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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
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Bevorzugter Anwendungsbereich sind mobile Anwendungen, insbesondere Fahrzeuge mit einem oder mehreren Brennstoffzellensystemen zur Energieversorgung.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme der vorstehend genannten Art benötigen einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, sowie ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff. Als Sauerstofflieferant kann Umgebungsluft verwendet werden. Die Brennstoffzellen des Systems verwandeln den Wasserstoff und den Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser (bzw. Wasserdampf). Da die elektrochemische Reaktion einen gewissen Luftmassenstrom erfordert, wird die Umgebungsluft mittels eines Luftförder- und/oder Luftverdichtungssystem der Kathodenseite der Brennstoffzellen zugeführt. Der Brennstoff wird in einem Tank mitgeführt und über Leitungen und Ventile der Anodenseite der Brennstoffzellen zur Verfügung gestellt. Da aus den Brennstoffzellen austretender Brennstoff in der Regel noch Restbrennstoff enthält, wird er üblicherweise in einem Anodenkreis rezirkuliert.
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Bei Außentemperaturen unter 0°C kann das Starten eines Brennstoffzellensystems problematisch sein, da im System vorhandenes Wasser, insbesondere Produktwasser und/oder Wasser, das zuvor in einer Stillstandsphase durch Auskondensieren von Feuchtigkeit entstanden ist, gefroren sein kann. Das gefrorene Wasser kann dann einzelne Systemkomponenten, insbesondere Ventile, in der Weise blockieren, dass ein Gefrierstart nicht möglich ist oder nur mit erheblichen negativen Auswirkungen auf die Alterung bzw. Degradation der Brennstoffzellen. Darüber hinaus können auch die einzelnen Systemkomponenten durch Eisdruck beschädigt werden.
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Durch Eisbildung kann beispielsweise ein Bypassventil blockiert werden, das der Verteilung der Gasmassenströme dient und üblicherweise als stromlos offenes Ventil ausgebildet ist. Im Falle der Blockade kann das Bypassventil nicht schlie-ßen, so dass der maximal mögliche Massenstrom in Richtung der Brennstoffzellen nicht erreicht wird. Dies kann negative Auswirkungen für den Abtransport von Wasser und/oder für die Luftversorgung der Brennstoffzellen haben, so dass deren Leistung stark limitiert ist.
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Durch Eisbildung kann aber auch ein Druckregelventil blockiert werden, das üblicherweise im Abluftpfad eines Brennstoffzellensystems angeordnet und ebenfalls als stromlos offenes Ventil ausgeführt ist. Bei einer Blockade kann dieses dann nicht geschlossen werden, so dass die Druckregelung stark eingeschränkt ist. Insbesondere können höhere Drücke nicht erreicht werden. Dies kann negative Auswirkungen auf die Temperatur auf der Kathodenseite haben, so dass die Luft zu wenig aufgewärmt wird und aufgrund von Kondensation Wasser ausfällt, das dann wieder gefrieren kann.
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Darüber hinaus können weitere Systemkomponenten, insbesondere Ventile und/oder Drosselklappen, in ihrer Funktion durch Eisbildung beeinträchtigt sein.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, die Gefahr der Eisbildung in einem Brennstoffzellensystem zu reduzieren, um die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird mindestens einer Brennstoffzelle über einen Kathodenzuluftpfad Luft zugeführt, die zuvor mit Hilfe eines im Kathodenzuluftpfad angeordneten Luftverdichtungssystems verdichtet worden ist. Aus der Brennstoffzelle austretende Abluft wird über einen Kathodenabluftpfad abgeführt. Erfindungsgemäß wird mit Hilfe einer ein Trocknungsmittel aufweisenden Trocknungseinrichtung in der Luft und/oder Abluft enthaltenes Wasser aufgenommen, temporär gespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgegeben.
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Das Verfahren kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems sowie im Stillstand durchgeführt werden, beispielsweise am Ende einer längeren Abstellfallphase. Denn bei abgestelltem Brennstoffzellensystem kann im System vorhandener Wasserdampf kondensieren, so dass dieses Wasser bei tiefen Außentemperaturen gefrieren und zu den eingangs genannten Nachteilen führen kann. Wird das Wasser jedoch aufgenommen und temporär gespeichert, bleibt die Startfähigkeit des Brennstoffzellensystems sichergestellt. Zugleich steigt die Robustheit des Systems bei einem Gefriertstart.
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Um das Verfahren bei abgestelltem Brennstoffzellensystem kurz zuvor einem Start durchzuführen, kann das System über eine Wake-up Funktion verfügen. Das Verfahren kann zudem kurz vor oder beim Abstellen des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die Durchführung des Verfahrens in Sonderphasen, beispielsweise im Start-Stopp-Betrieb, von Vorteil sein.
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Bei der Durchführung des Verfahrens wird vorzugsweise Silicagel, Kieselgel oder ein Zeolithmaterial als Trocknungsmittel verwendet. Die genannten Trocknungsmittel weisen die Eigenschaft auf, dass sie viel Feuchtigkeit aufnehmen können. Die Regeneration des Trocknungsmittels kann zudem bei Temperaturen erreicht werden, die in einem Brennstoffzellensystem erreichbar sind. Beispielsweise kann Kieselgel bei Temperaturen zwischen 120°C und 150°C regeneriert werden. Bei der Regeneration gibt das Trocknungsmittel die temporär gespeicherte Feuchtigkeit wieder ab.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass im Betrieb des Brennstoffzellensystems die Luft und/oder Abluft an dem Trocknungsmittel der Trocknungseinrichtung vorbeigeführt wird, so dass das Trocknungsmittel in Kontakt mit der Luft bzw. Abluft gelangt. Der direkte Kontakt gewährleistet, dass - abhängig von der Temperatur - in der Luft bzw. Abluft enthaltenes Wasser von dem Trocknungsmittel aufgenommen bzw. im Trocknungsmittel temporär gespeichertes Wasser abgegeben wird.
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Bevorzugt wird im Trocknungsmittel temporär gespeichertes Wasser mittels Luft, die zuvor mit Hilfe des Luftverdichtungssystem verdichtet worden ist, aus dem Trocknungsmittel ausgetrieben. Beim Verdichten wird die Luft erwärmt, so dass Temperaturen erreicht werden, die eine Regeneration des Trocknungsmittels möglich machen. Beispielsweise können beim Verdichten Temperaturen bis 200 °C erreicht werden. Die Temperatur hängt unter anderem davon ab, ob ein oder mehrstufig verdichtet wird. Bei mehrstufiger Verdichtung werden höhere Temperaturen erreicht.
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Um die Effizienz bei der Regeneration des Trocknungsmittels zu steigern, wird vorgeschlagen, dass die zuvor verdichtete Luft zum Austreiben des temporär gespeicherten Wassers über einen die mindestens eine Brennstoffzelle umgehenden Bypasspfad aus dem Kathodenzuluftpfad in den Kathodenabluftpfad geleitet wird. Durch die vorgeschlagene Umgehung der mindestens einen Brennstoffzelle ist sichergestellt, dass dem Trocknungsmittel der Trocknungseinrichtung erwärmte und trockene Luft zugeführt wird. Denn bei der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle fällt Wasser an, das mit der Abluft aus der Brennstoffzelle in den Kathodenabluftpfad eingeleitet wird. Die aus der Brennstoffzelle austretende Abluft ist daher feucht. Wird die Brennstoffzelle jedoch umgangen, gelangt vorrangig trockene Luft in den Kathodenabluftpfad. Die Trocknungseinrichtung ist hierzu bevorzugt im Bypasspfad und/oder im Kathodenabluftpfad angeordnet.
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Vorzugsweise wird der gesamte Luftmassenstrom, der zuvor mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichtet worden ist, über den Bypasspfad der Trocknungseinrichtung zur Regeneration des Trocknungsmittel zugeführt, so dass ausschließlich erwärmte und trockene Luft zur Trocknungseinrichtung gelangt. Unter Umständen kann über den Bypasspfad auch lediglich ein Teilmassenstrom aus dem Kathodenzuluftpfad abgezweigt und der Trocknungseinrichtung zugeführt werden. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Luft zuvor beim Verdichten auf sehr hohe Temperaturen erwärmt worden ist, so dass sie auch nach der Beimischung von aus der Brennstoffzelle austretender feuchter Abluft noch zur Regeneration des Trocknungsmittels geeignet ist.
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Die Trocknung der Luft bzw. Abluft mit Hilfe der Trocknungseinrichtung erfolgt vorzugsweise in den Bereichen, in denen der Feuchtegehalt der Luft bzw. Abluft besonders hoch ist. Dies ist regelmäßig im Kathodenabluftpfad der Fall. Des Weiteren bevorzugt wird die Trocknungseinrichtung im Bereich einer vereisungsgefährdeten und/oder gefrierkritischen Komponente des Brennstoffzellensystems, beispielsweise im Bereich eines Ventils und/oder eine Drosselklappe, angeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Komponente im Falle eines Gefriertstarts funktionsfähig ist.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle und einen Kathodenzuluftpfad zur Versorgung der Brennstoffzellen mit Luft, wobei im Kathodenzuluftpfad ein Luftverdichtungssystem angeordnet ist. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen Kathodenabluftpfad zum Abführen der aus der Brennstoffzelle austretenden Abluft. Erfindungsgemäß ist im Kathodenzuluftpfad, im Kathodenabluftpfad und/oder in einem den Kathodenzuluftpfad mit dem Kathodenabluftpfad verbindenden Bypasspfad eine ein Trocknungsmittel aufweisende Trocknungseinrichtung angeordnet.
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Dank der Trocknungseinrichtung ist das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems sind somit die gleichen Vorteile erreichbar. Insbesondere kann die Gefrierstartfähigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert werden. Zugleich steigt die Robustheit des Systems bei einem Gefrierstart, da der Eisbildung und der damit einhergehenden negativen Auswirkungen auf das System entgegengewirkt wird. Beispielsweise wird eine vorzeitige Alterung/Degradation durch einen nicht ordnungsgemäß durchgeführten Gefrierstart infolge blockierter oder funktional eingeschränkter Ventile im Luftsystem des Brennstoffzellensystems vermieden.
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Wie bereits in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnt kann es sich bei dem Trocknungsmittel der Trocknungseinrichtung insbesondere um ein Silicagel, ein Kieselgel oder ein Zeolithmaterial handeln. Diese Trocknungsmittel sind in der Lage, große Mengen an Wasser aufzunehmen, temporär zu speichern und zu einem späteren Zeitpunkt wieder abzugeben. Die Abgabe bzw. Regeneration des Trocknungsmittels kann zudem bei Temperaturen erreicht werden, die für ein Brennstoffzellensystem nicht unüblich sind.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Trocknungseinrichtung im Bereich eines Ventils oder einer Drosselklappe angeordnet ist. Die Anordnung erfolgt demnach im Bereich einer besonders vereisungsgefährdeten und/oder gefrierkritischen Komponente, die für den Betrieb des Brennstoffzellensystems essenziell ist. Wird diese vor Eisbildung geschützt, bleibt sie im Fall eines Gefriertstarts voll funktionsfähig. Ferner können durch Eisdruck hervorgerufene Schäden an der Komponente vermieden werden.
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Sofern mehr als nur eine Trocknungseinrichtung vorgesehen ist, können diese im System verteilt angeordnet werden, so dass mehrere Ventile und/oder Drosselklappen vor Eisbildung geschützt sind.
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Die Anordnung der mindestens einen Trocknungseinrichtung kann stromaufwärts oder stromabwärts eines Ventils und/oder einer Drosselklappe erfolgen. Darüber hinaus kann die Trocknungseinrichtung auch in das Ventil bzw. in die Drosselklappe integriert werden. Vorzugsweise ist die Trocknungseinrichtung auf der Seite der mindestens einen Brennstoffzelle angebracht, die den höheren Feuchtegehalt - insbesondere im Abstellfall - aufweist. In der Regel handelt es sich hierbei um die Abluftseite.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Trocknungseinrichtung in eine Aktorik zur Betätigung des Ventils oder der Drosselklappe integriert. Auf diese Weise bleibt bei einem Gefrierstart die Funktionsfähigkeit der Aktorik sowie der hierüber betätigten Komponente gewährleistet. Die Aktorik kann beispielsweise ein Elektromotor sein. Möglich ist auch eine Aktorik, die pneumatische Stellkräfte nutzt.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass die Trocknungseinrichtung im Bereich eines Dichtsitzes des Ventils angeordnet ist. Da dieser Bereich besonders gefrierkritisch ist, können auf diese Weise Schäden durch Eisbildung am Dichtsitz vermieden werden.
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Das Trocknungsmittel kann hinter einer offenen Struktur, beispielsweise einem Gitter oder Metallsieb, angeordnet sein, durch welche der Kontakt des Trocknungsmittel mit der feuchten Luft bzw. Abluft gewährleistet ist. Die offene Struktur ermöglicht die Verwendung eines Trocknungsmittels, das selbst keine feste Form aufweist und/oder rieselfähig ist, beispielsweise die Form eines Granulats aufweist.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Trocknungsmittel und/oder ein das Trocknungsmittel aufnehmendes Gehäuse kreisförmig oder teilkreisförmig um einen Strömungspfad angeordnet ist bzw. sind, der von feuchter Luft durchströmt wird. Das Trocknungsmittel wird auf diese Weise zwangsläufig in Kontakt mit der feuchten Luft gebracht, wenn diese den Strömungspfad durchströmt. Das Trocknungsmittel und/oder das Gehäuse kann bzw. können dabei insbesondere ringförmig ausgebildet sein, so dass ein größtmöglicher Kontaktbereich des Trocknungsmittels mit der den Strömungspfad durchströmenden feuchten Luft geschaffen wird. Das Trocknungsmittel und/oder das Gehäuse kann bzw. können hierzu in einen den Strömungspfad begrenzenden Leitungsabschnitt integriert sein.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 2 eine schematische Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 3 eine schematische Darstellung einer Trocknungseinrichtung für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Trocknungseinrichtung für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 5 eine schematische Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 dient der Erzeugung elektrischer Antriebsenergie. Hierzu umfasst das Brennstoffzellensystem 1 mindestens eine Brennstoffzelle 2, die anodenseitig über einen Anodenkreis (nicht dargestellt) mit Wasserstoff als Brennstoff und kathodenseitig über einen Kathodenzuluftpfad mit Luft als Sauerstofflieferant versorgbar ist. Die Luft wird der Umgebung 17 entnommen und über einen im Kathodenzuluftpfad 3 angeordneten Luftfilter 12 einem Luftverdichtungssystem 4 zum Verdichten zugeführt. Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, ist stromabwärts des Luftverdichtungssystems 4 eine Kühleinrichtung 13 zur Kühlung der verdichteten Luft angeordnet. Weiter stromabwärts kann zusätzlich eine Befeuchtungseinrichtung 14 im Kathodenzuluftpfad 3 angeordnet sein, um die Luft zu befeuchten und auf diese Weise ein Austrocknen der Membran der mindestens einen Brennstoffzelle 2 zu verhindern. Aus der Brennstoffzelle 2 austretende Luft bzw. Abluft wird über einen Kathodenabluftpfad 5 wieder an die Umgebung 17 abgeführt. Zur Umgehung der mindestens einen Brennstoffzelle 2 ist ein Bypasspfad 7 vorgesehen, der den Kathodenzuluftpfad 3 mit dem Kathodenabluftpfad 5 verbindet. Um die Luft vollständig über den Bypasspfad 7 zu leiten, werden einlass- und auslassseitig an der mindestens einen Brennstoffzelle 2 angeordnete Absperrventile 15, 16 geschlossen und ein im Bypasspfad 7 angeordnetes Ventil 8 geöffnet. Bei geöffneten Absperrventilen 15, 16 und zumindest teilweise geöffnetem Ventil 8 kann der Luftmassenstrom aufgeteilt werden. Dies ist üblicherweise im Normalbetrieb der Fall. Alternativ zum Ventil 8 kann auch eine Drosselklappe 9 im Bypasspfad 7 angeordnet sein (siehe Bezugszeichen in Klammern). Ein weiteres Ventil 8 ist in den Kathodenabluftpfad 5 integriert, das der Druckregelung dient.
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Da aus der Brennstoffzelle 2 austretende Luft bzw. Abluft Wasser enthält, das insbesondere im Abstellfall bei tiefen Außentemperaturen gefrieren kann, so dass besonders sensible Komponenten, wie beispielsweise die beiden Ventile 8 bzw. die Drosselklappe 9, bei einem Wiederstart blockieren und zudem Schaden nehmen könnten, weist das in der 1 dargestellte System mindestens eine Trocknungseinrichtung 6 mit einem Trocknungsmittel 25 auf, an dem die feuchte Luft zum Trocknen vorbeigeführt wird. In der 1 ist stromabwärts des im Bypasspfad 7 angeordneten Ventils 8 sowie stromaufwärts des im Kathodenabluftpfad 5 angeordneten Ventils 8 jeweils eine Trocknungseinrichtung 6 vorgesehen. Dadurch ist bei einem Gefrierstart sichergestellt, dass diese beiden Ventile 8 nicht blockieren oder Schaden nehmen. Die Anordnung der Trocknungseinrichtung 6 kann jeweils vor, hinter oder im Ventil 8 selbst erfolgen. Mögliche Ausführungsformen werden nachfolgend in Zusammenhang mit den 3 und 4 beschrieben.
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2 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, das beispielhaft einen etwas anderen Aufbau als das System der 1 aufweist. Bei dem System der 1 ist das Luftverdichtungssystem 4 zweistufig ausgeführt, wobei die beiden Stufen elektromotorisch über eine gemeinsame Welle angetrieben werden. In der 2 weist das Luftverdichtungssystem 4 ebenfalls zwei Stufen auf, wobei eine erste Stufe 4.1 zweiflutig ausgeführt ist und elektromotorisch angetrieben wird. Die zweite Stufe 4.2 weist eine Turbine 18 als Antrieb auf, der die aus der mindestens einen Brennstoffzelle 2 austretende Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Um die mehrstufig verdichtete Luft zu kühlen, ist eine Kühleinrichtung 13 vorgesehen. Alternative oder zusätzliche Positionen für die/eine Kühleinrichtung 13 sind gestrichelt dargestellt. Sofern stromabwärts der zweiten Stufe 4.2 der Luftverdichtung und stromaufwärts des Bypasspfads 7 eine Kühleinrichtung 13 vorgesehen ist, kann diese bevorzugt über einen Bypasspfad 20 mit hierin integriertem Bypassventil 21 umgangen werden. Ein weiterer Bypasspfad 19 ist abluftseitig zur Umgehung der Turbine 18 vorgesehen. In diesen ist ein Ventil 8 integriert, an dem eine weitere Trocknungseinrichtung 6 angeordnet ist, so dass das System der 2 mindestens drei Trocknungseinrichtungen 6 zum Schutz der Ventile 8 umfasst.
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Wie beispielhaft in der 3 dargestellt, welche eine in einem Leitungsabschnitt 24 des Bypasspfads 7 (oder des Kathodenabluftpfads 5) angeordnete Drosselklappe 9 zeigt, kann die Trocknungseinrichtung 6 ein ringförmiges Gehäuse 23 aufweisen, in dem das Trocknungsmittel 25 hinter einer gitterartigen offen Struktur 22 aufgenommen ist, so dass es in Kontakt mit der durch den Leitungsabschnitt 24 geführten feuchten Luft gelangt. Die Trocknungseinrichtung 6 ist nahe einer Aktorik 10 zur Betätigung der Drosselklappe 9 sowie einer Lagerstelle 26 angeordnet, so dass in diesem Bereich Wasseransammlungen vermieden werden, die im Abstellfall bei tiefen Außentemperaturen gefrieren können. Auf diese Weise bleibt die Funktionsfähigkeit der Drosselklappe 9 bei einem Gefrierstart gewährleistet. Zudem ist sichergestellt, dass die Drosselklappe 9 durch Eisdruck nicht beschädigt wird.
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4 zeigt beispielhaft verschiedene Trocknungseinrichtungen 6, 6', 6" an unterschiedlichen Positionen in einem Leitungsabschnitt 24 bzw. in einem Ventilglied 27 eines Ventils 8. Die Trocknungseinrichtung 6 kann ein festes Trocknungsmittel 25 aufweisen, so dass das Trocknungsmittel 25 ringförmig gestaltet und in den Leitungsabschnitt 24 in der Weise integriert werden kann, dass das Trocknungsmittel 25 in Kontakt mit der feuchten Luft gelangt. Wie beispielhaft an der Trocknungseinrichtung 6` dargestellt, kann das Trocknungsmittel 25 - analog der 3 - hinter einer offenen Struktur 22 in einem Gehäuse 23 aufgenommen sein, so dass es von der feuchten Luft angeströmt wird (Strömungsrichtung ist durch Pfeile angegeben). In allen dargestellten Positionen ist die Trocknungseinrichtung 6, 6', 6" jeweils nahe eines Dichtsitzes 11 des Ventils 8 angeordnet, so dass dieser Bereich frei von Wasseransammlungen gehalten werden kann. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Ventilglied 27 festfriert und blockiert.
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Anhand der 5 wird nachfolgend ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, und zwar über die nachfolgend genannten Phasen hinweg:
- - Normalbetrieb des Brennstoffzellensystems (P10),
- - Abstellphase (P20),
- - Stillstandsphase (P30),
- - Startphase (P40) und
- - Wiederaufnahme des Normalbetriebs (P50).
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Abhängig von der Position des Ventils 8 bzw. der Drosselklappe 9 sowie von der Luftsystem-Topologie kann im Normalbetrieb P10 verdichtete und demzufolge warme, trockene Luft an mindestens einer Trocknungseinrichtung 6 vorbeigeführt werden, so dass dem Trocknungsmittel 25 der Trocknungseinrichtung 6 Wasser entzogen wird. Das heißt, dass das Trocknungsmittel 25 getrocknet wird, so dass dieses in die Lage versetzt wird, erneut Wasser aufzunehmen.
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Zum Trocknen des Trocknungsmittels 25 muss zumindest ein Teilmassenstrom der verdichteten Luft über den Bypasspfad 7 geleitet werden, so dass die Luft an der mindestens einen Trocknungseinrichtung 6 im Bypasspfad 7 und/oder im Kathodenabluftpfad 5 und/oder im Bypasspfad 19 vorbeiströmt (PTr1). Kurzzeitig können auch die Absperrventile 15, 16 geschlossen werden (PTr2), so dass der gesamte Luftmassenstrom über den Bypasspfad 7 in den Kathodenabluftpfad 5 eingeleitet wird. Dies ist insbesondere in sogenannten „Stand-by“-Phasen von Vorteil, in denen der Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 2 zur Sauerstoffverarmung durch „Bleed-Down“ kurzzeitig ausgesetzt wird, beispielsweise bei Start-Stopp Betrieb des Brennstoffzellensystems 1. In diesen Phasen wird kurzfristig das Temperaturniveau durch Steigerung des Verdichtungsverhältnisses des Luftverdichtungssystems 4 angehoben.
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Sofern nicht bereits im Normalbetrieb P10 des Brennstoffzellensystems 1 dem Trocknungsmittel 25 Wasser entzogen wird (PTr1, PTr2), erfolgt eine gezielte Trocknung (PTr3) während der Abstellphase P20, und zwar nach dem Abstellen bzw. Absperren der mindestens einen Brennstoffzelle 2. Das heißt, dass die Absperrventile 15, 16 geschlossen sind. Auch in dieser Phase kann - analog zur Vorgehensweise in PTr2 - die Luft höherverdichtet werden, um hohe Temperaturen zum Austreiben des Wassers aus dem Trocknungsmittel 25 zu erreichen.
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In der anschließenden Stillstandsphase P30 kann mit Hilfe des Trocknungsmittels 25 Feuchtigkeit aufgenommen werden, die durch Kondensation von Wasserdampf angefallen ist. Denn während das Brennstoffzellensystem 1 abgestellt ist, kann es abkühlen, so dass sich Feuchtigkeit im Luftsystem und auch an den Aktoren niederschlägt. Das Trocknungsmittel 25 nimmt die Feuchtigkeit auf und verhindert somit, dass sich zu viel Feuchtigkeit in den gefrierkritischen Bereichen ansammelt. Das heißt, dass das Trocknungsmittel 25 mit Wasser beladen wird, so dass ein Beladungszustand PWload1 erreicht wird.
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Ferner kann während der Stillstandsphase P30 in Vorbereitung einer bevorstehenden Startphase P40 gezielt eine Trocknung der Luft bzw. Abluft mit Hilfe einer „Wake-up“-Funktion durchgeführt werden (PTr4). In der Steuerung mobiler Brennstoffsysteme 1 ist eine solche Funktion üblicherweise vorhanden, um noch in der Stillstandsphase Maßnahmen für den Start einzuleiten. Handelt es sich bei dem Start aufgrund tiefer Umgebungstemperaturen um einen Gefrierstart, können Gefrierschutzmaßnahmen eingeleitet werden. Unter anderem kann das Luftverdichtungssystem 4 aktiviert werden, so dass bei geschlossenen Absperrventilen 15, 16 warme/heiße Luft über den Bypasspfad 7 geleitet wird. Das Trocknungsmittel 25, dass gegebenenfalls bereits während der Abkühlung viel Feuchtigkeit aufgenommen hat, so dass es den Beladungszustand PWloadl aufweist, kann auf diese Weise zunächst entfeuchtet werden.
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Der Verfahrensschritt PTr4 kann insbesondere angewendet werden, wenn während der Abstellphase P20 der Verfahrensschritt PTr3 übersprungen wurde, da beispielsweise die Temperaturen noch ausreichend hoch waren und/oder keine Frostgefahr vorlag. PTr4 kann jedoch auch als wiederholende Maßnahme nach PTr3 angewendet werden.
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In der anschließenden Startphase P40 wird das Trocknungsmittel 25 weiter mit Wasser beladen, so dass es den Beladungszustand PWload 2 erreicht. Der Gefahr, dass bei einem Gefrierstart neu entstehendes Wasser oder bereits aufgetautes Wasser (erneut) gefriert und wichtige Systemkomponenten blockiert, kann mit Hilfe der mindestens einen Trocknungseinrichtung 6 entgegengewirkt werden. Denn das Trocknungsmittel 25 der Trocknungseinrichtung 6 bindet das Wasser.
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Mit Wiederaufnahme des Normalbetriebs in P50 wird das Trocknungsmittel 25 weiter mit Wasser beladen, so dass ein Beladungszustand PWload 3 erreicht wird. Dieser Zustand stellt den Ausgangszustand vor dem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 da (vergleiche P10). Durch die in P10 vorgeschlagenen Maßnahmen (PTr1, PTr2) kann dann die Trocknung des Trocknungsmittels 25 eingeleitet werden. Die gezielte Trocknung (PTr3) findet dann in der Abstellphase P20 statt.
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Die Möglichkeiten zur Trocknung des Trocknungsmittels 25 einer Trocknungseinrichtung 6 sind von der Topologie des jeweiligen Luftsystems abhängig. Zweigt beispielsweise der Bypasspfad 7 vor der Kühleinrichtung 13 ab, kann die heiße Luft direkt über den Bypasspfad 7 geleitet werden. Ist die Kühleinrichtung 13 vor dem Bypasspfad 7 angeordnet und weist einen Bypasspfad 20 zur Umgehung der Kühleinrichtung 13 auf, kann dieser aufgeschaltet und die heiße Luft über den Bypasspfad 20 geleitet werden. Ist kein Bypasspfad 20 vorgesehen, kann die Kühleinrichtung 13 vorübergehend ausgeschaltet bzw. gedrosselt werden, um die Luft nicht zu sehr abzukühlen.
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Die in den 1 und 2 gezeigten Systemtopologien stellen lediglich Ausführungsbeispiele dar. Die Erfindung schließt auch solche Systeme mit ein, die nicht explizit beschrieben und/oder dargestellt sind. Denn ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann ein ein- oder mehrstufiges Luftverdichtungssystem, ein Luftverdichtungssystem mit einer oder mehreren Wellen, ein Luftverdichtungssystem mit oder ohne Energierückgewinnung umfassen. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann ferner einen Membranbefeuchter oder eine Einrichtung zur Wassereinspritzung als Befeuchtungseinrichtung aufweisen. Darüber hinaus kann im Kathodenabluftpfad eine Einrichtung zur Wassergewinnung angeordnet sein. Die in den 1 und 2 dargestellten Positionen der Bypasspfade und/oder Ventile sind ebenfalls nur beispielhaft gewählt.
