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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung
in einem Sonderbetriebszustand, vorzugsweise bei einem Start, insbesondere
bei einem Gefrierstart, und/oder bei einem Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung,
wobei die Brennstoffzellenvorrichtung eine Brennstoffzellenanordnung
mit mindestens einer Brennstoffzelle und eine Brennstoffzellenversorgung
mit mindestens einer Strömungsmaschine und einer Befeuchtungseinrichtung
zur Zuführung eines Oxidationsmittels zu der Brennstoffzellenanordnung
aufweist. Die Erfindung betrifft im Weiteren eine dazu angepasste Brennstoffzellenversorgung
und eine Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellensysteme
können als Energiegeneratoren zur Erzeugung der Antriebsenergie von
Fahrzeugen eingesetzt werden. In den Brennstoffzellensystemen wird
ein elektrochemischer Vorgang umgesetzt, wobei ein Brennstoff, meist
Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, meist Umgebungsluft oder
Sauerstoff, umgesetzt wird, wobei aus chemischer Energie elektrische
Energie gewandelt wird.
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Eine
maßgebliche Rolle bei der Energieumwandlung spielt dabei
eine protonenleitende Membran, welche in den Brennstoffzellensystemen
zwischen Anoden- und Kathodenbereichen angeordnet ist. Diese Membran
stellt einen verschleißanfälligen Bestandteil
der Brennstoffzellensysteme dar. Im Betrieb der Brennstoffzellensysteme
muss darauf geachtet werden, dass diese Membran nicht austrocknet,
da der vorzeitige Verschleiß dadurch beschleunigt wird.
Aus diesem Grund ist es üblich, dass die Oxidationsmittelversorgungen
der Brennstoffzellensysteme eine Vorrichtung zur Befeuchtung des
zugeführten Oxidationsmittels aufweisen.
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Während
im stationären Betrieb die Befeuchtung des Oxidationsmittels
ausreichend genau gesteuert werden kann, stellen der Start beziehungsweise
das Herunterfahren des Brennstoffzellensystems eine besondere Herausforderung
dar.
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Die
Druckschrift
US 7,141,326
B2 betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Aufwärmvorrichtung
für eine Brennstoffzelle, wobei im Speziellen auf das Problem
des Starts des Brennstoffzellensystems eingegangen wird. Die Druckschrift
schlägt vor, Umgebungsluft zunächst über
einen Kompressor zu verdichten, danach über einen Intercooler
abzukühlen, zu befeuchten und schließlich der
Brennstoffzelle zu zuführen. Um ein rasches Aufwärmen
des Brennstoffzellensystems zu erreichen, wird zum einen offenbart,
einen Bypass zu dem Intercooler vorzusehen, welcher beim Betriebsstart
aktiviert wird, um das Oxidationsmittel mit hoher Temperatur in
die Brennstoffzelle einzubringen. Des Weiteren wird vorgeschlagen,
stromabwärts zu einer Befeuchtungseinrichtung einen Wärmetauscher
zwischen der Oxidationsmittelzuführung und der Brennstoffzuführung
zu integrieren, so dass Wärmeenergie von dem Oxidationsmittel
an den Brennstoff abgegeben wird, um eine zu hohe Temperaturdifferenz
zwischen Kathodenbereich und Anodenbereich zu vermeiden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betrieb
einer Brennstoffzellenvorrichtung, eine Brennstoffzellenversorgung
bzw. eine Brennstoffzellenvorrichtung vorzuschlagen, welche einen
verschleißarmen Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung
ermöglichen.
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Zur
Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1, eine Brennstoffzellenversorgung mit den Merkmalen
des Anspruchs 6 sowie eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 13 vorgeschlagen. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der
nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Im
Rahmen der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung
in einem Sonderbetriebszustand vorgeschlagen. Ein Sonderbetriebszustand
unterscheidet sich von einem Normalbetriebszustand der Brennstoffzellenvorrichtung
vorzugsweise dadurch, dass es sich um einen transienten Betriebszustand
in Abgrenzung zu einem stationären, quasi-stationären
oder persistenten Betriebszustand handelt. Bevorzugte Beispiele
für einen Sonderbetriebszustand sind der Start, insbesondere
ein Gefrierstart, das heißt, ein Start bei Temperaturen
der Brennstoffzellenvorrichtung bzw. der Brennstoffzellen unter
0°C, und/oder ein Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die
Brennstoffzellenvorrichtung umfasst eine Brennstoffzellenanordnung
mit mindestens einer Brennstoffzelle, bevorzugt mindestens 100,
insbesondere mindestens 150 Brennstoffzellen. Die Brennstoffzellenvorrichtung
ist bevorzugt als eine mobile Einheit zur Energieversorgung eines
Fahrzeugs ausgebildet.
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Die
mindestens eine Brennstoffzelle bzw. die Brennstoffzellenanordnung
muss für den elektrochemischen Umsetzungsvorgang der chemischen
Energie in die elektrische Energie mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise
Umgebungsluft oder Sauerstoff, versorgt werden. Hierzu weist die
Brennstoffzellenvorrichtung eine Brennstoffzellenversorgung auf, welche
zur Aufbereitung des Oxidationsmittels zumindest eine Strömungsmaschine,
insbesondere einen Kompressor oder einen Radialverdichter, und eine
Befeuchtungseinrichtung zur Befeuchtung des Oxidationsmittels mit
Wasser, aufweist. Die Strömungsmaschine ist geeignet und/oder
ausgebildet, um dem Oxidationsmittel Energie zuzuführen,
also insbesondere eine Druckerhöhung oder Geschwindigkeitserhöhung
des Oxidationsmittels zu erreichen.
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Im
Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in dem Sonderbetriebszustand
der Feuchtegehalt in dem Oxidationsmittel gegenüber einem Normalbetriebszustand
reduziert wird bzw. ist. Unter Feuchtegehalt wird vorzugsweise eine
Kenngröße des Quotienten zwischen Flüssigkeits-
bzw. Wassermenge in einer bestimmten Oxidationsmittelmenge bzw.
-masse geteilt durch diese Oxidationsmittelmenge bzw. -masse verstanden.
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Die
Reduzierung des Feuchtegehalts in dem Oxidationsmittel erscheint
beispielsweise bei einer Abschaltung der Brennstoffzellenvorrichtung
vorteilhaft, da dadurch die Menge der in der Brennstoffzellenanordnung
verbleibenden Feuchtigkeit reduziert wird. Bei einem Start, insbesondere
bei einem Gefrierstart, verringert die Reduzierung des Feuchtegehalts
die Gefahr eines Kondensierens von Feuchtigkeit in der Brennstoffzellenanordnung.
Insbesondere bei dem Gefrierstart kann eine derartige Kondensierung
von Feuchtigkeit zu einer Eisbildung und somit zu einem teilweise
oder vollständigen Zufrieren der Gasversorgungskanäle
in der Brennstoffzellenanordnung führen. Vorzugsweise wird
der Feuchtegehalt so reduziert, dass der Taupunkt des Oxidationsmittels
unterhalb der aktuellen Temperatur der Brennstoffzellenanordnung,
insbesondere einer, mehrerer oder aller einzelnen Brennstoffzellen
der Brennstoffzellenanordnung liegt.
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Zur
Reduzierung des Feuchtegehalts wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
zusätzliche Kühlleistung in der Brennstoffzellenversorgung,
insbesondere in der Oxidationsmittelzuführung, zuzuschalten,
um die Reduzierung zu erreichen und/oder zumindest zu unterstützen.
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Eine
der Ideen der Erfindung ist es, dass das zusätzlich gekühlte
Oxidationsmittel in der Befeuchtungsvorrichtung weniger Feuchtigkeit
aufnehmen kann, so dass sein Feuchtegehalt gegenüber dem Normalbetriebszustand
verringert ist. Eine andere Idee der Erfindung besteht darin, das
Oxidationsmittel vor einer Entfeuchtungseinrichtung zu kühlen,
um den Wirkungsgrad und die Effektivität der Entfeuchtungseinrichtung
zu verbessern.
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Beispielsweise
bei einer Abschaltung der Brennstoffzellenvorrichtung ist es bevorzugt,
wenn das gekühlte Oxidationsmittel in der Brennstoffzellenanordnung
wieder erwärmt wird, so dass sein Vermögen, Feuchtigkeit aufzunehmen,
wieder erhöht wird und die Brennstoffzellenanordnung auf
diese Weise entfeuchtet wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
zusätzliche Kühlleistung strömungstechnisch
nach der Strömungsmaschine und vor oder in der Befeuchtungsvorrichtung
zugeschaltet. Durch die Kompression der Strömungsmaschine wird
das Oxidationsmittel zunächst in der Temperatur erhöht.
In diesem Zustand ist das Oxidationsmittel besonders gut in der
Lage, Feuchtigkeit in der Befeuchtungseinrichtung aufzunehmen. Um
nun einer Reduzierung der Feuchtigkeitsaufnahme und somit eine Reduzierung
des Feuchtegehalts in dem Oxidationsmittel zu erreichen, wird das
Oxidationsmittel aktiv durch die zuschaltbare Kühlleistung
gekühlt, wobei vor oder in der Befeuchtungseinrichtung
die absolute oder relative Luftfeuchtigkeit des Oxidationsmittels
erhöht wird. Die Luftfeuchtigkeit entspricht bevorzugt
einer Kennzahl für den Quotienten zwischen Flüssigkeits-
bzw. Wassermenge in einem bestimmten Oxidationsmittelvolumen geteilt
durch das Oxidationsmittelvolumen.
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Bei
einer möglichen Weiterbildung der Erfindung weist die Brennstoffzellenversorgung
eine Entfeuchtungseinrichtung auf, welche bevorzugt zuschaltbar
ausgebildet ist, so dass die Reduzierung des Feuchtegehalts durch
ein Zusammenwirken der zusätzlichen Kühlleistung
und der Entfeuchtungseinrichtung erreicht bzw. verbessert wird.
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Bei
einer anderen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird die zusätzliche Kühlleistung nach
der Befeuchtungsvorrichtung und vor oder in der Entfeuchtungseinrichtung
zugeschaltet. Diese Ausführungsform setzt auf die Strategie, dass
durch die zusätzliche Kühlleistung das Oxidationsmittel
gekühlt wird und dadurch die relative oder absolute Luftfeuchtigkeit
erhöht wird. Dadurch, dass das Oxidationsmittel mit einer
sehr hohen relativen bzw. absoluten Luftfeuchtigkeit durch die Entfeuchtungseinrichtung
strömt, wird der Wirkungsgrad der Entfeuchtungseinrichtung
verbessert, so dass eine größere Entfeuchtungswirkung
bei dem gekühlten Oxidationsmittel als bei einem ungekühlten
Oxidationsmittel eintritt.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
ist die zusätzliche Kühlleistung so bemessen,
dass das Oxidationsmittel unter eine aktuelle Temperatur in der
Brennstoffzellenanordnung gekühlt wird. Bevorzugt wird
das Oxidationsmittel auf einen Temperaturunterschied von mindestens
10°C, vorzugsweise von mindestens 20°C und insbesondere
von mindestens 30°C gekühlt. Die dieser Strategie
zu Grunde liegende Idee ist es, dass das gekühlte Oxidationsmittel
in die Brennstoffzellenanordnung eintritt, dort erwärmt
wird und aufgrund der Erwärmung eine Verringerung der absoluten
oder relativen Luftfeuchtigkeit erfährt. Im Zustand einer verminderten
relativen oder absoluten Luftfeuchtigkeit kann das Oxidationsmittel
jedoch besonders gut Luftfeuchtigkeit aus der Brennstoffzellenanordnung aufnehmen,
so dass diese entfeuchtet wird. Diese Verfahrensalternative ist
besonders bevorzugt, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung von einer
normalen Betriebstemperatur von circa 70°C bis 120°C
abgeschaltet werden soll.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenversorgung,
welche bevorzugt zur Durchführung des soeben beschriebenen Verfahrens
bzw. des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche
ausgebildet ist. Die Brennstoffzellenversorgung dient zur Versorgung
einer Brennstoffzellenanordnung mit mindestens einer Brennstoffzelle
mit einem Oxidationsmittel, wie zum Beispiel Umgebungsluft oder
Sauerstoff. Die Brennstoffzellenversorgung und die Brennstoffzellenanordnung
bilden zusammen eine Brennstoffzellenvorrichtung bzw. einen Teil
davon.
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Die
Brennstoffzellenversorgung weist eine Strömungsmaschine
zur Komprimierung und/oder Beschleunigung des Oxidationsmittels
auf, welche bevorzugt als ein Kompressor, insbesondere als ein Radialverdichter
ausgebildet ist und ein-, zwei- oder mehrstufig ausgebildet sein.
Der Strömungsmaschine ist eine Befeuchtungsvorrichtung
strömungstechnisch nachgeschaltet, welche das beschleunigte bzw.
komprimierte Oxidationsmittel befeuchtet. Die Befeuchtungseinrichtung
kann optional steuerbar sein, so dass der Grad der Befeuchtung einstellbar ist.
Alternativ oder ergänzend kann um die Befeuchtungsvorrichtung
ein zuschaltbarer Bypass vorgesehen sein, so dass die Befeuchtungseinrichtung
vollständig oder teilweise aus der Brennstoffzellenversorgung
isolierbar ist.
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Zudem
umfasst die Brennstoffzellenversorgung eine Kühleinrichtung,
welche beispielsweise als ein Kryostat, ein Wärmetauscher
oder ein Intercooler bzw. Ladeluftkühler ausgebildet sein
kann. Zur Kontrolle, insbesondere Steuerung oder Regelung der Brennstoffzellenversorgung,
ist eine Kontrolleinrichtung vorgesehen, welche als separate Recheneinheit oder
als ein integrales Modul einer übergeordneten Steuerung
ausgebildet sein kann.
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Im
Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Kontrollvorrichtung
programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, bei
einem Sonderbetriebszustand, vorzugsweise bei einem Start, insbesondere
bei einem Gefrierstart, und/oder bei einem Abschalten der Brennstoffzellenanordnung
die Kühlleistung der Kühleinrichtung zuzuschalten
und/oder zu erhöhen, so dass der Feuchtegehalt in dem Oxidationsmittel
gegenüber einem Normalbetriebszustand reduziert wird.
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Bei
einer sehr kostengünstig umsetzbaren Alternative ist die
Kühleinrichtung als ein oder der Intercooler bzw. Ladeluftkühler
ausgebildet, welcher strömungstechnisch nach der Strömungsmaschine angeordnet
ist, wobei im Sonderbetriebszustand die Kühlleistung des
Intercoolers erhöht wird. Ein derartiger Intercooler wird
oftmals in Brennstoffzellenversorgungen eingesetzt, um die Temperatur
des Oxidationsmittels nach der Strömungsmaschine auf die normale
Betriebstemperatur der Brennstoffzellenanordnung zu kühlen.
Bei dieser Ausgestaltung wird der Intercooler durch die Kontrollvorrichtung
so angesteuert, dass in dem Sonderbetriebszustand die zusätzliche
Kühlleistung erbracht wird
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Bei
einer weiteren Alternative der Erfindung weist die Brennstoffzellenversorgung
zwar ebenfalls einen Intercooler auf, die Kühleinrichtung
zur Erzeugung der zusätzlichen Kühlleistung ist
jedoch als ein separates Bauteil bzw. eine separate Baugruppe in der
Brennstoffzellenversorgung realisiert. Diese Alternative berücksichtigt,
dass der Intercooler oftmals als ein Wasserkühler ausgebildet
ist, welcher den Oxidationsmittelstrom gegen das Kühlwasser
eines Kühlkreislaufes kühlt, wobei der Intercooler
nur schwierig in der Kühlleistung zu kontrollieren bzw.
zu steuern ist.
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Bei
einer ersten möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist
die Kühleinrichtung als ein integraler Bestandteil der
Befeuchtungsvorrichtung ausgebildet, so dass – bei Bedarf – das
Oxidationsmittel in der Befeuchtungsvorrichtung gekühlt werden
kann und auf diese Weise die Befeuchtungswirkung der Befeuchtungsvorrichtung
verringert wird.
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Wie
bereits zuvor erwähnt, ist es optional möglich,
dass die Brennstoffzellenversorgung eine Entfeuchtungseinrichtung
aufweist, welcher stromabwärts zu der Befeuchtungseinrichtung
angeordnet ist. Die Entfeuchtungseinrichtung kann beispielsweise
als ein Membrantrockner, eine Absorptionsvorrichtung, eine Adsorptionsvorrichtung,
ein Enthalpierad oder ein chemischer Reaktor ausgebildet sein.
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Abstrakt
betrachtet kann die Entfeuchtungseinrichtung als eine temporäre
oder eine dauerhafte Senke für Feuchtigkeit ausgebildet
sein, also wahlweise die dem Oxidationsmittel entzogene Feuchtigkeit
nur temporär speichern und zu einem späteren Zeitpunkt,
zum Beispiel in einem Normalbetriebszustand der Brennstoffzellenanordnung,
wieder freigeben oder dauerhaft abgeführt werden.
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Dem
erfindungsgemäßen Verfahren folgend ist es möglich,
dass die Kühleinrichtung strömungstechnisch vor
oder in der Entfeuchtungseinrichtung angeordnet ist.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 13, welche die Brennstoffzellenversorgung
nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, wobei
die Brennstoffzellenvorrichtung für den mobilen Einsatz,
insbesondere in einem Fahrzeug als Generator für die Antriebsenergie
ausgebildet ist.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine
Blockdarstellung einer Brennstoffzellenversorgung als ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine
Blockdarstellung einer Brennstoffzellenversorgung als ein zweites
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 eine
Blockdarstellung einer Brennstoffzellenversorgung als ein drittes
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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4 eine
Blockdarstellung einer Brennstoffzellenversorgung als ein viertes
Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 eine
Blockdarstellung einer Brennstoffzellenversorgung als ein fünftes
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Gleiche
oder einander entsprechende Teile sind jeweils mit gleichen oder
einander entsprechenden Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
in einer stark schematischen Darstellung in Form eines Blockdiagramms
einen Abschnitt einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 als
ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist
eine Mehrzahl von Brennstoffzellen 2 auf, wobei zur Illustration
nur eine einzelne Brennstoffzelle 2 dargestellt ist. Die Brennstoffzellen 2 weisen
jeweils einen Kathodenbereich 3 und einen Anodenbereich 4 auf,
welche durch eine Membran 5, insbesondere eine protonenleitende
Membran 5 (PEM) voneinander getrennt sind. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 wird
als mobile Einheit beispielsweise für den Antrieb eines
Fahrzeugs eingesetzt.
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Zur
Versorgung der Brennstoffzellen 2 mit einem Oxidationsmittel,
insbesondere Umgebungsluft oder Sauerstoff, zeigt die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine
Brennstoffzellenversorgung 6, wobei in der Darstellung
der 1 die für das erste Ausführungsbeispiel
notwendigen Komponenten mit durchgezogener Linie und die optionalen
Komponenten mit strichpunktierten Linien dargestellt sind.
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Die
Brennstoffzellenversorgung 6 umfasst eine Strömungsmaschine 7,
welche zum Beispiel als Kompressor oder Radialverdichter ausgebildet
ist. Der Strömungsmaschine 7 nachgeschaltet befindet sich
ein Intercooler 8 – auch Ladeluftkühler
genannt –, welcher das durch die Strömungsmaschine 7 komprimierte
und folglich erwärmte Oxidationsmittel kühlt.
Nach dem Intercooler 8 ist eine Befeuchtungseinrichtung 9 vorgesehen,
welche dem komprimierten und gekühlten Oxidationsmittel
Wasser zuführt, so dass die Membran 5 im Betrieb
der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ausreichend befeuchtet
ist. In der einfachsten Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels
wird das befeuchtete Oxidationsmittel von der Befeuchtungseinrichtung 9 zu
einem Kathodenbereichseingang 10 geführt.
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Zur
Kontrolle des Intercooler 8 bzw. der Befeuchtungseinrichtung 9 zeigt
die Brennstoffzellenversorgung 6 eine Kontrolleinrichtung 11,
welche die Kühlleistung des Intercoolers 8 und – optional ergänzend – die
Befeuchtungsleistung der Befeuchtungseinrichtung 9 kontrolliert.
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In
Sonderbetriebszuständen der Brennstoffzellenvorrichtung 1,
also insbesondere bei einem Start, im Speziellen einem Gefrierstart,
oder einem Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist
die Kontrolleinrichtung 11 programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch
ausgebildet, um den Intercooler 8 bzw. die Befeuchtungseinrichtung 9 so
anzusteuern, dass die Befeuchtung des Oxidationsmittels möglichst
gering ist. Hierbei kann – optional – zunächst
die Befeuchtungseinrichtung 9 in ihrer Befeuchtungswirkung
auf ein Minimum gedrosselt werden. Alternativ oder ergänzend
wird die Kühlleistung des Intercoolers 8 erhöht,
so dass das Oxidationsmittel stärker als in einem Normalbetriebszustand
abgekühlt wird. Durch die Abkühlung des Oxidationsmittels
durch den Intercooler 8 wird dessen relative oder absolute
Luftfeuchtigkeit (Feuchtigkeit pro Volumen) erhöht, so
dass die Bereitschaft oder das Vermögen zur Aufnahme weiterer
Feuchtigkeit in der Befeuchtungseinrichtung 9 verringert
wird. Mit dieser Maßnahme kann somit der Feuchtegehalt
(Feuchtigkeit pro Masse) in dem Oxidationsmittel reduziert werden.
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Bei
einem Start, insbesondere Gefrierstart wird aufgrund des verringerten
Feuchtegehalts die Gefahr, dass Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle 2 auskondensiert
und – insbesondere bei dem Gefrierstart – anfriert,
vermindert.
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Bei
einem Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist
vorzugsweise vorgesehen, dass die Temperatur des Oxidationsmittels
auf eine Temperatur unterhalb der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 2 gekühlt
wird. Tritt das Oxidationsmittel dann in die Brennstoffzelle 2 ein,
wird es erwärmt, die relative oder absolute Luftfeuchtigkeit
sinkt und die Brennstoffzelle 2 wird ausgetrocknet, wobei
unerwünschte Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 2 entfernt
wird.
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Bei
einer abgewandelten Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels
ist statt dem Intercooler 8 eine andere Kühleinrichtung
vorgesehen.
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Optional
ergänzend zeigt die Brennstoffzellenversorgung 6 eine
Entfeuchtungseinrichtung 12, welche über ein Dreiwegeventil 13 zugeschaltet
werden kann. Alternativ zu dem Dreiwegeventil 13 kann natürlich
in einem Hauptzweig 14 bzw. in einem Teilzweig 15 ein
Absperrventil vorgesehen sein, um den Oxidationsmittelstrom wahlweise
direkt oder über die Entfeuchtungseinrichtung 12 zu
dem Kathodenbereichseingang 10 zu leiten. Die Entfeuchtungseinrichtung 12 dient
zur weiteren Senkung des Feuchtegehalts in dem Oxidationsmittel.
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Die 2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel in gleicher Darstellung
wie in der 1, wobei im Unterschied zu dem
ersten Ausführungsbeispiel im zweiten Ausführungsbeispiel
ein Intercooler 8 und eine nachgeschaltete, zusätzliche
Kühleinrichtung 16 vorgesehen ist, welche die
zusätzliche Kühlleistung bei einem Start, insbesondere
einem Gefrierstart oder bei einem Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung 1 aufbringt.
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Die 3 zeigt
ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei in
Abgrenzung zu dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel
die Kühleinrichtung 16 in dem Teilzweig 15 strömungstechnisch
vor der Entfeuchtungseinrichtung 12 positioniert ist. An
dieser Position hat die Kühleinrichtung 16 die
Aufgabe, das Oxidationsmittel zu kühlen und auf diese Weise
die relative oder absolute Luftfeuchtigkeit zu erhöhen,
so dass der Wirkungsgrad der Entfeuchtungseinrichtung 12 verbessert
wird. Optional ergänzend kann das Oxidationsmittel vor
der Befeuchtungseinrichtung 9 durch den Intercooler 8 oder eine
weitere Kühleinrichtung in der Temperatur abgesenkt werden.
Als weitere mögliche Ergänzung kann eine Bypass-Leitung 17 vorgesehen
sein, die die Befeuchtungseinrichtung 9 überbrückt.
Die Bypass-Leitung kann beispielsweise durch ein oder mehrere Sperrventile
oder über ein Dreiwegeventil zuschaltbar sein.
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Die 4 zeigt
ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung in gleicher
Darstellung wie in den vorhergehenden Figuren, wobei die Befeuchtungseinrichtung 9 unmittelbar
mit der Kühleinrichtung 16 gekoppelt ist, so dass
diese in einem Stoff- und/oder Wärmeaustausch stehen. Auch
bei dieser Ausführungsform wird das Oxidationsmittel gekühlt,
um dessen absolute oder relative Luftfeuchtigkeit zu erhöhen
und das Aufnahmevermögen für Feuchtigkeit aus
der Befeuchtungseinrichtung 9 zu verringern. Weitere mögliche
Ergänzungen, wie z. B. die Entfeuchtungseinrichtung 12,
eine weitere Kühleinrichtung 18 sind gestrichelt
eingezeichnet.
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Die 5 zeigt
schließlich eine weiterer abgewandelte Ausführungsform
als ein fünftes Ausführungsbeispiel, wobei die
Befeuchtungseinrichtung 9 unmittelbar mit der Entfeuchtungseinrichtung 12 und optional
ergänzend mit der Kühleinrichtung 16 gekoppelt
ist, um die Befeuchtungswirkung der Befeuchtungseinrichtung 9 in
einem Sonderbetriebszustand zu vermindern. Der gekoppelten Be-/Entfeuchtungseinrichtung 9, 12 ist
zum einen die weitere Kühleinrichtung 18 und optional
ergänzend der Intercooler 8 vorgeschaltet, um
zusätzliche Kühlleistung und damit eine Reduzierung
der absoluten bzw. relativen Luftfeuchtigkeit erreichen zu können.
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellen
- 3
- Kathodenbereich
- 4
- Anodenbereich
- 5
- Membran
- 6
- Brennstoffzellenversorgung
- 7
- Strömungsmaschine
- 8
- Intercooler
- 9
- Befeuchtungseinrichtung
- 10
- Kathodenbereichseingang
- 11
- Steuereinrichtung
- 12
- Entfeuchtungseinrichtung
- 13
- Dreiwegeventil
- 14
- Hauptzweig
- 15
- Teilzweig
- 16
- Kühleinrichtung
- 17
- Bypass-Leitung
- 18
- weitere
Kühleinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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