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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Verfahrens sowie ein Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. In Brennstoffzellen werden Wasserstoff und Sauerstoff oder wasserstoff- und sauerstoffhaltige Gase mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt. Derartige Brennstoffzellensysteme eignen sich unter bestimmten Voraussetzungen als primäre Energiequelle für Fahrzeuge. Dabei kann das Brennstoffzellensystem je nach Einsatzort des Fahrzeugs im jahreszeitlichen Verlauf starken Temperaturschwankungen unterliegen. Bei kalten Außentemperaturen, insbesondere bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, kühlt das Brennstoffzellensystem ab und muss nach einer längeren Betriebspause vor einem erneuten Normalbetrieb während eines Aufwärmbetriebs im Rahmen eines Gefrierstarts oder Kaltstarts erst wieder auf Betriebstemperatur gebracht werden.
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Dies hat zur Folge, dass direkt nach dem Starten des Brennstoffzellensystems dem Fahrzeug nicht die volle Leistung des Brennstoffzellensystems zur Verfügung steht und gegebenenfalls nicht für ein Fortbewegen des Fahrzeugs ausreicht. Somit kann der Fahrer das Fahrzeug entweder erst nach einer gewissen Wartezeit bewegen oder muss innerhalb der Wartezeit mit einer deutlich reduzierten Fahrleistung rechnen.
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Während des Aufwärmbetriebs gibt das Brennstoffzellensystem zunächst aufgrund des mit der geringen Brennstoffzellentemperatur verbundenen geringen Wirkungsgrades nur eine relativ geringe Leistung ab. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann es zudem vorkommen, dass die Oberflächen innerhalb des Brennstoffzellensystems mit Eis belegt sind, was die Entnahmeleistung weiter reduzieren kann.
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Es fällt allerdings aufgrund des verringerten Wirkungsgrades der Brennstoffzellen im Aufwärmbetrieb eine nennenswerte thermische Verlustleistung an, die maßgeblich zur Eigenerwärmung des Brennstoffzellensystems beiträgt. Eine Möglichkeit zur Verkürzung der Aufwärmbetriebsphase besteht nun darin, während dieser Phase eine möglichst hohe Leistungsabnahme für das Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, solange die abgegebene Leistung noch nicht für die Speisung des Antriebsmotors ausreicht.
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Die Zahl möglicher Leistungsabnehmer ist in der Aufwärmbetriebsphase begrenzt. Neben beispielsweise der Heizung der Fahrerkabine stehen in der Regel nur Leistungsabnehmer zur Verfügung, deren Leistungsaufnahme entweder aus Energieeffizienzgründen bewusst begrenzt ist und deren Leistungsaufnahme nicht oder nur gering erhöht werden kann.
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Es ist aus der
WO 2009010113 A1 bekannt, bei einem Brennstoffzellensystem in der Zuführleitung zwischen einem Kompressor und dem Kathodenraum der Brennstoffzelle ein Strömungswiderstandselement anzuordnen sowie ein zweites Strömungswiderstandselement in einer Bypassleitung anzuordnen, die eine von dem Kathodenraum der Brennstoffzelle wegführende Abführleitung mit der Zuführleitung verbindet. Durch diese Kathodenanordnung und -ausgestaltung kann zwar die Aufwärmphase der Brennstoffzelle beim Kaltstart reduziert werden. Allerdings erfordert dieses Strömungswiderstandselement nicht unerhebliche konstruktive Eingriffe und zusätzliche Komponenten.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem anzugeben, bei dem die Aufwärmbetriebsphase verkürzt werden kann und das einfach und kostengünstig realisiert werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird auch durch ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 5 gelöst. Entsprechende vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. In Anspruch 3 ist eine bevorzugte Verwendung für das erfindungsgemäße Verfahren, in Anspruch 10 ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst wenigstens eine Brennstoffzelle sowie eine elektrische Maschine und eine Luftfördereinrichtung zur Luftversorgung von der Brennstoffzelle. Die elektrische Maschine nimmt elektrische Leistung auf, um die Luftfördereinrichtung anzutreiben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems die Luftfördereinrichtung in einer normalen Drehrichtung und in einem Aufwärmbetriebszustand des Brennstoffzellensystems die Luftfördereinrichtung in der umgekehrten Drehrichtung angetrieben wird.
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Der Erfindungsgedanke besteht nun darin, dass die Luftfördereinrichtung, die beispielsweise ein Rotationsverdichter sein kann, in dem Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems in einer sogenannten normalen Drehrichtung angetrieben wird. In dieser normalen Drehrichtung der Luftfördereinrichtung arbeitet diese mit Kennzahlen, die für den Normalbetriebszustand besonders angepasst sind. Während des Aufwärmbetriebszustands hingegen wird die Luftfördereinrichtung in der umgekehrten Drehrichtung angetrieben, d. h. in der zur normalen Drehrichtung entgegengesetzten. Mit dieser umgekehrten Drehrichtung ergeben sich andere Kennzahlen der Luftfördereinrichtung, welche sich aus der für die normale Drehrichtung optimierte Laufradgeometrie ergeben. Dies resultiert beispielsweise in deutlich erhöhten Verlusten der Luftfördereinrichtung, was sich insbesondere in einer verstärkten Erwärmung der von der Luftfördereinrichtung geförderten Luft zeigt. Es wird somit während der Aufwärmphase ein Betrieb der Luftfördereinrichtung mit deutlich erhöhter Verlustleistung ermöglicht, was die geförderte Luft zusätzlich erwärmt und somit die Aufwärmphase verkürzt.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das Brennstoffzellensystem einen elektrischen Turbolader mit einer Turbine aufweist, wobei die Turbine mit einem Abgasstrom der Brennstoffzelle betrieben wird. Die Turbine, die elektrische Maschine und die Luftfördereinrichtung des elektrischen Turboladers können vorteilhafterweise auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Die Turbine ist typischerweise mechanisch mit der Luftfördereinrichtung gekoppelt und treibt diese an.
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Wenn die Leistung der Turbine zum Antrieb der Luftfördereinrichtung nicht ausreicht, was in den allgemein üblichen Betriebszuständen annährend immer der Fall ist, kann über die elektrische Maschine zusätzlich elektrische Leistung bereitgestellt werden, um die Luftfördereinrichtung mit ausreichender Leistung anzutreiben.
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Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Luftfördereinrichtung ein Turbokompressor ist.
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Gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Erfindung treibt in dem Aufwärmbetriebszustand die elektrische Maschine die Luftfördereinrichtung in der umgekehrten Drehrichtung an. Somit kann neben der vorteilhaften Erwärmung der geförderten Luft durch absichtlich erzeugte thermische Verlustleistung auch noch ein elektrischer Verbraucher bereitgestellt werden, der aufgrund des absichtlich verschlechterten Wirkungsgrades der in umgekehrter Drehrichtung angetriebenen Luftfördereinrichtung mit maximaler Leistungsaufnahme angesteuert werden kann und somit zusätzlich elektrische Verlustleistung erzeugt.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Luftfördereinrichtung ein Radialverdichter ist. Ein Radialverdichter besitzt den Vorteil, dass die geförderte Luft trotz einer Drehrichtungsumkehrung in die gleiche Richtung wie bei der normalen Drehrichtung gefördert wird. Der Verdichtungsprozess erfolgt in diesem Fall bei einem sehr viel geringeren Wirkungsgrad. Somit steigen die elektrische Aufnahmeleistung der elektrischen Maschine und die Verdichterauslasstemperatur an. Beide Effekte wirken positiv im Hinblick auf ein schnelles Aufheizen des Brennstoffzellensystems.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist wenigstens eine Brennstoffzelle sowie eine elektrische Maschine und eine Luftfördereinrichtung zur Luftversorgung der Brennstoffzelle auf. Die elektrische Maschine nimmt elektrische Leistung auf, um die Luftfördereinrichtung anzutreiben. Erfindungsgemäß ist die Luftfördereinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Normalbetriebszustand des Brennstoffzellensystems in einer normalen Drehrichtung und in einem Aufwärmbetriebszustand des Brennstoffzellensystems in der umgekehrten Drehrichtung antreibbar ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein elektrischer Turbolader mit einer Turbine vorgesehen ist, wobei die Turbine mit einem Abgasstrom der Brennstoffzelle betrieben wird. Alternativ kann auch ein Turboverdichter vorgesehen sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Luftfördereinrichtung dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Radialkompressor ist. Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform hat eine Umkehrung der Drehrichtung keinen Einfluss auf die generelle Richtung der Luftförderung.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Beschaufelung des Radialkompressors so ausgelegt ist, dass in der normalen Drehrichtung eine Kompression mit einem ersten Wirkungsgrad und in der umgekehrten Drehrichtung eine Kompression mit einem zweiten Wirkungsgrad erfolgt, wobei insbesondere vorgesehen sein kann, dass der erste Wirkungsgrad höher als der zweite Wirkungsgrad ist. Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsform kann allein durch die Umkehrung der Drehrichtung der Wirkungsgrad der Luftfördereinrichtung, insbesondere des Radialkompressors, verringert und somit die Verlustleistung erreicht werden. Dies führt einerseits zu einer verstärkten Aufwärmung der geförderten Luft und zum anderen verschafft es die Möglichkeit, den Verdichter mit hoher elektrischer Leistung zu betreiben. Dies ermöglicht eine rasche und effiziente Erwärmung des Brennstoffzellensystems.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen und werden aus dem Ausführungsbeispiel deutlich, das nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein schematisch angedeutetes erstes Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist; und
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2 ein schematisch angedeutetes zweites Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist; und
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3 ein Ablaufdiagramm zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt ein erstes Brennstoffzellensystem 1. Das Brennstoffzellensystem 1 ist stark vereinfacht und schematisiert dargestellt. Es sind nur die für die Durchführung der Erfindung relevanten Bauteile dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 kann selbstverständlich über weitere Bauteile und Komponenten verfügen, wie dies bei Brennstoffzellensystemen an sich bekannt und üblich ist.
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Das Brennstoffzellensystem 1 ist in einem Fahrzeug 2 angeordnet. Dieses ist durch den strichpunktierten Rahmen schematisch angedeutet. Der Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 3, welche vorliegend beispielhaft als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 3 weist im Wesentlichen einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 auf. Die Brennstoffzelle 3 ist als sogenannter Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack realisiert. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle wird Wasserstoff zugeführt, vorliegend durch den Pfeil 7 angedeutet. Wasserstoffhaltiges Abgas 8 wird entsprechend aus dem Anodenraum 4 abgeführt.
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Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 9 zugeführt. Diese Luftfördereinrichtung 9 kann beispielsweise als Strömungsverdichter, vorzugsweise als Radialverdichter ausgebildet sein. Sie ist Teil eines elektrischen Turboladers 10. Die Luftfördereinrichtung 9 ist zusammen mit einer Turbine 11 auf einer gemeinsamen Welle 12 angeordnet. Auf dieser Welle 12 ist außerdem eine elektrische Maschine 13 angeordnet. Über die Luftfördereinrichtung 9 wird ein Zuluftstrom verdichtet und dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle zugeführt. Optional können hier Ladeluftkühler, Befeuchter und dergleichen angeordnet sein, welche für die Erfindung nicht relevant und daher nicht dargestellt sind.
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Abluft aus dem Kathodenraum gelangt zusammen mit Produktwasser über die Turbine 11 dann wieder an die Umgebung. Die in ihr enthaltene Druckenergie und thermische Energie wird im Bereich der Turbine 11 zumindest teilweise in mechanische Leistung umgewandelt, welche über die gemeinsame Welle 12 die Luftfördereinrichtung 9 antreibt. Im Normalfall reicht die von der Turbine 11 erzeugte mechanische Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9 nicht aus. Deshalb ist auf der gemeinsamen Welle 12 die elektrische Maschine 13 angeordnet. Diese arbeitet im Normalbetriebszustand als Elektromotor und stellt die zusätzliche benötigte Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9 bereits. In Sonderfällen kann es auch sein, dass im Bereich der Turbine 11 mehr Leistung erzeugt wird, als von der Luftfördereinrichtung 9 benötigt wird.
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In diesen Fällen kann die elektrische Maschine 13 auch generatorisch betrieben werden, um ihrerseits elektrische Leistung bereitzustellen. Die beschriebene Anordnung aus Luftfördereinrichtung 9, elektrischem Motor 13 und Turbine 11 wird auch zusammenfassend als ETC („Electric Turbocharger”, elektrischer Turbolader) bezeichnet.
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Im Bereich des Abluftstroms aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 kann optional ein Brenner 14 angeordnet sein. Dieser Brenner 14 ist vorzugsweise als katalytischer Brenner ausgebildet. Er wird immer von dem Abluftstrom des Kathodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 durchströmt. Ihm kann außerdem kontinuierlich oder von Zeit zu Zeit Abgas aus dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 zugeführt werden, sodass der in diesem Abgas enthaltene Restwasserstoff verbrennt und Wasserstoffemissionen an die Umgebung vermieden werden. Dadurch wird der Abgasstrom vor der Turbine 11 erwärmt und kann im Bereich der Turbine 11 mehr Leistung abgeben.
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2 zeigt im Vergleich zur 1 ein schematisch angedeutetes zweites Brennstoffzellensystem, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Bei der 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen wird hier lediglich kurz auf die Unterschiede zu der in der 1 dargestellten Ausführungsform eingegangen. Anstatt einem elektrisch angetriebenen Turbolader mit Turbine ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Turboverdichter bzw. -kompressor 18 vorgesehen. Im weiteren Verlauf wird auf beide Ausführungsformen der 1 und 2 gleichermaßen eingegangen.
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Ein Steuergerät 17 über eine bidirektionale Leitung 15 mit der elektrischen Maschine 13 in Verbindung. Für das hier beschriebene Verfahren kann zur Bestimmung des momentanen Betriebszustands ein Temperaturmesssignal verwendet werden, das beispielsweise die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Brennstoffzellenstapels wiedergibt. Es ist aber auch möglich, eine andere Bestimmungsgröße für den momentanen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 einzusetzen. Beispielsweise wäre eine durch ein Steuergerät vorgegebene Steuergröße, die beispielsweise Regel- oder Kenngrößen des Brennstoffzellenstapels oder -systems berücksichtigt, denkbar. Auch einfache Größen wie etwa die seit dem Zündzeitpunkt vergangene Zeit können gegebenenfalls alleine oder zusätzlich herangezogen werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems 1 sieht vor, dass das Steuergerät 17 einen momentanen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 bestimmt. Dies kann, wie bereits dargelegt, in Abhängigkeit von einer Temperatur und/oder durch andere Steuer- oder Kenngrößen erfolgen. Dieser Verfahrensablauf ist in der Darstellung der 2 dargestellt. In einem ersten Schritt A wird der momentane Betriebszustand des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt. In einem Auswahlschritt B wird entschieden, ob der momentane Betriebszustand ein Aufwärmbetriebszustand ist. Dabei kann beispielsweise die gemessene Temperatur mit einer vorgegebenen Grenztemperatur verglichen werden. Es kann aber auch beispielsweise alleine oder zusätzlich die im Steuergerät aufgezeichnete Historie herangezogen werden. Ist der momentane Betriebszustand ein Aufwärmbetriebszustand, so wird in einem Schritt C der Verdichter in umgekehrter Richtung betrieben, d. h. umgekehrt zu der Richtung, die mit optimiertem Wirkungsgrad für den Normalbetriebszustand vorgesehen ist. Daraufhin startet das Verfahren erneut mit Schritt A. Sofern der Verdichter bereits in umgekehrter Richtung betrieben wird, erfolgt im Schritt C keine Aktivität und es wird direkt in den Schritt A zurückgesprungen. Wird beim Abfrageschritt B festgestellt, dass der Aufwärmbetriebszustand beendet ist oder beendet werden soll, weil beispielsweise die gemessene Temperatur größer als die vorgegebene Grenztemperatur ist oder entsprechende Steuersignale des Steuergeräts vorliegen, wird in einem Schritt D die Drehrichtung des Verdichters umgekehrt, d. h. er wird in normaler Drehrichtung betrieben. Auch hier gilt bei der entsprechenden Abfrage, dass der Schritt auch bei bereits richtiger Drehrichtung des Verdichters entsprechend durchlaufen wird, ohne dass dadurch eine Aktion erfolgt.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in dem Steuergerät 17 hinterlegt sein. Es kann sich bei dem Steuergerät 17 um eine zentrale Steuereinrichtung handeln. Gegebenenfalls kann das Steuergerät 17 aber auch als lokal angeordnetes Steuergerät ausgebildet sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, dass in dem Aufwärmbetriebszustand ohne weitere zusätzliche konstruktive Maßnahmen die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft in vorteilhafter Weise erwärmt wird. Dies geschieht über das Umkehren der Drehrichtung des Radialverdichters. Damit geht eine deutliche Verringerung des Wirkungsgrades des Radialverdichters einher, da dessen Beschaufelung normalerweise für eine Drehrichtung optimiert ist. Gleichwohl wird die von dem Radialverdichter geförderte Luft in die „richtige” Richtung befördert, aber eben durch die so auftretenden Verluste, die zum Großteil als Wärme frei werden, vorteilhaft erwärmt. Es muss lediglich bei der Ausgestaltung der Beschaufelung im Zusammenhang mit der Gehäuse- und Einströmgeometrie darauf geachtet werden, dass auch bei einer Umkehr der Drehrichtung nach wie vor eine Förderung der Luft in Richtung Brennstoffzellenstapel erfolgen kann. Dies ist aber bei Radialverdichtern mit üblicher Bauweise stets der Fall.
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Gleichzeitig erlaubt die auftretende starke Verringerung des Wirkungsgrades des Radialverdichters bei einem Betrieb mit umgekehrter Drehrichtung eine maximale Leistungsaufnahme des Radialverdichters. Dieser stellt somit eine maximale Leistungssenke für den Brennstoffzellenstapel dar und ermöglicht eine deutlich verbesserte Selbsterwärmung der Brennstoffzellen. Somit wird die Aufwärmphase insbesondere bei einem Gefrierstart durch eine einfache Steuerung ohne weitere konstruktive Anpassungen des gesamten Systems entscheidend verkürzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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