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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterdrücken von Vereisung
eines Bauteils in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in
einem Kraftfahrzeug, wobei vorliegend eine Beschränkung
auf solche Bauteile stattfindet, die sich im Betrieb des Brennstoffzellensystems über
die Temperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems hinaus
erwärmen. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem
mit einem solchen Bauteil und darüber hinaus ein Kraftfahrzeug
mit einem solchen Brennstoffzellensystem. Die Erfindung findet auch
Anwendung auf mobile, nicht im Kraftfahrzeugbereich eingesetzte
Brennstoffzellensysteme sowie auf stationäre Brennstoffzellensysteme.
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Die
Vereisung von Bauteilen in einem Brennstoffzellensystem beeinträchtigt
regelmäßig den Betrieb dieser Bauteile. Dies gilt
insbesondere für Bauteile in einem Kraftfahrzeug mit einem
Brennstoffzellensystem, in dem üblicherweise aus Wasserstoff und
Luftsauerstoff Wasser erzeugt und hierbei Energie gewonnen wird.
Bei Umgebungstemperaturen unterhalb der Gefriertemperatur von Wasser
gefriert nach dem Betrieb des Brennstoffzellensystems, also nach
dem Abschalten des Kraftfahrzeugs, das mit dem Brennstoffzellensystem
betrieben wird, das verbleibende Wasser zu Eis. Soll das Kraftfahrzeug
zu einem späteren Zeitpunkt wieder fahren und somit das
Brennstoffzellensystem wieder in Betrieb genommen werden, so behindert
das Eis die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems. Dies gilt
insbesondere für bewegte Teile, wie Gebläse, Pumpen
und Ventile, aber auch für unbewegte Teile, wie z. B. Rohrleitungen.
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Bisher
behilft man sich damit, einmal entstandenes Eis durch Heizen bei
Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems zu beseitigen. So offenbart die
DE 103 517 56 A1 die
Verwendung eines Adsorptionsspeichers zur Abgabe von Wärme,
der insbesondere beim Kaltstart eingesetzt wird. Ein solcher Adsorptionsspeicher
ist kostenträchtig und hat zudem ein störendes
Gewicht. Aus der
US
6,586,124 B2 ist die Verwendung von Hydriden, insbesondere von
Metallhydriden, zur Aufheizung der Brennstoffzelle vor der Inbetriebnahme
bekannt. Damit sollen die Bauteile der Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur
gebracht werden, auch wenn die Umgebungstemperaturen niedrig sind.
Die Metallhydride können in einer Wärmepumpe eingesetzt
werden.
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Aus
der
DE 109 421 95
A1 ist die Verwendung von Latentwärmespeichern
in Brennstoffzellensystemen bekannt. In der
DE 109 421 95 A1 ist offenbart,
dass im laufenden Betrieb der Brennstoffzelle der Latentwärmespeicher
zur Temperaturstabilisierung durch Pufferung des Wärmebedarfs
eingesetzt wird. In der
DE
103 37 898 A1 steht die Herstellung der minimalen Betriebstemperatur
der Brennstoffzelle mit Hilfe des Latentwärmespeichers
im Zentrum des Interesses. Hierbei wird ein Latentwärmespeicher
verwendet, der ein Material aufweist, das mittels Wärmezufuhr
von einer Phase in eine andere Phase überführt
wird und dann die letztere Phase beibehält, auch wenn sie
abkühlt. Durch Einbringen einer gezielten geringfügigen
elektrischen, mechanischen oder chemischen Veränderung
wird die Freisetzung der gespeicherten Wärmeenergie bewirkt.
Dies wird insbesondere bei der Inbetriebnahme der Brennstoffzelleneinheit
ausgenutzt.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen sind aufwendig,
weil bei der Inbetriebnahme das System geheizt werden muss. Hierdurch wird
Energie verbraucht, und die für das Heizen erforderlichen
Bauteile nehmen Platz und Gewicht in Anspruch und sind nicht kostengünstig.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, das Problem der Vereisung von Bauteilen
in einem Brennstoffzellensystem auf eine bessere Art und Weise zu
lösen.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
2 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
9 gelöst.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit nach
Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems dem Bauteil
Wärme zugeführt, während es sich auf
die Temperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems abkühlt.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist
gesonderte Mittel auf, die zum Zuführen von Wärmeenergie
zu den Bauteilen dienen, und zwar dazu ausgelegt sind, diese Wärmeenergie
insbesondere nach Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems
zuzuführen, noch während sich das Bauteil auf
die Temperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems abkühlt.
Mit anderen Worten wird durch das erfindungsgemäße
Verfahren das Sichabkühlen des Bauteils verzögert,
und die Mittel in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
bzw. in dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug haben
dieselbe Wirkung. Das Verzögern des Abkühlens
im Vergleich zu dem Zustand ohne gesonderte Maßnahme hat
den Vorteil, dass Wasser und Luftfeuchtigkeit während des
Abkühlens besser entweichen können. Dies gilt zum
einen bezogen auf das gesamte System, zum anderen bezogen auf genau
den Bereich des in Rede stehenden Bauteils selbst. In letzterem
Falle kann durchaus ausgenutzt werden, dass sich andere Bauteile
schneller abkühlen, an denen das vorhandene Wasser dann
gefrieren kann, wenn diese anderen Bauteile gegenüber Vereisungen
bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems weniger empfindlich sind.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der Inbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems die Vorgeschichte durchaus eine Rolle spielt.
Man muss es nicht als gegeben hinnehmen, dass vorbestimmte Bauteile
vereisen und dann wie im Stand der Technik die Lösung suchen,
das Eis zu befreien. Vielmehr wird durch die vorliegende Erfindung
aktiv auf die Vorgeschichte der Wiederinbetriebnahme Einfluss genommen,
indem bei der Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems bzw.
des Kraftfahrzeugs die Mittel zum Zuführen von Wärmeenergie
aktiv werden bzw. sind.
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Die
Erfindung hat zwei Aspekte: Es kann mit einem passiven System gearbeitet
werden. Hierbei bietet sich die Kopplung des Bauteils eines Brennstoffzellensystems
mit einem Latentwärmespeicher an, und zwar einem solchen,
der oberhalb einer ersten vorbestimmten Temperatur Wärme
aufnimmt und unterhalb einer vorbestimmten Temperatur selbsttätig,
ohne einer Aktivierung zu bedürfen, Wärme abgibt.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich dieser Latentwärmespeicher
von dem Latentwärmespeicher aus der
DE 103 37 898 A1 unterscheidet,
bei der bewusst ein Latentwärmespeicher gewählt
wird, in den zur Freisetzung der gespeicherten Wärmeenergie gezielt
eine geringfügige elektrische, mechanische oder chemische
Veränderung eingebracht werden muss. Latentwärmespeicher,
die selbsttätig die Wärme wieder abgeben, sind
beispielsweise aus dem Bereich der Gebäudetechnik bekannt.
Auch hier werden so genannte Phasenänderungsmaterialien
(Phase-Change-Materials, PCM) verwendet. Vorliegend können
dies beispielsweise feine Wachströpfchen mit einem Durchmesser
von ca. 2 bis 20 μm sein, die in hochfesten Kunststoff
eingegossen sind und so in andere Materialien eingebracht werden
können. In der Gebäudetechnik werden diese eingegossenen Wachströpfchen
beispielsweise in Gips, Putz etc. eingebracht. Vorliegend kann ein
geeignetes Trägermaterial verwendet werden, das lediglich
die Eigenschaft haben muss, dass es den Betrieb eines Brennstoffzellensystems
nicht behindert. Beispielsweise kann das die Latentwärmeeigenschaft
aufweisende Material in Kunststoff oder einen festen Schaum eingebracht
werden, der mit dem zu schützenden Bauteil verbunden wird,
wobei dies soweit gehen kann, dass das Bauteil vollständig
mit dem Material überzogen oder umgeben wird. Das die Latentwärmeeigenschaft
aufweisende Material kann, wenn möglich, auch direkt in
Bauteilmaterial eingebracht werden, wobei sich beispielsweise Kunststoffbauteile
besonders eignen.
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In
einem zweiten Aspekt umfasst das Brennstoffzellensystem weniger
passive Mittel zum Heizen als aktive Mittel zum Heizen. Diese werden
dann von einer Steuereinheit gesteuert, die dazu ausgelegt ist, die
aktiven Mittel zum Heizen des Bauteils nach einem Betrieb des Brennstoffzellensystems
anzusteuern, und zwar während sich das Bauteil abkühlt,
um so den Abkühlvorgang zu verzögern. Als geeignet
in Brennstoffzellensystemen haben sich als aktive Mittel zum Heizen
Behälter mit chemischen H2-Speichermaterialien
(z. B. Metallhydriden) erwiesen, wobei zwei Behälter gekoppelt
eine Wärmepumpe bilden können, die gleichzeitig
mit dem Zuführen von Wärme zu dem einen Bauteil
einem anderen Bauteil Wärme entzieht. Damit wird das andere
Bauteil früher kalt, und Eis schlägt sich im Zweifel
auf diesem anderen Bauteil nieder, so dass das zu schützende Bauteil
eisfrei bleibt.
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Bei
den genannten Ausführungsformen von Brennstoffzellensystemen
kann der Latentwärmespeicher oder können die aktiven
Mittel in die frostgefährdeten Komponenten (Gebläse,
Pumpen, Ventile, Flutleitungen usw.) integriert werden oder zumindest in
deren unmittelbarer Nähe gebracht werden um dann in wärmeleitenden
Kontakt, entweder über Festkörper oder eine Gasphase
gebracht werden. Hierbei könnte der Konvektionseffekt über
die Schwerkraft ausgenutzt werden: Der Latentwärmespeicher
bzw. die aktiven Mittel zum Heizen müssten dann unterhalb
der genannten Komponenten angebracht werden, wobei sich der Begriff „unterhalb"
auf die typische Lage des Brennstoffzellensystems bezieht, insbesondere
wenn es sich um ein Kraftfahrzeug handelt und dies auf ebenem Grund
steht.
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In
einer besonderen Ausführungsform ist das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem in ein Kraftfahrzeug eingebaut.
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Die
Erfindung findet auch Anwendung auf mobile, nicht im Kraftfahrzeugbereich
eingesetzte Brennstoffzellensysteme sowie auf stationäre
Brennstoffzellensysteme.
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Nachfolgend
werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
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1 in
einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellensystem gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung veranschaulicht und
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2 in
einer schematischen Darstellung ein Brennstoffzellensystem gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung veranschaulicht.
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Von
einem Brennstoffzellensystem gemäß einem ersten
Aspekt der Erfindung ist vorliegend symbolisch ein Brennstoffzellenstapel 10 dargestellt sowie
der Anodenkreis 12, welcher aus einer Mehrzahl von Bauteilen 14, 16 und 18 besteht,
die thermisch zumindest soweit voneinander entkoppelt sind, dass
sie unterschiedliche Temperaturen aufweisen können. Ein
Anodenkreis zeichnet sich dadurch aus, dass nicht verbrauchter Wasserstoff
aus den Brennstoffzellen wieder zurückgeführt
wird. Die Erfindung ist auch auf Anodenanordnungen anwendbar, bei
denen es diese Rückführung nicht gibt.
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Ein
erster Behälter 20 mit Metallhydrid ist mit dem
Bauteil 14 thermisch gekoppelt, und ein zweiter Behälter 22 mit
einer anderen Art Metallhydrid ist mit dem Bauteil 16 gekoppelt.
Die Behälter 20 und 22 sind über
ein Ventil 24 miteinander verbindbar. Die Metallhydride
in dem Behälter 20 und 22 unterscheiden
sich durch ihren Gleichgewichtsdruck. Im Ausgangszustand, der spätestens
während des Betriebs des Brennstoffzellensystems aus 1 herzustellen ist,
ist der Behälter 20 mit dem höheren Gleichgewichtsdruck
mit Wasserstoff beladen, der andere nicht. Bekanntlich absorbieren
Metallhydride Wasserstoff. Es ist nun vorgesehen, dass bei Beendigung des
Betriebs des Brennstoffzellensystems, zumindest wenn die Außentemperatur
eine kritische Temperatur unterschreitet, so dass damit zu rechnen
ist, dass in dem Brennstoffzellensystem Wasser zu Eis gefrieren
könnte, das Ventil 24 geöffnet wird.
Dies geschieht mit Hilfe einer Steuereinheit 26, die zum
einen eine Information erhält, ob und wann der Betrieb des
Brennstoffzellensystems beendet ist. Diese Information kann z. B.
durch ein Signal von einem Zündschloss bereitgestellt werden.
Der Steuereinheit 26 wird ferner über einen Temperatursensor 28,
der die Außentemperatur misst oder auch die Temperatur
eines Bauteils des Brennstoffzellensystems (vgl. gestrichelte Linie
vom Temperatursensor 28 zum Bauteil 18) eine Information über
die Temperatur zugeführt, so dass die Steuereinheit 26 anhand
eines Schwellwertkriteriums vergleichen kann, ob sie das Ventil
nach Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems öffnen
soll. Wird das Ventil nun geöffnet, wird der Wasserstoff
in dem Behälter 20 desorbiert und strömt
in den Behälter 22, wo er nunmehr absorbiert wird.
Dadurch kühlt sich der Behälter 20 stark
ab, wohingegen sich der Behälter 22 erwärmt. Mit
dem Behälter 22 wird das Bauteil 16 erwärmt. Das
Bauteil 16 kühlt sich daher nicht so schnell ab wie
die Bauteile 14 und 18 des Annodenkreislaufs 12. Die
Umgebungstemperatur, welche ja einen geeignet definierten Schwellwert
unterschritten hat, führt zu einem Gefrieren von Wasser.
Dies geschieht wegen der Erwärmung des Bauteils 16 bevorzugt
an den Bauteilen 14 und 18. Das Bauteil 16 ist
so ausgewählt, dass es dasjenige Bauteil ist, was von Eis
in seinem Betrieb (bei späterer Wiederinbetriebnahme des
Brennstoffzellensystems) am meisten gestört wird. An den
Bauteilen 14 und 18 hingegen ist das Eis unkritisch.
Wegen des Abkühlens des Bauteils des Behälters 20 wird
das Bauteil 14 sogar kühler als das Bauteil 18 (und
gegebenenfalls auch kühler als die Umgebung) und dient
als Kondensationsfalle, an dem das Wasser gezielt kondensiert und
entweder abgeleitet oder festgefroren wird. Das Bauteil 14 ist so
ausgewählt, dass das dort entstehende Eis den Kaltstart
des Brennstoffzellensystems nicht behindert.
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Im
Fahrzeugbetrieb erwärmen sich die Bauteile 14, 16, 18 automatisch,
so dass der Wasserstoff im Behälter 22 automatisch
wieder abgegeben wird. Dieser kann entweder in den Behälter 20 zurückgeleitet
werden, wodurch das Prinzip einer Wärmepumpe verwirklicht
wird, oder er kann für den Systembetrieb verwendet werden.
In letzterem Fall wird eine optionale Leitung 30 verwendet,
die in eine Leitung 32 mit einem Ventil 34 führt, über
die Wasserstoff zum Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt
wird. Die Leitung 30 kann auch dazu genutzt werden, beim Kaltstart
dem Behälter 20 neuen Wasserstoff zuzuführen,
so dass sich dieser Behälter erwärmt und möglicherweise
doch dort befindliches Eis abgetaut wird.
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Unter
Bezug auf 1 wird eine Anordnung beschrieben,
bei der zwei Behälter 20, 22 mit Metallhydrid
vorgesehen sind. Alternativ kann man die Verwendung nur eines einzigen Behälters
vorsehen, der beim Abstellen des Kraftfahrzeugs über die
Zufuhrleitung für Wasserstoff mit Wasserstoff beaufschlagt wird,
sich dadurch aufheizt und ein bestimmtes Bauteil länger
warm hält.
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Gefrierendes
Wasser kann auch bei anderen Bauteilen als im Anodenmodul (Anodenkreislauf)
stören. In einem Brennstoffzellensystem kann auch vorgesehen
sein, dass beim Beenden des Betriebs Bauteile des Kathodenmoduls
oder des Befeuchters oder auch die Drosselklappe etc. mit Wärme
beaufschlagt werden, insbesondere unter Verwendung von Behältern
mit Metallhydriden.
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Eine
alternative Ausführungsform der Erfindung wird unter Bezug
auf 2 beschrieben. Hier sind von dem Brennstoffzellensystem
nur der Brennstoffzellenstapel 10 symbolisch dargestellt
sowie der Anodenkreislauf 12'. Bauteile 14', 16,'
und 18' bilden den Anodenkreislauf 12'. Die Bauteile 14', 16' und 18' unterscheiden
sich von herkömmlichen Bauteilen eines Anodenkreislaufs
dadurch, dass sie mit einem Latentwärmeenergiespeicher
gekoppelt sind. Dies ist in der Darstellung gemäß 2 durch
eine Schicht 36 auf den Bauteilen 14', 16' und 18' symbolisiert. Die
Schicht besteht beispielsweise aus Kunststoff oder einem festen
Schaum, mit dem die Bauteile 14', 16' und 18' überzogen
sind. In dieses Material ist ein so genanntes Phase-Change-Material,
PCM, eingebettet, wie es aus der Gebäudetechnik bekannt
ist. Es wird ein solches Phase-Change-Material verwendet, das bei
Temperaturen oberhalb einer vorbestimmten Temperatur Wärme
aufnimmt und selbsttätig nach Abkühlen unter eine
vorbestimmte Temperatur die aufgenommene Wärme wieder abgibt.
Ein typischer Fall für ein solches Phase-Change-Material sind
beispielsweise in hochfesten Kunststoff eingegossene Wachströpfchen
mit einem Durchmesser von beispielsweise 2 bis 20 μm. Es
können jedoch auch andere Materialien, die solche Phasenänderungen
aufweisen, Einsatz finden. Diese können fein in der Schicht 36 aus
Kunststoff oder festem Schaum verteilt werden. Werden diese in hochfesten
Kunststoff eingegossenen Wachströpfchen aufgeheizt, wie dies
während des Betriebs des Brennstoffzellensystems automatisch
geschieht, schmilzt das Wachs mit einer Schmelzenthalpie von beispielsweise
100 J/g. Die Schmelztemperatur und die Schmelzenthalpie lassen sich
bei Auswahl des Materials vorgeben. Kühlt sich das System
ab, wird die Schmelzenthalpie bei der Erstarrung des Wachses wieder
frei, und den Bauteilen 14', 16' und 18' wird
durch ihre jeweilige Beschichtung 36 Wärmeenergie
zugeführt.
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Während
in 2 dargestellt ist, dass auf die Bauteile 14', 16' und 18' eine
Schicht aufgebracht wird, ist es auch möglich, die Bauteile
vollständig in eine Masse aus Trägermaterial für
das Phase-Change-Material einzubetten. Das Phase-Change-Material
kann auch ins Innere der Bauteile 14', 16', 18' eingebaut
werden. Es lässt sich auch ein gesondertes Bauteil bilden,
das an die Bauteile 14', 16' und 18' über
einen Wärmeübergang lediglich gekoppelt wird,
ohne die Bauteile 14', 16' und 18' in ihrem
Aussehen zu beeinflussen.
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Die
Verwendung von Latentwärmespeichern zum Zwecke des Verhinderns
von Vereisen bestimmter Materialen ist im Rahmen der Kraftfahrzeugtechnik
völlig neu. Anwendungen außerhalb von Brennstoffzellen
sind ebenfalls möglich. So können Latentwärmespeicher
der genannten Art auch bei Katalysatoren, Batterien, Elektronikkomponenten,
Gastanks und Tanks für sonstige Betriebsstoffe Verwendung finden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10351756
A1 [0003]
- - US 6586124 B2 [0003]
- - DE 10942195 A1 [0004, 0004]
- - DE 10337898 A1 [0004, 0010]