WO2008061633A1 - Ein über die magnetspule beheitztes magnetventil für ein gassystem sowie verfahren zum betrieb des gassystems - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellenstapel für den mobilen Einsatz, also insbesondere als Energiequelle für den Antrieb von Fahrzeugen, müssen bei jeglichen Betriebs- bzw. Umweltbedingungen startbereit sein. Um dies zu gewährleisten ist es üblich, dass vor dem Start eines Brennstoffzellenstapels die Energie für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs durch einen Akkumulator bereitgestellt und zugleich der Brennstoffzellenstapel auf Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Mit diesem Vorgehen scheint sichergestellt, dass der Brennstoffzellenstapel auch bei ungünstigen Klima- oder Witterungsbedingungen einsetzbar ist. Als Alternative wird hierzu ein Gassystem (3) für einen Brennstoffzellenstapel (2) vorgeschlagen, einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich umfasst, mit mindestens einer Ventilvorrichtung (8, 9), wobei die Ventilvorrichtung (8, 9) für ein Ablassen der Anodengase oder von Flüssigkeit ausgebildet ist und wobei die Ventilvorrichtung (8, 9) eine Magnetspule zur elektromagnetischen Betätigung umfasst, und mit einer Steuerungsvorrichtung (11), die ausgebildet ist, um zum Schalten der Ventilvorrichtung (8, 9) einen Schaltstrom auf die Magnetspule zu geben, wobei die Steuerungsseinrichtung (11) ausgebildet ist, um einen die Ventilvorrichtung (8, 9) nichtschaltenden Heizstrom auf die Magnet spule zu geben.
Description
EIN ÜBER DIE MAGNETSPULE BEHEITZTES MAGNETVENTIL FÜR EIN GASSYSTEM SOWIE VERFAHREN ZUM BETRIEB DES GAS SYSTEMS
Die Erfindung betrifft ein Gassystem für einen
Brennstoffzellenstapel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.
Brennstoffzellenstapel für den mobilen Einsatz, also insbesondere als Energiequelle für den Antrieb von Fahrzeugen, müssen bei jeglichen Betriebs- bzw. Umweltbedingungen startbereit sein. Um dies zu gewährleisten ist es üblich, dass vor dem Start eines
Brennstoffzellenstapels die Energie für den Fahrbetrieb des Fahrzeugs durch einen Akkumulator bereitgestellt und zugleich der Brennstoffzellenstapel auf Betriebstemperatur aufgeheizt wird. Mit diesem Vorgehen scheint sichergestellt, dass der Brennstoffzellenstapel auch bei ungünstigen Klima- oder Witterungsbedingungen einsetzbar ist.
Aus anderen technischen Gebieten sind Ventile bekannt, die für den Betrieb bei niedrigen Temperaturen spezifisch angepasst sind.
So beschreibt die Druckschrift GB 726400 eine VentilVorrichtung für den Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen, wobei die Ventilvorrichtung eine
zusätzliche Heizvorrichtung in Form von stromdurchflossenen Heizspulen aufweist.
Die Druckschrift DE 19721549A1 offenbart einen elektromagnetisch betätigten Ventilaktuator, der zur Schaltung einer Flüssigkeit, insbesondere Bremsflüssigkeit ausgebildet ist. Gemäß dieser Druckschrift ist vorgesehen, dass der Ventilaktuator eine Stromspule aufweist, welche die im Aktuatorgehäuse befindliche Flüssigkeit aufheizt und zudem zur Auslösung der eigentlichen Bewegung des Ventilaktuators verwendet wird.
Die Druckschrift US 4,306,704 betrifft eine selbstheizende Ventilvorrichtung, welche mindestens zwei Spulen aufweist, die ausgebildet sind, um über Widerstandsheizung die Spulen auf eine Temperatur zu heizen, die deutlich höher als die Umgebungstemperatur ist. Insbesondere wird die in der Druckschrift offenbarte VentilVorrichtung bei Flugzeugen eingesetzt .
Die Druckschrift US 6,712,088B2 offenbart eine Ventilvorrichtung in sogenannter Pilot-Bauweise mit GegenflussVerhinderung. Das Anwendungsgebiet bei dieser Ventilvorrichtung liegt darin, zum Beispiel bei Wasserstoffversorgungen sicherzustellen, dass auch bei einer starken Expansion des Wasserstoffes durch die Ventilvorrichtung die dadurch begründete Abkühlung der Ventilvorrichtung nicht zu einem Einfrieren der VentilVorrichtung führt. Hierzu wird die Magnetspule der Ventilvorrichtung mit einer Bestromung beaufschlagt, um diese und das umliegende Umfeld, insbesondere das zugeschaltete Hilfsventil zu erwärmen.
Als nächstkommender Stand der Technik wird von einem Gassystem für einen BrennstoffZellenstapel ausgegangen, wie es mittlerweile üblicherweise eingesetzt wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, die Betriebsbereitschaft eines BrennstoffZellenstapels auch bei ungünstigen Klima- oder Witterungsbedingungen sicherzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gassystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zum Betrieb des Gassystems mit den Merkmalen des Anspruchs 19. Vorteilhafte und/oder bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Unteransprüche, die nachfolgende Beschreibung und/oder die beigefügten Figuren gegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Gassystem für einen Brennstoffzellenstapel vorgeschlagen, wobei der Brennstoffzellenstapel einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich umfasst . Der Brennstoffzellenstapel weist insbesondere eine Vielzahl, zum Beispiel mehr als 150 Einzelbrennstoffzellen auf, die jeweils einen Anodenraum und einen Kathodenraum haben, die durch eine Membran getrennt sind. In diesen Brennstoffzellen wird ein elektrochemischer Vorgang katalytisch umgesetzt, wobei Brennstoff, meist Wasserstoff, mit einem Oxidanten, meist Umgebungsluft , miteinander reagieren, um elektrische Energie zu erzeugen. Die Membran ist vorzugsweise als PEM (Protonenaustauschmembran) ausgebildet und/oder der Brennstoffzellenstapel ist reformatorfrei realisiert.
Das Gassystem ist zur Zu- und/oder Abführung der Arbeitsgase, also insbesondere des Brenngases und des Oxidanten, für den Brennstoffzellenstapel ausgebildet. Das Gassystem umfasst
mindestens eine VentilVorrichtung, wobei die Ventilvorrichtung für ein Ablassen und/oder Zuführen von Gasen, insbesondere von Anodengasen und/oder Brenngasen z.B. aus dem Anodenbereich, insbesondere als Purgeventil, oder von Flüssigkeit, vorzugsweise Kondensflüssigkeit , aus dem Anodenoder Kathodenbereich, insbesondere als Drainventil, ausgebildet und/oder angeordnet ist bzw. sind.
Das Ablassen der Anodengase wird vorzugsweise während eines sogenannten Purges, eines meist stoßweisen Ausblasens der Anodengase aus dem Anodenbereich, genutzt. Dieser Vorgang dient zur Reinigung der Anodengase in dem Anodenbereich. Das Ablassen von Flüssigkeit, insbesondere von Kondensflüssigkeit kann z.B. notwendig werden, wenn durch die katalytische Reaktion in dem Anoden- oder Kathodenbereich Wasser gebildet wurde oder bei An- beziehungsweise Abschaltvorgängen kondensiert ist.
Vorzugsweise sind Ventilvorrichtungen für das Zuführen des Brenngases, für das Ablassen der Anodengase und zusätzlich für das Ablassen von Flüssigkeit in dem Gassystem vorgesehen.
Zur elektromagnetischen Betätigung der Ventilvorrichtung umfasst diese eine Magnetspule, die in bekannter Weise angeordnet ist, um die Ventilvorrichtung zu öffnen, zu schließen und/oder umzuschalten. Je nach Ausführungsart der Ventilvorrichtung befindet sich die Ventilvorrichtung bei stromloser Magnetspule z.B. im geöffneten oder geschlossenen Zustand.
Zur Ansteuerung der VentilVorrichtung ist eine Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist, um einen Schaltstrom auf die Magnetspule zu geben, der zu einem Öffnen bzw. Schließen der Ventilvorrichtung führt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist, um ergänzend oder alternativ zu dem Schaltstrom einen die Ventilvorrichtung nicht-schaltenden Heizstrom auf die Magnetspule zu geben, wobei durch den Heizstrom die Magnetspule aufgewärmt wird und/oder Bestandteile der Ventilvorrichtung berührungslos, insbesondere induktiv aufgeheizt werden.
Die Magnetspule ist vorzugsweise ausgebildet und/oder angeordnet, dass bei einer insbesondere konstanten Bestromung die Wärmeentwicklung der Magnetspule zur Erwärmung der VentilVorrichtung und/oder des Umfelds der Ventilvorrichtung führt .
Bei dem Betrieb von Brennstoffzellenstapeln hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass z.B. trotz der üblichen Aufwärmphase, welche bei dem Start des Brennstoffzellenstapels durch den Akkumulator gegeben ist, ein zusätzlicher Betriebssicherheitsgewinn zu erreichen ist, indem bestimmte VentilVorrichtungen in dem Gassystem selektiv geheizt werden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es vorteilhaft, dass keine zusätzlichen Bauteile zur Heizung der Ventilvorrichtung und deren Umgebung notwendig sind, sondern dass die Heizung der Ventilvorrichtung durch die bereits vorhandene (n) Magnetspule (n) durchführbar ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerungsvorrichtung so ausgebildet, dass der Heizstrom alternativ zu dem Schaltström aus der Magnetspule gegeben wird. Dabei ist der Heizstrom jedoch so reduziert und/oder getaktet, dass durch die Bestromung der Magnetspule eine Erwärmung ermöglicht wird, ohne dass die Magnetspule der VentilVorrichtung anzieht und die VentilVorrichtung schaltet.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass der Heizzustand nicht zwingend eine Ventilreaktion erfordert. Auf diese Weise kann auch eine nicht betätigte Ventilvorrichtung zur Erwärmung beziehungsweise Warmhaltung verwendet werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerungsvorrichtung derart ausgebildet, dass der Heizstrom ergänzend zu dem Schaltstrom auf die Magnetspule gegeben wird. Der Heizstrom stellt somit einen Offset-Strom und/oder eine Offset-Spannung zu dem Schaltstrom dar. Bei dieser Ausführungsform ist es möglich auch bei angezogener Ventilvorrichtung die Magnetspule oder andere Bestandteile der Ventilvorrichtung zu heizen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Magnetspule thermisch an die Ventilvorrichtung und/oder das Umfeld der Ventilvorrichtung gekoppelt. Die Kopplung ist insbesondere als eine wärmeleitende Brücke ausgebildet, die zusätzlich zu der Befestigung der Magnetspule vorgesehen ist. Die thermische Kopplung erstreckt sich auf die Ventilvorrichtung, insbesondere auf den Bereich, in dem die zu schaltenden Fluide angeordnet sind.
Bei einer bevorzugten Alternative ist die Steuerungsvorrichtung ausgebildet, um den Heizstrom in Abhängigkeit einer Temperaturmessgröße zu schalten. Die Steuerungsvorrichtung ist somit als Sensorik-Aktorik-System realisiert, wobei die Aktorik die Zuschaltung des Heizstromes betrifft und die Sensorik als Temperaturmesssensor ausgebildet ist. Die Temperaturmessgröße betrifft die Spulentemperatur, die Bauteiltemperatur, also die Temperatur der Ventilvorrichtung, und/oder die Umgebungstemperatur. Durch eine temperaturabhängige Ansteuerung ist sichergestellt, dass ein Heizstrom nur dann aufgewendet wird,
wenn die gemessene Temperatur unter einen kritischen Grenzwert gefallen ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Steuerungsvorrichtung ausgebildet, um den Heizstrom zeitabhängig zu schalten, insbesondere wird bei einem Startvorgang des Brennstoffzellenstapels der Heizstrom eingeschaltet .
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuerungsvorrichtung konzipiert, um den Heizstrom eine voreingestellte oder vorberechnete Zeitdauer zuzuschalten.
Für das Anwendungsbeispiel des Anschaltens des Heizstroms während des Startvorgangs der Brennstoffzelle, wird der Heizstrom für eine bestimmte Startdauer eingeschaltet. Die gewählte Zeitdauer kann beispielsweise aus den gemessenen Temperaturmessgrößen oder anderen Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels ermittelt werden oder von einem Benutzer als Betriebsparameter eingegeben sein.
Prinzipiell ist es möglich, den Heizstrom und/oder den Schaltstrom mit oder ohne einer beliebigen Modulation zuzuschalten. Bevorzugt ist jedoch vorgesehen, den Heizstrom als Gleichspannung oder als getaktete Spannung zuzuschalten. Auf diese Weise sind nur geringfügige Änderungen bei der Ansteuerung der Ventilvorrichtung gegenüber ungeheizten VentilVorrichtungen notwendig. Besonders bevorzugt wird das Zu- beziehungsweise Abschalten des Heizstroms durch eine Änderung der Taktung der getakteten Spannung bei jeweils gleicher Spannung des zugeführten Gesamtstromes erreicht .
Bei einer konstruktiv bevorzugten Ausbildung ist die Ventilvorrichtung zusammen mit der Magnetspule in einem
gemeinsamen Gehäuse als Ventilblock angeordnet. Insbesondere ist das Gehäuse durch Zusatzmaßnahmen gegenüber der Umgebung thermisch isoliert.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Magnetspule derart angeordnet und/oder ausgebildet, ein oder mehrere Bestandteile der VentilVorrichtung induktiv zu heizen.
Somit wird neben oder statt der Möglichkeit, Bestandteile der Ventilvorrichtung über die Wärmeentwicklung durch den Stromfluss in der Magnetspule aufgrund ohmscher Wärme mittels Wärmeleitung oder Wärmestrahlung zu heizen, vorgeschlagen, derartige Bestandteile mittels elektromagnetischer Induktionsströme und Wärmeentwicklung direkt in diesen Bestandteilen zu heizen.
Bei der vorgeschlagenen induktiven Heizung wird durch die Magnetspule ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, welches in den genannten Bestandteilen einen Wirbelstrom induziert. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Magnetspule mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz größer als 25 Kilohertz, insbesondere größer als 50 Kilohertz und im speziellen größer als 100 Kilohertz als Heizstrom beaufschlagt wird.
Dieser in den Bestandteilen induzierte Wirbelstrom verursacht aufgrund des elektrischen Widerstands eine Erwärmung des Bestandteils unmittelbar an der Stelle des
Wirbelstromflusses. Die Verwendung einer Induktionsheizung in der Ventilvorrichtung hat den Vorteil, dass Wärme schneller an relevante Bestandteile in der Ventilvorrichtung übertragen werden kann, da relativ langsame Wärmeleitungsprozesse vermieden werden. Somit entsteht die Wärme sofort und unmittelbar in dem Bestandteil selbst bzw. in dessen Inneren.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass benachbarte, nichtleitende Materialien nicht erwärmt werden und elektrisch sehr gut leitende Materialien, wie z. B. Aluminium oder Kupfer, wegen deren geringen elektrischen Widerstands kaum erwärmt werden .
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Magnetspule beziehungsweise die VentilVorrichtung so gebildet ist, dass ein Sperrkörper und/oder ein Anker der VentilVorrichtung induktiv geheizt wird bzw. werden. Die induktive Heizung des Ankers hat den Vorteil, dass die Aktorik der VentilVorrichtung aufgetaut wird. Die induktive Heizung des Sperrkörpers führt zu dem Vorteil, dass über den Sperrkörper gerade der einfrierkritische und zerstörungsanfällige Ventilsitz unmittelbar aufgeheizt wird.
Bei einer bevorzugten konstruktiven Umsetzung ist die Ventilvorrichtung als ein Kugelventil und/oder der Sperrkörper als eine Sperrkugel ausgebildet. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Kugelventil handeln, welches eine Eingangsleitung zwischen zwei oder mehreren AusgangsIeitungen umschaltet oder welches mittels der Sperrkugel ein Absperrventil bildet.
Bei einer bevorzugten, energiesparenden Ausführungsform der Erfindung ist die Ventilvorrichtung oder das Gassystem steuerungstechnisch und/oder konstruktiv so ausgelegt, dass mittels der Magnetspule ausschließlich oder im Wesentlichen nur der Sperrkörper induktiv geheizt wird. Der maßgebliche Energieübertrag zwischen Magnetspule und Sperrkörper zum Zwecke der Erwärmung erfolgt somit berührungslos über die Induktion.
Bei einer bevorzugten Umsetzung der Erfindung weist der Sperrkörper ferromagnetisches Material auf oder besteht aus diesem. Der ferromagnetische Charakter des Materials ist notwendig, um eine Einkopplung der Wirbelströme in den Sperrkörper zu ermöglichen bzw. zu unterstützen.
Dabei ist es besonders bevorzugt, dass weitere oder alle anderen Bestandteile der Ventilvorrichtung und/oder des gemeinsamen Gehäuses aus einem nicht-ferromagnetischen Material gebildet sind bzw. , dass deren ferromagnetischer Charakter schwächer als der ferromagnetischer Charakter des Sperrkörpers ausgebildet ist . Durch diese Ausprägung ist sichergestellt, dass der maßgebliche Anteil an Energie in den Sperrkörper eingekoppelt wird und nicht durch weitere Bestandteile, welche keine Heizenergie benötigen, absorbiert wird.
Vorzugsweise ist das Gassystem bzw. die VentilVorrichtung so konzipiert, dass mindestens 50 % vorzugsweise mindestens 70 % und insbesondere mindestens 90 % der durch Induktion von der Magnetspule eingekoppelten Wärme in den Sperrkörper eingekoppelt wird, um diesen selektiv zu heizen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind an bzw. in dem Sperrkörper und/oder weiteren Bestandteilen der VentilVorrichtung ferromagnetische (bzw. induktionsheizbare) und nicht-ferromagnetische (bzw. nicht-induktionsheizbare) Bereiche angeordnet. Diese besondere örtliche Verteilung der ferromagnetischen Bereiche wird so gewählt, dass die ferromagnetischen Bereiche an einfriergefährdeten Positionen angeordnet werden. Als besonders einfriergefährdete Positionen gelten dabei der Kontaktbereich zwischen Sperrkörper und Sperranlage der Ventilvorrichtung und/oder des Ventilsitzes des Sperrkörpers. Mögliche weitere
einfrierkritische Bereiche sind bei Bereichen angesiedelt, an denen sich der offene Querschnitt der mit der Ventilvorrichtung geschalteten Fluide nicht-stetig ändert.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb des Gassystems, wie es soeben beschrieben wurde, wobei bei vorgegebenen Betriebsbedingungen und/oder bei Erreichen einer gemessenen oder geschätzten Grenztemperatur die VentilVorrichtung durch Bestromung der Magnetspule mit einem Heizstrom aufgeheizt wird. Der Heizstrom wird dabei als ein die Ventilvorrichtung nicht-schaltender Heizstrom alternativ oder ergänzend zu dem Schaltstrom auf die Magnetspule gegeben.
Zusammenfassend liegen die Vorteile der Erfindung darin, dass die Aufheizung der VentilVorrichtung und des Umfelds durch geschickte Auslegung und Ansteuerung der Magnetspule ohne zusätzliche Bauteile, wie zum Beispiel eine Heizung, durchführbar ist . Das Auftauen und Warmhalten der VentilVorrichtung ist sowohl vor dem Start oder dem Betrieb des Brennstoffzellenstapels als auch während des Betriebs möglich. Die Ventilvorrichtung wird insbesondere eingesetzt, um Restgase oder Flüssigkeiten aus dem Gassystem zu entfernen, so dass die Ventilvorrichtung nur zeitweilig geöffnet wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie aus der beigefügten Figur. Dabei zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines BrennstoffZeilensystems in einem Fahrzeug mit einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Gassystems.
Die Figur 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung ein Brennstoffzellensystetn 1, welches beispielsweise in einem Fahrzeug (nicht dargestellt) eingebaut ist und für die Energieversorgung des Antriebs ausgebildet ist.
Das Brennstoffzellensystetn 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2 sowie ein Gassystem 3, welches ausgebildet ist, um den Brennstoffzellenstapel 2 mit Wasserstoff aus einem Tank 4 sowie mit Umgebungsluft aus einem Einlass 5 zu versorgen. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist einen Kathoden- und einen Anodenbereich auf, die in der Figur 1 schematisiert durch eine Membran 6, welche als Protonenaustauschmembran ausgebildet ist, getrennt sind.
Ausgehend von dem Tank 4 wird der Wasserstoff durch den Anodenbereich des Brennstoffzellenstapels 2 geführt und die Anodenrestgase über eine Rezirkulationsanordnung 7 wieder vor den Einlass des Anodenbereichs 2 zurückgeführt und dort mit unverbrauchtem Wasserstoff aufgefrischt .
In der Rezirkulationsanordnung 7 sind zwei Ventilblöcke 8 und
9 beispielsweise als 3/2 Wege-Ventile angeordnet, wobei der Ventilblock 8 ausgebildet ist, um Wasser, insbesondere kondensiertes Wasser aus der Rezirkulationsanordnung 7 abzulassen und der Ventilblock 9 ausgebildet ist, um die Rezirkulationsanordnung 7 zeitweilig mit einer Purgeleitung
10 zu verbinden, so dass die Anodenrestgase zum Zwecke der Reinigung des Anodenbereichs und der Rezirkulationsanordnung 7 über die Purgeleitung 10 ausgestoßen werden können. Sowohl der Ventilblock 8 als auch der Ventilblock 9 sind nur temporär zum Ausstoßen des Anodenrestgases beziehungsweise des Kondenswassers geöffnet.
Zur Ansteuerung der Ventilblöcke 8 und 9 ist eine Steuerungsvorrichtung 11 in dem Brennstoffzellensystem 1 integriert, welche zur Ansteuerung von Schaltströmen ausgebildet ist, die das Öffnen beziehungsweise Schließen der Ventilblöcke 8, 9 bewirken. Hierfür wird der Schaltstrom auf eine Magnetspule in den Ventilblöcken 8 beziehungsweise 9 gelegt, die in bekannter Weise den Öffnungs-, Schließ- oder Umschaltvorgang des Ventilblocks 8 beziehungsweise 9 durchführen. Neben der Ansteuerung der Ventilblöcke 8 beziehungsweise 9 mit einem Schaltstrom ist die Steuerungsvorrichtung 11 ausgebildet, um ergänzend oder alternativ die Magnetspule in dem Ventilblock 8 oder 9 mit einem Heizstrom zu beaufschlagen, welcher auf Basis von Widerstandsheizung die jeweilig beaufschlagte Magnetspule erwärmt. Somit setzen die Magnetspulen eine Doppelfunktion um, nämlich zum einen die Bewirkung des Öffnens, Schließens bzw. Umschaltens des Ventilblocks 8 beziehungsweise 9 und zum zweiten die Eigenerwärmung und damit verbunden die Erwärmung des Ventilblocks 8 beziehungsweise 9 und gegebenenfalls dessen Umgebung. Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Steuerungsvorrichtung 11 ausgebildet, um ergänzend oder alternativ die Magnetspule in dem Ventilblock 8 oder 9 mit einem Heizstrom zu beaufschlagen, welcher auf Basis einer induktiven Heizung einen Sperrkörper und/oder einen Anker in dem Ventilblock 8 oder 9 erwärmt. Auch bei dieser alternativen Ausführungsform wird durch die Magnetspulen die beschriebene Doppelfunktion (Schalten und Heizen) umgesetzt. Bei wieder anderen Ausführungsformen ist das System so ausgelegt, dass sowohl ein Schalten bzw. Steuern (bei Proportionalventilen) , Widerstandsheizung und Induktionsheizung durch die Magnetspulen funktionell umgesetzt wird, wobei die zwei Heizungsarten in einem gleichen Größenbereich an der Wärmeeinkopplung beteiligt
sind. Bei einer speziellen Ausführungsform sind die Ventilblöcke 8, 9 als Kugelventile ausgebildet.
Die Ventilblöcke 8 beziehungsweise 9 können somit von der Steuerungsvorrichtung 11 mit den folgenden Schaltzuständen belegt werden:
In einem ersten Schaltzustand ist der Schaltstrom deaktiviert und der Heizstrom deaktiviert, wobei die Ventilblöcke 8 bzw. 9 die Anodenrestgase in der Rezirkulationsanordnung 7 durchlassen, so dass diese rezirkulieren können und keine Erwärmung der Ventilblöcke 8 beziehungsweise 9 stattfindet.
In einem zweiten Schaltzustand ist der Schaltstrom deaktiviert und der Heizstrom aktiviert, wobei der Heizstrom so ausgebildet ist, dass er kein Schalten der Ventilblöcke 8 oder 9 verursacht. In diesem zweiten Schaltzustand ist der Ventilblock 8 beziehungsweise 9 ebenfalls als Durchlass in der Rezirkulationsanordnung 7 geöffnet, es findet jedoch eine Erwärmung der Magnetspule und/oder des Ankers bzw. Sperrkörpers und somit des Ventilblocks 8 beziehungsweise 9 statt.
In einem dritten Schaltzustand ist der Schaltstrom aktiviert und der Heizstrom deaktiviert, so dass der Ventilblock 8 beziehungsweise 9 geschaltet ist und Wasser (Ventilblock 8) beziehungsweise Anodenrestgase (Ventilblock 9) aus der Rezirkulationsanordnung 7 ausgekoppelt werden. Die Heizung ist deaktiviert.
In einem vierten Schaltzustand ist der Schaltstrom aktiviert und der Heizstrom aktiviert, so dass der Heizstrom einen Offsetstrom zu dem Schaltstrom bildet. In diesem letzten Schaltzustand ist der Ventilblock 8 bzw. 9 geschaltet und
wird zugleich durch die Magnetspulen geheizt. Die Schaltzustände der Ventilblöcke 8 und 9 können unabhängig voneinander eingenommen werden.
Die Ansteuerung durch die Steuerungsvorrichtung 11 kann zum einen zeitabhängig erfolgen, so dass beispielsweise bei einem Erststart des BrennstoffZellensystems 1 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 2 der Heizstrom für eine definierte Zeitspanne aktiviert wird, um sicherzustellen, dass die Ventilblöcke 8 beziehungsweise 9 eine ausreichende Betriebstemperatur haben und insbesondere nicht eingefroren sein können. Alternativ dazu kann die Ansteuerung auch temperaturabhängig erfolgen und zwar auf Basis von Temperatursensoren Sl und/oder S2 , wobei der Temperatursensor Sl die Temperatur der Magnetspule und/oder des jeweiligen Ventilblocks 8 beziehungsweise 9 aufnimmt und der Temperatursensor S2 die Außen- oder Umgebungstemperatur misst . In Abhängigkeit der gemessenen Temperatur (en) erfolgt dann eine gesteuerte oder geregelte Aktivierung des Heizstroms 8 beziehungsweise 9, zum Beispiel für eine vordefinierte Zeitdauer. Zu einem festgelegten, berechneten, gesteuerten und/oder geregelten Zeitpunkt wird der Heizstrom durch die Steuerungsvorrichtung 11 reduziert und es wird in einen normalen „Betriebsmodus" übergegangen. Durch die Reduzierung oder Deaktivierung des Heizstroms wird gegebenenfalls nur noch die Energie in die Ventilblδcke 8 beziehungsweise 9 eingebracht, die für das Öffnen, Schließen bzw. Umschalten erforderlich ist.
Die Reduzierung oder Deaktivierung des Heizstroms kann durch Absenkung der Spannung mit der die Magnetspule beaufschlagt ist oder durch Taktung der Spannung bei gleicher Spannungshöhe erfolgen.
Das dargestellte Gassystem 3 ist insbesondere bei Anwendungen nützlich, bei denen eine Funktion des Ventilblocks 8 bzw. 9 unterhalb des Gefrierpunktes erforderlich ist. Durch eine angepasste Ansteuerung mit entsprechender Ventilauslegung, ist - wie dargestellt - unter Einbeziehung möglicher Umweltbedingungen sogar eine Bestromung des Ventilblocks zur Erwärmung des Umfelds möglich, ohne dass die Magnetspule das Ventil in dem Ventilblock anzieht. Dies hat den Vorteil dass der Heizzustand nicht zwingend eine Ventilreaktion erfordert. So kann auch ein nicht betätigtes Ventil zur Erwärmung beziehungsweise Wärmehaltung verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsalternative des Brennstoffzellensystems 1 ist der Ventilblock 12, welcher die Zuführung von Brenngas, insbesondere Wasserstoff, in die Rezirkulationsanordnung 7 steuert und beispielsweise als Proportionalventil ausgebildet ist, alternativ oder ergänzend mit der oben-dargestellten Heizfunktion in analoger Weise wie die Ventilblöcke 8 bzw. 9 ausgestattet, wie dies mit gestrichelten Linien dargestellt ist. Zu Details des Ventilblocks 12 wird somit auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Claims
1. Gassystem (3) für einen Brennstoffzellenstapel (2), wobei der Brennstoffzellenstapel (2) einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich umfasst,
mit mindestens einer Ventilvorrichtung (8,9), wobei die Ventilvorrichtung (8,9) für ein Ablassen und/oder Zuführen von Gasen, insbesondere der Anodengase oder Brenngase, oder von Flüssigkeit ausgebildet ist und wobei die Ventilvorrichtung (8,9,12) eine Magnetspule zur elektromagnetischen Betätigung der VentilVorrichtung umfasst, und
mit einer Steuerungsvorrichtung (11) , die ausgebildet ist, um zum Schalten der Ventilvorrichtung (8,9,12) einen Schaltström auf die Magnetspule zu geben,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Steuerungsseinrichtung (11) ausgebildet ist, um einen die Ventilvorrichtung (8,9,12) nicht-schaltenden Heizstrom auf die Magnetspule zu geben.
2. Gassystem (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (11) ausgebildet ist, den Heizstrom für eine Aufheizung der Magnetspule alternativ oder ergänzend zu dem Schaltstrom auf die Magnetspule zu geben.
3. Gassystem (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule thermisch an die Ventilvorrichtung (8,9,12) und/oder das Umfeld der VentilVorrichtung gekoppelt ist.
4. Gassystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (11) ausgebildet ist, um den Heizstrom in Abhängigkeit einer Temperaturmessgröße zu schalten.
5. Gassystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung
(11) ausgebildet ist, um den Heizstrom zeitabhängig zu schalten.
6. Gassystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung
(11) ausgebildet ist, um den Heizstrom eine voreingestellte oder vorberechnete Zeitdauer zuzuschalten.
7. Gassystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (11) ausgebildet ist, den Heizstrom als Gleichspannung oder als getaktete Spannung zuzuschalten.
8. Gassystem (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (11) ausgebildet ist, um das Zu- bzw. Abschalten des Heizstroms durch eine Änderung der Taktung der getakteten Spannung zu erreichen.
9. Gassystem (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die VentilVorrichtung mit der Magnetspule in einem gemeinsamen Gehäuse als Ventilblock (8,9,12) angeordnet sind.
10. Gassystem (3) nach einem der vorergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule angeordnet und/oder ausgebildet ist, einen oder mehrere Bestandteile der Ventilvorrichtung, insbesondere einen Sperrkörper und/oder einen Anker, induktiv zu heizen.
11. Gassystem (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die VentilVorrichtung als ein Kugelventil und/oder der Sperrkörper als Sperrkugel ausgebildet ist.
12. Gassystem (3) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass es konstruktiv und/oder steuerungstechnisch ausgelegt ist, mittels der Magnetspule den Sperrkörper ausschließlich oder im Wesentlichen induktiv zu heizen.
13. Gassystem (3) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrkörper ferromagnetisches Material aufweist oder aus diesem gebildet ist.
14. Gassystem (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Bestandteile der
VentilVorrichtung und/oder des gemeinsamen Gehäuses aus nicht -ferromagnetisehen Material gebildet sind und/oder der ferromagnetisehe Charakter des Materials schwächer als der ferromagnetische Charakter des Sperrkörpers ausgebildet ist.
15. Gassystem (3) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 50%, vorzugsweise mindestens 70%, insbesondere mindestens 90% der durch Induktion von der Magnetspule in die VentilVorrichtung eingekoppelten Wärme in den Sperrkörper eingekoppelt wird.
16. Gassystem (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrkörper und/oder weitere Bestandteile der VentilVorrichtung ferromagnetische und nicht-ferromagnetisehe Bereiche aufweisen, wobei die ferromagnetisehen Bereiche an einfriergefährdeten Positionen angeordnet sind.
17. Gassystem (3) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass als einfriergefährdete Positionen die Kontaktbereiche zwischen Sperrkörper und Sperranlage der VentilVorrichtung und/oder ein Ventilsitz des Sperrkörpers definiert sind.
18. Gassystem (3) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass es konstruktiv und/oder steuerungstechnisch ausgelegt ist, die Magnetspule mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz größer als 25 kHz, vorzugsweise größer als 50 kHz und insbesondere größer als 100 kHz als Heizstrom zu beaufschlagen.
19. Verfahren zum Betrieb des Gassystems (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei vorgegebenen Betriebsbedingungen und/oder bei Erreichen einer gemessenen oder geschätzten Grenztemperatur die VentilVorrichtung (8,9) durch Bestromung der Magnetspule mit einem Heizstrom aufgeheizt wird, wobei der Heizstrom als ein die Ventilvorrichtung (8,9) nicht-schaltender Heizstrom alternativ oder ergänzend zu dem Schaltstrom auf die Magnetspule gegeben wird.
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