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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie weisen beispielsweise einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, sogenannte Brennstoffzellenstacks, auf, welche zusammen mit Systemkomponenten zu dem Brennstoffzellensystem verschaltet sind. Im Bereich des Brennstoffzellenstapels und der mit ihm fluidisch verbundenen Systemkomponenten treten während des Betriebs des Brennstoffzellensystems Gasströmungen auf, welche typischerweise aus feuchten Gasen bestehen und gegebenenfalls flüssige Tröpfchen mit sich führen. Kommt es nun zu einem Abstellen des Brennstoffzellensystems welches, dieses feuchte Gas im Bereich des Brennstoffzellenstapels, der Systemkomponenten und eventueller Verbindungsleitungen dazwischen enthält, dann wird, sobald der Taupunkt unterschritten wird, eine Kondensation des gasförmig gebundenen Wassers auftreten. Vor allem der Brennstoffzellenstapel hat dabei ein relativ großes Reservoir an Kondensat, welches aus ihm ausdampft und durch Diffusions- und Konvektionsprozesse durch das Brennstoffzellensystem wandert. Der Brennstoffzellenstapel stellt somit eine Kondensatquelle dar. Das aus dem Brennstoffzellenstapel stammende Kondensat schlägt sich dann an den kältesten Stellen des Brennstoffzellensystems nieder und kann dort bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems gefrieren und diese Komponente entsprechend blockieren. Sie muss dann bei einem Wiederstart des Brennstoffzellensystems erst langwierig und energieintensiv aufgetaut werden. Die Komponente kann dabei eine beliebige Komponente sein, beispielsweise ein Wasserabscheider, ein Ventil, ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse oder dergleichen.
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Im Stand der Technik wird der Problematik nun häufig dadurch begegnet, dass komplexe Abstellverfahren für das Brennstoffzellensystem definiert werden. Diese sorgen über Durchspülung mit trockener Luft für einen Austrag der Feuchtigkeit und trocknen so das Brennstoffzellensystem. Dies ist hinsichtlich des benötigten Energieaufwands zum Fördern der Luft und hinsichtlich der benötigten Zeitspanne bis zum endgültigen Abstellen des Systems sowie der während dieser Zeitspanne auftretenden Lärmemissionen durch die Förderung der Luft nachteilig. Außerdem sind derartige Abstellverfahren häufig sehr komplex, wie es beispielsweise das in der
EP 1 371 105 B1 beschriebene Verfahren zeigt. Dieses verfügt über zahlreiche Sensoren, welche Temperaturen und Feuchtigkeiten erfassen und dementsprechend das Abstellverfahren optimieren. Dies ist hinsichtlich der Steuerung sehr aufwändig und erfordert teure und aufwändige Sensoren, die darüber hinaus, insbesondere beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug, sehr störanfällig sind. Es entsteht damit ein sehr komplexes und aufwändiges System mit geringer Zuverlässigkeit.
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Eine weitere im Stand der Technik beschriebene Möglichkeit besteht darin, über spezielle Komponenten die feuchten Gase zu trocknen. Dies wird beispielsweise in der
DE 10 2007 058 868 A1 beschrieben. Ein solcher Gastrockner als zusätzliche Komponente ist ebenfalls aufwändig, teuer und benötigt zusätzlichen Bauraum und erhöht die Masse des Brennstoffzellensystems.
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Eine weitere Lösung besteht in einem sogenannten „Zielkondensator”, welcher beispielsweise in der
DE 10 2004 020 029 A1 beschrieben ist. Dieser Zielkondensator beziehungsweise die Soll-Kondensationsstelle gemäß der genannten deutschen Schrift liegt dabei in einem Bereich des Systems, in dem eine möglichst große Temperaturdifferenz zu der Kondensatquelle vorliegt. Dadurch kommt es zu einer Kondensation im Bereich dieser Soll-Kondensationsstelle und ein Großteil der Feuchtigkeit kann dort kondensieren. Der Bereich ist dabei so ausgewählt, dass dieser hinsichtlich eines Einfrierens unkritisch ist, sodass dies letztlich ebenfalls eine Art von „Gastrockner” darstellt. Dieser hat dieselben Nachteile wie oben bereits erwähnt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches einfach, effizient und zuverlässig funktioniert, und welches keine zusätzliche Steuerung und Sensorik benötigt, um einen sicheren und zuverlässigen Start des Brennstoffzellensystems nach einem Ausharren bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Außerdem ist im Anspruch 10 eine besonders bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren gezeigt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems sieht es vor, dass nach dem Abstellen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels ein Temperaturausgleich erfolgt. Dieser wird so realisiert, dass die wenigstens eine Kondensatquelle, typischerweise der Brennstoffzellenstapel, und zumindest die hinsichtlich des Einfrierens kritischen Systemkomponenten, mit einer maximalen Temperaturdifferenz von weniger als 20 K zueinander abkühlen. Eine solche Vergleichmäßigung der Temperatur während des Abkühlens führt zu einer weitaus geringeren Menge an auskondensiertem Wasser in dem Brennstoffzellensystem. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass ein übliches Abkühlen einer Brennstoffzelle bei Temperaturen zwischen 80 und 90°C und Umgebungstemperaturen in der Größe von 20°C oder weniger sehr schnell zu einer Temperatur im Bereich der Systemkomponente von in etwa der Umgebungstemperatur führen. Damit kommt es zu einer Temperaturdifferenz von typischerweise mehr als 50–60 K. Dies führt zu einer dreimal größeren Menge an Kondensat in dem Brennstoffzellensystem, als wenn die Temperaturdifferenz auf 20 K oder weniger eingeschränkt wird. Damit lässt sich ohne großen zusätzlichen Aufwand ein Verfahren zum Abstellen des Brennstoffzellensystems schaffen, welches einfach und effizient zuverlässige Bedingungen für einen Wiederstart des Brennstoffzellensystems, ohne die Gefahr von eingefrorenen Systemkomponenten, ermöglicht.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Temperaturdifferenz maximal 10 K beträgt. Bei einer solchen Minimierung der Temperaturdifferenz auf 10 K oder weniger lässt sich eine weitere signifikante Verbesserung erzielen. Ausgehend von den gleichen Bedingungen, wie sie oben beschrieben worden sind, lässt sich so die Menge an anfallendem Kondensat nicht nur um den Faktor 3, sondern sogar um einen Faktor von bis zu ca. 10 reduzieren. Eine solche Reduzierung der auskondensierten Wassermenge um den Faktor 10, alleine durch eine Vergleichmäßigung der Temperatur von Kondensatquelle und Systemkomponenten beim Abkühlen, erlaubt ein sehr einfaches und effizientes Verfahren zum Abstellen des Brennstoffzellensystems, welches sicher und zuverlässig funktioniert, und welches einfach und effizient realisiert werden kann.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass zum Temperaturausgleich die Kondensatquelle und zumindest die hinsichtlich des Einfrierens kritischen Systemkomponenten sowie Verbindungsleitungen dazwischen, sofern vorhanden, thermisch isoliert werden, wobei die Isolationswirkung bei größerer thermischer Masse der isolierten Kondensatquelle, Systemkomponente oder Verbindungsleitung kleiner gewählt wird, als bei Kondensatquelle, Systemkomponenten oder Verbindungsleitungen mit kleinerer thermischer Masse. Die Isolationswirkung von thermischen Isolierungen kann also bewusst genutzt werden, um das erfindungsgemäße Verfahren zu realisieren. Über eine Variation der Isolationswirkung je nach thermischer Masse der isolierten Kondensatquelle, Systemkomponente oder Verbindungsleitung, welche beispielsweise durch die Wahl des Materials und/oder der Dicke der thermischen Isolierung angepasst werden kann, kann so eine Vergleichmäßigung der Abkühlung erreicht werden. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel als Kondensatquelle mit einer entsprechend dünneren thermischen Isolierung versehen werden, als weitere hinsichtlich des Einfrierens kritische Systemkomponenten, welche typischerweise sehr viel kleiner und leichter sind und damit schneller auskühlen. Wenn dieser Unterschied in der thermischen Masse beziehungsweise der Wärmekapazität des jeweiligen Bauteils bei der Dicke der Isolierung entsprechend berücksichtigt wird, dann kann trotz unterschiedlicher Wärmekapazitäten einzelner Bauteile eine gleichmäßige Abkühlung all dieser Bauteile in dem Brennstoffzellensystem gewährleistet werden. Damit tritt weniger Kondensat auf, was die oben bereits genannten Vorteile hat.
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In einer ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass zum Temperaturausgleich die Kondensatquelle sowie zumindest die hinsichtlich des Einfrierens kritischen Systemkomponenten sowie Verbindungsleitungen dazwischen, sofern vorhanden, in wärmeleitendem Kontakt zueinander ausgeführt werden. Die einzelnen Bauteile können also in wärmeleitenden Kontakt zueinander gebracht werden. Dann findet eine Wärmeleitung zwischen den einzelnen Bauteilen statt, sodass Bauteile, welche wärmer sind als andere Bauteile, die kühleren Bauteile erwärmen und sich selbst dadurch weiter abkühlen. Auch dies führt zu einer über das Gesamtsystem betrachtet sehr gleichmäßigen Abkühlung aller in wärmeleitendem Kontakt untereinander stehender Bauteile.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass der wärmeleitende Kontakt durch mechanische wärmeleitende Ankopplung der Kondensatquelle, Systemkomponenten und Verbindungsleitungen aneinander erzielt wird. Eine solche Ankopplung kann beispielsweise durch eine Ankopplung von gut wärmeleitenden Gehäusen aneinander erfolgen, oder durch die Verbindung über wärmeleitende Zwischenelemente, beispielsweise gut wärmeleitende Schrauben, Verbindungshülsen oder dergleichen.
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In einer weiteren ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung des oben genannten Verfahrens kann es auch vorgesehen sein, dass der wärmeleitende Kontakt durch thermische Einbindung der Kondensatquelle und zumindest der hinsichtlich des Einfrierens kritischen Systemkomponenten in einen Kühlkreislauf eines Brennstoffzellensystems realisiert wird, wobei das Kühlmedium mit dem Kühlkreislauf zum Temperaturausgleich während des Abkühlens umgewälzt wird, vorzugsweise unter Umgehung eines das Kühlmedium abkühlenden Kühlwärmetauschers. Eine solche wärmeleitende Verbindung über den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems ist entsprechend einfach und effizient. Komponenten wie beispielsweise der Brennstoffzellenstapel als Kondensatquelle sind ohnehin in den Kühlkreislauf eingebunden. Weitere Komponenten, beispielsweise Ventile, Wasserabscheider, Wasserstoffrezirkulationsgebläse oder dergleichen, können dann ebenfalls direkt oder mittelbar in wärmeleitendem Kontakt zu dem Kühlmedium gebracht werden. Wenn das Kühlmedium, vorzugsweise ohne in einem Kühlwärmetauscher von Umgebungsluft abgekühlt zu werden, beim Abstellen des Brennstoffzellensystems weiterhin in dem Kühlkreislauf zirkuliert wird, dann kommt es zu einer sehr gleichmäßigen Abkühlung des Systems, weil das Kühlmedium als wärmeleitendes Verbindungsmedium die Abkühlung entsprechend vergleichmäßigt. Die Komponenten kühlen dann alle langsam und ohne nennenswerte Temperaturdifferenzen untereinander ab, wodurch wiederum die Menge an auftretendem Kondensat deutlich reduziert werden kann.
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In einer weiteren ergänzenden oder alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass zum Temperaturausgleich zumindest einzelne der Systemkomponenten während des Abkühlens aktiv beheizt werden. Eine solche aktive Beheizung kann neben der oben beschriebenen Beheizung durch das Kühlmedium insbesondere eine elektrische Beheizung sein. Einzelne der Systemkomponenten können dann entsprechend beheizt werden, beispielsweise Systemkomponenten, von denen bekannt ist, dass diese ansonsten sehr schnell auskühlen. Auch durch eine solche aktive Beheizung kann das Abkühlen von Kondensatquelle und Systemkomponenten vergleichmäßigt werden, um weniger Kondensation zu erhalten.
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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für Brennstoffzellensysteme, welche häufig abgestellt und dann sehr schnell wieder gestartet werden müssen. Wenn das Abstellen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgt beziehungsweise die Brennstoffzellensysteme bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ausharren, bis diese wieder gestartet werden, dann lässt sich für das erfindungsgemäße Verfahren ein deutlicher Vorteil erzielen. Derartige Brennstoffzellensysteme, für welche die oben genannten Bedingungen gelten, sind dabei insbesondere Brennstoffzellensysteme, welche in mobilen Systemen eingesetzt werden, beispielsweise in Land- oder Wasserfahrzeugen. Eine besonders bevorzugte Verwendung liegt daher im Einsatz des Verfahrens zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, welches von dem Brennstoffzellensystem mit Antriebsleistung versorgt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben wird.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.
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In der einzigen beigefügten Figur ist ein Fahrzeug 1 prinzipmäßig angedeutet. Es weist ein Brennstoffzellensystem 2 auf, welches zur Versorgung des Fahrzeugs 1 mit elektrischer Antriebsleistung vorgesehen ist. Die Verteilung der elektrischen Leistung von einer Brennstoffzelle 3 des Brennstoffzellensystems 2 ist dabei an sich bekannt und für die hier vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung. Auf eine Darstellung wurde daher, ebenso wie auf eine Darstellung eines elektrischen Antriebsmotors für das Fahrzeug 1, verzichtet.
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Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst neben der Brennstoffzelle 3, welche als Brennstoffzellenstapel von einzelnen PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sein soll, diverse Systemkomponenten um diese Brennstoffzelle 3. Außerdem ist ein Kühlkreislauf 4 zur Kühlung der Brennstoffzelle 3 vorgesehen.
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Die Brennstoffzelle 3 selbst besteht aus einem Anodenraum 5 und einem Kathodenraum 6. Dem Kathodenraum 6 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 7 und einen Befeuchter 8 zugeführt. Die feuchte Abluft aus dem Kathodenraum 6 gelangt dann wiederum über den Befeuchter 8, in dessen Bereich sie entfeuchtet wird, um die Zuluft zu befeuchten, und in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dann über eine Turbine 9 zur Rückgewinnung von Druckenergie in die Umgebung. Die Turbine 9 steht dabei über eine Welle mit der Luftfördereinrichtung 7 in Verbindung. Im Bereich dieser Welle ist außerdem eine elektrische Maschine 10 angeordnet. Die elektrische Maschine 10 dient zum primären Antrieb der Luftfördereinrichtung 7. Die im Bereich der Turbine 9 zurückgewonnene Energie kann ebenfalls zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 7 genutzt werden. Falls im Bereich der Turbine 9 mehr Energie vorliegt, als die Luftfördereinrichtung 7 benötigt, dann kann die elektrische Maschine 10 auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Leistung zu erzeugen. Der Aufbau aus Luftfördereinrichtung 7, Turbine 9 und elektrischer Maschine 10 wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet.
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Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 11 über eine Dosiereinrichtung 12 zugeführt. Im Anodenraum 5 nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 13 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 14 zurück zum Eingang des Anodenraums 5 und wird diesem zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 11 wieder zugeführt. In diesem sogenannten Anodenkreislauf reichert sich mit der Zeit im Bereich des Anodenraums 5 entstehendes Wasser und durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 aus dem Kathodenraum 6 in den Bereich des Anodenraums 5 diffundierender Stickstoff an. Dadurch sinkt die Wasserstoffkonzentration und die Performance der Brennstoffzelle 3 lässt nach. Daher ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 13 ein Wasserabscheider 15 mit einer Ventileinrichtung 16 vorgesehen. In dem Wasserabscheider 15 kann flüssiges Wasser aus dem Gasstrom abgeschieden und von Zeit zu Zeit über die Ventileinrichtung 16 abgelassen werden. Nachdem das flüssige Wasser die Ventileinrichtung 16 passiert hat, kann außerdem ein Teil des Gases aus der Rezirkulationsleitung 13 abgelassen werden, um so die inerten Gase an die Umgebung abzugeben und die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf wieder zu erhöhen.
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Wie bereits erwähnt, weist das Brennstoffzellensystem 2 außerdem einen Kühlkreislauf 4 auf. Dieser Kühlkreislauf 4, welcher hier in vereinfachter Art dargestellt ist, weist einen Wärmetauscher 17 im Bereich der Brennstoffzelle 3 auf. Dieser wird von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt, welches die Abwärme der Brennstoffzelle aufnimmt. Dieses Kühlmedium strömt dann in den Bereich eines Kühlwärmetauschers 18, um die aufgenommene Wärme dort abzugeben. Der Kühlkreislauf 4 weist außerdem eine Kühlmittelfördereinrichtung 19 zur Förderung des flüssigen Kühlmittels auf. Außerdem sind weitere Wärmetauscher 20, 21, 22 sowie drei Bypassleitungen 23, 24, 25 vorgesehen. Jede der Bypassleitungen 23, 24, 25 ist dabei über eine Ventileinrichtung 26, 27, 28 so ansteuerbar, dass das Kühlmedium entweder durch den Bypass oder teilweise durch den Bypass oder gar nicht durch den Bypass strömt. Der mit 23 bezeichnete Bypass ist dabei um den Kühlwärmetauscher 18 vorgesehen und kann insbesondere im Startfall des Brennstoffzellensystems 2 verwendet werden, um die Brennstoffzelle 3 schnellstmöglich aufzuheizen und ihre Abwärme nicht an die Umgebung wegzukühlen. Der Bypass 25 mit der Ventileinrichtung 27 um den Wärmetauscher 22 im Bereich des Befeuchters 8 sowie der Bypass 24 mit der Ventileinrichtung 28 um die beiden Wärmetauscher 20, 21 im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 14 beziehungsweise des Wasserabscheiders 15 werden im späteren Verlauf noch näher erläutert werden.
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Nun ist es so, dass in den Brennstoffzellensystemen 2 in den Leitungselementen zwischen der Brennstoffzelle 3 und den Komponenten 7, 8, 9, 14, 15 typischerweise feuchte Gasströme strömen. Diese können neben der dampfförmig gebundenen Feuchtigkeit auch Flüssigkeit aufweisen. Kommt es nun zu einem Abstellen des Brennstoffzellensystems 2 in dem Fahrzeug 1, dann wird während der Abkühlphase des Brennstoffzellensystems 2 das in dem feuchten Gas gasförmig vorliegende Wasser kondensieren, sobald der Taupunkt unterschritten wird. Vor allem die Brennstoffzelle 3 ist dabei ein sehr großes Reservoir für gasförmig gebundenes Wasser beziehungsweise Kondensat, welches aus der Brennstoffzelle 3 ausdampft und durch Diffusions- und Konvektionsprozesse durch das Brennstoffzellensystem 2 wandert. Es wird sich dann typischerweise an der kältesten Stelle niederschlagen. Diese Diffusions- und Kondensationsprozesse sind um so stärker, je größer die Temperaturdifferenz zwischen den Kondensatquellen, welche hier die Brennstoffzelle 3 umfassen, und den Systemkomponenten, beispielsweise den Befeuchter 8, die Turbine 9 den Wasserabscheider 15 und die Rezirkulationsfördereinrichtung 14 umfassen, und welche als Kondensatsenken die Feuchtigkeit anziehen, welche in ihrem Bereich dann auskondensiert. Das Problem liegt nun darin, dass bei einem Abkühlen des Brennstoffzellensystems 2 unter den Gefrierpunkt im Bereich dieser Systemkomponenten 8, 9, 14, 15 oder auch anderer der Systemkomponenten 7, 16 das kondensierte Wasser gefrieren kann. Dadurch werden Leitungswege verstopft, Ventile blockiert, Laufräder blockiert oder dergleichen. Für einen Wiederstart des Brennstoffzellensystems 2 müssen diese Komponenten erst aufwändig aufgetaut werden, was zeit- und energieintensiv ist. Die Problematik tritt vor allem dann auf, wenn große Temperaturdifferenzen zwischen der Brennstoffzelle 3 als Kondensatquelle und den genannten Systemkomponenten 7, 8, 9, 14, 15, 16 auftreten. Da die Brennstoffzelle 3 als Einzelkomponente die größte thermische Masse hat, bleibt sie auch nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 2 vergleichsweise lange warm und bildet somit sehr lange eine Kondensatquelle.
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Es hat sich nun gezeigt, dass dieser Problematik dadurch entgegengewirkt werden kann, dass die Systemkomponenten 7, 8, 9, 14, 15, 16 und hier insbesondere die hinsichtlich des Einfrierens kritischen Systemkomponenten 8, 9, 14, 15, 16 wie beispielsweise der Befeuchter 8, die Turbine 9, der Wasserabscheider 15 beziehungsweise das Ventil 16 des Wasserabscheiders 15 sowie die Rezirkulationsfördereinrichtung 14 entsprechend warm gehalten werden, sodass keine oder keine allzu große Temperaturdifferenz zwischen dem Brennstoffzellenstapel 3 und den erwähnten Systemkomponenten 8, 9, 14, 15, 16 während des Abkühlens auftritt. Besonders wichtig ist dabei die erste Abkühlphase, weil in dieser das vergleichsweise warme Gas noch besonders viel Feuchtigkeit enthält. Um nun eine möglichst gleichmäßige Abkühlung zu realisieren und Temperaturdifferenzen allenfalls in der Größenordnung von bis zu 20 K oder vorzugsweise nur bis zu 10 K zwischen der Brennstoffzelle 3 und den genannten Systemkomponenten 8, 9, 14, 15, 16 zu erhalten, können verschiedene Maßnahmen jeweils alleine oder kombiniert miteinander vorgesehen werden.
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Eine erste Maßnahme besteht darin, dass die Systemkomponenten 8, 9, 14, 15, 16 entsprechend thermisch isoliert werden. Eine thermische Isolierung 29, 30, 31 wird dabei je nach thermischer Masse beziehungsweise Wärmekapazität der Systemkomponente, beispielsweise 8, 14 und der Brennstoffzelle 3 so ausgeführt, dass entsprechend dieser Wärmekapazität eine unterschiedliche Isolierwirkung auftritt. Dies kann beispielsweise durch die Dicke oder die Materialwahl der Isolierung 29, 30, 31 realisiert werden. In der Darstellung ist rein beispielhaft eine solche Isolierung 29, 30, 31 im Bereich des Befeuchters 8, der Brennstoffzelle 3 und der Rezirkulationsfördereinrichtung 14 dargestellt. Die einzelnen Isolierungen sind mit den Bezugszeichen 29, 30, 31 bezeichnet. Es ist zu erkennen, dass im Bereich der Brennstoffzelle 3 die dort angebrachte Isolierung 30 beispielhaft dargestellt eine deutlich geringere Wandstärke aufweist, als die Isolierung 31 im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 14, weil die Brennstoffzelle 3 eine deutlich höhere Wärmekapazität als die Rezirkulationsfördereinrichtung 14 hat. Noch leichter und damit noch schneller auskühlend ist beispielsweise der Befeuchter 8 ausgebildet, sodass die dort dargestellte Isolierung 29 die größte Wandstärke aufweist. Durch eine geeignete Wahl der Isolierungen 29, 30, 31, wobei selbstverständlich auch die Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Komponenten isoliert werden sollten, kann so ein sehr gleichmäßiges Abkühlen des Brennstoffzellensystems 2 erreicht werden. Dadurch fällt sehr viel weniger Kondensat an, als ohne diese Maßnahme.
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Eine zweite alternative oder ergänzende Maßnahme besteht darin, die entsprechenden Komponenten wärmeleitend miteinander zu verbinden. Dies ist über mechanische Wärmeleitelemente möglich, welche in der Darstellung beispielhaft dargestellt und mit den Bezugszeichen 32, 33 versehen sind. Das Wärmeleitelement 32 verbindet dabei die Brennstoffzelle 3 mit dem Befeuchter 8 und stellt somit ein gleichmäßiges Abkühlen dieser beiden Komponenten sicher. Das zweite Wärmeleitelement 33 ist so ausgebildet, dass es den Wasserabscheider 15 mit der Rezirkulationsfördereinrichtung 14 und der Brennstoffzelle 3 entsprechend verbindet und ebenfalls für ein sehr gleichmäßiges Abkühlen dieser drei Komponenten zueinander sorgt.
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Eine weitere Möglichkeit der wärmeleitenden Verbindung der Brennstoffzelle 3 mit beispielsweise dem Befeuchter 8, dem Wasserabscheider 15 und der Rezirkulationsfördereinrichtung 14 ist durch die Ausgestaltung des Kühlkreislaufs 4 gegeben. Werden die Ventileinrichtungen 27, 28 so eingestellt, dass die Wärmetauscher 20, 21, 22 von dem Kühlmedium durchströmt werden, dann kommt es zu einem Temperaturausgleich im gesamten Kühlkreislauf 4, also zwischen der Brennstoffzelle 3 mit ihrem Wärmetauscher 17 und dem Befeuchter 8 mit dem Wärmetauscher 22, dem Wasserabscheider 15 und der Ventileinrichtung 16 mit dem Wärmetauscher 21 sowie der Rezirkulationsfördereinrichtung 14 mit dem Wärmetauscher 20. Wird nun während des Abstellens des Brennstoffzellensystems 1 durch die Kühlmittelfördereinrichtung 19 der Kühlmittelstrom aufrechterhalten, so kommt es zu einem sehr gleichmäßigen Abkühlen. Das gleichmäßige Abkühlen kann dadurch verstärkt werden, dass über die Ventileinrichtung 26 der gesamte Kühlmittelstrom in dem Bypass 23 um den Kühlwärmetauscher 18 geleitet wird. Dann kommt es zu einem sehr langsamen und gleichmäßigen Abkühlen, da keine direkte Abkühlung des Kühlmediums auftritt und dieses mit sehr homogener Temperatur in dem verbleibenden Teil des Kühlkreislaufs 4 zirkuliert und somit alle Komponenten mit Wärmetauschern 20, 21, 22, 17, welche von dem Kühlmedium durchströmt werden, sehr gleichmäßig temperiert.
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Eine weitere Möglichkeit ist rein beispielhaft im Bereich des Befeuchters 8 dargestellt. Dieser zeigt einen elektrischen Heizwiderstand 34, welcher zur Beheizung des Befeuchters 8 genutzt werden kann. Auch dies kann zur gleichmäßigen Abkühlung der Komponenten des Brennstoffzellensystems 2 eingesetzt werden. Hierfür ist dann eine Temperaturmessung notwendig. Wird festgestellt, dass der Befeuchter 8 schneller abkühlt als die anderen Komponenten, insbesondere schneller abkühlt als der Brennstoffzellenstapel 3, dann kann dieser elektrisch beheizt werden, um seine Abkühlung zu verzögern und somit die Temperaturdifferenz zwischen dem Befeuchter 8 und der Brennstoffzelle 3 möglichst gering, vorzugsweise unterhalb von 10 K zu halten. Ein derartiger Aufbau mit einem elektrischen Heizwiderstand 34 oder auch andersartig ausgebildeten Heizelementen ist nur im Bereich des Befeuchters 8 beispielhaft angedeutet. Er wäre so selbstverständlich auch für andere Komponenten möglich und denkbar. Insbesondere könnten hier bereits vorhandene Heizelemente für die Verfahrensführung eingesetzt werden, falls diese bei den bisherigen Systemen zum Auftauen der jeweiligen Komponente im Gefrierstartfall ohnehin vorhanden sind. Diese könnten dann auch beim Abkühlen zur Vergleichmäßigung der Temperatur des Abkühlens eingesetzt werden. Kommt es wider Erwarten dennoch zu einem Einfrieren der jeweiligen Komponente, dann hätte ein solcher Heizwiderstand 34 den entscheidenden Vorteil, dass er notfalls auch zum Auftauen der jeweiligen Komponente analog dem Stand der Technik weiterhin genutzt werden könnte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1371105 B1 [0003]
- DE 102007058868 A1 [0004]
- DE 102004020029 A1 [0005]
