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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, das hier offenbarte Verfahren durchzuführen.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beim Betrieb von Brennstoffzellen ist insbesondere der Kaltstart (Start bei einer Umgebungstemperatur von 0 °C bis 25 °C) sowie der Froststart (Start bei einer Umgebungstemperatur unter 0 °C) problembehaftet. Bei niedrigen Temperaturen verfügen beispielsweise die Moleküle des Katholyten sowie die den Separator durchquerenden Ionen über eine vergleichsweise geringe Kinetik. Dies führt dazu, dass die Polarisationskurven bei einem Kaltstart geringere Spannungen aufweisen als bei einem Warmstart. Mithin kann das Brennstoffzellensystem bei niedrigen Temperaturen weniger effizient betrieben werden. Aus diesem Grund besteht ein Bedürfnis, das Brennstoffzellensystem möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur zu bringen, bei der das System einen besseren Wirkungsgrad aufweist. Ferner verfügt ein vorbekanntes Brennstoffzellensystem über einen Kühlmittelkreis, um die Reaktionswärme in bestimmten Betriebspunkten des Brennstoffzellensystems aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen. Ein solches System sollte möglichst effizient arbeiten.
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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, besonders effizient, schnell und schonend das Brennstoffzellensystem in den betriebsbereiten Zustand zu überführen und gleichsam bevorzugt die Kühlung des 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 des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) 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®.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst i.d.R. 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 i.d.R. ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
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Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Kühlkreislauf, der eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zu temperieren. Der Kühlkreislauf umfasst zweckmäßig mindestens einen Wärmetauscher, mindestens einen Kühlmittelförderer und mindestens eine Brennstoffzelle. Bevorzugt sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, der von dem Kühlmittel durchflossen wird. Der mindestens eine Wärmetauscher ist bspw. ein Kühler, der von Luft durchströmt und durch einen Ventilator unterstützt werden kann. Der Kühlkreislauf ist i.d.R. derart ausgebildet, dass Kühlmittel zwischen dem Wärmetauscher und der mindestens einen Brennstoffzelle zirkulieren kann. Insbesondere kann das in der mindestens einen Brennstoffzelle erwärmte Kühlmittel von der Brennstoffzelle in den mindestens einen Wärmetauscher fließen, wo es sich dann abkühlt, bevor es anschließend wieder in die Brennstoffzelle strömt. Auch wenn hier von Kühlmittel die Rede ist, ist dieses Kühlmittel nicht nur auf das Kühlen beschränkt. Vielmehr kann das Kühlmittel auch zum Erwärmen oder allgemein zum Temperieren der mindestens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Wasser mit entsprechenden Additiven zum Einsatz. Das Kühlsystem kann auch zur Wärmegleichverteilung (d.h. die Vermeidung von höheren Temperaturgradienten) innerhalb der Brennstoffzellen bzw. innerhalb des Brennstoffzellenstapels genutzt werden.
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Das hier offenbarte System umfasst ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. eingerichtet, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl. closed loop control) oder steuern (engl. open loop control). Das Steuergerät kann zumindest das Brennstoffzellensystem beeinflussen, insbesondere das Kathodensubsystem, Anodensubsystem und/oder das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuergerät auch in einem anderen Steuergerät mit integriert sein, z.B. in einem übergeordneten Steuergerät. Das Steuergerät kann mit weiteren Steuergeräten des Kraftfahrzeuges interagieren.
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Das Steuergerät ist insbesondere eingerichtet, das Kühlmittel des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems durch mindestens ein Peltier-Element während der ersten Betriebsphase zu erwärmen. Ferner ist das Steuergerät eingerichtet, das Kühlmittel des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems durch das mindestens eine Peltier-Element während der zweiten Betriebsphase, die sich von der ersten Betriebsphase unterscheidet, zu kühlen. Gleichsam umfasst die hier offenbarte Technologie ein Verfahren mit den Verfahrensschritten:
- - Beheizen des Kühlmittel des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems während der ersten Betriebsphase durch das mindestens eine Peltier-Element; und
- - Kühlen des Kühlmittels durch das mindestens eine Peltier-Element während der zweiten Betriebsphase, die sich von der ersten Betriebsphase unterscheidet.
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Die erste Betriebsphase ist zweckmäßig die Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems. Die zweite Betriebsphase kann eine Phase sein, in der von einem Brennstoffzellenstapel Wärme abzuführen ist.
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Die Aufwärmphase ist dabei die Phase bzw. die Zeitspanne, 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 erwärmen als beim Betrieb nach Abschluss der Aufwärmphase. 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.
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Die zweite Betriebsphase bzw. Zeitspanne ist eine Phase, in der von dem Brennstoffzellenstapel Wärme abzuführen ist. Mit anderen Worten muss also der Brennstoffzellenstapel gekühlt werden. Dies ist insbesondere der Fall in Phasen, in dem das Brennstoffzellensystem im mittelern bzw. oberen Lastbereich betrieben wird und/oder wenn die mittlere Temperatur vom Brennstoffzellenstapel über einen Temperaturgrenzwert angestiegen ist, z.B. 80 °C oder 95 °C oder 110 °C. Insbesondere ist die zweite Betriebsphase die Phase, in der das Brennstoffzellensystem besser Energie einem anderen elektrischen Verbraucher (z.B. mindestens ein Traktionsantrieb) bzw. einem Energiespeicher bereitstellen kann als während des Aufwärmbetriebs.
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Das hier offenbarte System umfasst mindestens ein Peltier-Element. Peltier-Elemente oder Thermoelektrische Module als solche sind bekannt. Peltier-Elemente sind i.d.R. aus keramischen Werkstoffen, Halbleitermaterialien oder auch aus entsprechend leitfähigen Polymeren hergestellt. Ein Peltier-Element ist ein elektrothermischer Wandler, der basierend auf dem Peltier-Effekt bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz einen Stromfluss (Seebeck-Effekt) erzeugt. Peltier-Elemente können sowohl zur Kühlung als auch - bei Stromrichtungsumkehr - zum Heizen verwendet werden. Üblicherweise werden derartige Peltier-Elemente daher im Bereich von Kältemaschinen und dergleichen eingesetzt.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach während der Aufwärmphase vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Energie zumindest teilweise an das mindestens eine Peltier-Element abgegeben wird. Gleichsam kann das Brennstoffzellensystem eingerichtet sein, während der ersten Betriebsphase vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Energie an das mindestens eine Peltier-Element abzugeben. Vorteilhaft kann somit die Leerlaufspannung während des Aufwärmprozesses reduziert werden, wodurch die Leerlaufspannung sinkt. Damit einher geht eine geringere Zelldegradation.
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Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem kann ferner das/die Merkmale aufweisen, wonach
- - das Peltier-Element im Kühlkreislauf am Einlass und/oder am Auslass vom Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems vorgesehen ist, bevorzugt derart, dass zumindest teilweise direkt durch Wärmeleitung vom Peltier-Element zum Brennstoffzellenstapel die Temperatur vom Brennstoffzellenstapel beeinflusst wird;
- - das Peltier-Element als Manschette ausgebildet ist; und/oder
- - wobei das Peltier-Element vorgesehen ist in einem Leitungsabschnitt vom Kühlkreislauf bzw. einen solchen Leitungsabschnitt ausbildet;
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Ebenfalls ist vorstellbar, dass alternativ oder zusätzlich zum Peltier-Element mindestens ein elektrisches Heizelement und/oder mindestens ein katalytischer Verbrenner vorgesehen sein kann. Das mindestens eine elektrische Heizelement und/oder der mindestens eine katalytische Verbrenner können so angeordnet, ausgebildet und/oder betreiben werden wie das Peltier-Element.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie die Möglichkeit zur Unterstützung der Aufheiz- und/oder Abkühlprozesse des Brennstoffzellensystems durch Einsatz von zusätzlichen Thermoelementen wie z.B. Peltier-Elemente. Die Kühlmedium Leitungen im BrennstoffzellenSystem können am Stack-Eingang und -Ausgang z.B. mit elektrischen Heizmanschetten umwickelt werden, um beim Kalt/Froststart das durch die Leitungen durchströmende Medium zusätzlich zu der durch den Stack produzierten Wärme zu heizen. Alternativ können die Heizelemente (z.B. Heizdrähte) in die Leitungen integriert und somit platzsparend untergebracht werden. Zusätzlich kann ein Teil der in der Startup-Phase produzierten Stackleistung in die elektrische Versorgung der Heizmanschetten/Heizkörper eingespeist werden. Somit kann höhere Leistung vom Stack angefordert werden, wodurch der Stack mehr Wärme produziert. Eine weitere Variante mit Peltier-Elementen würde eine Beheizung und Kühlung der KühlmittelLeitungen ermöglichen. So kann das Kühlmedium bei höheren Stackleistungen am Stack-Ausgang aktiv über die Manschetten gekühlt werden, wodurch die Stackkühlung im Fahrzeug zusätzlich zum Luftkühler unterstützt werden kann. Es kann somit die Kalt/Frost-Startup Prozedur durch Beheizung von Kühlmediumleitungen und unter Verwendung der produzierten Leistung in die Versorgung der Heizelemente beschleunigt werden. Bei Integration der Heizelemente in die Leitungen kann die hier gezeigte Technologie platzsparend ausgelegt werden.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert.
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Die
1 zeigt ein Kühlsystem wie es in der
DE 11 2006 001 348 B4 gezeigt ist. Das Kühlsystem umfasst einen Kühlkreislauf
210 mit einem Kühler
300, der durch einen Ventilator
310 unterstützt sein kann, sowie zu einem Brennstoffzellenstapel
110 zusammengefasste Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems
100. In der Zuleitung ist zwischen dem Dreiwegeventil
244 und dem Brennstoffzellenstapel
110 die Pumpvorrichtung
P1 angeordnet. Die Pumpvorrichtung
P1 ist derart ausgelegt, dass sie genügend Kühlmittel sowohl während der Aufwärmphase als auch während der normalen Kühl- bzw. Betriebsphase bereitstellen kann. Während der Aufwärmphase kann das Dreiwegeventil
244 den Strömungspfad
224 schließen und ermöglicht somit eine Bypass-Strömung über den Strömungspfad
240. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen vom Kühlkreis
210 möglich. Ferner angedeutet ist hier das Steuergerät
400, welches das Peltier-Element
230 steuert bzw. regelt. Das Anodensubsystem und das Kathodensubsystem vom Brennstoffzellensystem
100 wurden vereinfachend weggelassen.
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Im Strömungspfad ist hier stromauf vom Brennstoffzellenstapel 110 das Peltier-Element 230 am Einlass vom Brennstoffzellenstapel 110 vorgesehen. Das Peltier-Element 230 ist hier mit dem Gehäuse vom Brennstoffzellenstapel 110 wärmeleitend verbunden. Ebenso könnte das Peltier-Element 230 integral mit dem Gehäuse vom Brennstoffzellenstapel 110 ausgebildet sein. Dies muss aber nicht so sein. Alternativ kann das Peltier-Element 230 auch an einer anderen Stelle im Kühlkreis angeordnet sein.
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In einer Ausgestaltung kann das Peltier-Element 230 beispielsweise in einem Bypassströmungspfad vorgesehen sein. Dies kann beispielsweise vorgesehen sein, falls das Peltier-Element 230 zur Wärmeübertragung weitere oberflächenvergrößernde Mittel umfasst, die den Strömungswiderstand erhöhen. Zweckmäßig kann dann vorgesehen sein, dass in einer dritten Betriebsphase mindestens 30% oder mindestens 50% oder mindestens 80% des Kühlmittels durch eine Bypassleitung strömen, die stromauf vom Peltier-Element 230 abzweigt und stromab vom Peltier-Element 230 mündet (nicht gezeigt). Während der dritten Betriebsphase wird das Kühlmittel durch das Peltier-Element 230 weder erwärmt noch gekühlt. Ein solcher Bypass muss aber nicht vorgesehen sein.
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Kühlkreis, das/ein Peltier-Element, die/eine Manschette, der/ein Leitungsabschnitt, der/ein Brennstoffzellenstapel, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Kühlkreis, das mindestens eine Peltier-Element, die mindestens eine Manschette, der mindestens eine Leitungsabschnitt, der mindestens eine Brennstoffzellenstapel etc.).
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112006001348 B4 [0019]
