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Brennstoffzellenbetriebene Kraftfahrzeuge als solche sind bekannt. Sie umfassen ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodensubsystem, in dem i.d.R. ein Druckregler vorgesehen ist, der einen Hochdruckbereich von einem Mitteldruckbereich abtrennt. Der Mitteldruckbereich ist wiederum von der Anode des Brennstoffzellenstapels über Stapel-Absperrventile abgetrennt. Es könnte der Fall eintreten, dass nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs der Druck in dem Mitteldruckbereich so stark ansteigt, dass der im Mitteldruckbereich eingeschlossene Brennstoff über ein dann auslösendes Sicherheitsventil entweicht. Ein solcher Brennstoffaustrag ist unerwünscht.
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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, einen temperaturbedingten Brennstoffaustrag während des Parkens zu vermeiden, ohne dass sich dies stark negativ auf andere Parameter wie Herstellungskosten, Gewicht oder Platzbedarf des Anodensubsystems auswirkt. 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 Verfahren zum zumindest teilweisen Kompensieren eines temperaturbedingten Druckanstiegs in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Ein Anodenversorgungspfad verbindet einen Brennstoffzellenstapel mit mindestens einer Brennstoffquelle. Im Anodenversorgungspfad ist ein anodenseitiges Stapel-Absperrventil vorgesehen. Das anodenseitige Stapel-Absperrventil ist eingerichtet, die Brennstoffzufuhr zum Brennstoffzellenstapel aus einem Anodenabschnitt des Anodenversorgungspfads zu unterbinden. Im Anodenabschnitt ist ein Überdruckventil vorgesehen. Das Überdruckventil ist eingerichtet, Brennstoff aus dem Anodenabschnitt abzuführen, wenn der Druck im Anodenabschnitt einen Auslösedruck übersteigt. Im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems steigt der Druck im Anodenabschnitt aufgrund einer Erwärmung des Brennstoffs an. Das Verfahren umfasst den Schritt, wonach im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems insbesondere während des Druckanstiegs im Anodenabschnitt das anodenseitige Stapel-Absperrventil zur Druckentlastung des Anodenabschnitts geöffnet wird, noch bevor der aufgrund des sich erwärmenden Brennstoffs ansteigende Druck im Anodenabschnitt den Auslösedruck des Überdruckventils erreicht, so dass eine Brennstoffabfuhr aus dem Anodensubsystem vermeidbar ist. Das Öffnen kann beispielsweise zeitbasiert oder druckbasiert erfolgen.
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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, die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
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Das Anodensubsystem wird von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens eine Brennstoffquelle (i.d.R. ein Druckbehälter), mindestens ein Tankabsperrventil, mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenversorgungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationspfad, mindestens einen Wasserabscheider, mindestens ein Anodenspülventil, mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer sowie weitere Elemente aufweisen.
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Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden Kathodenzuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen.
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Der Anodenversorgungspfad stellt die Fluidverbindung zwischen der mindestens einen Brennstoffquelle und der Anode des Brennstoffzellenstapels her. Der Anodenversorgungspfad kann durch mehrere Anodenzuleitungen bzw. ein System an Zuleitungen ausgebildet werden, die die verschiedenen Komponenten im Anodenversorgungspfad miteinander verbinden.
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Der Anodenversorgungspfad kann einen Druckminderer umfassen, der stromaufwärts mit der Brennstoffquelle verbunden ist, und wobei stromab vom Druckminderer der Anodenabschnitt vorgesehen sein kann. Der Druckminderer ist ausgebildet, den am Eingang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Eingangsdruck auf einen am Ausgang des Druckminderers anliegenden Brennstoff-Ausgangsdruck bzw. Hinterdruck zu reduzieren. In der einfachsten Form kann es sich dabei um eine Drossel handeln. In der Regel umfasst der Druckminderer ein Druckminderungsventil, das trotz unterschiedlicher Eingangsdrücke dafür sorgt, dass auf der Ausgangsseite ein bestimmter Ausgangsdruck nicht überschritten wird. Im Druckminderer expandiert der Brennstoff. Der Schließdruck des Druckminderers, auch Lock Up Pressure genannt, ist der Druck, ab dem der Druckminderer die Fluidverbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Druckminderers unterbricht.
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Der hier offenbarte Anodenabschnitt ist insbesondere der Abschnitt stromab vom Druckminderer und stromauf vom Stapel-Absperrventil und wird auch als Mitteldruckbereich des Anodensubsystems bezeichnet.
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Das mindestens eine anodenseitige Stapel-Absperrventil ist eine Ventileinrichtung, die den Brennstoffzellenstapel gegenüber den restlichen Komponenten des Anodensubsystems gasdicht (bis auf Leckageströme) abschließen kann. Insbesondere trennt das anodenseitige Stapel-Absperrventil den Brennstoffzellenstapel von anderen Abschnitten des Anodenversorgungspfads ab. Stapel-Absperrventile dienen dazu, in der Phase der Nichtbenutzung des Kraftfahrzeugs das Eindringen von Brennstoff in den durch die Stapel-Absperrventile im Wesentlichen abgeschlossenen Anodenraum des Brennstoffzellenstapels bis auf Leckageströme zu unterbinden. Beispielsweise kann ein Proportionalventil oder Injektor das Stapel-Absperrventil ausbilden. Vorteilhaft kann ein solches Ventil gleichzeitig als weiterer Druckminderer und/oder als Dosierventil dienen.
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Das Überdruckventil ist im Anodenabschnitt bzw. Mitteldruckbereich angeordnet und entlastet den Anodenabschnitt, falls der Druck im Anodenabschnitt den Auslösedruck des Überdruckventils erreicht oder übersteigt. Bevorzugt ist das Überdruckventil ein mechanisches Ventil, welches geöffnet und wieder geschlossen werden kann. Der Auslösedruck des Überdruckventils ist größer als der Schließdruck des Druckminderers, z.B. ca. 10% bis ca. 20% größer als der Schließdruck. Insbesondere ist das Überdruckventil so ausgelegt, dass das Überdruckventil i.d.R. auslöst, bevor ein zu hoher Druck die Komponenten des Anodenabschnittes beschädigen könnte.
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Die Brennstoffquelle kann ein Druckbehälter, insbesondere ein kryogener Druckbehälter oder ein Hochdruckgasbehälter sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, bei Umgebungstemperaturen Brennstoff dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von mindestens 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck) oder mindestens 700 barü zu speichern. Ein kryogener Druckbehälter ist geeignet, den Brennstoff bei den vorgenannten Betriebsdrücken auch bei Temperaturen zu speichern, die deutlich (z.B. mehr als 50 Kelvin oder mehr als 100 Kelvin) unter der minimalen Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges liegen.
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Das Herunterfahren des Brennstoffzellensystems wird auch als Shut-Down oder Nachlauf bezeichnet. Das Herunterfahren umfasst alle Schritte, die das Brennstoffzellensystem in einem Zustand überführen, in dem es im geparkten Zustand des Kraftfahrzeugs verweilen kann. Kurz bevor oder zu Beginn der Phase, in dem sich das Kraftfahrzeug den geparkten Zustand befindet, wird das Brennstoffzellensystem Heruntergefahren. Das Kraftfahrzeug befindet sich gemäß der hier offenbarten Technologie im geparkten Zustand bzw. im Zustand „Parken“, falls der Fahrzeugnutzer das Kraftfahrzeug verlassen hat. In der Regel nimmt das Kraftfahrzeug im geparkten Zustand einen Zustand ein, in dem es minimale elektrische Energie verbraucht, um maximale Standzeiten zu realisieren. Daher sind in diesem Zustand zweckmäßig nur Funktionen verfügbar, die dazu dienen, das Kraftfahrzeug wieder in einen betriebsbereiten Zustand zu versetzen (insbesondere Zentralverriegelung, Auswerten Funkschlüssel) und ein sicheres Abstellen des Kraftfahrzeugs gewährleisten (z.B. Standlicht, Feststellbremse, Diebstahlwarnanlage, etc.). Neben diesen Funktionen können weitere Autarkfunktionen im geparkten Zustand zuschaltbar sein. Das Steuergerät des Brennstoffzellensystems ist im Zustand „Parken“ abgeschaltet und wird i.d.R. lediglich dann eingeschaltet, falls das Kraftfahrzeug wieder in den fahrbereiten Zustand überführt werden soll oder aber mindestens eine Autarkfunktion durchzuführen ist. Der Zustand „Parken“ kann insbesondere dann vorliegen, wenn über die Zentralverriegelung gesichert wurde und wenn im Fahrzeug für eine gewisse Zeit keine Aktivität eines Fahrzeugnutzers wahrnehmbar ist, der Fahrzeugnutzer also vermutlich nicht im Fahrzeug ist.
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Im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems steigt i.d.R. der Druck im Anodenabschnitt aufgrund der Brennstofferwärmung an. Zu dem Zeitpunkt, in dem das Brennstoffzellensystem den heruntergefahrenen Zustand eingenommen hat, entspricht der Druck im Anodenabschnitt im Wesentlichen dem Schließdruck des Druckminderers.
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Kommt als Brennstoffspeicher mindestens ein Druckbehälter zum Einsatz, so kühlt sich der Brennstoff während der Entnahme aufgrund seiner Expansion im Anodenversorgungspfad stark ab. Gleichzeitig kann das Kraftfahrzeug insbesondere im Sommer in vielen Ländern hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt sein, so dass sich insbesondere stromab vom Druckminderer eine große Temperaturdifferenz zwischen dem im Anodenabschnitt befindlichen Brennstoff und der unmittelbaren Umgebung des Anodenabschnittes einstellt. Die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des sich erwärmenden Anodenabschnitts kann auch als Bauraumtemperatur bezeichnet werden. Die Bauraumtemperatur wird beeinflusst von der Außentemperatur in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und der Abwärme von anderen Komponenten wie beispielsweise dem Brennstoffzellenstapel, der Leistungselektronik, etc. Diese Temperaturdifferenz bewirkt, dass sich der Brennstoff in dem Anodenabschnitt stark erwärmt. Da der Brennstoff im Anodenabschnitt eingeschlossen ist, steigt der Druck im Anodenabschnitt allmählich an.
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Die hier offenbarte Technologie umfasst den Schritt, wonach insbesondere während des Druckanstiegs im Anodenversorgungspfad das anodenseitige Stapel-Absperrventil zur Druckentlastung des Anodenabschnitts geöffnet wird, noch bevor der ansteigende Druck im Abschnitt den Auslösedruck des Überdruckventils erreicht. Stromab des anodenseitigen Stapel-Absperrventils ist der Druck geringer als in dem Anodenabschnitt. Folglich strömt der erwärmte Brennstoff nach dem Öffnen des anodenseitigen Stapel-Absperrventils in den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels, wodurch sich der Druck im Anodenabschnitt merklich verringert. Vorteilhaft wird somit vermieden, dass zum Bauteilschutz Brennstoff über das dann auslösende Überdruckventil in die Umgebung abgelassen wird. Auch können Überdruckventile mit einem geringeren Auslösedruck eingesetzt werden. Insgesamt können die Bauteile des Anodenabschnitts auf geringere Maximaldrücke hin ausgelegt werden. Dies wirkt sich i.d.R. positiv auf die Herstellungskosten, das Gewicht und den Bauraumbedarf aus.
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Das anodenseitige Stapel-Absperrventil kann zur Druckentlastung lediglich kurzzeitig geöffnet werden, beispielsweise weniger als 1 Minute, 10 Sekunden oder weniger als 1 Sekunde oder weniger als 100 Millisekunden. Dies hat den Vorteil, dass die Ventile nur so lange auf sind, wie es zur Druckentlastung erforderlich ist und ansonsten die einzelnen brennstoffführenden Bereiche des Anodensubsystems voneinander getrennt sind. Sofern mehrere Absperrventile vorgesehen sind, kann auch lediglich ein Stapel-Absperrventil geöffnet werden. Die Öffnungszeit kann insbesondere in Abhängigkeit von der verwendeten Technologie (z.B. Proportionalventil, Injektor, etc.) variieren.
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Zweckmäßig wird das anodenseitige Stapel-Absperrventil zur Druckentlastung erst geöffnet, nachdem eine festgelegte erste Zeitdauer ab dem Zeitpunkt verstrichen ist, ab dem das Brennstoffzellensystem den heruntergefahrenen Zustand eingenommen hat. Dies kann vorgesehen sein, damit der Druck im Anodenabschnitt zunächst aufgrund des sich erwärmenden Brennstoffs auch merklich ansteigen kann. In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass während der Brennstofferwärmung mehrere Druckentlastungen vorgenommen werden. Die Zeitdauer zwischen der ersten Druckentlastung und der zweiten Druckentlastung ist die zweite Zeitdauer. Die zweite Zeitdauer ist länger als die erste Zeitdauer. Dies ist vorteilhaft, weil nach der ersten Druckentlastung der Druck im Anodenabschnitt langsamer ansteigen wird und generell das Stapel-Absperrventil möglichst selten geöffnet werden sollte. Die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer können zwischen 3 Minuten und 20 Minuten oder zwischen 5 Minuten und 10 Minuten betragen.
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Die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer können basierend auf einem Umgebungstemperaturwert festgelegt werden, der direkt oder indirekt indikativ ist für die Temperatur in der unmittelbaren Umgebung des sich erwärmenden Anodenabschnitts. Mithin ist der Umgebungstemperaturwert indikativ für die Bauraumtemperatur. Beispielsweise kann im Kraftfahrzeug die Außentemperatur beim Kraftfahrzeug bestimmt werden (durch Messung oder Erfassung einer entsprechenden Information von einem Server) und dieser Außentemperatur kann eine korrespondierende Bauraumtemperatur zugeordnet sein. Die Korrelation zwischen Bauraumtemperatur und Umgebungstemperatur kann beispielsweise durch Simulationen und/oder Versuchsreichen bestimmt werden.
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Die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer können basierend auf einem Brennstofftemperaturwert festgelegt werden, der direkt oder indirekt indikativ ist für die Brennstofftemperatur im Anodenabschnitt. Der Brennstofftemperaturwert kann in einer Ausgestaltung durch einen Temperatursensor im Anodenabschnitt erfasst werden. In einer anderen Ausgestaltung wird die Brennstofftemperatur im Druckbehälter erfasst und anhand der erfassten Brennstofftemperatur im Druckbehälter die Temperatur im Anodenabschnitt approximiert. Die Korrelation zwischen den Temperaturen im Druckbehälter und den Temperaturne im Anodenabschnitt können durch Versuche und/oder Simulationen bestimmt werden.
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Die erste Zeitdauer und/oder die zweite Zeitdauer können durch einem im Brennstoffzellensystem hinterlegten Kennfeld festgelegt werden. Das Kennfeld kann beispielsweise in einem nichtflüchtigen Speicher des Steuergerätes hinterlegt sein. Im Kennfeld können verschiedene Werte für die Zeitdauer hinterlegt sein, die jeweils abhängen von dem Umgebungstemperaturwert, dem Brennstofftemperaturwert und einem Anfangsdruckwert, der direkt oder indirekt indikativ ist für einen Anfangsdruck im Anodenabschnitt an dem Zeitpunkt, an dem das Brennstoffzellensystem den heruntergefahrenen Zustand eingenommen hat. In einer Ausgestaltung kann der Druck im Anodenabschnitt gemessen werden. In einer anderen Ausgestaltung kann an einer anderen Stelle des Anodenversorgungspfads der Druck erfasst werden und aus diesem Wert der Anfangsdruck im Anodenabschnitt approximiert werden. Anstatt einer Druckerfassung könnte auch die Dichte bestimmt werden, die aufgrund des unveränderlichen Volumens im Anodenabschnitt ebenfalls indikativ für den Anfangsdruck wäre. Mithin können anhand des Kennfeldes also für unterschiedliche Anfangsdrücke, Umgebungstemperaturen und Brennstofftemperaturen unterschiedliche Zeitdauern festgelegt werden. Somit kann sichergestellt werden, dass nur wenige Druckentlastungen durchgeführt werden. Somit ist das anodenseitige Stapel-Absperrventil möglichst oft bzw. möglichst lange geschlossen und das Steuergerät des Brennstoffzellensystems muss möglichst selten während des Parkens aktiviert werde, was sich positiv auf den Energieverbrauch während des Parkens auswirkt.
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die erste Zeitdauer, die zweite Zeitdauer, der Brennstofftemperaturwert, der Umgebungstemperaturwert und/oder der Anfangsdruckwert während des Herunterfahrens des Brennstoffzellensystems bestimmt wird/werden, dass das Steuergerät des Brennstoffzellensystems während der ersten Zeitdauer und/oder der zweiten Zeitdauer inaktiv ist, und dass das Steuergerät des Brennstoffzellensystems zur Druckentlastung aktiviert wird. Hierzu kann ein Timer in einer übergeordneten Steuerung eingesetzt werden, dass das Steuergerät des Brennstoffzellensystems wieder aktiviert.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann das Verfahren die Schritte umfassen:
- - Erfassen eines Druckwerts, der indikativ ist für den aktuellen Druck im Anodenabschnitt (MD) während der Erwärmung des Brennstoffs im heruntergefahrenen Zustand des Brennstoffzellensystems; und
- - Öffnen des anodenseitigen Stapel-Absperrventils, falls der erfasste Druckwert im Anodenabschnitt einen Grenzwert übersteigt.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann also vorgesehen sein, dass das Steuergerät des Brennstoffzellensystems aktiv bleibt, bis sich der Brennstoff im Anodenabschnitt soweit erwärmt hat, dass mit ausreichender Wahrscheinlichkeit keine Druckentlastung mehr erforderlich ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Steuergerät den Druck im Anodenabschnitt direkt oder indirekt erfasst. Hierzu kann beispielsweise ein Drucksensor im Anodenabschnitt vorgesehen sein. Das anodenseitige Stapel-Absperrventil kann geöffnet werden, falls der erfasste Druck im Anodenabschnitt einen Grenzwert übersteigt. Der Grenzwert ist dabei so gewählt, dass der Anodenabschnitt druckentlastet wird, bevor der Druck im Anodenabschnitt den Auslösedruck des Überdruckventils erreicht.
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Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt vorsehen, dass das zur Druckentlastung geöffnete anodenseitige Stapel-Absperrventil wieder geschlossen wird, bevor ein Schließdruck des Druckminderers erreicht wird. Vorteilhaft ist das hier offenbarte Verfahren so gestaltet, (i) dass die Druckentlastung bei einem Druck im Anodenabschnitt beginnt, der (bevorzugt knapp) unterhalb des Auslösedrucks vom Überdruckventil liegt, (ii) und dass die Druckentlastung bei einem Druck im Anodenabschnitt endet, der (bevorzugt knapp) oberhalb des Schließdrucks vom Druckminderer liegt. Somit kann sichergestellt werden, dass einerseits kein Brennstoff unnötig aus dem Anodensubsystem entweicht und andererseits nicht zu einem zu frühen Zeitpunkt Brennstoff dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, der evtl. zu einem späteren Zeitpunkt, i.d.R. nach mehreren Stunden, für eine Autarkfunktion des Kraftfahrzeugs benötigt wird. Vorteilhaft kann somit der Brennstoffvorrat im Anodenversorgungspfad für die Autarkfunktion verwendet werden, ohne dass ein Tankabsperrventil im geparkten Zustand des Kraftfahrzeugs geöffnet werden muss.
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Das Steuergerät kann u.a. eingerichtet sein, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen oder mit 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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Ferner betrifft die hier offenbarte Technologie ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem Programminstruktionen gespeichert sind, die bei Ausführung durch einen Mikroprozessor diesen veranlassen, ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche auszuführen.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Druckentlastung des Mitteldruckbereiches. Die Idee ist es nun, nach dem Entnahmestopp (d.h. Brennstoffzellenstapel ist aus) das anodenseitige Stapel-Absperrventil (i.d.R. ein Hydrogen shut of valve) oder die Injektoren nach einer gewissen Zeit noch mal kurz zu öffnen, um den Druck abzusenken, der sich in der Mitteldruckleitung aufgebaut hat, da das eingeschlossenes Gas in einem Volumen sich erwärmt hat, und dabei den Anodendruck leicht zu erhöhen. In der Anode ist ausreichend Volumen vorhanden, um lediglich ein paar mbar Druckerhöhung zu verursachen und gleichzeitig den Druck im Mitteldruckbereich zu reduzieren, z.B. auf den Schließwert (lock up pressure) des Druckminderers. Eine noch weitere Reduzierung des Mitteldruckes ist nicht erforderlich, wäre aber auch nicht nachteilig. Würde der Druck auf einen Wert unterhalb des Schließwertes absinken, so würde aus dem Hochdruckbereich der Leitungen, d.h. stromaufwärts des Druckreglers, Wasserstoff nachströmen. Das Ansteuern des Mitteldruckentnahmesystems (i.d.R. ein Proportionalventil oder ein Injektor) kann zeitbasiert erfolgen, z.B. nach 5 bis 7 Minuten und sich bei Bedarf noch mal wiederholen z.B. nach weiteren 10 bis 15 Minuten (das Intervall wird länger, da die Dichte abgenommen hat und die Temperaturdifferenz zwischen dem Brennstoff in den Leitungen und Bauraumtemperatur geringer geworden ist.
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Alternativ kann eine Kennlinie oder ein Kennfeld ermittelt werden, das sich abhängig von der Dichte des Brennstoffs und der Temperaturdifferenz berechnen lässt, um den Zeitpunkt für die Entnahme aus der Mitteldruckleitung und die zu entnehmende Menge zu bestimmen.
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Mit der hier offenbarten Technologie kann ein Druckentlastungsventil mit einem geringeren Auslösedruck vorgesehen werden, ohne dass es zu einer temperaturbedingten Brennstoffabfuhr aus dem Anodensubsystem kommt. Es kann somit ein günstigeres und leichteres Sicherheitsventil eingesetzt werden. Vorteilhaft können auch die weiteren Komponenten des Mitteldruckbereichs auf einen geringen Berstdruck hin ausgelegt werden, was sich positiv auf die Herstellkosten, den Raumbedarf und das Gewicht auswirken kann. Gemäß einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs das Brennstoffzellensystem für eine vorbestimmte Zeit bei geschlossenen Tankabsperrventilen weiter betrieben wird, damit der Druck im Anodenzuströmpfad weiter verringert wird. Eine solche Abschaltprozedur ist jedoch nicht immer möglich, insbesondere falls eine andere Schutzfunktion einen unvorhergesehenen Stopp des Brennstoffzellensystems (z.B. Notaus) herbeigeführt hat.
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Mit der hier offenbarten Technologie ist es möglich für den Autarkbetrieb vermehrt Brennstoff bereitzustellen (z.B. Brennstoff im Parken zum Bedrücken der Anode), ohne die Tankventile (auch On-Tank-Valve genannt) der Druckbehälter zu öffnen, da die Leitungen beim Abstellen nicht druckentlastet werden müssen.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen 1 erläutert, die eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems zeigt.
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In dem Druckbehälter H2 ist Brennstoff gespeichert, z.B. Wasserstoff bei bis zu 700 bar. Der Druckbehälter H2 stellt Wasserstoff bereit für den Brennstoffzellenstapel 300, der eine Vielzahl an Brennstoffzellen aufweist, die auf einem niedrigeren Druckniveau betrieben werden, z.B. 0,5 bis 1 barü. An einem Ende des Druckbehälters H2 ist ein Tankabsperrventil 211 vorgesehen. Anstatt lediglich einem Druckbehälter H2 mit einem Tankabsperrventil 211 könnten ebenso mehrere Druckbehälter H2 mit einem oder mehreren Tankabsperrventilen 211 vorgesehen sein. Die brennstoffführende Fluidverbindung zwischen dem Druckbehälter H2 und dem Brennstoffzellenstapel 300 versorgt die Anode A des Brennstoffzellenstapels 300 mit Brennstoff und wird als Anodenversorgungspfad 210 bezeichnet. In dem hier dargestellten System ist ferner ein Druckminderer 244 vorgesehen. Der Druckminderer 244 senkt den Speicherdruck von bis zu 700 bar auf ein Mitteldruckniveau von beispielsweise 2 bar bis 40 bar oder 12 bar bis 18 bar. Im Anodenversorgungspfad 210 ist ferner ein anodenseitiges Stapel-Absperrventil 234 vorgesehen, das hier als weiter Druckminderer fungiert und den Druck vom Mitteldruckniveau auf den Niederdruck der Brennstoffzellen absenkt. Der Anodenabschnitt MD ist hier der Abschnitt des Anodenversorgungspfads 210, der stromab vom Druckminderer 244 und stromauf vom anodenseitigem Stapel-Absperrventil 234 vorgesehen ist. Dieser Anodenabschnitt MD kann auch als Mitteldruckbereich bezeichnet werden.
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Um ein Bersten der Rohrleitungen oder eine Beschädigung von Komponenten (Verschraubungen, Sensoren, Anodenabsperrventil,etc.) des Anodenversorgungspfads 210 bei Fehlfunktion des Druckminderes 244 zu verhindern, ist hier stromab vom Druckminderer 244 ein Überdruckventil 242 vorgesehen. Im Rezirkulationsströmungspfad 216 vom Anodensubsystem sind hier stromab vom Brennstoffzellenstapel 300 ein Wasserabscheider 232, ein Anodenspülventil 238 und eine Rezirkulationspumpe 236 vorgesehen. Die Anodenspülleitung 239 verbindet hier das Anodenspülventil 238 mit der Kathodenabgasleitung 416, die stromab von der Kathode K des Brennstoffzellenstapels beginnt und in der Umgebung endet. In dieser Abgasleitung 416 kann eine Katalysatorfläche vorgesehen sein (nicht gezeigt). In einer weiteren Ausgestaltung mündet die Anodenspülleitung 239 stromauf von der Kathode K in die Kathodenzuleitung 415, insbesondere stromab vom kathodenseitigen Stapel-Absperrventil 430. Die Strömungsrichtung des Brennstoffs und der Umgebungsluft sind hier durch Pfeile dargestellt. Das Brennstoffzellensystem ist in ein Kraftfahrzeug verbaut (nicht gezeigt). Der Oxidationsmittelförderer 410 verdichtet das Oxidationsmittel O2, das anschließend im Wärmetauscher 420 gekühlt wird. Ferner ist eine Bypassleitung 460 vorgesehen, die von der Kathodenzuleitung 415 abzweigt und in die Abgasleitung 416 mündet.
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Wird nun Brennstoff entnommen, so expandiert dieser und kühlt dabei ab. Wird nun das Brennstoffzellensystem heruntergefahren, so verweilt relativ zur Bauraumtemperatur kalter Brennstoff im Anodenabschnitt MD. Aufgrund der großen Differenz zwischen der Brennstofftemperatur und der Umgebungstemperatur wird Wärme in den Brennstoff eingetragen, wodurch sich der Brennstoff im Anodenabschnitt MD erwärmt und der Druck im Anodenabschnitt MD ansteigt. Sofern keine Abhilfemaßnahmen getroffen werden, könnte der Druck den Auslösedruck des Überdruckventils 242 übersteigen. Folglich würde dann über das Überdruckventil 242 Brennstoff in die Umgebung abgelassen. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird dies dadurch verhindert, dass das inaktive Steuergerät wieder aktiviert wird, um nach Ablauf der ersten Zeitdauer eine Druckentlastung in den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels 300 hinein zu initiieren. Die Druckentlastung wird durch ein kurzzeitiges Öffnen des Stapel-Absperrventils 234 erreicht. Nach der Druckentlastung ist der Druck im Anodenabschnitt MD merklich gesunken. Insbesondere wird hier das anodenseitige Stapel-Absperrventil 234 solange geöffnet, bis der im Wesentlichen dem Schließdruck des Druckminderers entspricht. Sofern der Druck im Anodenabschnitt MD temperaturbedingt weiter ansteigt, kann nach Ablauf einer zweiten Zeitdauer eine zweite Druckentlastung und ggfls. weitere Druckentlastungen initiiert werden. Bevorzugt ist das Steuergerät zwischen den Druckentlastungen inaktiv und das Stapel-Absperrventil 234 geschlossen.
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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.
