-
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischem Strom und ein Belüftungssystem zum Belüften eines Brennstoffzellensystems.
-
Stand der Technik
-
Ein Brennstoffzellensystem umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel, der aufgebaut ist aus einer Vielzahl an Brennstoffzellen, die wiederum aus Membran-Elektrodeneinheiten (MEA) und einer Bipolarplatte (BPP) bestehen.
-
Ein Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellenstapels wird mit drei Medien beströmt: Wasserstoff, Umgebungsluft und Kühlmittel. Insbesondere das Beströmen mit Umgebungsluft wird von zwei Faktoren beeinflusst, die eine Effizienz des Brennstoffzellenstapels erheblich beeinflussen. Diese Faktoren sind zum einen ein Druckverlust eines von einem Kompressor bereitgestellten Volumenstroms, der beim Einleiten des Volumenstroms in einen engen Leitungskanal auftritt. Zum anderen kann beim Betreiben eines Brennstoffzellensystems entstehendes Wasser dazu führen, dass ungünstig große Wasseransammlungen entstehen, die sich an dem Leitungskanal anlagern und, dadurch bedingt, einen durchströmbaren Querschnitt des Leitungskanals reduzieren. Weiterhin kann beim Betreiben eines Brennstoffzellensystems entstehendes Wasser dazu führen, dass eine aktive Fläche an einer jeweiligen MEA durch das Wasser gegenüber weiteren Betriebsfluiden abgeschirmt wird, sodass die abgeschirmte Fläche für eine elektrochemische Reaktion nicht mehr zur Verfügung steht.
-
Ein durch Wasseranlagerungen bedingt erhöhter Druckverlust muss mit einer höheren Kompressorleistung mit einem entsprechend höheren Energiebedarf ausgeglichen werden, was wiederum zu einer reduzierten Effizienz eines entsprechenden Brennstoffzellensystems führt.
-
Weiterhin ist es bekannt, Oberflächen von Klingen in Schwingung zu versetzen, um ein Anhaften von Lebensmittelrückständen an den Oberflächen zu minimieren.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betrieb des Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kühlsystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
-
Die vorgestellte Erfindung dient dazu, einen effizienten Betrieb einer Brennstoffzelle zu ermöglichen. Insbesondere dient vorgestellte Erfindung dazu, eine Leistungsaufnahme eines Kompressors zum Belüften einer Brennstoffzelle zu minimieren.
-
In einem ersten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung somit ein Brennstoffzellensystem zum Erzeugen von elektrischem Strom. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Kompressor zum Erzeugen eines Luftstroms und einen Aktuator zum Anregen des Luftstroms. Der Aktuator ist dazu konfiguriert, den Luftstrom durch Einbringen einer Schwingung in den Luftstrom mechanisch anzuregen und, dadurch bedingt, Wasseransammlungen in dem Brennstoffzellensystem zu minimieren.
-
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass ein durch das vorgestellte Brennstoffzellensystem strömender Luftstrom in Schwingung versetzt wird, sodass ein von dem Kompressor des vorgestellten Brennstoffzellensystems bereitgestellter quasi-statischer Luftstrom mit einer dauerhaften oder kurzzeitigen, ggf. hochfrequenten Schwingung überlagert wird. Dies bedeutet, dass der Luftstrom gepulst verläuft bzw. einen pulsierend verlaufenden Krafteintrag in das Brennstoffzellensystem erzeugt.
-
Zum Minimieren einer Leistungsaufnahme des Kompressors des vorgestellten Brennstoffzellensystems umfasst das vorgestellte Brennstoffzellensystem einen Aktuator, wie bspw. einen Ultraschallgenerator, einen Vibrator oder ein Regelventil zum zeitweisen und/oder bereichsweisen Verschließen einer Belüftungsleitung.
-
Der erfindungsgemäß vorgesehene Aktuator kann an einer beliebigen Stelle in dem vorgestellten Brennstoffzellensystem angeordnet sein. Insbesondere kann der Aktuator an einer Belüftungsleitung und/oder dem Kompressor des Brennstoffzellensystems angeordnet sein.
-
Mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen Aktuators kann ein von dem erfindungsgemäß vorgesehenen Kompressor erzeugter Luftstrom angeregt werden. Ein angeregter, d. h. ein in Schwingung versetzter Luftstrom minimiert ein Anlagern von Wasser an dem Brennstoffzellensystem. Insbesondere minimiert ein angeregter Luftstrom ein Anlagern von Wasser in einer Belüftungsleitung, durch die der Luftstrom strömt.
-
Durch eine Minimierung von an dem vorgestellten Brennstoffzellensystem angelagertem Wasser wird eine Abschirmung von aktiven Bereichen einer MEA minimiert und eine Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert.
-
Durch eine Minimierung von an einer Belüftungsleitung angelagertem Wasser wird ein zum Durchströmen mit Luft verfügbarer Querschnitt der Belüftungsleitung maximiert, wodurch ein Eingangsdruck, mit dem der erfindungsgemäß vorgesehene Kompressor Luft in die Belüftungsleitung drücken muss, um einen vorgegebenen Ausgangsdruck an der Belüftungsleitung einzustellen, minimiert. Entsprechend wird durch eine Minimierung von an einer Belüftungsleitung angelagertem Wasser eine Leistungsaufnahme des Kompressors minimiert und eine Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert.
-
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein Luftstrom durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Aktuator kurzzeitig und ggf. hochfrequent, d.h. bspw. in einem Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 40 kHz angeregt wird, sodass sich kurzzeitig hochfrequente Druckänderungen in einer den Luftstrom leitenden Belüftungsleitung und/oder an einem durch den Luftstrom beströmten Bereich ergeben. Derartige Druckänderungen führen zum Lösen von Adhäsionskräften zwischen einer Oberfläche und dort ggf. befindlichen Wasseransammlungen, sodass die Wasseransammlungen sich lösen und ablaufen können.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Belüftungsleitung umfasst, und dass der Aktuator dazu konfiguriert ist, eine Durchflussmenge und/oder einen Eingangsdruck der Belüftungsleitung dynamisch zu verändern.
-
Um einen Luftstrom, der durch eine Belüftungsleitung strömt, anzuregen, kann der erfindungsgemäß vorgesehene Aktuator eine Durchflussmenge durch die Belüftungsleitung und/oder einen Eingangsdruck, der an der Belüftungsleitung anliegt dynamisch ändern. Dazu kann der Aktuator bspw. als Regelventil ausgestaltet sein und einen Strömungsbereich bzw. einen Querschnitt der Belüftungsleitung zeitweise und/oder bereichsweise verschließen. Insbesondere kann der Aktuator dazu konfiguriert sein, durch wiederholtes Öffnen und Schließen des Strömungsbereichs eine Schwingung in den Luftstrom einzubringen. Alternativ kann das Regelventil mit einem Schwingungsgenerator, wie bspw. einem Ultraschallgenerator oder einem Vibrator verbunden sein, sodass eine durch den Schwingungsgenerator erzeugte Schwingung auf den Luftstrom übertragen wird.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Aktuator dazu konfiguriert ist, einen Impuls in eine Luftleitung einzubringen, die in Strömungsrichtung hinter einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems liegt.
-
Durch einen Impuls, insbesondere einen mechanischen Impuls, kann die Luftleitung des vorgestellten Brennstoffzellensystems dynamisch angeregt werden. Insbesondere kann der Impuls in einem in Strömungsrichtung hinter einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems liegenden Bereich, also einem zum Ausleiten von Luft vorgesehenen Bereich einer Luftleitung, eingebracht werden. In einen zum Ausleiten von Luft vorgesehen Bereich eingebrachte Impulse bewirken analog zu in einem zum Einleiten von Luft vorgesehenen Bereich eingebrachten Impulsen Druckänderungen in einem das Brennstoffzellensystem anströmenden Volumenstrom, die zum Ausleiten von Wasserablagerungen führen.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Aktuator dazu konfiguriert ist, die Belüftungsleitung mechanisch zu bewegen und/oder einen Querschnitt der Belüftungsleitung zu verändern.
-
Zum Verändern eines Querschnitts der Belüftungsleitung, kann der erfindungsgemäß vorgesehene Aktuator bspw. ein Regelventil umfassen, das in die Belüftungsleitung eingebracht oder vor die Belüftungsleitung geschwenkt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Aktuator dazu ausgestaltet sein, die Belüftungsleitung bereichsweise einzudrücken, um einen Querschnitt der Belüftungsleitung zeitweise zu reduzieren.
-
Durch eine mechanische Bewegung einer Belüftungsleitung kann ein Weg, den ein Luftstrom zurücklegen muss, um die Belüftungsleitung zu durchströmen, verlängert werden. Entsprechend kann durch ein wiederholtes Auslenken und Zurückbewegen einer Belüftungsleitung ein durch die Belüftungsleitung strömender Luftstrom angeregt bzw. mit einer Schwingung überlagert werden.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Aktuator derart zu steuern, dass der Aktuator den Luftstrom permanent oder auf einen Zeitraum beschränkt anregt.
-
Um den erfindungsgemäß vorgesehenen Aktuator zu steuern bzw. zu regeln, eignet sich eine Recheneinheit, wie bspw. ein Steuergerät oder jede weitere elektronische Schaltung. Die Recheneinheit kann eine zentrale Recheneinheit des Brennstoffzellensystems oder eine lokale Recheneinheit des Kompressors sein.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, den Aktuator in Abhängigkeit eines Druckunterschieds zwischen einer ersten Messstelle und einer zweiten Messstelle und/oder in Abhängigkeit eines aktuellen Betriebszustands des Brennstoffzellensystems zu aktivieren.
-
Insbesondere kann die Recheneinheit dazu konfiguriert sein, den Aktuator zu vorgegebenen Zeiten bzw. bei vorgegebenen Betriebspunkten des Brennstoffzellensystems zu aktivieren oder zu deaktivieren.
-
Zum Ermitteln eines Druckunterschieds einer ersten Messstelle und einer zweiten Messstelle kann die Recheneinheit mit mindestens einem Drucksensor, insbesondere einem Differentialdrucksensor, kommunikativ verbunden sein.
-
Bspw. kann die Recheneinheit einen Druckunterschied zwischen einer ersten Messstelle und einer zweiten Messstelle verwenden, um einen Zeitraum, für den der Aktuator zu aktivieren ist, zu ermitteln. Dabei kann der Zeitraum bspw. desto länger gewählt werden, je größer der Druckunterschied ist.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Schwingung eine Schwingung mit einer vorgegebenen Periode ist oder voneinander unabhängige Druckstöße umfasst.
-
Eine regelmäßige bzw. zyklische Schwingung mit einer vorgegebenen bzw. festen Periode, kann einfach bspw. durch Verwendung eines Vibrators oder eines Ultraschallgenerators als Aktuator erzeugt werden. Eine Schwingung mit voneinander unabhängigen Druckstößen kann bspw. mittels eines Antriebs erzeugt werden. Dabei kann der Antrieb bspw. in Abhängigkeit eines durch einen Differentialdrucksensor ermittelten Druckunterschieds in einer Belüftungsleitung aktiviert oder deaktiviert werden.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine Anregungskomponente, insbesondere eine Membran umfasst, die mit dem Aktuator in Wirkverbindung steht und die dazu konfiguriert ist, eine durch den Aktuator vermittelte Anregung auf den Luftstrom zu übertragen.
-
Mittels einer Anregungskomponente kann eine durch den Aktuator bereitgestellte Bewegungsenergie auf einen Luftstrom übertragen werden. Dabei kann eine mechanische Übersetzung stattfinden, sodass eine relativ kleine bzw. schwache Bewegung zu einer relativ großen bzw. starken Bewegung umgewandelt und auf den Luftstrom übertragen wird. Dazu kann insbesondere eine Membran verwendet werden, die direkt durch den Aktuator oder mittels eines durch den Aktuator bewegten Hebels in Schwingung versetzt wird.
-
Weiterhin ermöglicht eine Anregungskomponente eine räumlich freie Anordnung des Aktuators, da nicht der Aktuator, sondern lediglich die Anregungskomponente in direktem Kontakt mit dem Luftstrom bzw. einer den Luftstrom leitenden Komponente stehen muss.
-
In einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Belüftungssystem zum Versorgen eines Brennstoffzellensystems mit Luft. Das Belüftungssystem umfasst einen Kompressor zum Erzeugen eines Luftstroms, eine Belüftungsleitung und einen Aktuator zum Anregen des Luftstroms, wobei der Aktuator dazu konfiguriert ist, den Luftstrom durch Einbringen einer Schwingung in die Belüftungsleitung mechanisch anzuregen und, dadurch bedingt, Wasseransammlungen in der Belüftungsleitung oder in dem Brennstoffzellensystem zu minimieren.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
- 2 eine schematische Darstellung des vorgestellten Belüftungssystems,
- 3 ein schematischer Verlauf einer Schwingung, die durch das Belüftungssystem gemäß 2 in einen Luftstrom eingebracht wurde.
-
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Kompressor 101, einen Aktuator 103, eine Belüftungsleitung 105 und einen Brennstoffzellenstapel 107 Um eine Wasseransammlung an einer Komponente des Brennstoffzellensystems 100, wie bspw. einer Membraneinheit des Brennstoffzellenstapels 107 und/oder der Belüftungsleitung 105 zu minimieren bzw. zu entfernen, regt der Aktuator 103 die Belüftungsleitung 105 mittels eines mechanischen Impulses an.
-
Aufgrund einer durch den mechanischen Impuls erzeugten Bewegung der Belüftungsleitung 105 schwingt ein durch die Belüftungsleitung 105 strömender Luftstrom auf, sodass der Luftstrom einen pulsierenden bzw. insbesondere periodisch pulsierenden, Verlauf annimmt.
-
Durch den pulsierenden Verlauf wird ein Krafteintrag, der durch den Luftstrom auf mit dem Luftstrom in Kontakt tretende Strukturen, wie bspw. eine Wasseransammlung pulsierend verändert. Entsprechend bildet sich eine Abfolge von Druckschwankungen aus, die dazu führen, dass die Wasseransammlung sich von dem Brennstoffzellensystem 100 löst und bspw. durch den Luftstrom aus dem Brennstoffzellensystem 100 ausgeblasen werden kann.
-
Insbesondere kann der Aktuator 103 ein Ultraschallgenerator sein, der die Belüftungsleitung mit einer Frequenz zwischen 20 kHz und 40 kHz angeregt. Durch eine derart rasche Anregung wird ein Lösen der Wasseransammlung von jeweiligen Oberflächen des Brennstoffzellensystems 100 ermöglicht und ein Wiederanheften verhindert. Entsprechend wandert die Wasseransammlung an der jeweiligen Oberfläche entlang und wird durch den Luftstrom aus dem Brennstoffzellensystem 100 ausgeblasen.
-
Zum Steuern bzw. Regeln des Aktuators 103 kann das Brennstoffzellensystem 100 eine Recheneinheit 109 umfassen, die den Aktuator 103 bspw. in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Brennstoffzellensystems 100 oder in Abhängigkeit von bspw. durch einen Differentialdrucksensor ermittelten Messwerten von in der Belüftungsleitung 105 anliegenden Drücken, aktiviert oder deaktiviert.
-
Insbesondere kann die Recheneinheit 109 dazu konfiguriert sein, eine Anregungsfrequenz und/oder eine Anregungsamplitude mit der der Aktuator 103 den Luftstrom anregt, in Abhängigkeit von durch jeweilige Sensoren ermittelten Messwerten zu wählen und bspw. eine gegenüber einem Basiswert höhere Frequenz bzw. eine niedrigere Amplitude zu wählen, wenn ein Druckunterschied zwischen einem Einlass und einem Auslass der Belüftungsleitung größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert.
-
In 2 ist ein Belüftungssystem 200 gezeigt. Das Belüftungssystem umfasst einen Kompressor 201 zum Erzeugen eines Luftstroms, einen Aktuator 203 zum Anregen des Luftstroms und eine Belüftungsleitung 205 zum Leiten des Luftstroms.
-
Der Aktuator 203 ist dazu konfiguriert, den durch den Kompressor 201 erzeugten Luftstrom mittels eines in die Belüftungsleitung 205 eingebrachten mechanischen Impulses anzuregen. Je nach Ausrichtung der Belüftungsleitung 205 kann der angeregte Luftstrom dazu verwendet werden, jeweilige Komponenten, bspw. eines Brennstoffzellensystems mit dem angeregten Luftstrom zu beströmen und, dadurch bedingt, an den Komponenten anhaftende Wasseransammlungen zu lösen.
-
In 3 ist ein Verlauf einer Schwingung 300, die durch das Belüftungssystem 200 gemäß 2 in einen Luftstrom eingebracht wurde, in einem Diagramm 301, das sich auf der Ordinate über eine Amplitudenstärke und auf der Abszisse über die Zeit aufspannt, dargestellt.
-
Die Schwingung umfasst mehrere Amplitudenspitzen 303, die mit einer Periodenlänge 305 zeitlich versetzt voneinander auftreten, sodass die Schwingung 300 eine Sinusschwingung ist. Vorliegend haben alle Amplituden die gleiche Höhe 307. Selbstverständlich sind, je nach Ansteuerung des Aktuators 203 unterschiedliche Höhen 307 und/oder unterschiedliche Periodenlängen 305 denkbar.
