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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstack zusammengebaut. Die Brennstoffzellenstacks brauchen Sauerstoff, zumeist gewonnen aus der einfachen Luft aus der Umgebung, und Brennstoff, zumeist Wasserstoff, für die chemische Reaktion.
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Die Abwärme des Brennstoffzellenstacks wird in mobilen Anwendungen typischerweise über einen Kühlkreis mit einer Kühlflüssigkeit aus einem Wasser-Glykol- Gemisch aus dem Brennstoffzellenstack abgeführt und mit Hilfe eines Wärmetauschers oder Kühlers an die Umgebung abgegeben. Um Dichteschwankungen im Kühlkreis zu kompensieren, werden Ausgleichsbehälter eingesetzt, die zu einem Teil mit Luft gefüllt sind. Erwärmt sich die Kühlflüssigkeit im Betrieb, steigt der Druck im Ausgleichsbehälter. Bei Überschreitung eines Grenzwertes für den Druck öffnet sich ein federbelastetes Ventil im Deckel des Ausgleichsbehälters und lässt die überschüssige Luft ausströmen. Kühlt sich die Kühlflüssigkeit wieder ab, entsteht ein Unterdruck im Ausgleichsbehälter und das federbelastete Ventil öffnet sich in die andere Richtung und erlaubt eine Luftzufuhr in den Ausgleichsbehälter und sorgt damit wieder für einen Druckausgleich mit der Umgebung.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das Verfahren zur Druckregelung in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass ein Druckausgleich bzw. eine Druckregulierung im Ausgleichbehälter auf eine besonders sicherer Weise möglich ist.
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Durch die Verbindungsleitung findet ein Austausch von Luft zwischen dem Abgaspfad und dem Ausgleichbehälter statt und nicht wie normalerweise üblich zwischen dem Ausgleichsbehälter und der Umgebung.
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In der Luft des Ausgleichsbehälters kann sich Wasserstoff befinden. Die Passagen des Kühlkreises innerhalb des Brennstoffzellenstacks sind zwar durch Dichtungen von den Gaspassagen getrennt, jedoch können aufgrund der hohen Mobilität der Wasserstoffmoleküle auch bei intakten Dichtungen kleinste Mengen von Wasserstoff in den Kühlkreis gelangen und sich mit der Zeit in der Luft des Ausgleichsbehälters ansammeln. Versagen die Dichtungen zwischen den Gaspassagen und den Passagen des Kühlkreises innerhalb des Brennstoffzellenstacks kann es sogar zu einer großen Ansammlung von Wasserstoff in der Luft des Ausgleichsbehälters kommen. Somit besteht die Gefahr dass sich im Ausgleichsbehälter ein explosionsfähiges Gemisch von Luft und Wasserstoff bildet, welches sich, wenn es direkt in die Umgebung abgelassen wird, entzünden kann.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstacks und des Verfahrens zur Druckregulierung angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn die Verbindungsleitung in einem oberen Bereich des Ausgleichsbehälters, welcher vornehmlich mit Luft gefüllt ist, angeordnet ist, da auf diese Weise vermieden wird, dass Kühlflüssigkeit in die Verbindungsleitung und damit in den Abgaspfad gelangt.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn im Abgaspfad ein H2-Sensor angeordnet ist, wobei der H2-Sensor zwischen einem Auslass des Abgaspfades und der Zweigstelle angeordnet ist, da der H2-Sensor gleichzeitig die H2-Konzentration der Luft aus dem Ausgleichsbehälter und der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack messen kann und somit eine Aussage über die gesamte H2-Konzentration, welche in die Umgebung gelangt, machen kann.
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Eine Anordnung der Zweigstelle zwischen dem Brennstoffzellenstack und einer Vorrichtung zur Druckanpassung ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Druck im Abgaspfad und der Druck im Kühlkreislauf über das Mittel zur Durchflusskontrolle miteinander gekoppelt sind. Bei einem hohen Druck im Abgaspfad kann auch der Druck im Kühlkreislauf höher sein, als bei einem niedrigen Druck im Abgaspfad.
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Eine Drossel als Vorrichtung zur Druckanpassung ist von Vorteil, da diese kostengünstig zu realisieren ist. Ein elektrisch angesteuerter Druckminderer als Vorrichtung zur Druckanpassung ist aufgrund der hohen Flexibilität bei der Wahl des Druckes von Vorteil.
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Aufgrund seiner kostengünstigen Ausgestaltung sind zwei federbelastete Druckdifferenzventile oder ein federbelastetes Druckdifferenzventil, welches in unterschiedliche Richtungen öffnet, als Mittel zur Durchflusskontrolle von Vorteil.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Mittel zur Durchflusskontrolle ein regelbares Ventil ist, da jederzeit bei Bedarf eine Verbindung zwischen Abgaspfad und Ausgleichsbehälter geöffnet werden kann, so dass eine Druckregulierung im Brennstoffzellensystem stattfindet.
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Es ist von Vorteil, dass bei einer gewünschten Druckerhöhung im Kühlkreislauf der Druck an der Zweigstelle erhöht wird und bei einer gewünschten Druckreduzierung im Kühlkreislauf der Druck an der Zweigstelle reduziert wird, da die Drücke in den Teilsystemen, wie dem Luftsystem mit Abgaspfad und dem Kühlsystem mit Kühlkreis immer in einem ähnlichen Verhältnis zueinander stehen sollten. Dies bedeutet, dass bei einer Erhöhung des Druckes im Luftsystem auch der Druck im Kühlsystem erhöht wird. Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn bei einer zu hohen Wasserstoffkonzentration am H2-Sensor der Luftmassenstrom im Abgaspfad erhöht wird, da auf diese Weise das Risiko eines explosionsfreudigen explosionsfähigen Gemisches aus Luft und Wasserstoff am Auslass des Abgaspfades reduziert wird.
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Figurenliste
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- 3 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 weist eine Sauerstoffversorgung 10, einen Abgaspfand 12, eine Brennstoffversorgung 20 und einen Kühlkreislauf 30 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
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Die Sauerstoffversorgung 10 dient als Zuluftleitung zum Brennstoffzellenstack 101. In der Sauerstoffversorgung 10 können Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb der Brennstoffzelle 101 benötigt werden. Es können in der Sauerstoffversorgung 10 beispielsweise ein Filter und/oder ein Kompressor und/oder ein Luftverdichter und/oder ein Luftbefeuchter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über die Sauerstoffversorgung 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
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Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Abluftleitung 12 auf, in welcher Luft der Sauerstoffversorgung 10 nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstacks 101 beinhaltet ist.
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Im Eingang der Brennstoffversorgung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffversorgung 20 angeordnet sein, um die Brennstoffzelle 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
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Um die Anode des Brennstoffzellenstacks 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einem Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffversorgung 20 vermischt.
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Zum Antrieb des Rezirkulationskreises 50 sind verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder ein Gebläse 52 verbaut. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Gebläse 52 sind möglich. Da die Menge an Wasser und Stickstoff mit der Zeit immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden. Dabei wird ein Spülventil 53 für eine kurze Zeit geöffnet und das Gasgemisch über die Spülleitung 54 in den Abgaspfad 12 geleitet.
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Die Spülleitung 54 mündet am Verzweigungspunkt 55 in den Abgaspfad 12. Der Verzweigungspunkt 55 ist bevorzugt zwischen der Zweigstelle 41 und dem Auslass 16 angeordnet, so dass kein wasserstoffhaltiges Gasgemisch aus der Spülleitung 54 in den Ausgleichsbehälter 33 gelangt.
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Das Brennstoffzellensystem 100 weist des Weiteren einen Kühlkreislauf 30 auf, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Die Versorgung des Brennstoffzellenstacks 101 mit Kühlmittel, welches sich im Kühlkreislauf 30 befindet, sorgt dafür, dass der Brennstoffzellenstack 101 während des Betriebes auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur temperiert wird.
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Der Kühlkreislauf 30 umfasst einen Wärmetauscher 32, sowie eine Kühlmittelpumpe 31, welche in Strömungsrichtung bevorzugt nach dem Wärmetauscher 32 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 32 kann beispielsweise mit einem weiteren Kühlkreislauf des Fahrzeuges oder direkt mit dem Fahrzeugkühler in Verbindung stehen.
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Als ein Kühlmittel kann im Kühlkreislauf ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt werden, welches Wärme aus dem Brennstoffzellenstack 101 abführt und mit Hilfe des Wärmetauschers 32 an die Umgebung abgibt.
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Der Kühlkreislauf 30 umfasst des Weiteren einen Ausgleichsbehälter 33. Der Ausgleichsbehälter 33 dient zur Kompensation von Dichteschwankungen und ist zum Teil mit Luft gefüllt. Erwärmt sich das Kühlmittelmittel steigt der Druck im Ausgleichsbehälter 33. Kühlt sich das Kühlmittel ab, kann ein Unterdruck im Ausgleichsbehälter 33 entstehen.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Verbindungsleitung 40 zwischen dem Ausgleichsbehälter 33 und dem Abgaspfad 12 angeordnet. Die Verbindungsleitung 40 mündet an einer Zweigstelle 41 in den Abgaspfad 12. Durch die Verbindungsleitung 40 kann Luft aus dem Ausgleichsbehälter 33 in die Abgasleitung 12 strömen. Alternativ kann durch die Verbindungsleitung 40 Luft aus der Abgasleitung 12 in den Ausgleichsbehälter 33 strömen.
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Die Verbindungsleitung kann in einem oberen Bereich des Ausgleichsbehälters 33, welcher vornehmlich mit Gas gefüllt ist, angeordnet sein.
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Des Weiteren weist die Verbindungsleitung 40 ein Mittel zur Durchflusskontrolle 42 auf. Das Mittel zur Durchflusskontrolle 42, kann den Durchfluss von Luft aus dem Ausgleichsbehälter 33 in die Abluftleitung 12 oder alternativ aus der Abgasleitung 12 in den Ausgleichsbehälter 33 kontrollieren.
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Bei einer gewünschten Druckregulierung im Kühlkreislauf 30 öffnet das Mittel zur Durchflusskontrolle 42 eine Verbindung zwischen dem Ausgleichsbehälter 33 und dem Abgaspfad 12.
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Eine Druckregulierung kann gewünscht sein, wenn ein oberer Druckgrenzwert im Ausgleichsbehälter 33 überschritten wird oder ein unterer Druckgrenzwert im Ausgleichsbehälter 33 unterschritten wird.
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Im Kühlkreislauf 30 kann sich Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstack 101 ansammeln, welcher auch in den Ausgleichsbehälter 33 und hier vornehmlich in die Luft des Ausgleichsbehälters 33 gelangen kann. Um zu vermeiden, dass eine explosionsartige Mischung von Luft und Wasserstoff über die Verbindungsleitung 40 und den Abgaspfad 12 in die Umgebung gelangt, kann im Abgaspfad 12 ein H2-Sensors 14 angeordnet sein.
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Dieser H2-Sensor 14 ist bevorzugt zwischen einem Auslass 16 des Abgaspfades 12 und der Zweigstelle 41 angeordnet. Auf diese Weise wird sowohl der Wasserstoffgehalt gemessen, welcher durch den Ausgleichsbehälter 33 in den Abgaspfad 12 gelangt, als auch der Wasserstoffgehalt durch die Rückführung von Luft aus dem Brennstoffzellenstack 101.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der H2-Sensor zwischen einem Auslass 16 des Abgaspfades 12 und dem Verzweigungspunkt 55 angeordnet, um zu vermeiden, dass sich am Auslass 16 keine explosionsfähige Atmosphäre bildet.
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Wird eine zu hohe Wasserstoffkonzentration am H2-Sensor 14 gemessen, kann der Luftmassenstrom im Abgaspfad 12 erhöht werden, so dass keine explosionsfähige Mischung am Auslass 16 des Abgaspfades 12 entsteht.
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Um eine Regulierung des Druckes im Kühlkreislauf 30 an den Bedarf des Brennstoffzellensystems 100 anzupassen, kann eine Vorrichtung zur Druckanpassung 18 im Abgaspfad 12 angeordnet sein. Durch die Vorrichtung zur Druckanpassung 18 kann der Druck im Abgaspfad 12 und damit auch an der Zweigstelle 41 erhöht oder reduziert werden. Bei einer gewünschten Druckerhöhung im Kühlkreislauf 30 wird folglich der Druck an der Zweigstelle 41 durch die Vorrichtung zur Druckanpassung 18 erhöht. Bei einer gewünschten Druckreduzierung im Kühlkreislauf 30 wird der Druck an der Zweigstelle 41 reduziert.
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Die Vorrichtung zur Druckanpassung 18 kann als Drossel ausgebildet sein, in diesem Fall erfolgt eine Anpassung des Druckes passiv. Der Druck im Kühlkreislauf 30 wird bei einer Öffnung des Mittels zur Durchflusskontrolle 42 an den Druck an der Zweigstelle 41 angepasst. Alternativ zur Drossel kann die Vorrichtung zur Druckanpassung 18 auch durch Komponenten realisiert werden, die im Abgaspfad angeordnet sind und eine Druckreduzierung hervorrufen.
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Die Vorrichtung zur Druckanpassung 18 kann als elektrisch angesteuerter Druckminderer ausgebildet sein, welcher je nach Bedarf angesteuert werden kann und einen großen oder kleinen Druckabfall bewirkt, so dass an der Zweigstelle 41 abhängig vom momentanen Bedarf ein hoher oder niedrigerer Druck eingestellt werden kann.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das Mittel zur Durchflusskontrolle 42 durch zwei federbelastetete Druckventile 43 realisiert wurde, welche in unterschiedliche Richtungen öffnen. In einer alternativen Ausführungsform können die zwei federbelasteten Druckventile 43 auch in einem federbelasten Druckdifferenzventil kombiniert sein, welches bei Über- oder Unterdruck in die eine oder andere Richtung öffnet.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das Mittel zur Durchflusskontrolle 42 durch ein regelbares Ventil 44 realisiert wurde. Das regelbare Ventil 44 öffnet oder schließt abhängig von der jeweiligen Ansteuerung die Verbindungsleitung 40.
