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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
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Stand der Technik
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Aus der
WO 2016/087086 A1 ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen des Verfahrens bekannt.
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Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass beim Abschalten eines Brennstoffzellensystems der Rest-Sauerstoff in den Leitungen und ggf. weiteren Komponenten des Luftpfades verbraucht werden muss, so dass aufgrund des fehlenden Reaktionspartners die Reaktion zum Erliegen kommt und die Spannung an der Brennstoffzelle abfällt. Ein unkontrolliertes Abschalten der Brennstoffzelle würde zu einer Degradation und damit zu einer wesentlich geringeren Lebensdauer der Brennstoffzelle führen. Da jedoch die Brennstoffzelle das teuerste Teil in dem Brennstoffzellensystem ist, ist die Bestrebung die Brennstoffzelle kontrolliert abzuschalten und während dieser Zeit die Spannung abzubauen bzw. zu hohe Spannungen (z.B. Leerlaufspannung) zu vermeiden. Dazu ist es bekannt eine Abgasrückführpumpe (AGR-Pumpe) in einem abgeschlossenen Volumen zu betreiben und den in diesem abgeschlossenen Volumen vorhandenen Sauerstoff in der Brennstoffzelle zu verbrauchen. Während dieser Phase wird, um zu hohe Spannungen zu vermeiden, ein entsprechender Strom von der Brennstoffzelle abgenommen, so dass eine Degradation der Brennstoffzelle minimiert wird. Der Aufwand zum Vorsehen einer AGR-Pumpe in einem Brennstoffzellensystem ist jedoch beträchtlich. Abgesehen von der Pumpe an sich muss zusätzlich ein Antrieb, eine Leistungselektronik und eine Einbindung in das Bordnetz bewerkstelligt werden. Gegebenenfalls sind auch Hardware-Maßnahmen aufgrund Einfrieren/Auftauen erforderlich.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mit welchem auf wirtschaftliche Weise der Restsauerstoff verbrauchbar ist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich eines Verfahrens zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems wird auf Anspruch 11 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst dabei wenigstens eine Brennstoffzelle, einen Zuluftpfad, mit welchem einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle Luft zuführbar ist, einen Abluftpfad, mit welchem Abluft der Brennstoffzelle abführbar ist, wenigstens ein Verdichter, mittels welchem dem Brennstoffzellensystem Umgebungsluft zuführbar ist, wobei mittels wenigstens einem der Verdichter Umgebungsluft der Brennstoffzelle zuführbar ist, einen Verbindungspfad, welcher den Abluftpfad mit dem Zuluftpfad fluidisch verbindet, wobei der Verbindungspfad wenigstens eine Verbindungsleitung und wenigstens ein Verbindungspfad-Absperrventil aufweist, ein Zuluftpfad-Absperrventil, mit welchem der Zuluftpfad in Strömungsrichtung vor dem Verbindungspfad absperrbar ist, ein Abluftpfad-Absperrventil, mit welchem der Abluftpfad in Strömungsrichtung nach dem Verbindungspfad absperrbar ist, wobei wenigstens ein Verdichter, mittels welchem dem Brennstoffzellensystem Umgebungsluft zuführbar ist, zwischen dem wenigstens einen Verbindungspfad-Absperrventil und dem Kathodenpfad der Brennstoffzelle angeordnet ist.
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Als Ventil im Sinne der Erfindung wird dabei jedes Mittel verstanden, mit welchem eine Strömung reduzierbar und absperrbar ist. Im Sinne der Erfindung werden somit auch Klappen wie z.B. Drosselklappen als Ventile verstanden. Unter einem Verdichter wird dabei ein Mittel verstanden, mit welchem unter Erhöhung eines Druckes eines gasförmigen Mediums dieses weiterbeförderbar ist. Ein Verdichter kann somit z.B. eine Strömungsmaschine, ein Kolbenverdichter, ein Schraubenverdichter, ein Gebläse oder ein Turbokompressor sein.
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Durch die Anordnung des Verdichters hat das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem den Vorteil, dass eine zusätzliche AGR-Pumpe mit Antrieb und Leistungselektronik nicht notwendig ist. Während des Abstellvorgangs kann vielmehr ein im Brennstoffzellensystem vorhandener Verdichter verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem lässt sich trotz des Verzichts auf die AGR-Pumpe kontrolliert abschalten, so dass eine Degradation minimiert wird. Dadurch lässt sich das Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher und platzsparender herstellen. Während des Abstellvorgangs wird der Verdichter in einem unteren Teillastbereich oder Leerlaufbereich betrieben. Bevorzugt liegt dieser Bereich unterhalb einer Pumpgrenze des Verdichters.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist mittels einem Verdichter Umgebungsluft einem Untersystem zuführbar. Dadurch kann ein Untersystem wie eine Fahrgastkabine mit Umgebungsluft versorgt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind zwei Verdichter im Zuluftpfad angeordnet. Dadurch wird eine zweistufige Verdichtung realisiert. Die Umgebungsluft kann dadurch effektiver zur Brennstoffzelle geleitet werden. Zudem kann jeder Verdichter kleiner ausgelegt werden. Ein Verdichter kann dabei zusätzlich Umgebungsluft dem Untersystem zuführen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mittels wenigstens einem der Verdichter einem Untersystem und der Brennstoffzelle Umgebungsluft zuführbar. Dadurch wird zum Versorgen eines Untersystems mit Umgebungsluft kein zusätzlicher Verdichter benötigt, so dass zusätzliches Bauteile eingespart werden und das Brennstoffzellensystem wirtschaftlich herstellbar ist.
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Vorzugsweise sind das Zuluftpfad-Absperrventil und das Verbindungspfad-Absperrventil als Zuluftpfad-Mehrwegeventil kombiniert ausgebildet. Dadurch können Ventile eingespart und die Bauteile reduziert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind das Abluftpfad-Absperrventil und das Verbindungspfad-Absperrventil als Abluftpfad-Mehrwegeventil kombiniert ausgebildet. Dadurch können Ventile eingespart und die Bauteile reduziert werden.
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In dem Abluftpfad ist vorzugsweise in Strömungsrichtung vor dem Verbindungspfad ein Regelungsventil angeordnet, mit welchem ein Druck regelbar ist. Dieses Ventil kann nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems geschlossen werden, so dass die Gefahr eines Eindringens von Sauerstoff in die Brennstoffzelle zusätzlich minimiert wird. Dadurch wird eine Degradation der Brennstoffzelle zusätzlich reduziert.
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Vorteilhafterweise sind im Verbindungspfad zwei Verbindungspfad-Absperrventile angeordnet. Dadurch können einzelne den Verbindungspfad ausbildende Teilstücke einzeln abgesperrt werden. Dadurch ist eine indirekte Verbindung des Abluftpfades mit dem Zuluftpfad möglich, ohne die Vorteile der Erfindung zu beeinträchtigen.
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Bevorzugt ist ein Verdichter im Verbindungspfad angeordnet, über den Umgebungsluft einem Untersystem zuführbar. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems kann dieser Verdichter dadurch zum Umwälzen der Luft verwendet werden, so dass kein zusätzlicher Verdichter benötigt wird. Zusätzlich kann der Verdichter, welcher die Brennstoffzelle mit Umgebungsluft versorgt unabhängiger platziert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Zuluftpfad in Strömungsrichtung nach dem Verdichter und nach dem Verbindungspfad ein Stillstand-Absperrventil angeordnet. Dieses Ventil kann nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems geschlossen werden, so dass die Gefahr eines Eindringens von Sauerstoff in die Brennstoffzelle zusätzlich minimiert wird. Dadurch wird eine Degradation der Brennstoffzelle zusätzlich reduziert.
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Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, insbesondere des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Schließens eines Zuluftpfad-Absperrventils, so dass eine Luftzufuhr aus der Umgebung gestoppt wird, des Schließens eines Abluftpfad-Absperrventils, so dass eine Abgabe der Abluft an die Umgebung gestoppt wird, des Öffnens wenigstens eines Verbindungspfad-Absperrventils, so dass eine Abluft der Brennstoffzelle mittels wenigstens einem Verdichter in den Zuluftpfad eingeleitet wird, Abstellen des Verdichters, wenn der Sauerstoff in einem durch das Zuluftpfad-Absperrventil und das Abluftpfad-Absperrventil gebildeten Volumen verbraucht ist.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass eine Degradation beim Abschaltvorgang vermieden bzw. signifikant vermindert wird. Dadurch kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert werden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems werden zudem die zum Brennstoffzellensystem genannten Vorteile erzielt.
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Vorteilhafterweise wird der Verdichter unterhalb einer Pumpgrenze betrieben. Dadurch wird die Gefahr, dass der Verdichter in einen instabilen Zustand kommt vermieden. Besonders bevorzugt wird der Verdichter während des Abstellvorgangs in einem unteren Teillastbereich oder Leerlaufbereich betrieben.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Untersystempfad-Absperrventil geschlossen, so dass eine Luftzufuhr zum Untersystem aus der Umgebung gestoppt wird. Dadurch kann ein Verdichter, welcher Umgebungsluft dem Untersystem zuführt genutzt werden, um während des Abschaltens die Luft im Brennstoffzellensystem umzuwälzen. Dies hat den Vorteil, dass kein weiterer Verdichter notwendig ist, so dass das Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher herstellbar ist.
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Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Das Kraftfahrzeug weist dabei die gleichen zu dem Brennstoffzellensystem genannten Vorteile auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 2 Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 3 Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
- 4 Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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In 1 ist ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 14, welcher Luft über einen Zuluftpfad 18 zuführbar ist. Die Luft, welche aus einer Umgebung 22 des Brennstoffzellensystems 10 entnommen ist, wird über einen Luftfilter 26 gereinigt und über ein Zuluftpfad-Absperrventil 30 anschließend mittels eines über einen elektrischen Motor M angetriebenen Verdichter 34 komprimiert. Durch die Komprimierung der Luft erhöht sich die Temperatur und der Druck der Luft hinter dem Verdichter 34. Dem Verdichter 34 nachgeschaltet ist im Zuluftpfad 18 ein Zwischenkühler 38 angeordnet, welcher die Temperatur der Luft im Zuluftpfad 18 auf einen für die Brennstoffzelle 14 notwendigen Temperaturbereich bringt.
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Die den Zwischenkühler 38 verlassende Luft wird bevor sie einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle 14 zugeführt wird über eine Befeuchtungseinrichtung 42 befeuchtet. Die Brennstoffzelle 14 ist mit einem Abluftpfad 46 verbunden, über den Abluft der Brennstoffzelle 14 an die Umgebung 22 abführbar ist. Die die Brennstoffzelle 14 verlassende Abluft wird in einem ersten Schritt über die Befeuchtungseinrichtung 42 entfeuchtet. Der Befeuchtungseinrichtung 42 nachgeschaltet ist ein Regelungsventil 48, mit welchem ein Druck der Abluft beziehungsweise der Druck in der Brennstoffzelle 14 regelbar ist. Zwischen Zuluftpfad 18 und Abluftpfad 46 ist ein über ein Bypassventil 50 regelbarer Bypass 54 angeordnet. Über den Bypass 54 ist Luft in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Zwischenkühler 38 direkt in den Abluftpfad 46 einleitbar. Bevor die Abluft an die Umgebung 22 abgegeben wird ist in dem Abluftpfad 46 ein Abluftpfad-Absperrventil 58 angeordnet.
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Das Brennstoffzellensystem 10 weist zusätzlich einen Verbindungspfad 62 auf, welcher den Abluftpfad 46 in Strömungsrichtung vor dem Abluftpfad-Absperrventil 58 mit dem Zuluftpfad 18 zwischen Zuluftpfad-Absperrventil 30 und Verdichter 34 fluidisch verbindet. In dem Verbindungspfad 62 ist ein Verbindungspfad-Absperrventil 66 angeordnet, über das der Verbindungspfad 62 absperrbar ist.
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Während des normalen Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 nach dem ersten Ausführungsbeispiel sind das Zuluftpfad-Absperrventil 30 und das Abluftpfad-Absperrventil 58 geöffnet, währenddessen das Verbindungspfad-Absperrventil 66 geschlossen ist. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystem 10 werden das Zuluftpfad-Absperrventil 30 und das Abluftpfad-Absperrventil 58 geschlossen und das Verbindungspfad-Absperrventil 66 geöffnet. Dadurch kann die in dem geschlossenen Volumen enthaltene Luft durch den Verdichter 34 umgewälzt werden, so dass der in der Luft enthaltene Sauerstoff durch die Brennstoffzelle 14 verbraucht werden kann. Nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 und des Verdichters 34 wird optional zusätzlich das Verbindungspfad-Absperrventil 66 geschlossen, so dass ein Eindringen von Umgebungsluft in das abgeschlossene Volumen verhindert wird.
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In 2 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystem 10 unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel in 1, dass im Zuluftpfad 18 zwischen Befeuchtungseinrichtung 42 und Brennstoffzelle 14 ein Stillstand-Absperrventil 67 angeordnet ist, welches nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 eine Luftzufuhr unmittelbar vor der Brennstoffzelle 14 absperrt. Darüber hinaus ist das Regelventil 48 in Strömungsrichtung vor der Befeuchtungseinrichtung 42 im Abluftpfad 46 angeordnet. Zusätzlich sind das Zuluftpfad-Absperrventil 30 und das Verbindungspfad-Absperrventil 66 als Zuluftpfad-Mehrwegeventil 68 kombiniert ausgebildet.
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Während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Zuluftpfad-Mehrwegeventil 68 entsprechend der Funktion des Zuluftpfad-Absperrventils 30 und des Verbindungspfad-Absperrventils 66 nach dem ersten Ausführungsbeispiel geregelt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich somit von dem Betrieb des ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass während des normalen Betriebes das Stillstand-Absperrventil 67 geöffnet ist, währenddessen das Regelventil 48 geregelt wird. Durch eine Öffnung des Stillstand-Absperrventils 67 und des Regelventils 48 während des Abschaltens ergibt sich kein direkter Unterschied zu dem Abschaltprozess des ersten Ausführungsbeispiels. Nach dem Abschalten der Brennstoffzelle 14 und des Verdichter 34 sind zusätzlich zu den beim Betrieb des ersten Ausführungsbeispiel genannten Ventilen, noch das Zuluftpfad-Absperrventil 30 und das Regelventil 48 geschlossen. Dadurch ergibt sich im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel ein kleineres abgeschlossenes Volumen. Zusätzlich wird die Sicherheit gegen ein Eindringen von Sauerstoff erhöht, wodurch eine Degradation der Brennstoffzelle 14 weiter vermindert wird.
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In 3 ist ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystem 10 unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel in 1, dass zwischen Luftfilter 26 und Zuluftpfad-Absperrventil 30 ein als Vorverdichter 70 wirkender weiterer Verdichter angeordnet ist, welcher zusätzlich Umgebungsluft einem Untersystem 74 zuführt. Zusätzlich sind das Abluftpfad-Absperrventil 58 und das Verbindungspfad-Absperrventil 66 als Abluftpfad-Mehrwegeventil 76 kombiniert ausgebildet.
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Während des Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 nach dem dritten Ausführungsbeispiel wird das Abluftpfad-Mehrwegeventil 76 entsprechend der Funktion des Abluftpfad-Absperrventils 58 und des Verbindungspfad-Absperrventils 66 nach dem ersten Ausführungsbeispiel geregelt. Das Zuluftpfad-Absperrventile 30 und das Regelventil 48 werden während der verschiedenen Betriebsphasen entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel geregelt, so dass sich die Regelung des dritten Ausführungsbeispiels nicht von der des ersten Ausführungsbeispiels unterscheidet.
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In 4 ist ein Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystem 10 unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel in 1, dass das Zuluftpfad-Absperrventil 30 zwischen dem Bypass 54 und der Befeuchtungseinrichtung 42 angeordnet ist. Zusätzlich ist das Abluftpfad-Absperrventil 58 zwischen dem Regelventil 48 und der Befeuchtungseinrichtung 42 angeordnet.
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Das vierte Ausführungsbeispiel umfasst zusätzlich ein Untersystem 74, welchem über einen in einem Untersystempfad 78 angeordneten Untersystemverdichter 80 Umgebungsluft zuführbar ist. Im Untersystempfad 78 ist in Strömungsrichtung vor dem Untersystemverdichter 80 zusätzlich ein Untersystempfad-Absperrventil 82 angeordnet, mittels welchem eine Verbindung zwischen Umgebung 22 und Untersystem 74 absperrbar ist.
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In dem vierten Ausführungsbeispiel wird der Verbindungspfad 62 über einen erste Verbindungsleitung 86 und eine zweite Verbindungsleitung 90 gebildet. Die erste Verbindungsleitung 86 verbindet dabei den Abluftpfad 46 zwischen Befeuchtungseinrichtung 42 und Abluftpfad-Absperrventil 58 und den Untersystempfad 78 zwischen Untersystempfad-Absperrventil 82 und Untersystemverdichter 80. Die erste Verbindungsleitung 86 ist dabei über ein erstes Verbindungspfad-Absperrventil 94, welches in der ersten Verbindungleitung 86 angeordnet ist, absperrbar. Die zweite Verbindungsleitung 90 verbindet den Untersystempfad 78 in Strömungsrichtung hinter dem Untersystemverdichter 80 im Untersystempfad 78 und den Zuluftpfad 18 zwischen dem Zuluftpfad-Absperrventil 30 und der Befeuchtungseinrichtung 42. Diese Verbindungsleitung 90 ist über ein zweites Verbindungspfad-Absperrventil 98, welches in der zweiten Verbindungsleitung 90 angeordnet ist, absperrbar.
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Während eines normalen Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 nach dem vierten Ausführungsbeispiel ist dabei das erste Verbindungspfad-Absperrventil 94 und das zweite Verbindungspfad-Absperrventil 98 geschlossen, während alle anderen Absperrventile 30, 58, 82 geöffnet sind. Während eines Abschaltens des Brennstoffzellensystems 10 wird dabei das erste Verbindungspfad-Absperrventil 94 und das zweite Verbindungspfad-Absperrventil 98 geöffnet, währenddessen alle anderen Absperrventile 30, 58, 82 geschlossen werden. Nach dem Abschalten werden dann auch das erste Verbindungspfad-Absperrventil 94 und das zweite Verbindungspfad-Absperrventil 98 geschlossen, wohingegen das Untersystempfad-Absperrventil 82 geöffnet sein kann.
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Obwohl das das Abluftpfad-Absperrventil 58 und das Regelventil 48 in dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel getrennt dargestellt sind, können beide Ventile 58, 48 in einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel zu einem einzigen Ventil zusammengefasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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