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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems,
bei welchem ein Zuführen von einem Reaktionsmittel zu einem Brennstoffzellenstapel
unterbunden und von dem Brennstoffzellenstapel elektrische Energie
abgeführt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein
Brennstoffzellensystem.
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Die
DE 10 2005 046 424
B4 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Hierbei wird ein Sperrventil in einer Zuführleitung zu
einem Brennstoffzellenstapel geschlossen und so ein Zuführen
von Brennstoff von einem Vorratsbehältnis zu dem Brennstoffzellenstapel
unterbunden. In Abhängigkeit von einer Restmasse des Brennstoffs
in der Zuführleitung wird ein Abschaltplan bestimmt, gemäß welchem
nach dem Unterbinden der Brennstoffzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel von
dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte elektrische Energie abgeführt
wird. Die elektrische Energie kann hierbei zum Betreiben eines Gebläses,
zum Laden einer Batterie oder zum Betreiben einer sonstigen elektrischen
Last genutzt werden. Durch das gezielte Verringern der Restmasse
des Brennstoffs in der Zuführleitung kann die Zuführleitung
weniger aufwendig ausgebildet sein als dies der Fall wäre,
wenn die Zuführleitung nach dem Abschalten unter hohem Druck
stehenden Brennstoff an einem Diffundieren in die Atmosphäre
hindern müsste. Daher wird der Abschaltplan, und somit
das Abführen elektrischer Energie von dem Brennstoffzellenstapel,
so lange betrieben, bis der tatsächliche Druck des Brennstoffs
in der Zuführleitung auf einen Solldruck, welcher etwa dem
Umgebungsdruck gleich ist, verringert ist.
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Als
nachteilig bei einem derartigen Verfahren ist der Umstand anzusehen,
dass das Erfassen der Restmasse des Brennstoffs in der Zuführleitung
zu dem Brennstoffzellenstapel vergleichsweise wenig präzise
Anhaltspunkte für ein energieeffizientes Betreiben des
Abschaltplans liefert.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs
genannten Art bzw. ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches
besonders präzise Rückschlüsse auf einen
energetischen Zustand des Brennstoffzellensystems zulässt.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Des Weiteren wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen
angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben
eines Brennstoffzellensystems, bei welchem
- a)
ein Zuführen von einem Reaktionsmittel zu einem Brennstoffzellenstapel
unterbunden und
- b) von dem Brennstoffzellenstapel elektrische Energie abgeführt
wird,
wird während des Abführens elektrischer
Energie gemäß Schritt b) eine den elektrischen
Energiegehalt des Brennstoffzellenstapels kennzeichnende Messgröße überwacht.
So ist ein definiertes Verringern des elektrischen Energiegehalts
des Brennstoffzellenstapels ermöglicht. Insbesondere kann
so sichergestellt werden, dass der elektrische Energiegehalt des
Brennstoffzellenstapels durch das Abführen elektrischer
Energie so verringert wird, dass eine elektrische Beeinträchtigung
einer Bedienperson beim Handhaben von Komponenten des Brennstoffzellensystems,
insbesondere beim Handhaben des Brennstoffzellenstapels, vermieden
ist. Durch das definierte Verringern des elektrischen Energiegehalts
des Brennstoffzellenstapels sind des Weiteren eine elektrische Beeinträchtigung
von gegebenenfalls an den Brennstoffzellenstapel angeschlossenen elektrischen
und/oder elektronischen Bauteilen sowie von einzelnen Brennstoffzellen
des Brennstoffzellenstapels vermeidbar.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Brennstoffzellenstapel
verbleibende Reste an Brennstoff und Oxidationsmittel auch nach
dem Unterbinden des Zuführens des Brennstoffs und/oder des
Oxidationsmittels unter Freisetzung von elektrischer Energie reagieren
können. Um an den Brennstoffzellenstapel elektrisch angeschlossene
elektrische und/oder elektronische Komponenten vor einer elektrischen
Beeinträchtigung aufgrund dieser nach dem Abschalten des
Brennstoffzellensystems erzeugten elektrischen Energie zu schützen,
ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Schütz
vorzusehen, welcher die elektrischen und/oder elektronischen Komponenten
von dem Brennstoffzellenstapel abtrennt. Ein solcher Schütz,
welcher sowohl zum Schalten von hohen elektrischen Spannungen als auch
zum Leiten von mittels des Brennstoffzellenstapels erzeugtem Strom
ausgelegt sein muss, ist vergleichsweise aufwendig und kostenintensiv.
Wird das vorliegend beschriebene Verfahren durchgeführt,
so kann auf das Vorsehen eines solchen kostenintensiven Schützes
verzichtet werden. Dadurch ist ein vergleichsweise kostengünstiges
Brennstoffzellensystem bereitstellbar. Gleichzeitig ist eine sichere
und kontrollierte Entladung des Brennstoffzellenstapels gewährleistbar.
Durch das Erfassen wenigstens einer den elektrischen Energiegehalt
des Brennstoffzellenstapels kennzeichnenden Messgröße
können besonders präzise Rückschlüsse
auf den energetischen Zustand des Brennstoffzellensystems, insbesondere auf
den elektrischen Energiegehalt des Brennstoffzellenstapels, gezogen
werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird von dem Brennstoffzellenstapel
elektrische Energie zumindest so lange abgeführt, bis ein Schwellenwert
der Messgröße erreicht ist. Die Messgröße
kann hierbei insbesondere eine elektrische Spannung umfassen. Dadurch
ist sicherstellbar, dass die elektrische Energie ausreichend weit
verringert wird, bis ein im Hinblick auf eine eventuelle elektrische
Beeinträchtigung, insbesondere der Bedienperson, unkritischer
Zustand des Brennstoffzellenstapels erreicht ist. Kann der Brennstoffzellenstapel
keine kritische elektrische Energie, insbesondere keine kritische
elektrische Spannung, mehr abgeben, so ist ein sicheres Handhaben
von Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Brennstoffzellenstapels,
ermöglicht. Dies ist insbesondere im Rahmen der Herstellung
und/oder Wartung und/oder Inspektion des Brennstoffzellensystems, insbesondere
des Brennstoffzellenstapels, von Vorteil.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn beim Erreichen eines
vorgegebenen elektrischen Energiegehalts des Brennstoffzellenstapels, welcher
insbesondere durch einen Schwellenwert der Messgröße
charakterisiert wird, ein Signal ausgegeben wird. Dadurch ist der
nach dem Abführen der elektrischen Energie erreichte, niedrige
und somit im Hinblick auf eine elektrische Beeinträchtigung unkritische
Energiegehalt des Brennstoffzellenstapels einer Bedienperson signalisierbar.
So ist ein besonders sicheres Arbeiten an dem Brennstoffzellensystem,
insbesondere an dem Brennstoffzellenstapel, ermöglicht.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn von dem Brennstoffzellenstapel
gemäß Schritt b) abgeführte elektrische
Energie in Wärme umgewandelt und freigesetzt und/oder in
einem Energiespeicher gespeichert wird. Von dem Brennstoffzellenstapel
abgeführter elektrischer Strom kann beispielsweise mittels
eines Widerstands in Wärme umgewandelt und anschließend
dissipiert werden. Ergänzend oder alternativ kann ein Akkumulator,
ein Kondensator oder dergleichen Energiespeicher unter Nutzung der
vom dem Brennstoffzellenstapel abgeführten elektrischen
Energie geladen werden.
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Von
Vorteil ist es weiterhin, wenn das Unterbinden des Zuführens
des Reaktionsmittels zu dem Brennstoffzellenstapel gemäß Schritt
a) in Abhängigkeit von einem Abschaltsignal vorgenommen
wird. Dadurch ist sicherstellbar, dass bei jedem Abschaltvorgang
des Brennstoffzellensystems ein sicheres Entladen des Brennstoffzellenstapels
durchgeführt wird. Alternativ kann das Verfahren gezielt
lediglich dann durchgeführt werden, wenn ein sicheres Entladen,
etwa bei der Herstellung und/oder Wartung und/oder Inspektion von
Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Brennstoffzellenstapels,
gewünscht ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe gelöst
durch ein Brennstoffzellensystem mit einer Absperreinrichtung, mittels
welcher ein Zuführen eines Reaktionsmittels zu einem Brennstoffzellenstapel
unterbindbar ist. Bei dem Brennstoffzellensystem ist von dem Brennstoffzellenstapel
nach einem Unterbinden des Zuführens des Reaktionsmittels
bereitgestellte elektrische Energie abführbar. Des Weiteren
umfasst das Brennstoffzellensystem eine Messeinrichtung, mittels
welcher wenigstens eine den elektrischen Energiegehalt des Brennstoffzellenstapels
kennzeichnende Messgröße erfassbar ist. Es ist
eine Auswerteeinheit vorgesehen, mittels welcher bei unterbundener Reaktionsmittelzufuhr
zu dem Brennstoffzellenstapel während des Abführens
elektrischer Energie von dem Brennstoffzellenstapel die wenigstens
eine Messgröße überwachbar ist. Mittels
der Auswerteeinheit sind so besonders präzise Rückschlüsse
auf den energetischen Zustand des Brennstoffzellensystems, insbesondere
auf einen gegebenenfalls kritischen Energiegehalt des Brennstoffzellenstapels, möglich.
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Die
für das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen
bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch
für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen,
der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten
Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der
Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale
und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen
Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung
verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie
anhand der Zeichnung.
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Diese
zeigt ein Ablaufdiagramm, anhand dessen ein Verfahren zum Betreiben
eines Brennstoffzellensystems veranschaulicht ist.
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In
einem Ablaufdiagramm 1 zum Veranschaulichen eines Verfahrens
zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, etwa für ein
Fahrzeug, wird in einem Startschritt 2 ein Abschaltvorgang
ausgelöst. Daraufhin erfolgt ein Unterbinden 3 einer
Brennstoff- und einer Oxidationsmittelzufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel.
Die Unterbindung der Brennstoff- und Oxidationsmittelzufuhren kann
vorzugsweise, muss aber nicht zwangsläufig, gleichzeitig
erfolgen. Zum Unterbinden 3 der Brennstoffzufuhr weist das
Brennstoffzellensystem eine Absperreinrichtung auf. Zum Unterbinden 3 der
Oxidationsmittelzufuhr wird ein Gebläse zum Bereitstellen
des Oxidationsmittels außer Betrieb genommen. Die Unterbindung der
Oxidationsmittelzufuhr erfolgt in geeigneter Art und Weise. D. h.
sie kann sofort erfolgen, oder, falls dies z. B. zum Abbau von restlichen
Wasserstoff im Anodenraum erforderlich ist, mit einem gewissen Nachlauf
des Gebläses (vorzugsweise ein Electric Turbo Charger,
ETC).
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Nach
dem Unterbinden 3 der Reaktionsmittelzufuhr erfolgt ein
Abführen 4 von elektrischer Energie von dem Brennstoffzellenstapel,
welche aufgrund einer Reaktion von Resten an Brennstoff und Oxidationsmittel
in dem Brennstoffzellenstapel generiert wird. Dem Brennstoffzellenstapel
wird beim Abführen 4 Strom entnommen. Die beim
Abführen 4 momentan vorliegende elektrische Spannung
des Brennstoffzellenstapels wird mittels einer Messeinrichtung erfasst. Gleichzeitig
erfolgt ein Überwachen 5 der elektrischen Spannung
des Brennstoffzellenstapels mittels einer Auswerteeinheit.
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In
einem Schritt 6 wird überprüft, ob die
momentan erfasste Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht
hat. Solange bis die elektrische Spannung den vorgegebenen Schwellenwert unterschritten
hat, werden das Abführen 4 des elektrischen Stroms
aus dem Brennstoffzellenstapel und das Überwachen 5 der
elektrischen Spannung fortgesetzt. Der Strom, welcher dem Brennstoffzellenstapel
während des Abschaltvorgangs entnommen wird, kann in Wärme
umgewandelt und freigesetzt oder dazu genutzt werden, einen Energiespeicher, beispielsweise
einen Akkumulator und/oder einen Kondensator, zu laden.
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Ist
der vorgegebene Schwellenwert der elektrischen Spannung unterschritten,
erfolgt ein Ausgeben 7 eines Signals mittels einer Signalisierungseinrichtung
des Brennstoffzellensystems. Mittels des ausgegebenen Signals wird
also signalisiert, dass keine elektrische Beeinträchtigung
durch den Brennstoffzellenstapel mehr zu besorgen ist.
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Auf
diese Weise wird also eine Bedienperson darüber informiert,
dass ein Handhaben des Brennstoffzellenstapels und/oder von an den
Brennstoffzellenstapel angeschlossenen elektrischen und/oder elektronischen
Komponenten nun möglich ist. Das Signal zeigt der Bedienperson
an, dass ein sicheres Arbeiten an dem Brennstoffzellenstapel, etwa
im Rahmen der Herstellung des Brennstoffzellenstapels und/oder im
Rahmen einer Wartung und/oder im Rahmen einer Inspektion von Komponenten
des Brennstoffzellensystems, erfolgen kann.
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Gleichzeitig
ist so sichergestellt, dass eine Schädigung von einzelnen
Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels und/oder der an den
Brennstoffzellenstapel angeschlossenen elektronischen bzw. elektrischen
Komponenten in Folge von Spannungsspitzen vermieden ist. In einem
Schlussschritt 8 kann vorgesehen sein, dass die Bedienperson
das Signal quittiert.
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Das
anhand des Ablaufdiagramms 1 veranschaulichte Verfahren
zum Betreiben des Brennstoffzellensystems stellt eine kostengünstige
Lösung zur sicheren Entladung des Brennstoffzellenstapels
dar. Auf kostenintensive und aufwendige Hochvolt-Schütze
zum Abtrennen von an den Brennstoffzellenstapel angeschlossenen
elektronischen bzw. elektrischen Komponenten des Brennstoffzellensystems
nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems kann so verzichtet
werden.
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Ist
das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug angeordnet, sind auf
diese Weise besonders einfach empfindliche Komponenten der Fahrzeugelektronik
bzw. Fahrzeugelektrik vor einer elektrischen Beeinträchtigung
durch den Brennstoffzellenstapel geschützt.
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- 1
- Ablaufdiagramm
- 2
- Startschritt
- 3
- Unterbinden
der Gaszufuhr
- 4
- Abführen
elektrischer Energie
- 5
- Überwachen
der Schwellenwerte
- 6
- Schritt „Überprüfung
Schwellenwert erreicht”
- 7
- Ausgeben
eines Signals „Schwellenwert unterschritten”
- 8
- Schlussschritt,
z. B. Quittierung des Signals
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005046424
B4 [0002]