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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens geeignet bzw. nach dem vorgeschlagenen Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme umfassen in der Regel eine Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung bzw. einen Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt. Brennstoffzellen sind elektrochemische Energiewandler. Mit ihrer Hilfe kann ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, in Verbindung mit Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt werden. Der Brennstoff wird hierzu einer Anode und der Sauerstoff einer Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt. Innerhalb der Brennstoffzelle werden die Anode und die Kathode durch eine Membran, vorzugsweise eine Polymer Elektrolyt Membran (PEM), voneinander getrennt.
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Aus einer Brennstoffzelle austretendes Anodengas wird üblicherweise rezirkuliert, da dieses noch unverbrauchten Brennstoff enthält. Auf diese Weise kann der Brennstoffverbrauch gesenkt werden. Im Betrieb reichert sich das Anodengas jedoch mit Wasser und/oder mit Stickstoff an, der im Wege der Diffusion von der Kathoden- auf die Anodenseite gelangt. Die Zusammensetzung des Anodengases ändert sich somit über die Zeit. In der Folge kann es daher zu einer Unterversorgung mit Wasserstoff kommen. Um dies zu verhindern, wird kontinuierlich oder diskontinuierlich durch Öffnen eines Ventils, dem sogenannten Purgeventil, Anodengas aus dem System abgelassen und durch frischen Wasserstoff aus einem Tank bzw. Tanksystem ersetzt. Im Anodengas enthaltenes Wasser wird mit Hilfe eines Wasserabscheiders entfernt und in einem Wasserspeicher gesammelt. Durch Öffnen eines weiteren Ventils, dem sogenannten Drainventil, kann der Wasserspeicher von Zeit zu Zeit entleert werden.
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Ein Brennstoffzellensystem muss in der Regel bei einem Kaltstart, das heißt bei einem Startvorgang bei Temperaturen unter 0°C, vorgeheizt werden. Denn andernfalls besteht die Gefahr, dass im System vorhandenes Wasser gefriert bzw. nicht rechtzeitig auftaut und somit wichtige Funktionen blockiert. Beispielsweise kann gefrorenes Wasser die Funktion eines Purge- und/oder Drainventils beeinträchtigen. Um dies zu verhindern, ist aus dem Stand der Technik der Einsatz elektrischer Heizer, beispielsweise in Form von Heizpatronen, bekannt. Mit Hilfe der elektrischen Heizer können vereisungsgefährdete Bereiche temperiert werden.
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Um den Einsatz einer teuren elektrischen Heizung zu vermeiden, wird in der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 225 653 A1 eine Brennstoffzelle vorgeschlagen, die mit einem Kathodenluft führenden Kathodenpfad und einem Brennstoff führenden Anodenpfad ausgeführt ist. Der Kathodenpfad weist dabei eine Bypass-Leitung auf, die energetisch mit einer kritischen bzw. vereisungsgefährdeten Stelle in der Brennstoffzelle verbunden ist. Die kritische Stelle kann auf diese Weise gezielt aufgeheizt werden, wobei die Wärme der verdichteten Kathodenzuluft genutzt wird.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Kaltstartfähigkeit eines Brennstoffzellensystems weiter zu verbessern. Insbesondere soll auf den Einsatz zusätzlicher elektrischer Heizeinrichtungen verzichtet werden, so dass Bauraumbedarf und Kosten klein gehalten werden.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode umfasst. Der Kathode wird dabei Luft als Kathodengas zugeführt. Der Anode werden ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, als Anodengas sowie rezirkuliertes Anodengas zugeführt. Bei einem Kaltstart des Systems wird erfindungsgemäß mindestens eine Magnetspule einer im Brennstoffzellensystem verbauten Komponente bestromt und die elektrische Verlustwärme der Magnetspule zum Erwärmen mindestens eines vereisungsgefährdeten Bereichs des Brennstoffzellensystems genutzt.
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Bei der die Magnetspule aufweisenden Komponente kann es sich beispielsweise um ein elektromagnetisch betätigbares Ventil handeln. Derartige Ventile sind regelmäßig in einem Brennstoffzellensystem vorhanden. Beispielsweise werden Purge- und/oder Drainventile elektromagnetisch bzw. mit Hilfe einer Magnetspule betätigt. Insofern kann die zum Erwärmen des mindestens einen vereisungsgefährdeten Bereichs benötigte elektrische Verlustwärme mit Hilfe einer im System bereits vorhandenen Komponente erzeugt werden. Ein zusätzlicher elektrischer Heizer ist demnach nicht erforderlich.
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Bevorzugt wird die elektrische Verlustwärme der mindestens einen Magnetspule zum Erwärmen einer vereisungsgefährdeten Komponente genutzt. Bei dem mindestens einen vereisungsgefährdeten Bereich kann es sich demnach insbesondere um eine vereisungsgefährdete Komponente handeln bzw. eine im System verbaute Komponente weist den mindestens einen vereisungsgefährdeten Bereich auf. Vorteilhafterweise handelt es sich hierbei um eine Komponente mit Magnetspule, so dass zum Erwärmen der Komponente die eigene Magnetspule genutzt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die zum Erwärmen benötigte elektrische Verlustwärme dort erzeugt wird, wo sie benötigt wird. Das heißt, dass keine zusätzlichen Leitungen erforderlich sind, um die Wärme an den vereisungsgefährdeten Bereich zu leiten.
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Des Weiteren bevorzugt wird die elektrische Verlustwärme der Magnetspule zum Erwärmen eines vereisungsgefährdeten Ventils genutzt. Vereisungsgefährdet ist ein Ventil insbesondere dann, wenn es den Zu- oder Ablauf eines wasserhaltigen Mediums steuert. Da es sich bei dem wasserhaltigen Medium sowohl um Anoden- als auch Kathodengas handeln kann, kann dieses Ventil sowohl anoden- als auch kathodenseitig im Brennstoffzellensystem angeordnet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Ventil um ein Purgeventil, ein Drainventil und/oder ein Dosierventil handeln. Durch das vorgeschlagene Erwärmen des Ventils mit Hilfe der elektrischen Verlustwärme mindestens einer Magnetspule bleibt die Funktion des Ventils auch bei einem Kaltstart des Systems erhalten.
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Sowohl Purge- als auch Drainventile werden aus Sicherheitsgründen in der Regel als stromlos geschlossene Ventile ausgeführt. Ihre Funktion kann demnach durch gefrorenes Wasser stark eingeschränkt sein. Indem ihre Magnetspulen bestromt werden, kann eine elektrische Verlustwärme erzeugt werden, die zum Auftauen des gefrorenen Wassers führt, so dass die Funktion nur kurzzeitig eingeschränkt ist.
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Die erzeugte elektrische Verlustwärme wird vorzugsweise in Richtung eines Ventilsitzes des zu erwärmenden vereisungsgefährdeten Ventils gelenkt. Ist der Ventilsitz eisfrei, kann das Ventil öffnen. Um die Wärme gezielt in eine bestimmte Richtung zu lenken, können weitere Maßnahmen vorgesehen sein, die weiter unten in Verbindung mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem näher erläutert werden.
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Um ein schnelles Auftauen eines bereits vereisten Bereichs des Brennstoffzellensystems zu erreichen, wird eine möglichst hohe elektrische Verlustwärme benötigt. Bevorzugt wird dennoch an die Magnetspule ein vergleichsweise geringer elektrischer Strom angelegt, da andernfalls die Gefahr besteht, dass die Komponente, welche die Magnetspule aufweist, unbeabsichtigt betätigt wird. Dies gilt es zu vermeiden, und zwar insbesondere, wenn es sich bei der Komponente um ein Ventil handelt. Bevorzugt wird daher beim Bestromen der Magnetspule eines vereisungsgefährdeten Ventils über die Stromhöhe und/oder die Stromdauer ein unbeabsichtigtes Betätigen des Ventils verhindert.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass die elektrische Verlustwärme der Magnetspule zum Erwärmen eines Wasserabscheiders und/oder eines Wasserspeichers genutzt wird. Auf diese Weise kann ein Gefrieren von Wasser im Wasserabscheider und/oder im Wasserspeicher verhindert werden und/oder bereits gefrorenes Wasser schnell aufgetaut werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Verlustwärme der bestromten Magnetspule gezielt in Richtung eines vereisungsgefährdeten Bereichs des Brennstoffzellensystems gelenkt wird. Dieser kann somit noch effizienter erwärmt werden.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode. Der Kathode ist dabei über einen Zuluftpfad Luft als Kathodengas zuführbar. Der Anode sind über einen Anodenpfad ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, als Anodengas und über einen Rezirkulationspfad rezirkuliertes Anodengas zuführbar. Erfindungsgemäß ist im Brennstoffzellensystem mindestens eine Komponente, vorzugsweise ein Ventil, mit einer Magnetspule verbaut, die zumindest bereichsweise von einer Einhausung zum Sammeln und/oder Lenken einer bei Bestromung erzeugten elektrischen Verlust Wärme umgeben ist.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Grundvoraussetzung hierfür ist eine im System verbaute Komponente mit einer Magnetspule zum Erzeugen einer elektrischen Verlustwärme. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist darüber hinaus eine Komponente auf, deren Magnetspule zumindest bereichsweise eingehaust ist. Die Einhausung verhindert, dass die Verlustwärme ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Zugleich kann mit Hilfe der Einhausung die Verlustwärme gezielt gelenkt werden, um sie einem vereisungsgefährdeten Bereich des Brennstoffzellensystems zuzuführen. Bei dem vereisungsgefährdeten Bereich kann es sich dabei insbesondere um einen Bereich innerhalb der die Magnetspule aufweisenden Komponente, beispielsweise um einen Ventilsitz eines elektromagnetisch betätigbaren Ventils, handeln.
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Das elektromagnetisch betätigbare Ventil kann insbesondere ein Purge-, Drain- und/oder Dosierventil sein, dass im System verbaut ist und eine Magnetspule zum Betätigen des Ventils umfasst. Da Purge- und/oder Drainventile in der Regel als stromlos geschlossene Ventile ausgebildet sind, können diese bei Temperaturen unter 0°C vereisen, so dass ihre Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Die mittels der Magnetspule des jeweiligen Ventils erzeugte elektrische Verlustwärme kann dann zum Erwärmen und Auftauen genutzt werden, so dass das Ventil wieder öffnet.
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Gegenüber Purge- und/oder Drainventilen sind Dosierventile, beispielsweise das anodenseitig verbaute Wasserstoffdosierventil, in der Regel als Proportionalventil ausgeführt. Beim Bestromen der Magnetspule eines als Proportionalventil ausgeführten Dosierventils muss daher darauf geachtet werden, dass dieses gänzlich geschlossen bleibt. Um dies zu gewährleisten kann beispielsweise das Proportionalventil verpolt mit Strom versorgt werden, so dass es verstärkt zugedrückt wird. Die dabei entstehende Abwärme kann wiederum zum Erwärmen eines vereisungsgefährdeten Bereichs genutzt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die vorgeschlagene Einhausung zumindest bereichsweise aus einem Wärmedämmmaterial gefertigt. Mit Hilfe der Einhausung wird somit eine thermische Isolation der Magnetspule erreicht. Die ungenutzte Abgabe der elektrischen Verlustwärme an die Umgebung kann demzufolge noch effektiver verhindert werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 2 ein elektromagnetisch ansteuerbares Ventil eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1, das sowohl für mobile als auch für stationäre Anwendungen geeignet ist. Es umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 2 mit einer Kathode 3 und einer Anode 4. Die Kathode 3 wird über einen Zuluftpfad 11 mit Umgebungsluft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Anode 4 wird über einen Anodenpfad 12 Brennstoff, vorliegend Wasserstoff, sowie über einen Rezirkulationspfad 13 mit rezirkuliertem Anodengas versorgt. In der Brennstoffzelle 2 regiert der Wasserstoff mit dem Sauerstoff, wobei elektrische Energie, Wärme und Wasser erzeugt werden.
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Da aus der Brennstoffzelle 2 austretendes Anodengas noch Restwasserstoff enthält, wird dieses rezirkuliert und erneut der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Im Rezirkulationspfad 13 ist hierzu ein Gebläse 15 angeordnet. Vor dem Eintritt des rezirkulierten Anodengases in die Brennstoffzelle 2 wird dem rezirkulierten Anodengas mit Hilfe eines im Anodenpfad 12 angeordneten Dosierventils 8 frischer Wasserstoff beigemischt, der einem Tank 16 entnommen wird. Zur Druckregelung ist zwischen dem Tank 16 und dem Dosierventil 8 ein Druckminderer 17 angeordnet.
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Kathodenseitig wird die der Umgebung entnommene Luft zunächst einem Luftfilter 18 zugeführt und anschließend mit Hilfe eines Verdichters 19 verdichtet. Bei dem in der 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 folgen auf den Verdichter 19 ein Wärmetauscher 20 sowie ein Befeuchter 21, um die Luft vor Eintritt in die Brennstoffzelle 2 zu konditionieren. Die verbrauchte, feuchte Luft verlässt die Brennstoffzelle 2 über einen Abluftpfad 22, der durch den Befeuchter 21 geführt ist, so dass diese zum Befeuchten der Zuluft einsetzbar ist. Ein Teil des anfallenden Produktwassers wird somit eine Nutzung zugeführt. Die bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle 2 ferner entstehende Wärme wird mit Hilfe eines Kühlkreises 23 abgeführt.
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Anodenseitig im rezirkulierten Anodengas vorhandenes Wasser wird mit Hilfe eines Wasserabscheiders 9 abgeschieden und mit Hilfe eines Wasserspeichers 10 gesammelt. Zum Entleeren des Wasserspeichers 10 wird von Zeit zu Zeit ein Drainventil 7 geöffnet. Da im Wege der Diffusion Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite gelangt, ist austrittsseitig ferner ein Purgeventil 6 vorgesehen, über welches verunreinigtes Anodengas abführbar ist. Dieses wird ersetzt durch frisches Anodengas aus dem Tank 16.
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Das Purgeventil 6, das Drainventil 7 sowie das Dosierventil 8 werden jeweils elektromagnetisch betätigt, und zwar mit Hilfe einer Magnetspule 5. Bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 wird zumindest eine Magnetspule 5 der drei Ventile 6, 7, 8 bestromt, so dass die dabei entstehende elektrische Verlustwärme zum Erwärmen und damit zum Auftauen des jeweiligen Ventils 6, 7, 8 genutzt werden kann.
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Wie beispielhaft in der 2 dargestellt, kann die elektrische Verlustwärme der Magnetspule 5 eines Ventils 6, 7, 8 mit Hilfe einer Einhausung 14 gezielt in Richtung eines Ventilsitzes 25 gelenkt werden, um diesen besonders vereisungsgefährdeten Bereich des Ventils 6, 7, 8 aufzutauen. Der Ventilsitz 25 ist einschließlich der notwendigen Zu- und Ableitungen des Ventils 6, 7, 8 vorliegend im Bereich einer Ventilaufnahme 24 angeordnet, so dass die zu-und Ableitungen (nicht dargestellt) über die elektrische Verlustwärme der Magnetspule 5 ebenfalls eisfrei gehalten bzw. aufgetaut werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015225653 A1 [0005]
