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TECHNISCHES GEBIET UND STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasserstoff- oder Brennstoffzelle, mit der aus Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Energie erzeugt werden kann. Bei einer Brennstoffzelle „mit Protonenaustauschermembran“ ist eine Membran von zwei Elektroden umgeben und umfasst vorzugsweise einen Elektrolyten und einen Katalysator. Wasserstoff (H2) wird einer der zwei Elektroden zugeführt, die Anode bildet. Es zerfällt in zwei Wasserstoffprotonen H+ und zwei Elektronen e-. Die zwei H+-Protonen wandern durch die Membran auf die andere Seite, bilden die Kathode und treffen dort auf Sauerstoff O2. Der Sauerstoff wird vorzugsweise in Form von Luft zugeführt, aber auch jedes andere Fluid, das Sauerstoff enthält, könnte verwendet werden. Die Elektronen gelangen über einen Kreislauf zu der Kathode, wodurch die entsprechende elektrische Energie gewonnen werden kann. Auf der Kathodenseite ermöglichen diese Elektronen eine Reduktion von Sauerstoff O2 zu zwei Sauerstoffionen O2-: O2 + 4 e- -> 2 O2-. Wasser wird durch die Verbindung dieser zwei Sauerstoffionen mit den zwei Wasserstoffprotonen gebildet. Im Betrieb umfassen die aus der Kathodenseite austretenden Produkte überwiegend Wasser und einen Rest an unverbrauchtem Sauerstoff.
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Beim Ausschalten der Brennstoffzelle wird die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff unterbrochen. Vorteilhafterweise ist die Brennstoffzelle in Bezug auf den Fluidaustausch von ihrer Umgebung isoliert. Aufgrund der Eigenschaften der Membran wandert der Wasserstoff innerhalb der Zelle weiter von der Anode zu der Kathode.
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Dieser Vorgang endet in dem Moment, in dem sich der Wasserstoffpartialdruck auf beiden Seiten der Membran in Gleichgewicht ist. Daher ist beim Starten der Zelle eine hohe Wasserstoffkonzentration an der Kathode vorhanden. Diese hohe Konzentration an Wasserstoff ist potenziell gefährlich, wenn sie z. B. in einer Abgasanlage eines Autos austritt.
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Dann muss sichergestellt werden, dass die Konzentration an Wasserstoff, der aus der Kathode der Brennstoffzelle austritt, unter einem Schwellenwert bleibt.
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Dies ist typischerweise der Schwellenwert, unterhalb dessen keine Explosionsgefahr besteht.
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DARLEGUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelle bereitzustellen, umfassend:
- - eine programmierbare Steuerung,
- - eine Kathode mit einer Fluideinlassleitung, einer Fluidauslassleitung und einer Bypassleitung zwischen der Einlassleitung und der Auslassleitung,
- - die Bypassleitung, umfassend ein erstes Ventil, das von der Steuerung gesteuert werden kann,
- - wobei die Steuerung programmiert ist, um ein Spülverfahren der Kathode zu implementieren, das Verfahren umfassend:
- - einen ersten Schritt, bei dem das erste Ventil geöffnet wird,
- - einen zweiten Schritt, der auf den ersten Schritt folgt, bei dem das erste Ventil geschlossen wird.
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Die Brennstoffzelle kann ferner eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, einzeln betrachtet oder in jeder technisch möglichen Kombination:
- - die Auslassleitung umfasst ein zweites Ventil, das von der Steuerung gesteuert werden kann, wobei die Bypassleitung eine Fluidverbindung zwischen Folgendem herstellt
- - einem Teil der Eingangsleitung und
- - einem Teil der Auslassleitung, der sich stromabwärts von dem zweiten Ventil befindet;
- - wobei das zweite Ventil während eines ersten Teilschritts des ersten Schritts geschlossen wird;
- - das zweite Ventil während des zweiten Schritts geöffnet wird;
- - der erste Schritt einen zweiten Spülteilschritt zwischen dem ersten Teilschritt und dem zweiten Schritt umfasst, wobei das erste Ventil und das zweite Ventil während des zweiten Spülteilschritts geöffnet sind;
- - die Steuerung das erste Ventil und das zweite Ventil steuert, damit zwischen dem Ende des ersten Teilschritts und dem Beginn des zweiten Schritts:
- - ein erster Fluiddurchfluss, der in der Bypassleitung fließt, allmählich abnimmt und/oder
- - ein zweiter Fluiddurchfluss, der durch die Kathode fließt, allmählich ansteigt;
- - die Steuerung eine Wasserstoffkonzentration in der Auslassleitung misst und die gemessene Konzentration mit einem Schwellenwert vergleicht, und - die Steuerung programmiert ist, um den zweiten Schritt einzuleiten, wenn die gemessene Wasserstoffkonzentration unter dem Schwellenwert ist;
- - die Bypassleitung eine kalibrierte Entlüftung zwischen der Einlassleitung und dem ersten Ventil umfasst;
- - die Brennstoffzelle eine Anode umfasst und die Steuerung programmiert ist, um nach einem Ende des Spülverfahrens der Kathoden Wasserstoff auf der Seite der Anode zirkulieren zu lassen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Spülverfahren der Kathode einer Brennstoffzelle mit den oben genannten Merkmalen, umfassend die folgenden Schritte:
- - in einem ersten Schritt das Öffnen des ersten Ventils;
- - in einem zweiten Vorgang das Einschalten eines Kompressors, um ein Fluid in den Einlassbypassleitung zu leiten.
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Das Verfahren kann ferner eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen, einzeln betrachtet oder in jeder technisch möglichen Kombination:
- - das Spülverfahren umfasst einen Vorgang eines Schließens des zweiten Ventils vor dem Einschalten des Kompressors;
- - das Spülverfahren umfasst einen 3. Vorgang des Öffnens des zweiten Ventils, wobei dieses Öffnen vorzugsweise schrittweise erfolgt;
- - das Spülverfahren umfasst einen 4. Vorgang des Schließens des ersten Ventils, wobei dieses Schließen vorzugsweise schrittweise erfolgt;
- - das Spülverfahren umfasst in einem 5. Schritt eine Zirkulation des Wasserstoffs durch die Anode der Brennstoffzelle.
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Gemäß einem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Computerprogramm, umfassend Anweisungen, die Brennstoffzelle, die obigen Merkmale aufweist, dazu veranlassen, die Schritte des Verfahrens mit den obigen Merkmalen auszuführen.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung ist basierend auf der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen besser zu verstehen, auf denen:
- 1 eine Brennstoffzelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt.
- 2 eine Brennstoffzelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt.
- 3 eine Brennstoffzelle gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt.
- 4 einen Durchfluss zeigt, der aus der Auslassleitung in den Mischer eintritt.
- 5 einen Durchfluss durch die Bypassleitung zeigt.
- 6 einen Durchfluss durch die Kathode der Brennstoffzelle zeigt.
- 7 einen Wasserstofffluss durch die Kathode der Brennstoffzelle zeigt.
- 8 eine Zusammensetzung des Fluids zeigt, das aus dem Mischerauslass austritt.
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AUSFÜHRLICHE DARLEGUNG BESONDERER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt eine Brennstoffzelle (10), umfassend eine programmierbare Steuerung (selbst nicht dargestellt). Die Brennstoffzelle umfasst eine Seite, die Kathode (20) bildet, und eine Seite, die Anode (30) bildet.
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Die Seite, die Kathode bildet, umfasst einen Fluideinlassbypassleitung (40) und einen Fluidauslassbypassleitung (50). Die Seite, die Anode bildet, umfasst eine Wasserstoffeinlassleitung (130) und eine Wasserstoffauslassleitung (140). Die Wasserstoffauslassleitung (140) trifft in einem Mischer (150), umfassend einen Auslass (160), auf die Fluidauslassleitung (50).
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Eine Bypassleitung (60) befindet sich zwischen der Einlassleitung (40) und Auslassleitung (50) von Fluid.
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Diese Bypassleitung umfasst ein erstes Ventil (70). Die Bypassleitung kann auch eine kalibrierte Entlüftung (110) zwischen der Fluideinlassleitung (40) und dem ersten Ventil (70) umfassen.
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Die kalibrierte Entlüftung (110) ist z. B. vorgesehen, um bei einem Überdruck in der Bypassleitung (60) das Fluid nach außen abzugeben.
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Die Brennstoffzelle kann auch einen Luftbefeuchter (170) und einen Kompressor (120) von Fluid umfassen. Der Luftbefeuchter ermöglicht einen Feuchtigkeitsaustausch zwischen der Fluideinlassleitung und der Fluidauslassleitung.
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Der Kompressor ermöglicht es, dass ein Fluid auf effiziente Weise in den Einlassbypassleitung (40) gelangt. Dadurch wird das Fluid unter Druck gesetzt und/oder ein Durchfluss des Fluids (Masse des Fluids pro Zeiteinheit, M/T) gesteuert.
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Vorzugsweise umfasst das Fluid Luft.
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Die Brennstoffzelle umfasst ein zweites Ventil (80), das sich in der Fluidauslassleitung (50) befindet. In diesem Fall kann ein Teil der Auslassleitung, der sich stromaufwärts (90) von dem zweiten Ventil befindet, von einem Teil der Auslassleitung unterschieden werden, der sich stromabwärts (100) von dem zweiten Ventil befindet. Der stromaufwärtige Teil (90) befindet sich zwischen der Kathode (20) und dem zweiten Ventil (80), der stromabwärtige Teil (100) befindet sich zwischen dem zweiten Ventil (80) und dem Mischer (150).
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Die programmierbare Steuerung ist geeignet und programmiert, um den Betrieb der Brennstoffzelle zu steuern. Somit steuert die Steuerung mindestens das erste Ventil (70), das offen oder geschlossen sein kann oder sich in einem Zustand zwischen „offen“ und „geschlossen“ befindet. Die Steuerung steuert auch das zweite Ventil zwischen einem „offenen“, „geschlossenen“ und „mittleren“ Zustand.
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Unter „offen“ ist ein Zustand zu verstehen, in dem das Ventil vollständig geöffnet ist. Unter „geschlossen“ ist ein Schließen des Ventils zu verstehen, sodass kein Fluid mehr durchgelassen wird. In einem „mittleren“ Zustand kann das Fluid noch immer durch das Ventil fließen, aber das Ventil setzt dem Fluid einen Widerstand entgegen. So setzt das Ventil in dem „mittleren“ m Zustand“ dem Fluid einen größeren Widerstand entgegen als in dem „offenen“ Zustand.
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Im Betrieb liefert die Brennstoffzelle Elektrizität, die aus der Reaktion des Fluids an der Kathode (20) mit dem an der Anode (30) ankommenden Wasserstoff stammt.
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Im Betrieb ist das erste Ventil (70) geschlossen. Die Fluid tritt durch die Einlassleitung (40) in die Kathode (20) der Zelle ein. Vorteilhafterweise lässt der Kompressor (120) das Fluid mit einem kontrollierten Durchfluss (Masse pro Zeiteinheit) eintreten. Gleichzeitig tritt Wasserstoff auf der Seite der Anode der Zelle (10) durch den Wasserstoffeinlassbypassleitung (130) ein. Durch die Membran (210) hindurch reagiert der Wasserstoff auf der Anodenseite (30) mit Sauerstoff aus dem Fluid, der auf der Seite der Kathode (20) ankommt. Ein Rest Wasserstoff, der während der Reaktion mit dem Sauerstoff des Fluids nicht verbraucht wurde, tritt aus der Anode aus und tritt in die Wasserstoffauslassleitung (140) ein. Dieser Wasserstoffrest wird dann zu dem Mischer (150) geleitet.
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Auf der Seite der Kathode (20) tritt ein Rest der Fluid aus, der mit Wasserdampf vermischt ist. Dieses Gemisch tritt in die Fluidauslassleitung (50) ein und wird in den Mischer (150) geleitet. Der Mischer mischt die Fluide, die durch die Fluidauslassleitung (50) und die Wasserstoffauslassleitung (140) ankommen, und das Gemisch tritt durch den Auslass (160) aus.
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Wenn ein Luftbefeuchter (170) vorhanden ist, entzieht dieser einen Teil des Wasserdampfs aus dem Fluid in der Fluidauslassleitung (50) und überträgt ihn auf das Fluid in der Fluideinlassleitung (40), wo das entzogene Wasser mit dem Fluid gemischt wird, das zu der Kathode der Brennstoffzelle strömt.
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In einem Abschaltzustand der Brennstoffzelle werden die Fluidzirkulation durch die Fluideinlassleitung und die Wasserstoffzirkulation durch die Wasserstoffeinlassleitung gestoppt. Die Wasserstoffeinlassleitung (130) und die Wasserstoffauslassleitung (140) können geschlossen werden. Wenn das zweite Ventil (80) vorhanden ist, kann dieses geschlossen werden.
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Während dieses Abschaltzustands passiert der auf der Seite der Anode verbliebene Wasserstoff die Membran (210) und sammelt sich auf der Kathodenseite der Zelle.
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Beim Einschalten der Brennstoffzelle aus dem Abschaltzustand und ohne vorheriges Spülverfahren drückt das durch die Einlassleitung (40) einströmende Fluid den auf der Seite der Kathode angesammelten Wasserstoff in die Fluidauslassleitung (50). Dieser Wasserstoff tritt dann durch den Mischerauslass (160) aus. Mit anderen Worten, eine hohe Konzentration von Wasserstoff tritt aus dem Auslass des Mischers (160) aus. Hierbei handelt es sich um einen potenziell gefährlichen Effekt, der zu vermeiden ist. In einer Automobilanwendung ist der Ausgang des Mischers beispielsweise mit einem Auspuff verbunden, der zu der Außenseite des Autos mündet. In diesem Fall kann der Wasserstoff in der direkten Umgebung des Autos eine Gefahr darstellen, z. B. durch eine Verbrennung oder eine Explosion.
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Das Spülverfahren der Kathode der Brennstoffzelle gewährleistet, dass die Wasserstoffkonzentration an dem Mischerauslass (160) unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts bleibt. Die Steuerung der Brennstoffzelle ist programmiert, um dieses Spülverfahren zu implementieren.
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Das Spülverfahren wird ausgehend von der abgeschalteten Brennstoffzelle implementiert. Das Verfahren geht dem Betriebszustand der Brennstoffzelle voraus. Vorzugsweise ist das Spülverfahren implementiert, bevor Wasserstoff auf der Seite der Anode zirkuliert.
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In einem ersten Schritt dieses Spülverfahrens befindet sich das erste Ventil (70) in dem Zustand „offen“.
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Ein Teil des durch die Einlassleitung (40) geleiteten Fluids zirkuliert somit, ohne die Kathode zu passieren, durch die Bypassleitung zu der Auslassleitung (50).
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Ein weiterer Teil des durch die Einlassleitung (40) geleiteten Fluids fließt durch die Kathode und dann in die Auslassleitung (50).
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Während dieses ersten Schritts wird der angesammelte Wasserstoff, der von der Kathode (20) in die Auslassleitung (50) eintritt, durch das durch die Bypassleitung fließende Fluid verdünnt. Mit anderen Worten, die Wasserstoffkonzentration in dem stromabwärtigen Teil (100) wird aufgrund einer Vermischung mit dem aus der Bypassleitung (60) ankommenden Fluid reduziert. Daraus resultiert eine stark reduzierte Wasserstoffkonzentration, die keine Gefahr mehr darstellt.
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Vorzugsweise schaltet die Steuerung den Kompressor (120) während des ersten Schritts ein. Das Gemisch zwischen dem Fluid, das durch die Bypassleitung fließt, und dem Wasserstoff, der aus der Kathode kommt, ist dann noch effektiver.
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Nach dem ersten Schritt implementiert die Steuerung einen zweiten Schritt, bei dem das erste Ventil (70) geschlossen wird. Vorzugsweise wird der zweite Schritt von der Steuerung eingeleitet, wenn nach der durchgeführten Kathodenspülung die Wasserstoffkonzentration in der Auslassleitung unter einen Schwellenwert gefallen ist. Die Steuerung kann ferner eine Wasserstoffkonzentration in der Auslassleitung messen und diese mit einem Schwellenwert vergleichen. Die Steuerung leitet den zweiten Schritt ein, wenn die Wasserstoffkonzentration unter den Schwellenwert gefallen ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Fluidauslassleitung (50) ein zweites Ventil (80).
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Die Bypassleitung (60) ist zwischen der Fluideinlassleitung (40) und dem Teil der Fluidauslassleitung (50) bereitgestellt, der sich stromaufwärts (90) von dem zweiten Ventil (80) befindet. Diese Ausführungsform ist in 1 veranschaulicht. In diesem Fall ist das zweite Ventil (80) während des ersten Schritts, aber auch während des zweiten Schritts geöffnet.
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Alternativ ist, wie in 2 dargestellt, die Bypassleitung (60) zwischen der Fluideinlassleitung (40) und dem Teil der Auslassleitung bereitgestellt, der sich stromabwärts (90) von dem zweiten Ventil und stromaufwärts von dem Mischer (150) befindet.
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3 zeigt die gleiche Konfiguration wie in 2, jedoch mit einem anders positionierten Luftbefeuchter (170). Somit kann der Luftbefeuchter so platziert sein, dass er einen Feuchtigkeitstransport von einem Teil der Auslassleitung, der sich vor dem zweiten Ventil befindet, zu einem Teil der Einlassleitung (40), der sich vor der Bypassleitung befindet, ermöglicht.
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In der Ausführungsform gemäß 2 oder 3 wird das zweite Ventil (80) vorzugsweise während eines ersten Teilschritts (180) des ersten Schritts geschlossen. Das Schließen des zweiten Ventils während des ersten Teilschritts ermöglicht es, einen stabilen Fluidstrom herzustellen, der durch die Einlassleitung (40), die Bypassleitung (60) und den stromabwärtigen Teil der Auslassleitung verläuft. Da das zweite Ventil geschlossen ist, wird der auf der Kathodenseite angesammelte Wasserstoff während des ersten Teilschritts nicht in die Auslassleitung (50) gedrückt.
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Im Anschluss an die Herstellung des stabilen Fluidstroms während des ersten Teilschritts (180) kann die Steuerung einen zweiten Teilschritt (200) eines Spülens vor dem zweiten Schritt (190) implementieren. Während des zweiten Spülteilschritts (200) werden das erste Ventil (70) und das zweite Ventil (80) geöffnet. Ein erster Teil des durch die Einlassleitung eintretenden Fluids wird durch die Bypassleitung geleitet. Ein zweiter Teil des Fluids, das durch die Einlassleitung eintritt, fließt durch die Kathode. Dieser zweite Teil des Fluids drückt den Wasserstoff, der sich in der Kathode angesammelt hat, in Richtung der Auslassleitung (50). In der Auslassleitung vermischt sich der Wasserstoff mit dem ersten Teil des Fluids, das durch die Bypassleitung geleitet wurde. Dadurch wird die Konzentration von Wasserstoff verringert. Aus dem Mischerauslass tritt somit eine stark reduzierte Wasserstoffkonzentration aus.
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Das Ausführungsbeispiel in 2 ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine präzise Steuerung der zwei Ströme, wovon einer durch die Bypassleitung und der andere durch die Kathode der Brennstoffzelle fließt. Diese präzise Steuerung ermöglicht eine zuverlässige Steuerung der Wasserstoffkonzentration in dem stromabwärtigen Teil (100) der Auslassleitung und in dem Mischerauslass (160).
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Somit kann die Steuerung im Anschluss an den ersten Teilschritt (180) und bis zum Beginn des zweiten Schritts (190) das erste und das zweite Ventil steuern, sodass ein erster Fluidstrom durch die Bypassleitung (60) allmählich abnimmt und/oder ein zweiter Fluidstrom durch die Kathode (20) allmählich zunimmt. Beispielsweise kann die Steuerung zuerst das zweite Ventil allmählich öffnen und dann das erste Ventil allmählich schließen. Die Steuerung kann auch gleichzeitig das zweite Ventil allmählich öffnen und das erste Ventil schließen. Das erste Ventil und/oder das zweite Ventil sind in der Lage, mindestens einen „mittleren“ Zustand zwischen dem „offenen“ und dem „geschlossenen“ Zustand einzunehmen.
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Vorzugsweise wird während des zweiten Schritts (190) das zweite Ventil geöffnet und das erste Ventil geschlossen. Das Fluid tritt durch die Einlassleitung (40) ein, passiert die Kathode und tritt durch die Auslassleitung (50) und den Mischerauslass (160) aus.
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Im Anschluss an den zweiten Schritt (190) kann die Brennstoffzelle in einen betriebsbereiten Zustand versetzt werden, um Strom zu erzeugen. Mit anderen Worten, nach dem Spülverfahren lässt die Steuerung Wasserstoff zu der Anode der Brennstoffzelle zirkulieren, um mit der Stromerzeugung zu beginnen.
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Im Folgenden ist ein Spülverfahren und die Inbetriebnahme der Brennstoffzelle gemäß den Ausführungsbeispielen in 1 bis 3 genauer beschrieben.
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4, 5, 6, 7 und 8 zeigen einen Massendurchsatz (M) pro Zeiteinheit (T) abhängig von der verstrichenen Zeit (t). Diese Figuren zeigen das Spülverfahren, das von der Brennstoffzelle gemäß 2 oder 3 implementiert wird. Das durch den Einlassbypassleitung (40) eintretende Fluid ist vorzugsweise Luft, es kann aber auch ein anderes sauerstoffhaltiges Fluid sein. Um dieses Fluid von Wasserstoff zu unterscheiden, wird Bezug auf Luft genommen.
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4 zeigt einen Durchfluss, der von der Auslassleitung (50) in den Mischer (150) eintritt. Es handelt sich um Luft oder ein Gemisch aus Luft und Wasserstoff.
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5 zeigt einen Durchfluss von Luft durch die Bypassleitung (60).
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6 zeigt einen Durchfluss durch die Kathode der Brennstoffzelle. Es handelt sich um einen Durchfluss desselben Fluids, das durch die Einlassleitung (40) eintritt. Es handelt sich also vorzugsweise um einen Durchfluss von Luft.
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7 zeigt einen Wasserstofffluss durch die Kathode der Brennstoffzelle. Dabei handelt es sich um den Wasserstoff, der sich während des Abschaltens der Brennstoffzelle angesammelt hat.
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8 zeigt eine Zusammensetzung des Fluids, das durch den Mischerauslass (160) austritt.
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Die Kurve 1 stellt einen Durchfluss in der Auslassleitung (50) an dem Eingang des Mischers (150) dar.
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Kurve 2 stellt den Durchfluss eines Fluidgemischs dar, das durch die Kathode der Brennstoffzelle fließt. Dabei handelt es sich um ein Gemisch aus dem während der Abschaltung angesammelten Wasserstoff und dem Fluid, das in die Kathode (20) der Brennstoffzelle eintritt.
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Die Kurve 3 stellt einen Durchfluss von angesammeltem Wasserstoff dar, der aus der Kathode der Brennstoffzelle austritt.
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Folglich entspricht die Differenz zwischen Kurve 1 und Kurve 2 der Durchflussmenge, die durch die Bypassleitung fließt. Die Differenz zwischen Kurve 2 und Kurve 3 entspricht dem Durchfluss des Fluids, das durch die Fluideinlassleitung (40) eintritt, aber nicht durch die Bypassleitung fließt.
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Das Spülverfahren des Ausführungsbeispiels in 1 beginnt zum Zeitpunkt t0. Zu diesem Zeitpunkt t0 ist die Brennstoffzelle abgeschaltet. Auf der Seite der Kathode befindet sich angesammelter Wasserstoff. Während der Abschaltzeit ist Wasserstoff durch die Membran (210) gedrungen und hat sich auf der Seite der Kathode angesammelt. Die Wasserstoffeinlassleitung (130) und die Wasserstoffauslassleitung (140) können geschlossen sein.
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In einem ersten Vorgang wird das erste Ventil (70) geöffnet. Anschließend wird in einem zweiten Vorgang ein Kompressor (120) eingeschaltet, der ein Fluid, vorzugsweise Luft, durch die Einlassleitung (40) eintreten lässt.
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Die durch die Einlassleitung eintretende Luft wird durch die Bypassleitung oder durch die Kathode der Brennstoffzelle geleitet. Die durch die Kathode strömende Luft vermischt sich mit dem auf der Seite der Kathode angesammelten Wasserstoff und drückt den angesammelten Wasserstoff heraus. Anschließend vermischt sie sich auf dem Weg durch die Auslassleitung (50) mit der Luft, die durch den Bypassleitung ankommt. Die Wasserstoffkonzentration ist aufgrund dieser Vermischung stark reduziert. Das in den Mischer (150) eintretende Gemisch besitzt somit eine niedrige Wasserstoffkonzentration, die keine Gefahr darstellt. Nach einer gegebenen Zeit, zum Zeitpunkt t6, wird das erste Ventil (70) geschlossen. Nach t6 fließt der gesamte Luftstrom, der durch die Einlassleitung (40) eintritt, durch die Kathode der Zelle.
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Das zweite Ventil (80) wird ständig offen gehalten.
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Die Steuerung leitet dann Wasserstoff durch die Anode der Brennstoffzelle, um die Brennstoffzelle in Betrieb zu nehmen, um eine Stromerzeugung zu beginnen.
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Im Folgenden ist ein Spülverfahren einer Brennstoffzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 oder 3 beschrieben.
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Das Spülverfahren beginnt zum Zeitpunkt t0, der in 4 bis 8 angegeben ist. Zu diesem Zeitpunkt t0 ist die Brennstoffzelle abgeschaltet. An der Kathode der Zelle befindet sich eine Ansammlung von Wasserstoff. Die Wasserstoffeinlassleitung (130) und die Wasserstoffauslassleitung (140) können geschlossen sein.
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In einem ersten Vorgang wird das erste Ventil (70) geöffnet. Vorzugsweise wurde das zweite Ventil (80) bei der Abschaltung der Brennstoffzelle geschlossen und befindet sich somit in einem „geschlossenen“ Zustand. Vorzugsweise wird der Zustand des zweiten Ventils vor dem ersten Vorgang erfasst und das zweite Ventil wird geschlossen, wenn diese Erfassung zeigt, dass es nicht geschlossen war.
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In einem zweiten Vorgang wird ein Kompressor (120) eingeschaltet, um ein Fluid, vorzugsweise Luft, in die Einlassleitung zu leiten.
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Der erste Vorgang und der zweite Operation erfolgen zwischen den Zeitpunkten t0 und t1. Zum Zeitpunkt t1 ist das erste Ventil (70) somit in dem offenen Zustand. Zwischen t1 und t2 verläuft die gesamte Luft, die durch den Einlassbypassleitung (40) eintritt, durch die Bypassleitung und tritt von der Auslassleitung (50) in den Mischer (150) ein. Dementsprechend zeigen 4 und 5 einen Durchfluss auf demselben Niveau. 8 zeigt, dass dieser Strom keinen Wasserstoff umfasst. Die Zeit zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 entspricht dem ersten Teilschritt (180), in dem das erste Ventil, wie zuvor beschrieben, geöffnet wird.
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In einem dritten Vorgang zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wird das zweite Ventil (80) geöffnet. Vorzugsweise kann das zweite Ventil zwischen t2 und t3 allmählich geöffnet werden. Zu dem Zeitpunkt t3 befindet sich das zweite Ventil in einem offenen Zustand.
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Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 teilt sich der Durchfluss von Luft, der durch die Einlassleitung (40) eintritt, zwischen dem Bypassleitung und der Kathode auf. 5 und 6 zeigen somit einen verringerten Durchfluss durch die Bypassleitung und einen erhöhten Durchfluss durch die Kathode. Der Durchfluss von Luft, der durch die Kathode fließt, vermischt sich innerhalb der Kathode mit dem angesammelten Wasserstoff und drückt den Wasserstoff heraus. 7 zeigt somit einen Wasserstoffdurchfluss.
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Der Durchfluss, der von der Auslassleitung in den Mischer eintritt, besteht somit aus einem Luft-Wasserstoff-Gemisch von der Kathode der Brennstoffzelle (Flächen B und C in 8) und Luft, die durch die Bypassleitung fließt (Fläche A in 8). Die Wasserstoffkonzentration in diesem Gemisch ist reduziert und unter einem Schwellenwert, der an dem Ausgang des Mischers keine Gefahr darstellt.
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Zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 erschöpft sich der in der Kathode angesammelte Wasserstoff. Das Volumen des angesammelten Wasserstoffs wurde sukzessive verdünnt und durch den Mischerauslass abgelassen. Infolgedessen nimmt die Wasserstoffkonzentration in dem in den Mischer eintretenden Durchfluss zwischen den Zeitpunkten t4 und t5 ab, wie es die Fläche C in 8 zeigt. Zum Zeitpunkt t5 ist die Wasserstoffkonzentration in dem Durchfluss, der in den Mischer eintritt, nahe Null.
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Die Zeit zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 entspricht dem Teilschritt des Spülens (200), wie er zuvor beschrieben ist.
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Vorteilhafterweise misst die Steuerung die Wasserstoffkonzentration in der Auslassleitung, die in den Mischer eintritt, und vergleicht die gemessene Konzentration mit einem Schwellenwert. Der Zeitpunkt t5 entspricht in diesem Fall dem Zeitpunkt, an dem die Wasserstoffkonzentration in der Auslassleitung unter den genannten Schwellenwert gefallen ist.
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Die Steuerung leitet zum Zeitpunkt t5, wenn die Wasserstoffkonzentration unter den genannten Schwellenwert gefallen ist, einen vierten Vorgang ein. Bei diesem vierten Vorgang wird das erste Ventil (70) geschlossen. Zum Zeitpunkt t6 befindet sich das erste Ventil somit in einem geschlossenen Zustand. Vorteilhafterweise kann das erste Ventil zwischen t5 und t6 allmählich geschlossen werden. Ab dem Zeitpunkt t6 fließt der gesamte in die Einlassleitung eintretende Durchfluss durch die Kathode der Brennstoffzelle. Wie es in 5 veranschaulicht ist, fließt nach dem Zeitpunkt t6 kein Durchfluss mehr durch die Bypassleitung. Infolgedessen enthält, wie es in 7 und 8 (Fläche B) veranschaulicht ist, der Durchfluss, der in den Mischer eintritt und aus dem Mischerauslass austritt, keinen angesammelten Wasserstoff mehr.
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Die Dauer nach dem Zeitpunkt t6 entspricht dem zweiten Schritt (190), wie zuvor beschrieben ist.
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In einem fünften Schritt, am Ende des zweiten Schritts, lässt die Steuerung Wasserstoff durch die Anode der Brennstoffzelle zirkulieren, um eine Stromerzeugung zu beginnen.
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Der Spülverfahren wird von einer Steuerung ausgeführt, die geeignet und programmiert ist, um die Brennstoffzelle zu steuern. Das Computerprogramm, das von der Steuerung ausgeführt werden kann, enthält somit Anweisungen, die Brennstoffzelle dazu veranlassen, die oben beschriebenen Schritte auszuführen. Das Programm kann auf einem computerlesbaren Medium gespeichert sein.
