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Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug sowie von einem Brennstoffzellensystem zur Ausführung des betreffenden Verfahrens.
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Stand der Technik
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Die Hauptphasen im Hinblick auf Degradationsmechanismen für Brennstoffzellen-Stacks sind die Start- und Stoppphasen von Brennstoffzellensystemen. Ein wichtiger Degradationsmechanismus ist hierbei die Wasserstoff-Luft-Front in der Anode beim Start bzw. die anstehende hohe Leerlaufspannung von Brennstoffzellen in der Abstellphase. Die für Brennstoffzellensysteme schädliche Leerlaufspannung ergibt sich hierbei dann, wenn die Anode mit Wasserstoff und die Kathode mit Sauerstoff versorgt werden, ohne dass eine elektrische Last anliegt.
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Bevor ein Brennstoffzellensystem abgestellt wird und eine Stoppphase eingeleitet wird, werden sowohl das Wasserstoff- als auch das Luftsystem in der Regel trockengeblasen, um den Brennstoffzellen-Stack und das gesamte System vor Frostschäden zu schützen. Die Reinigung der Anode bzw. des Anodenleitungspfades erfolgt hierbei mittels frischem Wasserstoff, der die Anode sowie den Anodenleitungspfad durchströmt und durch ein geöffnetes Purge-Ventil bzw. ggf. ein Drain-Ventil in einen Auspuff gelangt. Zur Abführung des Wasserstoffs ist aus sicherheitstechnischen Gründen allerdings eine ausreichende Verdünnung mittels eines Luftmassenstroms notwendig. Zur Trocknung der Kathode wird entsprechend Luft durch die Kathode geblasen.
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Während der genannten Trocknungsvorgänge entstehen elektrochemische Potenziale in den Zellen, sodass sich nach einiger Zeit eine voranstehend beschriebene Leerlaufspannung an den Elektroden der Brennstoffzelle ausbildet, die für die betreffenden Systeme schädigend ist. Das Anliegen einer Leerlaufspannung kann zwar verhindert werden, indem während der Trocknungsvorgänge ein nennenswerter Strom gezogen wird, allerdings sorgt dies wiederum für eine erhöhte Wasserproduktion, was wiederum eine Trocknung erfordert.
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Nach Beendigung der Trocknungsvorgänge ist es auf jeden Fall wichtig, dass der Sauerstoff in der Kathode abreagiert wird, damit keine Leerlaufspannung über längere Zeit an den Elektroden der Brennstoffzelle anliegt. Zur Verhinderung der Bildung einer Leerlaufspannung müssen zusätzlich die innerhalb eines Kathodenleitungspfades angeordneten Rückschlagventile während der Abstellphase geschlossen werden und luftdicht verbleiben. Nachteiliger Weise müssen diese Ventile jedoch oft nachgedruckt werden, um Abdichtungsverluste effektiv zu kompensieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems sowie gemäß einem zweiten Aspekt ein Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines derartigen Verfahrens. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen System beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug dient insbesondere der Eliminierung von schädigenden elektrochemischen Potenzialen während der Trocknungsvorgänge und der Abstellphase. Durch die Eliminierung der schädigenden elektrochemischen Potenzialen während des Abstellvorganges und der Abstellphase ist eine Erhöhung der Lebensdauer von Brennstoffzellensystemen sowie auch eine Reduzierung der Kosten betreffender Systeme, insbesondere durch den Entfall notwendiger Absperrventile möglich. Zudem kann durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Systems eine verbesserte Trocknung sowie eine Reduzierung der Betriebskosten und der sicherheitskritischen Verfahrensmerkmale durch die Eliminierung eines Wasserstoffverbrauchs während des Trocknungsvorgangs der Anode erzielt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug umfasst hierbei die Schritte eines Freigebens eines kathodenseitigen Leitungsteils eines Kathodenleitungspfades zur zumindest tlw. Überbrückung eines Luftversorgungspfades der Kathode des Brennstoffzellensystems, eines Erzeugens eines Stromflusses zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems, eines Herstellens eines Kurzschlusses zwischen Anode und Kathode des Brennstoffzellensystems zum Abbauen der Sauerstoff und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems, eines Trocknens der Anode sowie des Anodenleitungspfades zur Entfernung von Wasser, eines Trocknens der Kathode sowie des Kathodenleitungspfades zur Entfernung von Wasser sowie eines Abschaltens des Brennstoffzellensystems.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems kann vorzugsweise in einem Personenkraftwagen oder in einem Lastkraftwagen angewendet werden. Ebenso ist ein Einsatz in Schiffen, Flugobjekten oder auch in stationären Systemen oder dergleichen denkbar. Das gegenständliche Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise ein Teil eines Brennstoffzellen-Stacks, der insbesondere aus einer Vielzahl von verschalteten Brennstoffzellen gebildet sein kann. Es versteht sich daher, dass die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, die in Bezug auf eine Brennstoffzelle beschrieben sind, im Rahmen einer Anordnung einer Vielzahl von Brennstoffzellen innerhalb eines Brennstoffzellen-Stacks parallel in allen verschalteten Brennstoffzellen, vorzugsweise gleichzeitig ausgeführt werden können. Unter einem Kathodenleitungspfad wird im Rahmen der Erfindung vorzugsweise die Gesamtheit aller zur Zu- und Abführung von Luft bzw. Sauerstoff zur Kathode (bzw. von der Kathode weg) führenden Leitungen verstanden. Unter einem Anodenleitungspfad wird entsprechend die Gesamtheit aller zur Zu- und Abführung von Wasserstoff zur Anode (bzw. von der Anode weg) führenden Leitungen verstanden. Unter dem Herstellen eines Kurzschlusses wird erfindungsgemäß vorzugsweise das Herstellen einer direkten elektrischen Verbindung zwischen Anode und Kathode, bspw. über einen spezifischen elektrischen Widerstand verstanden. Durch das Erzeugen eines Stromflusses bzw. das Kurzschließen von Anode und Kathode zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems wird insbesondere besonders effektiv eine für das Brennstoffzellensystem schädigende Leerlaufspannung abgebaut. Das Erzeugen eines Stromflusses kann hierbei bspw. auch über das Anschließen eines DC/DC-Wandlers an die Kathode und Anode erfolgen. Die dadurch erzeugte elektrische Energie kann dann bspw. in einem mit dem DC/DC-Wandler verbundenen Energiespeicher gespeichert werden. Gemäß dem gegenständlichen Verfahren vorgesehene Trocknungsvorgänge der Anode und Kathode müssen hierbei nicht strikt nacheinander ausgeführt werden, sondern können auch zumindest tlw. parallel zueinander erfolgen.
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Im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass durch eine gezielte Kombination der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte, insbesondere durch die Kombination von zellenindividuellem Kurzschluss, einer spezifischen Ausführung des gegenständlichen Anodenleitungspfades sowie einer dezidierten Betriebsstrategie, eine Leerlaufspannung an den Elektroden der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stacks effektiv eliminiert werden kann. Hierdurch wird nicht nur die Lebensdauer betreffende Systeme erhöht, sondern auch die Kosten für derartige Systeme reduziert, indem bspw. Absperrventile entfallen und der Wasserstoffverbrauch gesenkt werden kann.
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Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache Art und Weise einer Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems, insbesondere hinsichtlich einer einfachen und effektiven Trocknung eines Brennstoffzellensystems, kann erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen sein, dass das Freigeben des kathodenseitigen Leitungsteils über das Öffnen eines Bypassventils erfolgt, wobei vorzugsweise zusätzlich ein Abluftzugang zur Abführung von Luft zumindest tlw. geöffnet wird. Ein Abluftzugang kann hierbei vorzugsweise in Form eines Drosselventils, insbesondere in Form einer Abluftdrossel gebildet sein. Ein zumindest tlw. Öffnen eines Abluftzugangs kann im Rahmen einer Ausführung des Abluftzugangs in Form einer Abluftdrossel bspw. über eine Entdrosselung der Abluftdrossel erfolgen.
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Im Hinblick auf eine konstruktiv einfache Art und Weise zur Gewährleistung eines Abbaus der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration bzw. der Leerlaufspannung innerhalb des Brennstoffzellensystems kann im Rahmen der Erfindung vorteilhafterweise ferner vorgesehen sein, dass zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems Kurzschlussrelais und/oder niederohmige Widerstände und/oder sonstige zellenindividuelle Kurzschlussvorrichtungen zwischen die Anode und Kathode des Brennstoffzellensystems geschaltet werden.
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Im Hinblick auf eine einfache, effektive und kostengünstige Art und Weise der Trocknung der Anode und des Anodenleitungspfades kann gegenständlich insbesondere vorgesehen sein, dass das Trocknen der Anode sowie des Anodenleitungspfades mit Luft erfolgt, wobei die Luft zum Trocknen vorzugsweise aus dem Kathodenleitungspfad in den Anodenleitungspfad und die Anode strömt, wobei die Luft insbesondere durch ein Purge-Ventil zum regelmäßigen Ausleiten eines Anodengasgemisches und/oder durch ein Drain-Ventil zur Abführung eines Wasserüberschusses in den Anodenleitungspfad und die Anode strömt. Hierbei kann zur Generierung eines Druckgefälles zur Begünstigung eines Trocknungsvorgangs vor dem Trocknen der Anode sowie des Anodenleitungspfades vorzugsweise die Wasserstoffzufuhr gestoppt und der Abluftzugang zur Abführung der Luft zum Trocknen zumindest tlw. geschlossen werden. Ein zumindest tlw. Schließen des Abluftzugangs kann im Rahmen einer Ausführung des Abluftzugangs in Form einer Abluftdrossel bspw. über eine Drosselung der Abluft erfolgen. Mittels einer Drosselung bzw. eines tlw. Schließens des Abluftzuganges wird ein Luftstrom aus dem Kathodenleitungspfad in den Anodenleitungspfad begünstigt. Hierbei strömt die Luft vorzugsweise durch ein innerhalb des Brennstoffzellensystems angeordnetes Purge-Ventil und/oder ein innerhalb des Brennstoffzellensystems angeordnetes Drain-Ventil in die Anode bzw. den Anodenleitungspfad. Bezüglich der Trocknung der Anode bzw. des Anodenleitungspfades ist im Rahmen der Erfindung insbesondere erkannt worden, dass eine Vermischung des in der Anode vorhandenen Wasserstoffs mit der einströmenden Luft zum Trocknen der Anode und des Anodenleitungspfades für die kurzgeschlossenen Zellen nicht schädigend ist.
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Im Hinblick auf einen besonders effektiven Trocknungsvorgang, insbesondere eine Generierung eines besonders starken Stroms kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass beim Trocknen der Anode sowie des Anodenleitungspfades zur Verstärkung des Luftstroms zur Trocknung, ein Rezirkulationsgebläse verwendet wird, wobei das Rezirkulationsgebläse vorzugsweise nur bei Bedarf zugeschaltet wird. Nach einem erfolgten Trocknungsvorgang kann das Rezirkulationsgebläse vorzugsweise abgeschaltet werden. Zusätzlich können dann auch das Purge- und das Drain-Ventil aus dem Anodenleitungspfad wieder geschlossen werden.
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Im Hinblick auf eine einfache, kostengünstige und effektive Entfernung von Wasser aus der Kathode bzw. dem Kathodenleitungspfad kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ferner vorgesehen sein, dass das Trocknen der Kathode sowie des Kathodenleitungspfades mit Luft erfolgt, wobei vor einem Trocknen der Kathode sowie des Kathodenleitungspfades das Bypassventil geschlossen wird und der Abluftzugang zur Abführung von Luft zumindest tlw. geöffnet wird. Nachdem die Kathode und der Kathodenleitungspfad ausreichend getrocknet wurden, können vorzugsweise weitere Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems, wie bspw. Luftverdichter oder dergleichen abgestellt werden. Der Abluftzugang kann derweil teilweise geöffnet oder geschlossen sein.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Brennstoffzellensystem zur Ausführung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens. Hierbei umfasst das gegenständliche Brennstoffzellensystem eine Anode, eine Kathode, einen Anodenleitungspfad zum Transport von Wasserstoff zwischen einem Wasserstoffreservoir und einem Abluftzugang, einen Kathodenleitungspfad zum Transport von Luft zwischen einem Luftzugang und dem Abluftzugang, wobei der Kathodenleitungspfad einen Luftversorgungspfad für die Kathode sowie einen kathodenseitigen Leitungsteil zur Überbrückung des Luftversorgungspfades aufweist und wobei der Anodenleitungspfad eine Purge-Leitung mit einem Purge-Ventil zum regelmäßigen Ausleiten des Anodengasgemisches aus dem Anodenleitungspfad sowie eine Drain-Leitung zur Abführung eines Wasserüberschusses aus der Anode und dem Anodenleitungspfad aufweist. Hierbei zeichnet sich das gegenständliche Brennstoffzellensystem dadurch aus, dass die Purge-Leitung getrennt von der Drain-Leitung angeordnet ist. Damit bringt das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems beschrieben worden sind. Unter einer getrennten Anordnung der Purge- und Drain-Leitung wird im Rahmen der Erfindung hierbei insbesondere verstanden, dass beide Leitungen vollständig voneinander separiert sind und keine gemeinsamen Leitungsteile aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines Purge-Ventils getrennt von einem Drain-Ventil kann insbesondere ein zur gegenständlich vorgesehenen Trocknung notwendiges Druckgefälle bei der Einführung der Luft aus dem Kathodenleitungspfad in den Anodenleitungspfad gewährleistet werden. Bezüglich der erfindungsgemäßen Anordnung kann die Purge-Leitung hierbei vorzugsweise zwischen einem Rezirkulationsgebläse und einer Strahlpumpe zur Einführung von Wasserstoff in die Anode der Brennstoffzelle angeordnet sein.
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Im Hinblick auf eine effektive Trocknung der Anode bzw. des Anodenleitungspfades kann es ferner insbesondere vorgesehen sein, dass die Purge-Leitung und die Drain-Leitung unterschiedliche Zugänge zum Kathodenleitungspfad aufweisen.
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Im Hinblick auf eine weitere vorteilhafte Anordnung kann ebenso vorgesehen sein, dass das Purge-Ventil zwischen der Anode und einer Strahlpumpe zur Einführung von Wasserstoff in die Anode des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
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Im Rahmen einer flexiblen Anordnung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann gegenständlich vorteilhafter Weise ferner vorgesehen sein, dass eine Turbine vorgesehen ist, wobei die Purge-Leitung und die Drain-Leitung an verschiedenen Positionen des Kathodenleitungspfades angeordnet sind, wobei die Purge-Leitung und die Drain-Leitung vorzugsweise derart mit dem Kathodenleitungspfad verbunden sind, dass bedingt durch die Anordnung der Purge-Leitung und der Drain-Leitung ein Druckgefälle zwischen Lufteinlass in die Anode und Luftauslass aus der Anode vorliegt.
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Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug,
- 2 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs der Anode eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 3 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs der Kathode eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 4 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einer ersten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einer zweiten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 7 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einer dritten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 8 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
- 10 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Normalbetrieb gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems 2 zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Hierbei umfasst das gegenständliche Verfahren den Schritt eines Freigebens 50 eines kathodenseitigen Leitungsteils 4b'' eines Kathodenleitungspfades 4b zur zumindest tlw. Überbrückung eines Luftversorgungspfades 4' in der Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 2. Ein Freigeben 50 des kathodenseitigen Leitungsteils 4b'' kann hierbei insbesondere über das Öffnen eines Bypassventils 48 erfolgen, wobei vorzugsweise zusätzlich ein Abluftzugang 30 zur Abführung von Luft zumindest tlw. geöffnet wird.
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Gemäß einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt anschließend ein Erzeugen 52 eines Stromflusses zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems 2 sowie der Schritt eines Herstellens 54 eines Kurzschlusses zwischen Anode 6 und Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 2 zum Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems 2. Hierbei kann das Abbauen der Sauerstoff- und/oder Wasserstoffkonzentration innerhalb des Brennstoffzellensystems 2 insbesondere die Verwendung von Kurzschlussrelais und/oder niederohmigen Widerständen und/oder sonstige zellenindividuelle Kurzschlussvorrichtungen umfassen, die bspw. zwischen die Anode 6 und die Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 2 geschaltet werden können.
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Darauffolgend erfolgt schließlich ein Trocknen 56 der Anode 6 sowie des Anodenleitungspfades 4a zur Entfernung von Wasser sowie ein Trocknen 58 der Kathode 8 sowie des Kathodenleitungspfades 4b zur Entfernung von Wasser.
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Das Trocknen 56 der Anode 6 sowie des Anodenleitungspfades 4a kann hierbei insbesondere mit Luft erfolgen, wobei die Luft zum Trocknen vorzugsweise aus dem Kathodenleitungspfad 4b in den Anodenleitungspfad 4a und die Anode 6 strömt, wobei die Luft insbesondere durch ein Purge-Ventil 46 zum regelmäßigen Ausleiten eines Anodengasgemisches und/oder durch ein Drain-Ventil 28 zur Abführung eines Wasserüberschusses in den Anodenleitungspfad 4a und die Anode 6 strömen kann.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass beim Trocknen 56 der Anode 6 sowie des Anodenleitungspfades 4a zur Verstärkung des Luftstroms zur Trocknung ein Rezirkulationsgebläse 22 verwendet wird, wobei das Rezirkulationsgebläse 22 vorzugsweise nur bei Bedarf zugeschaltet werden kann.
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Das Trocknen 58 der Kathode 8 sowie des Kathodenleitungspfades 4b kann ebenfalls mit Luft erfolgen, wobei vor einem Trocknen 58 der Kathode 8 sowie des Kathodenleitungspfades 4b vorzugsweise das Bypassventil 48 geschlossen - und der Abluftzugang 30 zur Abführung von Luft zumindest tlw. geöffnet werden kann.
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Abschließend erfolgt in einem sechsten und letzten Verfahrensschritt schließlich ein Abschalten 60 des Brennstoffzellensystems 2.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs der Anode 6 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2.
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Hierbei umfasst der erfindungsgemäße Trocknungsvorgang vorzugsweise die Schritte eines Unterbrechens 70 einer Wasserstoffzufuhr, eines zumindest tlw. Schließens 72 eines Abluftzugangs 30, insbesondere in Form einer Drosselung einer Auspuffdrossel, eines Öffnens 74 des innerhalb des Anodenleitungspfades 4a angeordneten Purge-Ventils 46, was bspw. durch den Betrieb des Anoden-Rezirkulationsgebläses 22 unterstützt sein kann sowie den Schritt eines Öffnens 76 des innerhalb des Anodenleitungspfades 4a angeordneten Drain-Ventils 28. Mit dem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Trocknens der Anode 6 und des Anodenleitungspfades 4a erfolgt schließlich einen Prüfen 78 bezüglich eines aktuellen Trocknungszustands der Anode 6, was bei Erreichen eines vorzugsweise frei definierbaren Mindestmaßes eines Trocknungszustandes von dem Schritt eines Abstellens 80 des Rezirkulationsgebläses 22 gefolgt sein kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Trocknungsvorgangs der Kathode eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2.
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Hierbei erfolgt in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Trocknung der Kathode 8 zunächst ein Schließen 90 des Kathodenbypass-Ventils, bevor in einem zweiten Verfahrensschritt eine vorzugsweise in Form einer Entdrosselung einer Auspuffdrossel gebildete zumindest tlw. Öffnung eines Abluftzugangs 30 erfolgt.
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In einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Trocknens der Kathode 8 erfolgt schließlich eine Überprüfung des aktuellen Trocknungszustands der Kathode 8, der bei Erreichen eines frei definierbaren Mindestmaßes eines Trocknungszustandes durch den Schritt eines Abstellens 96 des Luftverdichters oder ggf. eines Schließens der Auspuffdrossel gefolgt sein kann.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einem Normalbetrieb gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Hierbei umfasst das Brennstoffzellensystem 2 eine Anode 6, eine Kathode 8 sowie einen Anodenleitungspfad 4a zum Transport von Wasserstoff zwischen einem Wasserstoffreservoir 14 und einem Abluftzugang 30 und einen Kathodenleitungspfad 4b zum Transport von Luft zwischen einem Luftzugang 34 und dem Abluftzugang 30. Hierbei umfasst der Kathodenleitungspfad 4b einen Luftversorgungspfad 4b' für die Kathode 8 sowie einen kathodenseitigen Leitungsteil 4b'' zur Überbrückung des Luftversorgungspfades 4'. Zur Überbrückung ist innerhalb des kathodenseitigen Leitungsteils 4b'' zudem ein Bypassventil 48 angeordnet. Der Anodenleitungspfad 4a weist ferner eine Purge-Leitung 4a' mit einem Purge-Ventil 46 zum regelmäßigen Ausleiten des Anodengasgemisches aus dem Anodenleitungspfad 4a sowie eine Drain-Leitung 4a'', mit einem Drain-Ventil 28 zur Abführung eines Wasserüberschusses aus der Anode 6 und dem Anodenleitungspfad 4a auf. Hierbei zeichnet sich das gegenständliche Brennstoffzellensystem 2 dadurch aus, dass die Purge-Leitung 4a' getrennt von der Drain-Leitung 4a'' ausgeführt ist und insbesondere unterschiedliche Zugänge zum Kathodenleitungspfad 4a aufweist. Dies gewährleistet ein zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendiges Druckgefälle innerhalb des Anodenleitungspfades 4a. Die Purge-Leitung 4' ist hierbei vorliegend zwischen einem Rezirkulationsgebläse 22 des Anodenleitungspfades 4a und einer Strahlpumpe 20 zur Einführung von Wasserstoff in die Anode 6 des Brennstoffzellensystems 2 angeordnet.
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Zwischen dem Wasserstoffreservoir 14 und der Strahlpumpe 20 sind ferner noch ein Absperrventil 16 sowie ein Druckregler 18 angeordnet. Die Drain-Leitung 4a'' umfasst ferner einen Wasserabscheider 24 sowie einen Wasserbehälter 26, die vor dem Drain-Ventil angeordnet sind. Neben dem Anodenleitungspfad 4a und dem Kathodenleitungspfad 4b umfasst das Brennstoffzellensystem 2 vorliegend noch den elektrischen Leitungspfad 4c sowie den Kühlleitungspfad 4d, der den Fahrzeugkühler 12 mit dem Brennstoffzellen-Stackkühler 10 verbindet. Der Kathodenleitungspfad 4b umfasst ferner einen nach dem Luftzugang 34' angeordneten Luftfilter 34 zur Reinigung der zugeführten Luft sowie einen innerhalb des Luftversorgungspfades 4b' angeordneten Wärmetauscher 32. Das elektrische Leitungssystem 4c umfasst neben einem DC/DC-Wandler 40' noch einen Traktionsakku 36 sowie eine Batterie 38 zur Speicherung elektrischer Energie und einen Inverter 40 zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom zum Antrieb des Motors 42 bzw. des Getriebes 44. In dem gemäß 4 dargestellten Normalbetrieb strömt Luft durch die Kathode 8 und das Anodengasgemisch bzw. das Anodenkondensat kann durch die Purge-Leitung 4a' bzw. die Drain-Leitung 4a'' je nach Bedarf in den Abluftzugang 30 entweichen.
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5 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einer ersten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Hierbei wird zunächst die Kathode 8 durch das Öffnen des Bypassventils 48 innerhalb des Kathodenleitungspfades 4b gebypasst, und gleichzeitig der Abluftzugang 30 zumindest tlw. geöffnet, sodass Luft über den kathodenseitigen Leitungsteil 4b'' in Richtung Abluftzugang 30 strömen kann. Im Rahmen einer Ausführung des Abluftzugangs 30 in Form einer Auspuffdrossel kann dieser hierbei bspw. entdrosselt werden. Zur Verarmung der Luft in den Zellen wird vorliegend ferner Strom über den DC/DC-Wandler 40' gezogen und durch das Kurzschließen der Anode 6 und der Kathode 8 der Restsauerstoff vollständig aus dem Brennstoffzellensystem 2 abgebaut.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einer zweiten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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In dieser zweiten Phase wird der Trocknungsvorgang der Anode 6 eingeleitet. Die Trocknung der Anode 6 erfolgt vorwiegend nicht wie üblich mit Wasserstoff, sondern mit Luft. Hierfür wird zunächst die Wasserstoffzufuhr aus dem Wasserstoffreservoir 14 abgestellt und der Abluftzugang 30 zumindest tlw. geschlossen, damit die Luft in den Anodenleitungspfad 4a strömen kann. Das erfolgt, indem das Purge- und das Drain-Ventil 46, 28 geöffnet werden. Das Druckgefälle der Luft sorgt bereits für eine Durchströmung des Anodenleitungspfades 4a, welche noch verstärkt werden kann durch den Betrieb des Rezirkulationsgebläses 22 innerhalb des Anodenleitungspfades 4a. Nachdem die Anode 6 ausreichend getrocknet worden ist, wird das Rezirkulationsgebläse 22 innerhalb des Anodenleitungspfades 4a abgestellt und das Purge-Ventil 46 sowie das Drain-Ventil 28 geschlossen.
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7 zeigt schließlich eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einer dritten Phase eines Abstellens des Brennstoffzellensystems 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß dieser dritten Phase wird der Trocknungsvorgang der Kathode 8 eingeleitet. Gemäß dem Trocknungsvorgang der Kathode 8 wird zunächst der Kathodenbypass 4b'' durch das Schließen des Bypassventils 48 geschlossen, während der Abluftzugang 30 zumindest tlw. geöffnet wird. Hierdurch wird der Kathodenleitungspfad 4b sowie die Kathode 8 des Brennstoffzellensystems 2 mit trockener Luft durchströmt. Nachdem die Kathode 8 ausreichend getrocknet worden ist, kann der Luftverdichter bzw. das Rezirkulationsgebläse 22 abgestellt werden. Die Trocknungsvorgänge der Anode 6 sowie der Kathode 8 müssen hierbei nicht streng nacheinander erfolgen, sondern können auch zumindest teilweise parallel zueinander erfolgen.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einem Normalbetrieb gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Zuleitung zum Purge-Ventil 46 zwischen der Strahlpumpe 20 und der Anode 6 platziert. Eine solche Anordnung bietet sich insbesondere für Systeme ohne Zirkulationsgebläse 22 an.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sowie auch gemäß den Ausführungsbeispielen aus 9 und 10 ist die gemäß den 4 bis 7 dargestellte Zusammensetzung des Kathodenleitungspfades 4b aus einem Luftversorgungspfad 4b' und einem kathodenseitigen Leitungsteil 4b'' ebenso wenig explizit dargestellt, wie die Zusammensetzung des Anodenleitungspfades 4a aus einer Purge-Leitung 4a' und einer Drain-Leitung 4a''. Es versteht sich jedoch, dass der Anodenleitungspfad 4a sowie der Kathodenleitungspfad 4b ebenso in den Beispielen gemäß der 8 und 9 aus den betreffenden Pfaden bzw. Leitungsteilen gebildet ist.
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9 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 in einem Normalbetrieb gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem dritten Ausführungsbeispiel stellt das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 2 ein System mit Turbine dar, was es erlaubt, aufgrund des Druckverlustes über die Turbine die Einlassstellen für die mit dem Purge-Ventil 46 verbundenen Teile des Anodenleitungspfades 4a bzw. für die mit dem Drain-Ventil 28 verbundenen Teile unterschiedliche Stellen bzw. Einlasspositionen an dem Kathodenleitungspfad 4b zu gewährleisten.
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10 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Systems 2 in einem Normalbetrieb gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Gemäß diesem vierten Ausführungsbeispiel ist die mit dem Drain-Ventil 28 verbundene Leitung des Anodenleitungspfades 4a nach einem endseitig angeordneten Absperrventil angeordnet und nicht wie gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel zwischen diesem Ventil und dem Rezirkulationsgebläse 22 des Kathodenleitungspfades 4b.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Optimierung einer Abschaltprozedur eines Brennstoffzellensystems 2 bzw. mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 ist es insbesondere möglich, durch die Kombination von zellenindividuellem Kurzschluss, einer spezifischen Ausführung des gegenständlichen Anodenleitungspfades 4a sowie einer dezidierten Betriebsstrategie, eine Leerlaufspannung an den Elektroden 6, 8 der Brennstoffzellen eines Brennstoffzellen-Stacks effektiv zu eliminieren, sodass nicht nur die Lebensdauer betreffende Systeme erhöht wird, sondern auch die Kosten für derartige Systeme reduziert werden, indem bspw. Absperrventile entfallen und der Wasserstoffverbrauch gesenkt werden kann.
