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Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks, das eingerichtet ist, für eine Inbetriebnahme des Brennstoffzellen-Stacks, dem Kühlkreislauf abgeschiedenes Produkt-Wasser aus einem vorherigen Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks als flüssiges Kühlmittel zuzuführen.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Basis für ein Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Beispielsweise PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.: „protonexchange-membran‟; Protonen-Austausch-Membran) können mit der Kathode der Brennstoffzelle zugeführten Luft mit Sauerstoff als Oxidationsmittel und der Anode der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff als Brennstoff in einem elektrokatalytischen Elektrodenprozess betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen.
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Dabei wird die Abwärme der elektrokatalytischen Reaktion eines aus Brennstoffzellen zusammengesetzten Brennstoffzellen-Stacks mittels eines Kühlkreislaufs abgeführt und beispielsweise an einem Hauptfahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben.
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Bei dem elektrokatalytischen Prozess produzieren Brennstoffzellen im Überschuss deionisiertes Wasser als Beiprodukt. Beispielhaft produziert ein Brennstoffzellen-System, welches bei einer konstanten Leistung von 150 kW betrieben wird pro Stunde 100 Liter Wasser. Dieses Wasser wird nur in manchen Brennstoffzellen-Systemen benutzt, um die zugeführte Luft für den Brennstoffzellen-Stack mittels eines Befeuchters zu befeuchten. Weitere Verwendungen sind im Stand der Technik nicht vorgesehen, so dass dieses Wasser an die Umgebung abgegeben wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Kühlung des Brennstoffzellen-Stacks, der bei dem elektrokatalytischen Prozess warm wird, ist aufgrund der kompakten Abmessungen des Brennstoffzellen-Stacks ein wesentlicher Aspekt bei der Auslegung eines Brennstoffzellen-Systems. Da sich die Betriebstemperatur des PEM-Brennstoffzellen-Stacks typisch zwischen 60 und 90 Grad Celsius befindet, ist der Temperaturgradient zur Außenwelt sehr klein, was bei der kompakten Auslegung eines Brennstoffzellen-Systems, für beispielsweise mobile Anwendungen berücksichtigt werden muss
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Entsprechend einem Aspekt wird ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks, ein Verfahren, eine Verwendung des Systems, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass abgeschiedenes Produktwasser, das aus einem ausströmenden Gasstrom eines Elektrodenraums eines Brennstoffzellen-Stacks abgeschieden wird, als Kühlmittel für den Brennstoffzellen-Stack verwendet werden kann.
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Gemäß einem Aspekt wird ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen, wobei eine Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss für den Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks mit einem Kathoden-Gas aufweist.
Dabei weist das System einen Wasserabscheider und einen Kühlkreislauf für einen Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks auf.
Der Wasserabscheider ist mit dem Ausgangsanschluss der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks fluiddurchgängig verbunden und eingerichtet, Produkt-Wasser aus dem am Ausgangsanschluss der Kathodenseite austretenden Kathoden-Gas des Brennstoffzellen-Stacks abzuscheiden und zu sammeln.
Der Kühlkreislauf ist für den Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks eingerichtet, den Brennstoffzellen-Stack im Betrieb mit einem flüssigen Kühlmittel zu kühlen.
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Weiterhin ist das System eingerichtet, für eine Inbetriebnahme des Brennstoffzellen-Stacks, dem Kühlkreislauf abgeschiedenes Produkt-Wasser aus einem vorherigen Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks als flüssiges Kühlmittel zuzuführen.
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Das Kathoden-Gas, das der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks zugeführt wird, weist ein Oxidationsmittel für die elektrokatalytische Reaktion der Brennstoffzellen im Brennstoffzellen-Stack auf, wobei das Oxidationsmittel insbesondere Sauerstoff bzw. Luft aufweisen kann.
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Der Wasserabscheider kann eingerichtet sein, sowohl tröpfchenförmiges Wasser aus dem Kathoden-Gas abzuscheiden als auch gasförmiges Wasser zu kondensieren. Der Wasserabscheider kann insbesondere auch als Kondensator ausgeführt sein oder als eine Kombination aus Wasserabscheider und Kondensator ausgeführt sein. Der Begriff Wasserabscheider umfasst somit sowohl den Begriff Wasserabscheider an sich als auch den Begriff eines Kondensators.
Mit einem so ausgeführten Wasserabscheider kann das Produkt-Wasser, des in unterschiedlichen Betriebspunkten betriebenen Brennstoffzellen-Stack, abgeschieden werden. Insbesondere, also wenn das austretende Kathodengas mit Wasser nicht gesättigt ist oder vollständig gesättigt ist und auch wenn es zusätzlich Wassertropfen, zum Beispiel in Form von Nebel oder schon an anderer Stelle des Systems kondensiertes Wasser, enthält, kann dieses Wasser abgeschieden werden. Dabei kann ein solcher Wasserabscheider einen Zyklon aufweisen und/oder einen Kondensator.
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Mit anderen Worten ist der Wasser-Abscheider eingerichtet einen Gasstrom von einem Elektrodenraum des Brennstoffzellen-Stacks aufzunehmen und Wasser beim Durchleiten des Gasstroms durch den Wasser-Abscheider aus dem Gasstrom abzuscheiden, wobei der Gasstrom Produktwasser aus einem Elektrodenraum des Brennstoffzellen-Stack mitführt.
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Somit kann das Produktwasser, das wie beschrieben in großen Maßen beim Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks anfällt, für weitere Zwecke verwendet werden,
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Durch die Nutzung des abgeschiedenen Produkt-Wassers für den Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks kann, durch eine Mehrfachnutzung des Wassers, eine Gesamtoptimierung des Systems erreicht werden, da kein separates Kühlmedium benötigt wird, die Kühlleistung verbessert werden kann und durch Sammeln des Produkt-Wassers das Produkt-Wasser auch für weitere Zwecke verwendet werden kann.
Insbesondere hat das Produktwasser, aufgrund der Reinheit, eine höhere spezifische Wärmekapazität cp, woraus eine bessere Kühlleistung resultiert. Für das Auslegen des gesamten Systems folgt daraus ein kleinerer Kühlmassenstrom, womit auch weniger Energie zur Umwälzung notwendig ist.
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Darüber hinaus lässt sich Abwärme des Brennstoffzellen-Stack durch Austausch des Kühlmediums temporär in ein Produktwasser-Tanksystem ableiten, um ein Derating, also eine Begrenzung der Leistung des Brennstoffzellen-Stacks aufgrund mangelnder Wärmeabfuhr bei hohen Umgebungstemperaturen, zu verzögern.
Mit anderen Worten bedeutet das, dass eine thermische Pufferung von Abwärme möglich, wenn man insbesondere temporär eine höhere Temperatur des gespeicherten Wassers zulässt.
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Mit dem Begriff der Inbetriebnahme des Brennstoffzellen-Stack ist ein
notwendiges Inbetriebsetzen des Systems zu verstehen, wenn nach einem vorherigen Betrieb des Brennstoffzellen-Text in diesem System der Kühlkreislauf entleert wurde. Bei einer erst-Inbetriebnahme ist es notwendig Wasser extern zuzuführen.
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Das System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks kann eingerichtet sein, das mittels des Wasser-Abscheiders abgeschiedene Produkt-Wasser mit einem Behälter, insbesondere einem Tanksystem zu sammeln.
Dass in einem solchen Behälter gesammelte Produkt-Wasser kann durch den Behälter für unterschiedliche Zwecke wie beispielsweise ein erneutes Auffüllen des Kühlkreislaufes bereitgestellt werden. Außerdem kann der Behälter dazu dienen das Produktwasser beim Entleeren des Kühlkreislaufs aufzufangen.
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Weiterhin kann ein solches Wasser-Tanksystem auch als Ausdehnungsgefäß für das sich erwärmende Kühlmittel und damit ausdehnende Kühlmittel verwendet werden.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks mittels einer fluiddurchgängigen Verbindung zwischen dem Wasserabscheider und dem Kühlkreislauf eingerichtet ist, das abgeschiedene Produktwasser dem Kühlkreislauf zuzuführen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System eingerichtet ist, mit einer Pumpe, die eingerichtet ist das flüssige Kühlmittel des Kühlkreislaufs umzuwälzen, das Produkt-Wasser dem Kühlkreislauf zuzuführen.
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Durch diese doppelte Nutzung der Pumpe können die Kosten des Systems reduziert werden und das System einfacher aufgebaut werden. Für eine mobile Anwendung ist insbesondere vorteilhaft, dass das System dadurch leichter wird.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Kühlkreislauf des Systems eingerichtet ist, für eine temporäre Außerbetriebnahme des Brennstoffzellen-Stacks das Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf zu entfernen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System eingerichtet ist, mittels einer verschließbaren fluiddurchgängigen Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks und einem Anschluss des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellen-Stacks, das kondensierte Produktwasser aus dem Kühlkreislauf, zu einem überwiegenden Anteil, zu entfernen.
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Dabei umfasst der Begriff Anschluss des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellen-Stack sowohl den Eingangsanschluss als auch den Ausgangsanschluss des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellen-Stacks.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System eingerichtet ist, mittels einer verschließbaren fluiddurchgängigen Verbindung zwischen dem Eingangsanschluss der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks und dem Anschluss des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellen-Stacks, das kondensierte Produktwasser aus dem Kühlkreislauf, zu einem überwiegenden Anteil, zu entfernen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System einen Kathodengas-Kompressor aufweist und eingerichtet ist, mittels der verschließbaren gasdurchgängigen Verbindung und einem Kathodengas-Strom, der von dem Kathodengas-Kompressor generiert wird, das kondensierte Produktwasser aus dem Kühlkreislauf zu einem überwiegenden Anteil zu entfernen.
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Dadurch, dass das System eingerichtet ist, das Produkt-Wasser sowohl zuzuführen als auch zu entfernen, kann das Wasser im Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks sowohl erneuert werden als auch, zur Verhinderung von Gefrierschäden, aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks, zumindest zu einem überwiegenden Anteil, entfernt und wieder zugeführt werden.
Dabei kann insbesondere die Verwendung des Kathodengas-Kompressors helfen, einen großen Anteil des Wassers aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks zu entfernen. Dazu kann mittels des Kathodengas-Kompressors generierter Kathodengas-Strom durch den Kühlkreislauf geführt werden, um das Kühlmittel zu entfernen.
Der Behälter kann auch dazu dienen das Produktwasser beim Entleeren des Kühlkreislaufes aufzufangen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System ein Befeuchter, zum Befeuchten des Kathodengases mit Wasser aufweist, der eingerichtet ist, mit dem Eingangsanschluss der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks gasdurchlässig verbunden zu werden, wobei der Befeuchter mit dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks zur Befeuchtung des Kathode-Gases fluidmässig verbunden ist.
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Mittels der fluidmäßigen Verbindung des Befeuchters mit dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks kann dem Befeuchter direkt oder indirekt abgeschiedenes Produkt-Wasser zugeführt werden, das damit für einen weiteren Zweck Betreiben des Brennstoffzellen-Stacks verwendet wird. Da das Wasser, also das Kühlmittel des Kühlkreislaufs im Betrieb des Brennstoffzellen-Stacks warm wird, ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass mittels dieses vorgenannten Wassers im Befeuchter eine verbesserte Verdampfung und somit eine verbesserte Befeuchtung erfolgt. Insbesondere wenn die Befeuchtung mittels Wassereinspritzung erfolgt, hilft dies fein zerstäubte Wassertropen möglichst vor Eintritt in den Stack zu verdampfen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System eingerichtet ist, den vom Kathodengas-Kompressor generierten Kathodegas-Strom mittels des Befeuchters dem Eingangsanschluss der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks befeuchtet zuzuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System mittels einer Entnahmeeinrichtung eingerichtet ist, das im Behälter gesammelte Produkt-Wasser zusätzlich zu anderen Zwecken der Wassernutzung bereitzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass das zu entfernende Produktwasser zumindest teilweise in den Berhälter geleitet bzw. zurückgeführt wird.
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Dadurch wird sichergestellt das bei Vielfach nacheinander stattfindenden Kurzstreckenbetrieb der mobilen Plattform, die mit einem solchen System betrieben wird, eine ausreichende Wassermenge zum zu führen als Kühlmittel verfügbar ist. Vorteilhafterweise wird beim Entfernen des Kühlmittels aus dem Brennstoffzellen-Stack zumindest ein Teil des Wasser in den Behälter geführt.
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Eine solche Nutzung kann eine Wassereinspritzung für einen Gasstrom des KathodenGases im Befeuchter, eine Entnahme als Nutzwasser oder eine Nutzung für ein Wischwasser einer mobilen Plattform umfassen.
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Eine mobile Plattform kann ein zumindest teilweise automatisiertes System sein, das mobil ist, und/oder ein Fahrerassistenzsystem. Ein Beispiel kann ein zumindest teilweise automatisiertes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem sein. Das heißt, in diesem Zusammenhang beinhaltet ein zumindest teilweise automatisiertes System eine mobile Plattform in Bezug auf eine zumindest teilweise automatisierte Funktionalität, aber eine mobile Plattform beinhaltet auch Fahrzeuge und andere mobile Maschinen einschließlich Fahrerassistenzsysteme. Weitere Beispiele für mobile Plattformen können Fahrerassistenzsysteme mit mehreren Sensoren, mobile Multisensor-Roboter wie z.B. Roboterstaubsauger oder Rasenmäher, ein Multisensor-Überwachungssystem, eine Fertigungsmaschine, ein persönlicher Assistent oder ein Zugangskontrollsystem sein. Jedes dieser Systeme kann ein vollständig oder teilweise autonomes System sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Kühlmittel im Kühlkreislauf neben dem Produkt-Wasser kein weiteres Kühlmedium aufweist.
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Vorteilhafterweise beinhaltet das Kühlmittel des Kühlkreislaufes dadurch kein Gefrierschutzmittel, das gegebenenfalls Elektrodenprozesse der Brennstoffzellen ungünstig beeinflussen könnte.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Kühlkreislauf kein Aggregat zum De-ionisieren des Kühlwassers aufweist.
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Durch die Entnahme und die Zuführung von frischem abgeschiedenen Produkt-Wasser kann eine geringe Leitfähigkeit des Kühlmittels im Kühlkreislauf auch ohne ein Aggregat zum De-ionisierende aufrechterhalten werden, indem das Kühlmittel mithilfe des Produkt-Wassers entsprechend ausgetauscht bzw. erneuert wird. Auch bei einer Wartung ist dadurch ein weder ein Kühlmitteltausch noch ein Tausch der Deionisierungseinheit notwendig.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der Kühlkreislauf einen Kühler aufweist, und der Kühlkreislauf eingerichtet ist, das Kühlmittel entweder durch den Kühler oder durch eine Bypass-Leitung des Kühlers zu führen.
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Der Kühlkreislauf des Systems kann für diese alternative Führung des Kühlmittels, insbesondere 3-Wege-Ventile aufweisen, die so angeordnet sind, dass ein Kühlmittel-Strom nicht über den Kühler, sondern über die Bypass-Leitung geführt wird. Dadurch wird erreicht, dass nur ein kleineres Volumen des Kühlmittels für eine Inbetriebnahme des Brennstoffzellen Stacks erwärmt werden muss. Erst bei Erreichen einer Betriebstemperatur kann dann auf den Kühlkreislauf mit dem Kühler umgeschaltet werden.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Entfernen eines überwiegenden Anteils eines Kühlmittels aus dem Brennstoffzellen-Stack eines oben beschriebenen Systems, bei dem ein Kathodengas-Strom mittels des Kathodengas-Kompressors und der geöffneten, verschließbaren gasdurchgängigen Verbindung an den Eingangsanschluss des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellen Stack geleitet wird.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Entfernen eines überwiegenden Anteils eines Kühlmittels aus dem Brennstoffzellen-Stack und des Kühlkreises eines oben beschriebenen Systems, bei dem ein Kathodengas-Strom mittels des Kathodengas-Kompressors und der geöffneten, verschließbaren gasdurchgängigen Verbindung an den Anschluss des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellen Stack geleitet wird.
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Mit diesem Verfahren wird der Kathodengas-Kompressor sowohl für die Zuführung des Kathodengases zum Eingangsanschluss der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks verwendet, als auch für das Entfernen des Kühlmittels aus dem Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Entfernen des überwiegenden Anteils des Kühlmittels, entsprechend einem der oben vorgeschlagenen Verfahren, abhängig von einer ermittelten Gefriergefahr des Kühlmittels durchgeführt wird.
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Das Entleeren des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellen-Stacks kann dadurch bedarfsgerecht erfolgen. Sofern dieses System zum Betrieb des Brennstoffzellen-Stack in geographischen Regionen eingesetzt wird, wo eine Gefahr der Beschädigung des Brennstoffzellen-Stacks durch Gefrieren des Wassers nicht besteht, kann das Kühlmittel permanent im Kühlkreislauf verbleiben. Insbesondere kann auch in diesem Fall ein Austausch des Kühlwassers vorgenommen werden, um die benötigte geringe Leitfähigkeit des Kühlwassers zu gewährleisten.
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Für andere geographische Regionen kann eine Abschätzung, über eine Gefahr des Einfrierens des Kühlmittels, mittels meteorologischer Vorhersagen und Modellberechnungen bzw. einfach über ständige oder intervallmäßige Temperaturmessungen im Fahrzeug erfolgen.
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Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Kühlmittel des Brennstoffzellen-Stacks ausgetauscht wird, um die Leitfähigkeit des Kühlmittels herabzusetzen.
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Insbesondere kann ein solcher Austausch des Kühlmittels intervallmäßig erfolgen, um die entsprechende geringe Leitfähigkeit des Kühlmittels aufrechtzuerhalten. Dazu kann überschüssiges Kühlmittel bzw. Produktwasser während der Fahrt über einen Ablasskanal bzw. über ein Auslassventil an die Umgebung abgegeben werden.
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Während des Betriebs eines Brennstoffzellen-Stacks erhöht sich die Leitfähigkeit des Kühlmittels beispielsweise durch Diffusion von leitfähigen Ionen in das Kühlmittel, wodurch eine Gefahr eines Kurzschlusses, über einzelne Brennstoffzellen hinweg, oder auch eine Beschädigung von Brennstoffzellen vermieden wird. Da hier ausreichend reines Kühlmittel in Form von Produkt-Wasser vorhanden ist, wird mit diesem Verfahren und diesem System kein lonentauscher-Aggregat benötigt, um zu gewährleisten, dass das Kühlmittel eine ausreichend geringe Leitfähigkeit aufweist.
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Gemäß einem Aspekt wird die Verwendung eines des oben beschriebenen Systems zur Versorgung einer elektrisch betriebenen, mobilen Plattform mit elektrischer Energie vorgesch lagen.
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Da ein Wassermanagement insbesondere bei mobilen Plattformen relevant ist, ergeben sich die Vorteile eines solchen Systems insbesondere für die elektrische Versorgung einer mobilen Plattform.
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Das beschriebene System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks kann auch für stationäre Anwendungen eingesetzt werden, bei denen gegebenenfalls die Umgebungsbedingungen eine Notwendigkeit von Maßnahmen zum Gefrierschutz seltener notwendig machen.
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Es wird ein Computerprogramm angegeben, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Ein solches Computerprogramm ermöglicht den Einsatz des beschriebenen Verfahrens in unterschiedlichen Systemen.
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Es wird ein maschinenlesbares Speichermedium angegeben, auf dem das oben beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der 1 bis 6 näher erläutert. Hierbei zeigt die:
- 1 ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks;
- 2 eine Abwandlung eines Systems zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks;
- 3 eine weitere Abwandlung eines Systems zum Betreiben eines Brennstoffzellen - Stacks;
- 4 eine weitere Abwandlung eines Systems zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks;
- 5 eine weitere Abwandlung eines Systems zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks; und
- 6 eine weitere Abwandlung eines Systems zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks.
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Die 1 zeigt ein System 100 zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks mit einer Kathodenseite 120 des Brennstoffzellen-Stacks, einem Wasserabscheider 130 und einem Kühlkreislauf mit einem Kühler 170.
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In einem Kathodenpfad wird ein Kathodengas der stromaufwärts liegenden Kathodenseite 120 des Brennstoffzellen-Stacks zugeführt und stromabwärts der Kathodenseite 120 in die Umgebung 194 geleitet.
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Stromaufwärts wird für die Versorgung der Kathodenseite 120 des Brennstoffzellen-Stacks Luft als Kathodengas aus der Umgebung 194 über einen Luftfilter 196 geführt, um schädliche Partikeln und insbesondere schädliche chemische Verbindungen aus der Luft zu filtern. Mittels eines Kathodengas-Kompressors 190, der mit einem Motor 198 angetrieben wird, wird ein Kathodengas-Strom der gefilterten Luft einem Befeuchter 150 zugeführt. Mittels eines steuerbaren Bypassventils 192 kann ein Überschuss im Kathodengas-Strom nach dem Kompressor 190 direkt an die Umgebung 194 geleitet werden. In dem Befeuchter 150 wird die komprimierte Luft des Kathodengases mit Wasser angereichert, damit eine Membran von Brennstoffzellen des Brennstoffzellen-Stacks durch die zugeführte komprimierte Luft nicht austrocknet. Die mit Wasser angereicherte Luft wird über ein Kühlaggregat 156 zu einem Eingangsanschluss 122 der Kathodenseite 120 des Brennstoffzellen-Stacks geleitet.
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Während des Betriebs des Brennstoffzellen-Stacks wird die Luft des Kathodengas-Stroms, der durch einen Elektroden-Raum der Kathodenseite 120 des Brennstoffzellen-Stacks geführt wird, durch die elektrokatalytische Reaktion von beispielsweise einem Brennstoff wie Wasserstoff mit einem Oxidationsmittel wie dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, mit Produkt-Wasser angereichert.
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Stromabwärts wird der Kathodengas-Strom über einem Ausgangsanschluss 124 der Kathodenseite 120 des Brennstoffzellen-Stacks, über ein steuerbares Ventil 132 durch einen Wasserabscheider 130 geleitet, um das Produkt-Wasser, das der Gasstrom mitführt, aus dem Gasstrom zumindest teilweise abzuscheiden und in einem Behälter 140, insbesondere einem Tanksystem 140, zu sammeln.
Der auf diese Weise zumindest teilweise getrocknete, stromabwärts der Kathodenseite 120 des Brennstoffzellen-Stack fließende Kathodengas-Strom, wird dann wieder an die Umgebung 194 des Brennstoffzellen-Stacks abgegeben.
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In einem Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks wird ein Kühlmittel stromabwärts des Brennstoffzellen-Stacks über einen Kühler 170 geführt, um Wärme an eine Umgebung abgeben zu können. Dabei kann das Kühlmittel mittels eines Dreiwegeventils 172 über eine Bypassleitung des Kühlers 170 geführt werden, um ohne die Kühlwirkung des Kühlers 170 eine schnellere Erwärmung des Brennstoffzellen-Stacks in einer Anlaufphase erreichen zu können.
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Sowohl ein stromabwärts liegender Ausgang des Kühlers als auch der Bypass werden zusammengeführt, um das Kühlmittel über eine gemeinsame Leitung einem Tanksystem 140 zuzuführen und darin das Kühlmittel zu sammeln. Stromaufwärts zu dem Brennstoffzellen-Stack wird das Kühlmittel aus dem Tanksystem 140 entnommen und mittels einer Kühlmittel-Pumpe 142 einem Eingang 126 des Brennstoffzellen-Stacks zur Kühlung zugeführt. Damit ist der Kühlkreislauf geschlossen.
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Mittels einer Drossel 162, die mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Verbindung stromaufwärts zwischen der Kühlmittel-Pumpe 142 und dem Eingangsanschluss 126 des Brennstoffzellen-Stacks an den Kühlkreislauf gekoppelt ist, kann ein Teil des im Kühlkreislauf mittels der Kühl-Pumpe 142 zirkulierenden Kühlmittels über einen De-ionisierer dem Tanksystem 140 zugeführt werden, um einen Teil des im Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittels zu de-ionisieren.
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Das System ist weiterhin eingerichtet, mittels einer Befeuchtungspumpe 144 Wasser aus dem Tanksystem 140 dem Befeuchter 150, zum Befeuchten des Kathodengas-Stroms, zuzuführen. Insbesondere kann eine solche Befeuchtung durch eine Wassereinspritzung in den Kathodenraum-Strom erfolgen.
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Mittels eines steuerbaren Gas-Ventils 180 ist das System 100 eingerichtet, zumindest einen Teil des Kathodengas-Stroms in den Kühlkreislauf zu leiten. Dazu ist das Gas-Ventil 180 zwischen dem Eingangsanschluss 122 der Kathodenseite 120 des Brennstoffzellen-Stacks und dem stromaufwärts liegenden Eingang 126 des Kühlmittelkreises an den Brennstoffzellen-Stack angeordnet.
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Mit einem Öffnen dieses Gas-Ventils 180 kann ein Kathodengas-Strom, der durch den Kathodengas-Kompressor 190 generiert wird, in den Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stack geleitet werden und einen überwiegenden Anteil des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stacks entfernen. Das aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stack entfernte Kühlmittel wird dabei von dem Tanksystem 140 gesammelt.
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Das System 100 kann eingerichtet sein, eine Steuervorrichtung vorzusehen, die mittels einer Steuerung des Kathodengas-Kompressors 190 und des Gas-Ventils 180 einen überwiegenden Anteil des Kühlmittels aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellen-Stack entfernt, sofern die Steuervorrichtung ermittelt hat, dass die Gefahr besteht, dass das Kühlmittel gefrieren könnte. Damit kann eine Schädigung des Brennstoffzellen-Stacks und des Kühlkreises vermieden werden. Durch Ansteuerung des Ventils 132 wird dabei gewährleistet, dass der Kathodenraum-Strom in den Kühlkreislauf geleitet wird, und damit zu vermeiden dass der Kathode Gas-Strom über den Abgaspfad entweicht, ohne den Kühlkreislauf zu entleeren.
Durch ein Steuern des 3 Wegeventils 172 kann erreicht werden, dass alle Kanäle des Kühlkreislaufs entleert werden. Insbesondere kann die Kühlmittel-Pumpe 142 angesteuert werden bzw. umgekehrt betrieben werden , beispielsweise durch kurzzeitigen Betrieb oder getakteten Betrieb, um Flüssigkeits-Reste mit dem Kathode Gas-Strom abzuführen.
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Die 2 zeigt ein System 200 als eine Abwandlung gegenüber dem vorher beschriebenen System 100, in dem die Befeuchter-Pumpe 144 das Wasser nicht dem Tanksystem 140, sondern aus dem stromaufwärts liegenden Teil des Kühlmittelkreislaufs entnimmt. Dazu ist ein Eingang der Befeuchter-Pumpe 144 flüssigkeitsmäßig mit dem stromaufwärts der Kühlmittelpumpe 142 liegenden Teil des Kühlkreislaufs zwischen der Kühlmittelpumpe 142 und dem Eingang des Kühlkreislaufes des Brennstoffzellen-Stacks, gekoppelt.
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Die 3 zeigt ein System 300 als eine Abwandlung gegenüber dem in der 2 beschriebenen System 200, in dem stromaufwärts der Kühlmittelpumpe 142 liegenden Teil des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellen-Stacks eine Drossel 149 vorgesehen ist, gegen die die Kühlmittel-Pumpe 142 arbeitet, so dass mittels einer flüssigkeitsmäßigen Kopplung, die zwischen der Kühlmittel-Pumpe 142 und der Drossel 148 angeordnet ist, Kühlmittel den Befeuchter 150 zugeführt werden kann.
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Eine weitere Abwandlung gegenüber der in 2 bzw. 1 beschriebenen System 100 bzw. 200 besteht darin, dass parallel zur Kühlmittelpumpe 142 ein steuerbares Ventil 146 angeordnet ist, dass hier die Funktion eines Überströmventils übernimmt und gegenüber einer Drossel vorteilhafterweise regelbar ist. Zudem hat das Vorsehen dieses steuerbare Ventils 146 den Vorteil, dass es beim Ausblasen/Entleeren auch, z. B. getaktet, eingesetzt werden kann, um ein Leeren der Kanäle des Kühlmittelkreises zu unterstützen.
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Außerdem ist in dieser Abwandlung des Systems 300 der De-ionisier 160 mit einem Eingangsanschluss stromaufwärts der Kühlmittelpumpe 142 mit dem Kühlmittelkreis flüssigkeitsmäßig gekoppelt und speist das deionisierte Kühlmittel am Ausgangsanschluss des Kühlers 170 ein.
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Eine weitere Abwandlung gegenüber dem in 2 bzw. 1 beschriebenen System 100 bzw. 200 besteht darin, dass der zu einem Teil getrocknete Kathodengas-Strom, der aus dem Wasserabscheider austritt, zur Rekuperation von Energie die in dem Kathodengas-Strom enthalten ist, den Kathodengas-Strom noch durch eine Turbine, die mit dem Kathodengas-Kompressor mechanisch gekoppelt ist, geführt wird, bevor der Kathodengas-Strom an die Umgebung 194 abgegeben wird.
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Die 4, 5 zeigt mit den Systemen 400, 500 eine Abwandlung gegenüber dem in der 1, 2 beschriebenen Systemen 100, 200, in dem die stromabwärts des Brennstoffzellen-Stack geführte Kühlmittel-Leitung in einen ersten und einen zweiten Leitungs-Zweig aufgeteilt wird. Der erste Leitungs-Zweig wird über den Kühler 170 zum Tanksystem 140 geführt. Der zweite Leitungs-Zweig ist eingerichtet das Kühlmittel in einer ersten Stellung eines Dreiwegeventils 172 der Kühlmittel-Pumpe 142 zuzuführen, die das Kühlmittel, wie in dem System entsprechend 1 beschrieben, einem Eingangsanschluss 126 für das Kühlmittel an den Brennstoffzellen-Stack zuführt.
In einer zweiten Stellung des Dreiwegeventils 172 wird das Kühlmittel dem Tanksystem 140 entnommen und mittels der Kühlmittel-Pumpe 142 dem Eingangsanschluss 126 für das Kühlmittel an den Brennstoffzellen-Stack zugeführt.
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Die 6 zeigt mit dem System 600 eine Abwandlung gegenüber dem in der 3 beschriebenen System 300 in dem die stromabwärts des Brennstoffzellen-Stack geführte Kühlmittel-Leitung in einen ersten und einen zweiten Leitungs-Zweig aufgeteilt wird. Der erste Leitungs-Zweig wird über den Kühler 170 zum Tanksystem 140 geführt. Der zweite Leitungs-Zweig ist eingerichtet, das Kühlmittel in einer ersten Stellung eines Dreiwegeventils 172 der Kühlmittel-Pumpe 142 zuzuführen, die das Kühlmittel, wie in dem System 300 entsprechend 3 beschrieben, einem Eingangsanschluss 126 für das Kühlmittel an den Brennstoffzellen-Stack zuführt.
In einer zweiten Stellung des Dreiwegeventils 172 wird das Kühlmittel dem Tanksystem 140 entnommen und mittels der Kühl-Pumpe 142 dem Eingangsanschluss 126 für das Kühlmittel an den Brennstoffzellen-Stack zugeführt.
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Der Fachmann erkennt, dass neben den hier dargestellten Topologien des Systems zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stack die erfinderische Lehre auch mit anderen Topologien realisiert werden können. Wie beispielsweise mit Luftsystem mit mehrfacher Verdichtung oder einer anderen zur Schaltung von Pumpen und Ventilen.
