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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise zur stationären elektrischen Energieerzeugung eingesetzt werden oder vorzugweise zur Erzeugung von elektrischer Antriebsenergie in Brennstoffzellen-Fahrzeugen. Bei solchen Brennstoffzellensystemen ist es bekannt, einen Anodenraum der Brennstoffzelle mit Brennstoff aus einer Brennstoffquelle zu versorgen. Um die gesamte aktive Fläche des Anodenraums ideal ausnutzen zu können, wird dem Anodenraum typischerweise mehr Brennstoff zugeführt, als in diesem umgesetzt werden kann. Der unverbrauchte Brennstoff und das Abgas aus dem Anodenraum werden dann über eine sogenannte Anodenrezirkulation zurückgeführt und zusammen mit frischem Brennstoff dem Anodenraum wieder zugeführt. Im Bereich dieser Rezirkulation ist eine Fördereinrichtung notwendig, um Druckverluste in der Rezirkulationsleitung und dem Anodenraum auszugleichen. Hierfür kann beispielsweise eine Gasstrahlpumpe eingesetzt werden.
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Aus der
DE 10 2008 003 034 A1 ist eine solche Gasstrahlpumpe für den beschriebenen Einsatz in einem Brennstoffzellensystem bekannt. Dabei wird die Gasstrahlpumpe beziehungsweise ihre Düse beheizbar ausgebildet, um einem Einfrieren einer Düsenöffnung für den Brennstoff entgegenzuwirken. Der im Stand der Technik beschriebene Aufbau ist vergleichsweise energieintensiv, weil er die Düse immer beheizt. Außerdem kann die Düse zwar zum Auftauen im Falle eines Gefrierstarts, also eines Starts bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, bei dem Wasser im Bereich der Düse eingefroren sein kann, aufgetaut werden. Auch dies ist jedoch sehr zeit- und energieintensiv.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems anzugeben, welches die benötigte Heizenergie auf ein Minimum beschränkt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass die Beheizung der Düse der Gasstrahlpumpe immer nur dann erfolgt, wenn kein Brennstoff durch die Gasstrahlpumpe strömt. Zwar ist es sinnvoll, die Düse während des Betriebs so warm wie möglich zu halten, damit sich dort weder Wasser, insbesondere in Form von Tropfen, aus dem Betrieb noch Kondensat durch das Abkühlen nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems ausbilden kann, welches dann in den Bereich der Düse eindringt und im Falle, dass Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts auftreten, durch Eisbildung die Düsenöffnungen blockiert. Allerdings ist es nun so, dass, solange Brennstoff durch die Düse strömt, sich dort typischerweise kein Tropfen ausbilden kann. Außerdem führt der durch die Düsen strömende Brennstoff bei eingeschalteter Heizung die Wärme ab. Eine Beheizung in den Augenblicken, in denen Brennstoff durch die Düse strömt, ist also nicht notwendig und vergeudet lediglich wertvolle Energie. Die erfindungsgemäße Lösung, bei welcher die Beheizung immer nur dann erfolgt, wenn kein Brennstoff durch die Gasstrahlpumpe strömt, ist dagegen sehr viel effizienter, da nur dann beheizt wird, wenn die Wärme auch notwendig ist beziehungsweise im Bereich der Düse verbleibt.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass der Brennstoff über ein Brennstoffdosierventil in den Bereich der Düse geleitet wird, wobei die Düse immer nur dann während des normalen Betriebs beheizt wird, wenn das Brennstoffdosierventil geschlossen ist. Typischerweise wird das Brennstoffdosierventil als elektrisch angesteuertes Ventil ausgebildet. Damit liegen elektrische Signale über den Zustand des Brennstoffdosierventils in dem System ohnehin vor. Diese können dann einfach und effizient genutzt werden, um beispielsweise eine elektrische Beheizung der Düse entsprechend ein- beziehungsweise auszuschalten, sodass die Beheizung der Düse immer nur dann erfolgt, wenn das Brennstoffdosierventil geschlossen ist.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des Verfahrens lässt sich dies vom regulären Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems auf den Betrieb während einer Abschaltprozedur des Brennstoffzellensystems übertragen. Auch in einer solchen Abschaltprozedur ist es sinnvoll, das Ventil entsprechend zu beheizen, um dieses in seiner Temperatur gegenüber den umgebenden Bereichen anzuheben. Eventuelles Kondensat fällt typischerweise an der Stelle des Brennstoffzellensystems an, an der dieses vergleichsweise kalt ist. Damit kann das Auftreten von Kondensat im Bereich der Düse durch ein Beheizen während des Abschaltens des Brennstoffzellensystems sicher und effizient verhindert werden. Auch hier macht ein Beheizen vor allem dann Sinn, wenn kein Brennstoff strömt, sodass durch das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr energieeffiziente Beheizung der Düse erfolgen kann.
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Vergleichbares gilt für eine Startprozedur, in welcher die Beheizung gegebenenfalls zu einem Auftauen, was bei der erfindungsgemäßen Verfahrensführung jedoch nicht notwendig sein wird, oder zu einem Vorwärmen der Düse genutzt wird, um diese beim Entspannen des anströmenden Brennstoffs nicht unnötig stark abzukühlen. Auch hier macht es nur Sinn zu beheizen, solange kein Brennstoff durch die Düse beziehungsweise das Brennstoffdosierventil strömt, da nur dann die Energie effizient zur Beheizung der Düse eingesetzt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Beheizung während einer Vorbereitungsprozedur auf einen späteren Start des Brennstoffzellensystems erfolgt. Auch in einer solchen Vorbereitungsprozedur kann noch Feuchtigkeit im Bereich des Brennstoffzellensystems vorhanden sein. Diese kondensiert typischerweise an der kältesten Stelle des Systems, welche im Allgemeinen durch metallische Bauteile wie beispielsweise die Düse der Gasstrahlpumpe ausgebildet wird. Wird in einer solchen Vorbereitungsprozedur nun die Düse geheizt ohne das Brennstoff durch sie strömt, so kann es zu einer Auskondensation der Flüssigkeit an anderen unkritischen Stellen kommen, um so die volle Funktionsfähigkeit der Düse ohne aufwändiges Auftauen vor einem eventuellen Start bereitzustellen.
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Die Vorbereitungsprozedur kann dabei gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung immer dann ausgelöst werden, wenn die Umgebungstemperatur im Stillstand des Brennstoffzellensystems unter einem vorgegebenen Temperaturgrenzwert abfällt. Ein Wiederstart des Brennstoffzellensystems ist vor allem unter Gefrierbedingungen, also bei Umgebungstemperaturen unterhalb von 0°C, problematisch. Die Vorbereitungsprozedur, welche beispielsweise durch die Beheizung der Düse vergleichsweise energieintensiv ist, ist aber nicht immer notwendig, da die Temperatur beim Start des Brennstoffzellensystems nicht immer unter 0°C liegen wird. Daher ist es möglich, über eine Temperaturüberwachung der Umgebungstemperatur eine solche Vorbereitungsprozedur idealerweise nur dann auszulösen, wenn die Gefahr besteht, dass die Temperatur unterhalb von 0°C absinkt. Dies kann beispielsweise ab einem Schwellenwert von 5°C oder einem ähnlichen Wert erfolgen, sodass in diesen Fallen eine Vorbereitungsprozedur durchgeführt wird, welche insbesondere durch das Beheizen der Düse ein Trocknen derselben beziehungsweise ein Auskondensieren von Flüssigkeit in anderen Bereichen als im Bereich der Düse bewirkt. Dadurch lässt sich das Brennstoffzellensystem in einen Zustand bringen, in dem dieses problemlos wieder gestartet werden kann, ohne ein zeit- beziehungsweise energieintensives Auftauen der Düse zu benötigen.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass der Brennstoff über ein Brennstoffdosierventil in den Bereich der Düse geleitet wird, wobei das Brennstoffdosierventil zur Einstellung eines gewünschten Volumenstroms gepulst betrieben wird, und wobei eine Beheizung der Düse nicht erfolgt, während das Brennstoffdosierventil gepulst betrieben ist. Häufig werden als Dosierventile gepulst betriebene Magnetventile verwendet. Anhand eines Pulsweitenverhältnisses wird dann der gewünschte Volumenstrom eingestellt. Die Frequenzen für das Pulsen sind typischerweise sehr hoch. Nun macht es keinen Sinn, eine Beheizung der Düse vorzunehmen, während eines solchen gepulsten Betriebs, weil dann in Abhängigkeit des Öffnens und des Schließens des Dosierventils die Beheizung analog zum Pulsweitenverhältnis des Dosierventils immer ein- und ausgeschaltet werden würde. Dies ist wenig effizient. Daher ist es bei einer solchen Ausgestaltung des Brennstoffdosierventils als gepulstes Ventil vorgesehen, dass die Beheizung der Düse nur dann erfolgt, wenn das Dosierventil wirklich geschlossen ist und nicht während dieses gepulst betrieben ist, also ein Volumenstrom an Brennstoff gepulst in den Bereich der Düse dosiert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
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Dabei zeigen:
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1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug;
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2 eine Darstellung durch eine Gasstrahlpumpe in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft und sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 3 auf, welche ihrerseits einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 zeigt. Die Brennstoffzelle 3 soll als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an die Umgebung. Hier könnte prinzipiell auch eine Nachbereitung, beispielsweise eine Nachverbrennung, eine Turbine oder dergleichen angeordnet sein. Dies ist für die vorliegende Erfindung jedoch nicht von Interesse, sodass auf eine Darstellung verzichtet worden ist.
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Der Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird mit Wasserstoff H2 versorgt, welcher aus einem Druckgasspeicher 7 stammt. Er gelangt über eine Druckregeleinrichtung 8 und eine später noch näher erläuterte Gasstrahlpumpe 9 in den Anodenraum 4. Aus dem Bereich des Anodenraums 4 gelangt Abgas A aus dem Anodenraum 4 über eine Rezirkulationsleitung 10 zurück in den Bereich der Gasstrahlpumpe 9, und wird von dieser als sekundärer Gasstrom angesaugt und zurück in den Anodenraum 4 gefördert. Dieses Prinzip einer Anodenrezirkulation ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es dient dazu, den Anodenraum 4 mit einem Überschuss an Wasserstoff H2 zu versorgen, um seine aktive Fläche bestmöglichst auszunutzen. Der im Abgas aus dem Anodenraum 4 verbleibende Restwasserstoff wird dann zusammen mit inerten Gasen, welche durch die Membranen aus dem Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 diffundiert sind und einem kleinen Teil des Produktwasser, welcher im Anodenraum 4 entsteht, über die Rezirkulationsleitung 10 zurückgefördert und dem Anodenraum 4 vermischt mit dem frischen Wasserstoff H2 erneut zugeführt. Da sich in einer solchen Anodenrezirkulation mit der Zeit inerte Gase und Wasser anreichern und dadurch die Wasserstoffkonzentration sinkt, muss, beispielsweise von Zeit zu Zeit, Wasser und Gas aus der Anodenrezirkulation abgelassen werden. Hierfür ist in der Darstellung der 1 ein Ablassventil 11 prinzipmäßig angedeutet.
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Um nun die Druckverluste im Bereich des Anodenraums 4 und im Bereich der Rezirkulationsleitung 10 ausgleichen zu können, ist es notwendig, eine Rezirkulationsfördereinrichtung für das rezirkulierte Abgas aus dem Anodenraum 4 vorzusehen. Als Rezirkulationsfördereinrichtung ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 die bereits erwähnte Gasstrahlpumpe 9 vorgesehen.
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Die oben beschriebene Gasstrahlpumpe 9 ist dabei in der Darstellung der 2 näher zu erkennen. Die Schnittdarstellung durch die Gasstrahlpumpe 9 zeigt eine Düse 12, welcher über ein Leitungselement 13 und eine Düsenöffnung 14 der Wasserstoff H2 als primärer Gasstrom zugeführt wird. Aus dem Bereich der Düse 12 gelangt der primäre Gasstrom in einen Ansaugbereich I, in welchem der primäre Gasstrom Abgas A aus der Rezirkulationsleitung 10 ansaugt. Die beiden Gase gelangen dann in einen Mischbereich II, bevor sie die Gasstrahlpumpe 9 über einen Diffusor wieder verlassen. Bei der typischen Auslegung des Brennstoffzellensystems 1 für einen Personenkraftwagen als Fahrzeug ist es nun so, dass die Düsenöffnung 14 in etwa einen Durchmesser von 2 bis 3 mm aufweisen muss. Diese Baugröße ist jedoch besonders kritisch hinsichtlich des Einfrierens, da Wasser aus einer solch dünnen Düsenöffnung 14 nicht automatisch abläuft, sondern durch den Kapillareffekt im Bereich der Düsenöffnung 14 gehalten wird. Um ein Einfrieren zu verhindern, ist deshalb ein elektrisches Heizelement 15 im Bereich der Düse 12 vorgesehen. Dieses kann die Düse 12 erwärmen und so ein Einfrieren von Wasser, insbesondere im Bereich der Düsenöffnung 14, sicher und zuverlässig verhindern. Nun ist es so, dass diese Vorgehensweise vergleichsweise energieintensiv ist. Wird über das Dosierventil 8 Wasserstoff H2 durch die Leitung 13 zur Düse 12 transportiert und tritt durch die Düsenöffnung 14 in den Ansaugbereich 1 ein, dann nimmt dieser Wasserstoff H2 die Wärme aus dem Bereich der Düse 12 mit.
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Daher ist es vorgesehen, dass der Zustand des Dosierventils 8 entsprechend erfasst und in einer Steuerungseinrichtung 16 ausgewertet wird. Immer wenn das Dosierventil 8 geschlossen ist, also kein Wasserstoff H2 zur Düse 12 und durch die Düse 12 beziehungsweise die Düsenöffnungen 14 strömt, dann schließt das Steuergerät 16 einen Schalter 17 zur elektrischen Energieversorgung des Heizelements 15 und die Düse 12 wird beheizt. Immer wenn das Dosierventil 8 geöffnet ist und Wasserstoff H2 durch die Düse 12 strömt, dann wird der Schalter 17 geöffnet, sodass die Düse 12 nicht beheizt wird. Eine Abfuhr der Wärme über den Wasserstoffstrom H2 wird dadurch verhindert. Dies kann die Energie, welche zur Beheizung der Düse 12 notwendig ist, bei idealer Aufrechterhaltung der Funktion der Düse 12 über alle Betriebsbereiche hinweg minimieren. Außerdem wird, während ein Gasstrom des primären Gases durch die Düsenöffnung 14 erfolgt, ein Eindringen von Wasser in den Bereich der Düsenöffnung 14 verhindert, da der Gasstrom das Wasser „ausbläst”. Eine Beheizung der Düse 12, während der primäre Gasstrom strömt, ist auch deshalb nicht notwenig.
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Das Brennstoffdosierventil 8 wird in den herkömmlichen Aufbauten häufig als gepulstes Ventil ausgebildet, beispielsweise als gepulst betriebenes Magnetventil. Zum Einstellen des gewünschten Volumenstroms des primären Gases wird eine Modulation der Pulsweite des gepulsten Betriebs des Brennstoffdosierventils 8 vorgenommen. Nun macht es wenig Sinn, während eines solchen gepulsten Betriebs das Heizelement 15 analog hierzu ständig aus- und einzuschalten. Von dem Steuergerät 16 wird der gepulste Betrieb daher als „Offen”-Stellung des Dosierventils 8 erfasst und der Schalter 17 entsprechend nicht geschlossen. Erst wenn die Dosierung des Wasserstoffs H2 entsprechend abgestellt wird, wird von der Steuereinrichtung 16 eine Geschlossen-Stellung des Dosierventils 8 erkannt und der Schalter 17 entsprechend geschlossen, sodass die Düse 12 beheizt wird.
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Das Verfahren lässt sich während des regulären Betriebs einsetzen, ebenso während Abschaltprozeduren oder Startprozeduren, um durch ein Beheizen der Düse 12 deren Funktionsfähigkeit sicherzustellen. Außerdem lässt sich das Verfahren einsetzen, um, ohne das Wasserstoffgas in die Brennstoffzelle 3 dosiert wird, das Brennstoffzellensystem 1 auf einen eventuellen Gefrierstart vorzubereiten, beispielsweise falls die Umgebungstemperatur unter einem kritischen vorgegebenen Temperaturwert von beispielsweise 3 bis 5°C fällt und demnach die Gefahr eines eventuellen späteren Gefrierstarts des Brennstoffzellensystems 1 bevorsteht.
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Der Aufbau ist dabei sehr einfach und effizient und erlaubt einen energieoptimierten Betrieb des Brennstoffzellensystems, bei welchem ein Einfrieren der Düse 12 beziehungsweise der Düsenöffnung 14 der Düse 12 in der Gasstrahlpumpe 9 sicher und zuverlässig verhindert wird.
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Beispielhaft ist die Gasstrahlpumpe 9 dabei mit einer einzigen Düsenöffnung 14 dargestellt. Selbstverständlich wäre es auch möglich, das Verfahren entsprechend bei Gasstrahlpumpen 9 mit mehreren Düsenöffnungen 14 innerhalb einer einzigen Gasstrahlpumpe 9 oder mehreren parallelen Düsen 12 in mehreren parallelen Gasstrahlpumpen 9 entsprechend anzuwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008003034 A1 [0003]
