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TECHNISCHES GEBIET
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Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffejektor.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Wenn Komponenten einer Wasserstoff-Brennstoffzelle, die Reaktionspartnerfluid und Wasser enthalten, Gefrierbedingungen ausgesetzt sind, können sie Betriebsprobleme aufgrund der Bildung von Eis erfahren, das sich während oder nach einer Inbetriebnahme der Brennstoffzelle bildet.
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Für ein ejektorbasiertes Brennstoffzellensystem mit einer passiven Rückführschleife auf der Anodenseite kann Wasser, das in dem Rückführstrom vorhanden ist, gefrieren, wenn das System bei kalten Umgebungstemperaturen oder während eines Kaltspülzyklus vor der Inbetriebnahme erstmalig betrieben wird. Zum Beispiel kann dieses Wasser gefrieren, wenn es erstmals in den Ejektor eintritt und mit kalten Oberflächen in Kontakt tritt. Als Alternative kann dieses Wasser etwas später in der Mischkammer gefrieren, wenn es auf den ankommenden Strom von kaltem frischem Wasserstoff auftritt, der aus dem primären Ejektoreinlass strömt. Für eine Brennstoffzellenanwendung in einem Fahrzeug hängt die Temperatur des frischen Wasserstoffs größtenteils von der Temperatur des Brennstofflagertanks ab, die wahrscheinlich mit der Umgebungstemperatur übereinstimmt. Außerdem wird die Mischung aus frischem und zurückgeführtem Wasserstoff, der durch den Ejektor strömt, weiter abgekühlt, während sie durch den Diffusor ausgedehnt wird, was eine weitere Gelegenheit zum Gefrieren des Wassers darstellt.
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Ejektoren sind Impulsübertragungsvorrichtungen, weshalb der durch sie herbeigeführte passive Rückführstrom von der Kompressionsarbeit abhängt, die von dem Ejektor ausgeführt wird. Druckabfälle innerhalb der Anodenschleife erhöhen die Kompressionsarbeit für den Ejektor und können den Rückführstrom einschränken. Der vorherrschende Druckabfall in der Anodenschleife ist der Brennstoffzellenstapel selbst, wobei Druckabfälle durch andere Komponenten minimiert werden müssen, damit der Ejektor und die Brennstoffzelle richtig funktionieren können. Daher stellt die Bildung von Eis irgendwo in der Anodenschleife, einschließlich des Ejektors, einen zusätzlichen Druckabfall dar, der die Degradation der Brennstoffzellenleistung verursachen kann, bis latente Wärme aus dem Brennstoffzellenbetrieb bewirkt, dass das Eis passiv schmilzt.
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Für eine Brennstoffzellenanwendung in einem Fahrzeug muss die Brennstoffzelle bei Gefriertemperaturen betrieben werden, die bei dem Fahrzeug auftreten können. Das Fahrzeug und die Brennstoffzelle können Temperaturen von –25 Grad Celsius oder sogar darunter ausgesetzt sein, was weit unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt. Betriebsprobleme im Zusammenhang mit kaltem Wetter müssen für ein Brennstoffzellenfahrzeug in Angriff genommen werden, damit dieses in Klimata mit extremen Umgebungstemperaturen betrieben werden kann und die Benutzererwartungen für das Fahrzeug erfüllt werden.
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KURZDARSTELLUNG
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In einer Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt. Ein Ejektor steht mit dem Brennstoffzellenstapel in Fluidverbindung und weist eine konvergierende-divergierende (CD) Düse mit einer Wasserstoffzuführdüse und einer Rückführleitung stromaufwärts eines Halses der CD-Düse auf. Eine Wärmequelle ist zum Erwärmen des Ejektors konfiguriert.
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In einer anderen Ausführungsform ist eine Wasserstoffzufuhranordnung für ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Ein Ejektor weist eine konvergierende-divergierende (CD) Düse und eine Mischkammer stromaufwärts der CD-Düse auf, wobei die Mischkammer eine Rückführleitung und eine Wasserstoffzuführdüse aufweist. Eine Wärmequelle ist zum Erwärmen des Ejektors konfiguriert.
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In noch einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zum Steuern einer Wasserstoffzufuhrvorrichtung für eine Brennstoffzelle bereitgestellt. Als Reaktion auf die Erkennung einer Erwärmungsbedingung bei einer Brennstoffzelleninbetriebnahme wird eine Wärmequelle zum Erwärmen eines Ejektors stromaufwärts eines Anodenstapels gesteuert, um die Bildung von Eis in dem Ejektor zu verhindern.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen damit in Zusammenhang stehende nicht einschränkende Vorteile auf. Eine Brennstoffzelle weist einen Ejektor an der Anodenseite des Stapels auf, der eine passive Rückführschleife antreibt. Wenn die Brennstoffzelle bei kalten Umgebungstemperaturen gestartet wird, kann sich in dem Ejektor Eis bilden und eine Verminderung der Brennstoffzellenleistung und Instabilitäten innerhalb des Systems verursachen. Der Ejektor und/oder das Wasserstoffzufuhrventil stromaufwärts des Ejektors weisen eine oder mehrere Wärmequellen wie Heizelemente auf, um die Bildung von Eis zu verhindern oder zu minimieren.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform;
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2 einen Ejektor in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem mit Bildung von Eis;
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3 ein Wasserstoffzufuhrventil und einen Ejektor gemäß einer Ausführungsform;
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4 einen Ejektor gemäß einer anderen Ausführungsform;
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5A den Druckabfall in dem Anodenstapel für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik unter Gefrierbedingungen bei der Inbetriebnahme;
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5B die Einlasstemperatur des Anodenstapels für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik unter Gefrierbedingungen bei der Inbetriebnahme;
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6A den Druckabfall in dem Anodenstapel für ein Brennstoffzellensystem mit einem Ventil und einem Ejektor gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Gefrierbedingungen bei Inbetriebnahme; und
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6B die Einlasstemperatur des Anodenstapels für ein Brennstoffzellensystem mit einem Ventil und einem Ejektor gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Gefrierbedingungen bei Inbetriebnahme.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin vorschriftsmäßig offenbart; jedoch muss man verstehen, dass die offenbarten Ausführungsformen die Erfindung rein beispielhaft darstellen und in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei einige Merkmale übertrieben oder minimiert dargestellt sein können, um Details bestimmter Komponenten aufzuzeigen. Daher sind spezifische hierin offenbarte strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren. Die Beschreibung der Bestandteile in chemischer Hinsicht bezieht sich auf die Bestandteile zu dem Zeitpunkt der Zugabe zu jeder beliebigen Kombination, die in der Beschreibung spezifiziert ist und schließt nicht unbedingt chemische Wechselwirkungen zwischen den Bestandteilen der Mischung aus, nachdem diese gemischt wurden.
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1 stellt schematisch ein Brennstoffzellensystem 10 als ein Prozessablaufdiagramm gemäß mindestens einer Ausführungsform dar. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem 10 in einem Fahrzeug verwendet werden, um elektrische Energie zum Betreiben eines Elektromotors bereitzustellen, um den Motor anzutreiben oder andere Fahrzeugfunktionen auszuführen. Das Brennstoffzellensystem 10 kann eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) gemäß dem Stand der Technik sein. Andere Systemarchitekturen können für das Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung ebenfalls verwendet werden.
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Das Brennstoffzellensystem 10 weist einen Brennstoffzellenstapel 12 auf. Der Stapel 12 enthält eine Anodenseite 14, eine Kathodenseite 16 und eine Membran 18 dazwischen. Das Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise mit einem Hochspannungsbus 20 oder einer Traktionsbatterie elektrisch verbunden und stellt dieser Energie bereit. Der Brennstoffzellenstapel 12 kann auch eine Kühlschleife (nicht dargestellt) aufweisen.
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Während der Inbetriebnahme und des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 können sich Produktwasser, Restbrennstoff wie Wasserstoff und Nebenprodukte wie Stickstoff an der Anodenseite 14 des Brennstoffzellenstapels 12 ansammeln. Der Produktstrom der Anode kann in einem Separator stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 12 gesammelt werden. Mindestens ein Anteil des flüssigen Wassers und/oder Stickstoffs kann von dem Separator entfernt werden, wobei die restlichen Bestandteile, einschließlich unbenutzten Wasserstoffs und Wasserdampfes, an den Brennstoffstapel 12 über einen Rückführkanal in einer Rückführschleife zurückgeleitet werden können. Die Bedingungen bei der Brennstoffzelleninbetriebnahme können kalt genug sein, sodass zurückgeleiteter Wasserdampf und/oder kleinere Wassertropfen Eis in dem Ejektor oder stromabwärts des Ejektors bilden. Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung stellen Systeme und Verfahren bereit, um die Bildung von Eis in dem Ejektor zu verhindern oder zu verringern.
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Eine primäre Brennstoffquelle 22 ist mit der Anodenseite 14 des Brennstoffzellenstapels 12 wie einer primären Wasserstoffquelle verbunden. Nicht einschränkende Beispiele der primären Wasserstoffquelle 22 sind ein Hochdruck-Wasserstoffspeichertank oder eine Hydridspeichervorrichtung. Die Wasserstoffquelle 22 ist mit einer oder mehreren Wasserstoffzufuhrventilen 24 verbunden. Der Wasserstoffstrom durch das Ventil kann mittels eines Solenoids 26 gesteuert werden. In einer Ausführungsform arbeiten das Ventil 24 und das Solenoid 26 als ein pulsbreitenmoduliertes (PWM) Ventil. Natürlich können andere wasserstoffkompatible Ventile verwendet werden, die im Stand der Technik bekannt sind. Das Ventil 24 führt Wasserstoff einem oder mehreren Ejektoren 28 zu. Das Ventil und der Ejektor können zu einer Anordnung 29 kombiniert sein oder können als Alternative separate Komponenten sein. Der Ejektor 28 weist eine primäre Einlassdüse 30 oder Wasserstoffzuführdüse auf, die Wasserstoff in den konvergierenden Abschnitt einer konvergierenden-divergierenden Düse 32 leitet. Der divergierende Abschnitt der Düse 32 ist mit dem Eingang 34 der Anodenseite 14 verbunden.
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Der Ausgang 36 der Anodenseite 14 ist mit einer passiven Rückführschleife 38 verbunden. Typischerweise wird überschüssiges Wasserstoffgas der Anodenseite 14 bereitgestellt, um sicherzustellen, dass genügend Wasserstoff für alle Zellen in dem Stapel 12 verfügbar ist. Mit anderen Worten wird dem Brennstoffzellenstapel 12 Wasserstoff oberhalb eines stöchiometrischen Verhältnisses von eins bereitgestellt, das heißt, bei einem brennstoffreichen Verhältnis in Bezug auf genaue elektrochemische Bedürfnisse. Die Rückführschleife 38 ist derart bereitgestellt, dass überschüssiger Wasserstoff, der von der Anodenseite 14 ungenutzt bleibt, zu dem Eingang 34 zurückgeleitet wird, um benutzt und nicht verschwendet zu werden.
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Außerdem ist angesammeltes Wasser in der Flüssig- und Dampfphase eine Ausgabe der Anodenseite 14. Die Anodenseite 14 muss für eine effiziente chemische Umwandlung und Verlängerung der Membranlebensdauer befeuchtet sein. Die Rückführschleife 38 kann zur Bereitstellung von Wasser verwendet werden, um Wasserstoffgas vor dem Eingang 34 der Anodenseite 14 zu befeuchten.
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Die Rückführschleife 38 enthält einen Separator 40, der eine Wasserabscheidungsvorrichtung oder andere Vorrichtung zum Trennen von flüssigem Wasser und Stickstoffüberschuss von dem Fluidstrom sein kann. Der Separator 40 nimmt einen Strom oder eine Fluidmischung aus Wasserstoffgas, Stickstoffgas und Wasser von dem Ausgang 36 der Anodenseite 14 auf. Das Wasser kann gemischtphasig sein und Wasser sowohl in der Flüssigphase als auch in der Dampfphase enthalten. Der Separator 40 entfernt mindestens einen Teil des Flüssigphasenwassers, das aus dem Separator durch die Ablassleitung 42 austritt. Mindestens ein Teil des Stickstoffgases, Wasserstoffgases und des Dampfphasenwassers können auch durch die Ablassleitung 42 austreten und durch ein Steuerventil 44 zum Beispiel während eines Spülverfahrens des Brennstoffzellenstapels 12 geleitet werden. Das restliche Fluid in dem Separator 40 tritt durch den Kanal 46 in der Rückführschleife 38 aus, die mit dem Ejektor 28 verbunden ist. Das Fluid in dem Kanal 46 wird in den konvergierenden Abschnitt oder die Mischkammer der konvergierenden-divergierenden Düse 32 geleitet, wo es mit ankommendem Wasserstoff aus der Düse 30 und Wasserstoffquelle 22 gemischt wird, um den Wasserstoff zu befeuchten.
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Die Bildung von Eis oder Wasser in dem Ejektor 28 oder anderenorts in dem Brennstoffzellensystem 10 kann zur Verringerungen der Zellenspannung und/oder Spannungsinstabilitäten innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 führen. Die Bildung von Eis kann eine Blockade oder Teilblockade in dem Ejektor 28 verursachen. Die Bildung von Eis in dem divergierenden Abschnitt der konvergierenden-divergierenden Düse 32 erzeugt effektiv einen zweiten Venturiabschnitt innerhalb der Düse 32 und kann zu Pumpinstabilitäten für den Ejektor 28 führen.
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Das Ventil 24 und/oder der Ejektor 28 können mit einer oder mehreren Wärmequellen 48 oder Heizelementen ausgestattet sein. Die Wärmequelle 48 kann betrieben werden, um die Bildung von Eis zu verhindern oder vorhandenes Eis in dem Ejektor 28 und dem Brennstoffzellensystem 10 zu schmelzen. In dem in 1 dargestellten Beispiel verwendet die Wärmequelle 48 elektrische Energie, um Wärme zu erzeugen, um sowohl das Ventil 24 als auch den Ejektor 28 zu erwärmen. Die Wärmequelle 48 kann ein Heizgerät mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) sein und kann gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel Wärme in einer Größenordnung von fünfzig Watt bereitstellen. Die Wärmequelle 48 kann auch ein beliebiges anderes Widerstandsheizelement sein. In anderen Ausführungsformen kann die Wärmequelle 48 ein Wärmetauscher sein, der zum Erwärmen des Ventils 24 und/oder Ejektors 28 unter Verwendung von warmem Fluid in einem Wärmekreislauf konfiguriert ist. Der Wärmekreislauf (nicht dargestellt) kann ein Heizelement aufweisen, um das Fluid zu erwärmen, oder das Fluid in dem Wärmekreislauf kann als Alternative mittels Abwärme aus einer anderen Fahrzeug- oder Brennstoffzellenkomponente erwärmt werden. Das Ventil 24 kann auch bei seinem maximalen Strom betrieben werden und gleichzeitig immer noch die gewünschte Wasserstoffmenge zum Erwärmen des Ventils bereitstellen.
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Die Wärmequelle 48 ist mit einer Niederspannungsbatterie 50 elektrisch verbunden. Die Niederspannungsbatterie 50 ist über einen Gleichstrom-Gleichstrom- oder DC-DC-Anschluss 52 mit der Hochspannungsbatterie 20 verbunden. In anderen Ausführungsformen kann die Wärmequelle 48 direkt mit der Hochspannungsbatterie 20 verbunden sein.
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In einigen Ausführungsformen kann die Hochspannungsbatterie 20 mit einem Wechselstrom-Gleichstrom-(AD-DC)-Wandler 54 und mit einem Ladegerät 56 zur Verbindung mit einer externen Energieversorgung zum Aufladen der Batterie 20 verbunden sein. Auf diese Weise kann ein einsteckbares Brennstoffzellen-Elektrofahrzeug bereitgestellt werden, wobei die Wärmequelle 48 mit Energie aus der externen Energieversorgung betrieben werden kann, wenn das Fahrzeug angeschlossen ist.
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Die Wärmequelle 48 steht mit einer Steuerung 58 in Verbindung. Die Steuerung 58 kann eine beliebige Anzahl von Steuerungen aufweisen und kann in einer einzigen Steuerung integriert sein oder verschiedene Module aufweisen. Einige oder alle Steuerungen können von einem Controller Area Network (CAN) oder einem anderen System verbunden sein, das wiederum mit anderen Brennstoffzellensteuerungen verbunden sein kann. Die Steuerung 58 empfängt einen Befehl zur Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems und steuert das System 10, um den Betrieb zu starten. Die Steuerung 58 kann zum Steuern des Betriebs verschiedener Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 unter einer beliebigen einer Anzahl unterschiedlicher Bedingungen konfiguriert sein, einschließlich in einer Weise, welche die Bildung von Eis während der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle, während eines Kaltspülverfahrens und dergleichen minimiert oder verringert.
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Die Steuerung 58 steht mit der einen oder den mehreren Wärmequellen 48, dem Solenoid 26, welches das Ventil 24 steuert, und einem oder mehreren Temperatursensoren in Verbindung. Das Brennstoffzellensystem 10 kann Temperatursensoren wie Thermistoren aufweisen, die zum Messen von Fluid- oder Komponententemperaturen an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet sind. Wie dargestellt, empfängt die Steuerung 58 Signale, welche die Temperatur von einem Anodeneinlasstemperatursensor 60, einem Wasserstoffeinlasstemperatursensor 62, einem Rückführstromtemperatursensor 64 und einem Ejektorkörpertemperatursensor 66 repräsentieren. Die Steuerung 58 kann auch mit einem Umgebungstemperatursensor 68 verbunden sein. Das Brennstoffzellensystem 10 kann mit mehr oder weniger Temperatursensoren konfiguriert sein und kann verschiedene Vorhersagealgorithmen oder Kalibrierungstabellen verwenden, um die Temperatur an verschiedenen Stellen in dem Brennstoffzellensystem 10 basierend auf den Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems 10 und der Umgebung zu bestimmen.
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In einer Ausführungsform ist die Steuerung 58 mit einer Benutzeroberfläche (nicht dargestellt) verbunden, um Eingaben von einem Benutzer bezüglich einer gewünschten Abfahrtszeit zu empfangen. Die Steuerung 58 kann auch mit einem Netzwerk oder Cloud-Computersystem verbunden sein, um eine Vorhersagezeit für die Brennstoffzelleninbetriebnahme zu bestimmen. Die Steuerung 58 kann einen Algorithmus für ein neuronales Netz, einen auf einem Muster basierenden oder einen anderen Algorithmus verwenden, um wahrscheinliche Inbetriebnahmezeiten des Brennstoffzellensystems 10 beispielsweise basierend auf vorherigen Fahrzeuginbetriebnahme- und -abfahrtszeiten vorherzusagen. Die Steuerung 58 kann mit einem Satellitensystem, Funksystem oder dergleichen verbunden sein, um eine Auflistung von vorhersagbaren Umgebungstemperaturen basierend auf dem Standort des Brennstoffzellensystems zu bestimmen, was mittels eines Empfängers eines globalen Positionierungssatelliten erfolgen kann.
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Die Steuerung 58 ist konfiguriert, der Wärmequelle zu befehlen, das Ventil und/oder den Ejektor als Reaktion auf eine Erwärmungsbedingung zu erwärmen, und als Reaktion auf einen Befehl zur Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems die Bildung von Eis in dem Ejektor zu verhindern. Als Alternative kann die Steuerung der Wärmequelle befehlen, das Ventil und/oder den Ejektor als Reaktion auf eine Erwärmungsbedingung und vor einer vorhergesagten Inbetriebnahmezeit des Brennstoffzellensystems zu erwärmen. Eine Erwärmungsbedingung ist eine Brennstoffzellensystembedingung, bei der die Bildung von Eis potenziell auftreten kann. Eine Erwärmungsbedingung kann sein, dass eine Komponententemperatur des Brennstoffzellensystems oder eine Umgebungstemperatur unter einem Schwellenwert liegt. Eine Erwärmungsbedingung kann auch auf anderen Zuständen des Brennstoffzellensystems basieren.
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Die Erwärmung des Ejektors stellt auch den zusätzlichen Vorteil der Beibehaltung der Feuchte in dem Anodenrückführstrom und des Abgebens dieser Feuchte an den Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels bereit. Wärme wird durch den Ejektorkörper geleitet und durch Leitung und/oder Konvektion in das Rückführgas befördert, während dieses durch die Mischkammer des Ejektors strömt. Die erhöhte Temperatur des Anodenrückführgases trägt zum Ausgleich des kalten Wasserstoffstroms von der primären Düse 30 und der Wasserstoffquelle 22 bei und mindert die Kondensation und den Abfall des Taupunktes, der aus der Mischung der Ströme resultiert, sodass eine erhöhte Feuchte an dem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels bereitgestellt wird.
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Die Kathodenseite 16 des Stapels 12 nimmt Sauerstoff beispielsweise als einen Bestandteil einer Luftquelle 70 auf. In einer Ausführungsform wird ein Kompressor 72 von einem Motor 74 angetrieben, um die ankommende Luft mit Druck zu beaufschlagen. Die druckbeaufschlagte Luft wird dann von einem Befeuchter 76 befeuchtet, bevor sie in die Kathodenseite 16 eintritt. Ein anderer Separator (nicht dargestellt) kann stromabwärts des Befeuchters 76 angeordnet sein, um flüssiges Wasser aus dem befeuchteten Luftstrom zu entfernen, bevor dieser in die Kathodenseite 16 des Stapels 12 an einem Eingang 78 eintritt. Der Ausgang 80 der Kathodenseite 16 ist mit einem Ventil 82 verbunden. Die Ablassleitung 42 von dem Separator 40 kann mit einer Leitung 84 stromabwärts des Ventils 82 verbunden sein. In anderen Ausführungsformen können die Ablassleitungen an anderen Stellen in dem Brennstoffzellensystem 10 angeschlossen sein.
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Basierend auf der Verwendung des Ejektors 28 zur Erzeugung eines Stroms durch die Anodenseite 14 und Herbeiführung eines Stroms durch die passive Rückführschleife 38 muss der Ejektor 28 sämtliche Druckabfälle in dem System überwinden, die einen typischen signifikanten Druckabfall in dem Brennstoffzellenstapel 12 einschließen. Das System 10 wie dargestellt weist keine Pumpe oder andere Vorrichtung auf, um einen Strom in der Rückführschleife 38 herbeizuführen. Daher muss die Bildung von Eis in dem Ejektor 28 im Hinblick auf die Brennstoffzellenleistung und -stabilität verhindert oder verringert werden.
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2 stellt ein Beispiel der Bildung von Eis in einem Ejektor 100 in einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem beispielsweise während eines Kaltspülverfahrens vor der Inbetriebnahme der Brennstoffzelle oder bei Inbetriebnahme der Brennstoffzelle dar. Wasserstoff strömt bei 102 von einer Wasserstoffquelle in den Ejektor 100. Der Wasserstoff strömt dann durch einen primären Düseneinlass 104. Der Wasserstoff kann an diesem Punkt bei einer hohen Strömungsgeschwindigkeit strömen und kann sich nahe der Schallgeschwindigkeit befinden. Der Wasserstoff tritt dann in eine Mischkammer 106 ein, die auch ein konvergierender Abschnitt 108 einer konvergierenden-divergierenden Düse 110 ist. Rückführgase treten bei 112 ebenfalls in die Mischkammer 106 ein und enthalten Wasserstoff, Wasserdampf und andere Bestandteile.
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Der Wasserstoffstrom reißt Rückführgase in der Mischkammer 106 mit sich, wobei der befeuchtete Wasserstoffstrom 113 dann durch den Hals 114 der Düse 110 strömt. Die Fluidgeschwindigkeit an dem Hals 114 kann Schallgeschwindigkeit erreichen, während die Querschnittsfläche der CD-Düse 110 abnimmt. Der befeuchtete Wasserstoff tritt dann aus dem Hals 114 der Düse 110 aus und tritt in den divergierenden Abschnitt 116 ein. Während die Querschnittsfläche 116 zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit des befeuchteten Wasserstoffs ab. Mit zunehmender Querschnittsfläche nehmen die Temperatur und der Druck des Stroms in dem divergierenden Abschnitt 116 ab. Der befeuchtete Wasserstoff wirkt als ein komprimierbares Fluid, wobei mit den Flächenveränderungen die entsprechenden Temperatur- und Druckveränderungen einhergehen, wie im Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel können unter der Annahme einer idealen Gas- und Rückströmung die Temperatur- und Druckverhältnisse für verschiedene Flächenverhältnisse und Mach-Zahlen für die Unterschall-, Schall- und Überschallströmung ohne Weiteres berechnet werden. In ähnlicher Weise können Drücke und Temperaturen für komplexere Strömungen vorliegen. Falls die Strömung zur Schallströmung oder schneller wird, tritt ein zusätzlicher Temperatur- und Druckabfall durch eine Schockwelle auf, die in einer CD-Düse gebildet wird.
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Während die Temperatur der Strömung abnimmt, können der Wasserdampf oder kleine Wassertröpfchen in dem divergierenden Abschnitt 116 typischerweise ihren Zustand verändern und Eis 118 bilden. Für einen Ejektor 100, der sich in einer kalten Umgebung befand, kann die Temperatur des Ejektormaterials und der Wände nur Umgebungstemperatur betragen. Die kalten Wände des Ejektors und die kalte thermische Masse des Ejektors 100 können zur Bildung von Eis beitragen und/oder eine kalte Oberfläche bereitstellen, auf der sich das Eis anlagern kann. Die Temperatur des Wasserstoffgases 102 kann aufgrund einer kalten Wasserstoffspeichervorrichtung und Ausdehnung des Wasserstoffs durch den Diffusor auch bei oder unter Umgebungstemperatur liegen und zur Bildung von Eis beitragen.
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Wie in 2 zu sehen ist, verursacht Eis 118 in der CD-Düse 110 eine lokalisierte Verringerung der Querschnittsfläche der Düse in dem divergierenden Abschnitt 116. Die lokalisierte Verringerung der Querschnittsfläche aufgrund der Eisbildung kann zu Strömungsinstabilitäten und einer Verringerung der Ejektorleistung führen.
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3 stellt eine kombinierte Ventil- und Ejektoranordnung 120 dar. Der Ventilkörper und der Ejektorkörper bestehen aus und sind aus einem einzigen Körper 122 gebildet. In anderen Ausführungsformen können das Ventil und der Ejektor separat ausgebildet und direkt benachbart zueinander oder voneinander beabstandet in der Brennstoffzelle angeordnet sein, wobei das Ventil und/oder der Ejektor ein jeweiliges Heizmodul aufweisen. Der Ventilabschnitt 124 ist ein normalerweise geschlossenes Magnetventil. Der Wasserstoffstrom tritt in den Ventileinlass 126 ein. Der Wasserstoffstrom wird von einem Stößel 128 gesteuert. Der Stößel befindet sich in einer normalerweise geschlossenen Position, sodass der Wasserstoffstrom verhindert wird, sofern nicht das Ventil betätigt wird. Wenn die Spule 130 des Solenoids 132 mit Energie beaufschlagt und aktiviert wird, wird der Stößel 128 angehoben und Wasserstoffgas strömt an dem Stößel 128 vorbei und zu dem Ventilauslass 134. Das Ventil 124 kann ein beliebiger Typ Magnetventil oder ein anderes Ventil sein, das zur Verwendung mit Wasserstoffgas geeignet ist.
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Der Ventilauslass 134 wird zu einem Ejektoreinlasskanal 136 für die primäre Einlassdüse 138 des Ejektorabschnitts 140 der Anordnung 120. Rückführgase strömen in den Ejektorabschnitt durch den Einlass 142. Die Mischkammer 144 und die CD-Düse 146 sind in der Anordnung 120 ausgebildet. Der befeuchtete Wasserstoffstrom tritt bei 148 aus der Anordnung aus.
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Die Anordnung 120 weist einen oder mehrere thermoelektrische Heizmodule 150 auf. Für die dargestellte Ausführungsform sind die thermoelektrischen Heizgeräte in dem Körper 122 der Anordnung integriert, um sowohl den Ventilabschnitt 124 als auch den Ejektorabschnitt 140 zu erwärmen. Der Körper 122 kann aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt sein. Das thermoelektrische Heizmodul kann eine thermoelektrische Wärmepumpe wie eine aktive Festkörperpumpe sein, die Wärme von einer Seite der Vorrichtung zur anderen mittels elektrischer Energie und dem Peltier-Effekt übertragt. Die Anordnung 120 kann in einem Isoliermaterial 152 eingepackt oder anderweitig eingehüllt sein. Das Isoliermaterial kann bewirken, dass die Anordnung 120 bei einer schnelleren Geschwindigkeit erwärmt und/oder bei einer langsameren Geschwindigkeit abgekühlt wird.
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4 stellt eine andere Ausführungsform eines Ejektors 160 mit einer primären Einlassdüse 162, die aus einem ersten Material, hergestellt ist, und eine Mischkammer 164 und eine CD-Düse 166 die, die aus einem zweiten Material hergestellt sind. Der Ejektor 160 kann mittels verschiedener Techniken wie hierin erläutert erwärmt werden oder kann stromabwärts eines erwärmten Ventils angeordnet sein. Der Ejektor 160 kann von einem Wasserstoffventil getrennt ausgebildet sein. Die primäre Einlassdüse 162 kann aus einem Metall wie Edelstahl oder dergleichen hergestellt sein. Die Düse 162 ist zur Verwendung mit Wasserstoffgas konzipiert, sodass durch Wasserstoffgas verursachte Materialschäden, Brüchigkeit und/oder Erosion verhindert werden.
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Die Mischkammer 164 und die CD-Düse 166 können aus einem zweiten Material, wie einem Kunststoff, gefertigt sein. Das zweite Material weist eine geringere thermische Masse als das erste Material auf und ist daher bei Aussetzen einer kalten Umgebung langsamer, Gefriertemperaturen zu erreichen. Das zweite Material kann auch ein hydrophobes Material mit einem kleinen Kontaktwinkel sein, sodass außerdem die Wasserabscheidung und Bildung von Eis in dem divergierenden Abschnitt der CD-Düse verhindert werden.
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5 stellt Inbetriebnahmedaten einer herkömmlichen Brennstoffzelle ohne Heizsystem dar. 5A stellt den Druck 180 in der Anodenseite der Brennstoffzelle gegenüber der Zeit dar. 5B stellt die Temperatur 182 dar, die an dem Einlass zu dem Anodenstapel gemessen wird. Der Druck in der Anode 180 zeigt eine Strömung durch das System an. Der Druck 180 stellt sowohl einen Ausgangswert 184 als auch Impulse 186 dar. Der Ausgangsdruck 184 wird durch die Ejektorströmung hervorgerufen. Die Impulse 186 werden durch die Aktivität des Spülventils hervorgerufen, das die Strömung durch den Anodenstapel beibehält. In einem ersten kurzzeitigen Inbetriebnahmezeitraum liegt die Temperatur des Stapeleinlasses bei 188 unter dem Gefrierpunkt oder unter null Grad Celsius, sodass sich Eis in dem Ejektor bilden kann. Der Ejektor weist Eisbildung auf, wie in dem Bereich 190 dargestellt, da der Druckausgangswert 184 unter seinem typischen Betriebsdruck liegt und die Stapeleinlasstemperatur 182 nicht über null Grad Celsius ansteigt. Schließlich wird das Eis während des Brennstoffzellenbetriebs in Bereich 190 passiv geschmolzen und die Temperatur 182 des Stapels beginnt bei 192 zu steigen, wobei auch der Anodenausgangsdruck 184 auf einen normalen Betriebswert steigt, wie in Bereich 194 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Zeit zum passiven Schmelzen des Eises in einer Größenordnung von Minuten liegen kann und für das Beispiel, das mit einer Anfangstemperatur unter dem Gefrierpunkt dargestellt ist, ungefähr fünf Minuten beträgt.
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6 stellt Inbetriebnahmedaten von einer Brennstoffzelle mit einem Heizsystem gemäß der vorliegenden Offenbarung dar. 6A stellt den Druck 200 in der Anodenseite der Brennstoffzelle gegenüber der Zeit dar. 6B stellt die Temperatur 202 dar, die an dem Einlass zu dem Anodenstapel gemessen wird. Der Druck in der Anode zeigt eine Strömung durch das System an. Der Druck 200 zeigt sowohl einen Ausgangswert 204 als auch Impulse 206 an. In einem ersten kurzzeitigen Inbetriebnahmezeitraum 208 liegt die Temperatur des Stapeleinlasses unter dem Gefrierpunkt oder unter null Grad Celsius. Das Heizgerät für das Ventil und/oder den Ejektor wird am Anfang des in 6 dargestellten Inbetriebnahmeprozesses eingeschaltet oder kann als Alternative vor der Inbetriebnahme eingeschaltet werden, um den Ejektor und/oder das Ventil vorzuheizen. Das Heizgerät in dem dargestellten Beispiel ist ein Heizgerät mit geringem Energieverbrauch, das Leistung in einer Größenordnung von 50 Watt aufnimmt. Der Ejektor weist, wie dargestellt, wenig oder gar keine Eisbildung auf, da der Anodenausgangsdruck 204 bei seinem normalen Betriebswert gehalten wird, wie in Bereich 210 dargestellt, und die Temperatur 202 weiterhin in stetiger und kontinuierlicher Weise ansteigt.
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Die Wärmequelle, die zum Erwärmen des Ventils und/oder Ejektors verwendet wird, kann als Reaktion auf eine Erwärmungsbedingung basierend auf verschiedenen Brennstoffzellenzuständen oder -bedingungen eingeschaltet werden. Die Steuerung kann dem Heizmodul befehlen, die Erwärmung basierend auf Eingaben von Temperatursensoren oder anderen Sensoren der Brennstoffzelle oder des Fahrzeugs zu starten oder zu beenden. Damit die Wärmequelle den Befehl zum Betrieb erhält, müssen die Umgebungstemperatur und/oder eine Brennstoffzellentemperatur unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegen. Diese Schwellenwerte können null Grad Celsius sein oder können bei einem Wert über oder unter null Grad Celsius liegen.
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Das Ventil und/oder der Ejektor können als Reaktion auf einen Befehl zur Inbetriebnahme der Brennstoffzelle oder einen Fahrzeuginbetriebnahmebefehl wie ein Türentriegelungssignal oder ein Zündschlüsselsignal erwärmt werden. Das Ventil und/oder der Ejektor werden auch als Reaktion darauf erwärmt, dass die Brennstoffzelle einen Kaltdurchtränkungsprozess startet.
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Das Ventil und/oder der Ejektor können als Reaktion auf Leistungsmessungen der Brennstoffzelle erwärmt werden, wie als Reaktion darauf, dass der Anodenausgangsdruck nicht bei seinem erwarteten oder vorhergesagten Betriebsdruck liegt, eine Veränderungsrate des Anodendrucks unter einem erwarteten Wert liegt, oder eine andere Brennstoffzellenmetrik vorliegt, die eine potenzielle Eisbildung bedeutet, wie eine niedrige Temperatur des Mischstroms oder eine niedrige Temperatur des Ejektorblocks.
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Das Ventil und/oder der Ejektor können auch als Reaktion auf Vorhersageinformationen erwärmt werden. Die Steuerung kann eine vorhergesagte Inbetriebnahmezeit für die Brennstoffzelle bestimmen. Zum Beispiel kann die Steuerung der Brennstoffzelle mit einem Netzwerk oder einer anderen Steuerung verbunden sein, die Benutzereingaben empfängt, die eine gewünschte Startzeit für die Brennstoffzelle, z. B. eine Fahrzeugabfahrtszeit auswählt. Die Steuerung kann zum Vorhersagen von Abfahrtszeiten basierend auf Mustererkennung, neuronalen Netzen oder anderen Vorhersagealgorithmen konfiguriert sein. Die Steuerung kann auch zum Empfangen von Informationen bezüglich vorhersagbarer Umgebungstemperaturen, z. B. Wettervorhersagen konfiguriert sein. Wenn die Steuerung beispielsweise vorhersagt, dass die Brennstoffzelle um 7:00 Uhr morgens gestartet wird, nachdem sie über Nacht nicht in Betrieb war, und die Umgebungstemperatur laut Vorhersage zu diesem Zeitpunkt unter dem Gefrierpunkt liegt, kann die Steuerung planen und der Wärmequelle befehlen, mit der Erwärmung um 6:45 Uhr morgens zu beginnen, um den Brennstoffzellenstart um sieben Uhr vorzubereiten.
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Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen damit in Zusammenhang stehende nicht einschränkende Vorteile auf. Eine Brennstoffzelle weist einen Ejektor an der Anodenseite des Stapels auf, der eine passive Rückführschleife antreibt. Wenn die Brennstoffzelle bei kalten Umgebungstemperaturen gestartet wird, kann sich in dem Ejektor Eis bilden und eine Verminderung der Brennstoffzellenleistung und Instabilitäten innerhalb des Systems verursachen. Der Ejektor und/oder das Wasserstoffzufuhrventil stromaufwärts des Ejektors weisen eine oder mehrere Wärmequellen wie Heizelemente auf, um die Bildung von Eis zu verhindern oder zu minimieren.
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Wenngleich vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die Begriffe, die in der Spezifikation verwendet werden, beschreibende und nicht einschränkende Begriffe, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden.
