DE102019218822A1 - Brennstoffzellensystem zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs - Google Patents

Brennstoffzellensystem zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (2) zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs, umfassend eine auf der Anodenseite (4) des Brennstoffzellensystems (2) angeordnete Anode (8), eine auf der Kathodenseite (6) des Brennstoffzellensystems (2) angeordnete Kathode (10), zumindest ein erstes an einem Eingang (12) eines Kathodenpfades (16) angeordnetes Ventil (18) zum Verschließen des Kathodenpfades (16), zumindest ein zweites an einem Ausgang (14) des Kathodenpfades (16) angeordnetes Ventil (20) zum Verschließen des Kathodenpfades (16), ein zwischen dem Eingang (12) und dem Ausgang (14) innerhalb des Kathodenpfades (16) angeordnetes Kathodenrezirkulationsgebläse (22) zur Rezirkulation und/oder zur Abführung eines Kathodengases aus dem Kathodenpfad (16).

Description

  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem System nach Gattung des unabhängigen Systemanspruchs sowie einem Verfahren nach Gattung des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
  • Stand der Technik
  • Maßnahmen zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs von Brennstoffzellensystemen sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist es in heutigen Brennstoffzellensystemen üblich, die Kathodenseite im Stillstand eines Brennstoffzellensystems mithilfe von Ventilen zu verschließen, um zu verhindern, dass Sauerstoff aus der Umgebung über die Membran von der Kathode auf die Anode diffundiert, was zu sog. Luft/Luft-Starts einer Brennstoffzelle führt. Solche Starts führen zu sehr hohen elektrischen Potentialunterschieden in der Brennstoffzelle und dadurch zur schnellen Alterung der betreffenden Brennstoffzellen-Katalysatoren. Durch die Anordnung von Ventilen kann das Eindringen von Sauerstoff in einer Stopp-Phase zwar verhindert bzw. erschwert werden, jedoch befindet sich nach dem Betrieb eines Brennstoffzellensystems betriebsbedingt noch Restsauerstoff innerhalb des Systems, der sich nur sehr langsam mit dem innerhalb der Anode vorhandenen Restwasserstoff umsetzt. Der während einer Stopp-Phase innerhalb des Kathodenpfades nicht direkt umgesetzte Sauerstoff führt hierbei zu unerwünschten chemischen Reaktionen, die wiederum die Alterung einer Brennstoffzelle beschleunigen.
  • Um Brennstoffzellensysteme auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes einsetzen zu können, müssen die Systeme gefrierstartfähig ausgeführt sein. Eine Gefrierstartfähigkeit wird in heutigen Brennstoffzellensystemen anodenseitig und kathodenseitig über das Ausblasen von während des Abkühlungsprozesses entstehendem Kondensat gewährleistet. Dieser Betrieb erfolgt vorzugsweise unbeaufsichtigt auf der Anodenseite durch das Anodenrezirkulationsgebläse und auf der Kathodenseite durch das Luftmodul. Da es sich bei dem kathodenseitig angeordneten Luftmodul jedoch um eine Hochvolt-Komponente handelt, muss ein hoher Sicherheitsaufwand für dessen unbeaufsichtigten Betrieb in Kauf genommen werden. Zudem verursacht das Luftmodul beim Ausblasen eine unerwünschte Geräuschbelästigung.
  • Ein weiterer Nachteil hinsichtlich der Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs heutiger Brennstoffzellensysteme betrifft den Zielkonflikt zwischen der Anforderung der Gleichverteilung im unteren Lastbereich und dem Druckabfall im oberen Lastbereich eines Brennstoffzellensystems. Die notwendige Gleichverteilung im unteren Lastbereich wird hierbei durch einen Mindest-Druckabfall erkauft, der gegeben sein muss, da innerhalb des Kathodenpfades anfallendes Kondensat ansonsten nicht sicher abtransportiert werden könnte und den Kathodenkanal blockieren würde. Stromabwärts von dieser Kondensation finden dann unerwünschte chemische Reaktionen statt, die die Brennstoffzelle altern lassen. Durch den notwendigen Mindest-Druckabfall ergibt sich designbedingt auch der Druckabfall im oberen Lastbereich, der zudem einen direkten Einfluss auf die benötigte Verdichterleistung des Luftmoduls hat und somit wirkungsgradrelevant ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist gemäß einem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Systemanspruchs und gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs. 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 Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den jeweils einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens ist hierbei insbesondere darin zu sehen, dass außerhalb eines Betriebszustandes auf konstruktiv einfache und kostengünstige Art und Weise eine Minimierung der Sauerstoffkonzentration, insbesondere ein besonders schneller Verbrauch von Restsauerstoff aus dem System erfolgt und somit einer Systemalterung wirksam vorgebeugt wird. Zudem ist es mittels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie mittels der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, auf einfache, kostengünstige und komfortable Weise einen kathodenseitigen Gefrierstart zu ermöglichen ohne hierzu den notwendigen Sicherheitsaufwand eines unbeaufsichtigten Einsatzes einer Hochvolt-Komponente in Kauf nehmen zu müssen. Schließlich ist es durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, eine Gleichverteilung des Kathodengases im unteren Lastbereichen zu gewährleisten und gleichzeitig den Abtransport von Kondensat innerhalb des Kathodenpfades zu gewährleisten. Gleichzeitig kann der sonst für die Gleichverteilung wichtige Druckabfall verringert werden. Daraus resultierend ergibt sich auch ein verringerter Druckabfall bei Volllast, womit sich in diesem Bastbereich ein höherer Wirkungsgrad ergibt.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann insbesondere in Personenkraftwagen oder in Lastkraftwagen eingesetzt werden. Ebenso ist ein Einsatz in Schiffen, Flugobjekten oder auch in stationären Objekten denkbar. Unter einem gegenständlichen Kathodenrezirkulationsgebläse wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Fördermittel zur Förderung des innerhalb des Kathodenpfades angeordneten Kathodengases verstanden, das vorzugsweise zusätzlich zu einem Luftmodul innerhalb des Kathodenpfades angeordnet sein kann. Das gegenständliche Kathodenrezirkulationsgebläse kann hierbei in Form einer Pumpe, eines Gebläses, eines Ventilators, eines Lüfters, insbesondere in Form eines mit hoher Umdrehungszahl betreibbaren elektrisch angetriebenen Verdichterrades ausgebildet sein.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs umfasst hierbei eine auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems angeordnete Anode, eine auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems angeordnete Kathode, zumindest ein erstes an einem Eingang eines Kathodenpfades angeordnetes Ventil zum Verschließen des Kathodenpfades, zumindest ein zweites an einem Ausgang des Kathodenpfades angeordnetes Ventil zum Verschließen des Kathodenpfades sowie ein zwischen dem Eingang und dem Ausgang innerhalb des Kathodenpfades angeordnetes Kathodenrezirkulationsgebläse zur Rezirkulation und/oder zur Abführung eines Kathodengases aus dem Kathodenpfad.
  • Im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Integration des gegenständlichen Kathodenrezirkulationsgebläses kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass das Kathodenrezirkulationsgebläse in Form einer Kleinspannungskomponente, insbesondere in Form einer 12 V-Komponente (für PKW) oder 24 V-Komponente (für LKW) gebildet ist. Unter einer Kleinspannungskomponente wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine Komponente bzw. ein Verbraucher verstanden, der eine Nennspannung von bis zu 50 V (AC) bzw. 120 V (DC) besitzt. Die Verwendung einer Kleinspannungskomponente weist hierbei gegenüber der Verwendung einer Hochvolt-Komponente insbesondere den Vorteil auf, dass der sicherheitstechnische Aufwand einer Integration der betreffenden Komponente aufgrund der fehlenden Notwendigkeit einer elektrischen Absicherung viel geringer ist. Zudem ist bspw. bei der Verwendung eines Kathodenrezirkulationsgebläses anstatt eines Luftmoduls die Geräuschentwicklung deutlich geringer.
  • Im Rahmen einer zuverlässigen Absicherung vor einem ungewollten Eintritt von Luft in den Kathodenpfad und einer gleichzeitig flexiblen Abführung von kondensiertem Reaktionswasser aus dem Brennstoffzellensystem kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass neben dem zumindest ersten und zweiten Ventil zum Verschließen des Kathodenpfades ein drittes Ventil zum Verschließen eines Zuganges zum Kathodenpfad innerhalb des Kathodenpfades angeordnet ist, wobei das dritte Ventil vorzugsweise ausgangsseitig von einem innerhalb des Kathodenpfades angeordneten Wasserabscheiders angeordnet ist.
  • Um eine gezielte Steuerung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs eines Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, kann gegenständlich ferner vorgesehen sein, dass ein innerhalb des Kathodenpfades angeordnetes Detektionsmittel zum Erfassen eines aktuellen Zustands und/oder eines für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevanten Parameters vorgesehen ist. Ein aktueller Zustand kann hierbei insbesondere ein Start-Zustand oder ein Stopp-Zustand bzw. ein Betriebszustand sein. Ein für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevanter Parameter kann hingegen eine aktuelle Außentemperatur, eine aktuelle Luftfeuchtigkeit, insbesondere innerhalb eines Kathodenpfades, ein aktueller Druck, eine aktuelle Kathodengaskonzentration oder dergleichen sein.
  • Im Hinblick auf einen möglichst ökonomischen und bei Bedarf leistungsstarken Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ebenso denkbar, dass ein innerhalb des Kathodenpfades angeordnetes Rückschlagventil zur Sicherstellung einer vorbestimmten Flussrichtung eines Kathodengases vorgesehen ist, wobei das Rückschlagventil vorzugsweise zwischen dem Eingang des Kathodenpfades und dem Kathodenrezirkulationsgebläse angeordnet ist.
  • Alternativ zu dem Einsatz eines Rückschlagventils kann zur Gewährleistung eines möglichst ökonomischen und bei Bedarf leistungsstarken Betriebs des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems vorteilhafter Weise ebenso vorgesehen sein, dass das Kathodenrezirkulationsgebläse derart ausgebildet ist, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems über das Kathodenrezirkulationsgebläse fortlaufend ein Druck aufbaubar ist, der dem Druckabfall innerhalb des Kathodenpfades entspricht.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines voranstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems. Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Erfassens eines aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems und/oder eines für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevanten Parameters mittels eines Detektionsmittels, eines Ansteuerns des ersten und/oder zweiten Ventils zum Öffnen und/oder Schließen des Eingangs und/oder des Ausgangs des Kathodenpfades oder eines kontrollierten Beibehaltens des aktuellen Zustands des ersten und/oder zweiten Ventils auf Basis des erfassten aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems und/oder des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevanten Parameters sowie eines Ansteuerns des Kathodenrezirkulationsgebläses auf Basis des erfassten aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems und/oder des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevanten Parameters. Damit weist das erfindungsgemäße Verfahren die gleichen Vorteile auf, wie bereits ausführlich in Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind. Unter dem erfindungsgemäßen Schritt eines Ansteuerns des ersten und/oder zweiten Ventils zum Öffnen und/oder Schließen des Eingangs und/oder des Ausgangs des Kathodenpfades oder eines kontrollierten Beibehaltens des aktuellen Zustands des ersten und/oder zweiten Ventils wird hierbei im Rahmen der Erfindung insbesondere verstanden, dass ein Zugang zu einem Kathodenpfad auf Basis des erfassten aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems und/oder des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevanten Parameters freigegeben oder gesperrt wird bzw. freigegeben oder gesperrt bleibt. Es versteht sich, dass bei einer Ausführungsform mit mehr als zwei Ventilen auch das weitere bzw. die weiteren Ventile entsprechend angesteuert werden können, um einen Zugang zu einem Kathodenpfad freizugeben oder zu sperren.
  • Um Luft/Luft-Starts und den durch diese Starts entstehenden hohen elektrischen Potentialunterschieden bestmöglich vorzubeugen zu können und so die Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen, kann gegenständlich insbesondere vorgesehen sein, dass ein erfasster aktueller Zustand ein Stopp-Zustand oder ein Start-Zustand des Brennstoffzellensystems ist, wobei auf Basis des erfassten Stopp-Zustandes oder Start-Zustandes das erste und zweite Ventil geschlossen werden oder kontrolliert geschlossen bleiben und das Kathodenrezirkulationsgebläse angesteuert wird, um das innerhalb des Kathodenpfades angeordnete Kathodengas innerhalb des Kathodenpfades zu zirkulieren und über eine Reaktion mit dem in der Anode angeordneten Anodengas zu verbrauchen.
  • Im Hinblick auf eine einfache, kostengünstige und komfortable Möglichkeit der Integration einer kathodenseitigen Gefrierstartvorbereitung kann erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ferner vorgesehen sein, dass ein für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevanter Parameter die aktuelle Außentemperatur ist, wobei auf Basis der aktuellen Außentemperatur das erste und zweite Ventil geschlossen werden oder kontrolliert geschlossen bleiben und das Kathodenrezirkulationsgebläse angesteuert wird, um innerhalb des Kathodenpfades angeordnetes Kondensat kontrolliert abzuführen. Durch die Verwendung eines Kathodenrezirkulationsgebläses anstatt eines Luftmoduls zur Entfernung von kondensiertem Reaktionswasser aus dem Brennstoffzellensystem sinkt insbesondere der sicherheitstechnische Aufwand aufgrund der fehlenden Notwendigkeit einer elektrischen Absicherung. Zudem ist bspw. bei der Verwendung eines Kathodenrezirkulationsgebläses anstatt eines Luftmoduls die Geräuschentwicklung deutlich geringer.
  • Zur gleichzeitigen Gewährleistung einer möglichst gleichmäßigen Verteilung des Kathodengases in einem unteren Lastbereich und dem Transport von Kondensat innerhalb des Kathodenpfades in höheren Lastbereichen kann gegenständlich vorteilhafter Weise ferner vorgesehen sein, dass ein für den Betrieb des Brennstoffzellensystems relevanter Parameter der aktuelle Druck innerhalb des Kathodenpfades ist, wobei auf Basis des aktuellen Drucks innerhalb des Kathodenpfades das erste und zweite Ventil geöffnet werden oder kontrolliert geöffnet bleiben und das Kathodenrezirkulationsgebläse angesteuert wird, um einen gleichmäßigen Druck und eine ausreichende Befeuchtung des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten.
  • Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Kraftfahrzeug, umfassend ein voranstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs.
  • 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. Hierbei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs,
    • 2 eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Bren nstoffzellensystems.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 2 umfasst hierbei eine auf der Anodenseite 4 des Brennstoffzellensystems 2 angeordnete Anode 8, eine auf der Kathodenseite 6 des Brennstoffzellensystems 2 angeordnete Kathode 10, zumindest ein erstes an einem Eingang 12 eines Kathodenpfades16 angeordnetes Ventil 18 zum Verschließen des Kathodenpfades 16, zumindest ein zweites an einem Ausgang 14 des Kathodenpfades 16 angeordnetes Ventil 20 zum Verschließen des Kathodenpfades 16 sowie ein zwischen dem Eingang 12 und dem Ausgang 14 innerhalb des Kathodenpfades 16 angeordnetes Kathodenrezirkulationsgebläse 22 zur Rezirkulation und/oder zur Abführung eines Kathodengases aus dem Kathodenpfad 16.
  • Das Kathodenrezirkulationsgebläse 22 ist vorliegend in Form einer Kleinspannungskomponente, insbesondere in Form einer 12 V Komponente (für PKW) oder 24 V Komponente (für LKW) gebildet. Dies hat gegenüber der Verwendung einer Hochvolt-Komponente den Vorteil, dass der sicherheitstechnische Aufwand einer Integration der betreffenden Komponente aufgrund der fehlenden Notwendigkeit einer elektrischen Absicherung viel geringer ist. Zudem sind Kleinspannungskomponenten gegenüber Hochvolt-Komponenten in der Regel leiser zu betreiben.
  • Wie 1 zu entnehmen ist, ist vorliegend neben dem zumindest ersten und zweiten Ventil 18, 20 zum Verschließen des Kathodenpfades 16 zusätzlich noch ein drittes Ventil 24 zum Verschließen eines Zuganges zum Kathodenpfad 16 innerhalb des Kathodenpfades 16 angeordnet, wobei das dritte Ventil 24 vorliegend ausgangsseitig von dem innerhalb des Kathodenpfades 16 angeordneten Wasserabscheiders 26 angeordnet ist.
  • Zur gezielten Steuerung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs des vorliegenden Brennstoffzellensystems 2 kann ferner ein innerhalb des Kathodenpfades 16 angeordnetes Detektionsmittel 28 zum Erfassen eines aktuellen Zustands und/oder eines für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 relevanten Parameters vorgesehen sein, das vorliegend nicht dargestellt ist.
  • Wie aus 1 hervorgeht weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 2 ferner ein innerhalb des Kathodenpfades 16 angeordnetes Rückschlagventil 30 zur Sicherstellung einer vorbestimmten Flussrichtung eines Kathodengases auf, das vorliegend zwischen dem Eingang des Kathodenpfades 16 und dem Kathodenrezirkulationsgebläse 22 angeordnet ist.
  • Alternativ zu dem Einsatz eines Rückschlagventils 30 kann zur Gewährleistung eines möglichst ökonomischen und bei Bedarf leistungsstarken Betriebs des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 2 das Kathodenrezirkulationsgebläse 22 auch derart ausgebildet sein, dass es während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 2 fortlaufend einen Druck aufbaut, der dem durch die Brennstoffzellenreaktion bedingten Druckabfall innerhalb des Kathodenpfades16 entspricht.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Brennstoffzelle 2.
  • Hierbei umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Schritte eines Erfassens 40 eines aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems 2 und/oder eines für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 relevanten Parameters mittels eines Detektionsmittels 28, eines Ansteuerns 42 des ersten und/oder zweiten Ventils 18, 20 zum Öffnen und/oder Schließen des Eingangs 12 und/oder des Ausgangs 14 des Kathodenpfades 16 oder eines kontrollierten Beibehaltens des aktuellen Zustands des ersten und/oder zweiten Ventils 18, 20 auf Basis des erfassten aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems 2 und/oder des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 relevanten Parameters sowie eines Ansteuerns 44 des Kathodenrezirkulationsgebläses 22 auf Basis des erfassten aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems 2 und/oder des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 relevanten Parameters.
  • Ein erfasster aktueller Zustand kann hierbei insbesondere ein Stopp-Zustand oder ein Start-Zustand des Brennstoffzellensystems 2 sein, wobei auf Basis des erfassten Stopp-Zustandes oder Start-Zustandes das erste und zweite Ventil 18, 20 geschlossen werden oder kontrolliert geschlossen bleiben kann und das Kathodenrezirkulationsgebläse 22 angesteuert werden kann, um das innerhalb des Kathodenpfades 16 angeordnete Kathodengas innerhalb des Kathodenpfades16 zu zirkulieren und über eine Reaktion mit dem in der Anode 8 angeordneten Anodengas zu verbrauchen.
  • Ein für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 relevanter Parameter kann ferner insbesondere die aktuelle Außentemperatur sein, wobei auf Basis der aktuellen Außentemperatur das erste und zweite Ventil 18, 20 geschlossen werden oder kontrolliert geschlossen bleiben kann und das Kathodenrezirkulationsgebläse 22 angesteuert werden kann, um innerhalb des Kathodenpfades16 angeordnetes Kondensat kontrolliert abzuführen.
  • Ferner kann ein für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 relevanter Parameter der aktuelle Druck innerhalb des Kathodenpfades 16 sein, wobei auf Basis des aktuellen Drucks innerhalb des Kathodenpfades 16 das erste und zweite Ventil 18, 20 geöffnet werden oder kontrolliert geöffnet bleiben können und das Kathodenrezirkulationsgebläse 22 angesteuert werden kann, um einen gleichmäßigen Druck und eine ausreichende Befeuchtung der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Durch das zusätzliche Gas, das dank der Rezirkulation des Kathodenabgases durch das Kathodenrezirkulationsgebläse 22 innerhalb des Kathodenpfades 16 vorhanden ist, entsteht eine verbesserte Gleichverteilung im unteren Lastbereich des Brennstoffzellensystems 2. Da das rezirkulierte Gase große Mengen an Wasser enthält, wird die Befeuchtung des Kathodenpfades 16 in diesem Betriebszustand verbessert. Das Brennstoffzellensystem 2 kann auf den Druckabfall bei Volllast optimiert werden, wodurch die Verdichterleistung verringert und somit der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 2 verbessert werden kann.

Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem (2) zur Gewährleistung eines nachhaltigen und energieeffizienten Betriebs, umfassend: - eine auf der Anodenseite (4) des Brennstoffzellensystems (2) angeordnete Anode (8), - eine auf der Kathodenseite (6) des Brennstoffzellensystems (2) angeordnete Kathode (10), - zumindest ein erstes an einem Eingang (12) eines Kathodenpfades (16) angeordnetes Ventil (18) zum Verschließen des Kathodenpfades (16), - zumindest ein zweites an einem Ausgang (14) des Kathodenpfades (16) angeordnetes Ventil (20) zum Verschließen des Kathodenpfades (16), - ein zwischen dem Eingang (12) und dem Ausgang (14) innerhalb des Kathodenpfades (16) angeordnetes Kathodenrezirkulationsgebläse (22) zur Rezirkulation und/oder zur Abführung eines Kathodengases aus dem Kathodenpfad (16).
  2. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenrezirkulationsgebläse (22) in Form einer Kleinspannungskomponente, insbesondere in Form einer 12 V- oder 24 V-Komponente gebildet ist.
  3. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem zumindest ersten und zweiten Ventil (18, 20) zum Verschließen des Kathodenpfades (16) ein drittes Ventil (24) zum Verschließen eines Zuganges zum Kathodenpfad (16) innerhalb des Kathodenpfades (16) angeordnet ist, wobei das dritte Ventil (24) vorzugsweise ausgangsseitig von einem innerhalb des Kathodenpfades (16) angeordneten Wasserabscheider (26) angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb des Kathodenpfades (16) angeordnetes Detektionsmittel (28) zum Erfassen eines aktuellen Zustands und/oder eines für den Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) relevanten Parameters vorgesehen ist.
  5. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerhalb des Kathodenpfades (16) angeordnetes Rückschlagventil (30) zur Sicherstellung einer vorbestimmten Flussrichtung eines Kathodengases vorgesehen ist, wobei das Rückschlagventil (30) vorzugsweise zwischen dem Eingang des Kathodenpfades (16) und dem Kathodenrezirkulationsgebläse (22) angeordnet ist.
  6. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenrezirkulationsgebläse (22) derart ausgebildet ist, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems (2) über das Kathodenrezirkulationsgebläse (22) fortlaufend ein Druck aufbaubar ist, der dem Druckabfall innerhalb des Kathodenpfades (16) entspricht.
  7. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (2), insbesondere eines Brennstoffzellensystems (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte: - Erfassen (40) eines aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems (2) und/oder eines für den Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) relevanten Parameters mittels eines Detektionsmittels (28), - Ansteuern (42) des ersten und/oder zweiten Ventils (18, 20) zum Öffnen und/oder Schließen des Eingangs (12) und/oder des Ausgangs (14) des Kathodenpfades (16) oder kontrolliertes Beibehalten des aktuellen Zustands des ersten und/oder zweiten Ventils (18, 20) auf Basis des erfassten aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems (2) und/oder des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) relevanten Parameters, - Ansteuern (44) des Kathodenrezirkulationsgebläses (22) auf Basis des erfassten aktuellen Zustands des Brennstoffzellensystems (2) und/oder des für den Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) relevanten Parameters.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erfasster aktueller Zustand ein Stopp-Zustand oder ein Start-Zustand des Brennstoffzellensystems (2) ist, wobei auf Basis des erfassten Stopp-Zustandes oder Start-Zustandes das erste und zweite Ventil (18, 20) geschlossen werden oder kontrolliert geschlossen bleiben und das Kathodenrezirkulationsgebläse (22) angesteuert wird, um das innerhalb des Kathodenpfades (16) angeordnete Kathodengas innerhalb des Kathodenpfades (16) zu zirkulieren und über eine Reaktion mit dem in der Anode (8) angeordneten Anodengas zu verbrauchen.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein für den Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) relevanter Parameter die aktuelle Außentemperatur ist, wobei auf Basis der aktuellen Außentemperatur das erste und zweite Ventil (18, 20) geschlossen werden oder kontrolliert geschlossen bleiben und das Kathodenrezirkulationsgebläse (22) angesteuert wird, um innerhalb des Kathodenpfades (16) angeordnete Kondensate kontrolliert abzuführen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein für den Betrieb des Brennstoffzellensystems (2) relevanter Parameter der aktuelle Druck innerhalb des Kathodenpfades (16) ist, wobei auf Basis des aktuellen Drucks innerhalb des Kathodenpfades (16) das erste und zweite Ventil (18, 20) geöffnet werden oder kontrolliert geöffnet bleiben und das Kathodenrezirkulationsgebläse (22) angesteuert wird, um einen gleichmäßigen Druck und eine ausreichende Befeuchtung der Brennstoffzelle zu gewährleisten.
  11. Kraftfahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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