DE102019203050A1 - System und Verfahren zum Erzeugen von Vibrationen an wenigstens einer Komponente eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem - Google Patents

System und Verfahren zum Erzeugen von Vibrationen an wenigstens einer Komponente eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellensystem Download PDF

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Rolf Lorenz Löffler
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (30) zum Erzeugen von Vibrationen an wenigstens einer Komponente eines Brennstoffzellensystems (1, 32), aufweisend wenigstens eine an dem Brennstoffzellensystem (1, 32) anordbare, oder zumindest teilweise durch wenigstens ein Bauteil des Brennstoffzellensystems (1, 32) gebildete Vibrationseinrichtung (34) zum Erzeugen von auf die Komponente übertragbaren Anregungsschwingungen und wenigstens eine Ansteuerelektronik (31) zum Ansteuern der Vibrationseinrichtung (34). Um einen Betrieb des Brennstoffzellensystems (1, 32) bei Temperaturen kleiner 0°C zu verbessern, ist die Ansteuerelektronik (31) eingerichtet, die Vibrationseinrichtung (34) während eines Einschaltvorgangs und/oder eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems (1, 32) unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eigenfrequenz der Komponente anzusteuern.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein System zum Erzeugen von Vibrationen an wenigstens einer Komponente eines Brennstoffzellensystems, aufweisend wenigstens eine an dem Brennstoffzellensystem anordbare, oder zumindest teilweise durch wenigstens ein Bauteil des Brennstoffzellensystems gebildete Vibrationseinrichtung zum Erzeugen von auf die Komponente übertragbaren Anregungsschwingungen und wenigstens eine Ansteuerelektronik zum Ansteuern der Vibrationseinrichtung. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Vibrationen an wenigstens einer Komponente eines B ren nstoffze llensystems.
  • Um ein Brennstoffzellensystem bei Temperaturen kleiner 0°C zu starten und betreiben zu können, müssen insbesondere Brennstoffzellenkanäle und Brennstoffzellenanschlüsse frei von Eisblockaden sein. Solche Eisblockaden können im besten Fall zu einer Unterbrechung eines Startvorgangs aufgrund einer Wasserstoffunterversorgung und/oder Sauerstoffunterversorgung und im schlechtesten Fall zu einer Beschädigung mancher oder aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems führen. Um die Bildung von solchen Eisblockaden zu verhindern bzw. die Eisblockaden aufzulösen sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden.
  • Die US 2013 / 0 095 406 A1 offenbart ein Verfahren und ein System zum Verbessern der Effizienz von Brennstoffzellen durch Beseitigen von Hindernissen innerhalb eines Brennstoffzellenkanals. Das System weist wenigstens einen Sensor und einen Prozessor zum Bestimmen, wann ein Konzentrationsniveau eines Gases, wie beispielsweise Kohlendioxid, eine maximale Schwelle überschritten hat, auf. Der Prozessor aktiviert dann ein Hindernisbeseitigungselement, um Gasblasen innerhalb des Brennstoffzellenkanals zu entfernen oder freizusetzen, die Reaktionsstellen oder einen Brennstofffluss blockieren.
  • Die US 2016 / 0 380 286 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Kompressor, der in einem Zufuhrströmungsweg platziert ist, der derart angeordnet ist, um ein Kathodengas einer Brennstoffzelle zuzuführen, einem ersten motorbetriebenen Ventil, das zwischen der Brennstoffzelle und dem Kompressor in dem Zufuhrströmungsweg platziert ist, einem ersten Schrittmotor, der in dem ersten motorbetriebenen Ventil ausgebildet ist, einem zweiten motorbetriebenen Ventil, das in einem Auslassströmungsweg platziert ist, der derart angeordnet ist, um das Kathodengas von der Brennstoffzelle auszulassen, einem zweiten Schrittmotor, der in dem zweiten motorbetriebenen Ventil ausgebildet ist, und einem Kontroller, der derart konfiguriert ist, um eine Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zu steuern und Antriebsimpulse in den ersten Schrittmotor und den zweiten Schrittmotor einzugeben, um so das erste motorbetriebene Ventil und das zweite motorbetriebene Ventil bei einem Start der Brennstoffzelle zu öffnen und das erste motorbetriebene Ventil und das zweite motorbetriebene Ventil bei einem Stoppen der Brennstoffzelle zu schließen. Der erste Schrittmotor wird durch die Eingabe der Antriebsimpulse betrieben, um ein Moment zu erzeugen, um das erste motorbetriebene Ventil zu öffnen und zu schließen. Der zweite Schrittmotor wird durch die Eingabe der Antriebsimpulse betrieben, um ein Moment zu erzeugen, um das zweite motorbetriebene Ventil zu öffnen und zu schließen. Der Kontroller bestimmt, ob zumindest eines von dem ersten motorbetriebenen Ventil und dem zweiten motorbetriebenen Ventil in einem eingefrorenen Zustand bei dem Start der Brennstoffzelle ist. Wenn bestimmt wird, dass weder das erste motorbetriebene Ventil noch das zweite motorbetriebene Ventil in dem eingefrorenen Zustand ist, startet der Kontroller die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle. Wenn bestimmt wird, dass zumindest eines von dem ersten motorbetriebenen Ventil und dem zweiten motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand ist, führt der Kontroller einen vordefinierten Prozess durch, der für mehrere Male abwechselnd eine Eingabe eines ersten Antriebsimpulses, der ein Moment in einer Richtung einer Zunahme einer Ventilöffnung erzeugt, und eines zweiten Antriebsimpulses, der eine höhere Pulsgeschwindigkeit als eine Pulsgeschwindigkeit des ersten Antriebsimpulses aufweist und ein Moment in einer Richtung einer Abnahme der Ventilöffnung erzeugt, in einen Schrittmotor wiederholt, der in zumindest dem motorbetriebenen Ventil in dem eingefrorenen Zustand von dem ersten Schrittmotor und den zweiten Schrittmotor ausgebildet ist.
  • Die US 6 855 444 B2 offenbart ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle aufweist, die durch eine chemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt. Das Brennstoffzellensystem weist ein Außenlufttemperatur-Erfassungsmittel zum Erfassen der Außenlufttemperatur in der Nachbarschaft der Brennstoffzelle, ein Außenlufttemperatur-Schätzungsmittel, um nach dem Deaktivieren der Brennstoffzelle das Sinken der Außenlufttemperatur aufgrund einer vom Außenlufttemperatur-Erfassungsmittel erfassten Änderung der Außenlufttemperatur zu schätzen, ein Vereisungsentscheidungsmittel, um zu entscheiden, ob die geschätzte Außenlufttemperatur, die vom Außenlufttemperatur-Schätzmittel erhalten wurde, unter einer vorher festgelegten Vereisungstemperatur, bei der Feuchtigkeit gefriert, liegt oder nicht, und ein Vereisungsschutz-Durchführungsmittel auf, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit im Inneren der Brennstoffzelle gefriert, wenn das Vereisungsentscheidungsmittel entschieden hat, dass die Außenlufttemperatur unter der vorher festgelegten Vereisungstemperatur liegt.
  • Die US 2005 / 0 238 934 A1 offenbart ein Brennstoffzellenaggregat mit einem Brennstoffzellenstapel, der aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen besteht, die eine elektrische Energieerzeugung mittels einer Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff durchführen. Eine Steuerung bestimmt, ob Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellenstapels gefroren ist oder nicht. Wenn die Feuchtigkeit gefroren ist, veranlasst die Steuerung, dass der Brennstoffzellenstapel eine intermittierende elektrische Energieerzeugung über einen Wechselrichter durchführt, während weiterhin Sauerstoff an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird. Der Brennstoffzellenstapel erzeugt als Ergebnis der Erzeugung elektrischer Energie Wärme, wodurch in einer Kathode Feuchtigkeit erzeugt wird. Während der Zeiträume, in denen keine elektrische Energieerzeugung durchgeführt wird, spült der Sauerstoff, der der Kathode der Brennstoffzellen zugeführt wird, die erzeugte Feuchtigkeit heraus, wodurch die Zufuhr von Sauerstoff zur Kathode während der Erzeugung elektrischer Energie sichergestellt wird.
  • Die US 2008 / 0 241 608 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels, wobei der Brennstoffzellenstapel, der eine Temperatur unter 0°C aufweist, gestartet wird und eine Last an der Brennstoffzelle, die von 75 Prozent des Maximums zu der maximalen Last reicht, angelegt wird, auf die der Brennstoffzellenstapel anzusprechen in der Lage ist, wobei die maximale Last durch die Brennstoffzellensystembeschränkungen beschränkt wird und wobei die angelegte Last größer als diejenige ist, die von dem Bediener angefordert wird, um Primär- und Nebenaggregatvorrichtungen zu betreiben. Das Anlegen der Last wird mit einem Betrag fortgesetzt, der größer als derjenige ist, der von dem Bediener angefordert wird, und zwar zumindest so lange, bis die Temperatur des Brennstoffzellenstapels über 0°C liegt.
  • Die US 9 428 077 B2 offenbart ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, das einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen von Leistung und eine Steuerung aufweist, die so ausgelegt ist, dass sie ein erstes Signal empfängt, das eine vorhergesagte Außentemperatur an einem spezifizierten Ort anzeigt, und dem Brennstoffzellensystem befiehlt, bei einer reduzierten relativen Feuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel zu arbeiten, wenn die vorhergesagte Außentemperatur unter einem Schwellenwert liegt.
  • Die unter dem Link http://gow.epsrc.ac.uk/NGBOViewGrant.aspx?GrantRef=EP/M00 5321/1 abrufbare Veröffentlichung offenbart ein Verfahren zum Enteisen von Tragflächen eines Flugzeugs unter Verwendung von Vibrationen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Betrieb, insbesondere Startbetrieb, eines Brennstoffzellensystems bei Temperaturen kleiner 0°C zu verbessern.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, dessen Ansteuerelektronik eingerichtet ist, die Vibrationseinrichtung während eines Einschaltvorgangs und/oder eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eigenfrequenz der Komponente anzusteuern.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
  • Erfindungsgemäß können mit der Vibrationseinrichtung während des Einschaltvorgangs, also während eines Betriebsstartvorgangs, Vibrationen an der Komponente des Brennstoffzellensystems, beispielsweise an einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems, unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eigenfrequenz der Komponente erzeugt werden, wodurch eventuelle Eisablagerungen an der Komponente zuverlässig und schnell von der Komponente entfernt werden können, um anschließend einen normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems sicherstellen zu können. Hierzu kann die Ansteuerelektronik die Vibrationseinrichtung beispielsweise innerhalb eines einem Betriebsstart zeitlich unmittelbar nachgelagerten Zeitintervalls vorgegebener Länge zur Erzeugung von Anregungsschwingungen ansteuern bzw. aktivieren, die mittelbar oder unmittelbar auf die zu enteisende Komponente des Brennstoffzellensystems übertragen werden. Die Länge des Zeitintervalls kann von einer Umgebungstemperatur und/oder einer Systemtemperatur abhängen. Die Länge des Zeitintervalls ist vorzugsweise derart gewählt, dass die Anregungsschwingungen erzeugt werden, bis das Brennstoffzellensystem in der Lage ist, elektrische Leistung zu liefern. Die Länge des Zeitintervalls kann zwischen 10 s und 300 s liegen. Die wenigstens eine Eigenfrequenz der zu enteisenden Komponente kann vorab ermittelt und in der Ansteuerelektronik hinterlegt werden.
  • Alternativ oder additiv können mit der Vibrationseinrichtung während des Ausschaltvorgangs, also während eines Betriebsbeendungsvorgangs, Vibrationen an der Komponente des Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eigenfrequenz der Komponente erzeugt werden, wodurch zuverlässig verhindert werden kann, dass ein Kondenswasser bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem an der Komponente, beispielsweise in einem Durchgang, einem Kanal, einem Zuleitungsanschluss und/oder Ableitungsanschluss für Wasser, Luft oder Wasserstoff, verbleibt und eventuell Tropfen bildet, die im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellensystems eine Eisablagerung an der Komponente bilden können. Hierzu kann die Ansteuerelektronik die Vibrationseinrichtung beispielsweise innerhalb eines einem Betriebsende zeitlich unmittelbar vorgelagerten Zeitintervalls vorgegebener Länge zur Erzeugung von Anregungsschwingungen ansteuern bzw. aktivieren, die mittelbar oder unmittelbar auf die zu enteisende Komponente des Brennstoffzellensystems übertragen werden. Die Länge des Zeitintervalls kann von einer Umgebungstemperatur, Umgebungsfeuchte, Systemtemperatur, Systemfeuchte, beispielsweise Brennstoffzellenstapelfeuchte, und/oder Systembetriebsdauer abhängen. Die Länge des Zeitintervalls kann zwischen 10 s und 120 s liegen. Dadurch kann das Brennstoffzellensystem gewissermaßen optimal für den nächsten Einschaltvorgang vorbereitet werden, so dass bestenfalls keine Enteisung der Komponente des Brennstoffzellensystems erfolgen muss. Die wenigstens eine Eigenfrequenz der Komponente des Brennstoffzellensystems kann vorab ermittelt und in der Ansteuerelektronik hinterlegt werden.
  • Das erfindungsgemäße System bzw. dessen Vibrationseinrichtung kann auch eingerichtet sein, Vibrationen an zwei oder mehreren, insbesondere allen, Komponenten des Brennstoffzellensystems zu erzeugen. Hierbei kann die Vibrationseinrichtung wenigstens eine separat von dem Brennstoffzellensystem hergestellte und an dem Brennstoffzellensystem anordbare bzw. angeordnete Vibrationseinheit aufweisen. Alternativ kann die Vibrationseinrichtung teilweise oder vollständig durch wenigstens ein Bauteil des Brennstoffzellensystems gebildet sein. Die mit der Vibrationseinrichtung erzeugbaren Anregungsschwingungen werden unter Berücksichtigung der wenigstens einen Eigenfrequenz der Komponente des Brennstoffzellensystems erzeugt, indem die Ansteuerelektronik die Vibrationseinrichtung entsprechend ansteuert. Hierbei kann die Ansteuerelektronik als separate Einheit ausgebildet sein oder beispielsweise durch eine Fahrzeugelektronik eines Fahrzeugs realisiert sein.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die an dem Brennstoffzellensystem anordbare Vibrationsvorrichtung wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Aktuator auf, der zumindest mittelbar an einem wenigstens eine Brennstoffzelle aufnehmenden Gehäuse des Brennstoffzellensystems oder an einem Bauteil einer kein Gehäuse bildenden Haltestruktur des Brennstoffzellensystems oder an einer einzelnen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Hiernach ist die Vibrationseinrichtung als separates Bauteil an dem Brennstoffzellensystem angeordnet. Die Vibrationseinrichtung kann auch zwei oder mehrere an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems angeordnete, elektrisch ansteuerbare Aktuatoren aufweisen, die mit der Ansteuerelektronik ansteuerbar sind. Das Bauteil der Haltestruktur kann beispielsweise eine an einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems anliegende Endplatte, ein die Zellen des Brennstoffzellenstapels gegeneinander verspannendes Spannband oder dergleichen sein. Der Aktuator kann beispielsweise wenigstens ein Piezoelement aufweisen oder als Elektromotor ausgebildet sein.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Aktuator eine Welle aufweist oder wellenlos ausgebildet ist oder wenigstens einen Piezomotor aufweist. Mit einem Aktuator mit Welle und einem wellenlosen Aktuator können beispielsweise Vibrationen mit einer Frequenz in einem niedrigen oder mittleren Bereich erzeugt werden. Mit einem Piezomotor können Vibrationen mit einer Frequenz in einem hohen Bereich erzeugt werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vibrationseinrichtung eingerichtet, Schallwellen oder Ultraschallwellen zu erzeugen. Hierzu kann die Vibrationseinrichtung beispielsweise wenigstens einen Piezomotor, insbesondere Piezo-Excimer, aufweisen.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vibrationseinrichtung zumindest teilweise durch wenigstens ein Ventil eines Kathodengassystems oder eines Wasserstoffsystems oder eines Kühlsystems des Brennstoffzellensystems gebildet, wobei die Ansteuerelektronik eingerichtet ist, das Ventil während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen einem Öffnungszustand, in dem das Ventil teilweise oder vollständig geöffnet ist, und einem von dem Öffnungszustand abweichenden Schließzustand, in dem das Ventil geringer geöffnet ist als in dem Öffnungszustand, hin und her zu schalten. Durch das Hin- und Herschalten des jeweiligen Ventils erzeugt das Ventil Anregungsschwingungen, die sich insbesondere mechanisch auf die Komponente des Brennstoffzellensystems übertragen können, wobei die Komponente auch das Ventil selbst sein kann. Es können auch zwei Ventile, insbesondere Drosselventile, des Kathodengassystems, mit dem den Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems ein Kathodengas, insbesondere Luft bzw. Sauerstoff, zuführbar ist, entsprechend geschaltet werden. Das Ventil des Wasserstoffsystems, mit dem die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff versorgbar sind, kann beispielsweise als Niederdruckventil an einer den Brennstoffzellen Wasserstoff zuleitenden Wasserstoffzuleitung des Wasserstoffsystems oder als Ablassventil an einer Wasserstoff von den Brennstopfzellen ableitenden Wasserstoffableitung des Wasserstoffsystems ausgebildet sein. Das Ventil des Kühlsystems, mit dem die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems im Betrieb kühlbar sind, kann beispielsweise in einer in dem Brennstoffzellenstapel mündenden Zuleitung des Kühlsystems angeordnet sein. Das Schalten des jeweiligen Ventils kann beispielsweise über eine PWM-Ansteuerung des Ventils erfolgen.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Ansteuerelektronik mit einem Luftverdichter des Kathodengassystems und/oder mit einer Pumpe des Kühlsystems des Brennstoffzellensystems verbindbar oder verbunden ist, wobei die Ansteuerelektronik eingerichtet ist, den Luftverdichter und/oder die Pumpe während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs bei einer vorgegebenen Drehzahl zu betreiben. Mittels des Luftverdichters des Kathodengassystems kann während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs Luft durch den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems geführt werden, um Feuchtigkeit um ein bestimmtes Ausmaß aus dem Brennstoffzellenstapel abzuführen, was insbesondere die Bildung von Eisblockaden aus Kondenswasser an der Komponente des Brennstoffzellensystems verhindert. Zudem kann der Luftverdichter bei einer Drehzahl betrieben werden, mit der eine Eigenschwingung der Komponente des Brennstoffzellensystems angeregt wird. Die Pumpe des Kühlsystems kann während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs beispielsweise bei einer Drehzahl betrieben werden, mit der eine Eigenschwingung der Komponente des Brennstoffzellensystems angeregt wird.
  • Die obige Aufgabe wird des Weiteren durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst, das wenigstens ein System nach einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander aufweist.
  • Mit dem Brennstoffzellensystem sind die oben mit Bezug auf das System genannten Vorteile entsprechend verbunden. Das System kann beispielsweise in einem Fahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise in einem Landfahrzeug, insbesondere in einem Personenkraftwagen, in einem Wasserfahrzeug oder in einem Luftfahrzeug. Alternativ kann das System in einer stationären Anwendung eingesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem kann beispielweise elektrische Energie erzeugen, die einem elektrischen Energiespeicher eines Fahrzeugs zugeführt werden kann, mit dem beispielsweise elektrische Antriebsmotoren des Fahrzeugs versorgbar sind.
  • Die obige Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst, gemäß dem die Vibrationen während eines Einschaltvorgangs und/oder eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eigenfrequenz der Komponente erzeugt werden.
  • Mit dem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das System genannten Vorteile entsprechend verbunden. Insbesondere kann das System gemäß einer der oben genannten Ausgestaltungen oder einer Kombination von wenigstens zwei dieser Ausgestaltungen miteinander zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Ventil eines Kathodengassystems oder eines Wasserstoffsystems oder eines Kühlsystems des Brennstoffzellensystems während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen einem Öffnungszustand, in dem das Ventil teilweise oder vollständig geöffnet ist, und einem von dem Öffnungszustand abweichenden Schließzustand, in dem das Ventil geringer geöffnet ist als in dem Öffnungszustand, hin und her geschaltet. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Systems genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass ein Luftverdichter des Kathodengassystems und/oder eine Pumpe des Kühlsystems des Brennstoffzellensystems während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs bei einer vorgegebenen Drehzahl betrieben werden. Mit dieser Ausgestaltung sind die oben mit Bezug auf die entsprechende Ausgestaltung des Systems genannten Vorteile entsprechend verbunden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen
    • 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem und
    • 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
  • In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit mehreren nicht gezeigten Brennstoffzellen, einer Stapelanode 3 und einer Stapelkathode 4 auf.
  • Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 1 ein Wasserstoffsystem 5 mit einer Wasserstoffzuleitung 6 zum Zuleiten von Wasserstoff zu der Stapelanode 3 und einer Wasserstoffableitung 7 zum Ableiten von Wasserstoff von der Stapelanode 3 auf. An der Wasserstoffzuleitung 6 ist ein elektrisch ansteuerbares Ventil 8 des Wasserstoffsystems 5 angeordnet und an der Wasserstoffableitung 7 ist ein elektrisch ansteuerbares Ventil 9 des Wasserstoffsystems 5 angeordnet.
  • Zudem weist das Brennstoffzellensystem 1 ein Kathodengassystem 10 auf, mit dem die Stapelkathode 4 mit Luft bzw. darin enthaltenem Sauerstoff versorgbar ist. Das Kathodengassystem 10 weist einen nicht gezeigten Lufteinlass auf, über den Luft angesaugt und einem Luftfilter 11 des Kathodengassystems 10 zugeführt wird. Die mit dem Luftfilter 11 gefilterte Luft wird anschließend einem Luftverdichter 12 des Kathodengassystems 10 zugeführt wird, der die Luft verdichtet. Dem Luftverdichter 12 ist ein ansteuerbares Sperrventil 13 nachgeschaltet. Bei geöffnetem Sperrventil 13 kann die verdichtete Luft über eine Luftzuleitung 14 direkt der Stapelkathode 4 zugeführt werden.
  • Von der Luftzuleitung 14 zweigt eine Befeuchtungs-Bypass-Leitung 15 ab, an der ein ansteuerbares Sperrventil 16 angeordnet ist. Bei geöffnetem Sperrventil 16 wird die verdichtete Luft einer Befeuchtungseinheit 17 zum Befeuchten der verdichteten Luft zugeführt, wobei die mit der Befeuchtungseinheit 17 befeuchtete verdichtete Luft der Stapelkathode 4 zugeführt wird. Über eine Betätigung des Sperrventils 16 kann also die der Stapelkathode 4 zugeführte Feuchtigkeit eingestellt werden. Die aus der Stapelkathode 4 ausströmende Luft wird der Befeuchtungseinheit 17 zugeführt und von dieser mittels einer Luftableitung 18 abgeführt.
  • Des Weiteren zweigt von der Luftzuleitung 14 eine Luft-Bypass-Leitung 19 ab, an der ein ansteuerbares Sperrventil 20 angeordnet ist und die mit der Luftableitung 18 verbunden ist. Durch eine Betätigung des Sperrventils 20 kann ein der Stapelkathode 4 zugeführter Luftvolumenstrom eingestellt werden.
  • Mit der Luftableitung 18 wird die von der Stapelkathode 4 kommende Luft einer Turbine 21 zugeführt, von wo aus die Luft nach Verrichtung von Arbeit in der Turbine 21 über eine Luftauslassleitung 22 abgeblasen wird. Die Turbine 21 ist mechanisch und trieblich mit dem Luftverdichter 12 verbunden, so dass der Luftverdichter 12 mit der Turbine 21 antreibbar ist. Die Wasserstoffableitung 7 mündet in der Luftauslassleitung 22.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist des Weiteren ein Kühlsystem 23 zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 2 auf. Das Kühlsystem 23 weist eine Kühlmittelzuleitung 24 auf, die zuleitungsseitig mit einem nicht gezeigten Kühler verbunden ist und an der eine Pumpe 25 angeordnet ist. Die Kühlmittelzuleitung 24 führt ein Kühlmittel, beispielsweise ein Wassergemisch, dem Brennstoffzellenstapel 2 zu. Nach Durchgang durch den Brennstoffzellenstapel 2 wird das Kühlmittel mittels einer Kühlmittelableitung 26 von dem Brennstoffzellenstapel 2 abgeführt. Die Befeuchtungseinheit 17 ist eingangsseitig über eine Zuleitung 27 mit der Kühlmittelzuleitung 24 und über eine Ableitung 28 mit der Kühlmittelableitung 26 verbunden, um die der Befeuchtungseinheit 17 zugeführte Luft mit dem Kühlmittel befeuchten zu können. An der Kühlmittelableitung 26 ist ein Schaltventil 29 angeordnet, so dass das von dem Brennstoffzellenstapel 2 kommende Kühlmittel über das ansteuerbare Schaltventil 29 entweder dem Kühler oder der Kühlmittelzuleitung 24 zugeführt wird.
  • Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1 ein System 30 zum Erzeugen von Vibrationen an wenigstens einer gezeigten oder nicht gezeigten Komponente des Brennstoffzellensystems 1 auf. Das System 30 weist eine durch ein gezeigtes oder nicht gezeigtes Bauteil des Brennstoffzellensystems 1 gebildete Vibrationseinrichtung zum Erzeugen von auf die Komponente übertragbaren Anregungsschwingungen auf. Die Komponente kann beispielsweise irgendeine in 1 gezeigte Komponente des Brennstoffzellensystems 1 sein.
  • Alternativ oder additiv kann das System 30 wenigstens eine an dem Brennstoffzellensystem 1 anordbare, nicht gezeigte Vibrationsvorrichtung aufweisen, die wenigstens einen nicht gezeigten, elektrisch ansteuerbaren Aktuator aufweisen kann, der zumindest mittelbar an einem wenigstens zwei nicht gezeigten Brennstoffzellen aufnehmenden, nicht gezeigten Gehäuse des Brennstoffzellensystems 1 oder an einem nicht gezeigten Bauteil einer kein Gehäuse bildenden, nicht gezeigten Haltestruktur des Brennstoffzellensystems 1 oder an einer einzelnen nicht gezeigten Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems 1 angeordnet sein kann. Der Aktuator kann eine Welle aufweisen oder wellenlos ausgebildet sein oder wenigstens einen nicht gezeigten Piezomotor aufweisen. Die Vibrationseinrichtung kann eingerichtet sein, Schallwellen oder Ultraschallwellen zu erzeugen.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann die Vibrationseinrichtung zumindest teilweise durch das Ventil 13, 16 und/oder 20 des Kathodengassystems 10 und/oder durch das Ventil 8 und/oder 9 des Wasserstoffsystems 5 und/oder durch das Ventil 29 des Kühlsystems 23 des Brennstoffzellensystems 1 gebildet sein.
  • Das System 30 weist eine Ansteuerelektronik 31 zum Ansteuern der Vibrationseinrichtung auf. Die Ansteuerelektronik 31 ist eingerichtet, die Vibrationseinrichtung während eines Einschaltvorgangs und/oder eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems 1 unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eigenfrequenz der Komponente anzusteuern. Insbesondere ist die Ansteuerelektronik 31 eingerichtet, das Ventil 8, 9, 13, 16, 20 und/oder 29 während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen einem Öffnungszustand, in dem das Ventil 8, 9, 13, 16, 20 und/oder 29 teilweise oder vollständig geöffnet ist, und einem von dem Öffnungszustand abweichenden Schließzustand, in dem das Ventil 8, 9, 13, 16, 20 und/oder 29 geringer geöffnet ist als in dem Öffnungszustand, hin und her zu schalten.
  • Zudem kann die Ansteuerelektronik 31 mit dem Luftverdichter 12 des Kathodengassystems 10 und/oder mit der Pumpe 25 des Kühlsystems 23 des Brennstoffzellensystems 1 verbindbar oder verbunden sein, wobei die Ansteuerelektronik 31 eingerichtet sein kann, den Luftverdichter 12 und/oder die Pumpe 25 während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs bei einer vorgegebenen Drehzahl zu betreiben, wobei die vorgegebene Drehzahl der bestimmten Eigenfrequenz entspricht.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 32. Es ist ein Brennstoffzellenstapelgehäuse 33 gezeigt, in dem mehrere nicht gezeigte Brennstoffzellen angeordnet sind. An dem Brennstoffzellenstapelgehäuse 33 sind vier Vibrationseinrichtungen 34 in Form von wellenlosen Aktuatoren angeordnet, die mittels der Ansteuerelektronik 31 ansteuerbar sind, um Vibrationen zumindest an dem Brennstoffzellengehäuse 33 zu erzeugen.
  • Im Übrigen kann das Brennstoffzellensystem 32 entsprechend dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ausgebildet sein, weshalb zu Vermeidung von Wiederholungen auf die obige Beschreibung zu 1 verwiesen wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Brennstoffzellenstapel
    3
    Stapelanode
    4
    Stapelkathode
    5
    Wasserstoffsystem
    6
    Wasserstoffzuleitung
    7
    Wasserstoffableitung
    8
    Ventil an 6
    9
    Ventil an 7
    10
    Kathodengassystem
    11
    Luftfilter
    12
    Luftverdichter
    13
    Ventil an 14
    14
    Luftzuleitung
    15
    Befeuchtungs-Bypass-Leitung
    16
    Ventil an 15
    17
    Befeuchtungseinheit
    18
    Luftableitung
    19
    Luft-Bypass-Leitung
    20
    Ventil an 19
    21
    Turbine
    22
    Luftauslassleitung
    23
    Kühlsystem
    24
    Kühlmittelzuleitung
    25
    Pumpe
    26
    Kühlmittelableitung
    27
    Zuleitung
    28
    Ableitung
    29
    Ventil
    30
    System
    31
    Ansteuerelektronik
    32
    Brennstoffzellensystem
    33
    Brennstoffzellengehäuse
    34
    Vibrationseinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (10)

  1. System (30) zum Erzeugen von Vibrationen an wenigstens einer Komponente eines Brennstoffzellensystems (1, 32), aufweisend wenigstens eine an dem Brennstoffzellensystem (1, 32) anordbare, oder zumindest teilweise durch wenigstens ein Bauteil des Brennstoffzellensystems (1, 32) gebildete Vibrationseinrichtung (34) zum Erzeugen von auf die Komponente übertragbaren Anregungsschwingungen und wenigstens eine Ansteuerelektronik (31) zum Ansteuern der Vibrationseinrichtung (34), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (31) eingerichtet ist, die Vibrationseinrichtung (34) während eines Einschaltvorgangs und/oder eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems (1, 32) unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eigenfrequenz der Komponente anzusteuern.
  2. System (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an dem Brennstoffzellensystem (1, 32) anordbare Vibrationsvorrichtung (34) wenigstens einen elektrisch ansteuerbaren Aktuator aufweist, der zumindest mittelbar an einem wenigstens eine Brennstoffzelle aufnehmenden Gehäuse des Brennstoffzellensystems (1, 32) oder an einem Bauteil einer kein Gehäuse bildenden Haltestruktur des Brennstoffzellensystems (1, 32) oder an einer einzelnen Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems (1, 32) angeordnet ist.
  3. System (30) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator eine Welle aufweist oder wellenlos ausgebildet ist oder wenigstens einen Piezomotor aufweist.
  4. System (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinrichtung (34) eingerichtet ist, Schallwellen oder Ultraschallwellen zu erzeugen.
  5. System (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationseinrichtung zumindest teilweise durch wenigstens ein Ventil (8, 9, 13, 16, 20, 29) eines Kathodengassystems (10) oder eines Wasserstoffsystems (5) oder eines Kühlsystems (23) des Brennstoffzellensystems (1, 32) gebildet ist, wobei die Ansteuerelektronik (31) eingerichtet ist, das Ventil (8, 9, 13, 16, 20, 29) während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen einem Öffnungszustand, in dem das Ventil (8, 9, 13, 16, 20, 29) teilweise oder vollständig geöffnet ist, und einem von dem Öffnungszustand abweichenden Schließzustand, in dem das Ventil (8, 9, 13, 16, 20, 29) geringer geöffnet ist als in dem Öffnungszustand, hin und her zu schalten.
  6. System (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerelektronik (31) mit einem Luftverdichter (12) des Kathodengassystems (10) und/oder mit einer Pumpe (25) des Kühlsystems (23) des Brennstoffzellensystems (1, 32) verbindbar oder verbunden ist, wobei die Ansteuerelektronik (31) eingerichtet ist, den Luftverdichter (12) und/oder die Pumpe (25) während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs bei einer vorgegebenen Drehzahl zu betreiben.
  7. Brennstoffzellensystem (1, 32), gekennzeichnet durch wenigstens ein System (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  8. Verfahren zum Erzeugen von Vibrationen an wenigstens einer Komponente eines Brennstoffzellensystems (1, 32), dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationen während eines Einschaltvorgangs und/oder eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems (1, 32) unter Berücksichtigung von wenigstens einer Eigenfrequenz der Komponente erzeugt werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (8, 9, 13, 16, 20, 29) eines Kathodengassystems (10) oder eines Wasserstoffsystems (5) oder eines Kühlsystems (23) des Brennstoffzellensystems (1, 32) während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs mit einer vorgegebenen Frequenz zwischen einem Öffnungszustand, in dem das Ventil (8, 9, 13, 16, 20, 29) teilweise oder vollständig geöffnet ist, und einem von dem Öffnungszustand abweichenden Schließzustand, in dem das Ventil (8, 9, 13, 16, 20, 29) geringer geöffnet ist als in dem Öffnungszustand, hin und her geschaltet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luftverdichter (12) des Kathodengassystems (10) und/oder eine Pumpe (25) des Kühlsystems (23) des Brennstoffzellensystems (1, 32) während des Einschaltvorgangs und/oder des Abschaltvorgangs bei einer vorgegebenen Drehzahl betrieben werden.
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