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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufwärmen einer
Brennstoffzelle in einer Starphase, mit einer zum Kathodenraum der
Brennstoffzelle führenden Zuführleitung, mit welcher
ein Kompressor verbunden ist, der mittels der Brennstoffstelle mit
Energie versorgbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein
Verfahren zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle in einer
Startphase.
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Aus
der
DE 102 03 311
A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem ein
Kompressor in einer Kathoden-Zuführleitung der Brennstoffzelle
angeordnet ist. Dem Kompressor nachgeschaltet ist ein Ladeluftkühler,
welcher in der Kathoden-Zuführleitung angeordnet ist und
darüber hinaus mit einem Kühlkreislauf für
die Brennstoffzelle gekoppelt ist. Der Kühlkreislauf weist
eine Bypassleitung auf, in welcher ein Ventil angeordnet ist. Beim
Kaltstart wird der Kühlkreislauf durch Schließen
des Ventils über die Bypassleitung im Kurzschluss betrieben,
so dass eine geringe thermische Masse im Kühlkreislauf
enthalten ist. Dadurch wird der ebenfalls im Kühlkreislauf
angeordnete Kühler während der Startphase nicht
vom Kühlmittel durchströmt, wodurch eine schnellere
Erwärmung der Brennstoffzelle mit Hilfe der Verdichtungswärme
des Kompressors erreicht werden soll.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
101 26 090 A1 eine Vorrichtung zum Aufwärmen einer
Brennstoffzelle bekannt. In einer Ausführung ist vorgesehen, dass
ein Kompressor in einer Kathoden-Zuführleitung einer Brennstoffzelle
angeordnet ist. In einer von der Kathodenseite der Brennstoffzelle
wegführenden Kathoden-Abführleitung ist ein Druckventil
angeordnet. Eine Zusatzleitung zweigt in die Strömungsrichtung
nach dem Druckventil von der Kathoden-Abführleitung ab
und mündet in Strömungsrichtung vor dem Kompressor
in die Kathoden-Zuführleitung ein. In der Zusatzleitung
ist ein Durchflussbegrenzerventil angeordnet. Über die
Zusatzleitung soll das von der Brennstoffzelle abgegebene Gas vor
dem Kompressor wieder in die Kathoden-Zuführleitung rückgeführt werden.
Dadurch wird ein Zirkulationszyklus generiert, welcher das der Kathodenseite
zugeführte Gas schnell erwärmen soll, wodurch
ein schnelleres Aufwärmen der Brennstoffzelle erreicht
werden soll.
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Bei
Brennstoffzellen, die in Fahrzeugen verbaut sind, tritt das Problem
auf, dass bei kalten Temperaturen, insbesondere bei Minusgraden,
das Starten der Fahrzeuge mit einer gewissen Zeitverzögerung
einhergeht. Dies basiert darauf, dass bei kalten Temperaturen die
Brennstoffzelle eine längere Zeitdauer benötigt,
um auf Betriebstemperatur zu gelangen und somit die erforderliche
Leistung zu erreichen. Dies führt dazu, dass bei kalten
Umgebungstemperaturen bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellen relativ
lange nach dem Betätigen des Zündschlüssels gewartet
werden muss, bis von der Fahrzeugsteuerung eine Fahrfreigabe erteilt
wird und mit dem Fahrzeug losgefahren werden kann. Dies bedeutet,
dass auch eine entsprechende Wartezeit gegeben ist, bis die volle
Antriebsleistung abgerufen werden kann.
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Ein
Start eines kühlen oder gefrorenen Brennstoffzellensystems
kann üblicherweise so erfolgen, dass zunächst
ein Kompressor mit Energie aus einer Energiequelle angetrieben wird,
welche beispielsweise eine Batterie sein kann. Aufgrund der tiefen
Temperaturen und gegebenenfalls einer teilweisen Belegung der Oberflächen
innerhalb der Brennstoffzelle mit Eis, ist der Brennstoffzellenstapel
in der Lage, nur kleine Leistungen abzugeben, die zwar zum „Selbsterhalt"
des Brennstoffzellenbetriebs ausreichen, jedoch für die
Speisung des Antriebsmotors zum Fahren mit akzeptablen Fahrleistungen
noch nicht ausreichen.
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Ziel
in dieser Kaltstartphase ist es, die Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellenstapel
trotzdem elektrisch möglichst stark zu belasten, da die Selbstaufheizung
der Brennstoffzelle sehr effektiv für eine Aufwärmung
der Brennstoffzelle bzw. eines Kühlkreislaufs für
die Brennstoffzelle ist. Problem hierbei ist jedoch, dass der Brennstoffzellenstapel zwar
möglichst stark belastet werden soll, dass dies jedoch
zu diesem Zeitpunkt des Starts aber über den Antriebsmotor
nicht erfolgen kann, da die Antriebsleistung und damit die Fahrleistung
des Fahrzeugs zu diesem Zeitpunkt der Startphase für einen
akzeptablen Fahrbetrieb nicht ausreichend ist. Der Fahrzeugnutzer
kann erst dann losfahren, wenn eine bestimmte Antriebsleistung und
damit eine bestimmte Fahrleistung zur Verfügung steht.
Es wird im Fahrzeug also solange keine Fahrfreigabe erteilt, bis
aufgrund einer bestimmten Temperatur der Brennstoffzelle bzw. des
Brennstoffzellensystems und der daraus resultierenden verfügbaren
Leistung diese als ausreichend festgestellt wird. Es ist also gewünscht,
den Brennstoffzellenstapel durch entsprechende elektrische Lastsenken
möglichst stark zu belasten, so dass sich dieser möglichst
schnell aufheizt. Wenn eine Fahrfreigabe erteilt ist und nicht die
volle, aktuell verfügbare Leistung für den Antrieb
notwendig ist, wie dies beispielsweise bei langsamer Fahrt im Stadtverkehr
gegeben sein kann, soll diese noch freie potentiell abrufbare Leistung
für eine weitere und schnellere Aufheizung genutzt werden,
so dass im Bedarfsfall möglichst früh die volle
Antriebsleistung zur Verfügung gestellt werden kann, bei
der die Brennstoffzelle dann auf optimaler Betriebstemperatur ist.
Dabei ist jedoch ein Problem darin zu sehen, dass die Anzahl der
notwendigen Aggregate bzw. deren Leistung, die als elektrische Lastsenke
dienen könnten, begrenzt sind. Insbesondere ist dabei aufgrund
des Bauraums, des Gewichts und der Kosten eine Begrenzung gegeben.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung sowie ein
Verfahren zu schaffen, bei dem das Aufwärmen einer Brennstoffzelle
in einer Startphase verbessert werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch
1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 13
aufweist, gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufwärmen
einer Brennstoffzelle in einer Startphase, insbesondere einer Kaltstartphase,
umfasst eine zum Kathodenraum der Brennstoffzelle führende
Zuführleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels.
Mit dieser Zuführleitung ist ein Kompressor verbunden. Die
Zuführleitung und der Kompressor sind einem Oxidationsmittel-Zuführzweig
der Vorrichtung zugeordnet. Der Kompressor ist mittels der Brennstoffzelle
mit Energie versorgbar. Der Kompressor ist in der Startphase der
Brennstoffzelle abhängig von einem einstellbaren spezifischen
Betriebszustand des Kompressors als elektrische Lastsenke der Brennstoffzelle
ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung kann ein verbessertes Kaltstartverhalten
der Brennstoffzelle erreicht werden. Eine höhere Belastung
der Brennstoffzelle führt innerhalb der Brennstoffzelle
zu mehr Abwärme, da mit steigendem Strom die Spannung und
damit auch der Wirkungsgrad fällt. Zum Kaltstart ist dies
entsprechend der Erfindung aber durchaus gewünscht, um
eine schnellere Erwärmung der Brennstoffzelle zu erreichen.
Das heißt, dass eine Erhöhung der Stromlast durch
eine höhere Leistung am Kompressor zu einem höheren
Brennstoffzellenstrom und einer schnelleren Erwärmung führt.
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Eine
spezifische Komponente der Vorrichtung, nämlich der Kompressor,
wird multifunktional eingesetzt, indem er einerseits zur grundlegenden Funktionalität
im Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems beiträgt,
indem er Oxidationsmittel zur Brennstoffzelle fördert.
Durch die Erfindung ist dem Kompressor darüber hinausgehend
eine weitere Funktion dahingehend zugeordnet, dass er zumindest
in einem spezifischen Betriebszustand auch als elektrische Lastsenke
der Brennstoffzelle dient und dort so betrieben ist, dass das Aufwärmen
der Brennstoffzelle wesentlich beschleunigt werden kann. Als elektrische
Lastsenke müssen somit keine weiteren Komponenten in der
Vorrichtung verbaut werden, welchen ansonsten kein weiterer Nutzen
zugeordnet werden kann. Dadurch können Bauraum und Kosten gespart
werden. Insbesondere kann die gesamte Vorrichtung daher auch bauteilreduziert
ausgebildet werden. Nicht zuletzt kann dadurch auch das Gewicht
des Systems bei jedoch verbesserter Funktionalität gleich
gehalten werden.
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Besonders
bevorzugt erweist es sich, wenn der einstellbare Betriebszustand
des Kompressors, welcher den Kompressor dann als elektrische Lastsenke
der Brennstoffzelle besonders bevorzugt charakterisiert, der Volllastbetrieb
des Kompressors ist. Dadurch wird die Leistung der elektrischen Lastsenke
und somit des Kompressors während der Kaltstartphase besonders
erhöht, insbesondere maximiert, und damit die Zeit bis
zur optimalen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle verkürzt.
Insbesondere beim Einsatz der Vorrichtung in einem Fahrzeug kann
somit auch die Zeit bis zur Fahrfreigabe wesentlich verkürzt
werden. Die Verfügbarkeit der Maximalleistung der Brennstoffzelle
in einer Kaltstartphase kann dadurch wesentlich schneller erreicht
werden.
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Der
Kompressor ist zu Beginn der Startphase vorzugsweise von einer zur
Brennstoffzelle separaten Energiequelle, insbesondere einer Batterie,
mit Energie versorgbar. Da gerade zu Beginn der Startphase die Brennstoffzelle
während des Kaltstarts nur sehr wenig Energie liefern kann,
ist es im Hinblick auf die verbesserte Funktionalität und
somit einem schnelleren Aufwärmen der Brennstoffzelle über
die elektrische Lastsenke bevorzugt, dass der Kompressor in dieser
kurzen Anfangsphase über eine andere Energiequelle gespeist
wird. Dadurch kann insbesondere der gewünschte Betriebszustand
des Kompressors im Hinblick auf dessen Charakterisierung einer optimalen
elektrischen Lastsenke für die Brennstoffzelle möglichst
schnell erreicht werden, wodurch wiederum möglichst schnell
aufgrund der erzeugten Verdichtungswärme des Kompressors
ein Aufwärmen der Brennstoffzelle erreicht werden kann.
Dies führt dann wiederum dazu, dass die Brennstoffzelle möglichst
schnell mehr Energie bereitstellen kann, wodurch auch dann wiederum
möglichst schnell der Kompressor durch die Brennstoffzelle
mit Energie versorgt werden kann. Somit kann auch während
der Startphase relativ zügig die Energieversorgung des Kompressors
durch die Batterie beendet werden und im weiteren Fortgang der Kaltstartphase
der Brennstoffzelle der Kompressor ausschließlich von der Brennstoffzelle
mit Energie versorgt werden. Dies erfolgt dann insbesondere bis
zum Ende der Kaltstartphase, bei dem dann die Brennstoffzelle ihre
maximale Nennleistung erreicht hat.
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Dadurch
dass der Kompressor zu Begin des Startvorgangs aus der Batterie
betrieben wird, kann diese sehr schnell entleert werden. Damit kann
das Nachladen der Batterie als weitere Zusätzliche Lastsenke
genutzt werden, um die Brennstoffzelle in der Startphase zur Eigenerwärmung
hoch zu belasten.
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Besonders
bevorzugt ist in der Zuführleitung zwischen dem Kompressor
und dem Kathodenraum der Brennstoffzelle ein erstes Strömungswiderstandselement
angeordnet, und ein zweites Strömungswiderstandselement
in einer Bypassleitung angeordnet, welche eine von dem Kathodenraum
der Brennstoffzelle wegführende Abführleitung
mit der Zuführleitung verbindet. Gerade durch diese Komponentenanordnung
und -ausgestaltung kann die Aufwärmehase der Brennstoffzelle
beim Kaltstart wesentlich reduziert werden, denn der von dem Kompressor
erzeugte Gasstrom kann individuell über das erste und/oder
das zweite Strömungswiderstandselement dosiert werden.
Die Strömungswiderstandelement führen zu einer
erhöhten Leistung am Kompressor. Damit kann sowohl der
durch den Kompressor aus der Brennstoffzelle gezogene Strom als
auch die Batterieentleerung und damit der zum Nachladen der Batterie
benötigte Strom erhöht werden. Diese erhöhten
Ströme in den Lastsenken führen dann in besonders
bevorzugter Weise dazu, dass zu jeder Zeitphase während
der Aufwärmehase die Brennstoffzelle in optimaler Weise
weiter aufgewärmt wird. Denn die Einstellung der Strömungswiderstandselemente, mit
denen der Strömungsquerschnitt der zugeordneten Leitung
veränderbar ist, kann somit jederzeit während
der Kaltstartphase optimiert werden. Wird beispielsweise der Volllastbetrieb
des Kompressors eingestellt, wird bei maximalem Druckverhältnis
und maximalem Volumen- bzw. Massenstrom Oxidationsmittel, insbesondere
Luft oder Sauerstoff, in die Brennstoffzelle geführt. Dies
ist aus Sicht einer maximalen elektrischen Lastsenke zumindest zeitweise vorgesehen.
Gerade zu Beginn der Kaltstartphase ist dies besonders vorteilhaft,
möglichst viel Oxidationsmittel dem Kathodenraum zuzuführen,
was sich aber mit zunehmender Temperatur der Brennstoffzelle und fortschreitender
Zeitdauer während der Kaltstartphase ändern kann
und dann gegebenenfalls die weitere optimale Aufwärmung
nicht mehr begünstigt. Gerade durch diese Strömungswiderstandselemente
kann dann im Fortgang der Kaltstartphase der Kompressor als elektrische
Lastsenke weiterhin voll ausgenutzt werden und dennoch die luftseitigen
Parameter der Brennstoffzelle optimal an die momentanen Bedürfnisse
der Brennstoffzelle angepasst werden. Dies bedeutet, dass durch
individuelle Einstellung der Strömungswiderstandselemente
während der Kaltstartphase eine entsprechende Dosierung
gewährleistet werden kann, bei der einerseits zwar der
Kompressor dann insbesondere noch im Volllastbetrieb betrieben wird,
und somit als maximale elektrische Lastsenke für die Brennstoffzelle
dient, andererseits jedoch der Druck des Oxidationsmittel am Kathodenraum
und der Massenstrom am Kathodenraum verringert werden kann, wodurch
das weitere Aufwärmen der Brennstoffzelle dann ebenfalls
optimiert erfolgen kann. Insbesondere kann dadurch auch ein Austrocknen
der Brennstoffzelle aufgrund eines zu starken Wasseraustrags im
Fortgang der Kaltstartphase verhindert werden.
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Vorzugsweise
ist der Betriebszustand des Kompressors abhängig von dem
durch zumindest ein Strömungswiderstandselement eingestellten
Strömungsquerschnitt der zugeordneten Leitung. Der Kompressor
und die Strömungswiderstandselemente, beispielsweise Ventile
oder Drosselklappen, sind somit so betreibbar, dass der Kompressor
in seinem vollen Leistungsbereich als elektrische Lastsenke genutzt
werden kann und des Weiteren die sich aufgrund der Verdichtung des
Oxidationsmittels ergebende Verdichtungswärme für
eine schnellere Aufheizung der Brennstoffzelle genutzt werden kann. Die
Stellung der einzelnen Strömungswiderstandselemente kann
hierbei von einer Vielzahl von Parametern abhängen oder über
diese geregelt werden. Beispielsweise kann der Strom, die Temperatur
oder der Druck der Brennstoffzelle herangezogen werden. Dies sind
lediglich beispielhafte Parameter, welche in vielfältiger
Weise ergänzt und/oder kombiniert werden können.
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Durch
die situationsabhängig individuelle Einstellung der Strömungswiderstandselemente
in der Kaltstartphase kann erreicht werden, dass der Kompressor
gegen diesen künstlich herbeigeführten Strömungswiderstand
arbeiten muss. Dies bedeutet, dass der Kompressor ein erhöhtes
Druckverhältnis umsetzen muss, wodurch zum einen eine erhöhte
Arbeitsleistung des Kompressors notwendig ist, was zu einer Erhöhung
der Leistungsaufnahme des Kompressors als elektrische Lastsenke
führt und zu diesem Zeitpunkt gewünscht ist. Des
Weiteren ergibt sich durch die Erhöhung des Strömungswiderstands ein
erhöhtes Druckverhältnis, welches der Kompressor
zur Verfügung stellen muss. Zum anderen entsteht durch
die Erhöhung der Verdichtung mehr Wärme, die dann
an die Brennstoffzelle abgegeben werden kann und ebenfalls zu einer
schnelleren Aufheizung führt. Ein Strömungswiderstandselement
kann im Extremfall so gestellt werden, dass der Kompressor das maximal
mögliche Druckverhältnis einstellen muss und dadurch
eine hohe Leistungsanforderung an den Kompressorantrieb besteht,
um damit als große elektrische Lastsenke zur Verfügung
zu stehen. Eine weitere Möglichkeit, die Leistungsaufnahme
des Kompressorantriebs zu erhöhen, besteht darin, dass der
Kompressor den maximalen Volumen- bzw. Massenstrom fördern
muss. Durch den Betrieb des Kompressors bei maximalem Volumen- bzw.
Massenstrom und maximal möglichem Druckverhältnis
ist die maximal erforderliche Antriebsleistung erreicht und der
Kompressorantrieb als elektrische Lastsenke maximal ausgenutzt.
Dies ist dann der Volllastbetrieb.
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Die
Nutzung des Kompressors bzw. den Kompressorantrieb als elektrische
Lastsenke hat einen Vorteil darin, dass die nominelle bzw. maximale Leistungsfähigkeit
des Kompressors von allen üblichen Nebenaggregaten innerhalb
von einem Brennstoffzellensystem am größten ist
und bis zu ca. 10%–15% der Nennleistung der Brennstoffzelle
betragen kann. Dies bedeutet, dass die Nutzung des Kompressors als
elektrische Lastsenke sehr effizient ist, da hier ein relativ großes
Leistungspotential vorhanden ist.
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Wird
bei maximalem Druckverhältnis und maximalem Volumen- bzw.
Massenstrom Oxidationsmittel in die Brennstoffzelle gefördert,
sind die luftseitigen Parameter (Massenstrom der Kathode, Druck an
der Kathode, Lambda an der Kathode) bei nicht vorhandenen Strömungswiderstandselementen
nicht mehr frei wählbar. Dadurch kann es vorkommen, dass
während der Startphase zu spezifischen Zeiten nicht mehr
die optimale Aufwärmung der Brennstoffzelle gegeben ist.
Besonders bevorzugt ist es daher, dass zu Beginn der Kaltstartphase
möglichst viel Oxidationsmittel auf die Kathodenseite zugeführt
wird, was sich auch mit zunehmender Temperatur der Brennstoffzelle
und mit zunehmender Zeitdauer der Kaltstartphase ändern
kann und dann die maximale Zuführung des Massenstroms und
des Drucks des Oxidationsmittelstroms nicht mehr gewünscht
ist. Durch die Strömungswiderstandselemente wird dadurch
die Möglichkeit geschaffen, den Kompressor während
der gesamten Kaltstartphase als elektrische Lastsenke voll auszunutzen
und zum anderen aber die luftseitigen Parameter der Brennstoffzelle
optimal an die Bedürfnisse der Brennstoffzelle während
der Kaltstartphase anzupassen.
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Dies
wird auch dadurch ermöglicht, dass luftseitig die Bypassleitung
mit dem darin angeordneten zweiten Strömungswiderstandselement
vorgesehen ist. Dadurch wird Luft vor dem Eintritt in den Kathodenraum
der Brennstoffzelle situations- und bedarfsabhängig abgeführt
und der Abführleitung nach der Brennstoffzelle zugeführt.
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Die
Bypassleitung ist somit bevorzugterweise zwischen dem ersten Strömungswiderstandselement
und dem Kathodenraum der Brennstoffzelle von der Zuführleitung
abzweigend angeordnet. Insbesondere ist die Strömungsrichtung
des in der Bypassleitung strömenden Gases von der Zuführleitung in
Richtung der Abführleitung gerichtet. Die Bypassleitung
dient somit nicht zur Rückführung des von der Brennstoffzelle
abgegebenen Gases in die Zuführleitung. Die Ausgestaltung
und Funktionalität der Bypassleitung mit dem darin angeordneten
zweiten Strömungswiderstandselement ist daher grundlegend
unterschiedlich zur Ausgestaltung einer Leitung, welche zur Rückführung
eines Abgases in die Zuführleitung dienen soll.
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Insbesondere
ist es besonders bevorzugt, dass die Bypassleitung zwischen dem
Strömungswiderstandelement und dem Kathodenraum der Brennstoffzelle
von der Zuführleitung abzweigt.
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Der
Betriebszustand des Kompressors ist insbesondere abhängig
von dem durch zumindest ein Strömungswiderstandselement eingestellten Strömungsquerschnitt,
der diesem Strömungswiderstandselement zugeordneten Leitung.
Denn abhängig von der Stellung der Strömungswiderstandselements
ist ein entsprechendes Druckverhältnis und ein entsprechender
Massenstrom von einem Kompressor zu generieren. Wird beispielsweise
das erste Strömungswiderstandselement, welches in der Zuführleitung
angeordnet ist, so eingestellt, dass der Strömungsquerschnitt
der Zuführleitung verkleinert wird, so muss der Kompressor
ein höheres Druckverhältnis umsetzen. Mit dem
in der Bypassleitung angeordneten zweiten Strömungswiderstandselement
ist der Massenstrom der Brennstoffzelle regelbar, wobei durch eine
Vergrößerung des Strömungsquerschnitts der
Bypassleitung durch eine entsprechende Einstellung des zweiten Strömungswiderstandselements ein
größerer Massenstrom von dem Kompressor zu fördern
ist.
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Dadurch
kann auch quasi unabhängig vom Betriebszustand des Kompressors
in dessen aktivem Betrieb die Brennstoffzelle mit den in der Kaltstartphase
momentan optimalen luftseitigen Betriebsparametern versorgt werden.
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Die
Stellung eines Strömungswiderstandselements ist somit vorzugsweise
abhängig von Zustandsparametern der Brennstoffzelle und/oder
vom zeitlichen Fortgang der Startphase nach dem Starten der Brennstoffzelle
einstellbar.
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Es
kann vorgesehen sein, dass die bei dem den Kompressor als elektrische
Lastsenke definierenden spezifischen Betriebszustand des Kompressors
erzeugte Verdichtungswärme der Brennstoffzelle über
die Zuführleitung zuführbar ist.
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Besonders
bevorzugt erweist es sich, wenn ein Ladeluftkühler mit
der Zuführleitung und mit einem Kühlkreislauf
gekoppelt ist, wobei der Kühlkreislauf mit der Brennstoffzelle
gekoppelt ist, und die bei dem den Kompressor als elektrische Lastsenke
definierenden Betriebszustand des Kompressors erzeugte Verdichtungswärme
der Brennstoffzelle über den Ladeluftkühler dem
Kühlkreislauf zuführbar ist und über
den Kühlkreislauf der Brennstoffzelle zuführbar
ist. Dadurch kann ein besonders effektives Aufwärmen der
Brennstoffzelle in der Kaltstartphase erreicht werden.
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Bevorzugt
ist vorgesehen, dass der Ladeluftkühler zwischen dem Kompressor
und dem ersten Strömungswiderstandselement in der Zuführleitung angeordnet
ist. Vorzugsweise zweigt somit die Bypassleitung in Strömungsrichtung
des in der Zuführleitung strömenden Gases nach
dem Ladeluftkühler von der Zuführleitung ab. Durch
diese Anordnung des Ladeluftkühlers wird stets die abhängig
vom Betriebszustand des Kompressors erzeugte Verdichtungswärme
an den Ladeluftkühler abgegeben, wodurch auch stets diese
am Ladeluftkühler zur Verfügung steht und an den
Kühlkreislauf abgegeben werden kann. Indem die Strömungswiderstandselemente
dem Ladeluftkühler vorzugsweise nachgeschaltet angeordnet
sind, wird auch stets der vom Kompressor tatsächlich erzeugte
Druck des Oxidationsmittelstroms und der tatsächlich erzeugte
Massenstrom abgegeben, wodurch auch eine entsprechend große Verdichtungswärme
vorliegt.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Aufwärmen
einer Brennstoffzelle in einer Startphase, mit einer zum Kathodenraum
der Brennstoffzelle führenden Zuführleitung, über
welche ein Oxidationsmittel dem Kathodenraum zugeführt
wird, und welche mit einem Kompressor verbunden ist, welcher mittels
der Brennstoffzelle mit Energie versorgbar ist, wird der Kompressor
in der Startphase der Brennstoffzelle abhängig von einem
einstellbaren spezifischen Betriebszustand des aktivierten Kompressors
als elektrische Lastsenke der Brennstoffzelle betrieben. Dadurch
kann das Aufwärmen der Brennstoffzelle in der Kaltstartphase
wesentlich verbessert und durch ein multifunktional und ohnehin vorhandenes
Element, dem Kompressor, in besonders effektiverweise ermöglicht
werden. Durch die multifunktionale Verwendung einer ohnehin vorhandenen
Komponente, welche insbesondere in spezifischen Betriebszuständen
dann als elektrische Lastsenke der Brennstoffzelle dient, kann eine
schnellere Verfügbarkeit der maximalen Leistung der Brennstoffzelle
erreicht werden. Durch diese multifunktionale Verwendung des Kompressors
kann dies auch bauteilminimiert, gewichtsreduziert und kostenminimiert
erfolgen. Zusatzkomponenten, um generell eine elektrische Lastsenke
für die Brennstoffzelle generieren zu können,
sind daher auch prinzipiell nicht erforderlich.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens anzusehen. Insbesondere sind vorteilhafte Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens oben bei der Erläuterung
von vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bereits ausgeführt und erläutert.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
einer schematischen Zeichnung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine erfindungsgemäße
Vorrichtung 1 zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle 2.
Die Vorrichtung 1 ist in einem Fahrzeug angeordnet und
als mobile Vorrichtung 1 ausgebildet. Es kann jedoch auch
vorgesehen sein, dass die Erfindung und insbesondere das in der
Figur dargestellte Ausführungsbeispiel auch auf andere
Systeme an- und verwendbar ist. Beispielsweise kann auch eine stationäre
Verwendung der Vorrichtung vorgesehen sein. Insbesondere sei hier
beispielsweise die Verwendung bei einem Spitzenlastkraftwerk zu
erwähnen, um auch dort möglichst schnell die volle
Leistung zur Verfügung stellen zu können.
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Die
beispielhaft dargestellte Brennstoffzelle 2 kann auch ein
Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen sein.
Die Brennstoffzelle 2 ist im Ausführungsbeispiel
eine mit Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel und mit Wasserstoff oder
einem wasserstoffhaltigen Gas als Brennstoff betriebene Brennstoffzelle 2.
Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine PEM- Brennstoffzelle 2,
die einen Kathodenraum 21 und einen Anodenraum 22 aufweist.
Der Kathodenraum 21 und der Anodenraum 22 sind
durch eine Membran 23 getrennt. Neben der oben genannten
Ausführung der Brennstoffzelle 2 als PEM-Brennstoffzelle
kann auch eine andere Art einer Brennstoffzelle vorgesehen sein.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst eine Zuführleitung 3, über
welche Sauerstoff bzw. Luft zum Kathodenraum 21 geleitet
wird. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 1 eine
von dem Kathodenraum 21 wegführende Abführleitung 4, über
welche von der Brennstoffzelle 2 erzeugtes Abgas abgeleitet
wird. Die Strömungsrichtungen der in den Leitungen 3 und 4 strömenden
Gase ist durch die Pfeilrichtungen gekennzeichnet.
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In
der Zuführleitung 3 ist ein Kompressor 5 angeordnet,
welcher einen zugeordneten Motor 6, insbesondere einen
Elektromotor, zum Antrieb aufweist. Der Motor 6 ist mit
einer im Ausführungsbeispiel als Batterie 7 ausgebildeten,
separat zur Brennstoffzelle 2 vorgesehenen Energiequelle
elektrisch verbunden. Darüber hinaus weist der Motor 6 eine elektrische
Verbindung zur Brennstoffzelle 2 auf. Diese ist in der schematischen
Figur lediglich der Einfachheit halber an einen Kühlbereich 24 der
Brennstoffzelle 2 heranführend gezeichnet.
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Darüber
hinaus ist in der Zuführleitung 3 ein Wärmetauscher
in Form eines Ladeluftkühlers 8 angeordnet. Dieser
ist in Strömungsrichtung betrachtet nach dem Kompressor 5 angeordnet.
Der Ladeluftkühler 8 ist mit einem Kühlkreislauf 9 gekoppelt.
Dieser Kühlkreislauf 9 dient zum Kühlen
der Brennstoffzelle 2. In dem Kühlkreislauf 9 ist
eine Pumpe 10 und ein Kühler 11 angeordnet.
Darüber hinaus ist auch ein Thermostat 12 von
dem Kühlkreislauf 9 umfasst.
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In
der Zuführleitung 3 ist des Weiteren ein erstes
Strömungswiderstandselement 13, welches ein Ventil
oder eine Drosselklappe oder dergleichen sein kann, angeordnet.
Das erste Strömungswiderstandselement 13 dient
abhängig von seiner Stellung zur Veränderung des
Strömungsquerschnitts der Zuführleitung 3.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das erste Strömungswiderstandselement 13 mit
einer Steuereinheit (nicht dargestellt) elektrisch verbunden ist,
durch welche das Strömungswiderstandselement 13 steuerbar
ist.
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Das
erste Strömungswiderstandselement 13 ist in Strömungsrichtung
betrachtet nach dem Ladeluftkühler 8 in der Zuführleitung 3 angeordnet.
Von der Kathoden-Zuführleitung 3 zweigt an der
Abzweigung 14 eine Bypassleitung 15 ab, welche
in der Einmündung 18 in die Abführleitung 4 einmündet.
Die Abzweigung 14 ist zwischen dem ersten Strömungswiderstandselement 13 und
dem Kathodenraum 21 ausgebildet. In der Bypassleitung 15 ist
ein zweites Strömungswiderstandselement 16 angeordnet,
welches ebenfalls ein Ventil oder eine Drosselklappe oder dergleichen
sein kann. Abhängig von der Stellung des zweiten Strömungswiderstandselements 16 kann
der Strömungsquerschnitt der Bypassleitung 15 verändert
werden. Auch hier ist insbesondere vorgesehen, dass das zweite Strömungswiderstandselement 16 mit
der Steuereinheit elektrisch verbunden ist.
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Wesentlich
ist, dass die Bypassleitung 15 dazu vorgesehen ist, strömendes
Gas von der Zuführleitung 3 zur Abführleitung 4 zu
leiten. Die in der Bypassleitung 15 ausschließlich
vorgesehene Strömungsrichtung des Gases ist durch die Pfeile
symbolisiert. Über die Bypassleitung 15 soll somit
insbesondere keine Rückführung von in der Abführleitung 4 strömenden
Gases hin zur Zuführleitung 3 durchgeführt
werden.
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Darüber
hinaus ist in der Abführleitung 4 ein drittes
Strömungswiderstandselement 17 angeordnet. Auch
dieses kann beispielsweise ein Ventil oder eine Drosselklappe oder
dergleichen sein, welches über die Steuereinheit steuerbar
ist. Das dritte Strömungswiderstandselement 17 ist
in Strömungsrichtung betrachtet vor der Einmündung 18 in
der Abführleitung 4 angeordnet.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise der Vorrichtung 1 im Hinblick auf
das Aufwärmen der Brennstoffzelle 2 in einer Kaltstartphase
näher erläutert. Nach einem Startvorgang bzw.
während der Aufheizphase der Brennstoffzelle 2 wird
eine elektrische Lastsenke mit möglichst großer
Leistung benötigt. Gemäß der Erfindung
ist der Kompressor 8 in der Startphase der Brennstoffzelle 2 abhängig
von einem einstellbaren Betriebszustand des Kompressors 5 als elektrische
Lastsenke der Brennstoffzelle 2 ausgebildet. Neben seiner
eigentlichen grundsätzlichen Funktionalität, dem
Fördern des Luftstroms im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 2 zu
dieser hin, wird der Kompressor 5 somit in der Kaltstartphase
darüber hinaus auch als elektrische Lastsenke der Brennstoffzelle 2 vorgesehen, indem
dazu ein spezifischer Betriebszustand des Kompressors 5 eingestellt
wird. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Kompressor 5 in
der Kaltstartphase im Volllastbetrieb betrieben wird. Dazu wird
unmittelbar mit Beginn des Startens der Kompressor 5 über
den Motor 6 angetrieben, welcher zu Beginn dieser Kaltstartphase über
die Batterie 7 mit Energie versorgt wird. Da zu diesem
frühen Zeitpunkt die Brennstoffzelle 2 noch nicht
ausreichend Energie für den Motor 6 bereitstellen
kann, und somit auch das schnelle Einstellen des Volllastbetriebes
nicht ermöglicht werden kann, ist es vorteilhaft, die Energieversorgung über
die Batterie 7 vorzunehmen.
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Der
Kompressor 5 wird hochgefahren und versorgt dann die Brennstoffzelle 2 mit
der notwendigen Luftmenge.
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Da
der Antrieb des Kompressors 5 als elektrische Lastsenke
mit möglichst großer Leistung herangezogen wird,
wird dann das erste Strömungswiderstandselement 13 so
gestellt, dass der Kompressor 5 gegen einen möglichst
großen Druck arbeiten muss. Dies führt zu einer
höheren Belastung als bei einem niedrigen Gegendruck. Über
dieses erste Strömungswiderstandselement 13 fällt
der Druck des Luftstroms ab, so dass am Eintritt des Kathodenraums 21 der
Brennstoffzelle 2 ein niederer Druck ansteht. Wie hoch
dieser Druck sein soll, kann über das dritte Strömungswiderstandselement 17,
vorzugsweise in Verbindung mit dem zweiten Strömungswiderstandselement 16 eingestellt
werden.
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Neben
einer Erhöhung des Gegendrucks, gegen welchen der Kompressor 5 arbeiten
muss, führt eine Erhöhung des durch den Kompressor 5 zu fördernden
Massenstroms zu einer weiteren Erhöhung der notwendigen
Antriebsleistung. Der maximale Leistungsbedarf des Kompressorantriebs
wird also dann notwendig, wenn der Kompressor 5 gegen den höchsten
Gegendruck beim größten Massenstrom betrieben
wird. Dies ist im Volllastbetrieb der Fall. Dies bedeutet dann auch,
dass die Brennstoffzelle 2 mit dem maximalen Luftstrom
und dem sich einstellenden Druck durchströmt werden kann.
Im Fortgang des Aufwärmens der Brennstoffzelle 2 in
der Kaltstartphase ist dieser maximale Luftstrom und maximale Massenstrom,
welcher an den Kathodenraum 21 gelangt, nicht mehr optimal
für die weitere Aufwärmung bzw. den Betrieb der
Brennstoffzelle 2. Da sich die Betriebsweise des Kompressors 5 direkt
auf die Brennstoffzelle 2 auswirkt, würde dann
im weiteren Fortgang des Aufwärmens in der Kaltstartphase
eine Situation auftreten, bei der im Hinblick auf das weitere schnellstmögliche
Aufwärmen der Brennstoffzelle 2 nicht mehr optimale
Luftparameter an dem Kathodenraum 21 gegeben sind.
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Damit
nun die Brennstoffzelle 2 im weiteren Verlauf des Aufwärmens
in der Kaltstartphase quasi unabhängig von dem Volllastbetrieb
des Kompressors 5 mit den dann für die Brennstoffzelle 2 zu
den jeweiligen Zeitpunkten optimalen luftseitigen Betriebsparmetern
versorgt werden kann, wird über das zweite Strömungswiderstandselement 16 die
in die Brennstoffzelle 2 einströmende Luftmenge
geregelt. Dazu wird das Strömungswiderstandselement 16 durch
die Steuereinheit so angesteuert, dass der Strömungsquerschnitt
der Bypassleitung 15 weiter geöffnet oder geschlossen
wird. Nach dem Zeitpunkt in dem Aufwärmprozess in der Kaltstartphase
der Brennstoffzelle 2, bei dem der größtmögliche
Massenstrom und der größtmögliche Luftdruck
im Volllastbetrieb des Kompressors 5 an dem Kathodenraum 21 nicht
mehr erwünscht ist, wird im weiteren Zeitvorgang der Kaltstartphase
dann eine entsprechende Einstellung eines oder mehrerer Strömungswiderstandselement 13, 16 und 17 durchgeführt.
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Der
Kompressor 5 wird jedoch weiterhin unter Volllast betrieben.
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Soll
also ein im Vergleich zum maximalen Luftmassenstrom verringerter
Luftmassenstrom im weiteren Fortgang des Aufwärmens in
der Kaltstartphase an den Kathodenraum 21 gelangen, so
wird die Stellung des zweiten Strömungswiderstandselements 16 soweit
geöffnet, damit nur noch der gewünschte Luftmassenstrom
an den Kathodenraum 21 gelangt. Der restliche Massenstrom
wird dann über die Bypassleitung 15 in die Abführleitung 4 geführt.
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Hat
die Brennstoffzelle 2 somit während der Kaltstartphase
bereits einen gewissen Aufwärmprozess erfahren, so kann
gerade deswegen erwünscht sein, dass nicht mehr der volle
Massenstrom und der volle Luftdruck beim Volllastbetrieb des Kompressors 5 an
den Kathodenraum 21 gelangt. Durch die Drosselung des Massenstroms
und/oder des Luftdrucks kann dann insbesondere verhindert werden,
dass im weiteren Fortgang des Aufwärmens in der Kaltstartphase
ein zu starker Wasseraustrag aus der Brennstoffzelle 2 auftritt
und es kann somit deren Austrocknung verhindert werden.
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Um
den Druck des Luftstroms an der Brennstoffzelle 2 unabhängig
von dem eintretenden bzw. durch die Bypassleitung 15 geführten
Luftmassenstroms zu machen, dient das dritte Strömungswiderstandselement 17.
Somit kann der Kompressor 5 im Wesentlichen in der gesamten
Kaltstartphase im Volllastbetrieb betrieben werden und dennoch lassen sich
im Fortgang der gesamten Zeitdauer der Kaltstartphase davon unabhängig
die für die Brennstoffzelle 2 optimalen luftseitigen
Betriebsparameter einstellen. Dadurch kann der Aufwärmprozess
optimiert werden.
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Von
Vorteil ist hierbei auch, dass dadurch, dass der Kompressor 5 im
Volllastbetrieb betrieben wird (maximaler Massenstrom bei maximalem
Druckverhältnis), durch die Verdichtung der Luft eine maximale
Wärmemenge entsteht, die im Ladeluftkühler 8 an
den Kühlkreislauf 9 der Brennstoffzelle 2 abgegeben
werden kann und somit ebenfalls zu einer schnelleren Erwärmung
der Brennstoffzelle 2 beigetragen wird.
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Besonders
bevorzugt erweist es sich somit durch die Komponenten der drei Strömungswiderstandselemente 13, 16 und 17,
sowie die Bypassleitung 15, dass zu bestimmten Zeitphasen
während der Kaltstartphase eine im Hinblick auf die optimale Aufwärmung
der Brennstoffzelle 2 gestaltete Dosierung des an dem Kathodenraum 21 eintreffenden Luftmassenstroms
und des Drucks des Luftstroms durchgeführt wird.
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In
besonders effektiver Weise können die Strömungswiderstandselemente 13 und 16 als
einfache Drosselelemente aufgebaut werden. Hier ist insbesondere
im Hinblick auf Bauraum, Funktionalität, Zuverlässigkeit
und Verschleißarmut eine Vorteilhaftigkeit gegeben. Darüber
hinaus kann die ganze Ausgestaltung bauraumminimiert und gewichtsminimiert bereitgestellt
werden.
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Zumindest
eines der Strömungswiderstandselemente 13, 16 und 17 kann
auch zur sonstigen Regelung des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden.
Es kann eine maximale Leistungsausnutzung des Kompressorantriebs
als elektrische Lastsenke und eine davon unabhängige Einstellung
der Luftparameter der Brennstoffzelle 2 gewährleistet werden.
Dadurch lassen sich schnellere Aufwärmzeiten des Brennstoffzellensystems
erreichen, wodurch wiederum die Zeit bis zum Erreichen der maximalen Antriebsleistung
verkürzt werden kann.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelle 2 beispielsweise
eine maximale Nennleistung von etwa 80 kW aufweist. Die Kaltstartphase,
welche die Zeitdauer darstellt, bis im Wesentlichen diese maximale
Nennleistung der Brennstoffzelle 2 erreicht ist, kann durch
die Erfindung deutlich reduziert werden. Bevorzugt ist vorgesehen,
dass die Energieversorgung des Motors 6 über die
Batterie 7 mit fortschreitender Dauer des Aufwärmens
in der Kaltstartphase anteilig immer mehr von der Brennstoffzelle 2 übernommen
wird. Insbesondere dann, wenn die Brennstoffzelle in der Kaltstartphase
eine Leistung von mindestens 10 kW, insbesondere zwischen 10 kW
und 20 kW bereitstellen kann, wird die Energieversorgung des Motors 6 vollständig
von der Brennstoffzelle 2 übernommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10203311
A1 [0002]
- - DE 10126090 A1 [0003]