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Technisches Gebiet
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Die Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer Brennstoffzelle. Im Nutzbetrieb einer PEM Brennstoffzelle wird einer Anodenseite Wasserstoff zugeführt. Einer Kathode wird Sauerstoff zugeführt, zumeist in Form von in Umgebungsluft enthaltenem Sauerstoff. Die Anodenseite ist durch eine Membran von der Kathodenseite getrennt. Durch eine katalytische Oxidation wird Wasserstoff in zwei Protonen und zwei Elektronen umgewandelt. Die Protonen wandern durch die Membran zur Kathodenseite, die Elektronen fließen durch einen elektrischen Verbraucher zu der Kathodenseite. An der Kathodenseite wird der Sauerstoff unter Aufnahme der Protonen zu Wasser oxidiert.
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Die europäische Patentschrift
EP 1 459 404 B1 bezieht sich auf ein Verfahren zum Auftauen von gefrorenem Wasser in einer Brennstoffzelle, das beim Anlauf einer Brennstoffzellenanlage angewendet wird, die einen Brennstoffzellenstapel aufweist, der mehrere laminierte Brennstoffzellen aufweist, von denen jede eine Anode und eine Kathode auf jeder Seite einer Elektrolytmembran aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen der Temperatur einer Brennstoffzelle; und Auftauen des gefrorenen Wassers, wenn die Temperatur niedriger als ein Gefrierpunkt ist, durch Wärme, die durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen der Anode und der Kathode erzeugt wird, um zu bewirken, dass das gefrorene Wasser einer Elektrolyse unterzogen wird.
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Beschreibung
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In einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung sollen ein Verfahren und eine Anordnung zum Betreiben einer Brennstoffzelle angegeben werden, die einen beschleunigten Kaltstart ermöglichen.
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Diesen Aspekt greifen die unabhängigen Ansprüche auf. Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Offenbarung aus. Die Unteransprüche können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Offenbarung zusätzlich.
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Vorgesehen ist demgemäß ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle, aufweisend die Schritte:
- a) Erfassen einer Temperatur in der Brennstoffzelle, und, wenn eine Mindesttemperatur unterschritten wird,
- b) Starten eines Aufwärmbetriebs durch Anlegen einer inversen elektrischen Spannung an die Brennstoffzelle, wobei die inverse elektrische Spannung in umgekehrter Richtung zu einer in einem Nutzbetrieb der Brennstoffzelle von dieser abgegebenen Spannung liegt, und
- c) Zuführen von Wasserstoff an eine Kathodenseite, an der im Nutzbetrieb, in dem die Brennstoffzelle Strom liefert, Sauerstoff hinzugeführt wird.
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Der im Nutzbetrieb hinzugefügte Sauerstoff kann der in Luft bzw. Umgebungsluft befindliche Sauerstoff sein Die Kathodenseite und die Anodenseite sind durch eine protonendurchlässige Membran voneinander getrennt. Gleichwohl die Membran befeuchtet, das heißt mit Wasser benetzt sein muss, um sauber zu arbeiten, darf sie auch nicht zu naß sein, geschweige denn mit eingefrorenem Wasser benetzt sein. Das Verfahren arbeitet mit zwei Prinzipien gleichzeitig und erzielt dadurch einen synergetischen Effekt. Zum einen werden durch das Anlegen einer elektrischen Spannung Protonen durch die Membran von der Kathodenseite auf die Anodenseite gefördert, wodurch die Membran erhitzt wird. Die Wärme wird durch Reibung zwischen den Protonen und der Membran erzeugt. Zum anderen findet dadurch, dass im Aufwärmbetrieb der Kathodenseite Wasserstoff zugeführt wird, an dieser eine exotherme Reaktion statt, welche Wärme erzeugt. Das Aufwärmverfahren kann sofort angehalten werden und der Nutzbetrieb eingeleitet werden, wenn die Temperatur hierfür ausreicht.
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Das Aufwärmverfahren kann stufenweise durchgeführt werden, also mit abwechselnd einer Aufwärmphase und einem Nutzbetrieb. Die inverse elektrische Spannung kann mehr oder weniger zeitgleich mit der Injektion von Wasserstoff an die Kathodenseite angelegt werden. Die elektrische Spannung kann jedoch auch zeitlich versetzt zu der Injektion von Wasserstoff an die Kathodenseite angelegt werden.
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Dadurch, dass die Membran selbst erhitzt wird, entsteht die Wärme genau dort, wo sie im Nutzbetrieb benötigt wird. Das Aufwärmverfahren kann sofort unterbrochen werden, wenn zu erwarten ist, dass die Brennstoffzelle sich im anschließenden Nutzbetrieb schnell genug auf eine Betriebstemperatur erwärmt.
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In einer Ausgestaltung sind ferner die folgenden Schritte vorgesehen:
- a) Deaktivieren der inversen elektrischen Spannung und Abgreifen einer elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle in einem Nutzbetrieb,
- b) Erfassen der Temperatur in der Brennstoffzelle und
- c) Wiederholen des Aufwärmbetriebs, wenn die Temperatur geringer ist, als eine Starttemperatur.
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Diese Wiederholung des Aufwärmbetriebs kann beliebig oft erfolgen, bis die Brennstoffzelle eine gewünschte Temperatur erreicht hat. Weiterhin kann die Wiederholung des Aufwärmbetriebs auch zum Enteisen und zum Entfernen von aus dem Eis entstehendem Wasser aus der Anodenseite erfolgen.
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In einer Ausgestaltung erfolgt zusätzlich zu dem Deaktivieren der inversen elektrischen Spannung ein Anlegen einer Spannung in der Richtung, in welcher die Brennstoffzelle im Nutzbetrieb elektrischen Strom mit der elektrische Spannung erzeugt, um Protonen in der Richtung durch die Membran zu fördern, in der sie auch im Nutzbetrieb durch die Membran fließen.
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Anders ausgedrückt wird zusätzlich zu dem Deaktivieren der inversen elektrischen Spannung eine Spannung angelegt, welche höher ist als eine im Betrieb von der Brennstoffzelle abgegebenen Spannung, um Protonen in der Richtung durch die Membran zu fördern, in der sie auch im Nutzbetrieb durch die Membran fließen.
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Hierdurch werden die Protonen schneller durch die Membran gefördert, wodurch Wärme entsteht. Wie bereits erwähnt kann anschließend der Aufwärmbetrieb wiederholt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist weiterhin eine Heizeinrichtung zum Beheizen eines durch die Brennstoffzelle leitbaren Kühlmediums vorgesehen, wobei die Heizeinrichtung zusätzlich zu den Verfahrensschritten des Anlegens einer inversen Spannung und des Zuführens von Wasserstoff an die Kathodenseite das Kühlmedium erwärmt und erwärmtes Kühlmedium durch einen entsprechenden Wärmetauscher in der Brennstoffzelle geleitet wird.
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In einer Ausgestaltung ist das Deaktivieren der Zuführung von Wasserstoff an die Kathodenseite vorgesehen sowie die Überprüfung, wie hoch ein durch die Brennstoffzelle leitbarer elektrischer Strom ist. Es erfolgt ein Umschalten auf den Nutzbetrieb, wenn der leitbare Strom einen Mindestwert unterschreitet.
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Durch die Überprüfung des elektrischen Stroms kann evaluiert werden, wie hoch ein verbleibender Anteil an Wasserstoff an der Anodenseite inzwischen ist. Je geringer der Strom ist, desto höher ist der Wasserstoffanteil auf der Anodenseite. Ab einer gewissen Schwelle kann ein Nutzbetrieb der Brennstoffzelle gewährleistet werden.
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In weiteren Ausgestaltungen können ferner folgende Schritte vorgesehen sein:
- a) Erfassen eines Drucks auf der Kathodenseite,
- b) Vergleich des Drucks auf der Kathodenseite mit einem Kathodendrucksollwert und
- c) Hinzuführen einer erhöhten Menge an Wasserstoff und/oder Sauerstoff an die Kathodenseite, wenn der Druck geringer ist als der Kathodendrucksollwert.
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Der Druck auf der Kathodenseite hat einen Einfluss auf die Permeabilität der Membran für Protonen. Bei einem sehr geringen Druck wird ein elektrischer Widerstand der auf der Kathodenseite befindlichen Ionen entsprechend hoch sein. Dementsprechend hoch ist dann auch ein ohmscher Widerstand. Allerdings steht dann auch weniger Substanz zur Verfügung, welche sich überhaupt elektrochemisch erwärmen lässt. Es versteht sich, dass der Druck auf der Kathodenseite überwacht und durch Einstellung der Ventile geregelt werden kann.
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In weiteren Ausgestaltungen können ferner folgende Schritte vorgesehen sein:
- a) Erfassen eines Drucks auf der Anodenseite,
- b) Vergleich des Drucks auf der Anodenseite mit einem Anodendrucksollwert und
- c) Erhöhen einer inversen elektrischen Spannung, um durch ein Hinzufügen von Protonen an die Anodenseite den Druck auf der Anodenseite zu erhöhen, wenn der Druck kleiner ist als der Anodendrucksollwert.
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Ein Druckgefälle zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite hat einen Einfluss auf eine Elektronenleitbarkeit der Ionen und der Membran. Dementsprechend kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, den Druck sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite zu regeln. Weiterhin kann auch Wasserstoff an die Anodenseite geführt werden und Abgas kann zur Druckregelung auf der Anodenseite rezirkuliert werden.
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Eine Anordnung zum Betreiben einer Brennstoffzelle entsprechend der vormals genannten Verfahrensschritte macht einige zusätzliche Komponenten erforderlich. Offenbarungsgemäß ist beispielsweise eine Anordnung zum Betreiben einer Brennstoffzelle, aufweisend einen Wasserstoffinjektor zur Zuführung von Wasserstoff an eine Kathodenseite der Brennstoffzelle, welcher in einem Nutzbetrieb Sauerstoff zugeführt wird, und aufweisend Mittel zur Bereitstellung einer inversen elektrischen Spannung, welcher einer im Nutzbetrieb herrschenden elektrischen Spannung entgegengesetzt ist.
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Bei den Mitteln zur Bereitstellung einer inversen elektrischen Spannung kann es sich um Leistungstransistoren und Schalter handeln, die mit einer elektrischen Batterie verbindbar sind.
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In einer Ausgestaltung ist weiterhin ein Verdichter zur Hinzuführung von Sauerstoff an die Kathodenseite vorgesehen, wobei stromabwärts von von dem Verdichter ein Befeuchter angeordnet ist, welcher räumlich so nahe an der Brennstoffzelle angeordnet ist, dass im Aufwärmbetrieb entstehende Wärme den Befeuchter erwärmt.
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Hierdurch kann der Befeuchter, in dem sich Wasser befindet, im Aufwärmbetrieb gleichzeitig mit Abwärme aus der Brennstoffzelle beheizt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Anordnung ferner ein fluidleitend zwischen dem Befeuchter und der Kathodenseite der Brennstoffzelle angeordnetes Kathodenventil auf. Über das Kathodenventil kann die Luftversorgung an die Kathodenseite unabhängig von dem Verdichter geregelt, insbesondere gestoppt werden. Es kann genau so viel Sauerstoff (in Luft befindlicher Sauerstoff) an die Kathodenseite gefördert werden, dass der hinzugeführte Wasserstoff entweder exotherm mit der Luft zu Wasser oxidiert oder durch die inverse elektrische Spannung als Protonenstrom zur Anodenseite gepumpt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann ein Drucksensor vorgesehen sein, welcher dazu ausgestaltet ist, einen Druck auf der Kathodenseite zu überwachen, sowie ein Drucksensor, welcher dazu ausgestaltet ist, einen Druck auf der Anodenseite zu überwachen.
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Die Drucksensoren können signalübertragend mit einer Steuereinheit verbunden sein, die dazu ausgestaltet ist, Drucksignale der Kathoden- bzw. Anodenseite zuzuordnen und über die Ventile und über die angelegten Spannungen den Druck auf der Kathoden- bzw. Anodenseite zu regeln und entsprechend eines Kathodendrucksollwertes bzw. Anodendrucksollwertes zu steuern. Die Sollwerte können dabei beispielsweise durch eine gewünschte Aufwärmrate, eine gewünschte Gasdichte und eine gewünschte Druckdifferenz zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite beeinflusst werden.
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Vorgesehen zur Umsetzung des Verfahrens an einer Anordnung zum Betreiben einer Brennstoffzelle ist eine Steuereinheit, welche signalübertragend mit der Brennstoffzelle und dem Wasserstoffinjektor an einer Kathodenseite der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei der Wasserstoffinjektor eine fluidleitende Verbindung zwischen einer Wasserstoffversorgung und der Kathodenseite bereitstellen kann, wobei die Steuereinheit ferner signalübertragend mit einer Stromversorgung verbunden ist und dazu ausgestaltet ist, die Kathodenseite und die Anodenseite mit der Stromversorgung elektrisch leitend zu verbinden, und wobei die Steuereinheit zur Durchführung eines der offenbarungsgemäßen ausgestaltet ist.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode-Mitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer, insbesondere in einer Steuerelektronik eines Steuersystems ausgeführt wird. Das Steuersystem kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Computerprogramm mit kodierten Anweisungen zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn das Computerprogramm auf einem Computer, insbesondere einer Steuerelektronik eines Steuersystems ausgeführt wird. Das Steuersystem kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein. Das Computerprogramm kann insbesondere auf dem vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukt, beispielsweise eine Diskette, CD-ROM, DVD, Speicher, eine an das Internet angeschlossene Prozessoreinheit, gespeichert sein. Das Computerprogramm kann insbesondere als eine kompilierte oder noch nicht kompilierte Datenfolge ausgestaltet sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Signalfolge mit computerlesbaren Anweisungen zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wenn die Signalfolge von einem Computer, insbesondere einer Steuerelektronik eines Steuersystems verarbeitet wird. Das Steuersystem kann wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein. Die Signalfolge kann insbesondere mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Computerprogramms und/oder mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Computerprogrammprodukts erzeugt werden. Die Signalfolge kann als elektrische Impulse und/oder elektromagnetische Welle und/oder optische Impulse drahtlos oder drahtgebunden bereitgestellt werden.
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Ein Mittel im Sinne der vorliegenden Offenbarung kann hard- und/oder softwaretechnisch ausgebildet sein, insbesondere eine, vorzugsweise mit einem Speicher- und/oder Bussystem daten- bzw. signalverbundene, insbesondere digitale, Verarbeitungs-, insbesondere Steuereinheit mit Mikroprozessoren (CPU) und/oder ein oder mehrere Programme oder Programmmodule aufweisen. Die CPU kann dazu ausgebildet sein, Befehle, die als Programm implementiert sind, abzuarbeiten, Eingangssignale von einem Datenbus zu erfassen und/oder Ausgangssignale an einen Datenbus abzugeben. Das Programm kann auf einem Speichersystem abgelegt sein. Das Speichersystem kann ein oder mehrere, insbesondere verschiedene, Speichermedien, insbesondere optische, magnetische, Festkörper und/oder andere nicht-flüchtige Medien aufweisen. Das Programm kann derart beschaffen sein, dass es die hier beschriebenen Verfahren verkörpert bzw. auszuführen imstande ist, so dass die CPU die Schritte solcher Verfahren ausführen kann. In einer Ausführung sind ein oder mehrere, insbesondere alle Schritte des Verfahrens vollständig oder teilweise automatisiert durchführbar, insbesondere durch die Steuerung bzw. ihre Mittel.
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Figurenliste
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:
- 1: schematisch eine Anordnung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff und Luft; und
- 2: schematisch eine Wanderung von Protonen durch eine Membran einer Brennstoffzelle,
- 3: einen Temperaturverlauf über der Zeit,
- 4: schematisch einen Verfahrensablauf, der in einer Brennstoffzelle ständig oder zumindest nach einem Kaltstart ablaufen kann, um die Brennstoffzelle aufzuwärmen; und
- 5: schematisch einen Verfahrensablauf, der in einer Brennstoffzelle ablaufen kann.
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Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzustellen, dass einige Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Schritte des Verfahrens können Multiplikationen, Summierungen und Selektionen sowie Zuordnungen sein, zum Beispiel Zuordnung von Ausgangswerten zu Eingangswerten in Kennfeldern.
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1 zeigt eine Anordnung von verschiedenen, signaltechnisch und teilweise fluidleitend miteinander verbundenen Komponenten zur Versorgung einer Brennstoffzelle 1 mit Wasserstoff. Die Brennstoffzelle 1 ist schematisch in eine Anodenseite 2 und eine Kathodenseite 3 unterteilt (siehe auch 3). Die Unterteilung dient nur zur Erläuterung der vorliegenden Offenbarung. Eine realisierte Ausführungsform könnte zahlreiche übereinander gestapelte Anoden- und Kathodenseiten aufweisen, sowie dazwischen angeordnete Kanäle für Kühlwasser, Abgas und dergleichen.
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In einem Nutzbetrieb erzeugt die Brennstoffzelle 1 elektrischen Strom mit einer Spannung Ureg. Die Spannung Ureg ergibt sich aus Elektronen, welche auf der Anodenseite 2 von Protonen H+ des Wasserstoffs H2 abgespalten werden. Die Elektronen e- nehmen den Weg durch einen nicht dargestellten Verbraucher, beispielsweise einen Elektromotor. Die Protonen H+ wandern durch eine Membran 4, welche die Anodenseite 2 von der Kathodenseite 3 trennt.
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Der Wasserstoff H2 stammt von einer Wasserstoffversorgung 5. Bei der Wasserstoffversorgung 5 kann es sich um einen Tank handeln. Um die Anodenseite 2 mit Wasserstoff H2 zu versorgen, wird ein Anodeninjektor 6 geöffnet. Der Anodeninjektor 6 stellt dann eine fluidleitende Verbindung zwischen der Wasserstoffversorgung 5 und der Anodenseite 2 her.
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Auf der Kathodenseite 3 wird im Nutzbetrieb in Luft befindlicher Sauerstoff zugeführt. Die Zuführung von Luft erfolgt durch einen Verdichter 7, der durch einen Motor 8 angetrieben werden kann. Zusätzlich kann der Verdichter 7 in nicht dargestellter Weise durch eine Turbine angetrieben werden, die wiederum von Abgas aus der Brennstoffzelle 1 angetrieben wird.
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Die an die Kathodenseite 3 geförderte Luft wird in einem Befeuchter 9 zugeführt, da die offenbarungsgemäße Membran 4 im Betrieb feucht gehalten werden muss. Ein derartiger Befeuchter 9 ist nicht zwingend notwendig, einige Systeme laufen ohne Befeuchter. Der Befeuchter 9 ist mit einem Kathodenventil 10 fluidleitend verbunden. Bei offenem Kathodenventil 10 wird eine fluidleitende Verbindung zwischen dem Befeuchter 9 und der Kathodenseite hergestellt. Das Kathodenventil 10 kann jedoch auch geschlossen werden, beispielsweise bei einem im Folgenden beschriebenen Aufwärmbetrieb. Bei dem Kathodenventil 10 handelt es sich um ein fluiddicht schließbares Ventil. Ein stetiges Regelventil kommt daher zumeist nicht infrage. Es sind Schaltventile zu bevorzugen, die in der Regel in der geschlossenen Position keinerlei Leckage aufweisen. Ein Wärmetauscher 20 kühlt im Nutzbetrieb die der Kathodenseite 3 zugeführte Luft, während des Aufwärmbetriebs kann der Wärmetauscher 20 die Luft jedoch auch erwärmen.
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Während des Aufwärmbetriebs „pumpt“ die inverse elektrische Spannung Uin Protonen entsprechend der schematischen Darstellung in 3 von der Kathodenseite 3 auf die Anodenseite 2.
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Während des Aufwärmbetriebs wird eine elektrische Spannung Uin an die Brennstoffzelle 1 angelegt, die entgegengesetzt zur regulären, im Nutzbetrieb erzeugten Spannung Ureg liegt. Elektrischer Strom fließt dementsprechend in die umgekehrte Richtung zur Anodenseite.
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Außerdem wird während des Aufwärmbetriebs der Kathodenseite 3 der Brennstoffzelle 1 über einen Wasserstoffinjektor 11 Wasserstoff aus der Wasserstoffversorgung 5 zugeführt.
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Ferner ist ein Drucksensor 18 vorgesehen, welcher dazu ausgestaltet ist, einen Druck P3 auf der Kathodenseite 3 zu überwachen, sowie ein Drucksensor 19, welcher dazu ausgestaltet ist, einen Druck P2 auf der Anodenseite 2 zu überwachen.
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Die Drucksensoren 18 und 19 können signalübertragend mit der Steuereinheit 12 verbunden sein, die dazu ausgestaltet ist, Drucksignale der Kathodenseite 3 bzw. der Anodenseite 2 zuzuordnen und über die Ventile 10, 11 und 6 und über die angelegten Spannungen Ureg und Uin den Druck P2 und P3 auf der Kathoden- bzw. Anodenseite zu regeln und entsprechend eines Kathodendrucksollwertes bzw. Anodendrucksollwertes zu steuern. Die Sollwerte können dabei beispielsweise durch eine gewünschte Aufwärmrate beeinflusst werden. Eine Aufwärmrate ist eine Temperaturänderung über der Zeit. Weiterhin können die Sollwerte durch eine gewünschte Druckdifferenz P2-P3 beeinflusst werden. Da eine Leitfähigkeit der Gase für Elektronen auf der Kathodenseite 3 und der Anodenseite 2 von einer Gasdichte abhängt, gibt es auch eine Korrelation des Kathodendrucksollwertes und des Anodendrucksollwertes zu der angelegten Spannung Uin bzw. Ureg.
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Eine Steuereinheit 12 ist signalübertragend mit der Brennstoffzelle 1 und dem Wasserstoffinjektor 11 auf der Kathodenseite 3 der Brennstoffzelle 1 verbunden. Der Wasserstoffinjektor 11 ist dazu ausgestaltet, eine fluidleitende Verbindung zwischen der Wasserstoffversorgung 5 und der Kathodenseite 3 bereitzustellen. Der Wasserstoffinjektor 11 kann ein über eine PWM Steuerung ansteuerbares Ventil aufweisen, das durch ein rasch aufeinanderfolgendes Öffnen und Schließen dosiert Wasserstoff an die Kathodenseite 3 hindurchleitet. Über einen Drucksensor 18 kann der Erfolg der Wasserstoffinjektion überprüft werden. Ein Druck P3 auf der Kathodenseite 3 kann durch den Drucksensor 18 überwacht werden. Die Steuereinheit 12 ist ferner signalübertragend mit einer Stromversorgung 13 verbunden und dazu ausgestaltet, die Kathodenseite 3 und die Anodenseite 2 mit der Stromversorgung 13 elektrisch leitend zu verbinden.
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2 zeigt eine Temperatur T über der Zeit t. Zu einem Zeitpunkt t1 wird von der Steuereinheit 12 die Temperatur T erfasst und mit einer Mindesttemperatur Tm verglichen. Der Vergleich ergibt, dass die Temperatur T unterhalb einer Mindesttemperatur Tm liegt. Dementsprechend wird der Wasserstoffinjektor 11 geöffnet und die Steuereinheit 12 gibt einen Steuerbefehl an die Stromversorgung 13 bzw. eine Schalteinrichtung 14. Der Steuerbefehl veranlasst die Schalteinrichtung 14 dazu, eine zur regulären, im Nutzbetrieb anliegenden Spannung Ureg inverse elektrische Spannung an die Brennstoffzelle anzulegen. Konkret wird ein Pluspol an der Kathodenseite 3 und ein Minuspol an die Anodenseite 2 angelegt.
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Zu einem Zeitpunkt t2 wird die Wasserstoffzufuhr an die Kathodenseite 3 unterbrochen und ein regulärer Betrieb der Brennstoffzelle 1 (Nutzbetrieb) wird gestartet. Beim Nutzbetrieb erwärmt sich die Brennstoffzelle 1 nämlich ebenfalls. Nach einer Zeit stellt sich jedoch zum Zeitpunkt t3 heraus, dass die Temperatur T noch immer unterhalb einer gewünschten Starttemperatur Ts der Brennstoffzelle 1 liegt. Dementsprechend wird erneut die inverse Spannung Uin angelegt und erneut Wasserstoff an die Kathodenseite 3 gefördert, um die Brennstoffzelle 1 bzw. die Membran 4 weiter aufzuwärmen. Das Aufwärmen kann durch eine Heizeinrichtung 15 ergänzt werden, die ein Kühlmedium zur regulären Kühlung der Brennstoffzelle erwärmt und in einem Wärmetauscher 17 an die Brennstoffzelle abgibt.
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Weiterhin kann in einer offenbarungsgemäßen Ausgestaltung auch eine der Spannungsrichtung von Ureg entsprechende Spannung angelegt werden, um Protonen zurück von der Anodenseite 2 auf die Kathodenseite 3 zu pumpen. Weiterhin kann durch ein Hin- und Herpumpen von Protonen H+ durch die Membran 4 durch Anlegen wechselnder Spannungen Ureg bzw. Uin die Brennstoffzelle 1 auf eine Betriebstemperatur gebracht werden.
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3 zeigt eine Wanderung von Protonen durch eine Membran von einer Kathodenseite 3 auf eine Anodenseite. Die Membran erwärmt sich durch Reibung zwischen den Protonen und der Membran 4.
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Im Prinzip erwärmt sich die Membran 4 durch eine exotherme Reaktion, durch den Wirkungsgrad der ggf. stattfindenden Elektrolyse und durch Reibung der Protonen an der Membran. Eine Elektrolyse muss nicht stattfinden, so dass die Erwärmung auch mit einer geringeren Spannung betrieben werden kann. Ansonsten unerwünschte Verluste werden zur Aufwärmung der Brennstoffzelle 1 verwendet. Ein ohmscher Widerstand des elektrischen Leiters ist für einen Anteil der Verluste verantwortlich, also für Verluste, die dadurch entstehen, dass Elektronen, die durch die Ionen auf der Kathodenseite 3 und die Anodenseite 2 sowie durch elektrische Leitungen fließen verlustbehaftet fließen. Protonen bzw. Ionen (H+) auf der Kathodenseite 3 dienen als Elektrodenleiter. Diese Verluste sind zur Aufwärmung der Brennstoffzelle 1 ausnahmsweise erwünscht.
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4 zeigt schematisch Verfahrensschritte, die in einer Steuereinrichtung 12 ablaufen können, um die Komponenten um die Brennstoffzelle 1 herum und die Brennstoffzelle 1 selbst zu steuern.
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In Schritt 101 erfolgt ein Erfassen einer Temperatur in der Brennstoffzelle, und, wenn eine Mindesttemperatur unterschritten wird, erfolgt in Schritt 102 ein Starten eines Aufwärmbetriebs durch Anlegen einer inversen elektrischen Spannung Uin an die Brennstoffzelle 1, wobei die inverse elektrische Spannung Uin in umgekehrter Richtung zu einer in einem Nutzbetrieb der Brennstoffzelle 1 von dieser abgegebenen Spannung Ureg liegt, und gleichzeitig erfolgt in Schritt 102 ein Zuführen von Wasserstoff an eine Kathodenseite 3 an der im Nutzbetrieb, in dem die Brennstoffzelle Strom liefert, Luft hinzugeführt wird.
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In einem optionalen Schritt 103 erfolgt ein Deaktivieren der inversen elektrischen Spannung Uin und in einem Schritt 104 erfolgt ein Abgreifen einer elektrischen Leistung aus der Brennstoffzelle 1 in einem Nutzbetrieb. In einem Schritt 105 erfolgt ein Erfassen der Temperatur T in der Brennstoffzelle 1 und in Schritt 106 ein Wiederholen des Aufwärmbetriebs entsprechend den Schritten 101 bis 102 oder 101 bis 105, wenn die Temperatur T geringer ist, als eine Starttemperatur Ts.
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Zusätzlich zu dem Deaktivieren der inversen elektrischen Spannung kann parallel zu Schritt 104 eine dem Nutzbetrieb entsprechende Spannung Ureg angelegt werden, die größer ist als die reguläre Spannung Ureg, um Protonen in der Richtung durch die Membran 4 zu fördern, in der sie auch im Nutzbetrieb durch die Membran 4 fließen.
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Optional kann weiterhin parallel zu den Schritten 102 bis 105 eine Heizeinrichtung 15 zum Beheizen eines durch die Brennstoffzelle leitbaren Kühlmediums vorgesehen ist, wobei die Heizeinrichtung 15 zusätzlich zu den Verfahrensschritten gemäß einer der Ansprüche 1 bis 3 das Kühlmedium erwärmt und erwärmtes Kühlmedium durch einen entsprechenden Wärmetauscher 17 in der Brennstoffzelle 1 geleitet wird.
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5 zeigt schematisch Verfahrensschritte, die in einer Steuereinrichtung 12 ablaufen können, um die Komponenten um die Brennstoffzelle 1 herum und die Brennstoffzelle 1 selbst zu steuern.
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Optional kann danach in einem Schritt 201 ein Deaktivieren der Zuführung von Wasserstoff an die Kathodenseite erfolgen sowie in Schritt 202 eine Überprüfung, wie hoch ein durch die Brennstoffzelle 1 leitbarer elektrischer Strom lin ist und es kann in einem Schritt 203 ein Umschalten auf den Nutzbetrieb erfolgen, wenn der leitbare Strom lin einen Mindestwert u ntersch reitet.
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In weiteren Ausgestaltungen können ferner folgende Schritte vorgesehen sein:
- d) Erfassen eines Drucks P3 auf der Kathodenseite 3,
- e) Vergleich des Drucks P3 auf der Kathodenseite 3 mit einem Kathodendrucksollwert und
- f) Hinzuführen einer erhöhten Menge an Wasserstoff und/oder Sauerstoff an die Kathodenseite 3, wenn der Druck P3 geringer ist als der Kathodendrucksollwert.
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In weiteren Ausgestaltungen können ferner folgende Schritte vorgesehen sein:
- d) Erfassen eines Drucks P2 auf der Anodenseite 2,
- e) Vergleich des Drucks P2 auf der Anodenseite 2 mit einem Anodendrucksollwertes und
- f) Erhöhen einer inversen elektrischen Spannung Uin, um durch ein Hinzufügen von Protonen H+ an die Anodenseite den Druck P2 auf der Anodenseite 2 zu erhöhen, wenn der Druck P2 kleiner ist als der Anodendrucksollwertes.
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Der Druck P3 auf der Kathodenseite 3 hat einen Einfluss auf die Permeabilität der Membran 4 für Protonen. Bei einem sehr geringen Druck P3 wird ein elektrischer Widerstand der auf der Kathodenseite 3 befindlichen Ionen entsprechend hoch sein. Dementsprechend hoch ist dann auch ein ohmscher Widerstand. Allerdings steht dann auch weniger Substanz zur Verfügung, welche sich überhaupt elektrochemisch erwärmen lässt. Es versteht sich, dass der Druck P3 auf der Kathodenseite 3 mit dem Drucksensor 18 überwacht und durch Einstellung der dargestellten Ventile bzw. Injektoren 10, 11, 6 geregelt werden kann.
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Ein Druckgefälle P3 - P2 zwischen der Kathodenseite 3 und der Anodenseite 2 hat einen Einfluss auf eine Elektronenleitbarkeit der Ionen und der Membran 4. Dementsprechend kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, den Druck P3 sowohl auf der Kathodenseite 3 als auch auf der Anodenseite 2 zu regeln. Weiterhin kann auch Wasserstoff an die Anodenseite 2 geführt werden und Abgas kann zur Druckregelung auf der Anodenseite 2 rezirkuliert werden.
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Gleichwohl zumindest ein Ausführungsbeispiel in der vorangegangenen Beschreibung sowie der Figurenbeschreibung dargestellt wurde, sollte man anerkennen, dass eine hohe Anzahl an Variationen existiert. Weiterhin sollte man anerkennen, dass das Ausführungsbeispiel bzw. die Ausführungsbeispiele nur Beispiele sind und dass sie nicht dazu dienen, den Schutzbereich, die Anwendbarkeit oder die genaue Ausgestaltung in irgendeiner Art und Weise zu beschränken. Vielmehr stellen die Beschreibung sowie die Figurenbeschreibung für den Fachmann eine nützliche Anleitung zur Implementierung mindestens einer Ausführungsform bereit, dabei sollte klar sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und Funktion der beschriebenen Merkmale vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche und deren Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzelle
- 2
- Anodenseite
- 3
- Kathodenseite
- 4
- Membran
- 5
- Wasserstoffversorgung
- 6
- Anodeninjektor
- 7
- Verdichter
- 8
- Motor
- 9
- Befeuchter
- 10
- Kathodenventil
- 11
- Wasserstoffinjektor
- 12
- Steuereinheit
- 13
- Stromversorgung
- 14
- Schalteinrichtung
- 15
- Heizeinrichtung
- 16
- Kühler
- 17
- Wärmetauscher
- 18
- Drucksensor
- 19
- Drucksensor
- 20
- Wärmetauscher
- lin
- Strom
- 101
- verfahrensschritt
- 102
- Verfahrensschritt
- 103
- Verfahrensschritt
- 104
- Verfahrensschritt
- 105
- Verfahrensschritt
- 106
- Verfahrensschritt
- 201
- Verfahrensschritt
- 202
- Verfahrensschritt
- 203
- Verfahrensschritt
- P2
- Druck
- P3
- Druck
- t
- Zeit
- t1
- Zeitpunkt
- t2
- Zeitpunkt
- t3
- Zeitpunkt
- T
- Temperatur
- Uin
- inverse Spannung
- Ureg
- Spannung im Nutzbetrieb
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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