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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Anodenkreislauf nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 9 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme, insbesondere PEM-Brennstoffzellensysteme, mit einem Anodenkreislauf sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie umfassen einen sogenannten Anodenkreislauf, welcher den Ausgang der Anode mit dem Eingang der Anode verbindet. In der Rezirkulationsleitung des Anodenkreislaufs ist eine Rezirkulationsgasfördereinrichtung angeordnet, um das Abgas vom Ausgang des Anodenraums zum Eingang des Anodenraums zurückzufördern. Das Abgas wird dem Eingang des Anodenraums dann vermischt mit frischem Gas, beispielsweise aus einem Druckgasspeicher, erneut zugeführt. Durch den Anodenkreislauf wird eine bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden aktiven Fläche der Brennstoffzelle im Anodenraum erzielt, da mit einem Überschuss an Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, gearbeitet werden kann. Hierdurch wird die zur Verfügung stehende Fläche ideal ausgenutzt. Der Überschuss von beispielsweise 10 bis mehrere 100 Prozent des benötigten Brennstoffs wird über die Rezirkulationsleitung zurückgeführt, geht also nicht verloren. Der zurückgeführte Brennstoff enthält außerdem Feuchtigkeit, sodass die Membranen in der Brennstoffzelle, welche typischerweise als PEM-Brennstoffzelle aufgebaut ist, ideal befeuchtet werden. Von Zeit zu Zeit reichert sich in dem Anodenkreislauf eine unerwünscht große Menge an Wasser und inerten Gasen, welche wie Stickstoff z. B. durch die Membranen der Brennstoffzelle aus einem Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren, oder als Verunreinigungen im Brennstoff selbst vorliegen.
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Diese können über einen Wasserabscheider und/oder ein Ventil von Zeit zu Zeit abgelassen werden.
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Nun ist es so, dass sich im Bereich der Brennstoffzelle Produktwasser sammelt, welches bei hohen Lasten und einem hohen Volumenstrom an Brennstoff und an rezirkuliertem Abgas aus den vergleichsweise engen Gasverteilungskanälen des Anodenraums noch ausreichend ausgetragen wird. Bei niedrigeren Lasten kann dieses Wasser jedoch zu Problemen führen, da flüssiges Wasser aufgrund des geringen Volumenstroms des durchströmenden Gases Kanäle und/oder Teile der Membranen beziehungsweise der sogenannten Gasdiffusionselektroden blockieren kann. Hierdurch geht aktive Zellfläche verloren und die Performance der Brennstoffzelle sinkt.
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Um den Wasseraustrag zu verbessern ist es in der japanischen Schrift
JP 2007-200725 A vorgeschlagen, über einen pulsierenden Betrieb eines Gebläses als Rezirkulationsgasfördereinrichtung größere Druckunterschiede in dem Anodenraum und der Rezirkulationsleitung zu schaffen, sodass der Austrag von flüssigem Wasser aus dem Anodenraum verbessert wird.
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Ferner ist aus der
JP 2010-044911 A ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreislauf bekannt. Im Anodenkreislauf dieses Brennstoffzellensystems ist ein Zwischenspeicher für das rezirkulierte Abgas angeordnet. Über Ventileinrichtungen, welche entsprechend geöffnet und wieder geschlossen werden, wird eine Druckpulsation in dem Anodenkreislauf aus denselben Gründen, wie beim zuvor genannten Stand der Technik, erzeugt. Druckpulsationen durch ein aktiv angesteuertes sich öffnendes und schließendes Ventil, also durch eine aktiv angesteuerte Querschnittsänderung zu erzeugen, wäre dabei prinzipiell auch ohne den Einsatz des Tanks als Pufferspeicher möglich.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung von Druckpulsationen in dem Anodenkreislauf wird durch die
US 7,320,840 B2 beschrieben. Als Rezirkulationsgasfördereinrichtung dient dabei eine sogenannte Gasstrahlpumpe bzw. Jetpump oder ein Ejektor. Derartige Reyzirkulationsgasfördereinrichtungen werden einerseits mit dem zu rezirkulierenden Abgasstrom aus der Rezirkulationsleitung versorgt und andererseits mit einem Treibgasstrom, welcher durch Ausbildung eines Unterdrucks und/oder einen Impulsaustausch für eine Förderung des rezirkulierten Gasstroms sorgt. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche aus einem Druckgasspeicher mit Wasserstoff als Brennstoff auf ihrer Anodenseite versorgt werden, ist dieser Aufbau allgemein bekannt und beliebt, da ohnehin ein unter hohem Druck stehender Treibgasstrom zur Verfügung steht, nämlich der des vom Druckgasspeicher in die Brennstoffzelle dosierte Volumenstroms an frischem Brennstoff. Über einen solchen Aufbau kann nun gemäß dem US-Patent eine Druckpulsation dadurch erzeugt werden, dass der Treibgasstrom pulsierend, beispielsweise durch einen Injektor, in die Rezirkulationsgasfördereinrichtung einströmt und somit für ein pulsierendes Ansaugen des Anodenabgases sorgt. Auch hierdurch ergibt sich ein pulsierender Gasstrom in dem Anodenkreislauf.
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Unabhängig davon, welche Art zur Erzeugung von Druckpulsationen in dem Anodenkreislauf nun eingesetzt wird, ist es, wie oben bereits erwähnt, immer so, dass beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Wasserstoff-, Stickstoff- oder Verunreinigungskonzentration in dem Anodenkreislauf Gas und gegebenenfalls Wasser aus dem Anodenkreislauf abgelassen werden muss. Bei einem Anodenkreislauf, welcher mit Druckpulsationen betrieben wird, ist dies außerordentlich schwierig, da aufgrund der Druckpulsationen die Menge und der Austrag von abgelassenem Gas und/oder Wasser sehr schwer zu bestimmen ist. Um in jedem Fall eine ausreichende Menge Inertgase abzulassen, sind also entsprechend längere Öffnungsdauern der Ventileinrichtung notwendig, welche je nach Betriebssituation mit gegebenenfalls hohen Verlusten an Wasserstoff einhergehen. Dies ist unerwünscht und verursacht unnötig hohe Emissionen an die Umgebung und vergeudet nutzbaren Brennstoff, welcher ansonsten in der Brennstoffzelle hätte umgesetzt werden können.
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Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik ist außerdem die
US 2009/0269634 A1 bekannt. Sie beschreibt in einem Brennstoffzellensystem das Ablassen von Restwasserstoff, indem ein Druckventil eingesetzt wird, welches ab einem gewissen Grenzdruck öffnet. Über eine aktive Druckregelung des Brennstoffzellensystems kann so, ohne eine mechanische oder elektrische Ansteuerung des Ablassventils realisieren zu müssen, ein gezieltes Ablassen beispielsweise durch eine Druckerhöhung in dem Brennstoffzellensystem bewirkt werden.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet, und welches einfach, effizient und mit kontrollierbaren minimalen Verlusten an Wasserstoff ein Abfassen von Gas und gegebenenfalls Wasser aus dem Anodenkreislauf ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem ist ein Brennstoffzellensystem im Anspruch 9 angegeben, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gut geeignet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Anodenkreislauf und einer Pulsationseinrichtung zur zumindest zeitweisen Erzeugung von Druckpulsationen in dem Anodenkreislauf wird erfindungsgemäß also so betrieben, dass die Ventileinrichtung zum Ablassen von Gas und gegebenenfalls Wasser aus dem Anodenkreislauf, während der Druck pulsiert, immer nur dann geöffnet wird, wenn der Druck in dem Gasstrom auf dem niedrigen Druckniveau ist. Das Ablassen von Gas, der sogenannte Purge, erfolgt also abgestimmt mit den Druckpulsationen in dem Anodenkreislauf immer dann, wenn ein niedriges Druckniveau vorliegt. Hierdurch wird die abgelassene Menge sehr gut kontrollierbar, sodass nicht zuviel Wasserstoff mit abgelassen wird. Außerdem wird durch ein Öffnen der Ventileinrichtung immer dann, wenn der Druck ohnehin niedrig ist, ein weiteres Absinken des Drucks erreicht. Damit ergibt sich ein noch größerer Unterschied zwischen dem höheren Druckniveau und dem niedrigeren Druckniveau, wenn gleichzeitig die Ventileinrichtung geöffnet ist. Hierdurch wird der Austrag von Wasser aus dem Anodenkreislauf und dem Anodenraum der Brennstoffzelle nochmals weiter verbessert.
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Für das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei unerheblich, wie die Druckpulsationen in dem Anodenkreislauf erzeugt werden. Diese können beispielsweise über aktive Pulsationseinrichtungen erzeugt werden. Solche aktiven Pulsationseinrichtungen sind aktiv angesteuerte Pulsationseinrichtungen, welche beispielsweise durch einen pulsierenden Betrieb eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses, das aktive Vergrößern und Verringern des durchströmbaren Querschnitts einer Ventileinrichtung oder ähnlichem erzeugt sind. In diesem Fall ist es gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Steuerung der Ventileinrichtung in Abhängigkeit der Steuerung der aktiven Pulsationseinrichtung erfolgt. Eine solche aktiv angesteuerte Pulsationseinrichtung wird durch eine Steuereinrichtung so angesteuert, dass das jeweils höhere und das niedrigere Druckniveau durch die aktive Ansteuerung ausgelöst werden. Hierdurch ist es zu jedem Zeitpunkt bekannt, welches Druckniveau gerade vorliegt bzw. welche, falls es aufgrund von Trägheiten in dem System zu zeitlichen Verzögerungen kommen wird, nach einer bekannten zeitlichen Verzögerung vorliegen wird. In dieser besonders günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dann die Ventileinrichtung in Abhängigkeit der Steuerung der aktiven Ventileinrichtung einfach und effizient so gesteuert werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden kann, und dass die Ventileinrichtung immer nur dann geöffnet wird, wenn der Druck in dem Gasstrom auf einem niedrigeren Druckniveau liegt.
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Alternativ dazu ist es auch möglich, dass die Druckpulsationen über eine passive Pulsationseinrichtung erzeugt werden. In diesem Fall kann beispielsweise ein bewegliches Element den durchströmbaren Querschnitt für den Gasstrom beeinflussen und mehr oder weniger stark verengen. Hierbei sind verschiedene Ausführungsformen denkbar. Beispielsweise kann das bewegliche Element außermittig um eine Drehachse so in der Strömung befestigt sein, dass dieses in die Strömung hineinragt. Mit zunehmendem Gegendruck baut sich eine Gegenkraft gegen die Gewichtskraft des beweglichen Elements auf, sodass dieses den Querschnitt vergrößert. Hierdurch erniedrigt sich der Gegendruck und das Element schwingt in den Bereich der Strömung zurück. Durch den sich dadurch verringernden Querschnitt baut sich wieder ein stärkerer Gegendruck auf und die Bewegung beginnt von Neuem. Eine solche Pulsationseinrichtung ist passiv und selbsttätig. Sie wird typischerweise nicht angesteuert und kann allenfalls bei hohen Volumenströmen aktiv oder passiv abgeschaltet werden. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher insbesondere für solche passiven Pulsationseinrichtungen vorgesehen, dass die Steuerung der Ventileinrichtung über einen gemessenen Druckwert in dem Anodenkreislauf erfolgt. Hierdurch muss keine Kenntnis über eine Steuerung der Pulsationseinrichtung vorliegen. Ein geeigneter Druck kann beispielsweise über einen ohnehin vorhandenen Drucksensor oder über einen speziell vorgesehenen Drucksensor vorzugsweise im Bereich des Anodenkreislaufs, in dem die Ventileinrichtung angebracht ist, erfasst werden. In Abhängigkeit dieses Drucks kann dann unabhängig davon, ob Kenntnis über die aktuelle Funktion der Pulsationseinrichtung besteht oder nicht, die Ventileinrichtung einfach und effizient angesteuert werden.
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Diese bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich insbesondere auch dann einsetzen, wenn die Druckpulsationen mit dem Anodenkreislauf von außerhalb des Anodenkreislaufs in diesen eingebracht werden, beispielsweise durch einen pulsierenden Treibstahl einer als Rezirkulationsgasfördereinrichtung eingesetzten Gasstrahlpumpe in dem Anodenkreislauf.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass das Ablassen von Gas und gegebenenfalls Wasser über wenigstens einen Parameter ausgelöst wird, wonach die Ventileinrichtung bei dem oder den nächsten Phasen mit niedrigerem Druckniveau geöffnet wird. In dieser besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nicht nur in Abhängigkeit des Druckniveaus die Ventileinrichtung geöffnet, sondern es werden beispielsweise herkömmliche Verfahren verwendet, um das Öffnen der Ventileinrichtung an sich zu bestimmen. Die entsprechenden Parameter können beispielsweise Zeitspannen und/oder unterschrittene Grenzwerte einer Wasserstoffkonzentration und/oder überschrittene Grenzwerte einer Stickstoff- oder Verunreinigungskonzentration, vorausberechnete oder gemessene anfallende Wassermengen oder dergleichen sein. Erst wenn über einen solchen Parameter bestimmt ist, dass die Ventileinrichtung zum Ablassen von Gas und gegebenenfalls Wasser geöffnet werden soll, dann wird eine Steuerung in dem erfindungsgemäßen Verfahren aktiviert, welche beispielsweise in Abhängigkeit einer vorgegebenen Öffnungsdauer die nächste Phase oder die nächsten Phasen mit niedrigerem Druckniveau abwartet, um genau dann während des niedrigeren Druckniveaus in dem Anodenkreislauf die Ventileinrichtung gezielt zu öffnen und Gas und gegebenenfalls Wasser aus dem Anodenkreislauf abzulassen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass oberhalb einer Last von 60 bis 80% der Nennlast der Brennstoffzelle, vorzugsweise von mehr als 70% der Nennlast der Brennstoffzelle, das Erzeugen der Druckpulsationen ausgesetzt wird, wobei das Öffnen der Ventileinrichtung dann unabhängig vom Druckniveau in dem Gasstrom erfolgt. Da bei hohen Lasten der Brennstoffzelle und damit einhergehenden hohen Volumenströmen in dem Anodenkreislauf der Austrag von Wasser aus dem Anodenkreislauf und dem Anodenraum der Brennstoffzelle eher unkritisch ist, kann in solchen Situationen das Verfahren zur Erzeugung der Druckpulsationen ausgesetzt werden. Deshalb kann es in diesen Fällen vorgesehen sein, dass auch das erfindungsgemäße Verfahren ausgesetzt wird, und dass das Öffnen der Ventileinrichtung unabhängig vom Druckniveau erfolgt. Es kann dann beispielsweise anhand der oben beschriebenen Parameter unmittelbar ausgelöst werden, ohne ein bestimmtes Druckniveau abzuwarten. Sinkt die Last der Brennstoffzelle wieder unter den vorgegebenen Grenzwert und es werden wieder Druckpulsationen in dem Anodenkreislauf erzeugt, dann wird das erfindungsgemäße Verfahren wieder aktiviert und das Öffnen der Ventileinrichtung erfolgt, zumindest nachgeordnet zu einem Auslösen durch andere Parameter, in Abhängigkeit des jeweiligen Druckniveaus.
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Ein Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, weist in jedem Fall einen Anodenkreislauf zur Rückführung von Abgasen aus einem Anodenraum zum Eingang des Anodenraums mit einer Rezirkulationsgasfördereinrichtung und wenigstens einer Ventileinrichtung zum Ablassen von Gas und gegebenenfalls Wasser aus dem Anodenkreislauf auf. Außerdem umfasst es eine Pulsationseinrichtung, welche an beliebiger Stelle in dem Anodenkreislauf oder beispielsweise im Bereich des Treibstrahls einer Gasstrahlpumpe angeordnet sein kann und welches zur Erzeugung von Druckpulsationen zwischen einem hohen Druckniveau und einem niedrigeren Druckniveau in dem rezirkulierten Gasstrom geeignet ist. Ein Brennstoffzellensystem dieser Art weist dann außerdem wenigstens eine Steuerungseinrichtung auf. Erfindungsgemäß ist diese Steuerungseinrichtung dafür ausgebildet, die Ventileinrichtung, solange Druckpulsationen auftreten, immer nur dann zu öffnen, wenn der Druck in dem Gasstrom auf dem niedrigeren Druckniveau ist. Mit einem solchen Brennstoffzellensystem in der genannten Art und Weise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise durch eine entsprechende Programmierung in der Steuerungseinrichtung umsetzen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des hierfür verwendeten Brennstoffzellensystems ergeben sich ferner aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;
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2 einen Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform;
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3 eine mögliche Ausführungsform einer passiven Pulsationseinrichtung;
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4 eine mögliche alternative Ausführungsform einer passiven Pulsationseinrichtung; und
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5 eine mögliche Ausführungsform einer Feststelleinrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer ersten möglichen Ausführungsform dargestellt. Es soll in einem beispielhaft angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein. Der Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3. Diese ist als PEM-Brennstoffzellenstack ausgebildet. Die Brennstoffzelle 3 umfasst einen Anodenraum 4 sowie einen Kathodenraum 5. Über eine angedeutete Luftfördereinrichtung 6 soll dem Kathodenraum 5 Luft als Sauerstofflieferant in an sich bekannter Art und Weise zugeführt werden. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt dann an die Umgebung. Dies ist sehr stark vereinfacht und rein beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich könnte zwischen Zuluft und Abluft noch ein Modul zum Austausch von Wärme und/oder Feuchtigkeit angeordnet sein, oder es kann im Bereich der Abluft eine Turbine angeordnet sein, um Energie aus der Abluft zurückzugewinnen.
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Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird als Brennstoff Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt über ein Druckregel- und Dosierventil 8 in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit Inertgas, insbesondere Stickstoff, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 vom Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert ist, und zusammen mit einem Teil des Produktwassers der Brennstoffzelle 3 über eine Rezirkulationsleitung 9 zurück zum Eingang des Anodenraums 4, welchem das rezirkulierte Abgas zusammen mit frischem Wasserstoff wieder zugeführt wird. Dieser Aufbau wird auch als Anodenkreislauf bezeichnet und ist in der Darstellung der 1 mit dem Bezugszeichen 10 versehen.
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Um die Druckverluste im Anodenraum 4 und im Anodenkreislauf 10 auszugleichen, ist in an sich bekannter Art und Weise eine Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 vorgesehen. Diese ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Rezirkulationsgebläse ausgebildet. Nun ist es so, dass sich in den Anodenkreislauf 10 mit der Zeit Wasser und inerte Gase anreichern. Diese müssen beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit von entstandenen Stoffmengen und/oder Stoffkonzentrationen abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der 1 ein Wasserabscheider 12 mit einem Ablassventil für das Wasser vorgesehen. Außerdem ist eine Ablassleitung mit einem Ablassventil 13 in dem Anodenkreislauf 10 vorgesehen. Diese Ablassleitung mit dem Ablassventil 13 dient zum Ablassen von Gasen, insbesondere den sich anreichernden inerten Gasen in dem Anodenkreislauf 10. Der Vorgang wird dem englischen Begriff folgend häufig auch als Purge genannt. Das Ablassventil 13 wird deshalb auch als Purge-Ventil 13 bezeichnet. In dem Anodenkreislauf 10 ist außerdem eine Pulsationseinrichtung 14 angeordnet, auf welche später noch näher eingegangen wird.
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In der Darstellung der 2 ist ein vergleichbares Brennstoffzellensystem 1 in einem Fahrzeug 2 dargestellt. Soweit die Bauteile dieselben sind, tragen diese auch dieselben Bezugszeichen. Nachfolgend wird daher lediglich auf die Unterschiede im Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 nochmal näher eingegangen. Der erste Unterschied ist im Bereich der Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 zu finden. Die Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 ist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als sogenannte Jet-Pump oder Gasstrahlpumpe ausgeführt. Die Gasstrahlpumpe wird dabei von dem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 7 als Treibgasstrom angetrieben und sorgt durch Impulsaustausch und/oder einen durch den Treibgasstrom erzeugten Unterdruck dafür, dass das Abgas aus der Rezirkulationsleitung 9 zusammen mit dem Treibgasstrom dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wieder zugeführt wird. Neben der Verwendung eines Rezirkulationsgebläses oder einer Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 wäre auch die Verwendung einer Kombination dieser beiden Ausführungsformen denkbar.
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Ein weiterer Unterschied des in 2 dargestellten Brennstoffzellensystems 1 in der Position der Pulsationseinrichtung 14 zu erkennen. Diese ist anders als in der Darstellung der 1 nicht im Anodenkreislauf 10 angeordnet, sondern im Bereich des Treibgasstroms, welcher zu der als Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 genutzten Gasstrahlpumpe strömt.
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Die bereits erwähnte und in den 1 und 2 dargestellte Pulsationseinrichtung 14 dient dazu, den Gasstrom in dem Anodenkreislauf in einen pulsierenden Gasstrom zu verwandeln, um durch die Druckdifferenzen den Austrag von Wasser aus dem Anodenraum 4 zu verbessern. Die Pulsationseinrichtung 14 kann, wie bereits erwähnt, in dem Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 angeordnet sein. Dies ist in der Darstellung der 2 zu erkennen. Sie kann ergänzend oder alternativ dazu in dem Anodenkreislauf 10 angeordnet sein, beispielsweise zwischen dem Wasserabscheider 12 und dem Purge-Ventil 13, so wie dies in der Darstellung der 1 zu erkennen ist. Ergänzend oder alternativ dazu wäre es auch möglich, die Pulsationseinrichtung 14 an beliebiger anderer Stelle innerhalb des Anodenkreislaufs 10 anzuordnen, also beispielsweise in Strömungsrichtung des rezirkulierten Gasstroms nach dem Purge-Ventil 13 oder auch in dem Bereich, in dem der rezirkulierte Gasstrom bereits wieder mit dem frischen Brennstoffstrom vermischt zu dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 strömt. Eine weitere Möglichkeit zur Realisierung der Pulsationseinrichtung kann auch im Bereich der als Rezirkulationsgebläse ausgebildeten Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 der 1 liegen. In diesem Fall kann durch eine entsprechende Ansteuerung des Rezirkulationsgebläses ein pulsierender Betrieb des Rezirkulationsgebläses erzielt werden. Auch hierdurch lassen sich Pulsationen in Druck- und Volumenstrom innerhalb des Anodenkreislaufs 10 erzeugen. Um dies zu symbolisieren trägt die Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 in der Darstellung der 1 das zusätzliche Bezugszeichen 14.
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Ungeachtet der genauen Anordnung der Pulsationseinrichtung 14 in dem Treibgastrom oder an beliebiger Stelle in dem Anodenkreislauf 10 besteht nun jeweils die Möglichkeit, die Pulsationseinrichtung 14 entweder aktiv oder passiv auszubilden. Ein Beispiel für eine aktive Pulsationseinrichtung 14 ist bereits beschrieben worden, es handelt sich dabei um die Verwendung der als Rezirkulationsgebläse ausgebildeten Rezirkulationsgasfördereinrichtung 11 zur Erzeugung von Druckpulsationen. Eine Alternative für eine aktiv angesteuerte Pulsationseinrichtung 14 kann beispielsweise ein aktiv angesteuertes Ventil, beispielsweise ein Proportionalventil sein, welches entsprechend der gewünschten Druckpulsationen in seinem durchströmbaren Querschnitt immer wieder vergrößert und verringert wird. Ebenso wäre es denkbar, pulsierend angesteuerte Auf/Zu-Ventile einzusetzen, welche ebenfalls für Druckpulsationen in der gewünschten Art und Weise sorgen. Dies könnte insbesondere auch so realisiert sein, dass ein kleiner Teil des Volumenstroms kontinuierlich strömt, während ein großer Teil des Volumenstroms über ein Auf/Zu-Ventil, beispielsweise ein pulsiert angesteuertes Magnetventil, in Pulsationen versetzt wird.
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Neben solchen aktiven Pulsationseinrichtungen 14, für welche sicherlich auch noch weitere Ausführungsformen denkbar, möglich und dem Fachmann geläufig sind, ist es auch möglich, die Pulsationseinrichtungen 14 als passive Pulsationseinrichtungen auszubilden. Eine solche passive Pulsationseinrichtung kann dabei so ausgebildet sein, dass ein bewegliches Element sich selbsttätig durch eine über die Strömung verursachte veränderliche Kraft und eine sich dann aufbauende Gegenkraft pulsierend bewegt.
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In der Darstellung der 3 ist ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel für eine solche Pulsationseinrichtung 14 zu erkennen. Die Pulsationseinrichtung 14 in der Ausgestaltung gemäß 3 besteht im Wesentlichen aus einer Klappe 16, welche das bewegliche Element bildet. Die Klappe 16 ist in idealer Weise auf einer Seite, und zwar aus Richtung des anströmenden Gasstroms vorne, kugelgelagert drehbeweglich befestigt. über ihre Gewichtskraft und eventuell die Kraft einer hier beispielhaft angedeuteten Feder 17, welche vorzugsweise als Torsionsfeder im Bereich der Lagerung ausgebildet ist, wird sich die Klappe 16 im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 nach unten bewegen. Sie ragt dann aus der Stoßdruckkammer 18, in welcher sie angeordnet ist, über die Verbindung zu dem Leitungselement 19 für den Gasstrom in die Strömung des Gasstroms hinein. Sie staut die Strömung des Gasstroms dadurch auf. Mit höherem sich ausbildendem Staudruck nimmt die Kraft auf die Klappe 16 entgegen der Gewichtskraft und der Federkraft entsprechend zu, sodass die Klappe 16, wie durch den Doppelpfeil angedeutet, in Richtung der Stoßdruckkammer 18 nach oben und in diese hinein bewegt wird. Dadurch kann der Gasstrom frei durch das Leitungselement 19 strömen und der Staudruck, welcher sich in Strömungsrichtung vor der Klappe 16 aufgebaut hat, baut sich entsprechend ab. Dadurch gewinnt wieder die Gegenkraft, hier also die Gewichtskraft und die Federkraft auf die Klappe, die Überhand, sodass die Klappe wiederum in die Strömung hineingedrückt wird und der Ablauf von vorne beginnt. Dadurch ergibt sich ein pulsierender Gasstrom. Bei niedrigen Lasten funktioniert dies hervorragend und die Klappe 16 führt eine pulsierende Bewegung aus, welche den pulsierenden Gasstrom erzielt. Bei höheren Lasten, bei denen eine Pulsation des Gasstroms nicht mehr unbedingt notwendig und teilweise sogar unerwünscht ist, wird die Klappe 16 durch den Strömungsdruck weitgehend offengehalten und verbleibt überwiegend im Bereich der Stoßdruckkammer 18. Sie beeinflusst die Strömung des Gasstroms dann nur noch minimal, sodass die Druckpulsationen mit höherer Strömungsgeschwindigkeit und höherem Volumenstrom des rezirkulierten Gasstroms selbstregelnd abnehmen. Die Pulsationseinrichtung 14 ist dabei selbsttätig und benötigt keinerlei Einfluss über eine Steuerung oder Regelung von außen. Lediglich Federkraft und Gewichtskraft der Klappe 16 müssen auf den jeweiligen Anwendungsfall bei der Konstruktion der Pulsationseinrichtung 14 abgestimmt und ausgelegt werden. In der Darstellung der 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Pulsationseinrichtung 14 zu erkennen. Diese nutzt das sogenannte hydrodynamische Paradoxon. An das Leitungselement 19 für den anströmenden Gasstrom schließt sich hierbei eine Austrittsdüse 20 an. Diese besteht aus einer Düsenöffnung 21, hier praktisch das Ende des Leitungselements 19, sowie einem als Fortsatz 22 bezeichneten Teil. Dieser kann beispielsweise als kreisringförmige Scheibe ausgebildet sein. Es wäre auch denkbar, dass der Fortsatz 22 eine andere Form, beispielsweise die Form eines Trichters, aufweist. In Strömungsrichtung auf die Austrittsöffnung folgend befindet sich ein Umlenkelement 23. Dieses korrespondiert in seiner Form mit dem Fortsatz 22, ist also in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als kreisförmige Scheibe ausgebildet. Bei der prinzipiell ebenso möglichen Ausgestaltung des Fortsatzes 22 in der Art des bereits erwähnten Trichters müsste das Umlenkelement 23 dann dementsprechend in der Art eines Kegels ausgebildet sein.
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Die Funktionalität der Pulsationseinrichtung 14 ist nun die, dass durch das Umlenkelement 23 die Strömung nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung 22 entsprechend umgelenkt wird. Die umgelenkte Strömung strömt dann durch den in 4 erkennbaren Spalt 24 zwischen dem Umlenkelement 23 und dem Fortsatz 22 der Austrittsdüse 21 hindurch. Aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeit in dem Spalt 24 herrscht im Bereich des Spalts 24 ein kleinerer Druck als in der Umgebung des Aufbaus, und insbesondere im Bereich des Umlenkelements 23 auf seiner der Austrittsöffnung 21 abgewandten Seite. Das Umlenkelement 23 wird dadurch mit steigender Strömungsgeschwindigkeit zunehmend in Richtung der Austrittsöffnung 21 gedrückt. Sobald der Druck so hoch wird, dass das Umlenkelement 23 den Fortsatz 22 berührt, verschließt es die Austrittsöffnung 21 und der Spalt 24 fällt weg. Dadurch gleicht sich der Druck zwischen dem Fortsatz 22 und dem Umlenkelement 23 sofort auf den in der Umgebung herrschenden Druck an. Das Umlenkelement 23 wird dadurch nicht mehr in Richtung des Fortsatzes 22 gedrückt, sodass der Spalt 24 wieder entsteht und die Strömung durch den Spalt 24 von Neuem beginnt. Mit zunehmender Strömung verringert sich dann der Druck im Spalt 24 wieder, dieser wird entsprechend kleiner und der beschriebene Vorgang wiederholt sich. Das Ergebnis ist ein nach der Pulsationseinrichtung 14 pulsierender Gasstrom.
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Ungeachtet der Ausgestaltung der Pulsationseinrichtung 14 als aktive oder passive Pulsationseinrichtung 14 ist es nun so, dass über eine in den 1 und 2 dargestellte Steuereinrichtung 25 bzw. ein Steuergerät 25 das Öffnen des Purge-Ventils 13 gesteuert wird. Vorzugsweise wird in dem Steuergerät 25 zuerst analog zu einem herkömmlich aufgebauten System ohne Druckpulsationen oder ohne die Berücksichtigung von Druckpulsationen beim Abfassen von Gas anhand geeigneter Parameter festgelegt, dass Gas abgelassen werden soll. Solche Parameter können beispielsweise zeitgesteuert sein, wobei die Größe der Zeitspanne insbesondere auch über eine seit der letzten Zeitspanne kumulierte Last der Brennstoffzelle 3 entsprechend gewichtet werden kann. Ergänzend oder alternativ dazu können Wasserstoffkonzentrationen, Stickstoff- oder Verunreinigungskonzentrationen oder die Ansammlung von Wasser in dem Wasserabscheider 12 bei der Ansteuerung des Purge-Ventils 13 in an sich bekannter Art und Weise berücksichtigt werden. Zusätzlich zu einem solchen Feststellen, dass ein Purge notwendig bzw. sinnvoll ist, ist es hier nun so, dass über das Steuergerät 25 zusätzlich der Purge nur dann erfolgt, wenn der Druck in dem Anodenkreislauf 10, welcher aufgrund der Druckpulsationen zwischen einem niedrigen und einem hohen Druckniveau hin und her schwankt, auf dem niedrigen Druckniveau ist. Je nach Frequenz der Pulsationen wird dann während eines Teils des niedrigen Druckniveaus, während des gesamten niedrigen Druckniveaus oder auch während mehrerer aufeinanderfolgender niedrigerer Druckniveaus das Purge-Ventil 13 geöffnet, bis die gewünschte Menge an Gas abgelassen ist. Diese Menge kann beispielsweise durch Konzentrationen, zeitgesteuert oder durch eine Bestimmung der Konzentration an Wasserstoff in dem abgelassen Gas bestimmt werden. Das Gas kann an die Umgebung oder an einen katalytisch aktiven Bereich abgelassen werden. Dieser kann ein eigener Katalysator sein oder bei einem Ablassen in die Zuluft zu der Brennstoffzelle 3 auch der im Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 ohnehin vorhandene Katalysator.
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In den Darstellungen der 1 und 2 ist zu erkennen, dass von den Pulsationseinrichtungen 14 zu dem Steuergerät 25 Signalleitungen führen. Diese sind immer dann sinnvoll, wenn es sich bei den Pulsationseinrichtungen 14 um aktiv angesteuerte Pulsationseinrichtungen 14 handelt. Dann ist aufgrund des Steuerungszustands der Pulsationseinrichtung 14 typischerweise bekannt, welches Druckniveau in dem Anodenkreislauf 10 bzw. gegebenenfalls unter Berücksichtigung einer konstanten zeitlichen Verzögerung im Bereich des Purge-Ventils 13 vorliegt. Die Steuerung des Purge-Ventils 13 über die Steuerungseinrichtung 25 kann also einfach und effizient anhand der Daten der aktiv angesteuerten Pulsationseinrichtungen 14 erfolgen. Ist dies zu ungenau, zu aufwändig oder, wie beim Einsatz von passiven Pulsationseinrichtungen 14 nicht möglich, dann kann ergänzend oder alternativ dazu ein Drucksensor 26 verwendet werden, welcher entweder in dem Brennstoffzellensystem 1 bzw. seinem Anodenkreislauf 10 ohnehin vorhanden ist oder eigens für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt wird. In der Darstellung der 1 ist ein solcher Drucksensor 26 im Bereich der Abzweigung der Ablassleitung mit dem Purge-Ventil 13 aus dem Anodenkreislauf 10 angeordnet. Das Steuergerät wertet die Daten dieses Drucksensors 26 aus und stellt dadurch sicher, dass ein Öffnen des Purge-Ventils 13 immer nur dann erfolgt, wenn in dem Anodenkreislauf 10 das niedrigere Druckniveau vorliegt.
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Das Verfahren kann prinzipiell für alle Lasten des Brennstoffzellensystems 1 unverändert so eingesetzt werden. Nun ist es jedoch so, dass bei höheren Lasten des Brennstoffzellensystems 1 bzw. der Brennstoffzelle 3, die Volumenströme an Brennstoff und rezirkuliertem Abgas größer werden. Ab einer Last von etwa 70% der Nennlast der Brennstoffzelle sind die Volumenströme dann so groß, dass ein ausreichender Austrag von Wasser auch ohne eine Druckpulsation in dem Anodenkreislauf 10 gewährleistet werden kann. Für diesen Fall kann es vorgesehen sein, die Pulsationseinrichtungen 14 abzuschalten, um so ein energieeffizienteres System zu erhalten, welches aufgrund der sich nicht verändernden Querschnitte oder Strömungswiderstände einen höheren Wirkungsgrad aufweist. Für diesen Fall kann das soeben beschriebene Verfahren dann ausgesetzt werden, sodass über das Steuergerät 25 immer dann das Auslassventil geöffnet wird, wenn dies beispielsweise aufgrund der Zeit, der Konzentrationen oder dergleichen notwendig ist, ohne dass das Druckniveau in dem Anodenkreislauf 10, welches dann typischerweise in etwa konstant ist, mit berücksichtigt wird.
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Ein solches Abschalten der Pulsationseinrichtungen 14 ist bei den aktiv betätigten Pulsationseinrichtungen selbstverständlich problemlos möglich. Auch bei den passiven Pulsationseinrichtungen ist dies durchaus möglich und denkbar. Für diesen Fall kann eine Feststelleinrichtung 27 vorgesehen sein, über welche sich das bewegliche Element, also die Klappe 16 oder das Umlenkelement 23, fixieren lässt. Beispielsweise könnte die Feststelleinrichtung 27 als Elektromagnet ausgebildet sein, wenn das bewegliche Element 16, 23 aus einem magnetisierbaren Material besteht. So könnte beispielsweise die Klappe 16 in ihrer oberen Position festgehalten werden, oder das Umlenkelement 23 in der den maximalen durchströmbaren Spalt 24 freigebenden Position. Alternativ zu einer solchen Feststelleinrichtung 27 ist in der Darstellung der 5 eine mögliche Ausführungsform einer mechanischen Feststelleinrichtung 27 dargestellt. Eine solche Feststelleinrichtung 27 kann beispielsweise bei der Ausgestaltung des beweglichen Elements als Klappe 16 auf der der drehbaren Lagerung der Klappe 16 abgewandten Seite der Stoßdruckkammer 18 angeordnet sein. Bei der Ausgestaltung des beweglichen Elements als Umlenkelement 23 wären idealerweise drei oder mehr gleichmäßig über den Umfang des Umlenkelements 23 verteilt angeordnete Feststelleinrichtungen 27 möglich. In der Darstellung der 5 ist die Ausrichtung der Darstellung so gewählt, dass diese im Wesentlichen der Darstellung in 3 entspricht. Bei der Verwendung mit dem Umlenkelement 23 als beweglichem Element wäre der Spalt 24 in der in 5 dargestellten Ausführungsform unterhalb des dort in seiner Endposition gezeichneten beweglichen Elements 16, 23 zu verstehen. Die Pulsation des beweglichen Elements 16, 23 ist durch den Doppelpfeil angedeutet. Die Feststelleinrichtung 27 weist eine Sperrklinke 28 auf, welche beispielsweise durch die Kraft einer Feder 29 in Richtung des beweglichen Elements 16, 23 gedrückt wird, wenn das bewegliche Element 16, 23 fixiert werden soll. Da typischerweise die Position des beweglichen Elements 16, 23 zum Zeitpunkt der Aktivierung der Feststelleinrichtung 25 nicht bekannt ist, ist der in 5 dargestellte Aufbau von besonderem Vorteil. Befindet sich das bewegliche Element 16, 23 bereits oberhalb der Sperrklinke 28, dann wird es dort verbleiben. Befindet es sich noch unterhalb der Sperrklinke 28, dann wird es nach oben gegen eine schräge Fläche 30 der Sperrklinke 28 bewegt. Die Sperrklinke 28 wird gegen die Kraft der Feder 29 zurückgeschoben und das bewegliche Element 16, 23 kann die Sperrklinke 28 passieren. Durch die Kraft der Feder 29 wird die Sperrklinke dann wieder in die in 5 dargestellte Position gedrückt und das bewegliche Element 23 wird oberhalb der Sperrklinke 28 festgehalten. Zusätzlich kann über einen Aktuator 31 eine aktive Ansteuerung der Sperrklinke 28 erfolgen, sodass diese beispielsweise gegen die Kraft der Feder 29 aus dem Eingriffsbereich des beweglichen Elements 16, 23 bewegt werden kann, wenn die Pulsation nicht unterbrochen werden soll. Auch eine Bewegung in die in 5 dargestellte Position durch den Aktuator 31 bei Bedarf ist möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2007-200725 A [0005]
- JP 2010-044911 A [0006]
- US 7320840 B2 [0007]
- US 2009/0269634 A1 [0009]
