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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft sie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich dabei insbesondere um PEM-Brennstoffzellensysteme handeln, welche beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung in Fahrzeugen, insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, eingesetzt werden können. Darin verwendete Brennstoffzellen weisen normalerweise einen Kathodenraum und einen Anodenraum auf. Dem Kathodenraum wird Luft als Sauerstofflieferant zugeführt, dem Anodenraum ein wasserstoffhaltiges Gas oder Wasserstoff. Die Gase werden in der Brennstoffzelle umgesetzt, Abgase gelangen an die Umgebung. Eines der Probleme dabei ist die Tatsache, dass in der Brennstoffzelle sogenanntes Produktwasser entsteht, welches bei der Umsetzung von Sauerstoff und Wasserstoff anfällt. Dieses Produktwasser ist hochrein und gefriert deshalb bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts unmittelbar ein. Die Problematik liegt nun darin, dieses Produktwasser sicher und zuverlässig aus der Brennstoffzelle auszutragen, und zwar so, dass die Brennstoffzelle, ohne aufwändiges Auftauen von Leitungen oder dergleichen, auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen wieder gestartet werden kann. In der Abluftstrecke nach dem Kathodenraum der Brennstoffzelle sind dabei typischerweise mehrere Komponenten vorhanden. Eine der Komponenten ist beispielsweise ein Befeuchter, welcher den dampfförmigen Teil des Produktwassers in der Abluft nutzt, um damit die Zuluft zu dem Brennstoffzellensystem zu befeuchten und die PE-Membranen dadurch zu schonen. Eine weitere Komponente ist häufig eine Turbine, welche beispielsweise Teil eines sogenannten elektrischen Turboladers sein kann. Mit dieser Turbine sowie einem gegebenenfalls vor der Turbine angeordneten Brenner wird die Energieausbeute des Brennstoffzellensystems erhöht, indem Restenergie (Druck, Wärme) im Abgas oder bei der Verwendung eines Brenners außerdem Restwasserstoff nach der Brennstoffzelle umgesetzt und in der Turbine genutzt wird. Um die Turbine vor flüssigen Tröpfchen des Produktwassers zu schützen, ist außerdem häufig ein Wasserabscheider vor der Turbine angeordnet, da die flüssigen Tröpfchen die schnell laufende Turbine ansonsten beschädigen könnten. Nach diesen ganzen Komponenten der Abluftstrecke ist außerdem normalerweise ein Endschalldämpfer, vergleichbar der Auspuffanlage eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor, vorgesehen, um die Lärmemission des Brennstoffzellensystems beim Einsatz in einem Fahrzeug entsprechend zu reduzieren.
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Insbesondere ein solcher Aufbau der Abluftstrecke des Brennstoffzellensystems erfordert einen hohen apparativen Aufwand zum Betreiben des Brennstoffzellensystems. Sämtliche Komponenten sind außerdem, im Falle eines Einfrierens von Produktwasser, beim Wiederstart eines Brennstoffzellensystems aufwändig aufzutauen oder über aufwändige Maßnahmen vor Produktwasser, welches in ihrem Bereich gefrieren könnte, zu schützen.
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Eine weitere Thematik bei der Betrachtung der Kathodenseite eines Brennstoffzellensystems liegt in der Druckregelung. Wenn eine Turbine oder ein anderer Expander vorgesehen ist, dann kann dieser beispielsweise über eine variable Einlassgeometrie zur Druckregelung auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle genutzt werden. Ansonsten sind Gegendruckventile allgemein bekannt und üblich, welche beispielsweise in Form von Drosselklappen im Endbereich des Abluftsystems ausgebildet sind.
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Zum weiteren allgemeinen Stand der Technik soll außerdem auf die
JP 2006-302678 A verwiesen werden. Diese beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei welchem in der Abluftstrecke ein katalytischer Brenner vorgesehen ist. Darin ist außerdem ein Bypassventil beschrieben, welches die Möglichkeit bietet, den katalytischen Brenner über eine Bypassleitung zumindest mit einem Teil des Abgases beziehungsweise der Abluft zu umgehen. Der Zweck in der genannten japanischen Offenlegungsschrift ist dabei die Beeinflussung der Temperatur des katalytischen Brenners durch eine Variation der Menge an zugeführter Luft.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches einfach und effizient aufgebaut ist, und welches mit minimalem Energieaufwand gestartet werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind im abhängigen Unteranspruch angegeben.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass ein Bypassventil unmittelbar auf den Kathodenraum der Brennstoffzelle folgt oder in diesen integriert ausgebildet ist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist also einen Bypass mit einem Bypassventil auf. Das Bypassventil ist entweder bereits in den Kathodenraum der Brennstoffzelle beziehungsweise einen die Kathodenräume der Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks verbindenden Sammler integriert oder folgt unmittelbar auf diesen. Unter unmittelbar im Sinne der hier vorliegenden Erfindung ist dabei zu verstehen, dass keine Komponenten, Leitungsabzweigungen oder dergleichen zwischen dem Ausgang des Kathodenraums aus der Brennstoffzelle beziehungsweise einem Gehäuse um die Brennstoffzelle und dem Bypassventil angeordnet sind. Das Bypassventil ermöglicht die Umgehung der weiteren in der Abluftstrecke der Brennstoffzelle angeordneten Komponenten. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass unabhängig vom Zustand dieser Komponenten, also beispielsweise auch wenn diese Komponenten durch gefrorenes Wasser blockiert sind, ein energieeffizienter Start des Brennstoffzellensystems erfolgen kann. Der Start kann dabei direkt erfolgen, ohne dass die Komponenten zuerst energie- und zeitaufwändig aufgetaut werden müssen. Das erfindungsgemäße Bypassventil ermöglicht so einen sehr schnellen Start des Brennstoffzellensystems, auch bei widrigen Umgebungsbedingungen.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bypassventils in dem Brennstoffzellensystem liegt darin, dass dieses im regulären Betrieb, also nachdem die Startphase abgeschlossen ist, als Druckregelventil zur Druckregelung der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden kann. Dies hat den weiteren Vorteil, dass auf ein anderes Ventil oder dergleichen zur Druckregelung verzichtet werden kann. Durch die Integration der Funktionalität der Druckregelung und der Funktionalität der Erleichterung des Kaltstarts beziehungsweise Gefrierstarts in das eine erfindungsgemäße Bypassventil lassen sich Bauteile, und damit Bauraum, Kosten und Gewicht einsparen. Insbesondere kann auf eine aufwändige variable Einlassgeometrie einer gegebenenfalls im Abluftstrom nachgeschalteten Turbine verzichtet werden. Dies ist ein erheblicher Vorteil hinsichtlich der Kosten, des Aufwands bei der Montage und der Komplexität und Fehleranfälligkeit des Brennstoffzellensystems.
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Neben der Umgehung eventuell eingefrorener Komponenten im Abluftstrang des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es durch das Bypassventil auch möglich, während des Betriebs und insbesondere während der Startphase des Brennstoffzellensystems entstehendes Produktwasser aus dem Kathodenraum der Brennstoffzelle unmittelbar durch das Bypassventil auszutragen. Dadurch wird eine Beaufschlagung von gegebenenfalls noch kalten nachfolgend angeordneten Komponenten mit eben diesem Wasser verhindert, wodurch ebenfalls die Eisbildung verhindert wird.
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Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es im Hinblick auf eine Verbesserung dieser Funktionalität daher vorgesehen, dass das Bypassventil im bestimmungsgemäßen Gebrauch in Richtung der Schwerkraft unterhalb des oder unten im Kathodenraum angeordnet ist. Eine solche Anordnung in Richtung der Schwerkraft unten erleichtert den Austrag von entstehendem Produktwasser, da dieses nicht über einen Gasstrom mit transportiert werden muss, sondern durch die Schwerkraft selbsttätig aus dem Kathodenraum durch das Bypassventil abfließen kann.
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Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei ferner vorgesehen, dass das Bypassventil den Kathodenraum mit der Umgebung verbindet. Diese Verbindung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dabei so ausgebildet sein, dass diese über einen bestimmungsgemäßen Gebrauch in Richtung der Schwerkraft verlaufendes Leitungselement ohne Einbauten oder weitere Komponenten realisiert ist. Die Verbindung kann also über das Bypassventil direkt über eine nach unten gerichtete von Einbauten freie Leitung mit der Umgebung erfolgen. Dies stellt das ideale Ablaufen des entstanden Produktwassers aufgrund der Schwerkraft sicher.
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Um ein Festsetzen von flüssigem Wasser, und damit die Gefahr eine späteren Einfrierens in diesem Bereich zu verhindern, kann es ferner vorgesehen sein, dass die Durchmesser von Anschlussleitungen und durchströmbaren Querschnitten des Bypassventils so ausgebildet sind, dass keine Adhäsions- und Kapillarkräfte bei der Durchströmung mit Wasser oder einem Wasser-Gas-Gemisch auftreten. Die Strömungsquerschnitte werden also so groß ausgebildet, dass keine Kapillarwirkung hinsichtlich des in diesem Bereich gegebenenfalls anfallenden Wassers entsteht, Dadurch kann das „Anhaften” beziehungsweise Verbleiben von Wasser in den Leitungselementen und durchströmbaren Querschnitten aufgrund der Oberflächenspannung des Wassers verhindert werden, wodurch der Austrag von Wasser verbessert wird. Die Gefahr eines Einfrierens des Bypassventils und der mit ihm verbundenen Leitungselemente, falls es zu Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kommt, kann so minimiert werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gegenüber der oben beschriebenen Variante kann es dabei auch vorgesehen sein, dass der Abluftstrom durch eine Turbine und anschließend durch wenigstens eine weitere Komponente, insbesondere einen Endschalldämpfer, strömt, wobei das Bypassventil mit der Abluftleitung vor der wenigstens einen weiteren Komponente verbunden ist. Der Bypass kann also auch so ausgebildet sein, dass er nicht die gesamte Abluftstrecke umgeht, sondern lediglich einen Teil der Komponenten, insbesondere die Turbine und einen gegebenenfalls vor der Turbine angeordneten Befeuchter und/oder Wasserabscheider. Damit lassen sich die hinsichtlich eines Einfrierens kritischen Komponenten umgehen, gleichzeitig kann der Rest der Abluftstrecke, welcher gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung einen Endschalldämpfer umfasst, dennoch durchströmt werden. Die Funktionalität des Endschalldämpfers bleibt damit erhalten, sodass bei geöffnetem Bypassventil keine höheren Lärmemissionen auftreten als bei geschlossenem Bypassventil. Außerdem kann der geplante Austrittsort des Wassers aus der Abluftstrecke des Brennstoffzellensystems, welcher gegebenenfalls, insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug, an einem vorgegebenen definierten Ort realisiert ist, erhalten bleiben.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems gelöst. Bei der verfahrensgemäßen Lösung ist es vorgesehen, dass bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei Temperaturen des Brennstoffzellensystems unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, das Bypassventil geöffnet wird, wonach das Bypassventil ab dem Erreichen einer vorgegebenen Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems als Regelorgan für die Druckregelung auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems verwendet wird. Dieses Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Bypassventil unmittelbar nach oder im Kathodenraum der Brennstoffzelle ermöglicht die ideale Nutzung des Bypassventils, nämlich so, dass dieses zumindest bei einem Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, einem sogenannten Gefrierstart, geöffnet ist. Dadurch lässt sich entstehendes Wasser unmittelbar austragen und gegebenenfalls eingefrorene Komponenten in der Abluftstrecke nach dem Bypassventil sind für den Start unerheblich. Dadurch entsteht die Möglichkeit, das System sehr schnell und energiesparend zu starten. Wenn das Gesamtsystem seine Betriebstemperatur erreicht hat, tauen diese gegebenenfalls eingefrorenen Komponenten in der Abluftstrecke ohnehin auf, sodass dies ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich ist. Das erfindungsgemäße Bypassventil wird dann nicht einfach geschlossen, sondern kann weiterhin als Druckregelorgan während des regulären Betriebs des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden. Dadurch entsteht eine Doppelfunktionalität für das Bypassventil, sodass Bauteile, Gewicht und Kosten eingespart werden können.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass das Bypassventil beim Abstellen des Brennstoffzellensystems und/oder dem Stillstand des Brennstoffzellensystems geöffnet gehalten wird. Das Bypassventil kann somit während einer Abschaltprozedur oder im Stillstand des Brennstoffzellensystems weiterhin garantieren, dass eventuell noch vorhandenes restliches Produktwasser einfach und effizient aus dem System abgeführt werden kann, ohne dass damit Komponenten in der Abluftstrecke beaufschlagt werden, welche hinsichtlich des Einfrierens gegebenenfalls kritisch sind, insbesondere eine Turbine, ein Wasserabscheider und/oder ein Befeuchter.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug;
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2 ein Detail mit Kathodenraum und Bypassventil; und
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3 eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch angedeutet. Es soll in einem mit 2 bezeichneten Fahrzeug platziert sein. In dem Fahrzeug soll es elektrische Leistung zur Verfügung stellen, insbesondere die elektrische Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs 2. Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche insbesondere als PEM-Brennstoffzellenstapel, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. die Brennstoffzelle 3 umfasst einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5. Im Anodenraum 5 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über ein Druckregel- und Dosierventil 6 Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt. Unverbrauchtes Abgas gelangt über eine Abgasleitung 8 aus dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3. Neben dem hier prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel wären selbstverständlich andere Ausführungsvarianten des Anodenraums 5 beziehungsweise der Gaszu- und -abfuhr zum Anodenraum 5 denkbar und möglich. Der Stand der Technik kennt insbesondere einen sogenannten Anodenloop, bei dem das Abgas aus dem Anodenraum 5 im Kreislauf zum Eingang des Anodenraums 5 zurückgeführt und mit frischem Wasserstoff vermischt diesem wieder zugeführt wird. Sich mit der Zeit anreicherndes Wasser und sich mit der Zeit anreichernde inerte Gase in diesem Anodenkreislauf werden dann von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit der Stoffkonzentration oder auch kontinuierlich mit kleinem Volumenstrom über eine vergleichbare Abgasleitung 8, welche gegebenenfalls noch einen Wasserabscheider und ein Ablassventil aufweist, abgelassen. Dies spielt für das hier dargestellte Brennstoffzellensystem 1 und die darin erläuterte Erfindung eine untergeordnete Rolle, sodass lediglich die prinzipmäßige Darstellung mit direkter Abfuhr des Abgases des Anodenraums 5 über die Abgasleitung 8 dargestellt ist.
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Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über einen Luftfilter 9 und eine Luftfördereinrichtung 10 als Sauerstofflieferant zur Verfügung gestellt. Da die Membranen der Brennstoffzelle 3 vergleichsweise empfindlich gegenüber Austrocknung sind, wird die zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 strömende Zuluft über einen Befeuchter 11, welcher als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet ist, zu dem Kathodenraum 4 geführt.
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Abgas aus dem Kathodenraum 4 gelangt dann in eine nach dem Kathodenraum 4 angeordnete Abluftstrecke 12, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mehrere Komponenten aufweist. Erfindungswesentlich ist dabei ein Bypassventil 13, auf welches später noch näher eingegangen wird.
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Zur Erläuterung der Abluftstrecke 12 soll nun davon ausgegangen werden, dass dieses Bypassventil 13 im regulären Betrieb so geschaltet ist, dass das Abgas aus dem Kathodenraum 4 über das Bypassventil 13 zu dem Befeuchter 11 strömt. Im Befeuchter 11 gibt das feuchte Abgas seine dampfförmig transportierte Feuchtigkeit über Membranen, welche beispielsweise in Form von Flachmembranen oder Hohlfasermembranen ausgebildet sein können, an den den Befeuchter 11 ebenfalls durchströmenden Zuluftstrom ab. Nach dem Befeuchter 11 strömt die Abluft über einen Wasserabscheider 14, in dessen Bereich flüssiges Wasser abgeschieden und über eine Ventileinrichtung 15 und eine Ablassleitung 16 beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit des Füllstands abgelassen wird. Die Aufgabe des Wasserabscheiders 14 besteht dabei insbesondere darin, flüssiges Wasser und flüssige Tröpfchen aus dem Abluftstrom abzuscheiden, da dieser nach dem Wasserabscheider 14 in eine Turbine 17 strömt. Die schnelllaufende Turbine 17 könnte durch flüssige Tröpfchen im Abgas beschädigt werden. Im Bereich dieser Turbine 17 werden Druckenergie und Wärme aus dem Abluftstrom zumindest teilweise zurückgewonnen. Die von der Turbine 17 zurückgewonnene Leistung im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird über eine gemeinsame Welle der Turbine 17 und der Luftfördereinrichtung 10 zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 10 mitgenutzt. Die typischerweise zusätzlich benötigte Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung wird über eine elektrische Maschine 18, welche auf derselben Welle angeordnet ist, bereitgestellt. Dieser Aufbau aus elektrischer Maschine 18, Turbine 17 und Luftfördereinrichtung 10 ist auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bekannt. Er stellt eine sehr energieeffiziente Möglichkeit zur Luftversorgung der Brennstoffzelle 3 des Brennstoffzellensystems 1 dar. In Sondersituationen kann es dazu kommen, dass im Bereich der Turbine 17 mehr Leistung anfällt, als von der Luftfördereinrichtung 10 benötigt wird. In diesem Fall kann die elektrische Maschine 18 auch generatorisch betrieben werden, um so elektrische Leistung zu erzeugen.
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Nach der Turbine 17 gelangt die Abluft typischerweise über wenigstens eine nachgeschaltete Komponente, welche normalerweise als Endschalldämpfer 19 ausgebildet ist, an die Umgebung. Der bisher beschriebene Aufbau mit dieser Durchströmung der Abluftstrecke 12 der Brennstoffzelle 3, ohne das Bypassventil 13 ist so aus dem Stand der Technik bekannt. Die Neuerung liegt nun darin, dass zusätzlich das Bypassventil 13 in das Brennstoffzellensystem 1 mit integriert ist. Dieses Bypassventil 13 kann insbesondere in Form einer Drosselklappe ausgebildet sein, wie es beispielsweise an dem in 2 dargestellten Detail zu erkennen ist. Das Detail zeigt den in Richtung der Schwerkraft im bestimmungsgemäßen Gebrauch unteren Teil des Kathodenraums 4 und das daran direkt angebrachte Bypassventil 13 in Form einer Drosselklappe. Es ist über eine Bypassleitung 20 in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Abluftstrecke 12 zwischen der Turbine 17 und dem Endschalldämpfer 19 verbunden. Es kann gemäß einem später noch erläuterten Ausführungsbeispiel in 3 auch direkt mit der Umgebung verbunden sein. Das Leitungselement der Bypassleitung 20 und das Bypassventil 13 selbst sind dabei direkt unterhalb des Kathodenraums 4 beziehungsweise eines Sammelbereichs, welcher die einzelnen Kathodenräume der aufgestapelten Zellen miteinander verbindet, angeordnet. Im Kathodenraum 4 anfallendes Produktwasser wird aufgrund der Strömungsrichtung der Luft und insbesondere auch aufgrund der Schwerkraft in dem Kathodenraum 4 beziehungsweise dem Sammler der Kathodenräume 4 nach unten fließen und sammelt sich im unteren Bereich. Es kann daher in idealer Weise über das Bypassventil 13 und das Leitungselement der Bypassleitung 20 ablaufen, wenn das Bypassventil 13 geöffnet ist. Wenn dieses nicht geöffnet ist, kann das Wasser mit dem Gasstrom über die in 2 eingezeichnete Leitung 21 in Richtung des Befeuchters 11 strömen beziehungsweise vom Gasstrom mit transportiert werden.
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Ist das Bypassventil 13 nun geschlossen, dann kommt es zu dem oben bei der Erläuterung der 1 bereits beschriebenen Ablauf, bei welchem die Abluftstrecke 12 der Brennstoffzelle 3 so durchströmt wird, dass die Abluft zuerst den Befeuchter 11, dann den Wasserabscheider 14, dann die Turbine 17 und am Schluss den Endschalldämpfer 19 durchströmt. Dies ist im regulären Betrieb so vorgesehenl, da dadurch ein Maximum an Restenergie aus dem Abluftstrom zurückgewonnen werden kann. Nun ist es so, dass zusätzlich eine Druckregelung für die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 vorgesehen werden muss. Im Stand der Technik wird eine solche Druckregelung der Kathodenseite beispielsweise über eine variable Einlassgeometrie der Turbine 17 realisiert. Dies ist hinsichtlich der Montage, der Herstellung und des Steuerungsaufwands vergleichsweise aufwändig und entsprechend teuer und störanfällig. Die Verwendung des Bypassventils 13 ermöglicht nun eine einfache und effiziente Druckregelung, indem ein Teil der Abluft durch das Bypassventil 13 direkt in den Endschalldämpfer 19 geleitet wird. Der Aufbau ermöglicht so eine einfache und effiziente Druckregelung über das Bypassventil 13.
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Da die Komponenten 11, 14, 17 hinsichtlich eines eventuellen Einfrierens des Brennstoffzellensystems 1, wenn dieses bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ausharrt, bevor es wieder gestartet wird, sehr kritisch sind, ermöglicht das Bypassventil 13 außerdem einen sehr schnellen und effizienten Start des Brennstoffzellensystems 1. Bei geöffnetem Bypassventil 13 besteht die Möglichkeit, dass Abluft aus dem Brennstoffzellensystem vollständig über das Bypassventil und das Leitungselement der Bypassleitung 20 abgelassen wird. Ob die Komponenten 11, 14, 17 in der Darstellung der 1, welche in der Abluftstrecke nach dem Bypassventil angeordnet sind, eingefroren sind oder nicht, spielt dann für den Start des Brennstoffzellensystems 1 keine Rolle, insbesondere müssen diese nicht zeit- und energieaufwändig aufgetaut werden, bevor die Brennstoffzelle 3 gestartet werden kann. In dieser Situation entstehendes Produktwasser gelangt über das Bypassventil 13 und das Leitungselement der Bypassleitung 20 direkt in den Endschalldämpfer, welcher hinsichtlich des Einfrierens von Wasser eher unkritisch ist, sodass auch bei niedrigen Temperaturen des Endschalldämpfers keine Startprobleme aufgrund von Eisbildung zu befürchten sind.
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In der Darstellung der 3 ist nun eine weitere alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 in dem Fahrzeug 2 dargestellt. Dieselben Komponenten sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Nachfolgend soll daher lediglich auf die Unterschiede gegenüber dem Brennstoffzellensystem 1 in der Darstellung der 1 näher eingegangen werden. Einer der Unterschiede besteht darin, dass die Turbine 17 hier als sogenannte „heiße Turbine” ausgebildet ist. Sie wird nicht nur mit dem reinen Abluftstrom des Kathodenraums 4 der Brennstoffzelle beaufschlagt, sondern dieser Abluftstrom strömt vor der Turbine 17 zusätzlich durch einen Brenner 22, insbesondere einen katalytischen Brenner. Diesem Brenner 22 wird außerdem Restwasserstoff aus dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Dies kann beispielsweise, wie hier dargestellt, bei einem durchströmten Anodenraum 5 direkt über die Abgasleitung 8 erfolgen. Dies ist ebenso bei der Verwendung eines Anodenkreislaufs denkbar. In diesem Fall würde eine Ablassleitung zum Ablassen von Wasser und/oder Gas aus dem Anodenkreislauf mit dem Brenner 22 verbunden. In dem Brenner 22 werden dann Reste an Wasserstoff und Sauerstoff in dem Abgasstrom und dem Abluftstrom der Brennstoffzelle 3 miteinander umgesetzt. Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der Temperatur des Abluftstroms. Diese zusätzliche Wärme kann dann in der Turbine 17 wieder genutzt werden. Die Abluftstrecke 12 des Brennstoffzellensystems 1 ist in der Darstellung der 3 gegenüber der Darstellung in 1 verkürzt dargestellt, da der Endschalldämpfer 19 unmittelbar auf die Turbine 17 erfolgt. Das Leitungselement der Bypassleitung 20 nach dem Bypassventil 13 gelangt in diesem Ausführungsbeispiel nicht zurück in die Abluftstrecke 12, sondern gelangt direkt in die Umgebung, insbesondere über ein senkrecht nach unten verlaufendes von Einbauten freies Leitungselement als Bypassleitung 20, um so bei Bedarf durch das Bypassventil 13 zuverlässig die Abfuhr von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 1 sicherstellen zu können.
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Um die nunmehr beschriebene Funktionalität zu erreichen, kann die Steuerung beziehungsweise Regelung des Bypassventils 13 über verschiedenen Eingangsgrößen definiert werden. Wichtig sind hier sicherlich Temperaturen, beispielsweise die Systemtemperatur und/oder die Umgebungstemperatur sowie Drücke beziehungsweise Druckabfälle in einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems 1, beziehungsweise insbesondere der Abluftstrecke 12. Über solche Drücke beziehungsweise Druckabfälle kann auf die Funktionalität und auf eine eventuelle Eisbildung in den Komponenten 11, 14, 17, 22 zurückgeschlossen werden, was neben der Temperatur Einfluss auf die Regelung beziehungsweise Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 und des Bypassventils 13 haben kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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