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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Befeuchter zum Befeuchten eines in den Brennstoffzellenstapel einbringbaren Reaktanden. Eine Umgehungsleitung zum Umgehen des Befeuchters ist an eine Zuführleitung angeschlossen, über welche der Befeuchter mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagbar ist. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem einen Turbolader, dessen Turbine über eine Abgasleitung mit Abgas des Brennstoffzellenstapels beaufschlagbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
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Die
DE 10 2007 015 955 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei welchem einem Brennstoffzellenstapel ein Befeuchter vorgeschaltet ist, mittels welchem einer Kathode des Brennstoffzellenstapels zuführbare Zuluft befeuchtet werden kann. Die Zuluft wird hierbei mittels eines Verdichters eines Turboladers verdichtet, welcher die verdichtete Zuluft zum Befeuchter fördert. Als Befeuchtungsmedium, welches in den Befeuchter eingebracht wird, dient das Abgas der Kathode des Brennstoffzellenstapels. An eine Zuführleitung, über welche das Kathodenabgas dem Befeuchter zugeführt wird, ist eine Umgehungsleitung angeschlossen, welche stromabwärts des Befeuchters in eine Abgasleitung einmündet, über welche das vom Brennstoffzellenstapel kommende Abgas nach dem Durchströmen des Befeuchters einer Turbine des Turboladers zugeführt wird. In der Umgehungsleitung oder Bypassleitung ist ein elektrisch betätigbares Bypassventil angeordnet, welches es ermöglicht, eine Befeuchtungsleistung des Befeuchters zu verändern. Zusätzlich oder alternativ ist in einer weiteren Umgehungsleitung ein Bypassventil angeordnet, welches stromaufwärts des Befeuchters von einer Einlassleitung abzweigt und stromabwärts des Befeuchters wieder in die Einlassleitung einmündet, über welche die Kathode des Brennstoffzellenstapels mit der verdichteten Zuluft beaufschlagbar ist.
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Des Weiteren ist in der
DE 10 2007 003 240 B3 ein Brennstoffzellensystem mit einer auf der Kathodenzuluftseite um den Befeuchter herumgeführten Bypassleitung beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems zu schaffen, welches besonders funktionssicher ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mündet die Umgehungsleitung stromabwärts der Turbine des Turboladers in die Abgasleitung ein. Dadurch kann eine Beaufschlagung der Turbine mit dem stromaufwärts des Befeuchters in die Umgehungsleitung abgezweigten Befeuchtungsmedium verhindert werden. Das der Turbine zugeführte Abgas ist dann trockener als bei einem Brennstoffzellensystem, bei welchem die Umgehungsleitung stromaufwärts der Turbine in die Abgasleitung einmündet. Die Möglichkeit, die Turbine mit trockenerem Abgas zu beaufschlagen, wirkt sich positiv auf die Beständigkeit und Funktionssicherheit der Turbine aus. Es kann also eine besonders hohe Langlebigkeit der Turbine sichergestellt werden.
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Bevorzugt ist in der Umgehungsleitung wenigstens eine Absperreinrichtung zum zumindest partiellen Versperren oder Freigeben der Umgehungsleitung angeordnet. Dies ermöglicht es, den Befeuchtungsgrad des Reaktanden, bei welchem es sich insbesondere um die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Zuluft handeln kann, entsprechend den Anforderungen des Brennstoffzellenstapels und abhängig von Umweltbedingungen genau einzustellen. Als Anforderung des Brennstoffzellenstapels kann insbesondere eine Last desselben beziehungsweise ein Lastpunkt berücksichtigt werden.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere in einem Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen, also beispielsweise bei Einsatz desselben in einem Fahrzeug, die Zuluft, welche der Brennstoffzelle zugeführt wird, im Hinblick auf den erforderlichen Massenstrom, den Druck, die Temperatur und die Feuchtigkeit zu konditionieren ist. Vorliegend ist eine Befeuchtung und eine Regelung der Feuchtigkeit unabhängig vom Massenstrom und auch unabhängig vom eingangsseitig des Brennstoffzellenstapels vorliegenden Druck möglich. Es kann nämlich durch Ansteuern der Absperreinrichtung der Befeuchtungsgrad eingestellt werden.
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Ohne eine solche Regelungsmöglichkeit ergäbe sich die relative Feuchte des dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Reaktanden in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Druck und dem Massenstrom desselben sowie einer Kühlmitteltemperatur des Brennstoffzellenstapels. Durch die Umgehungsleitung mit der wenigstens einen Absperreinrichtung ist jedoch ein Stellglied vorhanden, mittels welchem sich die Massenströme des Befeuchtungsmediums in dem zur Regelung der Feuchtigkeit günstigen Bereich einstellen beziehungsweise regeln lassen. Hierbei sind die Umgehungsleitung und die wenigstens eine Absperreinrichtung passend zu den weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems ausgelegt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Absperreinrichtung als regelbares Ventil oder als regelbare Klappe ausgebildet. Mittels eines solchen regelbaren Ventils oder Proportionalventils beziehungsweise einer solchen regelbaren Klappe lässt sich die Feuchte des Reaktanden besonders genau einstellen, da der Strom des Befeuchtungsmediums durch die Umgehungsleitung stufenlos variiert werden kann. Zudem kann mit derartigen regelbaren Absperreinrichtungen ein besonders großer Betriebsbereich abgedeckt werden.
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Als regelbare Ventile oder Klappen können insbesondere standardisierte Komponenten verwendet werden, wie sie beispielsweise in der Fahrzeugtechnik in Form von Zuluft-Drosselklappen, Abgas-Rückführventilen und Abgasklappen eingesetzt werden. Derartige Standardkomponenten aus dem Automotive-Bereich haben nämlich ihre Eignung unter entsprechenden Betriebsbedingungen unter Beweis gestellt und können daher mit besonders geringem Aufwand auch in dem Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommen.
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Eine besonders kostengünstige Auslegung ist erreichbar, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die wenigstens eine Absperreinrichtung als Schaltventil ausgebildet ist. Um hier einen besonders großen Betriebsbereich abzudecken, kann ein solches Schaltventil getaktet betrieben werden, also abwechselnd aus einer Geschlossenstellung in eine Offenstellung verbracht werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Schaltventil durch Beaufschlagen mit einem Druck in eine Offenstellung oder in eine Geschlossenstellung verbringbar ist. Derartige druckbetätigte Ventile werden auch als Schubumluftventile bezeichnet und sind besonders einfach und kostengünstig. Solche Schaltventile werden bevorzugt durch Beaufschlagen mit einem Unterdruck in die Offenstellung verbracht und ohne Druckbeaufschlagung durch Federkraft in ihrer Geschlossenstellung gehalten.
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Wenn die wenigstens eine Absperreinrichtung im Leitungsstrang der Umgehungsleitung selber angeordnet ist, so kann die Absperreinrichtung als 2/2-Wege-Proportionalventil oder als 2/2-Schaltventil ausgebildet sein. Dies kann aus Kostengründen sowie in Bezug auf die Zugänglichkeit zu der Absperreinrichtung günstig sein.
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Die wenigstens eine Absperreinrichtung kann jedoch auch an einer Anschlussstelle der Umgehungsleitung an die Zuführleitung und/oder an einer Einmündungsstelle der Umgehungsleitung in die Abgasleitung angeordnet sein. Entsprechend kann dann als Absperreinrichtung ein 3/2-Wege-Proportionalventil oder ein 3/2-Wege-Schaltventil zum Einsatz kommen. Dies kann im Hinblick auf den Bauraum und die Unterbringung der Absperreinrichtung vorteilhaft sein.
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Zum Ansteuern der wenigstens einen Absperreinrichtung ist bevorzugt eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, wenigstens einen Parameter zu berücksichtigen. Der wenigstens eine Parameter kann insbesondere eine Last des Brennstoffzellenstapels, eine Temperatur des Reaktanden oder einen Druck des Reaktanden umfassen. Beispielsweise kann bei hoher Last, hoher Temperatur oder hohem Druck eine entsprechende Erhöhung der Feuchte des Reaktanden eingestellt werden, indem die Steuerungseinrichtung die wenigstens eine Absperreinrichtung entsprechend ansteuert. Entsprechende Kennfelder können in einem Speicher der Steuerungseinrichtung abgelegt sein.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Brennstoffzellensystem einen Feuchtigkeitssensor umfasst, welcher zum Übermitteln von eine Feuchte des Reaktanden angebenden Signalen an die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist. Dann lässt sich die Feuchtigkeit auf entsprechende Sollwerte einregeln. Eine entsprechende Regelstrategie kann in der Steuerungseinrichtung hinterlegt sein.
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Der Feuchtigkeitssensor ist bevorzugt an einer vom Befeuchter zum Brennstoffzellenstapel führenden Einlassleitung angeordnet, über welche der befeuchtete Reaktand in den Brennstoffzellenstapel einbringbar ist. So kann besonders gut das Einregeln der Feuchte des Reaktanden auf jeweilige Sollwerte sichergestellt werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird in einen Brennstoffzellenstapel ein mittels eines Befeuchters befeuchtbarer Reaktand eingebracht. Der Befeuchter ist über eine Zuführleitung mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagbar. Zumindest ein Teil des Befeuchtungsmediums wird über eine an die Zuführleitung angeschlossene Umgehungsleitung um den Befeuchter herumgeführt. Eine Turbine eines Turboladers wird über eine Abgasleitung mit Abgas des Brennstoffzellenstapels beaufschlagt. Hierbei wird das um den Befeuchter herumgeführte Befeuchtungsmedium über die Umgehungsleitung stromabwärts der Turbine in die Abgasleitung eingebracht. So lässt sich eine Beaufschlagung der Turbine mit dem Befeuchtungsmedium vermeiden und die Turbine ist besonders weitgehend vor einer Korrosion oder dergleichen ungünstigen Beeinflussung beziehungsweise Funktionsbeeinträchtigung geschützt. Das Verfahren ist daher besonders funktionssicher.
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Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Diese zeigt schematisiert Komponenten eines Brennstoffzellensystems, bei welchem eine Umgehungsleitung oder Bypassleitung vorgesehen ist, welche sowohl einen Befeuchter des Brennstoffzellensystems als auch eine Turbine eines Turboladers des Brennstoffzellensystems umgeht.
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Ein in der Figur gezeigtes Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Mehrzahl von (nicht gezeigten) Brennstoffzellen mit jeweiligen Kathoden und Anoden. Den Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 wird ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder Sauerstoff, als Reaktand zugeführt. Diese Zuluft wird hierbei mittels eines Verdichters 14 eines Turboladers 16 verdichtet. Die verdichtete Zuluft kann mittels eines Ladeluftkühlers 18 gekühlt werden, bevor sie in einen Befeuchter 20 eintritt. Der Ladeluftkühler 18 kann insbesondere als mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagbarer Wärmeübertrager ausgebildet sein.
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Der Befeuchter 20 ist vorliegend als sogenannter Gas-zu-Gas-Befeuchter ausgebildet, bei welchem die zu befeuchtende Zuluft die Feuchtigkeit aus einem Gas als Befeuchtungsmedium aufnimmt. Als Befeuchtungsmedium wird vorliegend das Abgas oder die Abluft der Kathoden des Brennstoffzellenstapels 12 eingesetzt, welches dem Befeuchter 20 über eine Zuführleitung 22 zugeführt wird. Das Kathodenabgas enthält nämlich aufgrund des bei der Brennstoffzellenreaktion im Brennstoffzellenstapel 12 gebildeten Produktwassers Wasserdampf, welcher im Befeuchter 20 durch Membrane hindurch in die zu befeuchtende Zuluft eintreten kann.
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Nach dem Durchströmen des Befeuchters 20 wird das Abgas des Brennstoffzellenstapels 12 über eine an einen Ausgang des Befeuchters 20 angeschlossene Abgasleitung 24 einer Turbine 26 des Turboladers 16 zugeführt. An der Turbine 26 wird das Abgas entspannt und so mechanische Energie zum Antreiben des Verdichters 14 des Turboladers 16 rückgewonnen. Vorliegend ist zum Antreiben des Verdichters 14 zusätzlich ein Motor 28 vorgesehen. Der Turbolader 16 kann jedoch auch in einem Brennstoffzellensystem 10 zum Einsatz kommen, bei welchem ein separater Kompressor vorgesehen ist und der Turbolader 16 lediglich zum zusätzlichen Verdichten der Zuluft und zum Rückgewinnen der mechanischen Energie aus dem Abgas vorgesehen ist.
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Um den Befeuchtungsgrad der dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführten Zuluft einzustellen, ist vorliegend eine Umgehungsleitung oder Bypassleitung 30 vorgesehen, welche an einer Anschlussstelle 32 an die Zuführleitung 22 angeschlossen ist. An der Anschlussstelle 32 kann somit feuchtes Kathodenabgas abgezweigt werden, wenn eine geringere Befeuchtung der Zuluft erwünscht ist. Vorliegend mündet die Umgehungsleitung 30 stromabwärts der Turbine 26 in die Abgasleitung 24 ein, und zwar an einer Einmündungsstelle 34, an welcher die Bypassleitung 30 an die Abgasleitung 24 angeschlossen ist.
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Durch Nutzung dieser Bypassleitung 30 lässt sich verhindern, dass das über die Bypassleitung 30 um den Befeuchter 20 herum geführte feuchte Kathodenabgas in die Turbine 26 eintritt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Kathodenabgas Wasser in Tröpfchenform enthält, welches bei einem Auftreffen auf die Turbine 26 diese beschädigen könnte. Jedoch auch im Hinblick auf eine mögliche Korrosion der Turbine 26 ist das Herumführen der Bypassleitung 30 um den Befeuchter 20 und die Turbine 26 vorteilhaft. Es ist so eine Schädigung oder Funktionsbeeinträchtigung der Turbine 26 besonders weitgehend vermieden.
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In der Bypassleitung 30 ist eine Absperreinrichtung angeordnet, welche bei dem in der Figur gezeigten Brennstoffzellensystem 10 als Schaltventil 36 ausgebildet ist. Bei dem Schaltventil 36 handelt es sich vorliegend um ein 2/2-Wege-Schaltventil. Dieses wird von einem Steuergerät 38 angesteuert, um die Bypassleitung 30 freizugeben oder zu versperren. Das Schaltventil 36 kann mittels des Steuergeräts 38 getaktet betrieben werden, um einen entsprechend geringen Durchfluss des an der Zuführleitung 22 abgezweigten Kathodenabgases durch die Bypassleitung 30 sicherzustellen.
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Eine besonders genaue Regelung der Feuchte der Zuluft ist erreichbar, wenn ein Feuchtigkeitssensor 40 vorgesehen ist, welcher die Feuchte der dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführten Zuluft misst. Der Feuchtigkeitssensor 40 ist hierfür vorliegend an einer Einlassleitung 42 angeordnet, welche vom Befeuchter 20 zum Brennstoffzellenstapel 12 führt. Aufgrund der vom Feuchtigkeitssensor 40 an das Steuergerät 38 übermittelten Signale kann die Feuchte der Zuluft auf entsprechende Sollwerte eingeregelt werden.
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In dem Steuergerät 38 sind für alle Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 10 geeignete Regelstrategien und Kennfelder hinterlegt, über welche der Befeuchtungsgrad der Zuluft entsprechend den Anforderungen des Brennstoffzellenstapels 12 und abhängig von den Umweltbedingungen und dem Lastpunkt genau einstellbar ist.
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Anstelle des vorliegend beispielhaft gezeigten Schaltventils 36 kann auch ein Abgasrückführungsventil oder eine Abgasklappe oder eine Drosselklappe zum Einsatz kommen. Auch kann anstelle des Schaltventils 36 ein Proportionalventil eingesetzt werden.
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Des Weiteren ist es möglich, anstelle des 2/2-Wegeventils ein 3/2-Wegeventil einzusetzen. Ein solches 3/2-Wegeventil kann beispielsweise an der Anschlussstelle 32 oder an der Einmündungsstelle 34 angeordnet sein. Auch hier kann entsprechend eine 3/2-Wege-Klappe, ein Abgasrückführungsventil oder dergleichen zum Einsatz kommen. Des Weiteren können sowohl an der Anschlussstelle 32 als auch an der Einmündungsstelle 42 Proportionalventile oder Schaltventile eingesetzt werden.
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Es kann zudem eine weitere (nicht gezeigte) Umgehungsleitung vorgesehen sein, welche den Befeuchter 20 auf der Zuluftseite umgeht, also zwischen dem Verdichter 14 und Befeuchter 20 von einer Zuluftleitung abzweigt und in die Einlassleitung 42 einmündet. Auch so lässt sich die Feuchte der Zuluft besonders genau einstellen, und es ist eine alternative Bypassleitung für den Fall einer Funktionsstörung der jeweils anderen Bypassleitung 30 bereitgestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 12
- Brennstoffzellenstapel
- 14
- Verdichter
- 16
- Turbolader
- 18
- Ladeluftkühler
- 20
- Befeuchter
- 22
- Zuführleitung
- 24
- Abgasleitung
- 26
- Turbine
- 28
- Motor
- 30
- Bypassleitung
- 32
- Anschlussstelle
- 34
- Einmündungsstelle
- 36
- Schaltventil
- 38
- Steuergerät
- 40
- Feuchtigkeitssensor
- 42
- Einlassleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007015955 A1 [0002]
- DE 102007003240 B3 [0003]
