuges vermieden werden können.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch ein Verfahren mit den Schritten von Anspruch 1 gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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Ein
Brennstoffzellensystem zum Ausführen des
erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode beziehungsweise
einen Brennstoffzellen-Stack
mit Anoden und Kathoden, ferner eine Brennstoffzuleitung zum Zuleiten
von H2-haltigem Brennstoff zur Anode und
eine Oxidationsstoffzuleitung zum Zuleitung von O2-haltigem
Gas zur Kathode der Brennstoffzelle. In der Brennstoffzelle finden
dann die bekannten Reaktionen zwischen dem Wasserstoff des Brennstoffes
und dem Sauerstoff des Oxidationsstoffes unter Erzeugung von elektrischer
Spannung statt, wobei als Reaktionsprodukt Wasser und je nach verwendetem
Brennstoff ein beispielsweise CO2-haltiges
Abgas entsteht.
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Als
Brennstoff kommt beispielsweise Wasserstoff, Methan und Methanol
in Betracht, jedoch auch andere Kohlenwasserstoffe.
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Das
Abgas wird aus der Brennstoffzelle (oder dem Stack) über wenigstens
eine Abführleitung,
insbesondere eine erste Abführleitung
aus der Kathode und gegebenenfalls eine zweite Abführleitung
aus der Anode, abgeführt,
wobei die Abgase aus der Kathode und der Anode auch in einer gemeinsamen
Leitung vereint abgeführt
werden können.
Bei mit Wasserstoff betriebenen Systemen beschränkt sich die Abfuhr des Abgases
typischerweise auf die kathodenseitige Abluft, da der Wasserstoff,
z. B. in einem Kreislauf zum Anodeneingang zurückgeführt, und zumindest annähernd vollständig aufgebraucht
wird. Bei derartigen Aufbauten ist das Abgas dann der (Kathoden-)
Abluft gleichzusetzen. Dabei wird das Abgas durch einen oder mehrere
Befeuchter, insbesondere durch einen Befeuchter pro Abgasleitung,
beispielsweise einen ersten Befeuchter für die Anodenabgasleitung und
einen zweiten Befeuchter für
die Kathodenabgasleitung, geleitet. Durch denselben beziehungsweise
dieselben Befeuchter wird auch der Brennstoff beziehungsweise der
Oxidationsstoff geleitet, so dass der Brennstoff und/oder der Oxidationsstoff
mit Feuchtigkeit aus dem Abgas befeuchtet wird. Mögliche konstruktive
Ausgestaltung von solchen Be feuchtern sind dem Fachmann bekannt,
beispielsweise können
sie wenigstens eine feuchtigkeitsdurchlässige Membran aufweisen, die auf
einer Seite von dem Abgas und auf der anderen, entgegengesetzten
Seite von dem Prozessgas beaufschlagt wird, so dass die Gase zwar
voneinander getrennt geleitet werden, jedoch die Feuchtigkeit von dem
Abgas durch die Membran hindurch in das Prozessgas übertritt.
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Gleichzeitig
wird erfindungsgemäß in dem Befeuchter
oder den Befeuchtern ein Wärmestrom zwischen
dem Brennstoff beziehungsweise dem Oxidationsstoff und dem Abgas übertragen.
Der Wärmestrom
ist dabei von dem Brennstoff beziehungsweise dem Oxidationsstoff
auf das Abgas gerichtet, und die Temperatur des Abgases wird dadurch
geregelt, dass die Temperatur des Brennstoffes in der Brennstoffzuleitung
und/oder des Oxidationsstoffes in der Oxidationsstoffzuleitung geändert wird.
Somit ist die Regelgröße die Abgastemperatur,
und als Stellgröße dient
die Brennstofftemperatur beziehungsweise die Oxidationsstofftemperatur.
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Insbesondere
wird der Befeuchter, welcher in der Regel als Gas-Gas-Befeuchter
ausgeführt
ist, das heißt
primärseitig
und sekundärseitig
von einem Gas – dem
Brennstoff beziehungsweise dem Oxidationsstoff und dem Abgas – durchströmt wird,
als einziger Wärmeüberträger zum
gezielten Übertragen von
Wärme zwischen
dem Brennstoff und dem Abgas beziehungsweise zwischen dem Oxidationsstoff und
dem Abgas verwendet. Ein zusätzlicher
Wärmetauscher
kann entfallen.
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Gegebenenfalls
kann das Abgas durch einen zusätzlichen
Wasserabscheider, vorteilhaft durch einen Resonator mit integriertem
Wasserabscheider geführt
werden, um Feuchtigkeit aus dem Abgas abzuscheiden. Ein solcher
Wasserabscheider kann beispielsweise in Kaltstartphasen und/oder
allgemein beim An fahren beziehungsweise Abfahren zur kontrollierten
Wasserabscheidung verwendet werden. Der Abscheider kann beispielsweise
einen Behälter für das abgeschiedene
Wasser und/oder eine Rückführung für das abgeschiedene
Wasser in das Wischwasser zum Reinigen von Scheiben und/oder Scheinwerfern
eines Fahrzeugs umfassen.
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Durch
die erfindungsgemäße Regelung
der Abgastemperatur, insbesondere durch Erhöhung der Abgastemperatur im
Vergleich zu bekannten Ausführungen,
beispielsweise auf 70 Grad Celsius oder mehr, kann ein Auswurf von
Flüssigkeit
am Austritt des Abgasrohres minimiert beziehungsweise vollständig verhindert
werden, ohne dass zusätzliche Bauteile
im Vergleich zu bekannten Systemen, gegebenenfalls mit Ausnahme
eines Temperatursensors und einer geeigneten Steuereinrichtung zum
Ausführen
der erfindungsgemäßen Regelung,
vorgesehen werden müssen.
vorteilhaft kann der oder die ohnehin vorhandene(n) Gas-Gas-Befeuchter zur Wärmeübertragung
für die
Anhebung der Abgastemperatur verwendet werden.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels exemplarisch
beschrieben werden. Dabei können
die verschiedenen dargestellten Komponenten, solange dies nicht
ausdrücklich anders
dargestellt ist, auch einzeln oder gruppenweise unabhängig von
den übrigen
Komponenten vorgesehen oder eingespart werden.
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Die 1 zeigt
ein Schaltbild mit der Prozessgas- beziehungsweise Abgasführung und
mit einzelnen Temperaturpunkten eines erfindungsgemäß geregelten
Brennstoffzellensystems.
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Im
einzelnen erkennt man in der 1 die Brennstoffzelle 1 mit
einer Anode 2 und einer Kathode 3. Die Brennstoffzelle 1 kann,
um eine höhere elektrische
Spannung zu erzeugen, mit mehreren Zellen versehen sein, die zu
einem sogenannten Stack in Reihe geschaltet sind.
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Wie
man sieht, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorliegend zum
Regeln der Temperatur der Abluft beziehungsweise des Abgases aus
der Kathode verwendet. Zusätzlich
oder alternativ könnte
das Verfahren jedoch auch zur Regelung der Temperatur des Abgases
aus der Anode verwendet werden, oder die Abgase aus Anode und Kathode
könnten
vereint und die Temperatur des Abgasgemisches erfindungsgemäß geregelt
werden.
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Die
Brennstoffzuleitung 4 und die Abgasleitung 14 für Abgas
aus der Anode sind nur ansatzweise dargestellt, da sie bei der vorliegenden
Ausführung
nicht zur Regelung der Abgastemperatur herangezogen werden.
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In
der Oxidationsstoffzuleitung 5, welche in der Kathode 3 zum
Zuführen
von O2-haltigem Gas zur Kathode 3 mündet, wobei
vorliegend Luft als Oxidationsstoff verwendet wird, ist in Strömungsrichtung gesehen,
beginnend an einem Lufteinlass hintereinander ein Luftfilter 11,
ein Schalldämpfer 12,
ein Kompressor 8, ein Ladeluftkühler 13 und ein Befeuchter 7 angeordnet.
Die Temperatur der Ladeluft (allgemein des Oxidationsstoffes) wird
in dem Kompressor 8 erhöht,
beispielsweise – wie
dargestellt – auf
120 bis 160 Grad Celsius. Im nachfolgenden Ladeluftkühler 13 wird
die Luft wiederum abgekühlt,
beispielsweise auf 90 Grad Celsius bis 100 Grad Celsius, oder – wie dargestellt – auf 90
Grad Celsius bis 110 Grad Celsius.
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Der
gezeigte Ladeluftkühler 13 mit
seinem Kühlwasserkreislauf
(allgemein Kühlmediumkreislauf ohne
Beschränkung
auf das Kühlmedium
Wasser), wobei der Kühlwasserkreislauf
beispielsweise ein Leitungszweig des Fahrzeugkühlkreislaufes, insbesondere
eines Hochtemperatur-Kühlwasserkreislaufes,
sein kann, ist nur ein mögliches
Ausführungsbeispiel
für eine
Kühlvorrichtung 9,
um den gesamten Oxidationsstoffstrom in der Oxidationsstoffzuleitung 5 zu
kühlen.
Alternativ könnte
auch nur ein Teil des Oxidationsstoffes der Oxidationsstoffzuleitung 5 durch
eine Kühlvorrichtung
geleitet werden, und zusätzlich
ein Bypass zu der Kühlvorrichtung
vorgesehen sein, durch welchen der übrige Oxidationsstoff der Oxidationsstoffzuleitung 5 geleitet
wird, welcher nicht durch die Kühlvorrichtung
gekühlt
werden soll. Durch entsprechendes Aufteilen, beispielsweise mit einem
regelbaren 3/2-Wegeventil oder dergleichen, der Oxidationsstoffströme auf die
Kühlvorrichtung und
durch den Bypass an dieser vorbei, wobei auch die beiden Grenzfälle umfasst
sein können,
dass der gesamte Oxidationsstoff oder nichts von diesem durch die
Kühlvorrichtung
geleitet wird, kann die gewünschte
Temperatur des Oxidationsstoffes nach dem erneuten Vereinen des
Oxidationsstoffes aus der Kühlvorrichtung
mit dem Oxidationsstoff aus dem Bypass eingestellt werden.
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Um
die Temperaturen im Bereich von 100 Grad Celsius bis 110 Grad Celsius
oder darüber
hinaus in dem nachfolgenden Befeuchter 7 ohne das Risiko
einer Schädigung
des Befeuchters 7 zulassen zu können, kann der Befeuchter 7 vorteilhaft
mit entsprechend temperaturfesten Polymerfasern versehen sein.
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Am
Ausgang des Befeuchters 7, das heißt im Bereich des Lufteintritts
in die Kathode 3, kann die Temperatur dann etwa oder genau
90 Grad Celsius betragen.
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Durch
das vergleichsweise hohe Temperaturniveau am Eintritt des Oxidationsstoffes
in den Befeuchter 7 wird erreicht, dass ein verhältnismäßig großer Wärmestrom 15 von
dem Oxidationsstoff (der Zuluft der Kathode 3) zu dem Abgas
in der Abführ leitung 6 aus
der Kathode 3 strömt.
Hierdurch wird das Abgas in der Abführleitung 6 entsprechend
aufgeheizt.
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Insbesondere
strömt
das Abgas aus der Kathode 3 unmittelbar zu dem Befeuchter 7,
durch diesen hindurch, wobei es die genannte Wärmemenge aufnimmt, und weiter
durch einen Abgaskatalysator 16, eine Expansionsmaschine,
insbesondere in Form der gezeigten Turbine 17, und eine
Abgasanlage 18.
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In
dem Abgaskatalysator 16 kann das Abgas zusätzlich erwärmt werden.
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Die
Turbine 17 treibt beispielsweise den Kompressor 8 an,
wobei die Turbine 17 insbesondere über eine gemeinsame Welle an
dem Kompressor 8 angeschlossen ist.
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Zusätzlich oder
alternativ kann mit der Turbine 17 ein elektrischer Generator 19 angetrieben
werden, welcher beispielsweise einen Elektromotor zum Antrieb des
Kompressors 8 mit elektrischer Leistung versorgt. Es ist
jedoch auch möglich,
nur eine elektrische Maschine zum Antrieb des Kompressors 8 vorzusehen,
welche den Kompressor 8 immer dann antreibt, wenn die Turbine 17 nicht
genügend
Antriebsleistung liefert, und welche zugleich als elektrischer Generator
arbeiten kann, wenn die Turbine 17 diese elektrische Maschine
insbesondere zusätzlich
zu dem Kompressor 8 antreibt.
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Die
Abgasanlage 18 kann beispielsweise ein Rohr und einen Resonator
mit integrierter Wasserabscheidung umfassen oder aus diesen Bauteilen
bestehen. Die Wasserabscheidung kann durch Verdüsen, Beheizen oder dergleichen
erfolgen. Das Wasser tritt aus dem Wasserauslass 20 aus,
wohingegen das Abgas beziehungsweise die Abluft ohne Wasser in der
Flüssigphase
am Austritt 21 austritt.
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Am
Austritt 21 der Abführleitung 6 kann,
wie dargestellt, ein Temperatursensor 22 vorgesehen sein,
welcher die Temperatur des Abgases am Austritt 21 misst.
In Abhängigkeit
dieser Temperaturmessung kann eine Steuervorrichtung (nicht dargestellt) des
Brennstoffzellensystems die Temperatur des Oxidationsstoffes am
Eintritt des Befeuchters 7 einstellen, beispielsweise – wie dargestellt – durch
entsprechendes öffnen
und/oder Schließen
eines Regelventils 23 in einem Kühlmediumkreislauf, beispielsweise
Kühlwasserkreislauf,
mit welchem der Oxidationsstoff in dem Ladeluftkühler 13 gekühlt wird.
Mit zunehmendem öffnen
des Regelventils 23 wird der Kühlmediumstrom vergrößert, so
dass eine stärkere
Abkühlung
des Oxidationsstoffes in dem Ladeluftkühler 13 erfolgt, wohingegen
durch zunehmendes Schließen
des Regelventils 23 der Kühlmediumstrom verringert wird,
so dass die Kühlung
des Oxidationsstoffes im Ladeluftkühler 13 entsprechend geringer
ist. Besonders vorteilhaft kann das zunächst bis auf ein vorgegebenes
Ausmaß oder
vollständig geöffnete Regelventil 23 so
lange Schritt für
Schritt oder kontinuierlich geschlossen werden, bis die am Austritt 21 gemessene
Temperatur des Abgases der Abführleitung 6 70
Grad Celsius erreicht oder überschreitet.
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Sollte
trotz vollständigem
Schließen
des Regelventils 23 die gewünschte Temperatur am Auslass 21 nicht
erreicht werden können,
so kann das Abgas durch zusätzliche
Maßnahmen,
beispielsweise durch Einschalten einer Heizung beziehungsweise durch Erhöhen der
Heizleistung in der Abgasanlage 20 erhöht werden.
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Gemäß einer
besonderen Ausführung
der Regelung kann zwischen einem Winterbetrieb und einem Sommerbetrieb
unterschieden werden, wobei im Winterbetrieb eine höhere Temperatur
des Abgases beziehungsweise des Prozessgases (hier des Oxidations stoffes)
eingestellt wird. Zur Entscheidung, ob der Winterbetrieb oder der
Sommerbetrieb zu einem gegebenen Zeitpunkt geeignet ist, kann ein Außentemperatursensor
vorgesehen sein, welcher die Außentemperatur
misst. Alternativ kann auch manuell oder automatisch anhand eines
Datums zwischen dem Winterbetrieb und dem Sommerbetrieb umgeschaltet
werden. Unter manueller Umschaltung ist dabei auch eine Programmierung
beziehungsweise das Setzen eines Vorgabewertes in einer vorgesehenen
Steuerung und/oder das Betätigen
eines Schalters oder dergleichen zu verstehen.
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Im
Winterbetrieb kann beispielsweise die Temperatur des Kühlmediums
im Ladeluftkühler 13 gegenüber dem
Sommerbetrieb erhöht
sein, beispielsweise um genau oder etwa 5 Grad Celsius. Insbesondere
beträgt
die Temperatur des Kühlmediums im
Winter 70 Grad Celsius und im Sommerbetrieb 65 Grad Celsius. Zusätzlich oder
alternativ kann auch die Massenstromregelung im Kühlmediumkreislauf mittels
des Regelventils 23 im Winterbetrieb gegenüber dem
Sommerbetrieb verändert
werden, indem im Winterbetrieb weniger Kühlmedium zum Ladeluftkühler 13 geführt wird
als im Sommer.
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Im
Winterbetrieb kann beispielsweise eine Temperatur des Abgases am
Kathodenaustritt von 75 Grad Celsius eingestellt werden, wohingegen
im Sommerbetrieb eine Temperatur an dieser Stelle von 70 Grad Celsius
eingestellt wird.