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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich dabei um Brennstoffzellensysteme handeln, welche insbesondere mit einer sogenannten PEM-Brennstoffzelle beziehungsweise einem PEM-Brennstoffzellenstack ausgerüstet sind. Sie können beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden. Problematisch bei solchen Brennstoffzellensystemen ist der Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Bei einem solchen, sogenannten Gefrierstart, können einzelne Komponenten des Brennstoffzellensystems und die Brennstoffzelle selbst, und hier insbesondere die Kanäle in den sogenannten Gasdiffusionsschichten der Membranelektrodenanordnungen, von gefrorenem Wasser verstopft sein. Es kann jedoch auch zu eingefrorenen Komponenten wie beispielsweise Ventilen, Leitungselementen, festgefrorenen Fördereinrichtungen oder dergleichen kommen. Um dieser Problematik zu begegnen ist es einerseits möglich, während einem Gefrierstart eines solchen Brennstoffzellensystems dieses aufzuheizen. Dadurch verzögert sich jedoch der Start und der Vorgang ist vergleichsweise energieintensiv.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt, Brennstoffzellensysteme bereits beim Abstellen oder, – wie in älteren Anmeldungen der Anmelderin beschrieben – falls die Temperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems unter einen vorgegebenen Grenzwert sinkt, auf den Wiederstart vorzubereiten. Im Stand der Technik wird dafür typischerweise die Luftversorgungseinrichtung der Brennstoffzelle kurzzeitig gestartet oder im Falle einer Abschaltprozedur weiter betrieben, wobei das Brennstoffzellensystem von Luft durchspült wird, um dampfförmiges und flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem auszutragen und das Brennstoffzellensystem soweit zu trocknen, dass es im Falle eines späteren Gefrierstarts einfach, schnell und energieeffizient gestartet werden kann. Insbesondere der Austrag von flüssigem Wasser durch ein Durchspülen des Brennstoffzellensystems ist dabei vergleichsweise energie- und zeitaufwändig. Um das Wasser gänzlich aus dem Brennstoffzellensystem auszutragen, muss die Luftversorgung zum Trocknen des Brennstoffzellensystems über einen längeren Zeitraum betrieben werden. Dies gilt insbesondere für den Anodenbereich der Brennstoffzelle, welcher zu diesem Zweck eigens mit der Kathodenseite verbunden werden muss. Durch die ansonsten für Wasserstoff ausgelegten Strömungsverhältnisse des Anodenraums und der im oder um den Anodenraum angeordneten Leitungselemente und Komponenten ist der Vorgang hier besonders ineffizient, sodass teilweise Wasser und Feuchtigkeit in dem System verbleibt und den Wiederstart dann gegebenenfalls behindern kann.
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Aus dem Stand der Technik in Form der
JP 2008-103120 A ist ein Verfahren bekannt, bei welchem die Kathodenseite einer Brennstoffzelle getrocknet wird. Um eine sehr effiziente Trocknung zu erreichen, wird die Kathodenseite dabei durch einen umgekehrten Betrieb der Luftfördereinrichtung unter einen Unterdruck gesetzt, sodass die Temperatur- und Druckverhältnisse ein Verdampfen des im Kathodenbereich befindlichen Wassers erleichtern und so die Abfuhr dieses Wassers im dampfförmigen Zustand erfolgen kann. Die Abfuhr von dampfförmigem Wasser ist dabei sehr viel einfacher und effizienter als von flüssigem Wasser, da der Wasserdampf keine Leitungsquerschnitte zusetzt und sich nicht in Form von Tröpfchen ansammelt, wodurch Strömungswege verengt und der Druckverlust erhöht wird.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems anzugeben, bei welchem Feuchtigkeit zumindest aus dem Bereich einer Anodenseite des Brennstoffzellensystems ausgetragen wird, und welches einfach und energieeffizient arbeitet. Außerdem ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches zur Durchführung eines solchen Verfahrens geeignet ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems ein Unterdruck erzeugt wird, um den Übergang des flüssigen Wassers in den dampfförmigen Zustand zu erleichtern, wonach der Wasserdampf aus der Anodenseite abgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also die Tatsache, dass unter entsprechenden Druck- und Temperaturverhältnissen Wasser sehr leicht verdampft und erzeugt zumindest auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems derartige Druckverhältnisse durch das Anlegen eines Unterdrucks. Dadurch kann das Wasser verdampfen und kann dann einfach in dampfförmiger Form abgegeben werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei einerseits als Teil einer Abschaltprozedur eingesetzt werden und kann andererseits im Rahmen einer späteren Vorbereitung auf einen Wiederstart genutzt werden, bei welchem das Brennstoffzellensystem, beispielsweise beim Erreichen eines vorgegebenen Temperaturgrenzwerts, kurzzeitig aufgeweckt und getrocknet wird, um einen späteren Wiederstart, welcher dann gegebenenfalls bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erfolgen muss, nicht zu gefährden.
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Ein weiterer entscheidender Vorteil darin, lediglich die Anodenseite durch einen Unterdruck zu trocknen, besteht darin, dass die Kathodenseite, welche normalerweise nicht über Ventileinrichtungen zum Absperren derselben verfügt, nicht modifiziert werden muss. Auf der Anodenseite, welche meist einen Anodenkreislauf aufweist, ist ein Absperren des Anodenkreislaufs, sodass der Unterdruck aufrechterhalten bleibt, problemlos möglich, ohne dass hier zusätzliche Bauteile eingesetzt werden müssen. Durch das Anlegen des Unterdrucks wird also die kritische Anodenseite effizient getrocknet. Die Kathodenseite kann weiterhin durchspült werden, sodass hier keine Modifikation und keine zusätzlichen Bauteile notwendig sind.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass neben der Anodenseite zusätzlich auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems ein Unterdruck erzeugt wird, um den Übergang von Flüssigwasser in den dampfförmigen Zustand zu erleichtern, wonach der Wasserdampf aus der Kathodenseite abgeführt wird. Diese Erweiterung des Verfahrens auf sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems gewährleistet ein sehr schnelles und effizientes Trocknen des gesamten Brennstoffzellensystems sowie der in der Umgebung des eigentlichen Kathodenraums und des eigentlichen Anodenraums liegenden Peripherieelemente sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass die Erzeugung von Unterdruck und das Abführen des Wasserdampfs durch Absaugen der Anodenseite und/oder der Kathodenseite bei geschlossener Stoffzufuhr erreicht wird. Hierdurch wird durch das Absaugen sowohl der Unterdruck erzeugt als auch die Abfuhr des Wasserdampfs gewährleistet. Durch die abgeschlossene Stoffzufuhr wird das Nachströmen von Stoffen verhindert, wodurch der Unterdruck aufrechterhalten und die Bedingungen zur idealen Verdampfung des Wassers aufrechterhalten werden.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist es dabei vorgesehen, dass die Anodenseite und die Kathodenseite gemeinsam über eine Absaugeinrichtung abgesaugt werden. Dieser besonders vorteilhafte Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt einerseits die Notwendigkeit lediglich eine einzige Absaugeinrichtung vorzuhalten und ermöglicht andererseits einen sehr ausgeglichenen Unterdruck sowohl in der Anodenseite als auch in der Kathodenseite, da dieser durch die gleiche Absaugeinrichtung erzeugt wird. Hierdurch können Druckdifferenzen über den Membranen der idealerweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildeten Brennstoffzelle verhindert werden. Dadurch wird eine Belastung der Membranen mit der potenziellen Gefahr einer Beschädigung der Membranen verhindert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es ferner vorgesehen sein, dass die Abfuhr des Wasserdampfs durch einen Kondensationsbereich hindurch erfolgt, welcher zumindest während der Abfuhr gekühlt wird. Ein solcher Kondensationsbereich, welcher aktiv oder passiv gekühlt wird, beispielsweise durch eine Anbindung an ein Kühlsystems des Brennstoffzellensystems, ein Thermoelement in Form eines Peltierelements, eine gegenüber der Umgebung verminderte Isolierung oder dergleichen, dient dazu, den abgesaugten Wasserdampf vor dem Ablassen aus dem System wieder zu kondensieren und diesen in Form von Wasser an einer hinsichtlich des Einfrierens unkritischen Stelle entweder zu bevorraten oder idealerweise in die Umgebung abzulassen. Der Vorteil eines solchen Kondensationsbereichs liegt darin, dass des Wasser in der Flüssigphase sehr leicht abgesaugt werden kann. Außerdem bewirkt es den Effekt, dass, wenn das System sich seinem minimal zu erreichenden Enddruck nähert und der Dampf auskondensiert, hierdurch eine weitere Verstärkung des Unterdrucks erreicht wird, da das Wasser in diesem Zustand an Volumen verliert. Die Verwendung eines gezielt angeordneten Kondensationsbereichs kann den durch das erfindungsgemäße Verfahren zu erzielenden Effekt also in positiver Art verstärken.
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Wie bereits erwähnt, löst auch ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher beschriebenen Art die Aufgabe, indem es die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 6 genannten Merkmale umsetzt.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist so aufgebaut, dass die Absaugeinrichtung zum Erzielen des Unterdrucks mit dem Anodenbereich verbindbar ist. Dadurch lässt sich das oben beschriebene erfindungsgemäße Verfahren realisieren.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung eine Saugpumpe aufweist. Eine solche Saugpumpe erzeugt den gewünschten Unterdruck in der Anodenseite des Brennstoffzellensystems, indem sie Luft, Wasser und Wasserdampf aus diesem Bereich absaugt und dadurch für einen Unterdruck sorgt. Die Saugpumpe kann insbesondere als Vakuumpumpe ausgebildet sein, welche dann zur Erzeugung eines vergleichsweise starken Unterdrucks geeignet ist.
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Ergänzend oder alternativ dazu ist es in einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung eine Gasstrahlpumpe aufweist, insbesondere eine vom Zustrom zu oder vom Abstrom von dem Kathodenbereich als Treibgasstrom angetriebene Gasstrahlpumpe. Eine solche Gasstrahlpumpe lässt sich ideal zum Aufbauen eines Unterdrucks auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems nutzen. Sie kann dabei von einem beliebigen Gasstrom, insbesondere jedoch von einem kathodenseitig strömenden Zu- oder Abluftstrom durchströmt werden. Sie kann beispielsweise in der Art eines Venturirohrs ausgebildet sein. Beim herkömmlichen Verfahren zum Trocknen der Kathodenseite über einen Luftstrom, welcher durch die Luftversorgungseinrichtung oder ein eigens hierfür angebrachtes Gebläse oder dergleichen erzeugt wird, wird unweigerlich immer auch ein Luftstrom zu und von der Brennstoffzelle erzeugt. Dieser Luftstrom kann nun durch die Gasstrahlpumpe strömen und kann dadurch erfindungsgemäß einen Unterdruck erzeugen, welcher wiederum zum Absaugen von Gasen und/oder Wasser aus dem Anodenbereich des Brennstoffzellensystems genutzt werden kann. Dieser Aufbau ist sehr einfach und energieeffizient und ermöglicht beispielsweise ohne eine zusätzliche Maßnahme zur Verbindung der Anodenseite mit der Kathodenseite ein Trocknen der Kathodenseite durch den Luftstrom, was hier aufgrund der für Luft ausgelegten Leitungsquerschnitte und dergleichen vergleichsweise einfach möglich ist, sowie ein Trocknen der Anodenseite durch die Erzeugung eines Unterdrucks, sodass hierin enthaltenes Wasser sehr leicht verdampfen kann und dann einfach und effizient abgesaugt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems kann zusätzlich der Kathodenbereich mit der Absaugeinrichtung verbindbar sein, wobei der Kathodenbereich direkt oder über den Anodenbereich mit der Absaugeinrichtung verbindbar ist. Dieser Aufbau nutzt wiederum eine Absaugeinrichtung, welche in diesem Fall als Saugpumpe oder dergleichen aufgebaut sein muss, um gleichzeitig den Anodenbereich und den Kathodenbereich abzusaugen. Hierfür kann beispielsweise eine eigens dafür vorgesehene oder ohnehin vorhandene Verbindung zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich entsprechend geöffnet werden, beispielsweise ein Leitungselement, über welches im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems Wasser und/oder Gas aus einem Anodenkreislauf in die Zuluft und/oder Abluft des Kathodenbereichs im regulären Betrieb abgelassen werden kann.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass die Absaugeinrichtung mit einer Ablassleitung aus einem Wasserabscheider in einem Anodenkreislauf zum kombinierten Ablassen von Wasser und/oder Gas verbunden ist. Ein solcher Wasserabscheider zum kombinierten Ablassen von Wasser und/oder Gas aus dem sogenannten Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems ist aus dem Stand der Technik – z. B. in Form der
WO 2008/052578 A1 – bekannt. Diese Ablassleitung kann nun mit der Absaugeinrichtung verbunden werden, um so einen sehr einfachen und effizienten Aufbau zum Trocknen der Anodenseite, in diesem Fall also des Anodenbereichs sowie des Anodenkreislauf, zu erreichen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den nachfolgend näher beschriebenen Ausführungsbeispielen, welche unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer ersten Ausführungsform;
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2 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer zweiten Ausführungsform;
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3 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer dritten Ausführungsform; und
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4 ein Detail aus dem Brennstoffzellensystem gemäß 3.
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In der Darstellung der 1 ist ein sehr stark vereinfachtes Brennstoffzellensystem 1 in einer Prinzipdarstellung zu erkennen. Dieses Brennstoffzellensystem 1 kann beispielsweise in einem angedeuteten Fahrzeug 2 elektrische Leistung zum Antrieb dieses Fahrzeugs 2 liefern. Das Fahrzeug 2 selbst kann dabei beispielsweise ein Personenkraftwagen, ein Nutzfahrzeug, ein schienengebundenes Fahrzeug, ein fahrerloses Logistikfahrzeug, ein Schiff oder dergleichen sein.
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Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 2, welche als PEM-Brennstoffzelle beziehungsweise PEM-Brennstoffzellenstack ausgebildet sein soll. Diese Brennstoffzelle 3 umfasst einen Anodenraum 4 sowie einen Kathodenraum 5. Dem Anodenraum 4 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über ein Absperr- und Druckregelventil 7 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt nach dem Anodenraum 4 über eine Rezirkulationsleitung 8 zusammen mit durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 hindurchdiffundierten Inertgasen und einem kleinen Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstehenden Produktwassers, welcher im Anodenraum 4 entsteht, über eine Rezirkulationsleitung 8 zurück zum Eingang des Anodenraums 4 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff wieder zugeführt. In der Rezirkulationsleitung 8 ist dabei eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 angeordnet, welche zum Ausgleich der Druckverluste in dem Anodenraum 4 und der Rezirkulationsleitung 8 dient. Diese kann beispielsweise als Wasserstoffgebläse und/oder als Gasstrahlpumpe, welche vom frischen Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 6 als Treibgasstrom angetrieben wird, ausgebildet sein. Dieser sogenannte Anodenkreislauf auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 weist im Bereich der Rezirkulationsleitung 8 typischerweise außerdem einen Wasserabscheider 10 auf, welcher über ein Ablassventil 11 mit einer Ablassleitung 12 verbunden ist. Das in der Rezirkulationsleitung 8 im Kreislauf geführte Produktwasser wird in flüssiger Form in dem Wasserabscheider 10 abgeschieden und kann beispielsweise von Zeit zu Zeit oder anhand eines Füllstands und/oder in Abhängigkeit von Stoffkonzentrationen abgelassen werden. Da typischerweise auch Inertgase sich mit der Zeit in dem Anodenkreislauf anreichern, können diese vorzugsweise über dieselbe Ablassleitung 12 und dasselbe Ablassventil 11, nach dem dieses von Wasser durchströmt worden ist, mit abgelassen werden. Dadurch entsteht ein sehr effizienter Aufbau, welcher lediglich eine Ablassleitung 12 und ein Ablassventil 11 benötigt. Prinzipiell wäre es jedoch auch denkbar, die Ablassleitungen für Wasser und Gas in dem Anodenkreislauf getrennt auszuführen. Außerdem wäre es natürlich denkbar, anstelle eines Ablassventils 11 eine Blende einzusetzen, um einen kontinuierlichen kleinen Volumenstrom durch die Ablassleitung 12 zu generieren.
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Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 13 zugeführt. Diese dient als Sauerstofflieferant in der Brennstoffzelle 3 und gelangt, nachdem sie den Kathodenraum 5 durchströmt hat, auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 als Abluft wieder in die Umgebung. Hier wäre prinzipiell eine Nachbehandlung der Abluft denkbar, beispielsweise auch das Durchströmen einer Turbine, um Reste an Druckenergie und thermischer Energie aus der Abluft zumindest teilweise wieder zurückzugewinnen. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und ist daher nicht dargestellt.
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In dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 1 der 1 ist nun außerdem eine Absaugeinrichtung 14 zu erkennen. Diese ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Saugpumpe ausgebildet und kann beispielsweise als Schraubenverdichter, Rootsverdichter, Zahnradpumpe oder dergleichen realisiert sein. Vorteilhafterweise kann die als Absaugeinrichtung 14 verwendete Saugpumpe dabei als elektrisch angetriebene Drehschieber-Vakuumpumpe ausgebildet sein. Eine solche wird beispielsweise im Bereich der Bremskraftverstärker genutzt und ist im automotiven Umfeld eine sehr geläufige Pumpenart, welche in hoher Stückzahl kostengünstig zur Verfügung steht. Alternativ dazu wäre auch eine elektrische Membranpumpe eine sehr gute Wahl, insbesondere weil eine solche sehr resistent gegenüber einem Einfrieren ist.
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Die als Absaugeinrichtung 14 genutzte Saugpumpe ist entweder dauerhaft mit der Ablassleitung 12 verbunden oder kann über ein geeignetes Schaltventil (hier nicht dargestellt) mit dieser verbunden werden. Kommt es nun zu einer Situation, bei welcher das Brennstoffzellensystem 1 getrocknet werden soll, um einen Wiederstart auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu ermöglichen, so kann beispielsweise über die Luftversorgungseinrichtung 13 oder gegebenenfalls auch ein parallel hierzu angeordnetes Niedervoltgebläse oder dergleichen ein Durchströmen des Kathodenraums 5 mit Luft erzielt werden, um Wasser und Wasserdampf auszuspülen und diesen entsprechend zu trocknen. Auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 wird in dieser Situation das Absperr- und Druckregelventil 7 verschlossen sein, sodass die Brennstoffzelle 3 nicht mehr mit Wasserstoff versorgt wird. Der Anodenkreislauf ist dann ein an sich abgeschlossenes System. Wird das Ablassventil 11 nun geöffnet und über die hier als Saugpumpe ausgebildete Absaugeinrichtung 14 ein Unterdruck aufgebaut, dann wird das in diesem Anodenkreislauf und dem Anodenraum 4 selbst befindliche Gemisch aus Wasser und Restgasen abgesaugt. Nachdem das Gas abgesaugt ist, wird sich ein Unterdruck einstellen, da das Nachströmen von frischen Edukten in diesen Bereich ebenso wie das Nachströmen von Luft aufgrund des Aufbaus nicht möglich ist. Durch diesen Unterdruck wird eventuell noch in den Leitungen und insbesondere in den Gasverteilungskanälen des Anodenraums 4 befindliches Wasser aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften sehr leicht verdampfen und kann dann als Wasserdampf sehr viel leichter aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 abgeführt werden, als dies mit Wasser in flüssiger Form erfolgen könnte. Dadurch wird eine sehr gute Trocknung der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 erreicht. Diese ist nach dem Trocknen dann ideal für einen Wiederstart, auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, vorbereitet.
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Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Saugpumpe als Drehschieber-Vakuumpumpe lässt sich aufgrund des hohen Saugdrucks von bis zu –900 mbar ein sehr kleiner Restdruck von ca. 100 mbar absolut in der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 erreichen. Eine Trocknung kann somit auch bei vergleichsweise niedriger Temperatur durchgeführt werden oder bei höherer Temperatur kann eine entsprechend hohe Menge an Wasserdampf durch die Verwendung einer solchen Saugpumpe aus der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 ausgetragen und dieses damit getrocknet werden.
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In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsform des beschriebenen Aufbaus zu erkennen. Soweit der Aufbau identisch ist, ist er mit denselben Bezugszeichen versehen, lediglich die Darstellung des prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeugs 2 ist unterblieben. Zusätzlich zu dem bisher beschriebenen Aufbau ist es nun so, dass die Ablassleitung 12 über ein Leitungselement 15 mit der Zuluft zu dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 verbunden ist. Auch dieser Aufbau ist allgemein bekannt und üblich. Er dient im Prinzip dazu, Abgase, welche aus dem Anodenkreislauf abgelassen werden, dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 zuzuführen. Da in diesen abgelassenen Gasen immer auch eine Restmenge an Wasserstoff enthalten ist, da während des Betriebs beim Ablassen von Inertgasen immer auch eine gewisse Menge an Wasserstoff mit abgeblasen wird, ist dieser Aufbau allgemein bekannt und üblich. Er dient dazu, diesen Restwasserstoff im Bereich der Elektrokatalysatoren des Kathodenraums 4 mit dem dort befindlichen Sauerstoff umzusetzen, um so Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu verhindern. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in 2 weist außerdem zwei zusätzliche Ventileinrichtung 16 zum Absperren der Zuluftleitung und der Abluftleitung zu und aus dem Kathodenraum 5 auf. Im regulären Betrieb sind diese Ventileinrichtungen 16 geöffnet. Ein eventuelles Ablassen von Wasser und Abgasen aus dem Anodenkreislauf wird über den Wasserabscheider 10 und das Ablassventil 11 durch die Ablassleitung 12 und das Leitungselement 15 in den zu dem Kathodenraum 5 strömenden Zuluftstrom erfolgen. Die Absaugeinrichtung 14 ist dabei entweder so ausgebildet, dass sie einen Durchtritt von Gas und/oder Wasser durch die Absaugeinrichtung 14 bauartbedingt verhindert, oder sie lässt sich mittels eines Ventils absperren, sodass die abgelassenen Stoffe sicher und zuverlässig durch das Leitungselement 15 in den Bereich des Kathodenraums 5 gelangen.
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Kommt es nun zu einer Situation, in der das Brennstoffzellensystem zur Vorbereitung auf einen Wiederstart getrocknet werden soll, dann wird, wie oben bereits erwähnt, die Absaugeinrichtung 14 in Form der Saugpumpe gestartet. Gleichzeitig muss bei dem in 2 dargestellten Aufbau die Luftfördereinrichtung 13 selbst nicht betrieben werden. Vielmehr werden die Ventileinrichtungen 16 geschlossen und das Ablassventil 11 entsprechend geöffnet. Über das Leitungselement 15 liegt nun die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 in direkter Verbindung mit der Saugpumpe 14 über die Ablassleitung 12 und das Ablassventil 11 sowie den Wasserabscheider 10 die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1. In Abhängigkeit der Leitungsquerschnitte wird sich dann auf der Anodenseite und auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 jeweils ein Unterdruck, und zwar zumindest in etwa derselbe Unterdruck einstellen. Das Absaugen und das durch den Unterdruck begünstigte Verdampfen von flüssigem Wasser zu Wasserdampf wird also nicht nur auf der Anodenseite, sondern auch auf der Kathodenseite eingesetzt. Dabei ist die Tatsache, dass im Kathodenraum 5 und im Anodenraum 4 in etwa der gleiche Druck herrscht ein besonderer Vorteil, da hierdurch eine Belastung der Membranen durch eventuelle Druckdifferenzen weitgehend verhindert wird. Der Aufbau kann so sehr einfach und effizient sowohl die Anodenseite als auch die Kathodenseite mit Unterdruck beaufschlagen und entstehenden Wasserdampf und enthaltene Gase absaugen. Dadurch, dass die Luftversorgungseinrichtung 13 nicht betrieben werden muss, ist das Verfahren zum Trocknen des Brennstoffzellensystems 1 gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren energieeffizienter und vor allem leiser.
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In der Darstellung der 2 ist in Strömungsrichtung der abgesaugten Medien vor der Saugpumpe 14 außerdem ein Kondensationsbereich beziehungsweise Zielkondensator 17 zu erkennen. Dieser Zielkondensator 17 wird gekühlt, beispielsweise über einen Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems, ein eigens hierfür vorgesehenes invers schaltbares Thermoelement zur Kühlung oder dergleichen. Der Effekt besteht darin, dass im Bereich des Zielkondensators 17 der abgesaugte Wasserdampf kondensiert. Dadurch lässt sich dieser effizienter über die Saugpumpe 14 absaugen, sodass die Erzeugung des Unterdrucks vergleichsweise energiesparend möglich ist. Außerdem verringert sich das Volumen des Wassers beim Kondensieren, sodass zusätzlich der Unterdruck nochmals verstärkt wird, was die Trocknung des Brennstoffzellensystems 1 noch weiter verbessert.
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In der Darstellung der 3 ist nun ein alternativer Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt, welcher wiederum analog dem in 1 beschriebenen Brennstoffzellensystems 1 funktioniert. Anstelle der als Saugpumpe ausgebildeten Absaugeinrichtung 14 ist hier eine Absaugeinrichtung 14 in Form einer Gasstrahlpumpe vorgesehen. Diese Gasstrahlpumpe umfasst ein in 4 näher dargestelltes Venturirohr 18 mit einer Querschnittsverengung 19, in deren Bereich die Ablassleitung 12 mündet.
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Das in 3 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 funktioniert nun im regulären Betrieb so, wie oben bereits geschildert. Der einzige Unterschied beispielsweise zu dem in 2 dargestellten Brennstoffzellensystem besteht darin, dass Wasser und/oder Gas, welches über den Wasserabscheider 10 und die Ablassleitung 12 sowie das Ablassventil 11 aus dem Anodenkreislauf abgelassen wird, nicht der Zuluft zum Kathodenraum 5, sondern der Abluft aus dem Kathodenraum 5 zugeführt wird. Hierfür ist die als Gasstrahlpumpe ausgebildete Absaugeinrichtung 14 auch im regulären Betrieb durch den Abluftstrom aus dem Kathodenraum 5 durchströmbar. Prinzipiell wäre es auch denkbar, einen Bypass zur Absaugeinrichtung 14 auszubilden und im regulären Betrieb die Abluft durch diesen Bypass und um die Absaugeinrichtung 14 herumzuleiten. Wird die Absaugeinrichtung 14 jedoch auch im regulären Betrieb verwendet, so kann dadurch sichergestellt werden, dass Wasser in dem Venturirohr 18 entsprechend zerstäubt wird, sodass das Wasser als Nebel mit der Abluft in die Umgebung gelangt und nicht in flüssiger Form beispielsweise auf eine Straße tropft.
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Für den Betrieb zum Vorbereiten des Brennstoffzellensystems 1 auf einen Wiederstart ist es nun vorgesehen, dass der Kathodenraum 5, wie oben bereits beschrieben, durch die Luftfördereinrichtung 13 oder gegebenenfalls auch eine parallel dazu angeordnete spezielle Luftfördereinrichtung für diesen Anwendungszweck mit Luft durchspült wird, um ein Trocknen der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 sowie des Kathodenraums 5 im Speziellen zu erreichen. Die Abluft strömt dabei durch die als Gasstrahlpumpe ausgebildete Absaugeinrichtung 14 und erzeugt in der Ablassleitung 12 einen Unterdruck. Bei geöffnetem Ablassventil 11 kommt es dadurch zu einem Unterdruck in dem Anodenkreislauf in der oben bereits beschriebenen Art und Weise. Durch den hier zum Trocknen des Kathodenraums 5 ohnehin benötigten Luftstrom wird also gleichzeitig und mit minimalem zusätzlichem Energieaufwand über die Absaugeinrichtung 14 in Form einer Gasstrahlpumpe ein Unterdruck auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 erzeugt, um auch die Anodenseite effizient trocknen zu können. Auch in dem in 3 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 ist dabei der Kondensationsbereich 17 vorhanden. Dieser ist auch hier in Strömungsrichtung unmittelbar vor der Absaugeinrichtung 14 angeordnet. Er kann von von der Luftfördereinrichtung 13 zum Durchspülen des Kathodenraums 5 angesaugter Zuluft entsprechend gekühlt werden. Dies ist in 3 dargestellt. Die Zuluft kann dabei dauerhaft, also auch im regulären Betrieb, durch einen in 4 erkennbaren Wärmetauscher 20 im Zielkondensator 17 angesaugt werden, oder es kann über eine optionale Ventileinrichtung 21 eine Umschaltung des Ansaugluftwegs für den regulären Betrieb und den Betrieb zum Vorbereiten des Wiederstarts gewählt werden. Wird anstelle der Luftfördereinrichtung 13 ein spezielles Gebläse zum Trocknen des Kathodenraums 4 eingesetzt, so könnte dies auch einen eigenen Ansaugweg durch den Wärmetauscher 20 des Zielkondensators 17 aufweisen, sodass die optionale Ventileinrichtung 21 eingespart werden könnte. In der Darstellung der 4 ist der Aufbau der Ansaugeinrichtung 14 und des Zielkondensators 17 nochmal im Detail zu erkennen. Idealerweise ist der Zielkondensator 17, wie in der Darstellung der 4 dargestellt, im bestimmungsgemäßen Betrieb oberhalb des Venturirohrs 18 angeordnet, sodass Wasser nicht nur durch die Saugwirkung, sondern unterstützend auch durch die Schwerkraft in den Bereich des Venturirohrs 18 fließt.
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Neben der Möglichkeit den Wiederstart des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorzubereiten, bietet die Absaugeinrichtung 14 in einer der beschriebenen Ausführungsvarianten außerdem den Vorteil, dass das Brennstoffzellensystem 1 beispielsweise für einen Werkstattaufenthalt gezielt abgesaugt werden kann, um die Wasserstoffmenge in dem Brennstoffzellensystem 1 zu reduzieren oder dieses zumindest annähernd frei von Wasserstoff zu machen. Die Absaugung hat außerdem den Vorteil, dass während des Stillstands in den Anodenbereich eindringende Umgebungsluft aufgrund des abgesaugten Wasserstoffs keine Luft-Wasserstoff-Front bilden kann, welche dann durch den Anodenraum 4 verläuft. Dadurch lassen sich Alterungseffekte in der Brennstoffzelle 3 minimieren.
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Die beschriebenen Ausführungsvarianten sind rein beispielhaft zu verstehen. Selbstverständlich lassen sich die einzelnen Varianten beliebig untereinander kombinieren und es lässt sich sowohl die Verwendung einer einzigen Absaugeinrichtung 14 als auch die Verwendung mehrerer Absaugeinrichtungen 14 realisieren. Außerdem ist es selbstverständlich nicht notwendig, ein Brennstoffzellensystem 1 in einem Anodenkreislauf zu verwenden. Das Verfahren in der beschriebenen Art und Weise ist selbstverständlich auch mit einem Brennstoffzellensystem 1 möglich, welches ohne Anodenkreislauf konzipiert ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2008-103120 A [0004]
- WO 2008/052578 A1 [0017]
