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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Brennstoffversorgung nach der im Oberbegriff von Anspruch 4 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Sand der Technik bekannt. Sie werden beispielsweise in Fahrzeugen zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt. Die Brennstoffzellensysteme weisen dabei typischerweise eine Brennstoffzelle auf, welche normalerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Dieser Brennstoffzellenstapel weist im Normalfall eine anodenseitige Verbindung aller Einzelzellen auf, welche typischerweise als Anodenraum bezeichnet wird. Ebenso weist sie eine kathodenseitige Verbindung aller Einzelzellen auf, welche dementsprechend als Kathodenraum bezeichnet wird. Dem Anodenraum wird Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas als Brennstoff zugeführt. Dieser Brennstoff durchströmt den Anodenraum typischerweise in einem mehr oder weniger großen Volumenstrom, welcher entweder komplett aufgebraucht wird oder welcher nach dem Durchströmen des Anodenraums zum Eingang des Anodenraums zurückgeführt und diesem erneut mit frischem Brennstoff vermischt zugeführt wird. Je größer der Volumenstrom ist, desto besser lässt sich im Anodenraum entstehendes Produktwasser während des Betriebs der Brennstoffzelle aus dem Anodenraum austragen. Hierdurch wird eine gute Zugänglichkeit der gasführenden Elemente des Anodenraums für den Brennstoff gewährleistet und eine gute Performance der Brennstoffzelle erzielt.
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Unabhängig davon, ob das Anodenabgas zurückgeführt wird oder nicht, hängt die Brennstoffversorgung immer auch von der elektrischen Last ab. Daher ist es häufig so, dass der Volumenstrom durch den Anodenraum nicht ausreicht, um das Produktwasser sicher und zuverlässig aus dem Bereich des Anodenraums zu entfernen. Dies gilt insbesondere beim Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems, welcher insbesondere für eine Anwendung in Fahrzeugen ein sehr häufiger Betriebsfall ist. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, beschreibt das
US-Patent 7,320,840 B2 ein Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreislauf, also einer Rückführung der Abgase aus der Anode zum Anodeneingang. Um den Austrag von Stoffen aus dem Anodenraum zu verbessern, ist es dabei vorgesehen, dass der frische zugeführte Brennstoff hinsichtlich seines Druck pulsierend in den Anodenraum dosiert wird. Über eine Gasstrahlpumpe, für welche der frische zugeführte Brennstoff als Treibstrahl dient, wird ein pulsierender Betrieb sowohl des frischen zugeführten Brennstoffs als auch des über die Gasstrahlpumpe rezirkulierten Abgases erzielt. Der gesamte Anodenraum wird dann von einem pulsierenden Gasstrom versorgt. Dies führt zu einer Erhöhung der Druckverluste durch ein ständiges Ansteigen und Absinken des Drucks. Hierdurch wird der Austrag von unerwünschten Gasen und Flüssigkeit aus dem Anodenraum deutlich verbessert.
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Der Aufbau hat dabei den Nachteil, dass es aufgrund des pulsierenden Treibstrahls zu einer negativen Beeinflussung der Rezirkulationsleistung sowie zu einer gegebenenfalls schwierigen Regelung des Volumenstroms bei der Rezirkulation kommen kann. Ein weiterer gravierender Nachteil besteht in den Geräuschemissionen, welche beim Einsatz von getakteten Ventilen vor einer Gasstrahlpumpe verursacht werden. Insbesondere in einem Brennstoffzellenfahrzeug, welches gegenüber herkömmlichen Fahrzeugen sehr wenige Geräuschemissionen verursacht, ist eine solche Geräuschemission durch gepulst angesteuerte Dosierventile für den Brennstoffstrom unerwünscht und wird von Nutzern als sehr störend empfunden.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik, beispielsweise in Form der
JP 2007-294291 A ist es außerdem bekannt, einen Brennstoffzellenstapel in mehrere Teilstapel zu unterteilen. Diese Stapel werden hinsichtlich der Versorgung mit Edukten über verschiedene Leitungszweige angeströmt, welche parallel zueinander angeordnet sind. Über eine geeignete Verschaltung und entsprechende Ventileinrichtungen in Querverbinden zwischen den einzelnen Leitungszweigen wird die Möglichkeit geschaffen, je nach Betriebszustand die einzelnen Teilstapel entweder parallel zueinander oder in Serie nacheinander zu durchströmen. In einer weiteren Ausführungsform wird auf diese Option verzichtet und die Stapel sind so verschaltet, dass diese parallel zueinander angeordnet sind und je nach erforderlicher Leistung jeweils einer, zwei oder mehrere der Stapel gleichzeitig durchströmt und damit elektrochemisch aktiviert werden.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist es außerdem bekannt, dass eine Aufteilung von Brennstoffzellenstapeln in Teilstapeln erfolgen kann, welche dann so verschaltet sind, dass diese zeitweise in die eine Strömungsrichtung und zeitweise in die andere Strömungsrichtung durchströmt werden. Hierzu wird beispielhaft auf die
DE 10 2008 010 305 A1 oder die
DE 10 2010 047 334 A1 verwiesen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit Brennstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches die im Stand der Technik auftretenden Nachteile vermeidet und einen einfachen und effizienten Aufbau gewährleistet, welcher für den Fall der Rezirkulation mit einem kontinuierlichen Treibgasstrom auskommt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem löst eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 4 diese Aufgabe. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens und der Vorrichtung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass der in wenigstens zwei Teilstapel aufgeteilte Brennstoffzellenstapel parallel mit Brennstoff versorgt wird. Erfindungsgemäß ist es dabei so, dass jeder der parallelen Teilströme hinsichtlich des Volumenstroms und/oder des Drucks pulsiert, wobei die Pulsationen der Teilströme sich jeweils so ergänzen, dass der gemeinsame Brennstoffstrom vor der Aufteilung nicht pulsiert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Brennstoffversorgung also über einen kontinuierlich strömenden Brennstoffstrom, welcher insbesondere über ein Proportionalventil sehr leise und zuverlässig in seiner Größe entsprechend der Leistung der Brennstoffzelle dosiert werden kann. Dieser kontinuierliche Brennstoffstrom wird dann auf die wenigstens zwei Teilstapel aufgeteilt, wobei insbesondere immer jeweils einer der Teilstapel von dem vollen Brennstoffstrom versorgt und der andere der Teilstapel gar nicht versorgt wird. Nach einiger Zeit erfolgt ein Wechsel der Durchströmung. Hierdurch ergibt sich in jedem der Teilstapel eine pulsierende Strömung mit den entsprechenden Vorteilen beim Austrag von Wasser und Inertgasen aus dem Anodenbereich des Teilstapels, ohne dass der in der Zuleitung dosierte Brennstoffstrom selbst pulsierend ausgeführt werden muss. Die Nachteile des Standes der Technik werden dadurch umgangen und es entsteht ein einfacher und effizienter Aufbau. Je nach Leistung des Brennstoffzellensystems kann dabei die oben beschriebene Variante gewählt werden, bei welcher jeder der Teilstapel pulsierend zwischen dem vollen Volumenstrom und keinem Volumenstrom hin und hergeschaltet wird, während der andere Teilstapel genau umgekehrt geschaltet wird. Zwischenstellungen sind dabei ebenso möglich, beispielsweise eine Aufteilung im Verhältnis 3:7 bzw. nach dem Umschalten 7:3 zwischen den Teilstapeln oder dergleichen. Bei Volllast ist es selbstverständlich auch denkbar, beide Teilstapel mit demselben Volumenstrom, typischerweise dem maximalen Volumenstrom an Brennstoff zu versorgen. Egal wie die Aufteilung gestaltet ist, ist es auf jeden Fall so, dass jeder der beiden Teilstapel ständig in Betrieb ist. Hierfür muss entweder der Teilvolumenstrom angepasst oder die Zeit bis zum Wechsel zwischen den Stapeln entsprechend kurz gewählt werden, sodass trotz pulsierender Brennstoffversorgung jeder der Teilstapel dauerhaft elektrisch eingeschaltet bleibt.
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Neben der Verwendung der bisher beschriebenen zwei Teilstapeln ist es selbstverständlich auch denkbar, mehrere Teilstapel, beispielsweise drei oder vier Teilstapel, entsprechend einzusetzen und diese in derselben Logik so zu versorgen, dass sich in jedem der Teilstapel zumindest in einigen Phasen des Betriebs, insbesondere im Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems, ein pulsierender Brennstoffstrom durch den Teillaststapel ergibt.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass die Teilströme zurückgeführt und mit dem Brennstoff vor der Aufteilung in die Teilströme vermischt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich also nicht nur für eine Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems, welches im (Near-)Dead-End-Betrieb betrieben wird, sondern auch für die Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit einer Anodenrezirkulation, da sich hier dieselben Vorteile ergeben, wobei durch das Pulsieren der zurückgeführten Teilströme der Effekt der Pulsation gegebenenfalls verstärkt werden kann, wenn die Teilströme einzeln zurückgeführt werden. Alternativ dazu ließe sich durch eine Variation in der Leitungslänge je nach Ansteuerung dieser Effekt auch umgehen. Dieser Aufbau setzt jedoch eine vergleichsweise komplexe Steuerung bzw. Regelung voraus.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es daher vorgesehen, dass die Teilströme vor dem Zurückführen zusammengeführt werden. Hierdurch wird einerseits der Aufwand hinsichtlich der benötigten Rückführleitungen reduziert und andererseits wird durch eine Kombination der Teilströme die Pulsation in dem zusammengeführten Abgasstrom weitgehend ausgeglichen. Lediglich Unterschiede im Volumenstrom, welche sich durch unterschiedliche elektrische Leistungen der Teilstapel ergeben, können für eine gewisse Restpulsation sorgen. Diese ist jedoch deutlich geringer als bei der zuvor beschriebenen Variante und ermöglicht so eine sehr viel einfachere Ansteuerung und Regelung der Brennstoffversorgung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Brennstoffzellensystems sieht es dabei vor, dass die Teilleitungen nach den Teilstapeln in einzelne oder in eine gemeinsame Rezirkulationsleitung münden, welche mit der Brennstoffzuleitung verbunden ist. Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welcher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Anodenrezirkulation geeignet ist und entsprechende Ventileinrichtungen im Bereich der Teilleitungen vor oder nach den Teilstapeln aufweist, umfasst außerdem eine Zurückführung der einzelnen Teilleitungen entweder in eigenen Rezirkulationsleitungen oder in einer gemeinsamen Rezirkulationsleitung. Neben der Möglichkeit Druckpulsationen im Bereich der Teilstapel zu erzeugen, welche das Gesamtsystem und damit insbesondere die Dosierung des Brennstoffs jedoch nicht nachteilig beeinflussen, wird somit ferner die Möglichkeit geschaffen, die Teilstapel mit einem Überschuss an Brennstoff zu durchströmen. Hierdurch wird der Austrag von unerwünschten Inertgasen und Feuchtigkeit aus den Teilstapeln des Brennstoffzellensystems nochmals verbessert.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass in jeder der Teilleitungen genau eine Ventileinrichtung vor oder nach dem Teilstapel angeordnet ist. Dieser Aufbau garantiert mit einer minimalen Anzahl an Bauteilen die optimale Wirkung, da zur Durchführung des Verfahrens in der Vorrichtung eine einzige Ventileinrichtung in jeder der Teilleitungen ausreicht.
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Alternativ dazu kann es ferner vorgesehen sein, dass im Bereich der Aufteilung der Brennstoffzuleitung auf die Teilleitungen oder im Bereich einer eventuellen Zusammenführung der Teilleitungen in eine gemeinsame Rezirkulationsleitung eine Mehrwegventileinrichtung zur Beeinflussung der Volumenströme in jeder der Teilleitungen angeordnet ist. Anstelle der einzelnen Ventile in jeder der Teilleitungen kann auch eine solche Mehrwegventileinrichtung, beispielsweise eine 2/3-Wegeventileinrichtung bei der Verwendung von zwei Teilstapeln eingesetzt werden, um eine vergleichbare Regelung bzw. Steuerung der Volumenströme und damit die Erzeugung einer Pulsation ohne Pulsation im zugeführten und dosierten Brennstoffstrom zu erreichen.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass eine gemeinsame Rezirkulationsfördereinrichtung in Form einer Gasstrahlpumpe vorgesehen ist, welcher der Brennstoffzustrom als Treibgasstrom und der oder die Volumenströme aus der oder den Rezirkulationsleitungen als angesaugter Volumenstrom oder angesaugte Volumenströme zugeführt sind. Dieser Aufbau einer durch den zudosierten Treibgasstrom angetriebenen Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsfördereinrichtung ist besonders einfach und effizient, da der Treibgasstrom typischerweise unter einem hohen Druck steht, sodass die über die Gasstrahlpumpe eingebrachte Rezirkulationsleistung typischerweise in dem System ohnehin zur Verfügung steht und anders als bei einer als elektrisch angetriebenes Gebläse ausgebildeten Rezirkulationsfördereinrichtung nicht die elektrische Leistungsabgabe des gesamten Brennstoffzellensystems verringert.
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Die Teilstapel weisen dabei idealerweise dieselbe Größe auf. Sie können beispielsweise einzeln nebeneinander ausgebildet sein oder auch so, dass lediglich anodenseitig die Teilstapel durch eine Aufteilung des Anodenraums der Brennstoffzelle in zwei vorzugsweise gleiche parallel durchströmbare Abschnitte ausgebildet ist, während der Brennstoffzellenstapel für die beiden anodenseitigen Teilstapel einen gemeinsamen Kathodenraum aufweist. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient, um bestehende Systeme dahingehend zu modifizieren, dass die Größe des Stapels nicht verändert wird, sondern lediglich eine Aufteilung der Anodenseite bzw. des Anodenraums in zwei parallel durchströmbare Teilstapel realisiert werden muss. Die Kathodenseite mit der Luftversorgung kann vollkommen unberührt bleiben und der mechanische Aufbau des Systems, insbesondere Halterungen, Lagerungen und Anschlüsse können unverändert bleiben.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine beispielhafte Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Brennstoffversorgung in einer ersten Ausführungsform in einem Fahrzeug;
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2 einen Ausschnitt aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform;
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3 einen Ausschnitt aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform;
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4 einen Ausschnitt aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vierten Ausführungsform; und
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5 einen Ausschnitt aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer fünften Ausführungsform.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer stark schematisierten Darstellung zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 befindet sich in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2, welches beispielsweise als schienenloses Kraftfahrzeug, insbesondere als Pkw, Nutzfahrzeug oder Omnibus, als gleisgebundenes Kraftfahrzeug, als Wasserfahrzeug oder als führerloses oder von einem Fahrer gesteuertes Transportsystem, beispielsweise im Bereich der Logistik, ausgebildet sein kann. Das Brennstoffzellensystem 1 liefert die elektrische Antriebsleistung für dieses Fahrzeug 2 in an sich bekannter Art und Weise. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche in an sich bekannter Art und Weise als Stapel von Einzelzellen ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 3 soll dabei in sogenannter PEM-Technologie realisiert sein. Der Brennstoffzellenstapel 3 ist dabei in zwei Teilstapel 3a und 3b aufgeteilt. Jeder der Teilstapel 3a, 3b weist einen Kathodenraum 4a, 4b und einen Anodenraum 5a, 5b auf, welche in der Darstellung der 1 prinzipmäßig als ein durchgehender Raum für jeden der beiden Teilstapel 3a, 3b dargestellt sind. In einem realen Aufbau sind die Kathodenräume 4 und die Anodenräume 5 in jeder der Einzelzellen angeordnet und über einen gemeinsamen Versorgungskanal in jedem der Teilstapel 3a, 3b zu den hier dargestellten Räumen 4a, 4b bzw. 5a, 5b verbunden. Den beiden Kathodenräumen 4a, 4b wird über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant parallel zugeführt. Die Abluft gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abluftleitung 7, welche zwei Teilabluftleitungen von den einzelnen Teilstapeln 3a, 3b miteinander vereint, an die Umgebung. Prinzipiell wären hier weitere Aufbauten wie beispielsweise Turbinen, Wasserabscheider, Befeuchter, katalytische Brenner oder dergleichen denkbar. Dies ist für die Erfindung nicht weiter relevant und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, sodass hierauf im Rahmen der Beschreibung nicht näher eingegangen wird.
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Von besonderem Interesse für die hier vorliegende Erfindung ist die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1. Die Brennstoffversorgung der Anodenräume 5a, 5b der Teilstapel 3a, 3b erfolgt mit Wasserstoff. Dieser wird in dem Fahrzeug 2 in einem Druckgasspeicher als Brennstoffquelle 8 gespeichert und über einen Druckminderer 9 zur Verfügung gestellt. Er strömt über eine Brennstoffzuleitung 10 und eine später noch näher erläuterte Gasstrahlpumpe 11 über zwei Teilleitungen 12a, 12b zu den Teilstapeln 3a, 3b. Zur Dosierung ist dabei ein Proportionalventil 13 in Strömungsrichtung vor der Gasstrahlpumpe 11 vorgesehen. Über das Proportionalventil 13 als Dosierventil wird die Menge an benötigtem Brennstoff in Abhängigkeit der angeforderten elektrischen Leistung von der Brennstoffzelle 3 entsprechend zudosiert. Nicht verbrauchter Brennstoff gelangt über die mit 12a' und 12b' bezeichneten Teilleitungen in eine gemeinsame Rezirkulationsleitung 14. Über die gemeinsame Rezirkulationsleitung 14 strömt Abgas aus den Teilstapeln 3a, 3b gemeinsam zurück zu der bereits angesprochenen Gasstrahlpumpe 11. In dieser Gasstrahlpumpe 11 dient der aus der Brennstoffzuleitung 10 stammende Volumenstrom als Treibgasstrom und saugt durch Unterdruckeffekte und Impulsaustausch den Gasstrom aus der Rezirkulationsleitung 14 an und fördert die beiden Gasströme vermischt erneut zu den Anodenräumen 5a, 5b der Teilstapel 3a, 3b. Dieser Vorgang einer Anodenrezirkulation ist aus dem Stand der Technik ebenfalls bekannt und ist hier lediglich dahingehend verändert, dass eine parallele Durchströmung der beiden Teilstapel 3a, 3b über die Teilleitungen 12a, 12a' und 12b, 12b' auftritt. Über die gemeinsame Rezirkulationsleitung 14 wird dabei das Abgas aus den beiden Teilstapeln 3a, 3b rezirkuliert. Dies ergibt die Möglichkeit, die Anodenräume 5a, 5b der Teilstapel 3a, 3b mit einem Überschuss an Wasserstoff anzuströmen, um so eine gute Versorgung der gesamten zur Verfügung stehenden elektrochemisch aktiven Fläche zu gewährleisten. Außerdem ermöglicht der etwas höhere Volumenstrom an Wasserstoff einen verbesserten Austrag von Inertgasen, welche durch die Membranen in die Anodenräume 5a, 5b diffundieren und von Wasser, welches in den Anodenräumen 5a, 5b während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels 3 entsteht. Dieses Wasser wird im Bereich der Rezirkulationsleitung 14 über einen Wasserabscheider 15 abgeschieden und kann über ein Ablassventil 16 beispielsweise von Zeit zu Zeit in an sich bekannter Art und Weise abgelassen werden. Zusammen mit dem angesammelten Wasser kann außerdem ein Teil des Gases mit abgelassen werden, sodass die Inertgase aus dem Anodenkreislauf entfernt werden und die Wasserstoffkonzentration nicht unter einen kritischen Wert abfällt und dadurch die Performance des Brennstoffzellenstapels 3 verschlechtert.
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Zur Verbesserung des Austrags von Inertgasen und Feuchtigkeit aus den Anodenräumen 5a, 5b des Brennstoffzellenstapels 3, insbesondere im Teillastbetrieb, also bei einer verringerten Zufuhr von Brennstoff über das Proportionalventil 13, kann nun durch zwei Ventileinrichtungen 17a, 17b in den Teilleitungen 12a, 12b verbessert werden. Hierzu werden die Ventileinrichtungen 17a, 17b, welche als reine Auf/Zu-, also als 2/2-Wegeventile ausgebildet sein können, so angesteuert, dass für einen ersten Zeitabschnitt der gesamte zudosierte Volumenstrom durch den Teilstapel 3a strömt, während durch den Teilstapel 3b kein Volumenstrom an Wasserstoff strömt. Nach einem gewissen Zeitabschnitt wird umgeschaltet, sodass der gesamte Volumenstrom durch den Teilstapel 3b und kein Volumenstrom durch den Teilstapel 3a strömt. Diese Umschaltung erfolgt nach Ablauf eines weiteren Zeitintervalls wieder zurück und so weiter. Die Zeitintervalle sind dabei so zu wählen, dass ständig beide Teilstapel 3a, 3b elektrochemisch aktiv bleiben und keiner der Stapel abgeschaltet wird. Vielmehr brauchen die Stapel in den Zeitintervallen mit weniger oder ohne Brennstoffversorgung in den Anodenräumen 5a, 5b befindlichen Restbrennstoff auf, sodass ein durchgehender Betrieb beider Teilstapel 3, 3b erfolgt. Durch die zeitliche Beeinflussung des Brennstoffstromes ergibt sich die Möglichkeit, in den Betriebssituationen, in denen dies notwendig ist, und dies betrifft insbesondere Teillastsituationen des Brennstoffzellensystems 1, einen pulsierten Gasstrom durch jeden der beiden Teilstapel 3a, 3b zu realisieren. Hierdurch wird der Austrag an Feuchtigkeit und inerten Gasen deutlich verbessert. Die Ventileinrichtungen 17a, 17b werden so geschaltet, dass ein Einfluss auf den zudosierten Brennstoffstrom aus der Zuleitung 10 nicht auftritt. Der kontinuierliche Volumenstrom in der Zuleitung wird lediglich auf die Teilleitungen 12a, 12b entsprechend aufgeteilt. Somit kann weiterhin einfach, sicher und zuverlässig über das Proportionalventil 13 eine Dosierung des Brennstoffs vorgenommen werden. Nachteile wie eine erhöhte Geräuschemission, welche beispielsweise bei pulsierten Dosierventilen in dem vor der Gasstrahlpumpe 11 noch unter relativ hohem Druck stehenden zudosierten Brennstoffstrom auftreten, können somit vermieden werden. Dennoch kann durch zwei einfache Auf/Zu-Ventile in den Teilleitungen 12a, 12b eine sichere Funktionalität erreicht werden und durch die Möglichkeit einer pulsierenden Durchströmung der Teilstapel 3a, 3b mit sich reziprok ergänzenden Pulsationen wird ein sehr guter Austrag von Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellenstapel 3 erreicht.
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In den Darstellungen der 2 bis 5 sind nun alternative Ausführungsformen dargestellt, welche ebenfalls zur Umsetzung der beschriebenen verfahrensmäßigen Vorteile dienen. Zur Vereinfachung der Darstellung ist dabei jeweils nur die Brennstoffversorgung ab dem Proportionalventil 13 und von dem Brennstoffzellenstapel 3 jeweils nur der Anodenraum 5a, 5b dargestellt.
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In der Darstellung der 2 ist ein Aufbau zu erkennen, welcher im Wesentlichen vergleichbar zu dem in 1 dargestellten Aufbau ausgebildet ist. Lediglich die Anordnung der Ventileinrichtungen 17a, 17b ist aus dem Stück der Teilleitungen 12a, 12b vor dem Anodenraum 5a, 5b in das Stück der Teilleitungen 12a', 12b' in dem Abschnitt hinter dem Anodenraum 5a, 5b verschoben. Die Funktionalität ist ansonsten dieselbe.
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In der Darstellung der 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel analog der Darstellung in 1 aufgegriffen. Anstelle der beiden 2/2-Wegeventile 17a, 17b ist hier lediglich ein 2/3-Wegeventil 17 im Bereich der Aufteilung der von der Gasstrahlpumpe 11 kommenden Brennstoffzuleitung 10 und der Teilleitungen 12a, 12b zu den Anodenräumen 5a, 5b der Teilstapel 3a, 3b dargestellt. Über ein solches 2/3-Wegeventil lässt sich mit verringertem Bauraumaufwand, aber durch eine etwas komplexere Ventileinrichtung, eine vergleichbare Schaltung wie durch die beiden beschriebenen Einzelventile erzielen, sodass auch hier dieselben Aspekte relevant sind, wie bei dem eingangs beschriebenen Ausführungsbeispiel.
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In der Darstellung der 4 ist ebenfalls ein 2/3-Wegeventil als Ventileinrichtung 17 zu erkennen. Anders als in der Darstellung der 3 ist dieses in dem Bereich angeordnet, in dem die Teilleitungen 12a', 12b' nach den Anodenräumen 5a, 5b der Teilstapel 3a, 3b mit der gemeinsamen Rezirkulationsleitung 14 zusammengeführt werden. Auch hierdurch lässt sich dieselbe Ansteuerung realisieren, wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
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In der Darstellung der 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zu erkennen. Es orientiert sich im, Wesentlichen wieder an dem in 1 gezeigten Aufbau und weist die Ventileinrichtungen 17a, 17b im Bereich der Teilleitungen 12a, 12b zu den Anodenräumen 5a, 5b der Teilstapel 3a, 3b auf. Eine Anordnung der Ventileinrichtungen 17a, 17b analog der Ausführungsform in 2 oder die Verwendung eines 2/3-Wegeventils 17 analog der Ausführungsform in 3 wären hier selbstverständlich ebenso denkbar. Der Unterschied gegenüber den bisherigen Figuren besteht nun darin, dass jeder der Teilstapel 3a, 3b über eine eigene Rezirkulationsleitung 14a, 14b verfügt, welche darüber hinaus über einen optionalen jeweils eigenen Wasserabscheider 15a, 15b aufweisen können. Die Rezirkulationsleitungen 14a, 14b von den Anodenräumen 5a, 5b werden beide in den Bereich der Gasstrahlpumpe 11 zurückgeführt und dort gemeinsam angesaugt, beispielsweise über einen gemeinsamen Ringkanal, in, den die beiden Rezirkulationsleitungen 14a, 14b münden. Ebenso wäre es denkbar, die Ansaugung der Volumenströme aus den Rezirkulationsleitungen 14a, 14b in der Gasstrahlpumpe 11 unabhängig voneinander beispielsweise über zwei Düsen oder gegebenenfalls auch zwei parallel geschaltete Gasstrahlpumpen vorzunehmen. Ansonsten gilt auch für die in 5 dargestellte Ausführungsform dasselbe, was bei den vorhergehenden Figuren bereits ausführlich erläutert worden ist.
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Neben der Verwendung der hier beispielhaft dargestellten Gasstrahlpumpen 11 wären selbstverständlich auch die Verwendung andersartiger Rezirkulationsfördereinrichtungen denkbar, beispielsweise der Einsatz von Rezirkulationsgebläsen in der Rezirkulationsleitung 14 bzw. bei der Verwendung von zwei Rezirkulationsleitungen 14a, 14b auch in jeder dieser Rezirkulationsleitungen 14a, 14b. Selbstverständlich ist auch eine an sich bekannte Kombination aus Gasstrahlpumpen und Rezirkulationsgebläsen denkbar und möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7320840 B2 [0003]
- JP 2007-294291 A [0005]
- DE 102008010305 A1 [0006]
- DE 102010047334 A1 [0006]
