DE102015203953A1

DE102015203953A1 - Brennstoffzellensystem mit Kathodengasrückführleitung und Verfahren zum Betreiben sowie Steuergerät zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102015203953A1
Application number: DE102015203953.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-09-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) und ein Steuergerät (25) zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems (1). Um ein unerwünschtes Eindringen von Feuchtigkeit in eine Brennstoffzelle (2) des Brennstoffzellensystems (1) zu verhindern, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einem Trocknungsbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems (1) verdichtetes Gas zum Kathodengasfilter (8) geleitet und dieser hierdurch getrocknet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem sich kathodenseitig durch die Brennstoffzelle erstreckenden Kathodengaspfad, einem Kathodengasfilter und einem dem Kathodengasfilter nachgeschalteten Kathodengasverdichter, wobei sich ein zur Brennstoffzelle hin erstreckender Kathodengaszuflussabschnitt des Kathodengaspfades durch den Kathodengasfilter und den Kathodengasverdichter erstreckt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme sowie Verfahren zum Betreiben und Steuergeräte zur Steuerung von Brennstoffzellensystemen sind allgemein bekannt.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membranelektrodenanordnung oder -einheit (MEA für membrane electrode assembly), die als ein Verbund aus der Ionen, insbesondere Protonen, leitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ausgestaltet sein kann. Das Aktivmaterial kann einen Katalysator aufweisen oder ein Katalysator sein, der die chemische Umsetzung begünstigt. Zudem können Gasdiffusionsschichten beidseitig der Membranelektrodenanordnung an den von der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Die Brennstoffzelle weist wenigstens eine Membranelektrodenanordnung oder eine Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen, die in einem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein können, auf, wobei sich die Leistungen mehrerer Membranelektrodenanordnungen addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein Betriebsmedium, beispielsweise der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche Reaktionsräume der Brennstoffzelle gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein weiteres Betriebsmedium, etwa Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Im Betrieb des Brennstoffzellensystems kann es jedoch vorkommen, dass aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems entnommenes Kathodengas Salz, beispielsweise Natriumchlorid, aufweist. Insbesondere wenn das Kathodengas aus der Umgebungsluft entnommen wird, kann diese Luft Salz enthalten, etwa wenn das Brennstoffzellensystem in Küstennähe oder im Winter bei gestreuten Straßen betrieben wird. Dieses Salz wird durch den Kathodengasfilter zurückgehalten, sodass es nicht zur Brennstoffzelle gelangen und dort Korrosion hervorrufen kann. Im Kathodengasfilter sammelt sich jedoch im Betrieb des Brennstoffzellensystems ebenfalls Feuchtigkeit an. Ist der Kathodengasfilter mit Feuchtigkeit gesättigt und gelangt weitere Feuchtigkeit in den Kathodengasfilter. So kann es vorkommen, dass der Kathodengasfilter salzhaltige Feuchtigkeit in den Kathodengaspfad abgibt. Diese salzhaltige Feuchtigkeit, zum Beispiel salzhaltiges Wasser, wird dann zur Brennstoffzelle geleitet und kann diese mit der Zeit schädigen, sodass sich die Lebensdauer der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems verkürzt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Steuergerät zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, wobei die Lebensdauer der Brennstoffzelle nicht verkürzt ist.
Für das eingangs genannte Brennstoffzellensystem ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Brennstoffzellensystem eine Kathodengasrückführleitung aufweist, mit der in einem Trocknungsbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems verdichtetes Kathodengas zum Kathodengasfilter leitbar ist. Für das eingangs genannte Verfahren ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass verdichtetes Gas zu einem eingangsseitigen Kathodengasfilter eines Kathodengaspfades des Brennstoffzellensystems geleitet wird. Ferner ist die Aufgabe für das eingangs genannte Steuergerät dadurch gelöst, dass das Steuergerät ausgebildet ist, die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zu steuern und/oder das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Dadurch, dass das verdichtete Kathodengas zum Kathodengasfilter geleitet wird, wird der Kathodengasfilter zumindest teilweise getrocknet, bevor der Kathodengasfilter mit Feuchtigkeit übersättigt wird. Das verdichtete Kathodengas, beispielsweise Luft, wird durch die Verdichtung nämlich erwärmt, sodass es mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als vor der Verdichtung. Ein Eindringen von salzhaltigem Wasser in den Kathodengaspfad und von dort in die Brennstoffzelle wird verhindert, wodurch die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhalten bleibt.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann das Steuergerät ausgebildet sein, bei der Steuerung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen und hierdurch das Brennstoffzellensystem zu steuern.
Die Kathodengasrückführleitung kann den Verdichter ausgangsseitig kathodengasleitend mit einem Eingang des Kathodengasfilters verbinden. Durch das Vorsehen der separaten Kathodengasrückführleitung kann das Kathodengas ohne Weiteres zum Kathodengasfilter geleitet werden. Betriebsparameter anderer Komponenten des Brennstoffzellensystems brauchen nicht geändert zu werden.
Beispielsweise kann die Kathodengasrückführleitung ein vom Kathodengasverdichter zur Brennstoffzelle führendes Teilstück des Kathodengaszuflussabschnittes zu einem eingangsseitig am Kathodengasfilter angeschlossenen Teilstück des Kathodengaszuflussabschnittes kathodengasleitend verbinden. Der Verdichter braucht also keinen separaten Ausgang für die Kathodengasrückführleitung aufzuweisen. Ebenso benötigt der Kathodengasfilter keinen separaten Eingang zur Verbindung mit der Kathodengasrückführleitung. Lediglich die Teilstücke sind mit Verbindungselementen, beispielsweise sogenannten T-Stücken, zu versehen, um die Kathodengasrückführleitung anschließen zu können.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffzellenbypass aufweisen, der den Verdichter ausgangsseitig mit einem von der Brennstoffzelle wegführenden Kathodengasabflussabschnitt kathodengasleitend verbindet. Verdichtetes und mit Feuchtigkeit aus dem Kathodengasfilter beladenes Kathodengas kann durch den Brennstoffzellenbypass an der Brennstoffzelle vorbei zum Kathodengasabflussabschnitt und von dort weiter geleitet werden, um die Feuchtigkeit aus dem Brennstoffzellensystem austragen zu können.
Um das verdichtete Kathodengas bei Bedarf zum Kathodengasfilter leiten zu können, kann das Brennstoffzellensystem wenigstens eine regelbare Durchtrittsvorrichtung für Kathodengas aufweisen, mit der die zum Kathodengasfilter geleitete Menge an verdichtetem Gas änderbar ist. Beispielsweise erstreckt sich die Kathodengasrückführleitung durch die Durchtrittsvorrichtung.
Der Brennstoffzellenbypass kann sich durch eine weitere Durchtrittsvorrichtung erstrecken, sodass im regulären Betrieb, in dem die Brennstoffzelle mit Kathodengas versorgt wird, kein Kathodengas in ungewünschter Weise an der Brennstoffzelle vorbei durch den Brennstoffzellenbypass geleitet wird.
Weitere Durchtrittsvorrichtungen können vorgesehen sein, um im Trocknungsbetriebsmodus verdichtetes Gas zum Kathodengasfilter zu leiten und um beispielsweise im Trocknungsbetriebsmodus ein Einströmen des verdichteten und womöglich mit Feuchtigkeit aus dem Kathodengasfilter beladenen Gases in die Brennstoffzelle zu verhindern.
Die Durchtrittsvorrichtung weist eine regelbare Durchlässigkeit für Gas auf und ist vorzugsweise ein regelbares Ventil oder eine Regelklappe.
Im Trocknungsbetriebsmodus wird das komprimierte Gas zumindest teilweise durch die Kathodengasrückführleitung zum Kathodengasfilter geleitet.
Der Fluss des komprimierten Gases wird im Trocknungsbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems also zumindest teilweise umgeleitet.
Zumindest wenn die Kathodengasrückführleitung separat ausgebildet ist, kann ein Teil des verdichteten Kathodengases nicht zurück zum Kathodengasfilter geleitet werden. Vielmehr kann das verdichtete und mit Feuchtigkeit angereicherte Kathodengas teilweise durch den Brennstoffzellenbypass abströmen. Aus dem die Kathodengasrückführleitung, den Kathodengasfilter und den Verdichter gebildeten Trocknungskreis entnommenes und über den Brennstoffzellenbypass abgeleitetes Kathodengas kann durch aus der Umgebung entnommene Luft ersetzt werden, sodass verhindert wird, dass sich das zum Kathodengasfilter geleitete verdichtete Kathodengas mit Feuchtigkeit sättigt und der Kathodengasfilter nicht weiter getrocknet werden kann.
Alternativ zur separat ausgebildeten Katohodengasrückführleitung kann das verdichtete Gas durch den Kathodengaszuflussabschnitt zum Kathodengasfilter geleitet werden oder durch den Kathodengaszuflussabschnitt ausgebildet sein, wodurch sich der Platzbedarf des Brennstoffzellensystems im Vergleich zum Brennstoffzellensystem mit der separat ausgebildeten Kathodengasrückführleitung verringert.
Hierzu kann eine Transportrichtung des Kathodengases zumindest im Bereich des Kathodengaszuflussabschnittes umdrehbar sein, sodass das Kathodengas zunächst durch den Verdichter und erst danach durch den Kathodengasfilter geleitet wird. Vom Kathodengasfilter kann das mit Feuchtigkeit beladene Gas über einen Kathodengaseingang, beispielsweise an die Umgebung der Brennstoffzelle, abgegeben werden. Folglich braucht das mit Feuchtigkeit beladene Kathodengas nicht über den Brennstoffzellenbypass und den Kathodengasabflussabschnitt aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragen zu werden. Hierdurch verringert sich das Risiko, dass die im komprimierten Gas enthaltene Feuchtigkeit innerhalb des Brennstoffzellensystems ungewünscht auskondensiert und sich womöglich in der Feuchtigkeit enthaltenes Salz ablagert.
Um die Transportrichtung des Kathodengases durch den Kathodengaszuflussabschnitt umkehren zu können, kann das Brennstoffzellensystem den Trocknungsbetriebsmodus aufweisen, in dem der Verdichter als Gas zum Kathodengasfilter transportierende Turbine betrieben werden oder deaktiviert sein kann. Um das zum Kathodengasfilter geleitete Gas komprimieren beziehungsweise verdichten und hierdurch erwärmen zu können, kann die Brennstoffzellenvorrichtung ferner eine Turbine aufweisen, die dem Verdichter entlang des Kathodengaspfades nachgeschaltet ist. Beispielsweise kann sich der Kathodengasabflussabschnitt durch die Turbine erstrecken. Im Trocknungsbetriebsmodus kann die Turbine rückwärts als Gasverdichter betrieben werden. Im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems lässt sich mit der Turbine elektrische Energie gewinnen, wenn das komprimierte Kathodengas ausgangsseitig von der Brennstoffzelle zur Turbine geleitet wird und sich beim Durchtreten durch die Turbine hindurch ausdehnt.
Auch wenn sich die Kathodengasrückführleitung durch den Kathodengaszuflussabschnitt des Kathodengaspfades erstreckt, kann das Brennstoffzellensystem dennoch den Brennstoffzellenbypass aufweisen, der das vom Verdichter zur Brennstoffzelle führende Teilstück des Kathodengaszuflussabschnittes kathodengasleitend mit dem von der Brennstoffzelle zur Turbine führenden Teilstück des Kathodengasabflussabschnittes verbinden kann. Durch den Brennstoffzellenbypass wird im Trocknungsbetriebsmodus mithilfe der rückwärts betriebenen Turbine verdichtetes Gas durch den rückwärts als Turbine betriebenen Verdichter zum Kathodengasfilter geleitet. Ein Durchleiten des verdichteten Gases durch die Brennstoffzelle ist nicht erforderlich, sodass die Brennstoffzelle den Strömungswiderstand für das von der Turbine verdichtete und zum Kathodengasfilter zu leitende Gas nicht unnötig erhöht.
Unabhängig davon, wie die Kathodengasrückführleitung ausgebildet ist, weist das Brennstoffzellensystem zumindest eingangsseitig der Brennstoffzelle eine weitere Durchtrittsvorrichtung, also ein Ventil oder eine Klappe, auf. Hiermit wird verhindert, dass komprimiertes Gas unnötig durch die Brennstoffzelle geleitet wird. Auch ausgangsseitig der Brennstoffzelle kann eine weitere Durchtrittsvorrichtung vorgesehen sein, sodass die Brennstoffzelle im Trocknungsbetriebsmodus vom Kathodengaspfad abgekoppelt ist. Die eingangsseitig und optional auch ausgangsseitig der Brennstoffzelle vorgesehenen Durchtrittsvorrichtungen sperren also den sich zur Brennstoffzelle hin oder von der Brennstoffzelle weg erstreckenden Kathodengaspfad, der sich im Trocknungsbetriebsmodus durch den Brennstoffzellenbypass vorbei an der Brennstoffzelle erstreckt.
Insbesondere kann der Fluss des komprimierten Gases im Trocknungsbetriebsmodus umgekehrt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit einem ersten Verfahrensschritt, in dem das Brennstoffzellensystem 1 gestartet werden kann, beginnen.
Im auf den ersten Verfahrensschritt folgenden weiteren Verfahrensschritt kann das Brennstoffzellensystem betrieben werden, beispielsweise um elektrische Antriebsenergie für einen Verbraucher, zum Beispiel ein Kraftfahrzeug, zu erzeugen. Auf den weiteren Verfahrensschritt kann noch ein Verfahrensschritt folgen, in dem der Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters gemessen wird. Nach oder während der Messung des Feuchtigkeitsgehalts kann der gemessene Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters mit einem ersten Grenzwert verglichen werden. Liegt der Feuchtigkeitsgehalt unterhalb des Grenzwertes, so kann das Brennstoffzellensystem weiter normal betrieben werden und elektrische Energie erzeugen.
Liegt der Feuchtigkeitsgehalt jedoch oberhalb des ersten Grenzwertes, so kann nun ein Trocknungsbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems zum Trocknen des Kathodengasfilters beginnen. Nun kann die Brennstoffzelle abgeschaltet und die Kathodengasversorgung der Brennstoffzelle beendet werden. Da die Brennstoffzelle ohne Zufuhr von Kathodengas keine elektrische Energie erzeugen kann, kann vor der Abschaltung der Brennstoffzelle geprüft werden, ob ein optional vorhandener Energiespeicher ausreichend Energie enthält, um den Verbraucher elektrischer Brennstoffzellenenergie, beispielsweise ein Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges, mit Energie zu versorgen, bis der Kathodengasfilter ausreichend getrocknet und die Brennstoffzelle wieder gestartet werden kann. Sollte der Speicher mit elektrischer Energie aufzufüllen sein, um den Betrieb des Verbrauchers durch die Trocknung des Kathodengasfilters nicht zu beeinträchtigen, so kann die Brennstoffzelle so lange betrieben werden, bis der Speicher ausreichend gefüllt ist. Der erste Grenzwert kann entsprechend gewählt werden, sodass der Kathodengasfilter noch in der Lage ist, weitere Feuchtigkeit aufzunehmen, während der Speicher mit elektrischer Energie gefüllt wird.
Um den Kathodengasfilter zu trocknen und falls der optionale Energiespeicher eine ausreichende Menge elektrischer Energie gespeichert hat, kann verdichtetes Kathodengas in oder entgegen der Zuflussrichtung durch den Kathodengasfilter geleitet werden. Das verdichtete und durch die Verdichtung und/oder durch andere Komponenten des Brennstoffzellensystems erwärmte Kathodengas nimmt Feuchtigkeit aus dem Kathodengasfilter auf und trägt diese aus dem Kathodengasfilter aus.
Während der Trocknung des Kathodengasfilters kann der Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters gemessen werden. Auch dieser gemessene Feuchtigkeitsgehalt kann mit einem Grenzwert, etwa einem zweiten Grenzwert, der sich vom ersten Grenzwert unterscheidet, verglichen werden. Liegt der Feuchtigkeitsgehalt unterhalb des zweiten Grenzwertes, so kann die Brennstoffzelle wieder in Betrieb genommen werden. Liegt der Feuchtigkeitsgehalt jedoch oberhalb des zweiten Grenzwertes, so kann die Trocknung des Kathodengasfilters fortgesetzt werden.
Vorzugsweise repräsentiert der zweite Grenzwert einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters als der erste Grenzwert.
Die Erfindung ist nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Zunächst sind Aufbau und Funktion eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 schematisch. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Brennstoffzelle 2 auf, die lediglich kathodenseitig schematisch dargestellt ist. Ein Kathodengaspfad 3 erstreckt sich kathodenseitig durch die Brennstoffzelle 2 und versorgt die Brennstoffzelle 2 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 mit Kathodengas, beispielsweise mit Luft aus der Umgebung 4 des Brennstoffzellensystems 1. Die Umgebung 4 ist schematisch dargestellt und ist beispielsweise ein Motorraum eines Kraftfahrzeuges, in dem das Brennstoffzellensystem 1 angeordnet sein kann.
Im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird Kathodengas durch einen Kathodengaszuflussabschnitt 5 des Kathodengaspfades 3 von der Umgebung 4 zur Brennstoffzelle 2 geleitet. Aus der Brennstoffzelle 2 im normalen Betrieb austretendes Kathodengas kann durch einen Kathodengasabflussabschnitt 6 des Kathodengaspfades 3 abgeleitet und beispielsweise an eine Abgasanlage 7 oder an die Umgebung 4 des Brennstoffzellensystems 1 abgegeben werden.
Auf seinem Weg zur Brennstoffzelle 2 wird das Kathodengas zunächst entlang einer Zuflussrichtung Z einem Kathodengasfilter 8 zugeführt. Der Kathodengasfilter 8 verhindert, dass Partikel, welche den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 beeinträchtigen könnten, weiter zur Brennstoffzelle 2 geleitet werden. Ferner nimmt der Kathodengasfilter 8 Feuchtigkeit, beispielsweise Wasser, sowie darin enthaltene und beispielsweise gelöste Materialien, etwa Salz, auf. Der Kathodengasfilter 8 hält also die Feuchtigkeit und das darin befindliche Material zurück, sodass diese nicht zur Brennstoffzelle 2 geleitet werden.
Entlang der Zuflussrichtung Z stromabwärts des Kathodengaszuflussabschnittes 5 folgt auf den Kathodengasfilter 8 ein Verdichter 9, der im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 das Kathodengas verdichtet und zur Brennstoffzelle 2 ausgibt. Das verdichtete Kathodengas wird in der Brennstoffzelle 2 zur Erzeugung elektrischen Stroms verwendet.
Nachdem das Kathodengas die Brennstoffzelle 2 durchströmt hat, wird es durch den Kathodengasabflussabschnitt 6 ausgegeben, beispielsweise an die Abgasanlage 7 des Brennstoffzellensystems 1 oder an die Umgebung 4.
Überschreitet der Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters 8 einen vorbestimmten Grenzwert, so kann eine Trocknung des Kathodengasfilters 8 wünschenswert sein. Um den Kathodengasfilter 8 zu trocknen, kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Trocknungsbetriebsmodus aufweisen, der sich vom regulären Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems 1 unterscheidet.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann eine Kathodengasrückführleitung 10 aufweisen, durch die im Trocknungsbetriebsmodus vom Verdichter 9 verdichtetes Gas zum Kathodengasfilter 8 geleitet wird. Bei der Verdichtung des Kathodengases mit dem Verdichter 9 wird das Kathodengas erwärmt, wodurch sich dessen Aufnahmekapazität für Feuchtigkeit erhöht. Das zum und insbesondere durch den Kathodengasfilter 9 geleitete verdichtete Kathodengas kann also Feuchtigkeit vom Kathodengasfilter 8 aufnehmen und aus diesem austragen.
Die Kathodengasrückführleitung 10 ist beispielsweise mit einem ersten Teilstück 11 des Kathodengaszuflussabschnitts 5 kathodengasleitend verbunden. Das erste Teilstück 11 führt vom Verdichter 9 zur Brennstoffzelle 2 und leitet im normalen Betrieb verdichtetes Gas zur Brennstoffzelle 2. Die Kathodengasrückführleitung 10 führt das verdichtete Kathodengas zu einem zweiten Teilstück 12 des Kathodengaszuflussabschnitts 5, der zu einem Eingang des Kathodengasfilters 8 führt. Weder der Verdichter 9 noch der Kathodengasfilter 8 brauchen also separate Anschlüsse für die Kathodengasrückführleitung 10 aufzuweisen.
Der Kathodengaszuflussabschnitt 5 kann Verbindungselemente 13, 14 aufweisen, durch die die Kathodengasrückführleitung 10 kathodengasleitend mit dem Kathodengaszuflussabschnitt 5 verbunden ist. Die Verbindungselemente 13, 14 können beispielsweise T-Stücke oder Kreuzverbindungselemente sein.
Die Kathodengasrückführleitung 10 und ein zwischen den Verbindungselementen 13, 14 verlaufender Abschnitt 15 des Kathodengaszuflussabschnittes 5 bilden gemeinsam einen Trocknungskreislauf 16 aus, durch den im Trocknungsbetriebsmodus verdichtetes Kathodengas zumindest teilweise zirkulieren und entgegen der Zuflussrichtung Z durch die Kathodengasrückführleitung 10 strömen kann.
Damit im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 Kathodengas nicht zurück zum Kathodengasfilter 8 geleitet wird, kann sich die Kathodengasrückführleitung 10 durch eine Durchtrittsvorrichtung 17, beispielsweise ein regelbares Ventil oder eine Regelklappe, erstrecken. Im regulären Betrieb ist die Durchtrittsvorrichtung 17 geschlossen. Im Trocknungsbetriebsmodus ist die Durchtrittsvorrichtung 17 zumindest teilweise offen und gasdurchlässig.
Da das verdichtete Kathodengas stärker verdichtet sein kann als die Luft der Umgebung, kann das Brennstoffzellensystem 1 optional eine weitere Durchtrittsvorrichtung 18 aufweisen, die in der Zuflussrichtung Z stromaufwärts des Verbindungselementes 14 und insbesondere zwischen dem Kathodengasfilter 8 und der Umgebung 4 vorgesehen ist. Aus der Umgebung 4 entnommenes Kathodengas strömt im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 durch die Durchtrittsvorrichtung 18 durch den Kathodengasfilter 8 und den Verdichter 9 zur Brennstoffzelle 2. Im Trockenbetriebsmodus kann die Durchtrittsvorrichtung 18 jedoch zumindest teilweise geschlossen und/oder wenigstens teilweise geöffnet sein. Ferner kann die Durchtrittsvorrichtung 18 zumindest zeitweise und mindestens teilweise offen sein, um aus der Umgebung 4 entnommene Luft in den Trocknungskreislauf 16 einleiten zu können. Es kann nämlich sein, dass das im Trocknungskreislauf 16 vorhandene Kathodengas so viel Feuchtigkeit aus dem Kathodengasfilter 8 aufgenommen hat, dass das Kathodengas mit Feuchtigkeit gesättigt ist und den Kathodengasfilter 8 nicht weiter trocknen kann.
Das aus der Umgebung 4 entnommene und in den Trocknungskreislauf 16 eingeleitete Gas kann verdichtetes und mit Feuchtigkeit beladenes Kathodengas ersetzen, das aus dem Trocknungskreislauf 16 abgelassen wurde. Um das mit Feuchtigkeit beladene Kathodengas aus dem Trocknungskreislauf 16 ablassen zu können, ohne es durch die Brennstoffzelle 2 leiten zu müssen, kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Brennstoffzellenbypass 19 aufweisen, der ausgangsseitig des Verdichters 9 kathodengasleitend mit dem Kathodengaszuflussabschnitt 5 verbunden ist. Beispielsweise kann das Verbindungselement 13 ein Kreuzverbindungselement sein, das auch den Brennstoffzellenbypass 19 kathodengasleitend mit dem Kathodengaszuflussabschnitt 5 und insbesondere mit der Kathodengasrückführleitung 10 sowie dem Trocknungskreislauf 16 verbindet.
Damit im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 kein verdichtetes Kathodengas an der Brennstoffzelle 2 vorbei durch den Brennstoffzellenbypass 19 strömen kann, weist der Brennstoffzellenbypass 19 vorzugsweise eine weitere Durchtrittsvorrichtung 20 auf, die ebenfalls als ein regelbares Ventil oder als eine Regelklappe ausgebildet sein kann. Ferner kann die Durchtrittsvorrichtung 20 im Trocknungsbetriebsmodus geregelt mit Feuchtigkeit beladenes Kathodengas aus dem Trocknungskreislauf 16 entweichen lassen.
Ausgangsseitig ist der Brennstoffzellenbypass 19 vorzugsweise mit dem Kathodengasabflussabschnitt 6 oder direkt mit der Umgebung 4 kathodengasleitend verbunden. Beispielsweise kann ein weiteres Verbindungselement 21 vorgesehen sein, das den Brennstoffzellenbypass 19 kathodengasleitend mit dem Kathodengasabflussabschnitt 6 verbindet.
Zwischen dem Verbindungselement 13 und der Brennstoffzelle 2 kann sich der Kathodengaszuflussabschnitt 5 zwischen dem Verbindungselement 21 und der Brennstoffzelle 2 durch eine weitere Durchtrittsvorrichtung 22 erstrecken. Der Kathodengasabflussabschnitt 6 kann sich durch eine weitere Durchtrittsvorrichtung 23 erstrecken. Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 sind die Durchtrittsvorrichtungen 22, 23, beispielsweise regelbare Ventile oder Regelklappen, vorzugsweise offen, sodass Kathodengas in der Zuflussrichtung Z durch den Kathodengaspfad 3 zur Brennstoffzelle 2 hin und in einer Abflussrichtung A von dieser weg strömen kann. Im Trocknungsbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems 1 sind die Durchtrittsvorrichtungen 22, 23 jedoch vorzugsweise geschlossen, sodass die Brennstoffzelle 2 vom Kathodengaspfad 3 abgekoppelt ist. Folglich kann das mit Feuchtigkeit beladene Kathodengas nicht zur Brennstoffzelle 2 strömen. Vielmehr kann das mit Feuchtigkeit beladene Kathodengas zumindest teilweise durch den Brennstoffzellenbypass 19 in der Abflussrichtung A abgeleitet werden.
In der Abflussrichtung A hinter dem Verbindungselement 21 kann das Brennstoffzellensystem 1 eine weitere Durchtrittsvorrichtung 24, beispielsweise ein regelbares Ventil oder eine Regelklappe, aufweisen. Mit dieser weiteren Durchtrittsvorrichtung 24 lässt sich der durch den Kathodengasabflussabschnitt 6 geleitete Kathodenabgasmassenstrom bei Bedarf reduzieren.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann mit einem Steuergerät 25 Steuersignal übertragend verbunden sein oder ein solches Steuergerät 25 aufweisen. Das Steuergerät 25 ist vorzugsweise ausgebildet, das Brennstoffzellensystem 1 zumindest im Trocknungsbetriebsmodus zu steuern und kann Steuersignal übertragend mit der Brennstoffzelle 2 und ausgewählten oder allen Durchtrittsvorrichtungen 17, 18, 22, 23 und 24 verbunden sein. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Feuchtigkeitssensor aufweisen, mit dem ein den Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters 8 repräsentierendes Sensorsignal erzeugbar ist. Der Feuchtigkeitssensor kann Sensorsignal übertragend mit dem Steuergerät 25 verbunden sein.
Das Steuergerät 25 kann separat oder als Bestandteil eines anderen Steuergerätes und beispielsweise als ein Softwaremodul ausgebildet sein. Zum Beispiel ist das Steuergerät 25 ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug oder Teil eines solchen Steuergerätes.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 schematisch. Für Elemente, die in Form und/oder Funktion Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind im Folgenden dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
2 zeigt das Brennstoffzellensystem 1 schematisch, wobei die Kathodengasrückführleitung 10 zumindest abschnittsweise durch den Kathodengaszuflussabschnitt 5 ausgebildet ist. Insbesondere erstreckt sich ein Teil der Kathodengasrückführleitung 10 vom Verdichter 9 zum Kathodengasfilter 8 durch den Kathodengaszuflussabschnitt 5. Um verdichtetes und durch die Verdichtung erwärmtes Kathodengas durch den Verdichter 9 strömen lassen zu können, kann der Verdichter 9 in einem Trocknungsbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems 1 als eine Turbine betreibbar oder abgeschaltet sein. Dabei werden rotierende Verdichtungskomponenten des Verdichters 9 in einer Drehrichtung betrieben, die entgegengesetzt zu einer Drehrichtung der Verdichtungskomponenten im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 weist.
Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 eine dem Verdichter 9 entlang des Kathodengaspfades 3 nachgeschaltete Turbine 26 aufweisen, durch die sich der Kathodengaspfad 3 erstreckt. Insbesondere kann sich der Kathodengasabflussabschnitt 6 des Kathodengaspfades 3 durch die Turbine 26 erstrecken. Im normalen Betrieb erzeugt die Turbine elektrische Energie, wenn das verdichtete Kathodengas von der Brennstoffzelle 2 durch die Turbine 26 geleitet wird. Im Trockenbetriebsmodus wird die Turbine 26 jedoch als Verdichter betrieben. Hierzu kann ein Rotor der Turbine 26 entgegen einer im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 anliegenden Drehrichtung rotieren. Insbesondere ist der Rotor der Turbine 26 in der entgegengesetzten Drehrichtung antreibbar, um Kathodengas aus der Abgasanlage 7 oder der Umgebung 4 des Brennstoffzellensystems 1 zu verdichten und entgegen der Abflussrichtung A zum Verdichter 9 zu fördern.
Ist die Turbine 26 im Kathodengasabflussabschnitt 6 angeordnet, so fördert die Turbine 26 das verdichtete Kathodengas bis zum Verbindungselement 21. Die Durchtrittsvorrichtung 23 verhindert im Trocknungsbetriebsmodus, dass das verdichtete Kathodengas zur Brennstoffzelle 2 geleitet wird. Die Durchtrittsvorrichtung 20 ist im Trocknungsbetriebsmodus jedoch geöffnet und lässt das verdichtete Kathodengas durch den Brennstoffzellenbypass 19 bis zum Verbindungselement 13 strömen. Da die Durchtrittsvorrichtung 22 im Trocknungsbetriebsmodus den Kathodengaszuflussabschnitt 5 zwischen dem Verbindungselement 13 und der Brennstoffzelle 2 blockiert, wird das verdichtete Kathodengas entgegen der Zuflussrichtung Z durch den Kathodengaszuflussabschnitt 5 zum Verdichter 9 und von dort zum Kathodengasfilter 8 geleitet. Im Kathodengasfilter 8 nimmt das verdichtete und erwärmte Kathodengas Feuchtigkeit auf. Das mit Feuchtigkeit beladene Kathodengas verlässt den Kathodengasfilter 8 und strömt in die Umgebung 4 des Brennstoffzellensystems 1.
Hierzu weist das Brennstoffzellensystem 1 vorzugsweise eine Antriebseinrichtung 27, beispielsweise einen Motor, auf, der die Turbine 26 entgegen der im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 vorherrschenden Drehrichtung antreibt und beispielsweise über eine Welle 28 bewegungsübertragend mit dem Rotor der Turbine 26 verbunden ist. Die Antriebseinrichtung 27 kann im normalen Betrieb, in dem die Brennstoffzelle elektrische Energie produziert, als ein von der Turbine 26 antreibbarer elektrischer Generator sein, der elektrische Antriebsenergie leitend mit dem Verdichter 9 verbunden sein kann.
Ferner kann ein Turbinenbypass 29 mit einer Durchtrittsvorrichtung 30, beispielsweise ein Regelventil oder eine Regelklappe, vorgesehen sein, mit der die Turbine 26 kathodengasleitend überbrückbar ist. Mit dem optionalen Turbinenbypass 29 kann die Turbine 26 geregelt betrieben werden.
Um zu verhindern, dass Feuchtigkeit und beispielsweise Produktwasser der Brennstoffzelle 2 zur Turbine 26 gelangt, kann der Kathodengasabflussabschnitt 6 einen Wasserabscheider aufweisen. Der Wasserabscheider kann beispielsweise das Verbindungselement 21 ausbilden.
Das Verbindungselement 21 kann als ein T-Stück, also als ein 3-Wege-Element, oder als ein Kreuzstück, also als ein 4-Wege-Element, ausgebildet sein. Insbesondere wenn der Turbinenbypass 29 vorgesehen ist, ist das Verbindungselement 21 vorzugsweise als ein Kreuzstück ausgebildet.
Der Turbinenbypass 29 ist in der Abflussrichtung A hinter der Turbine 26 kathodengasleitend mit dem Kathodengasabflussabschnitt 6 verbunden. Hierzu erstreckt sich der Kathodengasabflussabschnitt 6 beispielsweise durch ein Verbindungselement 31, etwa ein T-Stück. Zwischen dem Verbindungselement 31 und der Turbine 26 kann optional eine Durchtrittsvorrichtung 32, etwa ein Regelventil oder eine Regelklappe, vorgesehen sein, um die Turbine 26 geregelt betreiben zu können.
Das Brennstoffzellensystem 1 kann mit einem Steuergerät 25 Steuersignal übertragend verbunden sein oder ein solches Steuergerät 25 aufweisen. Das Steuergerät 25 ist vorzugsweise ausgebildet, das Brennstoffzellensystem 1 zumindest im Trocknungsbetriebsmodus zu steuern und kann Steuersignal übertragend mit der Brennstoffzelle 2 und ausgewählten oder allen Durchtrittsvorrichtungen 17, 18, 22, 23 und 24 verbunden sein. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 einen Feuchtigkeitssensor aufweisen, mit dem ein den Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters 8 repräsentierendes Sensorsignal erzeugbar ist. Der Feuchtigkeitssensor kann Sensorsignal übertragend mit dem Steuergerät 25 verbunden sein.
Das Steuergerät 25 kann separat oder als Bestandteil eines anderen Steuergerätes und beispielsweise als ein Softwaremodul ausgebildet sein. Zum Beispiel ist das Steuergerät 25 ein Steuergerät für ein Kraftfahrzeug oder Teil eines solchen Steuergerätes.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens schematisch als ein Flussdiagramm. Für Elemente, die im Folgenden zur Veranschaulichung des Verfahrens genannt sind, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
Das Verfahren 40 startet mit einem ersten Verfahrensschritt 41, in dem das Brennstoffzellensystem 1 gestartet werden kann.
Im auf den Verfahrensschritt 41 folgenden Verfahrensschritt 42 wird das Brennstoffzellensystem 1 betrieben, beispielsweise um elektrische Antriebsenergie für ein Kraftfahrzeug zu erzeugen. Auf den Verfahrensschritt 42 folgt der Verfahrensschritt 43, in dem der Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters 8 gemessen wird. Im nun folgenden Verfahrensschritt 44 wird der gemessene Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters 8 mit einem Grenzwert verglichen. Liegt der Feuchtigkeitsgehalt unterhalb des Grenzwertes, so kann das Brennstoffzellensystem 1 weiter Energie erzeugen, was durch den Pfeil 45 angedeutet ist. In diesem Fall folgt also auf den Verfahrensschritt 44 der Verfahrensschritt 42.
Liegt der Feuchtigkeitsgehalt jedoch oberhalb des Grenzwertes, so folgt auf den Verfahrensschritt 44 der Verfahrensschritt 46, mit dem ein Trocknungsbetriebsmodus T des Brennstoffzellensystems 1 zur Trocknen des Kathodengasfilters 8 beginnt. Im Verfahrensschritt 46 wird die Brennstoffzelle 2 abgeschaltet und die Kathodengasversorgung der Brennstoffzelle 2 beendet. Da die Brennstoffzelle 2 ohne Zufuhr von Kathodengas keine elektrische Energie erzeugen kann, kann vor der Abschaltung der Brennstoffzelle 2 geprüft werden, ob ein optional vorhandener Energiespeicher ausreichend Energie enthält, um einen Verbraucher elektrischer Brennstoffzellenenergie, beispielsweise ein Antriebsmotor eines Kraftfahrzeuges, mit Energie zu versorgen, bis der Kathodengasfilter 8 ausreichend getrocknet und die Brennstoffzelle 2 wieder gestartet werden kann. Sollte der Speicher mit elektrischer Energie aufzufüllen sein, um den Betrieb des Verbrauchers durch die Trocknung des Kathodengasfilters 8 nicht zu beeinträchtigen, so kann die Brennstoffzelle 2 so lange betrieben werden, bis der Speicher ausreichend gefüllt ist. Der Grenzwert kann entsprechend gewählt werden, sodass der Kathodengasfilter 8 noch in der Lage ist, weitere Feuchtigkeit aufzunehmen, während der Speicher mit elektrischer Energie gefüllt wird.
Um den Kathodengasfilter 8 zu trocknen, folgt auf den Verfahrensschritt 46 der Verfahrensschritt 47, in dem verdichtetes Kathodengas in oder entgegen der Zuflussrichtung Z durch den Kathodengasfilter 8 geleitet wird. Das verdichtete und erwärmte Kathodengas nimmt Feuchtigkeit aus dem Kathodengasfilter 8 auf und trägt diese aus dem Kathodengasfilter 8 aus.
Während der Trocknung des Kathodengasfilters 8 kann der Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters 8 in einen auf den Verfahrensschritt 47 folgenden Verfahrensschritt 48 gemessen werden. Im Verfahrensschritt 49 wird der gemessene Feuchtigkeitsgehalt mit einem weiteren Grenzwert verglichen. Liegt der Feuchtigkeitsgehalt unterhalb des weiteren Grenzwertes, so kann die Brennstoffzelle wieder betrieben werden, was durch den zum Verfahrensschritt 42 führenden Pfeil 50 dargestellt ist. Nach der Feststellung, dass der Kathodengasfilter 8 wieder trocken genug ist und vor dem Wiederstarten der Brennstoffzelle an sich können das Brennstoffzellensystem und beispielsweise ausgewählte Leitungen und/oder Durchtrittsvorrichtungen des Kathodengaspfades getrocknet werden. Hierdurch kann eventuell noch im Kathodengaspfad enthaltenes und beispielsweise stehendes Wasser entfernt werden, um ein Eindringen dieses Wassers in den Brennstoffzellenstapel zu verhindern.
Hierzu kann das Brennstoffzellensystem kathodenseitig in der normalen Durchflussrichtung durchströmt werden, aber der Brennstoffzellenstapel noch abgesperrt sein. Die Luft kann durch den Brennstoffzellenbypass geleitet werden. Durch die Luft kann das Wasser aus den Leitungen gedrückt oder geblasen werden. Nach einer kurzen Zeit kann dann die Brennstoffzelle wieder gestartet werden.
Liegt der Feuchtigkeitsgehalt jedoch oberhalb des weiteren Grenzwertes, so kann die Trocknung des Kathodengasfilters 8 fortgesetzt werden, was durch den Pfeil 51 dargestellt ist, der zum Verfahrensschritt 47 führt.
Vorzugsweise repräsentiert der weitere Grenzwert einen geringeren Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters 8 als der zur Bewertung des Feuchtigkeitsgehaltes im Verfahrensschritt 24 verwendete erste Grenzwert.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzelle
3: Kathodengaspfad
4: Umgebung
5: Kathodengaszuflussabschnitt
6: Kathodengasabflussabschnitt
7: Abgasanlage
8: Kathodengasfilter
9: Verdichter
10: Kathodengasrückführleitung
11: erstes Teilstück
12: zweites Teilstück
13: Verbindungselement
14: Verbindungselement
15: Abschnitt
16: Trocknungskreislauf
17: Durchtrittsvorrichtung
18: Durchtrittsvorrichtung
19: Brennstoffzellenbypass
20: Durchtrittsvorrichtung
21: Verbindungselement
22: Durchtrittsvorrichtung
23: Durchtrittsvorrichtung
24: Durchtrittsvorrichtung
25: Steuergerät
26: Turbine
27: Antriebseinrichtung
28: Welle
29: Turbinenbypass
30: Durchtrittsvorrichtung
31: Verbindungselement
32: Durchtrittsvorrichtung
40: Verfahren
41: Start
42: Brennstoffzellensystem 1 betreiben
43: Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters messen
44: Feuchtigkeitsgehalt mit Grenzwert vergleichen
45: Pfeil
46: Brennstoffzelle abschalten und Kathodengasversorgung stoppen
47: verdichtetes Kathodengas durch Kathodengasfilter leiten
48: Feuchtigkeitsgehalt des Kathodengasfilters messen
49: Feuchtigkeitsgehalt mit Grenzwert vergleichen
50: Pfeil
51: Pfeil
A: Abflussrichtung
T: Trocknungsbetriebsmodus
Z: Zuflussausrichtung

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einem sich kathodenseitig durch die Brennstoffzelle (2) erstreckenden Kathodengaspfad (3), einem Kathodengasfilter (8) und einem den Kathodengasfilter (8) nachgeschalteten Kathodengasverdichter (9), wobei sich ein zur Brennstoffzelle (2) hin erstreckender Kathodengaszuflussabschnitt (5) des Kathodengaspfades (3) durch den Kathodengasfilter (8) und den Kathodengasverdichter (9) erstreckt, gekennzeichnet durch eine Kathodengasrückführleitung (10), mit der in einem Trocknungsbetriebsmodus (T) des Brennstoffzellensystems (1) verdichtetes Kathodengas zum Kathodengasfilter (8) leitbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengasrückführleitung (10) den Verdichter (9) ausgangsseitig der Kathodengasleitung mit einem Eingang des Kathodengasfilters (8) verbindet.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengasrückführleitung (10) ein vom Kathodengasverdichter (9) zur Brennstoffzelle (2) führendes Teilstück (11) des Kathodengaszuflussabschnittes (5) zu einem eingangsseitig am Kathodengasfilter (8) angeschlossenen Teilstück (12) des Kathodengaszuflussabschnittes (5) kathodengasleitend verbindet.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengasrückführleitung (10) zumindest abschnittsweise durch den Kathodengaszuflussabschnitt (5) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Turbine (26), durch die sich der Kathodengaspfad (3) erstreckt, wobei die Turbine (26) im Trocknungsbetriebsmodus (T) als gasverdichtender und zum Kathodengasfilter (8) leitender Verdichter betreibbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Brennstoffzellenbypass (19), der ein vom Verdichter (9) zur Brennstoffzelle (2) führendes Teilstück des Kathodengaszuflussabschnittes (5) kathodengasleitend mit einem von der Brennstoffzelle (2) zur Turbine (26) führenden Teilstück eines von der Brennstoffzelle wegführenden Kathodengasabflussabschnittes (6) des Kathodengaspfades (3) verbindet.
Verfahren (40) zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass im Trocknungsbetriebsmodus (T) des Brennstoffzellensystems (1) verdichtetes Gas zu einem eingangsseitigen Kathodengasfilter (8) eines Kathodengaspfades (3) des Brennstoffzellensystems (1) geleitet wird (47).
Verfahren (40) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Trocknungsbetriebsmodus der Fluss des komprimierten Gases zumindest teilweise umgeleitet wird.
Verfahren (40) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Brennstoffzellenenergie speichernder Energiespeicher mit Brennstoffzellenenergie befüllt wird, bevor das verdichtete Gas zum Kathodengasfilter (8) geleitet wird.
Steuergerät (25) zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (25) ausgebildet ist, ein Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zu steuern und/oder ein Verfahren (40) nach einem der Ansprüche 7 bis 10 auszuführen.