-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem.
-
Brennstoffzellensysteme als solche sind bekannt. Beim Betrieb von Brennstoffzellen ist insbesondere der Kaltstart sowie der Froststart (Start bei einer Umgebungstemperatur unter 0°C) problembehaftet. Beim Kaltstart eines Brennstoffzellensystems ist es erwünscht, das System schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Bei einem Froststart sollte insbesondere das Ausfrieren von Produktwasser im Brennstoffzellenstapel verringert oder vermieden werden.
-
Eine Variante ist hierbei der wärmegeführte Betrieb des Brennstoffzellenstapels, in dem der Brennstoffzelle Leistung bei sehr niedrigem Wirkungsgrad entnommen wird, um so einen möglichst hohen Wärmeeintrag zu erreichen. Wenn gegebenenfalls kein Strom zum Aufwärmen aus den Brennstoffzellen gezogen werden kann, kann das Brennstoffzellensystem unter Frostbedingungen eventuell nur eingeschränkt startfähig sein.
-
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Kaltstartfähigkeit bzw. Froststartfähigkeit eines Brennstoffzellensystems zu verbessern. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
-
Die hier offenbarte Technologie umfasst ein Verfahren zum Betrieb und insbesondere zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach Oxidationsmittel insbesondere im Oxidationsmittelförderer und/oder im Brennstoffzellenstapel in eine erste Förderrichtung während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems gefördert wird; wobei die erste Förderrichtung entgegengesetzt zu einer zweiten Förderrichtung ist, wobei die zweite Förderrichtung die Förderrichtung ist, in die das Oxidationsmittel während einer Nichtaufwärmphase des Brennstoffzellensystems strömt.
-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und AciplexⓇ.
-
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
-
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
-
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens einen Filter zur Filterung von Oxidationsmittel, mindestens eine (während der Nichtaufwärmungsphase) vom Oxidationsmittelförderer zum Brennstoffzellenstapel führende erste Leitung (nachfolgend „Kathodenzuleitung“ genannt), mindestens eine (während der Nichtaufwärmungsphase) vom Brennstoffzellenstapel wegführende zweite Leitung (nachfolgend „Kathodenabgasleitung“ genannt), einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
-
Das hier offenbarte System umfasst mindestens einen Oxidationsmittelförderer. Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel zur mindestens einen Brennstoffzelle zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf.
-
Die kathodenseitigen Stapel-Absperrventile sind Ventile, die den Brennstoffzellenstapel gegenüber den restlichen Komponenten des Kathodensubsystems gasdicht (bis auf Leckageströme) abschließen können. Die Stapel-Absperrventile dienen dazu, in der Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs das Eindringen von Oxidationsmittel in den durch die Stapel-Absperrventile im Wesentlichen abgeschlossenen Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels bis auf Leckageströme zu unterbinden. I.d.R. ist jeweils ein Stapel-Absperrventil stromauf und stromab vom Brennstoffzellenstapel vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem umfasst i.d.R. ein in der Kathodenabgasleitung stromab vom Brennstoffzellenstapel und bevorzugt stromab von einer Mündung einer Brennstoffzufuhr angeordnetes kathodenseitiges Stapel-Absperrventil, das auch Backpressure-Ventil genannt wird.
-
Die Aufwärmphase ist die Phase, in der das Brennstoffzellensystem auf die Betriebstemperatur (z.B. 60°C oder 70°C) erwärmt wird. Die Aufwärmphase beginnt i.d.R. mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Sollbetriebstemperatur. Während der Aufwärmphase wird das Brennstoffzellensystem derart betrieben (gesteuert bzw. geregelt), dass sich das Brennstoffzellensystem (zumindest die temperatur- bzw. frostkritischen Teile des Systems) schneller und bevorzugt effizienter erwärmt als beim Betrieb nach Abschluss der Aufwärmphase (also während der Nichtaufwärmphase). Während der Aufwärmphase steht also nicht die optimale Bereitstellung von elektrischer Energie im Vordergrund, sondern die schnelle und gleichzeitig schonende Aufwärmung des Brennstoffzellensystems. Der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs kann vom Fahrzeug bzw. von einer Steuerung während der Aufwärmphase zumindest zeitweise unterbunden werden. Die Aktivierung des Brennstoffzellensystems kann durch ein Signal des Benutzers oder durch irgendein anderes Signal (z.B. von einer Vorkonditionierung Einrichtung) erfolgen.
-
Nichtaufwärmphase ist insbesondere die Phase, in der das Brennstoffzellensystem elektrische Energie einem Verbraucher bereitstellt (=Energiebereitstellungsphase), ohne dass es sich dabei um die Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems handelt. Insbesondere handelt es sich bei der Nichtaufwärmphase um die Phase, in der das Brennstoffzellensystem nicht zum Brennstoffzellensystem gehörende Verbraucher eines Kraftfahrzeuges mit Energie versorgt zur bestimmungsgemäßen Benutzung der Verbraucher, z.B. während der Benutzung eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise während des Fahrbetriebs. Insbesondere ist die Nichtaufwärmphase die Phase, in der das Brennstoffzellensystem zumindest teilweise und bevorzugt in Kombination mit einem Energiespeicher elektrische Energie dem Antriebsmotor bzw. Traktionsmotor zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs bereitstellt. Die Nichtaufwärmphase umfasst bevorzugt nicht den Autarkbetrieb während einer Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs, beispielsweise während eines Parkvorgangs. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Nichtaufwärmphase um die Phase, die sich nach der Aufwärmphase anschließt und in der das Brennstoffzellensystem bereits die Betriebstemperatur aufweist.
-
Die erste Förderrichtung des Oxidationsmittelstroms ist dabei die Strömungsrichtung, in die das Oxidationsmittel durch das Kathodensubsystem zumindest zeitweise während der Aufwärmphase strömt. Zumindest im Brennstoffzellenstapel, bevorzugt auch in der Kathodenzuleitung, in der Kathodenabgasleitung und insbesondere im Oxidationsmittelförderer strömt das Oxidationsmittel entgegen bzw. in entgegengesetzter Förderrichtung zu einer (zweiten) Förderrichtung, in die das Oxidationsmittel in der Nichtaufwärmphase strömt.
-
Die zweite Förderrichtung ist insbesondere die Förderrichtung, die sich einstellt, wenn das Oxidationsmittel vom Oxidationsmittelförderer angesaugt und verdichtet wird, den Oxidationsmittelförderer anschließend verlässt und durch die erste Leitung in den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels einströmt, bevor es dann durch die zweite Leitung das Kathodensubsystem wieder verlässt. Die durchströmten Komponenten des Kathodensubsystems sind optimiert für die Durchströmung in die zweite Förderrichtung, da sich diese Förderrichtung während der Nichtaufwärmphase einstellt.
-
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach der Oxidationsmittelförderer in der Aufwärmphase in eine erste Drehrichtung des Oxidationsmittelförderers betrieben wird. Ferner kann der Oxidationsmittelförderer in der Nichtaufwärmphase in eine zweite Drehrichtung betrieben werden, wobei die erste Drehrichtung und die zweite Drehrichtung entgegengesetzt zueinander sind. Mithin wird also der Oxidationsmittelförderer reversiert bzw. invers betrieben (nachstehend wird der Begriff „reversiert“ verwendet).
-
Der Oxidationsmittelförderer kann so ausgebildet sein, dass dieser beim reversierten Betrieb in einem Betriebspunkt mit einem schlechteren Wirkungsgrad arbeitet als beim normalen Betrieb. Auch während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems können Leerlaufspannungen am Brennstoffzellenstapel auftreten. Daher sollten Leistungssenken vorhanden sein, falls der elektrische Energiespeicher bereits vollständig gefüllt ist. Dabei kann dann ein Oxidationsmittelförderer mit vergleichsweise schlechtem Wirkungsgrad als zusätzliche Leistungssenke behilflich sein. Sind genügend Leistungssenken vorhanden, kann auch der reversierte Betrieb wirkungsgradoptimiert ausgelegt sein.
-
Das hier offenbarte Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach Brennstoff der Kathodenabgasleitung zumindest während der Aufwärmphase zugeführt wird, so dass der Oxidationsmittelförderer während der Aufwärmphase Brennstoff und Oxidationsmittel aus der Kathodenabgasleitung in den Brennstoffzellenstapel fördert.
-
Der Oxidationsmittelförderer kann eingerichtet sein, während der Aufwärmphase Kathodenabgas aus der Kathodenzuleitung und insbesondere aus dem Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels anzusaugen. Ferner kann der Oxidationsmittelförderer eingerichtet sein, Oxidationsmittel und Brennstoff während der Aufwärmphase in den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels zu fördern, insbesondere zu saugen. Während der Aufwärmphase reagieren Brennstoff und Oxidationsmittel im Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels unter Freisetzung von thermischer Energie. Dabei erwärmt sich der Brennstoffzellenstapel.
-
Alternativ ist vorstellbar, dass der Oxidationsmittelförderer während der Aufwärmphase nicht reversiert betrieben wird, sondern auch während der Aufwärmphase durch eine entsprechende Verschaltung einer Ventilvorrichtung, insbesondere eines Mehrwegeventils, das Oxidationsmittel in der Kathodenabgasleitung verdichtet, bevor das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel gelangt.
-
Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach das Oxidationsmittel während der Aufwärmphase von dem Filter für Oxidationsmittel gereinigt wird, bevor das Oxidationsmittel in den Brennstoffzellenstapel gelangt. Bevorzugt wird das Oxidationsmittel von denselben Filter für Oxidationsmittel gereinigt, der auch während der Nichtaufwärmphase das Oxidationsmittel reinigt.
-
Bevorzugt kann während der Aufwärmphase das Oxidationsmittel die Kathodenabgasleitung und bevorzugt auch den Filter durchströmen, bevor es in den Brennstoffzellenstapel gelangt. Ferner bevorzugt kann gleichzeitig das Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems den Schritt umfassen, wonach während der Nichtaufwärmphase das Oxidationsmittel die Kathodenzuleitung und bevorzugt den Filter durchströmt, bevor es in den Brennstoffzellenstapel gelangt. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die beim Verdichten des Oxidationsmittels anfallende Wärme zusätzlich dazu beitragen kann, dass sich das Brennstoffzellensystem schneller erwärmt.
-
Bevorzugt kann das hier offenbarte Verfahren den Schritt umfassen, wonach vor und/oder während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems die Durchströmungsrate des kathodenseitigen Stapel-Absperrventil verändert wird. Hierzu kann insbesondere der durch Strömungsquerschnitt des Stapel-Absperrventils und/oder die Förderrate des Oxidationsmittelförderers angepasst werden.
-
Bevorzugt wird in einer Ausgestaltung die Durchströmungsrate des Stapel-Absperrventils derart eingestellt, dass sich während der Aufwärmphase im Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels ein stöchiometrische Verhältnis λ von 1 bis 2, bevorzugt von 1 bis 1,5, und besonders bevorzugt von ca. 1 bis 1,2 ergibt. Das stöchiometrische Verhältnis λ gibt an, um welchen Faktor mehr Oxidationsmittel bereitgestellt wird, als tatsächlich für die Reaktion von Brennstoff und Oxidationsmittel an der Kathode notwendig ist. Vorteilhaft kann somit sichergestellt werden, dass nur so viel Oxidationsmittel während der Aufwärmphase angesaugt wird, wie für die Erzeugung der Wärme in der Kathode benötigt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft für eine Ausgestaltung, bei der das vom Oxidationsmittelförderer während der Aufwärmphase angesaugte Oxidationsmittel ungefiltert in den Brennstoffzellenstapel gelangt.
-
Während der Aufwärmphase kann das hier offenbarte kathodenseitige Bypassventil geschlossen sein. Vorteilhaft kann somit verhindert werden, dass der Oxidationsmittelförderer im reversierten Betrieb ungefiltertes Oxidationsmittel durch das Bypassventil saugt.
-
In einer anderen Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, dass Bypassventil zu öffnen, beispielsweise wenn das Oxidationsmittel auch während der Aufwärmphase gefiltert wird. Vorteilhaft kann über den Bypass die Förderrate des Oxidationsmittelförderers gesteigert werden, falls dieser als Leistungssenke genutzt werden soll. Auch kann somit gegebenenfalls die bei der Verdichtung entstehende Wärme dazu beitragen, dass Brennstoffzellensystem effizienter aufzuwärmen.
-
Gemäß der hier offenbarten Technologie kann vorgesehen sein, dass das Bypassventil und das Stapel-Absperrventil derart gesteuert und/oder geregelt werden, dass Brennstoff und Oxidationsmittel während der Aufwärmphase aus der Kathodenabgasleitung in den Brennstoffzellenstapel strömen, wobei bevorzugt das Bypassventil und das Stapel-Absperrventil während der Aufwärmphase zumindest zeitweise zumindest teilweise geöffnet sind.
-
Der hier offenbarte Oxidationsmittelförderer kann insbesondere eingerichtet sein, während der Aufwärmphase in die erste Drehrichtung eines Förderrades des Oxidationsmittelförderers drehend Oxidationsmittel in die erste Förderrichtung zum Brennstoffzellenstapel zu fördern. Ferner kann der Oxidationsmittelförderer eingerichtet sein, während der Nichtaufwärmphase des Brennstoffzellensystems in die zweite Drehrichtung des Förderrades des Oxidationsmittelförderers drehend in die zweite Förderrichtung Oxidationsmittel zum Brennstoffzellenstapel zu fördern, wobei die zweite Förderrichtung entgegengesetzt zur ersten Förderrichtung ist.
-
Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem kann ferner eine Ventilvorrichtung umfassen. Die Ventilvorrichtung ist fluidverbunden mit dem Kathodensubsystem bzw. bildet das Kathodensubsystem mit aus. Die Ventilvorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, die Förderrichtung des Oxidationsmittels zumindest im Brennstoffzellenstapel umzukehren. Bevorzugt ist die Ventilvorrichtung als mehr Wegeventil ausgebildet. Die Ventilvorrichtung kann insbesondere zwei Eingänge und zwei Ausgänge aufweisen, wobei in einer ersten Schaltstellung der Ventilvorrichtung ein erster Strömungspfad den ersten Eingang mit dem ersten Ausgang verbindet und ein zweiter Strömungspfad den zweiten Eingang mit dem zweiten Ausgang, und wobei in einer zweiten Schaltstellung der Ventilvorrichtung ein erster Strömungspfad den ersten Eingang mit dem zweiten Ausgang verbindet und ein zweiter Strömungspfad den zweiten Eingang mit dem ersten Ausgang verbindet. Gemäß der hier offenbarten Technologie weist die Ventilvorrichtung während der Aufwärmphase eine andere Schaltstellung auf als in der Nichtaufwärmphase.
-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, welches das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst bzw. welches ausgebildet ist, eines der hier offenbarten Verfahren durchzuführen.
-
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems. In einer Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie kann das Kraftfahrzeug über eine elektrische Heizvorrichtung umfassen. Ferner kann das System über eine Heizvorrichtung zur Beheizung des Innenraums im Kühlmittelpfad der Brennstoffzelle umfassen. Diese Heizvorrichtung(en) könnten verwendet werden, um den Brennstoffzellenstapel während der Aufwärmphase zumindest teilweise aufzuwärmen. Die Versorgung dieser Heizvorrichtung mit elektrischer Energie kann beispielsweise über eine entsprechend große Fahrzeugbatterie und/oder über ein mit dem Kraftfahrzeug über ein Ladekabel verbundenes externe Energiequelle erfolgen. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie eine Aufwärmung des Brennstoffzellensystems durch einen inversen Kompressorbetrieb. Dabei kann der elektrische Verdichter beispielsweise in die dem normalen Betrieb entgegengesetzte (Dreh-)Richtung gedreht werden. Dadurch kann dann das Anodenabgas durch den Brennstoffzellenstapel geleitet werden. Bei ausreichender Zumischung des Anodenabgases kann hiermit eine zumindest teilweise Erwärmung des Brennstoffzellenstapels erreicht werden. Der Vorteil dieser Variante ist, dass die Heizleistung primär aus der chemischen Umsetzung des Anodenabgases stammt und somit die Abhängigkeit von einer elektrischen Versorgung (Batterie oder falls vorhanden Ladeanschluss) verringert wird. Vorteilhaft steht somit eine Notstartstrategie bei einem Froststart zur Verfügung und ein Liegenbleiben des Kraftfahrzeugs kann verhindert werden. Die hier offenbarte Technologie kann zudem mit vergleichsweise wenig zusätzlichen Baukomponenten realisiert werden was sich positiv auf die Herstellkosten und/oder den Platzbedarf auswirken kann.
-
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung in der Nichtaufwärmphase;
- 2 eine schematische Darstellung der ersten Ausgestaltung in der Aufwärmphase;
- 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung in der Nichtaufwärmphase;
- 4 eine schematische Darstellung der Ausgestaltung gemäß 3 in der Aufwärmphase; und
- 5 eine weitere schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung in der Aufwärmphase.
-
In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem gezeigt mit einem Kathodensubsystem und einem Anodensubsystem. Das Anodensubsystem umfasst eine Brennstoffquelle H2, ein Ventil 211, einen Ejektor 234, einen Anodenraum A, eine Rezirkulationsleitung 216, einen Wasserabscheider 232, ein Anodenspülventil 238, einen Brennstoff-Rezirkulationsförderer 236 und eine Anodenspülleitung 239.
-
Das Kathodensubsystem umfasst den Filter 412, der in den Filter 412 einströmendes Oxidationsmittel filtert. Das Oxidationsmittel ist hier Luft. Der Oxidationsmittelförderer 410 verdichtet die vom Filter 412 kommende Luft auf den für den Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlichen Druck. Während der Verdichtung erwärmt sich die Luft. Dem Oxidationsmittelförderer 410 nachgeschaltet ist ein Wärmetauscher 420, der auch als Ladeluftkühler bezeichnet wird. An den Wärmetauscher 420 schließt sich der Kathodenraum K des Brennstoffzellenstapels 300 an. Die Kathodenzuleitung 415 verbindet hier den Luftfilter 412, den Oxidationsmittelförderer 410, den Ladeluftkühler 420 und das kathodenseitige Stapel-Absperrventil 430 miteinander. Im Brennstoffzellenstapel 300 findet während der Nichtaufwärmungsphase die elektrochemische Reaktion statt. Dabei entsteht Wasser, welches zusammen mit dem Kathodenabgas über die Kathodenabgasleitung 416 ausgetragen wird. Stromab vom Brennstoffzellenstapel 300 befindet sich das Backpressure-Ventil 440.
-
Die Anodenspülleitung 239 mündet hier vor dem Backpressure-Ventil 440. durch diese Anodenspülleitung 239 wird beim normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems nach der Aufwärmphase Stickstoff, Wasser und unvermeidliche Reste an Wasserstoff aus dem Anodensubsystem gespült. Dieser Vorgang wird auch als Purgen bezeichnet.
-
Stromab vom Wärmetauscher 420 und stromauf vom Brennstoffzellenstapel 300 zweigt hier von der Kathodenzuleitung 415 eine Bypassleitung ab, die stromab vom Brennstoffzellenstapel 300 in die Kathodenabgasleitung 416 mündet. In der Bypassleitung ist das Bypassventil 460 angeordnet.
-
Mit einem gestrichelten Pfeil dargestellt ist hier die zweite Förderrichtung F2. In diese zweite Förderrichtung F2 strömt das Oxidationsmittel während der Nichtaufwärmphase, beispielsweise wenn das Brennstoffzellensystem nach der Aufwärmphase elektrische Energie für einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs bereitstellt.
-
Die 2 zeigt das Brennstoffzellensystem gemäß der 1 während der Aufwärmphase. Der Oxidationsmittelförderer 410 wird nun reversiert betrieben. Mit anderen Worten fördert der Oxidationsmittelförderer 410 nun das Oxidationsmittel in entgegengesetzter Richtung F1. Diese als erste Förderrichtung F1 bezeichnete Richtung ist entgegengesetzt zur zweiten Förderrichtung F2. Eine solche Richtungsumkehr kann beispielsweise bewirkt werden, indem der Drehsinn der Fördervorrichtung des Oxidationsmittelförderers 410 geändert wird. Bevorzugt ist während der hier dargestellten Aufwärmphase das Bypassventil 460 geschlossen. In der hier dargestellten Ausführungsform saugt nun der Oxidationsmittelförderer über die Kathodenzuleitung 415 Luft durch die Kathodenabgasleitung 416 in den Kathodenraum K des Brennstoffzellenstapels 300. Zeitgleich kann während der Aufwärmphase über die Anodenspülleitung 239 Brennstoff, z.B. Wasserstoff, der Kathodenabgasleitung 416 und somit dem Kathodenraum K zugeführt werden. Im Kathodenraum K reagieren dann Sauerstoff und Wasserstoff unter Freisetzung von Wärme. Dadurch wird der Brennstoffzellenstapel erwärmt. Nach der Reaktion verlassen die Abgase den Kathodenraum und strömen über die Kathodenzuleitung 415 aus. Vorteilhaft kann durch das hier offenbarte Verfahren der Brennstoffzellenstapel 300 effizient aufgeheizt werden, ohne dass hierzu zusätzliche Bauteile eingesetzt werden müssen, die sich ansonsten negativ auf den Bauraum und die Herstellungskosten auswirken könnten.
-
Die 3 zeigt eine zweite Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie während der Nichtaufwärmphase. Das Brennstoffzellensystem ähnelt dem der 1. Nachstehend werden daher lediglich die Unterschiede erläutert. Im Kathodensubsystem ist hier eine als 4/2-Wegeventil ausgebildete Ventilvorrichtung 414 vorgesehen. Die Ventilvorrichtung 414 ist eingerichtet, den Oxidationsmittelstrom so zu leiten, dass während der Nichtaufwärmphase das Oxidationsmittel zunächst die Kathodenzuleitung 415 durchströmt, bevor es in den Brennstoffzellenstapel 300 gelangt.
-
In dieser ersten Schaltstellung der Ventilvorrichtung 414 verbindet ein erster Strömungspfad einen ersten Eingang mit einem ersten Ausgang und ein zweiter Strömungspfad einen zweiten Eingang mit einem zweiten Ausgang. Mithin ist die Ventilvorrichtung 414 im ersten Schaltzustand gemäß der 3 so verschaltet, dass sich derselbe Strömungsweg einstellt wie bei der Ausgestaltung gemäß der 1.
-
Die 4 zeigt nun das Brennstoffzellensystem gemäß der 3 in der Aufwärmphase. Die Ventilvorrichtung 414 ist eingerichtet, den Oxidationsmittelstrom so zu leiten, dass während der Aufwärmphase das Oxidationsmittel zunächst die Kathodenabgasleitung 416 durchströmt, bevor es in den Brennstoffzellenstapel 300 gelangt.
-
Die Ventilvorrichtung 414 ist hier in der zweiten Schaltstellung gezeigt. In dieser zweiten Schaltstellung verbindet der erste Strömungspfad den ersten luftfilterseitigen Eingang mit dem zweiten Ausgang und ein zweiter Strömungspfad den zweiten (abgas)auslassseitigen Eingang mit dem ersten oxidationsmittelförderseitigen Ausgang. Durch die Ventilvorrichtung 414 werden hier also die Strömungswege durch die verschiedenen Schaltzustände für die verschiedenen Phasen gekreuzt. Vorteilhaft kann somit auch während der Aufwärmphase gefilterte Luft vom Oxidationsmittelförderer 410 über die Komponenten des Kathodensubsystems angesaugt werden. Ferner vorteilhaft ist hier die Ventilvorrichtung 414 jeweils auf der Saugseite des Oxidationsmittelförderers 410 angeordnet, so dass die Ventilvorrichtung 414 für vergleichsweise geringen Drücke ausgelegt werden muss. Wie bei der Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 wird auch bei der Ausgestaltung gemäß den 3 und 4 der Oxidationsmittelförderer 410 reversiert betrieben.
-
In dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Bypassventil 460 zumindest teilweise geöffnet ist. Dadurch kann bewirkt werden, dass der Oxidationsmittelförderer 410 als Leistungssenke während des Aufwärmbetriebs mehr Energie verbraucht.
-
Die 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie in der Aufwärmphase. Nachstehend werden nur die Unterschiede gegenüber der Ausgestaltung gemäß den 3 und 4 erläutert. In der Ausgestaltung gemäß den 3 und 4 ist der Oxidationsmittelförderer 410 stromab von der Ventilvorrichtung 414 angeordnet. In der Ausgestaltung gemäß der 5 ist nun der Oxidationsmittelförderer 410 stromauf von der Ventilvorrichtung 414 angeordnet. Mit anderen Worten befindet sich der Oxidationsmittelförderer 410 im Kathodensubsystem zwischen dem Filter 412 und der Ventilvorrichtung 414. Die unterschiedliche Anordnung vom Oxidationsmittelförderer 410 bewirkt, dass dieser nun in der Aufwärmphase nicht reversiert betrieben werden kann. Der Oxidationsmittelförderer 410 verdichtet hier auch in der Aufwärmphase das Oxidationsmittel, bevor es durch die Kathodenabgasleitung 416 in den Kathodenraum K des Brennstoffzellenstapels 300 gelangt. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass die in den Kathodenraum K einströmende Luft während der Verdichtung im Oxidationsmittelförderer 410 zumindest teilweise erwärmt wurde.
-
In dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Bypassventil 460 zumindest teilweise geöffnet ist. Dadurch kann bewirkt werden, dass der Oxidationsmittelförderer 410 als Leistungssenke während des Aufwärmbetriebs mehr Energie verbraucht. Die Menge an Oxidationsmittel, die tatsächlich in den Kathodenraum K gelangt, kann beispielsweise über das Backpressure-Ventil 440 geregelt bzw. gesteuert werden.
-
Die Technologie wurde erläutert unter Verwendung der Begriffe „Kathodenzuleitung“ und „Kathodenabgasleitung“, da diese Begriffe geläufig für diese Komponenten des Kathodensystems sind. Gleichsam können diese Begriffe ersetzt werden durch „erste Leitung“ und „zweite Leitung“.
-
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 300
- Brennstoffzellenstapel
- A
- Anodenraum
- 211
- Ventil
- 216
- Rezirkulationsleitung
- 232
- Anodenspülventil
- 234
- Ejektor
- 236
- Rezirkulationsförderer
- 238
- Anodenspülventil
- 239
- Anodenspülleitung
- K
- Kathodenraum
- 410
- Oxidationsmittelförderer
- 412
- Filter
- 414
- Ventilvorrichtung
- 415
- Kathodenzuleitung, erste Leitung
- 420
- Wärmetauscher
- 430
- Stapel-Absperrventil
- 440
- Backpressure-Ventil
- 416
- Kathodenabgasleitung, zweite Leitung
- 460
- Bypassventil
- F1
- erste Förderrichtung
- F2
- zweite Förderrichtung
