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Die
Erfindung betrifft einen Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems
und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffkreislaufs
gemäß den Oberbegriffen des Patentanspruchs 1,
des Patentanspruchs 6 und des Patentanspruchs 15.
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Brennstoffzellensysteme
der hier zugrunde gelegten Art sind bekannt. Aufgrund ihres hohen elektrochemischen
Wirkungsgrades und ihren vielfältigen Einsatzmöglichkeiten,
haben Brennstoffzellensysteme schnell an Bedeutung gewonnen. Dabei kommen
bevorzugt PEM-Brennstoffzellensysteme (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensysteme)
oder SO-Brennstoffzellensysteme (Solid Oxide-Brennstoffzellensysteme)
zum Einsatz, bei denen die Erzeugung der elektrischen Energie aufgrund
von chemischen Reaktionen unter Beteiligung von elementarem Wasserstoff
stattfindet.
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Für
den automobilen Einsatz sind Niedertemperatur-Brennstoffzellensysteme
wegen ihrer günstigen Betriebstemperaturen besonders geeignet.
Elektrische Energie kann gewonnen werden, wenn anodenseitig Wasserstoff
und kathodenseitig Sauerstoff oder Luft in an sich bekannter Weise
einer Brennstoffzelle zur Brennstoffzellenreaktion zugeführt
werden. In Brennstoff zellensystemen werden üblicherweise
Brennstoffzellenstapel eingesetzt, die aus einer Mehrzahl von Einzelzellen
bestehen. In einem solchen Brennstoffzellenstapel werden Wasserstoff
und Sauerstoff über Gasverteilungsstrukturen den einzelnen
Brennstoffzellen zugeführt. Grundsätzlich wird
der einer Brennstoffzelle zugeführte Brennstoff in der
Bennstoffzelle nicht vollständig verbraucht, sondern es
entsteht ein Anodenabgas mit restlichen Brenngasen wie z. B. H2 sowie Inertgasen und H2O.
Das Anodenabgas kann zum einen in einem Brenner nachverbrannt und
als Abgas in die Umgebung entlassen werden. Eine andere Möglichkeit
ist die Rezirkulation des Anodenabgases in den der Brennstoffzelle
zugeführten Brennstoff. Hierbei wird das Anodenabgas zum
Anodeneingang zurückgeführt und mit frischem Wasserstoff
gemischt der Anode wieder zugeführt. Diese Systeme erfordern
jedoch in Abständen ein sogenanntes „Purgen" (Spülen),
wodurch Wassertropfen und Inertgase aus der Gasverteilungsstruktur
der Brennstoffzellen ausgetrieben werden. Dabei wird sauberes und
trockenes Wasserstoffgas mit höherem Durchfluss und/oder stoßweise
durch die Gasverteilungsstruktur geblasen. Nachteilig ist hierbei
jedoch, dass durch das „Purgen" ein Teil des Wasserstoffs
verloren geht, wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle vermindert
wird.
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Aus
der
DE 102 51 878
A1 ist schließlich ein gattungsgemäßer
Brennstoffkreis eines Brennstoffzellensystems bekannt, wie er im
Oberbegriff des vorliegenden Anspruchs 1 definiert ist. Diese Druckschrift
beschäftigt sich mit der Erzeugung von gleichmäßigen
Druckverhältnissen bei der Rezirkulation des Anodenabgases.
Das bekannte Brennstoffzellensystem ist jedoch weniger geeignet,
um Druckstöße für ein anschließendes
Purgen zu generieren.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Brennstoffkreislauf eines
Brennstoffzellensystems und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffkreislaufes
zu schaffen, mit dem das Wasser/Anodenabgas einer Brennstoffzelle
effizienter und sicherer entsorgt werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1, des Patentanspruchs 6 und des Patentanspruchs
15 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems
umfasst eine Brennstoffzelleneinheit, die elektrische Energie erzeugt,
indem sie mit Brennstoff und mit einem Oxidationsmittel gespeist
wird. Ferner ist eine Brennstoffzufuhrleitung für die Zufuhr
von Brennstoff zur Brennstoffzelleneinheit und ein in dieser Leitung
angeordneter Ejektor umfasst und weiterhin eine Anodenrückführleitung,
welche den Anodenausgang mit der Brennstoffzufuhrleitung verbindet,
welche in eine erste Teilleitung, die zum Ejektor führt
und in eine zweite Teilleitung, die zwischen Ejektor und Brennstoffzelleneinheit
in den Brennstoffzufuhrleitung mündet, verzweigt. Die beiden
Teilleitungen weisen zusammen mindestens ein erstes und ein zweites
Ventil auf. Erfindungsgemäß ist eine Steuereinheit
vorhanden, die die beiden Ventile derart ansteuert, dass immer genau
eines von beiden Ventilen geöffnet und das jeweils andere
geschlossen ist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist eine Rezirkulationspumpe
in der zweiten Teilleitung angeordnet.
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Eine
vorteilhafte Ausführung nach Anspruch 3 ergibt sich, wenn
in jeder der beiden Teilleitungen ein Ventil angeordnet ist.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführung nach Anspruch 4 ergibt
sich, wenn in der ersten Teilleitung, die zum Ejektor führt,
beide Ventile angeordnet sind.
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In
einer weitergebildeten Ausführung nach Anspruch 5 ist zwischen
beiden Ventilen in der ersten Teilleitung ein Gasreservoir angeordnet.
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In
dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben
eines Brennstoffkreislaufes eines Brennstoffzellensystems nach Anspruch
6 werden die beiden Ventile derart angesteuert, dass immer genau
eines von beiden Ventilen geöffnet und das jeweils andere
geschlossen ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens nach Anspruch
7 ist die Leistung des Rezirkulationsgebläses in Abhängigkeit
des jeweiligen Ventilzustands gesteuert.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 8 wird das Rezirkulationsgebläse
im Normalbetrieb so angesteuert, dass am Anodeneingang der Brennstoffzelleneinheit
ein möglichst konstanter Volumenstrom anliegt.
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Ferner
ergibt sich nach Anspruch 9 ein Vorteil, wenn das Rezirkulationsgebläse
im Purgebetrieb so angesteuert wird, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem das
zweite Ventil geöffnet wird, auch das Rezirkulationsgebläse
eine hohe Förderleistung erbringt, um kurzfristig einen
starken Unterdruck am Anodenausgang der Brennstoffzelleneinheit
zu erzeugen.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit des Verfahrens
nach Anspruch 10 ergibt sich, wenn der Purgebetrieb im mittleren
und hohen Lastbereich der Brennstoffzelleneinheit zur Anwendung
kommt.
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Außerdem
ist es nach Anspruch 11 von großem Vorteil, wenn das Rezirkulationsgebläse
derart angesteuert wird, dass es im Niedriglastbetrieb der Brennstoffzelleneinheit
die Rezirkulation des Anodenabgases vollständig oder mindestens
größtenteils übernimmt.
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In
einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens nach Anspruch
12 hängt die Dosierung von Wasserstoff aus dem Vorratsbehälter
in den Ejektor von der Stellung des ersten Ventils und/oder des zweiten
Ventils und/oder der Ansteuerung des Rezirkulationsgebläses
ab, dergestalt, dass zumindest zeitweise eine Erhöhung
der dosierten Wasserstoffmenge aus dem Vorratsbehälter
in den Ejektor stattfindet und damit eine pulsförmige Dosierung
und eine Verstärkung der Wirkungsweise des Ejektors erzielt werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 13 findet die zeitweise
Erhöhung der dosierten Wasser stoffmenge aus dem Vorratsbehälter
in den Ejektor bei geöffnetem ersten Ventil statt.
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Nach
einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch
14 findet die pulsförmige Dosierung von Wasserstoff in
den Ejektor in einem niedrigen Lastbereich der Brennstoffzelleneinheit
statt.
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Eine
weitere Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffkreislaufs eines Brennstoffzellensystems
gemäß Anspruch 15 umfasst folgende Schritte:
- – Erzeugen eines Unterdrucks durch
einen Ejektor in bestimmten Teilen des Brennstoffkreislaufs auf
der Ansaugseite des Ejektors,
- – Temporäres Speichern dieses Unterdrucks
in diesen bestimmten Teilen, während in anderen Teilen
des Kreislaufs ein höherer Druck herrscht,
- – Herbeiführen eines Druckausgleichs zwischen diesen
beiden Teilen des Brennstoffkreislaufs, wobei die daraus resultierende
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Anodenkreislauf insbesondere
im Purgebetrieb oder beim Start als Antrieb zur Rezirkulation des
Anodenabgases genutzt wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung
und den Zeichnungen hervor.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von schematisierten Zeichnungen
beispielhaft erläutert. Es zeigt:
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1 einen
Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems mit einem Gasreservoir
zwischen zwei Ventilen in einer ersten Teilleitung;
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2 einen
Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems ohne Gasreservoir,
aber mit zwei Ventilen in einer ersten Teilleitung und
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3 einen
Brennstoffkreislauf eines Brennstoffzellensystems ohne Gasreservoir,
aber mit jeweils einem Ventil in einer ersten und einer zweiten Teilleitung.
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1 zeigt
zur Veranschaulichung der Erfindung eine erste bevorzugte Ausgestaltung
eines schematisch dargestellten Brennstoffkreislaufs eines Brennstoffzellensystems
mit einer Anordnung zur Rezirkulation von Anodenabgas (Anodenkreislauf). Das
Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 4 zur
Bereitstellung der elektrischen Energie, welche aus einer Mehrzahl
von einzelnen Brennstoffzellen besteht, welche in diesem Ausführungsbeispiel
als PEM-Brennstoffzellen ausgeführt sind. Der Brennstoffzellenstapel
weist anodenseitig einen Anodeneingang 4A, über
den der Brennstoffzelleneinheit 4 Wasserstoff über
eine Brennstoffzufuhrleitung 5 über einen in dieser
Leitung 5 befindlichen Ejektor 2 aus einem Vorratsbehältnis 1,
vorzugsweise einem Hochdruckwasserstofftank, zugeführt
wird, sowie einen Anodenausgang 4B auf, der mit einer Anodenrückführleitung 6 zur Rückführung des
Anodenabgases in die Brennstoffzufuhrleitung 5 verbunden
ist. Die Anodenrückführleitung 6 enthält eine
Vorrichtung 7 zur Abscheidung von Flüssigwasser,
welche im Weiteren als Abscheider bezeichnet wird. Stromabwärts
des Abscheiders 7 verzweigt sich die Anodenrückführleitung 6 in
eine erste Teilleitung 6A, die über die Ansaugöffnung 2A des
Ejektors 2 mit dem Brennstoffzufuhrkanal 5 verbunden
ist, und in eine zweite Teilleitung 6B, die in einen Bereich
stromabwärts des Ejektors 2 in den Brennstoffzufuhrkanal 5 einmündet,
wobei die zweite Teilleitung 6B ein Rezirkulationsgebläse 3 oder
eine Rezirkulationspumpe aufweist, welche(s) vorteilhafterweise
explosionsgeschützt ausgeführt ist. Die erste
Teilleitung 6A umfasst stromabwärts der Abzweigung
ein zweites Ventil 8B, einen nachgeschalteten Behälter 9,
vorzugsweise einen Gasbehälter bzw. ein Gasreservoir, und in
der Folge ein erstes Ventil 8A, welches zur Ansaugöffnung 2A des
Ejektors 2 beabstandet angeordnet ist, wobei das aus der
Brennstoffzelleneinheit 4 abgeführte Anodenabgas
durch die Ansaugöffnung 2A unter Nutzung eines
Unterdrucks angesaugt wird, der entsteht, wenn in dem Ejektor 2 Wasserstoff strömt,
der aus dem Vorratsbehälter 1 in die Brennstoffzelleneinheit 4 geleitet
wird.
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In
den Flüssigwasserabscheider 7 kann zusätzlich
eine Gaspurgefunktion zur Entfernung von Inertgasen integriert sein,
so dass neben Wasser auch Gasbestandteile, insbesondere Inertgase,
aus der Anodenrückführleitung 6 entfernt
werden können, damit die Leistung der Brennstoffzellen
durch das Vorhandensein dieser Inertgase nicht beeinträchtigt
wird. Diese Gaspurgefunktion kann aber auch durch separate Gaspurgeventile
(nicht dargestellt), die vorzugsweise in einer separaten Purgeleitung
stromabwärts des Flüssigwasserabscheiders 7 angeordnet
sind, übernommen werden. Diese Purgeventile können
mit der Funktionsweise des Ejektors 2 und/oder der Taktung
der Ventile 8A und/oder 8B synchronisiert werden.
Vorzugsweise wird ein solches Purgeventil dann geöffnet,
wenn die Wasserstoffkonzentration am Anodenausgang 4B der Brennstoffzelleneinheit 4 besonders
niedrig ist. Das ist immer dann der Fall, wenn der Anteil des rezirkulierten
Gases in der Brennstoffzufuhrleitung 5 besonders niedrig
ist, d. h. wenn das Rezirkulationsgebläse 3 mit
geringer Leistung betrieben wird und/oder das zweite Ventil 8B geschlossen
ist, oder weniger Wasserstoff über den Ejektor 2 zugegeben
wird.
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Ferner
kann die Gaspurgefunktion mittels einer Gaspurgeleitung (nicht dargestellt),
die vor einem nicht gezeigten Kathodeneingang in eine nicht dargestellte
Luftzufuhrleitung mündet, durchgeführt werden.
Die hier nicht gesondert dargestellte Luftversorgung der Brennstoffzelleneinheit 4 erfolgt
mittels Kompressor, Intercooler und Gas/Gas-Befeuchtungseinheit.
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Bei
gleichen oder gleichwirkenden Komponenten entsprechen die Bezugszeichen
in den nachfolgenden Zeichnungen denen der 1. Um Wiederholungen
zu vermeiden, wird außerdem für übereinstimmende
Komponenten auf deren Beschreibung in 1 verwiesen.
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In 2 ist
eine zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
anhand eines schematisch dargestellten Brennstoffkreislaufs gezeigt,
in dem auf den in 1 gezeigten, in der ersten Teilleitung 6A angeordneten
Gasbehälter bzw. -reservoir 9 verzichtet wird.
Hierbei wird das zwischen den beiden Ventilen 8A und 8B befindliche
Rohrleitungsvolumen des Teilleitungsabschnitts 6A' der
ersten Teilleitung 6A als Gasreservoir ausgenutzt.
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Die
dritte, in 3 dargestellte, erfindungsgemäße
Ausgestaltung eines Brennstoffkreislaufs, die eine Modifikation
der zweiten Ausführungsform zeigt, verzichtet ebenfalls
auf ein Gasreservoir 9. Im Unterschied zur 2 werden
die beiden Ventile 8A und 8B in verschiedenen
Teilleitungen angeordnet: Das erste Ventil 8A befindet
sich in der ersten Teilleitung 6A, wohingegen das zweite
Ventil 8B in der zweiten Teilleitung 6B stromabwärts
oder auch stromaufwärts des Rezirkulationsgebläses 3 bzw.
der Rezirkulationspumpe angeordnet ist.
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Als
Ventile können in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 elektromagnetische, elektrische,
hydraulische, mechanische oder pneumatisch betriebene Absperrventile
verwendet werden.
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Zur
Vermeidung der Anreicherungen von Inertgasen in der Brennstoffzellenanode,
zur Vergleichmäßigung der Brennstoffkonzentration
sowie zum Entfernen von Produktwasser aus der Anode wird zum einen
das wasserstoffreiche Abgas vom Anodenausgang 4B zum Anodeneingang 4A der
Brennstoffzelleneinheit 4 zurückgeführt
und zum anderen durch „Purgen" Teile des Anodenabgases
wie Inertgase und Wasser über sogenannte Purgeventile aus dem
Anodenkreis entfernt. Besonders nachteilig ist jedoch hierbei, dass
beim „Purgen" ein Teil des Wasserstoffs verloren geht,
wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinheit 4 vermindert
wird. Da sich insbesondere im Leerlauf Produktwasser in der Brennstoffzelleneinheit 4 ansammelt,
wurde diesem, mit einem erhöhten Anodendruckverlust einhergehenden
Phänomen bisher durch Anhebung der Brennstoff-Stöchiometrie
im Leerlauf begegnet. Dies bedeutet jedoch als weiteren Nachteil
einen höheren Energieaufwand zum Betreiben der Rezirkulationspumpe 3.
Durch den erfindungsgemäßen Brennstoffkreislauf
in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betreiben des Brennstoffkreislaufs wird der Verlust an Wasserstoff
bei der Entfernung von Inertgasen und Produktwasser aus dem Anodenkreislauf
deutlich verringert, wobei die Leistung des Rezirkulationsgebläses 3 bzw.
der Rezirkulationspumpe in Abhängigkeit der Stellung der
Ventile 8A und 8B geregelt wird, derart, dass
in der Brennstoffzelleneinheit 4 stets der spezifizierte
Brennstoffvolumenstrom erreicht wird.
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Hierzu
weist das erfindungsgemäße Verfahren zwei unterschiedliche
Betriebsphasen auf, eine Betriebsphase 1, die der Vergleichmäßigung
des Volumenstroms, welcher am Anodeneingang 4A anliegt,
dient und einen Purgebetrieb (Betriebsphase 2) zum eigentlichen
Wasseraustrag aus der Brennstoffzelleneinheit 4. Beide
Betriebsphasen bewirken eine deutliche Effizienzsteigerung des Wasseraustrags aus
der Brennstoffzelleneinheit 4.
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In
der Betriebsphase 1 befindet sich das erste Ventil 8A in
geöffnetem und das zweite Ventil 8B gleichzeitig in
geschlossenem Zustand, wohingegen sich das erste Ventil 8A im
Purgebetrieb in geschlossenem und das zweite Ventil 8B gleichzeitig
in geöffnetem Zustand befindet.
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In
der Betriebsphase 1 wird das erste Ventil 8A geöffnet.
Nach einer bestimmten Zeit nach Öffnung des ersten Ventils 8A tritt
eine Verringerung des Volumenstroms am Ejektoreingang 2A ein,
wenn der Druck in dem in 1 gezeigten Gasbehälter 9 oder in
dem in 2 dargestellten Teilleitungsabschnitt 6A',
der sich zwischen den Ventilen 8A und 8B der Teilleitung 6A befindet,
durch die Wirkung des Ejektors 2 bereits nahe auf einen
Endwert abgesunken ist. Der Ejektor 2 erzeugt dabei im
Gasbehälter 9 bzw. im Teilleitungsabschnitt 6A ein
Vakuum. Mit zunehmender Verringerung des Volumenstroms am Ejektoreingang 2A wird
sukzessive die Leistung des Rezirkulationsgebläses 3 erhöht,
damit am Anodeneingang 4A der Brennstoffzelleneinheit 4 ein
möglichst konstanter Volumenstrom anliegt.
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Im
anschließenden Purgebetrieb wird das erste Ventil 8A geschlossen
und direkt im Anschluss das zweite Ventil 8B geöffnet.
Hierbei wird durch den im Gasreservoir 9 oder dem Teilleitungsabschnitt 6A' gespeicherten
Unterdruck ein kurzer, intensiver Purge in der Anodenrücklaufleitung 6 und
in der Brennstoffzelleneinheit 4 erreicht, so dass erfindungsgemäß flüssiges
Wasser in äußerst effizienter Weise aus der Brennstoffzelleneinheit 4 ausgetragen
wird (Spüleffekt). Gleichzeitig kann die Förderleistung
des Rezirkulationsgebläses 3 kurzfristig erhöht
werden, um den Unterdruck am Anodenausgang 4B zu erhöhen
und somit den Purgeeffekt zu verstärken.
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Danach
wird die Leistung des Rezirkulationsgebläses 3 wieder
verringert, wenn durch Schließen des zweiten Ventils 8B und Öffnen
des ersten Ventils 8A der Volumenstrom am Eingang 2A des Ejektors 2 wieder
erhöht wird. Prinzipiell wird das Rezirkulationsgebläse 3 im
Purgebetrieb so angesteuert, dass zu dem Zeitpunkt, bei dem am Eingang 2A des
Ejektors 2 ein hoher Volumenstrom anliegt, das Rezirkulationsgebläse 3 eine
reduzierte Förderleistung erbringt, um einen konstanten
Volumenstrom am Anodeneingang 4A der Brennstoffzelleneinheit 4 zu
erzeugen.
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Die
Erhöhung oder Reduzierung der Leistung des Rezirkulationsgebläses 3 kann
periodisch je nach Taktzyklus der Ventile 8A und 8B geschehen. Dabei
können sich die Öffnungs- oder Schließzeiten unterscheiden,
so dass die Betriebsphase 1 (geöffnetes erstes
Ventil 8A, geschlossenes zweites Ventil 8B, höhere
Pumpleistung des Rezirkulationsgebläses 3) länger
andauert als der Purgebetrieb (geschlossenes erstes Ventil 8A,
geöffnetes zweites Ventil 8B, niedrigere Pumpleistung
des Rezirkulationsgebläses 3). Durch die Taktung
der Ventile 8A, 8B wird im Purgebetrieb eine pulsförmige
Strömung in der Anodenrücklaufleitung 6 und
in der Brennstoffzelleneinheit 4 erreicht. Durch den im
Vergleich zum Stand der Technik deutlich effizienteren Wasseraustrag
wird einer übermäßigen Wasseransammlung
innerhalb der Brennstoffzelleneinheit 4 in vorteilhafter Weise
entgegengewirkt und in gleicher Weise ein besserer Brennstofftransport
in der Brennstoffzelleneinheit 4 ermöglicht und
somit der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle erhöht. Die
Dynamik der Ventilsteuerung verbessert somit auch die Spülwirkung
in der Brennstoffzelleneinheit 4.
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Diese
Regelstrategie kommt vorzugsweise im mittleren und hohen Lastbereich
zur Anwendung, da hierbei der Ejektor 2 die größte
Leistung erbringt. Im niedrigen Lastbereich wird die Rückführung
von Anodenabgas in den Brennstoffzellenbetrieb hauptsächlich
oder vollständig durch das Rezirkulationsgebläse 3 übernommen.
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Eine
weitere vorteilhafte Wirkung der oben beschriebenen Ausführungsformen
besteht darin, dass während einer Shut down Phase des Brennstoffzellensystems
im Gasresrevoir 9 bzw. im Teilleitungsabschnitt 6A' ein
Vakuum/Unterdruck erhalten bleiben kann, so dass während
der Stillstandszeit oder während des nächsten
Startvorgangs der Anodenkreislauf auf passive Weise gepurgt bzw.
umgewälzt werden kann, ohne dass der Wasserstoffvorratsbehälter
und das Brennstoffzellensystem betrieben werden müssen.
Dies hat Vorteile in bezug auf Sicherheitsaspekte von wasserstoffbetriebenen
Antriebssystemen.
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Auch
in 3 findet das oben geschilderte erfindungsgemäße
Verfahren Anwendung. Im Unterschied zu 1 und 2 ist
in 3 in der Teilleitung 6A jedoch nur ein
erstes Ventil 8A angeordnet. Das Ventil 8A wird
dabei in der Teilleitung 6A vorteilhafterweise in größtmöglicher
Entfernung zum Ejektor 2 angeordnet, damit das Volumen
des Teilleitungsabschnitts 6A'' zwischen Ejektor 2 und
Ventil 8A, und damit auch die Purgewirkung, möglichst groß wird.
Das zweite Ventil 8B in der Teilleitung 6B wird
taktweise geschlossen und wieder geöffnet, wodurch ebenfalls
die oben beschriebenen Effekte auf die Förderleistung im
Anodenkreislauf erreicht werden können. Bei der Anordnung
des zweiten Ventils 8B stromabwärts oder stromaufwärts
des Rezirkulationsgebläses 3 wird durch periodisches Öffnen
und Schließen des Ventils 8B ebenfalls ein Purge
bzw. eine pulsförmige Strömung in der Teilleitung 6B erreicht.
Damit wird vorteilhafterweise ein zusätzlicher Spüleffekt
erreicht. Hierbei werden die Ventile 8A und 8B wechselseitig
geöffnet und geschlossen, so dass zu keiner Zeit beide
Ventile geöffnet sind, d. h. das Öffnen und Schließen
der Ventile 8A, 8B ist gegengetaktet: Ventil 8A wird
geöffnet, wenn Ventil 8B geschlossen wird bzw.
umgekehrt. Die Leistung der Rezirkulationspumpe 3 ist dabei
so mit der Stellung des Ventils 8B synchronisiert, dass
die Leistung der Pumpe 3 verringert oder auf Null gedrosselt
wird, wenn das Ventil 8B geschlossen und das Ventil 8A in
der Teilleitung 6A geöffnet wird. Diese Regelstrategie
findet insbesondere im mittleren und hohen Lastbereich Anwendung,
da hierbei der Ejektor 2 die nötige Leistung aufweist,
um die Rückführung des Anodenabgases auch bei
geschlossenem Ventil 8B, d. h. bei mehr oder weniger wirkungsloser
Rezirkulationspumpe 3 aufrechtzuerhalten.
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Im
Falle des geschlossenen Ventils 8A und des geöffneten
Ventils 85 kann die Leistung der Rezirkulationspumpe 3 erhöht
werden mit dem Effekt der Übernahme oder dem Ausgleich
der gedrosselten Förderleistung des Ejektors. Dies geschieht
bevorzugt im niedrigen Lastbereich, da hier die Rezirkulation des
Anodenabgases im Anodenkreislauf hauptsächlich oder vollständig
durch die Rezirkulationspumpe 3 übernommen wird.
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Um
die Wirkung des Ejektors insbesondere im niedrigen Lastbereich zu
verstärken, kann zusätzlich eine Synchronisation
der Ansteuerung der Ventile 8A und/oder 8B und/oder
der Rezirkulationspunpe 3 mit der Dosiering von frischem
Wasserstoff aus dem Wasserstoffvorratsbehälter 1 erfolgen.
Die Dosiervorrichtung kann dabei vorzugsweise in den Ejektor 2 durch
Anordnung des Dosierventils integriert sein oder auch in der Leitung
zwischen dem Wasserstoffvorratsbehälter 1 und
dem Ejektor 2 angebracht sein. Die Dosierung von Wasserstoff
kann bei offenem Ventil 8A erhöht sein und bei
geschlossenem Ventil 8A verringert sein. Damit wird eine
vorteilhafte pulsförmige Dosierung von frischem Wasserstoff
erzielt. Während der Phase des hohen Pulses wird die zugeführte
Wasserstoffmenge erhöht und damit die Wirkung des Ejektors 2 insbesondere
im niedrigen Lastbereich verstärkt.
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Prinzipiell
wird bei dem beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren
zum Betreiben des Brennstoffkreislaufs eines Brennstoffzellensystems
durch einen Ejektor in bestimmten Teilen des Brennstoffkreislaufs
auf dessen Ansaugseite ein Unterdruck erzeugt, der in diesen Teilen
des Brennstoffkreislaufs temporär gespeichert wird, während
in anderen Teilen des Kreislaufs ein höherer Druck herrscht.
Zwischen diesen beiden Teilen des Brennstoffkreislaufs wird ein
Druckausgleich herbeigeführt und eine daraus resultierende
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Anodenkreislauf
wird insbesondere während des Purgebetriebs oder beim Start als
Antrieb zur Rezirkulation des Anodenabgases benutzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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