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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.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann sich dabei um Brennstoffzellensysteme handeln, welche insbesondere mit sogenannten PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sind. Sie können 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 Brennstoffzellen selbst, hier insbesondere die Kanäle, in den sogenannten Strömungsfeldern und Poren in den sogenannten Gasdiffusionsschichten einer Membranelektrodenanordnung von gefrorenem Wasser verstopft sein. Es kann jedoch auch zu eingefrorenen Komponenten, wie beispielsweise Ventilen, Leitungselementen, festgefroren Fördereinrichtungen oder dergleichen, kommen. Um dieser Problematik zu begegnen ist es einerseits möglich, während eines solchen Gefrierstarts eines Brennstoffzellensystems dieses entsprechend aufzuheizen und aufzutauen. Dies ist jedoch vergleichsweise energieintensiv und verzögert den Start, da es typischerweise eine längere Zeitspanne dauert, bis das Brennstoffzellensystem gänzlich aufgetaut ist.
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Um dieser Problematik zu begegnen, kann das Brennstoffzellensystem bereits beim Abstellen des Brennstoffzellensystems zur Vorbereitung des Wiederstarts getrocknet werden. Hierfür ist es einerseits bekannt, das Brennstoffzellensystem mit Luft zu durchspülen, um Wasser bzw. Wasserdampf aus dem Brennstoffzellensystem auszutreiben.
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Außerdem ist es aus der gattungsgemäßen
US 6,358,637 B1 bzw. der korrespondierenden
DE 100 61 687 B4 bekannt, zum Trocknen des Brennstoffzellensystems Unterdruck an die Anodenseite und/oder Kathodenseite des Brennstoffzellensystems anzulegen, um so flüssiges Wasser zu verdampfen und über die Unterdruckpumpe abzuziehen. Ein vergleichbares Verfahren ist außerdem in der
DE 60 2004 000 440 T2 oder in der
JP 2008-1 031 20 A beschrieben. Dabei können verschiedene Mittel zur Erzeugung des Unterdrucks eingesetzt werden, beispielsweise eine eigens dafür vorgesehene Unterdruckpumpe, welche sich in dem Fahrzeug oder einem Bereich in dem das Fahrzeug typischerweise abgestellt wird, befindet. Genauso gut kann die Luftfördereinrichtung als Mittel zur Erzeugung von Unterdruck rückwärts betrieben werden, oder es kann eine Unterdruckpumpe eingesetzt werden, welche in dem Fahrzeug ohnehin vorhanden ist und dort sonst andere Funktionalitäten übernimmt.
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Nach der Trocknung des Brennstoffzellensystems mit Unterdruck befindet sich dieses typischerweise in einem vergleichsweise trockenen Zustand. Der Unterdruck gleich sich über einen längeren Zeitraum des Stillstands des Brennstoffzellensystems durch das Eindringen von Luft in das Brennstoffzellensystem entsprechend aus. Nun ist es so, dass Luft in dem Brennstoffzellensystem, insbesondere auf der Anodenseite, beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems zu erheblichen Problemen führen kann. Wird beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems Wasserstoff auf die Anodenseite dosiert, dann läuft eine Wasserstoff/Sauerstoff bzw. Wasserstoff/Luft-Front durch den Anodenraum. Entlang dieser Front kommt es zu erheblichen Potenzialunterschieden an der Anode, da der mit Wasserstoff beaufschlagte Bereich bereits die in der Brennstoffzelle übliche Spannung erzeugt, während der benachbarte noch mit Luft bzw. Sauerstoff beaufschlagte Bereich dies nicht tut. Hierdurch kommt es zu einer Degradation des Katalysators an der Anode, was die Lebensdauer der Brennstoffzelle deutlich verkürzt. Die Problematik ist die, dass selbst bei einem von Luft freien Anodenraum während einer längeren Stillstandsphase Sauerstoff aus dem Kathodenraum durch die Membranen der Brennstoffzelle in den Anodenraum diffundiert. Sobald nach dem Ausgleich des Unterdrucks also Luft in dem Brennstoffzellensystem vorhanden ist, stellt dies eine erhebliche Gefahr für die Lebensdauer der Brennstoffzelle beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems dar.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es aus der
US 2005/0031917 A1 bekannt, dass beim Abstellen eines Brennstoffzellensystems Brennstoff bzw. Wasserstoff in den Anodenraum und bevorzugt auch in den Kathodenraum eingebracht wird. Dieser Wasserstoff verhindert das Eindringen von Sauerstoff und kann so beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems dafür sorgen, dass die im Bereich des Anodenraums kritische Wasserstoff/Sauerstoff-Front beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems vermieden wird. Hierdurch lässt sich die Degradation des Anodenkatalysators verhindern und die Brennstoffzelle erreicht eine erheblich längere Lebensdauer.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Vorbereiten des Wiederstarts eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet, und welches einen sicheren und zuverlässige Wiederstart bei allen Umgebungstemperaturen gewährleistet, ohne dass eine Beeinträchtigung der Lebensdauer der Brennstoffzelle durch den Wiederstart auftritt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass, ebenso wie im gattungsgemäßen Stand der Technik, das Trocknen der Brennstoffzelle nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle auf der Anodenseite und/oder der Kathodenseite mittels Anlegen eines Unterdrucks erfolgt, wonach erfindungsgemäß nach dem Trocknen die Anodenseite und/oder die Kathodenseite der Brennstoffzelle mit Brennstoff gefüllt wird. Nach dem Trocknen über Unterdruck wird durch das Füllen mit Brennstoff dafür gesorgt, dass der Unterdruck sich nicht dadurch abbaut, dass Luft über das Brennstoffzellensystem nachströmt, sondern der Unterdruck wird gemäß der Erfindung durch ein Füllen des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff abgebaut. Dies gilt insbesondere für den Anodenraum sowie die damit verbundenen Komponenten, beispielsweise einen Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems. Ebenso kann die Kathodenseite und hier insbesondere der Kathodenraum mit Brennstoff gefüllt werden, um das Eindringen von Sauerstoff in den Kathodenraum zu verhindern, sodass auch kein Sauerstoff durch die Membranen hindurch vom Kathodenraum in den Anodenraum diffundieren kann, wenn das Brennstoffzellensystem in dem Fahrzeug länger abgestellt ist.
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Das Trocknen des Brennstoffzellensystems über den Unterdruck nach dem Abstellen der elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle kann dabei insbesondere erfolgen, bevor das Brennstoffzellensystem wesentlich abgekühlt ist, um so die in dem Brennstoffzellensystem, und insbesondere in der Brennstoffzelle als Bauteil mit sehr hoher Wärmekapazität, vorhandene Restwärme zu nutzen, um eine möglichst gute Trocknung zu erzielen und möglichst viel in flüssiger Form vorhandenes Wasser durch den Unterdruck sicher und zuverlässig in den dampfförmigen Zustand zu überführen und absaugen zu können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es außerdem vorgesehen, dass das Trocknen mittels Unterdruck so lange erfolgt, bis ein vorgegebener Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem unterschritten ist. Dieser Wassergehalt wird so vorgegeben, dass ein Gefrierstart in jedem Fall möglich ist und nicht durch eventuell ausgebildetes Eis blockiert werden kann. Dieses zielgenaue Trocknen so, dass ein für einen erfolgreichen Wiederstart, insbesondere Gefrierstart, notwendiger Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem unterschritten ist, sorgt dafür, dass der benötigte Energiebedarf zur Erzeugung des Unterdrucks ebenso wie der Zeitbedarf minimiert werden kann, da immer genau so lange getrocknet wird, wie es für einen erfolgreichen Wiederstart notwendig ist.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass der Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem mittels einer Wassergehaltsbestimmungseinrichtung aus einem oder mehreren Messwerten erfasst und mit dem vorgegebenen Wassergehalt verglichen wird. Als Messwerte können dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung Werte von Wechselstromwiderstandsmessungen, Impedanzmessungen und/oder Feuchtemessungen genutzt werden. Die Messungen können an geeigneten Stellen des Brennstoffzellensystems erfolgen und können entweder alleine oder miteinander kombiniert zur Bestimmung bzw. Abschätzung des Wassergehalts in der Wassergehaltsbestimmungseinrichtung eingesetzt werden.
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Um die Trocknung zu beschleunigen und zu verbessern, kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens außerdem vorgesehen sein, dass während der Trocknung eventuell vorhandene Heizeinrichtungen in dem Brennstoffzellensystem zumindest teilweise betrieben werden. Häufig ist es so, dass in Brennstoffzellensystemen auf jeden Fall Heizeinrichtungen vorhanden sind, beispielsweise um im Notfall gefrorene Ventileinrichtungen innerhalb der Leitungen, welche Produkte und Edukte der Brennstoffzelle führen, auftauen zu können. Solche ohnehin vorhandenen Heizeinrichtungen können gemäß der beschriebenen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nun während des Trocknens betrieben werden. Hierdurch wird es möglich, die Temperatur in dem Bereich, in dem getrocknet werden soll, entsprechend zu erhöhen und so die Trocknung zu verbessern.
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Eine günstige Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es dabei ferner vor, dass zum Erzeugen des Unterdrucks eine Unterdruckpumpe verwendet wird, welche im regulären Betrieb des mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs andere Funktionen in dem Fahrzeug übernimmt, insbesondere zur Bremskraftverstärkung eingesetzt wird. Eine im den Fahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem ohnehin vorhandene Unterdruckpumpe kann besonders einfach und effizient zur Erzeugung des Unterdrucks eingesetzt werden, ohne dass hierfür eine zusätzliche neue Komponente mitgeführt werden muss. Sehr einfach kann beispielsweise eine für einen Bremskraftverstärker in dem Fahrzeug eingesetzte Unterdruckpumpe zur Erzeugung des Unterdrucks zum Trocknen des Brennstoffzellensystems verwendet werden. Über eine einfache zusätzliche Rohrleitung mit Ventil kann eine Anbindung der Anodenseite und/oder der Kathodenseite an die Unterdruckpumpe erfolgen, welche nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems ohnehin nicht mehr zur Bremskraftverstärkung benötigt wird. Sie kann dann zur Erzeugung des Unterdrucks zum Trocknen des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es dabei außerdem vorgesehen sein, dass die Unterdruckpumpe nach dem Trocknen ohne Verbindung zur Anodenseite und Kathodenseite des Brennstoffzellensystems nachläuft. Ein solches Nachlaufen der Unterdruckpumpe kann verwendet werden, um diese selbst zu trocknen. Dabei ist die Verbindung zum Brennstoffzellensystem bereits unterbrochen, sodass die Pumpe lediglich sich selbst durchspült, um so getrocknet zu werden und den Eintrag von Feuchtigkeit in das ansonsten, während des regulären Betriebs, mit der Unterdruckpumpe betriebene System sicher und zuverlässig zu verhindern.
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Der Brennstoff zum Füllen der Anodenseite und/oder Kathodenseite des Brennstoffzellensystems nach dem Trocknen kann dabei beispielsweise aus einem Speichervolumen für den Brennstoff in dem Brennstoffzellensystem, beispielsweise einem Hochdrucktank für Wasserstoff, stammen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei auch möglich, dass der Brennstoff aus einem vom Speichervolumen für den Brennstoff verschiedenen Vorratsbehälter zum Füllen des Brennstoffzellensystems nach dem Trocknen verwendet wird. Ein solcher Vorratsbehälter hat dabei den Vorteil, dass er Brennstoff auf einem Druckniveau speichern kann, welches typischerweise unterhalb des Druckniveaus des Speichervolumens für den Brennstoff liegt. Hierdurch ist es möglich, ohne dass ein Hochdruckventil nach dem elektrischen Abstellen des Brennstoffzellensystems geöffnet werden muss, eine ausreichende Menge an Brennstoff zum Füllen der Anodenseite und/oder der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems nach dem Trocknen bereitzustellen.
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Als Vorratsbehälter kann dabei gemäß einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee ein Teil der Zufuhrleitungen für den Brennstoff genutzt werden. Zwischen dem Hochdruckventil und einem Druckregel- und Dosierventil ist typischerweise ein Leitungselement vorhanden, welches den Brennstoff von dem Hochdruckabsperrventil zu dem eigentlichen Brennstoffzellensystem und dem dort angeordneten Dosierventil führt. Ist dieses Leitungsvolumen ausreichend groß bzw. die Leitung ausreichend lang, so kann dieses Leitungsvolumen sehr einfach und effizient als Vorratsbehälter genutzt werden, da das Volumen ohnehin vorhanden ist und die entsprechenden Ventileinrichtungen ebenfalls in dem regulären Brennstoffzellensystem ohnehin vorhanden sind.
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Ergänzend oder alternativ dazu ist es selbstverständlich auch möglich, den Vorratsbehälter durch ein eigenes Speichervolumen, beispielsweise einen Speichertank, welcher zusätzlich in dem Brennstoffzellensystem bzw. dem Fahrzeug vorhanden ist, auszubilden. Der Vorratsbehälter in dieser Ausführungsform kann dabei während des Betriebs des Brennstoffzellensystems oder durch abgesaugten Brennstoff aus der Anodenseite beim Trocknen befüllt werden. Eine Befüllung während des Betriebs stellt den Brennstoff auf einem Druckniveau in dem Vorratsbehälter bereit, welches typischerweise in der Höhe des Betriebsdrucks des Brennstoffzellensystems bzw. der Brennstoffzelle liegt. Es kann beispielsweise in einem Anodenkreislauf oder einer Brennstoffzuleitung der Anodenseite angeordnet und über ein Ventil entsprechend steuerbar mit der Anodenseite verbunden sein. Während des Betriebs ist das Ventil geöffnet, sodass das Volumen sich füllt. Beim Abstellen wird das Ventil entsprechend geschlossen und nach dem Trocknen wieder geöffnet, um den in dem Vorratsbehälter gespeicherten Brennstoff auf die Anodenseite zurückströmen zu lassen. Über eine Verbindung der Anodenseite und der Kathodenseite kann dieser Aufbau auf beide Seiten der Brennstoffzelle erweitert werden.
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Die alternative Ausführungsform, bei welcher abgesaugter Brennstoff aus der Anodenseite beim Trocknen in den Vorratsbehälter gefüllt wird, kann so ausgebildet sein, dass der Vorratsbehälter in Verbindung mit der Unterdruckpumpe oder der jeweiligen Einrichtung zum Erzeugen des Unterdrucks während des Trocknens steht. Der Brennstoff kann dann über die Unterdruckpumpe in den Vorratsbehälter gefördert werden und kann nach dem Trocknen wieder zurück in die Anodenseite und/oder Kathodenseite des Brennstoffzellensystems strömen. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient, da der auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems verbleibende Restwasserstoff nicht an die Umgebung abgegeben, sondern in dem Vorratsbehälter zwischengespeichert und nach dem Trocknen in das Brennstoffzellensystem zurückgefördert wird. Hierdurch ist es möglich, ohne dass Wasserstoff aus dem Brennstoffzellensystem verloren geht, das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach und hinsichtlich der benötigten Wasserstoffmenge sehr effizient durchzuführen
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Füllen des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff erfolgt, bevor sich der Unterdruck in dem Brennstoffzellensystem nach dem Trocknen vollständig abgebaut hat. Diese besonders günstige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es also vor, dass der Unterdruck unmittelbar durch den einströmenden Brennstoff ausgeglichen wird, sodass über das Druckgefälle aufgrund des in dem Brennstoffzellensystem noch herrschenden Unterdrucks nach der Trocknung die Befüllung mit dem Brennstoff erfolgen kann. Hierdurch wird das Eindringen von eventueller Luft, insbesondere beim Vorhandensein von Undichtheiten und dergleichen, sicher und zuverlässig verhindert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass während des gesamten Verfahrens eine Druckdifferenz zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite immer unter 1,5 bar, vorzugsweise unter 1 bar, besonders bevorzugt unter 0,5 bar, gehalten wird. Ein solches Einhalten einer Druckdifferenz von weniger als 1,5 bar zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite während des gesamten Verfahrens, also sowohl beim Trocknen, insbesondere jedoch beim Füllen des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff nach dem Trocknen, schont die zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite angeordneten Membranen des Brennstoffzellensystems und sorgt so für einen sehr schonenden Umgang mit der Brennstoffzelle. Dies gilt dabei insbesondere dann, wenn das Verfahren lediglich für eine Seite, vorzugsweise für die Anodenseite, angewandt wird und/oder wenn durch lange Verbindungsleitungen zwischen der Kathodenseite und der Anodenseite beim Anlegen des Unterdrucks und/oder Befüllen des Brennstoffzellensystems mit Brennstoff die Gefahr besteht, dass sich hohe Druckdifferenzen aufbauen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich zusätzlich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein Brennstoffzellensystem in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug in einer ersten möglichen Ausführungsform zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein Brennstoffzellensystem in einer zweiten möglichen Ausführungsform zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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3 ein Brennstoffzellensystem in einer dritten möglichen Ausführungsform zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der Darstellung der 1 ist ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem 1 in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst im Kern eine Brennstoffzelle 3, welche aus einer Vielzahl von Einzelzellen in PEM-Technologie aufgebaut sein soll. Jede der Einzelzellen weist dabei einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 auf, welche durch eine protonenleitende Membran 6 voneinander getrennt ausgebildet sind. Dieser Aufbau ist in der Darstellung der 1 innerhalb der Brennstoffzelle 3 durch einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 sowie eine Membran 6 prinzipmäßig angedeutet. Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 7 zugeführt. Diese ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusammen mit einer Turbine 8 und einer elektrischen Maschine 10 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Über die elektrische Maschine 10 kann die Luftfördereinrichtung 7 ebenso angetrieben werden, wie über die Turbine 8, welche zur Rückgewinnung von Druckenergie und thermischer Energie aus der Abluft des Kathodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 dient. Liegt an der Turbine 8 ein Überschuss an Energie vor, so kann über die Turbine 8 auch die elektrische Maschine generatorisch betrieben werden. Dieser Aufbau ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. In Strömungsrichtung der Abluft vor der Turbine ist prinzipmäßig ein Wasserabscheider 9 angedeutet, welcher dafür sorgt, dass flüssige Tröpfchen nicht in den Bereich der schnelllaufenden Turbine gelangen.
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Auf der Anodenseite des Brennstoffellensystems 1, also der Seite, bei der Leitungselemente und Komponenten mit dem Anodenraum 4 in Verbindung stehen, erfolgt die Dosierung von Brennstoff, in diesem Fall Wasserstoff, aus einem Druckgasspeicher 11 als Speichervolumen für den Wasserstoff. Über ein Hochdruckabsperrventil 12 kann dieser Druckgasspeicher 11 abgesperrt werden. In Strömungsrichtung nach dem Hochdruckabsperrventil 12 folgt ein Leitungselement 13 sowie ein Druckregel- und Dosierventil 14, über welches der Wasserstoff zu dem Anodenraum 4 geleitet wird. Der Wasserstoff durchströmt dabei als Treibstrahl eine Gasstrahlpumpe 15, welche ein über eine Rezirkulationsleitung 16 aus dem Anodenraum 4 austretendes Abgas beschleunigt und in an sich bekannter Weise zusammen mit dem frischen Wasserstoff zum Anodenraum 4 zurückführt. Alternativ oder ergänzend zu der Gasstrahlpumpe 15 als Rezirkulationsfördereinrichtung wäre auch die Verwendung eines Wasserstoffgebläses als Rezirkulationsfördereinrichtung denkbar. In der Rezirkulationsleitung 16 ist dabei ein Wasserabscheider 17 angeordnet, welcher über eine Ablassleitung mit einem darin angeordneten Ablassventil 18 verfügt, sodass Wasser, welches sich in diesem Wasserabscheider 17 ansammelt, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit des Füllstands an Wasser abgelassen werden kann. In Verbindung mit der Rezirkulationsleitung 16, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über den Wasserabscheider 17, befindet sich nun außerdem eine Unterdruckleitung 19 mit einer Ventileinrichtung 20. Diese Unterdruckleitung 19 steht mit einer Unterdruckpumpe 21 in Verbindung. Die vorzugsweise elektrisch angetriebene Unterdruckpumpe 21 sorgt im regulären Betrieb des Fahrzeugs 2 dabei für Unterdruck im Bereich eines Bremskraftverstärkers 22, welcher in an sich bekannter, hier nicht dargestellter Art und Weise, mit einer Bremsanlage des Fahrzeugs 2 in Verbindung steht. Optional kann dabei ein Rückschlagventil 23 zwischen der Unterdruckpumpe 21 und dem Bremskraftverstärker 22 angeordnet sein.
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Wird das Fahrzeug 2 mit dem darin befindlichen Brennstoffzellensystem 1 nun abgestellt, so wird typischerweise die Entnahme von elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle 3 gestoppt. Gegebenenfalls wird zuvor über eine Hilfslast oder dergleichen dafür gesorgt, dass Reste von Wasserstoff und/oder Sauerstoff in der Brennstoffzelle 3 aufgebraucht werden. Nun ist es so, dass das Brennstoffzellensystem 1 während des Betriebs durch die Erzeugung von Produktwasser in der Brennstoffzelle 3 sowohl mit flüssigem Wasser als auch mit Feuchtigkeit in annähernd allen Bereichen der Brennstoffzelle 3 sowie der Leitungselemente des Brennstoffzellensystems 1 beladen ist. Dieses Wasser bzw. Wasser, welches aus der Feuchtigkeit beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems auskondensiert, kann dann, wenn die Temperaturen um das Fahrzeug 2 herum unter den Gefrierpunkt fallen, dafür sorgen, dass das Brennstoffzellensystem 1 und/oder wichtige Teile desselben einfrieren, sodass ein Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 in dem Fahrzeug 2 nicht oder nicht ohne erhebliche Probleme möglich ist.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken, kann nun, nachdem die elektrische Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle 3 abgestellt ist, die Ventileinrichtung 20 in der Unterdruckleitung 19 geöffnet werden. Wird dann die Unterdruckpumpe 21 betrieben, so sorgt sie dafür, dass, in diesem Ausführungsbeispiel die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1, unter einen Unterdruck gesetzt wird. Hierdurch kommt es einerseits zu einem Absaugen der Feuchtigkeit und andererseits durch die Verminderung des Drucks auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 zu einem verstärkten Verdampfen des Wassers in diesem Bereich, sodass auch dieses in Form von Feuchtigkeit bzw. Wasserdampf abgesaugt werden kann. Hierdurch lässt sich das Brennstoffzellensystem 1, bzw. in dem Ausführungsbeispiel der 1, insbesondere die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1, sehr effizient trocknen, um diese so auf einen Wiederstart auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts sicher und zuverlässig vorzubereiten. Das Trocknen kann dabei insbesondere erfolgen, solange die Brennstoffzelle 3 noch annähernd ihre Betriebstemperatur aufweist, um so das Verdampfen des Wassers aufgrund der höheren Temperatur zu begünstigen. Ergänzend oder alternativ hierzu können im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 zusätzliche Heizvorrichtungen, beispielsweise im Bereich von Ventilen oder im Bereich der Wasserabscheider, vorhanden sein. Diese können während des Trocknens ebenfalls eingeschaltet werden, sodass die Temperatur weiter erhöht wird oder langsamer absinkt, was das Trocknen ebenfalls begünstigt.
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In dem Brennstoffzellensystem 1 in der Darstellung der 1 ist außerdem eine Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 angeordnet. Diese dient zur Steuerung der Ventileinrichtung 20 und der Unterdruckpumpe 21 während des Trocknens und erhält über drei prinzipmäßig angedeutete Sensoren 25 Messwerte, auf deren Basis sie den Wassergehalt in dem Brennstoffzellensystem 1 ermitteln kann. Diese Messwerte können beispielsweise der Wechselstromwiderstand, die Impedanz oder eine direkte Feuchtemessung sein. Auch eine Kombination dieser Messwerte zur Bestimmung des Wassergehalts in dem Brennstoffzellensystem 1 ist denkbar. Die Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 kennt nun außerdem einen vorgegebenen Wert des Wassergehalts in dem Brennstoffzellensystem 1, welcher typischerweise über Versuche oder Erfahrungswerte so bestimmt wird, dass bei diesem Wert an Wassergehalt ein sicherer Start des Brennstoffzellensystems 1 auch unter Gefrierbedingungen möglich ist. Die Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 vergleicht nun diese beiden Werte miteinander und trocknet die Brennstoffzelle 3 durch den Betrieb der Unterdruckpumpe 21 bei geöffneter Ventileinrichtung 20 in der Unterdruckleitung 19 so lange, bis der aktuell erfasste Wassergehalt unter diesem vorgegebenen Wassergehalt liegt. Danach ist das Trocknen abgeschlossen und die Ventileinrichtung 20 wird geschlossen. Die Unterdruckpumpe 21 kann dann noch eine gewisse Zeit nachlaufen, um auch sich selbst zu trocknen und den Eintrag von Feuchtigkeit in ein im regulären Betrieb des Fahrzeugs 2 mit der Unterdruckpumpe verbundenes System, in diesem Fall also den Bremskraftverstärker 22, sicher und zuverlässig zu vermeiden.
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Nachdem das Brennstoffzellensystem 1 oder in der Darstellung der 1 beispielhaft die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 so getrocknet worden ist, wird nun Wasserstoff in den Anodenraum 4 und die Rezirkulationsleitung 16 zudosiert, um den Unterdruck auszugleichen und das Eindringen von Luft bzw. Sauerstoff durch Undichtheiten oder insbesondere durch die Membran 6 vom Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 zu verhindern, um so beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 Probleme, welche sich durch eine Wasserstoff/Sauerstoff-Front, welche durch den Anodenraum 4 bzw. über die Anode laufen, zu vermeiden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Wasserstoff dabei direkt aus dem Druckgasspeicher 11 stammen. Besonders bevorzugt soll der Wasserstoff jedoch aus dem Leitungselement 13 als Vorratsbehälter stammen. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 wird dabei das Hochdruckventil 12 geschlossen, und ebenso das Druckregel- und Dosierventil 14, um das Nachdosieren von Wasserstoff zu verhindern. Nach dem Trocknen des Brennstoffzellensystems 1 bzw. seiner Anodenseite kann nun das Druckregel- und Dosierventil 14 wieder geöffnet werden, sodass der in dem Leitungselement 13 als Vorratsbehälter zwischengespeicherte Wasserstoff in die Rezirkulationsleitung 16 und den Anodenraum 14 strömt und damit für eine Brennstoffatmosphäre auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 sorgt. Das Eindringen von Luft bzw. Sauerstoff wird dadurch verhindert oder zumindest über einen längeren Zeitraum hinweg erschwert.
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In der Darstellung der 2 ist ein sehr ähnlicher Aufbau ohne das angedeutete Fahrzeug 2 nochmals dargestellt. Dieselben Elemente sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen und haben dieselbe Funktion wie in der Darstellung gemäß 1. Der Unterschied zwischen den beiden Brennstoffzellensystemen 1 gemäß den 1 und 2 liegt nun in einigen Details, welche nachfolgend näher erläutert werden. Ein erster Unterschied liegt darin, dass im Bereich der Luftzuleitung und der Luftableitung jeweils eine Ventileinrichtung 26 vorgesehen ist. Über diese Ventileinrichtungen 26 kann der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 gegenüber der Umgebung abgesperrt werden. Er ist über eine Verbindungsleitung 27 mit einer weiteren Ventileinrichtung 28 mit der Unterdruckleitung 19 verbunden, sodass bei geöffneter Ventileinrichtung 28 eine Verbindung zwischen dem Anodenraum 4 bzw. der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 und dem Kathodenraum 5 bzw. der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1 hergestellt wird. Anstelle der Ventileinrichtung 20 in der Unterdruckleitung 19 ist in der Darstellung der 2 ein Dreiwegeventil 29 an dem Punkt, an dem die Unterdruckleitung 19 mit einer Leitung vom Bremskraftverstärker 22 zusammengeführt wird, angeordnet. Über dieses Dreiwegeventil kann eine Umschaltung erzielt werden, sodass einmal die Unterdruckleitung 19 und mit ihr die Verbindungsleitung 27 mit der Unterdruckpumpe 21 verbunden ist und das andere mal die mit dem Bremskraftverstärker 22 in Verbindung stehende Leitung. Bei Bedarf kann dann, analog zur Vorgehensweise in 1, durch ein Umschalten der Ventileinrichtung 29 ein Trocknen des Brennstoffzellensystems 1, und zwar bei geöffneter Ventileinrichtung 28 in der Verbindungsleitung 27, sowohl der Anodenseite als auch der Kathodenseite erfolgen. Um keine Luft über die Zuluftleitung bzw. Abluftleitung nachzusaugen, sind die Ventileinrichtungen 26 in dieser Betriebssituation geschlossen.
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Nachdem die Trocknung des Brennstoffzellensystems 1 erfolgt ist, wofür wiederum analog zur Darstellung in 1 eine Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 vorhanden sein könnte, diese ist zur Vereinfachung der Darstellung in 2 jedoch nicht dargestellt, wird die Verbindung der Unterdruckleitung 19 mit der Unterdruckpumpe 21 durch das Dreiwegeventil 29 entsprechend verschlossen. Danach wird das Brennstoffzellensystem 1 mit Wasserstoff befüllt, welcher beispielsweise aus dem in der 2 nicht dargestellten Druckgasspeicher 11 stammen könnte. Ebenso wäre es denkbar, wiederum die nur teilweise dargestellte Leitung 13 als Vorratsbehälter zu verwenden. In der Darstellung der 2 ist außerdem eine alternative Variante dargestellt, bei welcher in Verbindung mit der Rezirkulationsleitung 16 ein zusätzlicher unabhängig von dem Druckgasspeicher 11 ausgebildeter Vorratsbehälter 30 angeordnet ist, welcher über eine Vorratsleitung 31 mit einer Ventileinrichtung 32 mit der Rezirkulationsleitung 16 verbunden ist. Bei geöffneter Ventileinrichtung 32 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 kann der Vorratsbehälter 30 sich dabei mit Brennstoff auf dem Druckniveau des Brennstoffzellensystems 1 füllen und nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 wird durch ein Schließen der Ventileinrichtung 32 der Brennstoff in dem Vorratsbehälter 30 bevorratet. Nach dem Trocknen kann die Ventileinrichtung 32 dann wieder geöffnet werden, sodass der Brennstoff aus dem Vorratsbehälter 30 durch die Vorratsleitung 31 in die Rezirkulationsleitung 16 strömt und sich über die Verbindungsleitung bei geöffnetem Verbindungsventil 28 im gesamten Brennstoffzellensystem 1 ausbreitet, sodass der hier bisher vorherrschende Unterdruck durch das Einströmen von Brennstoff ausgeglichen wird. Im gesamten Brennstoffzellensystem liegt dann Wasserstoff vor, sodass das Eindringen von Sauerstoff verhindert oder zumindest minimiert und über eine vergleichsweise lange Zeit hinausgezögert werden kann.
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Die in den 1 und 2 dargestellten Ideen lassen sich dabei beliebig untereinander kombinieren und sollen jeweils einzelne Aspekte der Erfindung beleuchten, welche sowohl in dem in 1 gezeigten Aufbau als auch in dem in 2 gezeigten Aufbau bei Bedarf weggelassen oder ergänzt werden können.
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Dasselbe gilt für den nachfolgend anhand der 3 dargestellten Aufbau. Dieser zeigt wiederum alle bisher aus der Darstellung der 2 bekannten Komponenten, mit Ausnahme der Verbindungsleitung 27 und dem Vorratsbehälter 30. Stattdessen befindet sich ein weiterer Vorratsbehälter 33 in Strömungsrichtung der Unterdruckpumpe 21 nach dieser. Die Verbindung zwischen der Unterdruckleitung 19 und der Unterdruckpumpe 21 erfolgt auch hier wieder über das Dreiwegeventil 29. Zusätzlich ist eine Bypassleitung 34 mit einem Bypassventil 35 um die Unterdruckpumpe 21 vorgesehen. Letztlich ist außerdem eine Abblasleitung 36 mit einer Ventileinrichtung 37 nach der Unterdruckpumpe 21 parallel zu dem Vorratsbehälter 33 angeordnet. Der hier beschriebene Aufbau funktioniert dabei insbesondere dann sehr gut, wenn analog zur Darstellung in 1 lediglich die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 über Unterdruck getrocknet wird. Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 befindet sich in der Anodenseite weiterhin Wasserstoff. Dieser gelangt bei entsprechender Stellung des Dreiwegeventils 29 über die Unterdruckpumpe 21 in den Vorratsbehälter 33. Er wird also aus der Brennstoffzelle 3 entsprechend abgesaugt und in den Vorratsbehälter 33 geleitet.
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Im regulären Betrieb des Fahrzeugs 2, wenn über die Unterdruckpumpe 21 der Bremskraftverstärker 22 mit Unterdruck versorgt wird, ist der Vorratsbehälter 33 typischerweise leer, und bei geöffneter Ventileinrichtung 37 kann das von der Unterdruckpumpe 21 abgesaugte Gas über die Abblasleitung 36 in die Umgebung abgeführt werden. Wird über das Dreiwegeventil 29 auf Trocknen des Brennstoffzellensystems 1 umgeschaltet, dann muss parallel dazu die Ventileinrichtung 37 entsprechend geschlossen werden, sodass, wie oben beschrieben, das wasserstoffhaltige Abgas in dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle und der Rezirkulationsleitung 16 sowie dem Wasserabscheider 17 in den Vorratsbehälter 33 gesaugt werden kann. Nachdem das Trocknen abgeschlossen ist, wofür wiederum analog zur Darstellung in 1 die Wassergehaltsbestimmungseinrichtung 24 vorhanden sein kann, in der Darstellung der 3 jedoch nicht dargestellt ist, wird dann entsprechend umgeschaltet, wobei bei angehaltener Unterdruckpumpe 21 über den Bypass 34 und das Bypassventil 35 um die Unterdruckpumpe 21 wasserstoffhaltiges Abgas aus dem Vorratsbehälter 33, in welchem dieses abgesaugt worden ist, über die Unterdruckleitung 19 zurückströmen und die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 mit diesem wasserstoffhaltigen und sauerstofffreien Gasgemisch befüllen kann, um den Unterdruck auszugleichen.
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Prinzipiell kann es dabei passieren, dass Wasser beziehungsweise Feuchtigkeit mit in den Vorratsbehälter 33 gelangt. Um ein Zurückströmen von Wasser und Feuchtigkeit in den Anodenraum 4 des Brennstoffzellensystems 1 zu verhindern kann es deshalb sinnvoll sein, dass im Bereich des Vorratsbehälters 33, und hier insbesondere in seinem im bestimmungsgemäßen Einsatz unten liegenden Bereich, eine Ventileinrichtung (nicht dargestellt) angeordnet ist, über welche zumindest flüssiges Wasser abgelassen werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6358637 B1 [0004]
- DE 10061687 B4 [0004]
- DE 602004000440 T2 [0004]
- JP 2008-103120 A [0004]
- US 2005/0031917 A1 [0006]
